高電圧の中性点接地モードに関する研究10KWディーゼル ジェネレータ

0 はじめに

配電網の中性点とアース間の電気的接続は、中性点接地モード、または中性点動作モードと呼ばれます。中性点にどのような接地方法を使用するかは、非常に広範な技術的および経済的問題です。異なる接地モードは、過電圧、電気機器の絶縁レベル、電力網の信頼性、リレー保護の選択性と感度、通信回線への干渉に直接影響します。

1 中立点共通基盤の方法

電力システムにおける一般的なシステム接地には、次の 4 つのタイプがあります。

（1）中性点が直接接地されている：高圧交流電力系統の中性点が直接接地されているため、系統内で単相接地故障が発生した場合、単相接地短絡が形成され、短絡電流が非常に大きくなり、リレー保護に非常に有利となり、非故障時の接地電圧が上昇せず、断続的なアーク過電圧が発生しません。

（２）アーク抑制コイル接地：高電圧交流電力システムの中性点アーク抑制コイル接地は、中性点と接地点の間にリアクトルを直列に接続して容量性電流を相殺し、単相地絡事故短絡電流を制限します。

（3）中性点は抵抗器（高抵抗、低抵抗）で接地されます：高圧交流電力システムの中性点は高抵抗で接地され、中性点と接地点の間に高インピーダンスの抵抗が直列に接続され、単相地絡故障の短絡電流が5〜20Aに制限されます。高圧交流電力システムの中性点は低抵抗で接地され、中性点と接地点の間に低インピーダンスの抵抗が直列に接続され、単相地絡故障の短絡電流が100〜1000Aに制限されます。

（4）中性点が接地されていない: 高電圧交流電力システムの中性点は接地されていないため、システムに単相接地故障が発生すると、単相接地電流は容量性電流になります。単相接地電流が小さい場合 (10A 以下)、システムは故障状態で 1 ~ 2 時間稼働できますが、欠点は、単相接地故障が発生すると、接地電流が大きいときに ARC が自己消火できず、ギャップアーク過電圧が発生し、機器が危険にさらされ、絶縁が破壊され、多相短絡が発生することです。

1.1 接地方法の選択に影響する要因

接地モードの選択に影響する要因は、1 電源の信頼性、2 人および機器の安全性、3 過電圧要因、4 リレー保護、5 投資です。

1.2 一般的な中性点接地モードの包括的な比較

一般的な中性点接地モードの包括的な比較を表 1 に示します。

表1 一般的な中性点接地モードの包括的な比較

2台の高電圧10KWディーゼル発電機

中性点が接地されていない場合、単相地絡故障が10kW高圧ディーゼル発電機の外部にある場合、容量電流が一定値を超えると故障アークは自然に消火できず、断続的なアークを伴い、蓄積相が過電圧を発生して絶縁破壊を引き起こし、発電機のデルタ接続高次高調波がループ加熱を形成するため、一般的にはy接続が使用されます。耐電圧基準は定格線間電圧の1.5倍、つまりu相2.6倍です。

高電圧10KWの安全な動作を確保するためにディーゼル発電機システムでは、システムの単相地絡故障時に非故障相の過電圧が 2.6 u 相未満であることを保証する必要があります。また、高電圧 10KW ディーゼル発電システムの単相地絡故障時に非故障相の過電圧が 2.6 u 相未満であることを保証する必要があります。ギャップアーク電圧がない場合、接地点の抵抗電流 IR は総容量電流 I ∑ C より大きくする必要があり、一般的に IR ≥ (1.0 ~ 1.5) I ∑ C であり、これにより 2.5 u 相未満の過電圧倍数をさらに抑制できます。IR ≥ 3.0 I ∑ C (または Xc/r ≥ 3.0) の場合、図 1 に示すように、内部の過電圧抑制効果を満たすことができます。

高抵抗接地モードは接地電流が小さい場合にのみ適用され、自動アーク消火の効果が明らかであり、一般的に接地容量電流が10A未満の高電圧システムに適用され、上海センターの10KWディーゼル発電システムの容量電流I∑Cは6Aです。

発電機中性点抵抗接地の仕組みを解析した結果、発電機接地方式の原理要件を満たすためには、発電機接地方式に高抵抗接地方式を採用する必要があることが分かりました。

利点：1. 単相接地故障電流が高電圧10kWディーゼル発電機の安全許容値よりも低い場合、故障操作（通常2時間）で電力供給の継続性を確保します。2. ギャップアーク過電圧を抑制し、過電圧を2.6u相未満にします。3. 簡単なリレー保護。

デメリット：1. 小規模高電圧システムの接地容量電流（10A未満）に適しており、測定範囲が限られています。単相地絡事故の短絡電流が大きい場合、抵抗に流れる電流によって発熱問題が発生し、時間が長すぎると抵抗が焼損する可能性があります。

図1 システムインピーダンスと過渡過電圧倍数の図

3 上海中心部の緊急用高電圧10KWディーゼル発電機の中性点接地抵抗の選定

3.1 中性接地抵抗の選択

10KWディーゼル発電機の各社は10KWディーゼル発電機の中性点接地抵抗の選択と制御方法が異なり、中国ではこれに関する統一された規制はありません。

（1）接地電流は100～150A、10～30A、定格電流の10％に制御されます。

（2）複数の10kWディーゼル発電機＋複数のコンタクタ＋1つの抵抗接地方式と、複数の10kWディーゼル発電機＋複数のコンタクタ＋複数の抵抗接地方式。前者はコストが低く設置面積も小さいが、制御ロジックが複雑になる。後者はその逆である。

