油入変圧器の保護リレー方式と地震対策の論述

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油入変圧器の保護リレー方式と地震対策の論述

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第二種電気主任技術者 2024年度電力・管理問2

油入変圧器の内部故障検出に用いられている保護リレーに関して，次の各問にそれぞれ合計 $100$ 字程度以内で答えよ。

(1)　電気式リレーである比率差動リレー方式において，励磁突入電流による誤動作防止対策を二つ挙げ，それぞれ概要を述べよ。

(2)　機械式リレー（装置を含む）を二つ挙げ，それぞれ動作の概要を述べよ。

(3)　機械式リレー（装置を含む）において，地震による誤動作が考えられる場合，誤動作防止対策や誤動作した場合に運用面の影響を小さくする対策を二つ挙げ，それぞれ概要を述べよ。

解説

問題のポイントと学習の指針

本問は、電力用油入変圧器の保護システムにおいて極めて重要な「電気式保護（比率差動リレー）」と「機械式保護（ガス・油圧検出）」の特徴・課題・対策を問う、電験二次試験（電力・管理）の超頻出論説問題です。

(1) 励磁突入電流対策：無負荷投入時に鉄心の磁気飽和で生じる大きな突入電流を、変圧器内部の短絡事故電流とどのように「波形・時限・周波数」の違いで識別するか。
(2) 機械式リレー：内部事故アークによる絶縁油の熱分解ガス・急激な油流・圧力上昇を直接捉える機械式保護装置の名称と原理。
(3) 地震対策：変圧器タンク内の油の揺れ（スロッシング）等による機械式リレーの誤動作を防止・局限する設計・運用技術。

各設問とも「 $100$ 字程度以内」という厳しい字数制限があるため、要点を過不足なく簡潔にまとめる記述力が合否を分けます。

(1) 比率差動リレーにおける励磁突入電流対策

1. 励磁突入電流（Inrush Current）が問題となる理由

比率差動リレーは、変圧器の一次側流入電流と二次側流出電流のベクトル差（差動電流 $\dot{I}_d = |\dot{I}_1 - \dot{I}_2|$ ）を検出し、内部故障によるキルヒホッフの電流則の破れを捉えます。

しかし、変圧器を無負荷投入する瞬間、投入位相や鉄心内の残留磁束の影響によって鉄心が著しく磁気飽和し、一次側巻線だけに定格電流の数倍〜十数倍もの励磁突入電流が流れます。二次側電流はゼロであるため、リレーからは「変圧器内部への大電流の流入（＝重度の内部事故）」と区別がつかず、不要動作（トリップ）を起こす原因となります。

2. 代表的な誤動作防止対策

対策方式	原理と概要
第2調波抑制方式（高調波抑制付）	励磁突入電流は正弦波の片側に大きく偏る歪み波形となり、第2調波（基本波の2倍の周波数成分）を極めて多く（約15%以上）含有します。一方、通常の内部短絡故障電流には第2調波がほとんど含まれません。この違いを利用し、差動電流中の第2調波含有率が一定値以上のときにトリップ出力を抑制（ロック）します。現在の主流方式です。
感度低下方式（感度低減方式）	励磁突入電流は投入直後に最大となり、数サイクル〜数秒で減衰します。そこで、遮断器投入から一定時間だけリレーの動作感度を低下（動作電流設定値を高く）させておき、突入電流による不要動作を防ぎます。
投入時限ロック方式	変圧器投入後、励磁突入電流が減衰するまでの一定時間（タイマー時限中）、リレーのトリップ回路を機械的・電気的にロック（遮断阻止）する方法です。
波形弁別方式（休止期間検出）	突入電流波形には1周期ごとに電流がゼロ近傍にとどまる「休止期間（平坦部）」が存在することを利用し、波形処理によって突入電流を判別・ロックする方式です。

【答案記述例（100字程度）】

①第2調波抑制方式：突入電流に多く含まれる第2調波成分を検出し、含有率から判定して動作を抑制する。②感度低下方式：変圧器投入後の一定時間、リレー感度を低下させて突入電流による誤動作を防止する。（96字）

(2) 機械式リレー（装置含む）の種類と動作概要

1. 機械式保護が必要とされる理由

変圧器内部で巻線間短絡や絶縁破壊による微小なアーク放電が発生した場合、電気的リレー（比率差動リレー）では初期の微小故障電流を感度良く検出できないことがあります。

しかし油入変圧器では、アーク熱によって周囲の絶縁油や絶縁紙が即座に熱分解され、水素・アセチレン等の分解ガスが発生し、同時にタンク内の油圧上昇や油流が生じます。これら物理現象を直接検出することで、重大事故への発展を未然に防止します。

