制御電源の接地不良を防ぐ：絶縁劣化対策のPCB設計ソリューション

絶縁の概要

一般的な380V AC配電システムにおいて、制御電源は通常DC電源システムから供給されます。発電所における重要な待機電源および制御電源としてのDCシステムにおいて、最も一般的かつ危険な欠陥はDC接地不良です。本記事では、頻発する絶縁不良事例を基に、DC制御電源の絶縁低下を引き起こす一連の原因を分析します。

欠陥の探索と原因分析

回路の概要

本稿で言及する二次回路は主に380V ACシステムに準拠しています。開閉装置の二次回路では、制御電源は漏電保護装置の漏電保護補助電源端子と電流変圧器部分を通じてAC制御電源から供給されます。以下で言及する端子5と7は、漏電DC電源の入力端子における正極と負極を、端子8と9は電流変圧器のKとLをそれぞれ指します。

欠陥原因の探索

a. ACシステムにおける頻繁な絶縁不良

AC-DC低圧運転開始から約1年後、DC接地警報が頻繁に発生し、絶縁監視装置により下流制御対応分岐回路のACシステムで警報が検出されました。絶縁抵抗は警報値7kΩまで低下し、正常な110V DC母線電圧はそれぞれ+55Vと-55Vでしたが、警報時の実際のDC負極または正極母線電圧はほぼ0Vでした。この状態で、もう一方の極で別のDC接地が発生すると、DC正極と負極の間にループが形成されます。

これにより、ACシステムでは主回路と制御回路の間の絶縁は合格であり、DCがACに浸透したり接地したりすることはなく、欠陥はAC回路のDC制御部分のみに発生することがわかります。制御回路の各部分を検査した結果、欠陥は漏電保護装置とCT（電流変圧器）にあることが判明しました。

b. 漏電保護装置内部の絶縁低下

これらの欠陥に関連し、漏電保護装置の型式は*** M40（110VDC）、CTは同ブランドの漏電用電流変圧器でした。漏電保護装置を分解すると、3枚の基板で構成され、そのうち1枚が漏電保護制御基板であることが判明しました。ポイントツーポイント測定の結果は以下の通りです：

• 端子7と端子9間の絶縁値：約5kΩ（大半が5kΩ未満）
• 端子5と端子7間の絶縁値：12.9kΩ
• 端子5と端子8間の絶縁値：18kΩ
• 端子8と端子9間の絶縁値：約50kΩ

比較のため、負荷非接続時の引出し形開閉装置における漏電保護装置の端子7と端子9間の絶縁値は約150kΩでしたが、頻繁な負荷接続により5kΩまで低下しました。

c. CT二次側の保護接地

漏電保護装置とCTの設計・組立工程において、CTに保護接地点が設けられており、001TIコイルのL端子に漏電組立が適用されています。この設計は、電流変圧器コイルのループによる一次高電圧の二次回路への浸透を防ぎ、直接接続された漏電保護装置などの部品破壊を防止することを目的としています。さらに、端子7と端子9間の絶縁不良は、高電圧がDC制御回路に浸透する原因となり得ます。

しかし、PCB漏電保護装置の接地点と絶縁低下により、電源の負極がDCによって制御される状態となっています。

欠陥の影響

通常、この問題は同一ACシステム内の一部負荷で発生し、DC負極母線が約5kΩの抵抗と並列接続されることで、DC負極母線電圧がほぼゼロになります。

負極母線接地の状態で、もう一方の極で母線接地が発生すると、正極と負極間で短絡が発生します。ヒューズやブレーカーが過負荷・故障保護により回路を遮断し、DC電源が喪失して下流の全負荷が停電し、重要負荷のDC電源も失われ、全設備の円滑な運用が脅かされます。さらに、DCシステムの多点接地は、部品誤動作、拒動、DC電源喪失などの多くの重大な結果を招きます。

処理案と原理分析

CTコイル接地点の開放

CT回路設計に基づき、二次側に接地点が存在します。理論上、電流変圧器二次側回路で高電圧が発生し、二次回路の他の部品を破壊する可能性があります。超高電圧は部品を破壊する恐れがあります。ここでの接地は、高電圧発生を防ぎ二次回路を保護することを目的としています。

しかし、上記分析によれば、接地点を廃止すればDC制御回路の絶縁抵抗低下を防止し、DCシステムの接地不良を解消できます。したがって、接地点を廃止する場合、低圧電流変圧器の二次側回路電圧値が許容範囲内かどうかを検証する必要があります。つまり、DCシステム接地によるリスクより低いかどうかを判断しなければなりません。

0.5kVクラスの低圧電流変圧器では、二次側回路で高電圧が必ずしも発生するとは限りません。一次側に定格電流が流れ、二次側回路が存在する場合、鉄心は飽和から遠いか、過度な飽和から遠いため、鉄心磁束と誘導起電力は基本波のみを含み、二次側で高電圧は発生しません。これは、電流変圧器鉄心に比較的大きな設計マージン、すなわち高い鉄損比があることを示しています。下流負荷は定格電流未満で運転されるため、CTをわずかに開放することは許容されます。

ただし、このタイプの二次側回路CTにおいて、下流負荷に大電流が発生したり、単相または相間短絡が発生したりすると、鉄心は確実に飽和し、二次側で高電圧が発生します。したがって、CT二次側で高電圧が発生するかどうかは、鉄心の飽和度に完全に依存します。電圧上昇曲線はCTの飽和曲線に依存します。このような条件下では、CTをわずかに開放することは多少のリスクを伴います。しかし、保護回路のおかげで部品破壊リスクは比較的低減されます。

CTの物理構造を十分に考慮すると、配電装置は比較的良好な環境で運転され、一次コイルの停電可能性は低いです。下流電流が発生してコイルが切断され、ループ保護動作に比較的長い遅延があっても、二次高電圧による部品破壊の可能性は極めて低いです。したがって、本欠陥の処理案は接地点の開放とすることです。

対応する漏電保護装置の切替え

このCT保護接地点を廃止しDC欠陥を解消したものの、接地の根本原因は漏電保護装置のPCBにあります。湿気や腐食がない環境下でも、運転1〜2年で絶縁値が低下します。

測定状況によれば、現在のところ単一電極と接地間の絶縁値のみが低く、電極間の低絶縁値は検出されていないため、電極間短絡は発生していません。今後、このデータを定期点検で記録し、値が低下傾向にある場合や、CTで一度でもループが発生した場合は、漏電保護装置の切替えを検討すべきです。

参考資料

• PCBの耐ノイズ・接地戦略に関する分析
• 電磁両立性における電源とグランドの議論
• 高温環境における高電力PCBの設計
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応