電気保護システム・デバイス・ユニットの決定版ガイド

電気保護ユニットとシステム

電気システムとネットワークのさまざまな保護タイプについて説明した長く詳細な記事です。この記事では、さまざまな電気保護方法、システムとデバイス、グレーディングと保護、架空線保護、電力システム保護、ケーブルフィーダー保護、変圧器保護、モーター保護、発電機保護、コンデンサバンク保護、母線保護、電圧と周波数保護などを網羅しています。後で読むためにブックマークしておくことをお勧めします。

電気保護システムの概要

HV、MV、LV^[1] の電気設備と機器は、内部および外部故障の影響を受け、これらは人員と他の機器に深刻な損害を引き起こす可能性があります。

これらの故障の結果を回避し、最小限に抑えるため、電流を遮断できる機器に関連付けられた保護デバイスが必要です。

保護デバイスをよりよく理解するため、機器と設備の保護システムを扱う各セクションで、それらの機器と設備で最も一般的な故障についても言及します。

また、保護システムに関与する機械的および電気的パラメータのすべての単位とそれらの倍量および分量は、SI（国際単位系）に準拠しています。例外として、秒（s）の代わりに時間（h）が使用される場合と、温度の単位としてK（ケルビン）の代わりに°C（セルシウス）が選択される場合があります – [K] = [°C] + 273.15。

保護デバイスと技術

保護デバイス

故障の時間を最小限に抑えるため、開閉装置と機器には故障を検出し、設置の故障部分を分離する保護デバイスが装備されています。

まず故障の早期検出と局所化、次に故障機器の速やかな運転停止が必要です。これは以下のためです：

• システム全体を守り、電力供給の継続性を確保する
• 損害と修理コストを最小限に抑える
• 要員の安全を確保する

過去にはヒューズが過電流と過負荷保護として一般的に使用され、現在でも北米や一部の国々では、定格電力630〜1250 kVAまでの低圧設備、中圧ケーブルと変圧器で広く使用されています。

しかし、ネットワークの複雑さと、より信頼性の高い電力送配電への要求により、より精密な保護デバイスの使用が求められています。

保護リレーは現在、より信頼性が高く精密で、ネットワークと機器で発生する過負荷と過電流以外の故障タイプを検出する能力を持つため使用されています。これは、機器の保護を分析する後続セクションで説明します。

故障状態が検出されると動作し、トリッピングを開始するように設定されています。

各電力システム保護スキームは以下のコンポーネントで構成されます：

• 故障検出または測定リレー
• トリッピングおよびその他の補助リレー
• 遮断器
• 計器用変圧器 - 電流（CT）と電圧（VT）

初期モデルの保護リレーは電気機械式リレーで、一部の国や、改修工事が行われていない古い電気配線設備で現在も使用されています。

これらは吸引電機子タイプで、計器用変圧器の二次側出力がコイルを通過し、それによりスプリングテンションに抗して電機子を吸引します。電機子の動作によりリレートリッピング接点が閉じます。

図1にこのタイプのリレーの例を示します。

図1 - 電気機械式保護リレー

現在では電子式（ソリッドステート）およびマイクロプロセッサーベースの保護リレーが電気ユーティリティで一般的に使用されています。

電子リレーは1つの保護機能のみを持ち、異なる機能には異なるリレーを使用する必要があります。

マイクロプロセッサーベースリレーは、保護、制御、監視など多くの機能を備えています。

インテリジェント電子デバイス（IED）

マイクロプロセッサーベースリレーはインテリジェント電子デバイス（IED）として知られ、5〜12の保護機能、5〜8の個別デバイスを制御する制御機能、オートリクローズ機能、自己監視機能、通信機能を提供し、主な特徴は以下の通りです：

• 1つのリレーに多機能搭載
• フィーダー構成変更に対応できるグループ設定の容易な変更
• プログラマブル出力リレー
• SCADA（監視制御データ収集システム、モデム、パーソナルコンピューター）への接続用通信ポート
• 直近の多数の故障に対するイベントシーケンス記録
• オシログラフィまたは波形記録 — 故障前後の電流・電圧波形データを保存し故障解析に活用
• 計測機能
• インターロッキング
• 遮断器メンテナンス支援。相ごとの故障遮断容量を記録可能
• 故障ロケーター — 故障までの距離を表示

図2にIEDの例を示します。

図2 - IED

IEDの機能と複雑さは、保護対象機器、ネットワーク特性、必要な補完的アクションに応じて定義される必要があります。

実際のIEDは、IEC^[2] 規格61850の要件を満たすように設計されており、その通信プロトコルが使用されます。この規格は変電所オートメーション専用に開発され、相互運用性と高度な通信機能を提供します。

