変流器・零相変流器の原理・選定

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変流器(CT)

変流器は、電流の大きさを変換するための装置で、大電流が流れる電路の計測や、保護継電器を動作させるために使用します。低圧・高圧の大電流をそのまま計測しようとすると、測定機器の絶縁を維持するために大掛かりとなってしまいますので、扱いやすい電流値に変換することによって、小型の計測器での精密な測定や継電器の動作を行うことを目的としています。一次電流に対し、二次電流を5A以下に変成するのが一般的です。

変流器の仕組みは変圧器と同様、鉄心とコイルを用い、巻数に応じた比率の電流値を二次側に発生させるものです。変流比はCT比とも呼ばれ、400/5 というような表現をします。400/5のCTでは、一次側電流400Aまでの電流を5A以下の電流値に変換します。

例えば、200Aの流れる電路で、CT比 400/5 の変流器を用いた場合、二次側に発生する電流値は2.5Aとなります。CT比 400/5 ですから、2.5Aの電流を80倍すれば一次側に流れる電流が200Aであることがわかります。

このように、大電流を小さな電流に変換することで、安全かつ低コストな計測・継電器動作を行うための装置が変流器です。変流器は低圧・高圧を問わず、幅広い電気設備で使用されています。

変流器の種類

零相変流器は巻線形、貫通形、分割貫通形の3種類があります。一次巻線と二次巻線をモールドしたコイルモールド形、巻線から鉄心まで全てをモールドした全モールド形が、巻線形零相変流器に区分されます。

貫通形零相変流器は、円形の鉄心の全周に二次巻線を巻き付けてモールドしたもので、一次導体を持っていません。母線やケーブルを貫通させ、一次導体と同じ役割となります。円形一体型となっているため、既設のケーブルや母線に取り付けるのが困難です。

貫通分割形零相変流器は、貫通形と同様の仕組みとなっていますが、本体が2分割された形状のため、既設のケーブルや母線に接続することが容易です。2分割された鉄心にそれぞれ二次幹線が巻かれ、それぞれをモールドしていますので、鉄心の分割面の取付によって測定精度が変化してしまうため、施工には十分な注意が必要です。

変流器の選定方法

変流器の選定は、計器用に使用するのか、保護用に使用するのかによって考え方が違います。計器用の場合は定格電流に収まる電流の測定に使用するため、事故電流の測定をしたい場合でなければ、過電流定数を考えずに選定することが可能です。

電流計など、計器用の変流器を選定する場合、負荷電流の1.5倍を目安とします。負荷電流の最大値に近い数値で選定してしまうと、計器の指針が常に最大値付近を推移するようになり計器精度が悪くなりますし、アナログ計器の場合は読みづらくなります。また、電動機回路の場合、始動電流による影響で指針が振りきれてしまうことがあるため、負荷電流の2倍〜2.5倍が読める計器を選定します。

配電系統などに設置する保護用の変流器では、短絡事故などで発生する大きな電流を使用して継電器を動作させますので、定格電流を大きく外れた電流を変流することになります。よって、過電流定数に注意した選定をする必要があります。

過電流定数

測定する一次電流が、定格一次電流よりも大きい場合の性能を示す定数です。過電流定数は計測誤差が10%となる点を表しており、n = 10 といった表現がされます。n = 10 の過電流定数を持つ変流器は、定格一次電流の10倍までは比誤差10%以内となります。

事故電流を測定したい場合でなければ、計器用のCTにおいて過電流定数を考慮する必要はありません。数値の誤差が大きな損失と成り得る、継電器の動作については、過電流定数に注意します。

電気事故発生時には、特に大きな電流が流れるため、過電流定数によって10%の動作の誤差が発生します。継電器と強調が取れる過電流定数を持つ変流器を選定しなければ、一次側の過電流継電器が先に動作してしまうなど、保護協調が崩れ広範囲停電を引き起こすことも考えられます。

過電流強度

測定対象となるケーブルは、事故により短絡電流が流れるおそれがあるため、定常時に数百アンペアしか流れない場合でも、事故時は数千アンペアの大電流が流れるおそれがあります。このような大電流に対して変流器が損傷しないよう、過電流強度が設定されています。

変流器を選定する場合、系統の短絡電流に耐える過電流強度を持った製品を選定するのが重要です。通常は40倍を選定しますが、事故電流が大きい場合は75倍、150倍、300倍といった大電流に耐える製品もあります。

確度階級

確度階級とは、変流器の精度を示すものです。一般計測用として3.0級、1.0級、0.5級があり、特別精密計測に使用される標準用として0.2級、0.1級があります。数値が小さいほど精度が高くなります。

精密計測では0.5級、普通計測や継電器動作では1.0級、配電盤などの計測は1.0〜3.0級の確度階級を持つ変流器を採用するのが一般的ですが、用途に応じた選定が重要です。

零相変流器の役割と特徴

零相変流器は、電路に地絡事故が発生した場合に、回路に流れる地絡電流を検出し、変成して地絡継電器に電流を送ります。受電点などに設置し、受変電設備全体の地絡保護に利用されています。零相変流器は一般的に貫通型が採用されており、鉄心内に三相導体を一括で通し、二次巻線をその上に巻いて磁気的な平衡をとっています。

一般の変流器と違い、零相変流器は三相導体を一括で通しています。健全な電路では零相変流器の二次側は電流が平衡しており流れることがありませんが、三相を一括で通した電路に地絡が発生した場合、零相変流器に流れる電流のバランスが崩れ、二次側に電流が発生します。

この電流のバランスの崩れを検出するのが零相変流器の役割です。零相変流器の二次側には地絡継電器などが設置され、地絡継電器を動作させるなど、電路の保護に使用されます。

変流器(CT)の二次側開放

変流器(CT)付きの計器に電流を流した状態で、二次側を開放することは厳禁です。二次側を開放すると、計器に大電圧が印加され、機器が破損してしまいます。

CTは例えば、一次側に200Aが流れているものを、二次側に5アンペアに換算するといったように、電流の比率を変化させて計測します。この時の変流比は40です。変流器二次側には電流計しかありませんので、抵抗値は電流計の内部抵抗のみです。ほとんどゼロと言っても良い抵抗値になっています。

この電路で、二次側のCTに抵抗が発生した場合を想定してみます。一次側に流れる電流の200Aは変わらず、二次側の電流値も5Aのまま変わらず変流比40のまま推移します。ここで、CT二次側の抵抗値が変化した場合でも、電流は常に一定の値を流さなければ電気回路として成り立ちませんので、5Aの電流が流れます。つまり、どれだけの抵抗がCT二次側に発生しても、5Aが流れなければならないことになります。

CTの二次側を開放すると、CT回路内に空気の絶縁抵抗(ほぼ無限大オーム)が発生したことと同じになり、この無限大オームの抵抗に5Aの電流を流さなければならない回路となります。V = IRの式から考えると、V = 5 × ∞になりますので、∞の電圧をもって、空気の絶縁抵抗に5Aを流す回路が作られることになります。

CTの鉄心が飽和するというのは、無限大の電圧によって、鉄心が発生出来る電圧の最大値まで使い切ってしまうことを意味しますので、数千ボルトの電圧が変流器側に印加され、絶縁破壊・破損してしまいます。CTが接続されている場合、二次側は短絡した状態でなければいけません。十分注意しましょう。

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