変電所の保護装置ミニテスト第1回｜タップの一次換算・もらい動作・時間協調の5問

正解：（3）60 A。

変流比100/5 Aは、一次100 Aのときに二次へ5 Aが出るという意味です。比は 100／5＝20 になります。リレーが見ている3 Aを一次へ戻すには、この20を掛けます。

一次側の動作開始電流＝3 A×20＝60 A

• （1）3 Aは、二次側の目盛りをそのまま一次の値として読んだものです。リレーの前には必ずCTが入っていて、リレーは縮められた値しか見ていません。
• （2）15 Aは、変流比ではなく二次定格の5 Aを掛けた値です（3×5）。変流比は一次定格÷二次定格で、この設備では20です。
• （3）が正解です。
• （4）100 Aは、CTの一次定格そのものです。これは「このCTが定格として測れる一次電流」であって、リレーが動き出す電流ではありません。タップを変えれば、同じCTのままでも動作開始電流は変わります。
• （5）300 Aは、一次定格の100をそのまま掛けた値です（3×100）。掛けるのは比の20で、100ではありません。

もうひとつ、この60 Aが妥当かどうかを確かめる目安も見ておきます。限時要素は、通常の負荷変動では動かず、過負荷は捕まえたい要素なので、契約電力のときの負荷電流の120〜150 %あたりに置きます。この設備の契約電力を420 kW、力率を0.85（遅れ）とすると、負荷電流はこうなります。

I＝420 kW÷(√3×6.6 kV×0.85)＝420×10³ W÷9,715＝約43.2 A

60÷43.2＝約1.39、つまり約139 %。120〜150 %の帯にきちんと収まっています。ところが、同じタップのまま契約電力250 kWの設備に付け替えたとすると、負荷電流は約25.7 Aですから 60÷25.7＝約233 %。過負荷を捕まえられる高さではなくなります。タップの数字だけを見ても適否は判断できず、その設備の負荷電流と並べて初めて意味を持つということです。

なお、限時要素が「動作を始める」電流と、遮断器へ指令が出るまでの時間は別の話です。反限時特性なら電流が大きいほど動作は早くなり、どのくらいの時間で動かすかはレバー（時限）整定で調整します。時間の話は第4問で扱います。

正解：（2）短絡は限流ヒューズが溶断して切り、地絡はGRまたはDGRが開閉器をトリップさせる。

PF・S形には遮断器がありません。ここが出発点です。短絡電流は数千〜1万数千 A という桁になるので、これを切る仕事はヒューズが受け持ちます。一方、高圧の地絡電流は数百ミリアンペアの世界で、ヒューズを溶かすにはまるで足りません。そこでZCTとリレーで検出し、開閉器をトリップさせて切ります。同じ設備の中で、事故の種類によって切る道具が入れ替わるのがPF・S形の特徴です。

• （1）CB形の説明です。主遮断装置に遮断器（VCBなど）を使う方式なら、短絡はOCR、地絡はGRまたはDGRが検出して、どちらも遮断器を開きます。PF・S形にはその遮断器がありません。
• （2）が正解です。
• （3）地絡電流はミリアンペアの単位です。ヒューズが溶断する電流とは桁が違いすぎて、地絡ではヒューズは切れません。地絡を検出する役はリレーにしかできません。
• （4）負荷開閉器（S）は、名前のとおり負荷電流を開閉するための機器です。短絡電流を切る能力（遮断容量）は持っていないので、短絡のときに自分で開いてしまうとアークを切れずに壊れます。だからこそヒューズと組み合わせています。
• （5）断路器は電流が流れていない状態でしか開けません。避雷器は雷などの異常「電圧」から絶縁を守る素子で、短絡や地絡の事故電流を切る装置ではありません。

この方式の分かれ目は設備の大きさにもあります。日本電気技術者協会「高圧自家用受電設備の保護について」によれば、JISキュービクルでは変圧器容量の合計でCB形は4,000 kV·A以下、PF・S形は300 kV·A以下と決められています。小さめの設備でPF・S形が選ばれるのは、遮断器を置かないぶん構成を簡素にできるからです。

