110 kV油入変圧器の中性点接地システム

A110 kV油入電力変圧器 電圧変換および大規模電力送電において極めて重要な役割を果たします。ただし、変圧器は電気ネットワークの中性点接地方式と切り離して考えることはできません。

中性点接地方式が影響を与える要素には以下があります：

• 地絡電流
• 一時的・過渡的な過電圧
• 保護装置の感度および選択性
• 変圧器の絶縁性能要件
• システムの安定性
• 作業員および設備の安全

このため、中性点接地は単なる付属機器の選択ではありません。変圧器巻線の接続方式、系統の接地方針、絶縁レベル、保護方式、および変電所の接地網と整合させる必要があります。

本稿では、110 kV油入変圧器用の中性点接地システムの主な機能、構成要素および設計上の考慮事項について説明します。

重要： 適切な中性点接地方式は、系統運用者および電力系統工学の専門資格を有するエンジニアが判断しなければなりません。変圧器の定格電圧のみに基づいて選択してはいけません。

110 kV変圧器の中性点とは？

三相変圧器の巻線をスター（ウェイ）結線する場合、3つの巻線端子が1点で接続されます。この接続点を「中性点」と呼び、通常は英字「N」で表されます。 N.

中性点は、各相と大地間の電圧の基準点として機能します。ただし、その電位が常にゼロであると想定してはいけません。

正常な平衡運転時には、大地に対する中性点電圧はほぼゼロに近くなりますが、地絡事故、開閉操作、フェロレゾナンス、その他の不平衡状態が発生した場合には、中性点電圧が大きく変動することがあります。

したがって、中性点端子およびその絶縁は、以下の条件に基づいて設計する必要があります。

• 巻線の接続方式
• 選択された接地方式
• 変圧器の絶縁設計
• 想定される一時過電圧
• 雷サージおよび開閉サージによる過電圧
• 保護装置の動作時間
• 系統の絶縁協調検討

IEC 60076-3では、個別の巻線および端子に対する変圧器の絶縁要件、誘電耐力試験、および外部クリアランスが規定されています。

とは トランス 中性点を接地しますか？

変圧器の中性点接地とは、スター結線巻線の中性点を意図的に大地に接続することである。

ネットワークの設計に応じて、中性点は以下のいずれかの方法で処理される。

• 直接接地（ソリッドグランディング）された
• 抵抗器を介して接地
• リアクタを介して接地
• その他のインピーダンスを介して接地
• 接地用変圧器を介して接続
• 所定の条件のもとで非接地運転
• 承認済みの運転方式に基づき、接地状態と非接地状態を切り替えて運用

接地方式は、相対地故障時の零相電流の大きさおよび挙動を決定する。また、一時過電圧、リレー動作、および変圧器や接続機器にかかる絶縁への応力にも影響を与える。

IEEE C62.92では、送配電系統における地絡電流および過電圧の制御を目的とした中性点接地パラメータ選定の基本的検討事項が記述されている。同規格の送電系統に関するガイドラインでは、変圧器の中性点接地および接地設備の仕様についても言及している。

なぜ110 kV変圧器には適切な中性点接地方式が必要なのか？

1. 地絡電流の制御

相対地短絡が発生した場合、接地方式によって零相短絡電流の戻り経路およびその大きさが決まります。

中性点を直接接地（ソリッド・グランディング）すると、大きな地絡電流を許容でき、保護装置が故障を迅速に検出し、遮断できます。一方、インピーダンス接地では、電流を所定の値に制限しつつ、保護装置が検出可能な十分な信号を確保します。

最適な方式は、系統の地絡容量、保護設計および運用要件に応じて決定されます。

2. 一時過電圧の抑制

非接地または不十分な接地方式の系統では、単相地絡が発生すると健全相の対地電圧が上昇し、変圧器端子、ケーブル、開閉装置など各種機器の絶縁に過大な応力が加わるおそれがあります。

適切に設計された接地方式により、中性点の変位および一時過電圧を抑制できます。

3. 変圧器の中性点絶縁の保護

一部の変圧器では、巻線の中性点側の絶縁レベルが線路端子側よりも低く設定された「段階絶縁」が採用されています。このような中性点は、定格絶縁レベルを超える電圧応力にさらされてはなりません。

