建設現場におけるトランス接地保護技術の分析

現在、中国はこの分野で一定の成果を達成しています。関連文献では、原子力発電所の低圧配電システムにおける接地故障保護の典型的な構成スキームが設計されています。国内および国際的な事例に基づいて、原子力発電所の低圧配電システムでの接地故障が変圧器のゼロシーケンス保護の誤動作を引き起こした原因を分析し、その根本的な要因を特定しました。さらに、これらの典型的な構成スキームに基づいて、原子力発電所の補助電源システムにおける接地故障保護措置の改善提案を行いました。

関連文献では、差動電流と制限電流の変動パターンを研究し、差動電流と制限電流の比を計算することで、このような故障条件下での主変圧器比率差動保護の適応性について定量的な分析を行っています。

しかし、上記の方法にはまだ多くの問題があり、解決する必要があります。例えば、過大な接地抵抗、不適切な接地方法の選択、不十分な雷保護接地措置—これら全てが変圧器の故障を引き起こし、さらには安全事故を引き起こす可能性があります。したがって、建設現場での変圧器接地保護技術についてより深い研究と分析を行い、最新の研究成果と技術発展を取り入れる必要があります。

この研究を通じて、変圧器接地保護技術の理論レベルを高めるとともに、実際の建設プロジェクトに対して実践的かつ実行可能な解決策と措置を提供することができます。この研究により、建設現場での変圧器接地保護技術に対する学者からのより多くの注目と重視が得られ、この分野の発展が促進されることを期待します。

1 変圧器の接地方法の決定

従来の変圧器の中性点直接接地方式は、特定の条件下で過大な短絡電流を引き起こし、設備を損傷させる可能性があります。そのため、中性点低抵抗接地方式が提案されています。中性点低抵抗接地は、変圧器の中性点と地線間に低抵抗を接続することで、変圧器の接地電流を効果的に制御する有効な変圧器接地手法です。この接地方式は、接地電流の大きさを調整し、雷や過電圧による変圧器への影響を減らすことによって運転安定性を向上させることができます。また、短絡電流を制限し、設備損傷のリスクを減らすことができます。

具体的には、建設現場での変圧器の中性点低抵抗接地を実施する際、最初のステップは適切な接地抵抗値を決定することです。オームの法則によれば、接地抵抗値は接地電流と接地電圧に反比例します。したがって、中性点低抵抗接地方式の接地抵抗値を選択する際には、まず抵抗値を決定し、以下の計算式を使用します：

式中、R₀は接地抵抗の抵抗値を表し、U₀は建設中の電気システムの平均定格電圧を表し、I₀は中性点抵抗を通過する電流を表します。式（1）の計算に基づき、短絡電流を効果的に制限しつつ、変圧器に過大な影響を与えない適切な接地抵抗値を選択する必要があります。

次に、接地線の断面積や材料などのパラメータを決定します。接地線の材料は、優れた導電性と耐食性を持つことが必要であり、その寿命と信頼性を確保する必要があります。本研究では、建設現場での変圧器接地の実際の状況を総合的に考慮し、錫メッキ銅線を接地導体として選択しました。これは良好な導電性、配線の容易さ、強力な耐食性を備えており、中性点低抵抗接地方式の要求を完全に満たしています。

接地線の断面積は、その抵抗値に直接影響を与え、さらに接地電流にも影響します。したがって、次の式に基づいて適切な接地線の断面積を選択します：

式中、Sは中性点低抵抗接地方式における接地線の断面積を表し、ηは中性点接地抵抗と変圧器接地抵抗との間の比係数を表し、Tは接地線の許容温度上昇を表します。最後に、接地電極の埋設深度を決定する必要があります。厳酷な環境下での接地電極の安定稼働を確保するため、その埋設深度は建設現場の凍土層の厚さを超えるべきであり、これにより接地システムの信頼性と安全性を全面的に保証することができます。

以上のように、建設現場での変圧器の接地において、中性点低抵抗接地方式を採用し、接地抵抗値、接地線の断面積、材料選択、接地電極の埋設深度などの接地パラメータを合理的に設定することで、建設中の変圧器の安定稼働に堅固な基盤を提供することができます。

2 変圧器接地保護スキームの設計

上記の内容に基づき、建設現場における変圧器接地保護技術では、中性点低抵抗接地方式が採用されています。この接地方式は主に低抵抗を通じて変圧器の接地電流を効果的に制御します。変圧器の運転中に様々な故障が発生する可能性がありますが、最も一般的なのは一相接地故障です。一相接地故障とは、変圧器の一相巻線と地との間にショート回路が発生し、他の二相は正常に機能し続ける状態を指します。この故障により、変圧器の中性点電位が変化し、三相電流のバランスが崩れます。この特性を利用して、変圧器の三相電流不均衡に基づく保護スキームが提案されています：

最初にゼロシーケンスセクションI保護があり、その設定計算式は以下の通りです：

式中、I₁は建設現場の変圧器のゼロシーケンス保護動作電流値を表し、γ₁は信頼性係数、γ₂はゼロシーケンス枝分岐係数、I₂は建設現場の変圧器の隣接コンポーネントのゼロシーケンス保護動作電流値を表します。式(3)に基づいてゼロシーケンスセクションI保護の電流値を計算した後、セクションI保護の動作時間は通常、次のレベルのゼロシーケンス保護の動作時間より約0.5秒長くなります。

