短絡電流の遮断・保護

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短絡とは

短絡とは、電気が流れている導体同士が接触し、負荷抵抗が電線抵抗のみになった状態である。100V回路でいえば白線と黒線が接触した状態が短絡状態となる。短絡は「ショート」とも呼ばれている。

回路が短絡状態になった場合、その回路には「電線長さ分の抵抗」しかない。諸所の影響を無視した単純な考え方であるが、VVFケーブルの1.6mmのkmあたり抵抗値は約9Ωであり、100m(0.1km)敷設した場合の回路抵抗は0.9Ωである。この電線路の末端を短絡し、100Vの電圧を印加した場合、約111Aの電流が流れ、その全てが電線に発生する熱負荷である。

銅線に短時間電流が流れた場合の温度上昇式 θ = 0.008 ( I / A )^2 ×t で1秒毎の温度上昇を計算してみると、

  • θ = 0.008 ( 111A / 2[mm2] )^2 × 1[sec] = 24.6℃

1秒毎に25℃弱の温度上昇が発生するという。電線からは一定速度で放熱するが、発熱量の方が多ければ温度は上昇するので、3~4秒もすれば被覆は全て溶融し発火する。

電路が短絡すると極めて高い熱が電線全体から発生するので、電線を被覆しているビニルやポリエチレンは、加熱され溶けてしまう。内部の銅線も発熱によって損傷してしまい、短絡事故を経験した電線は著しい性能低下が発生する。

短絡に対する保護

短絡が発生した場合、回路の抵抗が極めて小さい状態になるため、大きな電流が流れ続け、電流は P = I^2 × R の計算式に準じて、熱に変化していく。低圧の短絡であっても、数千Aの電流が流れることがあり、需要家内の遮断器で保護しなければ、配電線に設置してあるヒューズが溶断するなど、付近への停電事故波及のおそれも考えられる。

高圧電路で短絡事故などが発生した場合、変電所の遮断器が作動すれば付近一帯の停電(波及事故)となり、損害賠償や電気主任技術者の責任などを問われる事態である。短絡電流に限った話ではないが、電気事故は速やかに遮断し、付近への波及を食い止めなければならない。

配線用遮断器による保護

低圧回路で短絡事故が発生した場合、電力会社の発電設備から需要家の変圧器を通り、短絡事故点までの間に大電流が流れ続ける。需要家内の変圧器から低圧回路に敷設されているケーブル・遮断器に極めて大きな電流が流れ、衝撃や発熱に晒される。この短絡電流は、遮断器が動作し、短絡点が回路から切り離されるまで継続する。

短絡電流が流れるケーブルや遮断器は、衝撃と発熱が加わり、継続すると焼損する。ケーブルや遮断器が破損する以前に、短絡状態を除去し、事故点切り離しを行わなければならない。

事故点遮断のためには、一般に配線用遮断器が使用される。配線用遮断器は、定格電流の10倍を超える電流が流れた場合、瞬時に電路を引き外すという動作特性がある。電路に異常電流が発生した場合、配線用遮断器を引き外すことにより、短絡地点を電路から遮断する。

保護協調

回路保護には保護協調という考え方があり、電路の規模や負荷の大きさに小さな遮断器から大きな遮断器に向けて、段階的に保護するように計画する。「10A程度の負荷に対して、20Aの遮断器で保護」し「20Aの遮断器が20個集まった回路は、200Aの遮断器で保護」し「200Aの遮断器が10個集まった回路は、高圧LBSのヒューズで保護」というように、事故が発生したとしても、広範囲に停電が広がらないように、保護が段階的になされている。これは保護協調と呼ばれ、電気設備設計の基礎的事項となる。

定格遮断容量

遮断器は、どんな大きさの短絡電流でも遮断できるわけではなく、遮断器には定格遮断容量という考え方がある。短絡電流の事故電流を遮断できる電流値を規格しており、配線用遮断器の場合、2.5kA、5kA、25kA、50kAと、遮断容量の規格がある。

定格遮断電流は、事故電流を遮断できる最大値であり、定格遮断電流以下の短絡電流であれば、支障なく遮断できる。2.5kAが定格遮断電流の配線用遮断器を選定した場合、1.0kAの短絡電流であれば遮断可能である。しかし、5.0kAの短絡電流が流れた場合、遮断できず、事故が継続する。

下位の遮断器で事故点遮断できなかった場合、上位の配線用遮断器で事故点を遮断する。上位の遮断器は事故点以外の健全な回路を多数含んでいるため、健全回路を巻き込んだ広範囲停電となる。