段階絶縁が採用されているかどうかは、変圧器の設計仕様および銘板情報から確認する必要があります。電圧定格のみから判断してはいけません。

中性点絶縁の保護には、以下の機器・機能間の協調動作が必要となる場合があります：

• 接地開閉器
• サージアレスタ
• 保護ギャップ
• 中性点用電流変換器
• 変圧器差動保護
• 制限地絡保護
• 零相過電流保護
• 中性点過電圧保護

4. 選択的保護の支援

既知の零相電流経路により、保護リレーは地絡故障を通常の負荷電流やその他の系統状態と区別できる。

保護方式に応じて、中性点電流は以下の目的で測定されることがある。

• 地絡過電流保護
• 制限地絡保護
• 変圧器差動保護
• 中性点不平衡監視
• 保護ギャップ電流検出

保護設定は、短絡計算および保護協調検討に基づいて決定しなければならない。

5. 系統の安定性および故障管理の向上

迅速かつ選択的な故障遮断により、変圧器への熱的・機械的ストレスが低減され、局所的な故障が広範な系統障害へと発展するリスクが制限される。

接地は故障そのものを排除するものではない。その目的は、故障による電気的影響を制御し、保護システムが設計通りに動作できるようにすることである。

変圧器の中性点接地システムの主な構成機器

110 kV変圧器の中性点接地方式には、複数の構成機器が含まれる場合がある。具体的な構成はプロジェクトごとに異なる。

1．中性点接地用遮断器

中性点接地用遮断器は、変圧器の中性点と変電所の接地系との間に制御された金属的な接続を提供する。

手動または電動操作が可能であり、位置表示機能、連動機能、および遠隔操作インターフェースを備える場合がある。

必要な性能仕様には、以下が含まれる場合がある。

• 系統最高電圧
• 連続定格電流（該当する場合）
• 短時間耐電流
• ピーク耐電流
• 断熱レベル
• 機械的耐久性
• 操動機構
• 環境保護
• 補助接点の要件

遮断器の操作位置は、承認済みの運転手順に従って管理しなければならない。運用担当者は、中性点を常時接地すべきである、あるいは常時切断すべきであると勝手に判断してはならない。

変圧器の中性点の接地方式を切り替えると、系統の零相インピーダンスが変化し、以下の項目に影響を及ぼす可能性があります。

• 地絡電流
• リレーの感度
• 一時過電圧
• 並列運転中の変圧器の動作
• 保護協調

したがって、これは単独の機械的操作ではなく、系統全体の操作として取り扱う必要があります。

2．中性点接地導体

接地導体は、中性点端子、接地開閉器および変電所の接地網を接続します。

この導体は、算定された地絡電流および遮断時間に応じて適切な断面積を選定しなければなりません。また、その設計では以下の点も考慮する必要があります。

• 熱耐量
• 電磁力
• 機械的保護
• 腐食
• 接続部の信頼性
• 配線ルートと安全距離
• 点検および保守のためのアクセス性

冗長なアース導体が必要な場合、承認済みの変電所設計に従い、アースグリッド上の適切に分離された接地点に接続しなければならない。

導体の本数、材質および断面積は、プロジェクト仕様書および関連する地元規格に従わなければならない。

3．変電所アースグリッド

アースグリッドは地絡電流を大地へ分散させ、変電所全体に等電位基準を提供する。

その設計では、単一の接地抵抗値のみを考慮するのではなく、以下の重要な要素も検討する必要がある。

• 最大地絡電流
• 地絡継続時間
• 土壌抵抗率
• グリッドの形状
• 導体の熱定格
• ステップ電圧
• タッチ電圧
• 転送電位
• 地表面層の特性
• 腐食余裕度
• 機器構造物およびフェンスへの接続

「接地抵抗は常に4Ω未満でなければならない」といった一律の要件を、すべての110kV変電所に適用してはならない。許容される設計は、接地解析および適用される国内規格または電力会社の要件に基づいて定める必要がある。

4．中性点用サージアレスタ

過渡過電圧を所定値以下に制限するため、変圧器の中性点と大地の間に金属酸化物サージアレスタを設置してもよい。

通常運転時は高インピーダンスを示すが、過電圧がその保護特性を超えると、サージ電流を流して中性点絶縁に印加される電圧を制限する。

避雷器の選定には、以下の要素の調整が必要です：

• 連続的な稼働電圧
• 定格電圧
• 一時過電圧耐量
• 名義放電電流
• エネルギー耐量
• 残電圧
• 変圧器中性点の絶縁レベル
• 系統の接地方式

IEC 60099-4は、交流系統（定格電圧1kV超）におけるサージ制限用無ギャップ金属酸化物避雷器に適用されます。 IEC 60099-4

変圧器の公称系統電圧のみに基づいて避雷器を選定してはなりません。中性点には、線間端子とは異なる電圧応力が発生する場合があります。

5．中性点保護ギャップ

変圧器中性点と大地の間に保護用空気ギャップを接続することができます。通常時は非導通状態を保ちますが、中性点電圧がこのギャップの火花放電電圧に達すると、空気ギャップが絶縁破壊し、放電経路を提供します。

