電力システムにおける過電圧の理解：原因と影響
今回は過電圧とその原因について解説します。過電圧の発生源には発電機、変圧器、送電線などがあります。原因は落雷、遮断器の開放、導体の接地など多岐にわたります。過電圧の大きさ自体は必ずしも巨大ではありませんが、システムに接続された保護装置や機器の動作を妨げる可能性があります。技術者は常に過電圧が運用機器に与える影響を制限・制御しようと努めています。主な原因、発生メカニズム、システムへの影響を探ります。
これらの過渡現象やサージは一時的で短時間（数百μs）ですが、電力システムに過電圧をもたらします。開閉操作やその他の要因から発生しますが、最も重要なのは送電線への自然落雷による過渡現象です。落雷が送電線に直撃すると、サージが線路を伝わり、巨大な電圧の波がシステムへ押し寄せ、あらゆる保護装置や電気機器を破壊する恐れがあります。
上図は雷サージ波形を示します。横軸に電圧、縦軸に時間を取っています。非常に急峻な波頭（1〜5μsのオーダー）で電圧が立ち上がり、波尾側は比較的緩やかに減衰します。
過電圧の原因
電力システムの過電圧は大きく内部要因と外部要因に分けられます。
A) 内部要因 B) 外部要因
内部要因によるサージは電圧上昇が大きくなく、経験的にシステム電圧の2倍程度に留まります。
- 開閉サージ： 内部過電圧の第一は開閉サージです。開閉操作によって生じる過電圧です。1) 無負荷線を電源に接続したとき、2) 負荷線を接続したとき、3) 最も重要なのは負荷線が突然遮断されたときに過渡電圧が発生すること。特に電流チョッピング（遮断器による電流の強制遮断）が高電圧過渡現象を遮断器接点間に生じさせます。
- 絶縁破壊： 重要な絶縁破壊は導体の接地です。導体中央が接地すると、負の電圧波が両方向へ伝播します。
- アースアーク： 3相系の対地故障で断続的なアークが発生し、過渡現象を生じる現象。これらの過渡現象は累積的で危険であり、絶縁破壊を誘発してシステムに深刻な損害を与える可能性があります。中性点接地で防止可能。
- 共振： 回路の誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが等しくなる状態。共振時はインピーダンスが抵抗のみとなり力率は1になります。送電線に高電圧を発生させます。
- 外部要因： 外部要因は落雷のみ。「雲と地面、雲同士、同一雲内の電荷中心間での放電を雷と呼ぶ」。次回詳しく解説します。
産業技術