ユーティリティ規模の太陽光PV発電所における中性点接地方式の設計計算と接地変圧器のサイズ選定

1 太陽光発電所の中性点接地方式の分類

地域ごとの電圧レベルや電力網構造の違いにより、電力システムの接地方式は主に非有効接地と有効接地に分類されます。非有効接地には消弧コイルによる中性点接地と中性点不接地があります。一方、有効接地には中性点直接接地と抵抗による中性点接地があります。接地方式の選択は包括的な問題であり、リレー保護の感度、設備の絶縁レベル、投資コスト、電力供給の継続性、運用保守の難易度、故障範囲、および系統安定性への影響などを考慮する必要があります。

1.1 非有効接地
1.1.1 消弧コイルによる中性点接地

消弧コイルはシステムの中性点に設置されます。故障時には、インダクティブな電流がシステムのキャパシティブな電流を補償し、接地点の故障電流は補償後の残余インダクティブ電流となります。単相接地故障が発生した場合、コイルはキャパシティブ電流を補償して接地アークを迅速に消火し、断続的なアークと過電圧を抑制します。故障後も一時的にシステムを運転できるため、高信頼性の電力供給に適しています。

主要な特徴：

• 保護・運転：小さな接地電流により、通常の零相電流保護は感度が不足し、複雑な単相接地保護が必要です。コイルは過補償モードで動作しなければならず、操作者は電力網の変化に応じてパラメータを調整する必要があり、維持管理が複雑になります。

• 構成：複数のコイルを集中して設置したり、単一のコイルのみの設置を避けて補償失敗を防ぎます。

• 適用性と制限：大きな単相接地キャパシティブ電流を持つシステムに適しており、設備の熱効果を減らし短期間の継続的な電力供給を可能にします。しかし、中大規模の太陽光発電所ではリレープロテクションが故障を迅速に切断できないため、MWレベル以上の太陽光発電所や10kV/35kVバスではあまり使用されません。初期の消弧コイルシステムは改修されています。

1.1.2 中性点不接地

中性点不接地システム（非有効接地）は、単相故障時に線路または設備のキャパシティブ結合による故障電流があり、短絡ループはありません。低い電流と維持された相間電圧により、1～2時間の故障運転が可能です。ただし、再燃アークの過電圧リスクがあり、高い絶縁が必要です。小さなキャパシティブ電流（例：太陽光発電機の交流側、中性点引出しがない低圧変圧器）に適しています。

1.2 有効接地
1.2.1 中性点直接接地

大きな故障電流、敏感な保護、低い過電圧、緩和された絶縁を提供しますが、過度な接地電流による信頼性の低下と深刻な通信干渉のリスクがあります。50MW以上の太陽光発電所の110kV以上の高圧変圧器で一般的に使用され、接地スイッチや避雷器を用いて柔軟な接地が可能です。

1.2.2 抵抗による中性点接地

中性点抵抗を通じてキャパシティブ電流を超える有効電流を注入することで、高感度の零相保護を実現し、迅速な故障隔離が可能です。利点：

• 安定したパラメータ：初期運転中に調整が必要ありません。

• 絶縁の経済性：迅速な故障遮断により、低絶縁要件。

• 適用：長距離ケーブルシステム、大容量変圧器/モーター、高キャパシティブ電流の太陽光発電所。

• 電圧階層：

• ≥220 kV: 直接接地

• 66–110 kV: 多数が直接接地、少数が非直接接地

• 6–35 kV: 多数が非直接接地、少数が直接接地

2 接地変圧器の容量計算

MW規模の太陽光発電所の10/35kVバス（抵抗接地）では、中性点が引き出されていない場合、専用の接地変圧器が必要です。計算手順：

• 一次電圧：システムバス電圧に合わせる。

• キャパシティブ電流：ケーブル/架空線の電流と変電所設備の影響を合算する。

• 抵抗値：迅速な零相保護の起動を確保する。

• 変圧器容量：接地抵抗の定格を考慮し、変電所電源として二次負荷がある場合はそれを含める。

3 接地変圧器の容量計算例
3.1 プロジェクト概要
標高1340m（年平均気温3℃）にある50MWの集中型太陽光発電所で、高度や湿度によるデレートは不要です。50×1MWのサブアレイからなり、DCは現地で逆変換され35kVに昇圧されます。10つのサブアレイが集電線を形成し、35kV単母線システムに送られ、さらに110kV（中性点直接接地）に昇圧されます。35kV昇圧所には低圧主変圧器、5つのPV集電線、接地変圧器、変電所サービス変圧器、リアクティブ補償装置、PT回路があり、中性点は抵抗接地されています。

3.2 接地変圧器の容量計算
3.2.1 接地方式

接地変圧器の一次定格電圧は35kVシステム電圧と一致します。35kV集電線は主に直埋ケーブル（計34km）で、架空線は2kmです。

• 35kV架空集電線の単相接地キャパシティブ電流：Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• 35kVケーブル集電線の単相接地キャパシティブ電流：Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): 線間電圧 (kV); L: 線路長 (km))

35kV変電所のキャパシティブ電流が13%増加すると、太陽光発電所の単相接地キャパシティブ電流は10Aを超えます。そのため、35kVバスの中性点は抵抗接地を使用します。

3.2.2 接地変圧器の容量

接地抵抗の場合、一次電圧UR≥21.21kV。単相故障時には、接地故障電流を150～500Aに設定し、IR=400A、R=50.5Ω、PR≥UR×IR。低抵抗接地システムでは、接地変圧器の容量は故障電流に対応する容量の1/10です。別途変電所サービス変圧器が存在するため、二次負荷は無視されます。技術経済的要素、気象条件、および高度を考慮し、容量は1000kVAに設定されます。

4.結論

太陽光発電などの再生可能エネルギーの開発は、世界各国の産業発展政策に合致しています。中性点接地方式は、電力システムの設計や運転に影響を与えます。システムの接地方式を選択する際には、システムの電力供給信頼性や設備の絶縁レベル、リレープロテクションの実装難易度など、様々な要因を総合的に考慮する必要があります。