（3）循環を制御するために 1 つの接触器が閉じた状態で稼働している 10KW ディーゼル発電機が複数あり、循環コントローラで閉じている接触器も複数あります。

上海センター緊急高電圧10kWディーゼル発電機中性接地抵抗は

したがって、2500kw（待機電力）/ 10.5 KV 4 セット、温度アラーム付き 303 高電圧抵抗ボックス 1 セット、および高電圧 AC コンタクタ 4 セットが選択されます。

4 高抵抗単相接地故障の短絡電流の計算

単相接地故障時のケーブルの短絡電流の模式図を図2に示します。

図2 単相接地故障時のケーブルの短絡電流の模式図

ケーブルが完全に金属性の場合の単相接地故障の短絡電流は

ICX は保護回線の容量電流で、上海センターの最短ケーブルの容量電流は 0.15 A、最長ケーブルの容量電流は 0.7 A です。

5 ケーブルの故障点は遷移抵抗RG = (30 ~ 300)を通過し、単相接地故障の短絡電流は

緊急用高電圧10kWディーゼル発電システムで単相地絡事故が発生した場合、総短絡電流は20.7Aとなる。最大動作モードは

4 台の 10 kW ディーゼル発電機それぞれに 5.2 a の電流負荷がかかり、最小動作モードは 310 kW ディーゼル発電機で、各電流負荷は 6.9 a で、10 kW ディーゼル発電機の動作には影響しません。

5高抵抗接地線のゼロシーケンス電流保護と高電圧抵抗ボックスのゼロシーケンス電流保護の計算

5.1 零相電流保護送電線のIdz0x計算

ゼロシーケンス電流保護設定は、保護ラインの容量電流条件に応じてIdz0x = KIcxです。

下記：K —— 信頼性係数、4 ～ 5。

感度はKm = ID/IDZ0X ≥2である。

主保護の場合は Km ≥ 2、バックアップ保護の場合は Km ≥ 1.5。

ラインゼロシーケンスCT変換比は100/1、ゼロ電流1電流保護設定（二次側）はIdz0x=5×0.53/100=0.0265 A

0.06 a/0.8 sでは感度はキロメートル=20.7/(0.06×100)≈3.4≥2

ゼロ電流2電流保護（二次側）の設定値はIdz0x= 4×0.53/100=0.0212 A

0.03/1.6秒では感度はキロメートル=11.3/(0.03×100)≈3.8≥2

5.2高電圧抵抗ボックスのゼロシーケンス電流保護のIdz0R計算

下側零相保護の設定値の1.1～1.2倍となり、制限時間は0.3秒となります。

高電圧抵抗ボックスの零相CT比は50/5であり、零相1電流保護（二次側）の値はIdz0R= 1.1×0.06×100/10=0.66 A

0.7 a/1.1 sでは感度はキロメートル=20.7/(0.7×10)≈2.9≥2

ゼロ電流2電流保護（二次側）の設定値はIdz0R= 1.1×0.03×100/10=0.33 A

0.4 a/1.9 sでは感度はKm = 11.3 /（0.410）≈2.8≥2、人体安全を確保するために、接触電圧は国家規格を満たす必要があります。保護動作時間が1秒を超える場合、接触電圧値は50Vです。

接地電圧の故障点はUgz= IdRjd=20.7×1=20.7V<50V

このうち、RJD は接地抵抗の値で、≤1.0 です。

6 高抵抗接地の運用戦略

（1）システムに単相接地故障が発生した場合、短絡電流は高電圧抵抗ボックスの温度を警報するほど小さく、10kWディーゼル発電機の運転にも影響しません。4台の10kWディーゼル発電機は、中性点の高抵抗接地に接続されています。

（2）システムに単相接地故障が発生すると、短絡電流が大きくなり、高電圧抵抗ボックスの温度アラームが発生し、10KWディーゼル発電機制御システムが4つの高電圧AC接触器を制御して中性点接地の高抵抗を遮断し、4台の10kWディーゼル発電機が中性点非接地モードで動作します。

（3）4台の10KWディーゼル発電機を中性点非接地モードで運転し、システムケーブルのアースへの容量電流I∑cLを表2に示すように計算します。表2からわかるように、上海センターの線路容量電流は約4Aです。

表2 システムケーブルの接地容量電流I∑cLの計算

配電盤とケーブル接地形成システムの容量電流はI∑c= α(1+β)I∑cL=1.3×(1+15%)×4=6A

計算式は、自由係数（1.2～1.8）、配電設備の影響率（15％～20％）となります。

（４）ゼロシーケンス電流保護（バックアップ保護≥1.5）の感度は

Km=(I∑c-Icx)/Idz0x=(6-0.53)/3≈1.8≧1.5

（4）10kWディーゼル発電機における中性点非接地運転モードの影響。単相地絡事故電流は6Aで、410kWディーゼル発電機の最大運転モードは1.5A、310kWディーゼル発電機の最小運転モードは2.0Aであり、10kWディーゼル発電機には影響しません。

7 中性点接地抵抗の系統図

上海センター緊急高電圧10KWディーゼル発電機中性点接地抵抗システムを図3に示します。

図3 緊急高電圧10kWディーゼル発電機中性点接地抵抗システム

8. 結論

高電圧10kWディーゼル発電機の中性点接地は、非常に広範囲にわたる経済問題です。国や都市によって中性点接地の方法は異なり、主にそれぞれの運用経験と伝統に基づいています。