ヒューズを選ぶときは、溶断特性（エレメントが溶けるまで）・遮断特性（アークが消えて電流が切れるまで）・許容特性（劣化を起こさない範囲）の3つを使い分けます。上位との協調を見るときは遮断特性、変圧器の励磁突入電流や電動機の始動電流で切れてしまわないかを見るときは許容特性です。「ヒューズが切れる時間」と一口に言っても、どの特性の話かで意味が変わります。

正解：（3）約291 mA、DGR方式を選ぶ。

手順1：ケーブルの長さを静電容量に直します。1心当たり0.45 μF/kmで亘長150 m＝0.15 kmですから、

C＝0.45 μF/km×0.15 km＝0.0675 μF

手順2：電線と大地の間にかかる電圧を出します。ここで使うのは相電圧です。

E＝6,600 V÷√3＝約3,810 V

手順3：3相ぶんをまとめた充電電流を求めます。角周波数は ω＝2πf なので 2π×60＝約377 rad/s。

I_c＝3ωCE＝3×377×0.0675×10⁻⁶×3,810＝約0.29 A（291 mA）

手順4：方式を決めます。GRの感度電流200 mAに対し、その1/2は100 mAです。291 mAはこれを大きく超えているので、方向を見分けられるDGR方式を選ぶ場面になります。

ここで、この291 mAがいつ流れる電流なのかを押さえておいてください。平常時も各相には充電電流が流れていますが、3相ぶんを足し合わせると打ち消し合って零になるので、3線をまとめて通すZCTには現れません。ところが系統のどこかで地絡が起きると、健全相の対地電圧が上がって釣り合いが崩れ、この対地静電容量を通る分が零でなくなります。その大きさが 3ωCE です。構外（電源側）で地絡したときは、この電流が構内の静電容量へ流れ込み、母線を通ってZCTを外向きに通り抜けます。ZCTから見ると自分の構内で地絡した場合と区別がつかず、GRが不必要に動作します。これが「もらい動作」です。

• （1）約97 mAは、3を掛け忘れて ωCE だけを計算した値です。地絡で釣り合いが崩れるのは3相ぶんなので、3倍します。
• （2）値は合っていますが、判断が誤りです。「感度電流200 mAを超えていなければ安全」ではなく、構外事故でのもらい動作を防ぐには感度電流の1/2という、もっと手前の目安で切り替えます。今回は291 mAで感度電流そのものも超えています。
• （3）が正解です。
• （4）約504 mAは、相電圧に直さず6,600 Vのまま計算した値です。1相と大地の間にかかる電圧は、線間電圧を√3で割った値になります。
• （5）約1.94 Aは、亘長150 mを1 kmとして0.45 μFで計算した値です。0.45 μFは「1 km当たり」の数字なので、実際の長さを掛けてから使います。

目安の小ささにも注目してください。同じ式を逆にたどると、100 mA（感度電流の1/2）に届く静電容量は約0.0232 μF。これを0.45 μF/kmで割れば、ケーブルの長さはわずか約52 mと分かります。構内のケーブルが数十メートル伸びただけで、方式の判断が変わってしまうということです。日本電気技術者協会の解説でも、50 Hzで感度電流200 mAに相当するケーブル長は約124 mと計算されています。

なお、GRの不必要動作の原因はもらい動作だけではありません。同協会「高圧地絡継電装置の動作について（２）不必要動作防止対策」では、ZCTを貫通するケーブルの遮へい層の接地線を適切に施工していない場合、ZCTと継電器を結ぶリード線が電波ノイズを拾う場合、雷サージで動作する場合、そして継電器内部の慣性特性（不感度時間）が経年で劣化して過敏になる場合が挙げられています。動作したときに「本当に構内の地絡か」を疑う視点は、現場でも試験でも同じです。

正解：（2）上位が先に動作するおそれがある。瞬時要素を整定して合計0.11 sで切り終えるようにする。

まず、いまの状態を数字にします。50 Hzの1サイクルは 1／50＝0.02 s なので、遮断器の3サイクルは 3×0.02＝0.06 s（60 ms）です。

受電側が切り終えるまで＝0.25 s＋0.06 s＝0.31 s

次に、上位が止まりきれる限界を出します。慣性特性係数は、整定した時間より手前で電流が消えても接点が動ききってしまう限界を、整定時間に対する割合で表したものです。静止形OCRではJEC 2510で0.9と規定されています。