2. 代表的な機械式リレー・保護装置

名称	設置場所	動作の概要
衝撃圧力リレー（急変圧力リレー）	変圧器タンク側面（油中またはガス部）	内部故障アークによる急激な圧力上昇率（ $\Delta P / \Delta t$ ）を検出して動作する。日周変動や負荷変化による緩やかな温度・圧力変化は均圧孔（オリフィス）でバイパスし、動作しない構造となっている。
ブッフホルツリレー	変圧器本体とコンサベータを結ぶ連通管	軽微な故障で発生した微小気泡（ガス）の上昇・蓄積による油面低下をフロートで検出し警報を発する。重大な短絡事故によるコンサベータへの急激な油流を受圧板（フラップ）で検出し遮断（トリップ）する。
放圧装置（放圧弁）	変圧器タンク上部	内部短絡による過大な圧力上昇時、ダイアフラムを開放して瞬時に圧力を大気中に逃がし、タンクの変形・破壊・爆発を防止する。動作時に接点が閉じてトリップまたは警報を出す。

【答案記述例（100字程度）】

①衝撃圧力リレー：内部故障の分解ガスによる急激なタンク内圧力上昇を検出し動作する。②ブッフホルツリレー：本体とコンサベータ間の管路で分解ガスの蓄積（軽故障）や急激な油流変化（重故障）を検出し動作する。（101字）

(3) 地震による誤動作防止対策と運用上の影響軽減対策

1. 地震で機械式リレーが誤動作するメカニズム

地震動を受けると、変圧器タンク内の大量の絶縁油が激しく揺れ動くスロッシング現象が発生します。この油の激震や波立ちによって、管路内に擬似的な油流が発生したり、局所的な急激な圧力変動が起こり、内部事故がないにもかかわらずブッフホルツリレーや衝撃圧力リレーが動作してしまう危険性があります。

2. 誤動作防止・影響低減対策

警報化運用：機械式リレーが動作しても遮断器を直ちに開放（トリップ）させず、警報（アラーム）発信にとどめる運用。遮断器のトリップは比率差動リレーなどの電気式リレーに委ねることで、地震時の不要な停電を回避します。
地震計連動ロック・AND条件化：変電所に設置された感震器（地震計）が規定以上の加速度を検知している間、機械式リレーのトリップ出力を一定時間ロックする、または電気式リレーとの論理積（AND条件）が成立したときのみ遮断する回路を組みます。
構造上の耐震化：リレーの接点部にベローズ構造やピトー管構造を採用し、単なる振動や揺動では接点が接触しない機械構造のリレーを採用します。
自動復帰形放圧装置の採用：地震動に伴う一時的な油圧上昇で放圧装置が作動しても、圧力が下がれば自動で復帰・密閉する装置を採用することで、油漏れを防ぎその後の速やかな送電継続を可能にします。

【答案記述例（100字程度）】

①警報化：機械式リレーをトリップ用ではなく警報用として運用し、不要遮断を防ぐ。②地震計併用：地震感知器の動作中は機械式リレーの遮断をロックするか、比率差動リレー等との論理積（AND）で遮断を判断する。（103字）

解答のまとめ

(1) 励磁突入電流対策（二つ）

①第2調波抑制方式：突入電流に多く含まれる第2調波成分を検出し、含有率から判定して動作を抑制する。②感度低下方式：変圧器投入後の一定時間、リレー感度を低下させて突入電流による誤動作を防止する。

(2) 機械式リレー（二つ）

①衝撃圧力リレー：内部故障の分解ガスによる急激なタンク内圧力上昇を検出し動作する。②ブッフホルツリレー：本体とコンサベータ間の管路で分解ガスの蓄積（軽故障）や急激な油流変化（重故障）を検出し動作する。

(3) 地震誤動作対策（二つ）

①警報化：機械式リレーをトリップ用ではなく警報用として運用し、不要遮断を防ぐ。②地震計併用：地震感知器の動作中は機械式リレーの遮断をロックするか、比率差動リレー等との論理積（AND）で遮断を判断する。

合格答案作成のキーポイント：

電験二次試験の論説問題では、「指定字数（ $100$ 字程度）」を意識して、各対策の「現象の特徴」と「制御の結論」を主述関係明確に記述することが極めて重要です。「何を検出して、どう制御するか」を論理的に整理して記述できるように訓練しておきましょう。