次にゼロシーケンスセクションII保護があります。その保護電流値の計算式はゼロシーケンスセクションI保護と同じであり、つまり保護電流も式(3)に基づいて得られますが、動作時間は異なり、ゼロシーケンスセクションI保護の動作時間から約0.3秒増加する必要があります。

最後にゼロシーケンス電圧保護があります。建設現場の変圧器で一相接地故障が発生した際、中性点が本来の感度を失う可能性があることを総合的に考慮して、ゼロシーケンス電圧保護の動作電圧は一相接地故障時に保護設置点で現れる最大ゼロシーケンス電圧よりも低くなければなりません。ゼロシーケンス電圧保護電圧の値は主に以下の式に基づいて決定されます：

式中、U₁はゼロシーケンス電圧保護の動作電圧を、U₂は三次側巻線の定格電圧を表します。

要するに、完全な三相電流不均衡保護スキームを形成するためには、ゼロシーケンスセクションI、ゼロシーケンスセクションII、およびゼロシーケンス電圧保護の計算式を含む一連の複雑な計算が必要です。これらの式の導出と適用により、建設現場の一相接地故障の種類と深刻さをより正確に判定することができます。この保護スキームは接地故障を迅速に位置特定し隔離するだけでなく、接地故障による停電事故の発生確率を減らすことができます。また、中性点低抵抗接地方式と組み合わせることで、建設現場の変圧器に対する包括的な接地保護構造が形成され、変圧器の安全な運転に強力な保護を提供します。

3 実験分析

上記の建設現場における変圧器接地保護技術の有効性を検証するために、本章では電力システムシミュレーションソフトウェアPowerFactoryを使用して変圧器接地保護シミュレーション実験を行います。まず、シミュレーションソフトウェア内で建物電気システムモデルを作成し、これは主に変圧器、高・低圧配線、負荷、その他の設備を含みます。表1は実験用変圧器のモデルとパラメータ仕様を示しています。

トランスフォーマーの具体的な構造は図1に示されています。

次に、トランスフォーマーの接地保護シミュレーション実験が、中性点低抵抗接地、中性点高抵抗接地、および消弧コイルによる中性点接地という3つの異なる接地方法を使用してそれぞれ行われました。接地方法を設定する際、中性点低抵抗接地方法では、抵抗値が小さい抵抗を選択し、具体的には0.5 Ωに設定して、低抵抗接地の効果をシミュレートしました。一方、中性点高抵抗接地方法では、より大きな抵抗値を持つ抵抗を選択し、具体的には10 Ωに設定して、高抵抗接地の特性をシミュレートしました。

実験中に、単相接地故障下でのトランスフォーマーの接地電流レベルをシミュレートしました。具体的な故障位置は、トランスフォーマーの低圧側の一相線の中点に設定され、故障抵抗は100 Ωに設定して接地故障時の接地抵抗をシミュレートしました。故障シミュレーションプロセス中、高サンプリングレートのデータ取得システムを使用して接地電流データを記録し、サンプリング頻度は毎秒1000回に設定して、接地電流の微妙な変化を確実に捕捉しました。

故障発生時の接地電流値を記録するだけでなく、故障発生後0.1秒、0.5秒、1秒、5秒、10秒といった複数の時間点で接地電流の変化を観察するために設定しました。実験結果のランダム性を避けるために、接地電流データを10回記録し、平均値を最終的な実験結果として採用しました。図2は、異なる接地方法におけるトランスフォーマーの接地保護効果の比較を示しています。

図2に示すシミュレーション分析では、単相故障下でのトランスフォーマーの接地電流特性について、中性点低抵抗接地、高抵抗接地、および消弧コイル接地方法を比較しました。その結果、トランスフォーマーの単相接地故障時には、中性点低抵抗接地方法による接地電流が、中性点高抵抗接地および中性点消弧コイル接地方法よりも著しく高いことが示されました。

設計された接地保護技術により、トランスフォーマーの平均接地電流は70.11 Aとなり、対照群技術と比較してそれぞれ43.44 Aおよび21.62 A増加しました。これにより、故障点でのアーク強度が減少し、故障の自己消去能力が加速されます。したがって、設計された接地保護技術は実用的であり、信頼性が高く、トランスフォーマーの単相接地故障に対する実用的な応用に適しており、建設現場でのトランスフォーマーの動作安全性を効果的に保護します。

4.結論

建設現場のトランスフォーマーの接地保護技術として、中性点低抵抗接地方法に基づく零相過電流保護方式を提案しました。比較実験を通じて、設計された接地保護技術がトランスフォーマーの単相故障に対する主要な保護において優れていることが検証されました。ただし、いくつかの研究成果が得られたものの、まだ一定の制限があります。例えば、実験条件やデータサンプルが十分でない可能性があり、結論の普遍性をさらに検証する必要があります。

今後の研究では以下の分野に焦点を当てるべきです：まず、実験の範囲を拡大し、データサンプルを増やすことで、結論の正確さと普遍性を向上させることが挙げられます。次に、他の保護方式や技術に関する深層研究を行い、より効率的で信頼性の高いトランスフォーマーの接地保護方法を探求することが挙げられます。最後に、実際のエンジニアリングアプリケーションと組み合わせて、より高性能な保護装置とシステムを開発することが挙げられます。