アラームまたはトリップ信号を発生させるために、電流変成器をギャップ回路に設置することが可能です。

ギャップは、以下の要因によってその動作が影響を受けるため、慎重な協調設計が必要です。

• 電極形状
• ギャップ間隔
• 空気密度
• 標高
• 湿度および汚染
• 設置構造
• 商用周波数電圧
• インパルス電圧
• 中性点の絶縁レベル

保護用ギャップは、金属酸化物避雷器と比較して放電開始電圧のばらつきが大きくなる場合があります。また、動作時に遮断されたインパルス波形や商用周波数の追随電流を発生させることがあります。

したがって、ギャップ設定は、他のプロジェクトから標準的な物理的距離を単に借用するのではなく、絶縁協調および保護に関する検討に基づいて決定しなければなりません。

6. 中性点用電流変成器

中性点接続に設置された電流変成器は、変圧器保護および地絡保護のための計測信号を提供することができる。

考えられる用途には以下が含まれる：

• 中性点過電流保護
• 制限地絡保護
• 変圧器差動保護
• 保護ギャップ電流検出
• イベント記録

その変流比、精度クラス、膝点電圧、負荷インピーダンス、および短時間耐電流値は、リレー方式および計算された故障電流に適合していなければならない。

7. 雷カウンタおよび漏れ電流モニタ

雷カウンタは、避雷器を通過した放電イベントを記録する。一部の機器では、漏れ電流の表示機能も備えている。

カウンタの動作回数が増加したからといって、直ちに避雷器が不良であると判断してはならない。これは単に放電イベントが発生したことを示すものであり、以下の情報と併せて評価する必要がある。

• 系統障害記録
• 落雷活動
• 開閉操作
• 漏れ電流の傾向
• 避雷器の温度
• 物理状態
• メーカーによる検査基準

カウンター接続は、不要な配線長が保護性能を低下させるため、短く、直接的かつ適切に接地されている必要があります。

避雷器と保護ギャップはどのように連携して動作するか？

両方を設置する場合、中性点用避雷器と保護ギャップは通常、互いに補完的な保護を提供します。

サージアレスタ

避雷器は、過渡過電圧を制限するとともに、予測可能な保護レベルを維持することを主な選定基準としています。

保護ギャップ

ギャップは、保護方式に応じて、バックアップ保護を提供したり、所定の暫態過電圧または商用周波数過電圧条件下で動作したりします。

これらの協調動作により、以下の条件が確実に満たされる必要があります：

• 避雷器は、そのエネルギー耐量の範囲内で変圧器を保護します。
• 通常の過渡現象に対して、ギャップが不要に動作することはない。
• ギャップは、中性点絶縁が設計された条件において過度にストレスを受けてしまう前に動作する。
• リレー保護装置が、商用周波数の続電流を確実に遮断する。
• 避雷器は、許容できない一時過電圧にさらされない。

避雷器とギャップが常に固定された順序で動作するという主張は不正確である。その応答は、電圧波形、持続時間、保護特性および系統構成に依存する。

絶縁協調は、IEC 60071-1に定められた原則に従うべきであり、同規格では、1 kVを超える交流系統における相対地、相間および縦方向絶縁に対する定格耐電圧の選定について規定している。 IEC 60071-1

一般的な中性点接地方式

確実な接地

中性点は、非常に低インピーダンスの経路を介して大地に接続される。

一般的な特徴：

• 高接地故障電流
• 零相基準のクリア
• 迅速な故障検出
• 一時的な過電圧の低減
• より高い故障耐量要求

抵抗接地方式

中性点接地用抵抗器は、地絡電流を所定の値に制限します。

一般的な特徴：

• 地絡時の機器損傷の軽減
• 制御された保護用電流
• 抵抗器の熱的負荷が明確に定義されている
• 抵抗器の温度および連続性監視が必要

リアクタによる接地

接地用リアクタは、誘導性インピーダンスによって電流を制限します。

一般的な特徴：

• 地絡電流の低減
• 系統固有の零相挙動
• 過渡現象および保護リレーに関する詳細な検討が必要

共振接地

リアクタは、系統の地絡静電容量を補償するように調整されます。

この方式は、特定の中圧系統でより一般的に採用されていますが、110 kV巻線に適用可能であると安易に想定してはならず、必ず個別の系統解析を実施する必要があります。

選択的中性点接地

並列運転する変圧器を有する変電所において、系統運用者は、零相電流および保護機能の制御を目的として、特定の変圧器の中性点を接地させることがあります。

中性点スイッチを1個開閉すると、接続された全体の系統の接地状態が変化します。したがって、連動装置および作業手順が不可欠です。

通電・停電時の「中性点接地」はなぜ重要なのですか？

変圧器の投入・遮断操作により、過渡的・一時的な過電圧が発生することがあります。通電または停電時の「中性点の状態」は、段階絶縁巻線に印加される電圧応力に影響を与えます。

