過去問一覧第二種電気主任技術者2023年度 電力・管理電力系統における各種中性点接地方式の目的と特徴比較
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電力系統における各種中性点接地方式の目的と特徴比較

変電
第二種電気主任技術者 2023年度 電力・管理 問5

我が国における電力系統の中性点接地方式に関して次の問に答えよ。

(1) 中性点接地の主たる目的について,各30 30 字程度で二つ述べよ。

(2) 中性点接地方式には,非接地方式,直接接地方式,抵抗接地方式,消弧リアクトル接地方式などがある。

 上記のうち,以下の系統で広く適用されている中性点接地方式を答えよ。

 a) 高圧配電系統

 b) 154 kV 154 \ \mathrm {kV} の送電系統

(3) 直接接地方式との比較において,抵抗接地方式の特徴を合計130 130 字程度で述べよ。

解説

中性点接地方式の根本原理とトレードオフ

電力系統における中性点接地方式の選択は、主に「1線地絡故障時の地絡電流の抑制」と「健全相の対地電位上昇の抑制」という二律背反(トレードオフ)の調和によって決まります。

対称座標法において、1線地絡故障時の地絡電流 IgI_g は次式で表されます。

Ig=3I0=3EZ1+Z2+Z0+3ZnI_g = 3I_0 = \frac{3E}{Z_1 + Z_2 + Z_0 + 3Z_n}

ここで、EE は故障前の相電圧、Z1,Z2,Z0Z_1, Z_2, Z_0 は系統の各対称分インピーダンス、ZnZ_n は中性点接地インピーダンスです。

  • 中性点接地インピーダンス ZnZ_n が小さい場合(直接接地 Zn≈0Z_n \approx 0): 地絡電流 IgI_g が非常に大きくなり、通信線への電磁誘導障害や機器への機械的ストレスが増大しますが、中性点の電位が大地電位に強く拘束されるため、健全相の対地電位上昇は極めて小さく抑えられます。
  • 中性点接地インピーダンス ZnZ_n が大きい場合(抵抗接地 Zn=RZ_n = R、非接地 Zn→∞Z_n \to \infty): 地絡電流 IgI_g が大幅に制限され、通信線への電磁誘導障害は軽微となりますが、中性点電位が浮動するため、健全相の対地電位が大きく跳ね上がります。

(1) 中性点接地の主たる目的(各30字程度で二つ)

中性点を接地する主な目的は、系統の安定運用、設備の保護、公衆・保守員の保安の観点から次の通り整理されます。

  1. 健全相の電位上昇・異常電圧の抑制:1線地絡事故時における健全相の対地電位上昇を抑え、変圧器や送電設備などの絶縁設計レベル(絶縁階級)を低減・合理化する。
  2. 保護リレーの確実な動作:地絡事故発生時に十分な地絡電流や零相電圧を確保し、地絡保護継電器を確実に動作させて故障区間を迅速に遮断・除去する。
  3. 電磁誘導障害の軽減:地絡電流の大きさを適正に抑制し、並行する弱電流電線(通信線等)への電磁誘導起電力(Vm=ωMIgV_m = \omega M I_g)を軽減する。
  4. 異常現象の防止:アーク間欠地絡や鉄共振による異常過電圧を防止する。

設問では「主たる目的を各30字程度で二つ」求められているため、代表的な目的を端的に記述します。

① 地絡事故時に健全相の対地電位上昇を抑制し、絶縁を合理化する。(30字)
② 地絡電流を確保して保護リレーを確実に動作させ、事故を除去する。(31字)

(2) 系統ごとの適用接地方式

a) 高圧配電系統(6.6 kV6.6 \ \mathrm{kV} など)

適用方式:非接地方式

日本の配電系統は線路亘長が短く、対地静電容量が比較的小さいため、中性点を接地しない「非接地方式」を採用しています。これにより、1線地絡時の地絡電流を数アンペア以下と極めて小さく抑えることができ、通信線への誘導障害の防止および公衆安全性の確保に寄与しています。配電電圧が低いため、健全相電位が線間電圧(相電圧の 3\sqrt{3} 倍)まで上昇しても絶縁上の問題は軽微です。

b) 154 kV154 \ \mathrm{kV} の送電系統

適用方式:抵抗接地方式

日本の高圧・超高圧送電線において、187 kV∼500 kV187 \ \mathrm{kV} \sim 500 \ \mathrm{kV} 系統では機器の絶縁コスト低減を最優先するため「直接接地方式」が採用されます。一方、154 kV154 \ \mathrm{kV}(および 66∼77 kV66 \sim 77 \ \mathrm{kV})系統では、機器の絶縁コストと通信線への電磁誘導障害抑制のバランスを重視し、中性点に 100∼900 Ω100 \sim 900 \ \Omega 程度の抵抗器を挿入する「抵抗接地方式」が広く採用されています。

a) 非接地方式
b) 抵抗接地方式

(3) 直接接地方式との比較における抵抗接地方式の特徴

直接接地方式(Zn≈0Z_n \approx 0)と抵抗接地方式(Zn=RZ_n = R)を比較すると、以下の長所・短所(トレードオフ)が存在します。

比較項目 直接接地方式 抵抗接地方式
1線地絡電流 非常に大きい 中程度(抵抗により抑制)
通信線への電磁誘導障害 大きい(対策が必要) 小さい(大幅に軽減)
健全相対地電位上昇 最小(≈1.3\approx 1.3 倍以下) 中程度(直接接地より大きい)
線路・機器の絶縁設計 低減可能(段絶縁・低減絶縁) 低減困難(高い絶縁レベルが必要)
保護リレーの検出性 確実・容易 電流が小さいため感度確保が必要

抵抗接地方式は、地絡電流を抑えて誘導障害や機器の損傷を軽減できる反面、健全相電位上昇が大きくなるため絶縁を直接接地ほど低減できないという特徴を、指定字数(130字程度)に合わせて記述します。

直接接地方式に比べ、地絡電流を抑制できるため、通信線への電磁誘導障害や機器の損傷を軽減できる。一方、1線地絡時の健全相の電位上昇が直接接地よりも大きくなるため、線路や機器の絶縁レベルを低減できず、また保護リレーの事故検出感度の確保が必要となる。(127字)

正解・要点のまとめ

各小問の最終答案のまとめは以下の通りです。

(1)
① 地絡事故時に健全相の対地電位上昇を抑制し、絶縁を合理化する。
② 地絡電流を確保して保護リレーを確実に動作させ、事故を除去する。
(2)
a) 非接地方式
b) 抵抗接地方式
(3)
直接接地方式に比べ、地絡電流を抑制できるため、通信線への電磁誘導障害や機器の損傷を軽減できる。一方、1線地絡時の健全相の電位上昇が直接接地よりも大きくなるため、線路や機器の絶縁レベルを低減できず、また保護リレーの事故検出感度の確保が必要となる。

【合格へのアドバイス】
中性点接地方式の比較問題は電験2種・1種の二次試験における超頻出テーマです。「地絡電流」と「健全相電位上昇」が対称座標法の回路においてどのように連動しているかを数式と物理現象で理解しておくと、記述論説でも高得点を確実に狙えます。