接地変圧器の動作特性の分析：システム一相接地障害条件下的动作特性分析

1 理論解析

配電網において、接地トランスは低電圧負荷への供給と中性点での消弧コイルの接続による接地保護という2つの重要な役割を果たします。接地障害は最も一般的な配電網障害であり、トランスの動作特性に大きな影響を与え、電磁パラメータと状態に急激な変化を引き起こします。単相接地障害下でのトランスの動的挙動を研究するため、このモデルを構築します：低電圧側単相障害中にトランスの固有特性が安定していると仮定し、その後、消弧コイルの補償メカニズムを通じてその動作規則を導出します。関連資料には、図1（トランスの物理構造）、図2（単相障害下のシステム等価回路）、図3（トランス動作等価回路）が含まれます。

u は仮想電源の電圧を表し、その計算式は以下の通りです：

式中：U_m はバスの電圧振幅； w₀ は商用周波数の角周波数； w₀ はシステムが単相接地障害を経験した後に生成される電圧位相角です。障害が消弧ステージにある場合、消弧コイルの電流 i_L は以下の通りです：

式中： δ1 は減衰係数； IL はシステム電流とインダクタンスの振幅； R1 は主トランスと線形ループの等価抵抗； e は単相接地障害発生時の電圧位相角； L は接地トランスの零次インダクタンスと消弧コイルのインダクタンスを示します。

消弧コイルの誘導電流と脱調度との間に相関があり、以下の式が導かれます：

式中：i_C は補償された接地電流； C は配電線の対地キャパシタンス； v は変電所システムの脱調度です。システムの単相接地障害が安定した接地状態にある場合、消弧コイルの誘導電流は安定します。

上記の解析を組み合わせると、以下の式が導かれます：

式中：R_L は主トランスと線形ループの等価抵抗（元の「等価インダクタンス」はタイプミスで、「等価抵抗」に訂正。もしインダクタンスであれば、L_L を保持）； w₀  は商用周波数の角周波数です。

式 (4) を式 (5) に代入して誘導電流を計算すると、以下の式が得られます：

式 (6) と組み合わせると、障害の消弧ステージでは、消弧コイルのインダクタンスと配電線の対地キャパシタンスが直列に接続され、システム電流は均一になります。誘導電流が正常に戻った後、誘導電流の計算式は以下の通りです：

式中：u_C0+ は消弧ステージ中のシステムの対地キャパシタンス電圧； i_L0+ は消弧ステージ中のシステムの消弧コイルを通過する誘導電流； w は共振角周波数です。上記の解析に基づいて、システムの単相接地障害の異なる段階では、接地トランスの動作特性に影響を与える要因が異なり、具体的には表1に示されています。

2 シミュレーションモデルの構築と検証
2.1 モデルの構築
シミュレーションモデルの構築は、ある地域の接地トランスのパラメータに基づいています。詳細は表2に示されています。ケーブル線路のパラメータは表3に示されています。

2.2 モデルの検証

モデル検証では、研究の信頼性と妥当性を確保するために、システムの単相接地障害を1 Aのケーブル線路から4 km離れた位置に設定し、障害位相角は90°を基準とします。構築したシミュレーションモデルを使用して、システムの単相接地障害における異なる線路の零次電流を取得し、詳細は表4に示されています。

システムに単相接地障害が発生した場合、接地トランスの異なる線路のキャパシティブ電流の計算式は以下の通りです：

表4のデータと組み合わせると、システムに単相接地障害が発生した場合、非故障線路の零次電流のシミュレーション値と実際の対地キャパシタンス電流の計算値との最大誤差は-0.848%であり、大きな違いはありません。

3 動作特性のシミュレーション分析
3.1 障害初期位相角の影響

消弧ステージでは、三相電圧が大きく変形します。A相、B相、C相の電圧が上昇し、初期障害位相角が拡大し、電圧歪が増加します。安定段階では、大きな初期位相角により三相電圧の安定時間が短くなります。消弧ステージでは、異なる初期位相角でも位相電圧の変化は一貫しています：A相は正常振幅に上昇し、B相は正常振幅に低下し、C相は最初に正常振幅を下回り、その後上昇します。電流については、最初の消弧ステージでは大きな初期位相角により三相電流の変動が減少し、安定段階では増加し、消弧ステージでは初期位相角に関係なく電流の変動は一貫しています。

3.2 過渡抵抗の影響

単相接地障害の消弧ステージでは、接地トランスの小さな過渡抵抗により三相電圧の変動が増加します。安定段階では、小さな抵抗により電圧変動が増大します（B相とC相の振幅が小さくなります）。消弧ステージでは、異なる抵抗値でも三相電圧は一貫しています：A相は正常振幅に達し、B相は正常振幅に低下し、C相は低下後に上昇します。電流については、消弧ステージでは小さな抵抗により三相電流の振幅が増大します。第一段階（大きな抵抗）では電流振幅が小さく、第二段階（小さな抵抗）では大きく、第三段階では消弧コイルが停止した後、A相とC相の電流は最初に低下し、その後正常に戻ります。

4 結論

変電所システムの単相接地障害により、接地トランス側の三相電流が増加します（一貫した位相であり、設備には危害がない）。安定かつ安全な電力供給を確保するためには、障害後のトランスの動作と影響要因を理解することが重要です。変電所の運転は複数の要因によって影響を受けるため、電力企業はシステム検査を優先し、検査作業を改善し、配電線路の運転を確保し、単相接地障害を解決し、日常生活を支えることが求められます。