変電所接地・アースシステム設計の包括ガイド

変電所グリッドにおけるアース/接地システムの設計

変電所アースグリッドの概要

高圧および中圧^[1]ガス絶縁開閉装置（AIS）では、電磁界（原因は裸ケーブル・導体の静電荷と大気条件（サージ））が、設置の非活電部に誘導電圧を生じさせ、金属部品と大地の間、および大地の異なる地点間で電位差を生じさせます。

設置の活電部と非活電部の間の故障、例えば対地短絡が発生した場合にも同様の状況が生じます。

これらの電位差は歩幅電圧と接触電圧、またはその組み合わせを生じさせ、人体を通じて電流が流れる原因となり、人体に危険を及ぼす可能性があります。

接触電圧（E_t）は、故障電流が流れるとき、手で触れられる接地された金属構造物と大地の任意の点との間に存在する最大電位差と定義されます。

通常、金属構造物と大地上の点の間の距離を1mとみなします。

歩幅電圧（E_s）は、故障電流が流れるとき、両足の間に存在する最大電位差と定義されます。

通常、両足の間の距離を1mとみなします。

歩幅電圧の特殊なケースとして移触電圧（E_trrd）があります：変電所外部の遠隔地から変電所内へ、または変電所内から外部へ電圧が移行する現象です。

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その他の概念：

• 接地電位上昇（GPR）： 変電所接地グリッドが、遠隔地の接地点（リモートアースの電位とみなされる）に対して達しうる最大電気的ポテンシャル。この電圧GPRは、最大グリッド電流とグリッド抵抗の積に等しい。
• メッシュ電圧（E_m）： 接地グリッドのメッシュ内における最大接触電圧。
• 金属間接触電圧（E_mm）： 変電所敷地内の金属物体や構造物間で、直接手対手または手対足の接触によって橋渡しされる可能性のある電位差。

図1のダイアグラムは上記現象を示しています。

図1 – 接触、歩幅、移触電圧

人体を流れる電流を許容値まで最小化し、設置内または付近で作業する人員の電気安全を確保し、また第三者機器との電気的干渉を制限するため、AISにはアース（接地）システムを設け、設置のすべての非活電金属部品を接続する必要があります。例えば金属構造物、接地開閉器、避雷器、開閉盤・モーターケース、変圧器レール、金属フェンスなどです。

アースは系統過電圧レベルと故障電流、および保護システムの定義に影響を与えるため、保護リレーや避雷器などの保護装置が適切に動作するようアースシステムを設計する必要があります。

アースシステムの設計と施工は、設置の予想寿命期間中にシステムが機能することを保証し、将来の拡張と究極の構成での最大故障電流を考慮に入れる必要があります。

アースシステムは、埋設裸銅ケーブルのメッシュに追加のアース棒を組み合わせたもので、計算によって設計され、IEEE Std. 80-2000の使用が推奨されます。

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変電所グリッドアースシステム設計のための重要な公式

埋設ケーブルの断面積は対地短絡電流の値に基づいて計算すべきですが、この目的で三相短絡電流を使用するのが一般的です。

この計算には以下の式を使用します：各項の意味：

• I”_K1：対地短絡電流 [A]
• t_s：故障継続時間 [s]
• Δθ：許容最高温度上昇 [°C] – 裸銅線の場合 Δθ = 150°C

参照したIEEE標準によれば、許容最大歩幅電位・接触電位、人体許容電流（I_hb）、アースグリッド抵抗（R_g）は以下の式で計算されます：

許容最大歩幅電位

許容最大接触電位

人体許容最大電流

アースグリッド抵抗

各項の意味：

• C_s：表面層軽減係数、以下の式で計算：
• t_s：故障継続時間 [s]
• ρ_s：表面材料抵抗率 [Ω·m] – 湿潤砕石/砂利の典型値：2,500 Ω·m
• ρ：表面材料下の地盤抵抗率 [Ω·m]
• h_s：表面材料厚さ [m]
• A：接地グリッド占有面積 [m²]
• l_T：アース棒を含む埋設導体総延長 [m]

保護表面層を使用しない場合、C_s = 1 および ρ_s = ρ となります。

これらの計算は通常、専用ソフトウェアを使用して実施されます。

変電所アースグリッド

図2にアースグリッドの例を示します。

図2 – アースグリッド

アースグリッド接続に最も適した方法：

a.) エキゾサーミック溶接

図3 – エキゾサーミック溶接

エキゾサーミック溶接は、溶融金属と型枠を使用する導体の永久接続プロセスで、金属酸化物（導体）と着火したアルミニウム粉末（燃料として作用）の化学反応に基づき、熱エネルギーを放出します。この化学反応はサーマイトとして知られる火工組成物です。

各型枠で実施するエキゾサーミック溶接の回数が、メーカーの指示を超えないことを確認する必要があります。

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b.) C型コネクタ

油圧圧着工具と、コネクタサイズに適したダイスを使用します。

図4 – C型コネクタと圧着工具

遮断器、開閉器、遮断器の制御ボックス付近には、図5に示すような金属等電位マットを設置し、アースシステムに接続する必要があります。

図5 – 金属等電位マット

知っておくと良いこと：

[1] U_nを系統定格電圧として：HV – U_n ≥ 60 kV；MV – 1 kV < U_n ≤ 49.5 kV。

著者紹介：Manuel Bolotinha

- 電気工学学士（エネルギー・電力システム専攻）（1974年 - リスボン工科大学/リスボン大学）
- 電気・コンピュータ工学修士（2017年 - リスボン新大学科学技術学部）
- 変電所・電力システム上級コンサルタント、専門講師