短絡電流は変圧器に近いほど大きく、大電流が発生する傾向にある。配電盤の送出し遮断器は50kAの定格遮断電流をもつ遮断器を選定し、末端に向かうにつれて、小さな定格遮断電流の遮断器を選定していく。正確に短絡電流を算出する場合、電路のインピーダンスマップを作成し、遮断器二次側直近や幹線の各所で発生した短絡電流が、何A流れるのかを計算し、短絡電流以上の定格遮断容量を持つ遮断器を選定することが望まれる。

高圧回路の短絡保護

電流が流れている電線の内、2本線が接触することを二相短絡、3本線が短絡することを三相短絡と呼ぶ。三相短絡が最も過酷な短絡事故であり、極めて大きな電流が流れ、すぐに遮断しなければ大事故につながる。

短絡の原因は多々あり、鳥獣の侵入による電線同士の接触、端子締付けが緩むことによる電線外れ、人的ミスによるものなど多岐に渡る。鳥獣の侵入を防止するために、キュービクルの密閉性を高めたり、ケーブル導入口をパテなどで塞ぐといった措置を講ずることは重要な事故防止対策である。

人為的ミスでは、断路器での負荷電流開放や、定格遮断電流以上の負荷遮断など、アークを発生させ三相短絡事故を引き起こす事故や、電気機器への直撃雷によって機器が焼損し、機器内部で電線が短絡することも考えられる。

短絡電流の大きさは、変圧器から近いほど、電線が太いほど大きくなる。変圧器に近く電線が太いと、電路のインピーダンスが低くなるため、短絡電流が増大するのが理由である。変圧器直近で短絡した場合、短絡電流は変圧器のインピーダンスに大部分が影響し、20,000Aもの大電流が発生する。

高圧受電設備の受電点短絡電流

高圧受電設備の受電点における短絡電流は、電力会社の配電線の長さに左右されるため、需要家では計算できない。よって電力会社に対し、配電線のインピーダンスを確認してもらい、三相短絡容量と三相短絡電流を受領して遮断器を選定する。電力会社に問い合わせを行うことで、配電線の設備容量を計算し、遮断器の推奨遮断電流が提示される。

電力会社の変電所が近くない限り、真空遮断器の定格遮断容量は、12.5kAを選定する。稀に、20kAの遮断器選定を推奨される。

限流ヒューズによる個別保護

受電点に設置する真空遮断器は、いくつかの変圧器のバンクを一括して保護しており、受電点遮断器が動作すると、構内が全停電となる。

高圧電路の事故であっても、できる限り停電範囲を狭く抑えるため、変圧器やコンデンサごとに限流ヒューズを設け、高圧電路での保護協調を考慮しつつ電路の設計を行う。

限流ヒューズは、電路に短絡事故が発生した場合、短絡電流が最大値になる前に溶断しアークを消すことで、電路を安全に遮断できる優れた特性がある。

この特性により、短絡電流による大きな衝撃や発熱を未然に食い止め、ケーブルや遮断器への負担を減らすことが可能である。限流ヒューズの種類には、

  • T(変圧器用)
  • M(電動機用)
  • G(一般用)
  • C(コンデンサ用)

以上の4種類があり、それぞれ特性が違う。Tのヒューズは変圧器用で、励磁突入電流では容易に溶断しないようになる。

Mのヒューズは電動機の始動電流で切れないように、Cのヒューズはコンデンサの突入電流で切れないような特性で作られており、保護する対象によって使い分ける事で、信頼性を高めている。

Gのヒューズを変圧器・コンデンサの区別なく使用することもできるので、設計時に確認すると良い。

短絡電流の計算

高圧受変電設備以降の構内配電系統について、短絡電流の計算事例を解説する。6.6kV受電設備、3φ3W6,600V/210Vの変圧器二次側直近の短絡電流を算出する。基準容量は10MVA(10,000kVA)、受電点%合成インピーダンスはj10%と仮定する。

受電点の%インピーダンスは、電力会社の送電線や配電線の長さによって算出されるため、電力会社に問い合わせれば、受電点の数値を受領できる。変電所に近ければ高めの数字、遠ければ低めの数値となる。

推奨される遮断器の定格遮断電流についても、電力会社の設備状況から計算値が受領できるので、指定数値以上の遮断器を選定するのが原則である。

引込ケーブルの%インピーダンス算出計算

引込ケーブルは、ケーブルサイズによって%インピーダンスが変動し、太いケーブルほど大きな短絡電流が流れる。受電点に設置したPASやUGSから、キュービクルまでの間のケーブルサイズのインピーダンスを確認する。

ケーブルのインピーダンスは、採用する電線メーカーによって数値が違うため、代表メーカーを選定して電路のインピーダンスを確認する。6.6kV CVT100sqの特性は下記の通りである。

  • %ZR = 0.239[Ω/km]
  • %ZX = 0.0883[Ω/km]
  • %Z = 0.2548[Ω/km]