上位が動ききってしまう境目＝0.2 s×0.9＝0.18 s

0.31 s は、この0.18 sを大きく超えています。受電側が切り終わる前に上位が動いてしまうので、配電用変電所の遮断器が落ちて、同じ配電線につながる他の需要家まで停電します。これが波及事故です。対策は、自分の設備側を速くすることです。短絡の領域だけ瞬時要素で0.05 sに動かせば、

0.05 s＋0.06 s＝0.11 s　→　0.18 s−0.11 s＝0.07 sの余裕

となって協調が成り立ちます。過負荷の領域は限時要素にそのまま任せられるので、必要な感度を落とさずに済みます。

• （1）慣性特性の読み違いです。係数0.9は「整定時間の0.9倍を超えて電流が流れ続けたら、もう止まりきれない」という限界を表します。0.2 sより手前で動かないという意味ではありません。
• （2）が正解です。
• （3）限時要素を全体的に速くすると、変圧器の励磁突入電流や電動機の始動電流でも動いてしまい、事故でないときに自分で停電を作ることになります。短絡の領域だけを速くしたいのだから、要素を分けて整定します。
• （4）変流比を大きくすると、リレーが見る二次電流は小さくなります。動作までの時間の関係は改善せず、むしろ同じタップなら一次側の動作電流が上がって感度が鈍ります。時間の問題を電流の設定で解決しようとしている点が誤りです。
• （5）上位の整定は電力会社が配電系統全体の協調を見て決めるもので、1つの需要家の都合で伸ばしてもらうことはできません。実際の設計では、電力会社から示された動作特性を条件として受け取り、それに合わせて自分の設備側を整定します。

この「負荷側ほど速く、電源側ほど遅く」という整定の並べ方を、段階時限による選択遮断方式と呼びます。切る順番を電流の大きさで決めるのではなく、時間の長短で決めているところが要点です。とはいえ、余裕は大きいほどよいわけでもありません。時間を延ばすほど事故電流が流れ続け、機器の傷みは大きくなります。整定は、上位を巻き込まないことと、事故電流を長引かせないことの間で決める作業です。

正解：（3）約80 kV。耐電圧60 kVを超えるので、このままでは守れない。

放電しているあいだも、避雷器の端子間には電圧が残ります。これが制限電圧です。ただし、機器から見た電圧はそれだけでは終わりません。放電電流は避雷器を通って接地極から大地へ抜けるので、接地抵抗のところで電位が持ち上がり、その分が積み上がります。

接地極の電位上昇＝2,500 A×20 Ω＝50 kV

機器の端子に現れる電圧＝30 kV＋50 kV＝80 kV

耐電圧の60 kVを20 kV超えているので、この接地抵抗のままでは絶縁を守れません。素子の性能をいくら上げても、接地が悪ければ守れる水準はその分だけ落ちるということです。点検で接地抵抗を測るのは、書類を埋めるためだけの作業ではありません。

• （1）接地の電位上昇を忘れた値です。制限電圧は「避雷器の端子間に残る電圧」であって、機器から見た大地基準の電圧ではありません。
• （2）制限電圧を足し忘れ、電位上昇だけを答えたものです。2つは直列に重なります。
• （3）が正解です。
• （4）数字は合っていますが判断が誤りです。避雷器は、制限電圧に電位上昇を加えた値が機器の耐電圧より十分低いという大小関係が成り立って初めて役に立ちます。この関係を作る設計を絶縁協調といいます。付いていること自体が保護になるわけではありません。
• （5）測定値ではなく規定値で計算した誤りです。避雷器の接地は、電気設備の技術基準の解釈でA種接地工事と定められ、抵抗値の原則は10 Ω以下です。20 Ωという測定結果は、その原則を満たしていない状態を表しています。基準どおりの10 Ωなら 2,500×10＝25 kV で合計55 kVとなり耐電圧を下回りますが、いま守れているかどうかを判断するときに使うのは実測値です。

もうひとつ、避雷器は守りたい機器のすぐそばに置く、という原則もあります。距離があると、やって来た電圧の波が機器の端ではね返る間に、機器側の電圧が制限電圧を上回ってしまうからです。素子を選ぶ・近くに置く・接地抵抗を低く保つ。この3つがそろって、初めて設計どおりに効きます。接地工事の種別ごとの抵抗値は電気設備技術基準・接地工事にまとめてあります。