一部の電力会社では、変圧器の投入・遮断前に中性点接地スイッチを閉じるよう手順で定めています。ただし、これを普遍的なルールと見なしてはなりません。

適切な開閉順序は、以下の要因によって決まります：

• 変圧器の絶縁設計
• 遮断器の配置
• 並列運転中の変圧器台数
• 系統の接地方式
• 保護設定
• サージアレスタの定格
• 運用規則
• 切替および絶縁に関する調査結果

運転員は、当該変電所向けに承認された切替手順書に従って操作しなければならない。

点検・保守チェックリスト

保守作業は、現場の電気安全手順に基づき、資格を有する者によって実施されなければならない。

中性点接地スイッチ

確認項目：

• 開位置・閉位置の表示
• 機械的アラインメント
• 接触状態
• 操動機構
• モーター回路および制御回路
• 補助接点
• インテルロック（相互嵌合）
• 絶縁子の清掃状態および健全性
• 過熱または放電の兆候

接地導体

以下の点を点検してください：

• 緩みや損傷のある接続部
• 断線や亀裂のある導体
• 腐食
• 異常な発熱
• 十分でない Clearance（安全距離）
• 機械的損傷
• 無許可の改造

サージアレスタ

確認項目：

• セラミックまたはポリマー製外装の状態
• 汚染および放電痕
• 端子の締結状態
• アース線の配線ルーティング
• サージカウンターの計測値
• 漏れ電流の表示（該当する場合）
• メーカーが定める診断結果

保護ギャップ

検証する：

• 電極の状態
• 適切なギャップ間隔
• アライメント
• 表面汚染
• 過去の放電痕跡
• 電流変換器の接続
• 隣接機器からの Clearance（離隔距離）

接地網

変電所の保守計画に従って点検および試験を実施すること。具体的には以下のとおり：

• 接続の連続性
• 接地抵抗またはインピーダンス測定
• 土壌状態の評価
• 主要な改修後のステップ電圧およびタッチ電圧の検討
• 腐食評価
• 新規接続機器の検証

よくある問題とその影響

接地スイッチの誤った位置

スイッチの位置が誤っていると、地絡電流が変化し、リレーの協調動作が無効になる可能性があります。

中性線接続の緩み

高抵抗または断続的な接続では、発熱やアーク放電が生じ、中性点電圧が予測不能になる場合があります。

接地導体の断面積不足

熱的・機械的耐力が不十分な導体は、大電流地絡事故時に損傷する可能性があります。

避雷器の定格が不適切

一時過電圧耐量が不足している避雷器は、過熱または故障を引き起こす可能性があります。保護レベルが高すぎると、変圧器の中性点が十分に保護されない場合があります。

汚染された保護ギャップ、または不適切な設定

汚染、設置場所の標高、またはギャップ間隔の誤りにより、火花放電電圧が変化し、早期動作や動作不良を招くことがあります。

保護設定の不協調

接地システムが正しく設置されていても、関連するリレー機能の選択や設定が不適切であれば、有効な保護は得られません。

カスタマイズ設計に必要な技術情報

110 kV変圧器および中性点接地装置を仕様する前に、メーカーには以下の情報を提供する必要があります。

• 系統の公称電圧および機器用最高電圧
• 系統の周波数
• 変圧器定格出力
• 巻線の電圧および接続方式
• ベクトルグループ
• 中性点の絶縁レベル
• 全絶縁または段階絶縁の要件
• 地絡電流の最大値および最小値
• 故障遮断時間
• 接地方式の考え方
• 変圧器の並列運転条件
• 保護用単線結線図
• サージアレスタの負荷条件
• 設置場所の標高および汚染度
• 周囲温度
• 耐震性および気候条件に関する要件
• 適用されるIEC、IEEE、各国の規格または電力会社仕様

これらのパラメーターにより、適切な機器の定格およびインターフェース設計が決定されます。

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当社のエンジニアリングチームが設定できる項目は以下のとおりです：

• 定格容量および電圧比
• 変圧器のインピーダンス
• ベクトルグループ
• タップ範囲および負荷時タップチェンジャー（OLTC）の配置
• 完全絶縁または段階絶縁
• 中性点端子およびアース接続インターフェース
• アーススイッチインターフェース
• 中性点用電流変換器
• サージアレスタおよび保護ギャップの配置
• 監視・保護用付属機器
• 冷却システム
• ブッシングおよびケーブル接続部
• 適用されるIEC、IEEEまたはプロジェクト固有の要求事項

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