電線メーカーの資料では、インピーダンスが「Ω」で表現されているため、%インピーダンスに変換して算出を行う。6.6kV CVT100sqを100m布設した場合を計算する。%インピーダンスの変換計算は下記の通りである。

  • %Z = Zc × Pa / ( Va^2 × 10 ) × 1 / 布設数

対象単位を合わせなければ計算できないため、 0.2548[Ω/km] をメートル単位にするため、100 m × 1/1000 = 0.1[km] とする。

  • Zc = 100 m × 0.2548 [Ω/km] / 1000 = 0.02548[Ω]

Paは基準容量である。10[MVA]であるが、計算上はkVAとしなければならないため、1000倍してkVAに換算する。

  • Pa = 10 × 1000 = 10000kVA

Vaは基準電圧である。変圧器一次側の計算をしており、6.6kVで計算する。Va = 6.6[kV]とする。以上の数値を、%Z = Zc × Pa / ( Va^2 × 10 ) × 1 / 布設数 の式に当てはめて計算を行う。

  • %Z = 0.02548 × 10000 / ( 6.6^2 × 10 ) × 1 = 0.5849%

受電点%インピーダンスを電力会社から数値をもらっていれば、0.5849 %と合算して、変圧器一次側の%インピーダンスとする。電力会社から提示された受電点%インピーダンスが10%であれば、10 + 0.5849 = 10.5849% とする。これで、遮断器二次側の%インピーダンスを求める。

高圧ケーブル末端の短絡電流算出

短絡電流は下記の計算式で求める。

  • ( Pa × 10^3 / (√3 × Va × 10^3) ) × (100 / %Z)

。PaはkVA単位であり、10[MVA] を10000 kVA に変換して計算する。%Z = 10.5849%を使用する。Vaは基準電圧であり、6.6[kV]を使う。

  • 短絡電流Im0 = ( 10000 × 1000 / (√3 × 6.6 × 1000) ) × (100 / 10.5849) = 8264.35A → 8.27[kA]

これで、高圧ケーブル末端における短絡電流は、8.27[kA]であることが確認できる。

変圧器二次側の短絡電流算出

変圧器二次側の短絡電流は、線路のインピーダンスだけでなく、変圧器容量と変圧器の%インピーダンスに左右される。

ここで、3φ3W 6600V/210V 500kVAの変圧器について、短絡電流値を計算する。%インピーダンスは4%とする。変圧器メーカーの技術資料やカタログに、%インピーダンス値が記載されているので、実務ではこれらの数値を使用のこと。

変圧器のインピーダンスは、10[MVA] ベースを実容量に換算する。%インピーダンスを4%としたので、これを使用して計算する。500kVA の変圧器であり、単位を統一して 0.5[MVA]とする。

  • %ZT = 4% × 10[MVA] / 0.5[MVA] = 80%

受電点+線路のインピーダンスは10.5849%、変圧器のインピーダンスは80%となるため、合算すると90.5849%となる。 Pa × 10^3 / (√3 × Va × 10^3) × 100 / %Z で短絡電流を求める。Paは同じく10[MVA]であり10000kVAに変換する。低圧側の計算であり、Vaは6.6[kV]ではなく0.21[kV]を使用する。

  • 10000 × 1000 / (√3 × 0.21 × 1000) × (100 / 90.5849) = 30350A → 30.5[kA]

変圧器二次側が30.5[kA]ということが判明したので、配電盤遮断器の遮断容量は、50[kA]の製品とする。実務では、多くの遮断器や変圧器があるので、これを一枚の系統図にした「インピーダンスマップ」を作成する。インピーダンスマップにより、系統全ての短絡電流がわかり、それぞれの場所に設置する遮断器の遮断容量等を、計画できる。

短絡によるモータコントリビューション

インバーターを持たない単純な電動機(換気ファンなど)が設置されている系統で、電動機運転中に電源側が短絡事故を起こすと、電動機への電源供給がストップし、電動機は惰性運転を行い摩擦・回生など各種抵抗によってブレーキが発生し、最終的に停止に至る。この惰性運転をしている間、電動機の回転によって起電力が発生し、電動機が発電機のように電力を生み出し、短絡地点に電流を流してしまう現象を、モータコントリビューションと呼ぶ。

モータコントリビューションによって加算される電流値は、電動機の容量に比例する。変圧器に接続されている電動機の台数と容量がわかれば、実負荷の計算ができるが、設計初期段階では詳細な機械選定が終わっていないことが多いため、動力変圧器の容量を電動機容量として計算する。変圧器容量が大きな場合、計算値が過大に算出されることがあるため、変圧器容量の80%を電動機容量として計算するのが妥当である。

600V未満の誘導電動機の場合、%インピーダンスを20%として計算し、短絡電流の増分として割増する。一般的には、動力変圧器容量の3から4倍程度の電流が短絡電流に加算されて、事故点に流れ込む。

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