保護、制御、監視ポイントの数の増加により、変電所データの量が大幅に増加しています。

このデータは通常プリミティブでデジタル形式で保存されます。ユーザーがそのメリットを活用できるようになる前に、処理と分析が必要です。

従来の保護システムでは、リレーからのデータと制御信号がRTU（リモートターミナルユニット）を介してSCADAシステムに送信されます。

広範囲で高コストなケーブルが、変電所内のさまざまなベイと制御室の間で必要となる場合があります。

IEDリレーを利用した最新の保護システムでは、トランスデューサーとメーター間の相互接続配線が不要になります。

IEDリレーからのデータと制御信号は、高速専用通信ネットワークを介して直接SCADAシステムに送信されます。IEDを制御要素とデータソースとして使用すると、データ量が劇的に増加します。

システムのさまざまなコンポーネント間の必要な接続性を提供するため、データネットワークLONWORKS ローカルオペレーティングネットワーク（LON）が利用されます。

IEC規格61850は、通信に必要なプロトコルを定義し、TCP/IP ネットワークまたは変電所 LAN上で高速スイッチドイーサネットを使用して、保護リレーに必要な4ミリ秒未満の応答時間を実現します。

保護リレーとコード

中圧・高圧変電所、機器、開閉装置、発電所でより一般的な保護リレーを以下に示し、括弧内にはIEEE/ANSI^[3]/IEC規格に従ったコードを示します：

• 軸受保護 (38)
• 遮断器故障保護 (50 BF)
• 母線差動保護 (87B)
• 方向性地絡過電流 (67N/67G)
• 方向性相過電流 (67)
• 瞬時地絡過電流 (50N/50G)
• 瞬時相過電流 (50)
• 界磁/励磁消失保護 (40)
• 欠相保護 (48)
• 過励磁保護 (24)
• 過周波数・低周波数 (81)
• 架空線差動保護 (87L)
• 架空線距離保護 (21)
• 過負荷保護 (49)
• 過速度保護 (12)
• 過電圧 (59)
• 制限付き地絡故障 (64G/64REF)
• 逆電力保護 (32)
• 時間遅延地絡過電流 (51N/51G)
• 時間遅延相過電流 (51)
• 変圧器差動保護 (87P)
• 低電圧 (27)
• 弱端インフィード (21WI)
• 逆相序保護 (47)

主に高圧架空線、高圧力率変圧器、定格電力3-4 MVA以上の中圧力率変圧器では、システム信頼性と安全性を高めるため、2セットの保護（1つは「メイン保護」、もう1つは「バックアップ保護」）を使用するのが一般的です。

ヒューズによる保護

ヒューズは、過電流保護を提供する「犠牲デバイス」として機能する低抵抗抵抗器の一種で、一部の低圧および中圧設備で現在も使用されています。

その本質的なコンポーネントは、過大電流が流れると溶断する金属線またはストリップで、回路を遮断し、過熱や火災によるさらなる損傷を防止します。

金属ストリップまたはワイヤは、回路導体に比べて小さな断面積を持ち、不燃性ハウジング（ケーシング）で覆われています。

ヒューズエレメントは、安定した予測可能な特性を提供するために亜鉛、銅、銀、アルミニウム、または合金で作られています。

ケーシングは、メーカー、用途、電圧クラスに応じてセラミック、ガラス、プラスチック、ガラス繊維、成形マイカラミネート、成形圧縮繊維などがあります。

ヒューズは、各タイプまたはヒューズファミリーと定格電圧（HRCヒューズなど）専用に設計されたヒューズホルダーに取り付けられます。

ヒューズとホルダーの例を図3と4に示します。

図3 - 低圧NHタイプヒューズとホルダー

図4 - 中圧ヒューズとホルダー

ヒューズの主な電気的特性は：

• 定格電圧
• 定格電流（I_n）：回路を遮断せずにヒューズが連続して通電できる最大電流。
• 遮断容量（I₁）：ヒューズが遮断できる最大予想電流。最大ヒューズテスト値。この電流は非常に高く、一般的に20 kA 〜 63 kAの間です。
• 最小遮断電流（I_f）：ヒューズを溶断・遮断できる最小電流
• 慣用非溶断電流（I_nf）：ヒューズリンクが溶断せずに指定時間（慣用時間）通電できる電流値。I_nの倍数として表現（例：I_nf = 1.25×I_n）
• 公称溶断値（I²t）：ジュールの法則に基づくヒューズエレメント溶断に必要なエネルギーの尺度で、各ヒューズエレメントごとに一定の値。
• 時間-電流特性曲線：電流の関数としてヒューズの動作時間（速度）を示す（通常メーカーが規格に従って表示）

図5に時間-電流特性曲線の例を示します。

図5 - ヒューズ時間-電流特性曲線

周囲温度はヒューズの動作パラメータを変化させ、温度ディレーティングが必要です。

例として、25°Cで1 A定格のヒューズは、-40°Cでは10〜20%多くの電流を通電でき、100°Cでは定格値の80%で溶断する可能性があります。

動作値はヒューズファミリーごとに異なり、メーカーデータシートで提供されます。

ヒューズ選定の主な要因は：

• 正常動作電流
• 定格電圧（ACまたはDC）
• 周囲温度
• 過負荷電流とヒューズが開放するまでの時間
• 最大利用可能故障電流
• パルス、サージ電流、突入電流、起動電流、回路過渡現象
• 物理的サイズ制限（長さ、直径、高さなど）
• ヒューズ機能（取り付けタイプ/フォームファクター、取り外しやすさ、アキシアルリード、視覚表示など）
• ヒューズホルダー機能（該当する場合）と関連する再定格
• 用途
• 国内配線規則と規格

フランス規格 NF EN 60269は、時間特性曲線、機能、用途に基づいてヒューズを分類しています。この分類は多くの国で広く使用されています：

• gL/gG
• 機能
• ケーブルと電気機器の保護。2段階の電流定格マージンがある2つのヒューズ間の選択性を確保（例：160Aと100A）
• 用途
• 産業と住宅の電力配電のすべてのレベルでの過負荷と短絡保護。メインスイッチボード、フィーダースイッチボード、メインキュービクル。
• aM
• 機能
• モーターの直接保護、外部保護デバイス（サーマルリレー）と併用必須。上流のgGヒューズとの容易な選択性。2段階の電流定格マージンがある2つのヒューズ間の選択性を確保（例：160Aと100A）
• 用途
• 低圧モーターの保護。
• gR
• 機能
• 半導体用超高速保護ヒューズ、高電流制限、低I²t
• 用途
• ソフトスターター、スタティックリレー、無停電電源装置（UPS）、可変速ドライブ、周波数変換器のパワー半導体保護

設置がヒューズで保護されている場合、ヒューズの上流にスイッチディスコネクターを安全上の理由で使用しなければなりません。これは、ヒューズ交換やメンテナンス作業の前に、設置の分離を保証するためです。

保護にヒューズのみを使用する場合、相過電流のみが検出されます。他の故障には保護リレーを予見する必要があります。漏洩電流や地絡電流には、GFCI（地絡遮断器）が使用されます。

この状況では、スイッチに開放コイルを装備し、これも機器の内部保護によって作動させます。

もう一つの注意点として、ヒューズには、1本のヒューズのみが作動した場合でも、故障時の設置全体の完全な切り離しを保証するため、スイッチを開く機械的装置（ストライカーピン）を装備する必要があります。

ヒューズにはまた、エレメントが溶断したときに落ちる色付きディスクや、ヒューズ本体に組み込まれたエレメント窓を装備し、溶断エレメントの視覚的表示を提供する必要があります。

グレーディングと保護協調

グレーディングと保護の概要

保護リレーの設定値やヒューズおよび低圧遮断器の定格電流（ACB（空気遮断器）など）を定義する際、選択値が機器の保護に適しており、トリップする遮断器や溶断するヒューズが故障回路に関連するもののみであり、他の保護デバイスではないことを保証しなければなりません。そうでないと、ネットワークに深刻な障害を引き起こし、サービスの品質と継続性に影響を与える可能性があります。

この目的を達成するには、グレーディングと保護協調スタディが必要です。

基本原則

保護リレー協調スタディは、保護リレー設定を決定するために実施されます。

故障レベルは、すべての可能なシステム運転条件で決定されなければならず、これは保護リレーの能力をシステム故障の検出と除去の観点から決定するために使用されます。

保護スキームは、可能な限り電気システムの最小部分のみを分離するように設定され、これにより故障による混乱を最小限に抑えます。

保護リレー除去時間は、一次プラントの短時間定格、システム安定性要件、法定当局要件を満たすように決定されます。電流と時間の両方で正しい保護リレー動作マージンを決定し、ミスグレーディングを効果的に排除するよう注意します。

二重回路高圧フィーダーに距離リレーを設定する際、回路間の零相相互結合を考慮し、過剰到達または不足到達の可能性を最小限に抑えます。

CT二次巻線とケーブルの抵抗は既知でなければならず、リレー設定計算で使用されます。

遮断器故障保護機能は、0/1 バイナリ信号を過電流保護機能（50/51、50N/51N、46、67N、67）から受信することで活性化されます。時間遅延Tで指定された時間間隔中の電流消滅をチェックします。