リレー保護における変圧器保護の解析

1. 変圧器の一般的な故障と異常

変圧器の故障は、内部故障と外部故障に分類できる。

内部故障とは、ケース内部で発生する故障を指し、巻線の相間短絡故障、単相巻線の巻線間短絡故障、巻線と鉄心間の短絡故障、および巻線の断線故障などが含まれます。

外部故障とは、変圧器の外部リード線間の様々な相間短絡故障、およびリード線の絶縁ブッシングが筐体を貫通して発生する単相地絡故障を指します。

変圧器の故障は非常に危険です。特に内部故障が発生した場合、短絡電流によって発生する高温アークは、変圧器巻線の絶縁体や鉄心を焼損させるだけでなく、変圧器油の分解と大量のガス発生を引き起こし、変圧器筐体の変形や爆発に至ることもあります。そのため、変圧器が故障した場合は、必ず電源を遮断する必要があります。

変圧器の異常状態には、主に過負荷、油面低下、外部短絡による過電流、運転中の変圧器油温上昇、巻線温度上昇、変圧器圧力上昇、冷却システムの故障などが含まれます。変圧器が異常運転状態にある場合は、警報信号を発する必要があります。

2. 変圧器保護の構成

短絡故障に対する主な保護：主に縦方向差動保護、重ガス保護など。

短絡故障に対するバックアップ保護：主に複合電圧遮断過電流保護、零相（方向）過電流保護、低インピーダンス保護など。

異常動作保護：主に過負荷保護、過励磁保護、軽ガス保護、中性点ギャップ保護、温度油面および冷却システム故障保護などが含まれます。

3. 非電気保護

変圧器の油、ガス、温度などの非電気量を利用した変圧器保護は、非電気保護と呼ばれます。主な種類としては、ガス保護、圧力保護、温度保護、油面保護、冷却器全停止保護などがあります。非電気保護は、設置場所のニーズに応じて、遮断動作や警報発報などの動作を行います。

（１）ガス防護

変圧器内部で故障が発生すると、短絡電流と短絡箇所でのアーク放電によって変圧器内部に大量のガスが発生し、変圧器の油流速度が加速します。ガスと油の流れを利用して実現される保護方式をガス保護と呼びます。

軽ガス保護：変圧器内部で軽微な故障や異常が発生すると、故障箇所が部分的に過熱し、油の一部が膨張します。油中のガスが気泡となってガスリレーに入り込み、軽ガス保護が作動して軽ガス信号を発信します。

重ガス保護：変圧器油タンクに重大な故障が発生すると、故障電流が大きくなり、アーク放電によって大量の変圧器油が分解し、大量のガスと油が噴出します。衝撃バッフルが重ガスリレー保護を作動させ、重ガス信号を発信してコンセントを遮断します。変圧器を取り外してください。

重ガス保護は、オイルタンク内部の故障に対する主要な保護装置であり、変圧器内部の様々な故障を検知することができます。変圧器内で少数の巻線間短絡が発生した場合、故障電流は大きくても、差動保護で発生する差動電流は小さく、差動保護が作動しない可能性があります。そのため、変圧器内部の故障に対しては、重ガス保護に頼って故障を除去する必要があります。

（２）圧力保護

圧力保護は、変圧器タンク内部の故障に対する主要な保護機能でもあります。変圧器油の圧力変動に対応するため、圧力解放機構と圧力急激変化保護機構を備えています。

（３）温度および油面保護

変圧器の温度が警告値まで上昇すると、温度保護装置が警報信号を発信し、待機中の冷却装置を起動します。

変圧器油が漏れたり、その他の理由で油面が低下したりすると、油面保護機能が作動し、警報信号を発信します。

（４）クーラーの完全停止保護

変圧器冷却装置が運転中に完全に停止すると、変圧器の温度が上昇します。これを速やかに対処しないと、変圧器巻線の絶縁が損傷する可能性があります。そのため、変圧器の運転中に冷却装置が完全に停止した場合、保護装置は警報信号を発信し、一定時間経過後に変圧器の電源を遮断します。

4. 差分保護

変圧器の差動保護は、変圧器の電気量を保護する主要な手段であり、その保護範囲は両側の変流器で囲まれた部分です。この範囲内で相間短絡や巻線間短絡などの故障が発生した場合、差動保護が作動する必要があります。

変圧器の差動保護の原理については、以前に詳しく説明しましたので、必要な方は過去の記録6、7、8の関連内容を参照してください。ここでは詳細には触れず、励磁突入電流に関する概念を簡単に付け加えるにとどめます。

（１）変圧器の励磁突入電流

変圧器を空中投入した際に発生する励磁電流は、励磁突入電流と呼ばれます。突入電流の大きさは、変圧器の構造、投入角度、容量、投入前の残留磁気などの要因に関係します。測定結果によると、変圧器を空中投入した際、鉄心の飽和により励磁突入電流が非常に大きくなり、通常は定格電流の2～6倍、最大で8倍を超えることがあります。励磁突入電流は充電側のみに流れるため、差動回路に大きな差動電流が発生し、差動保護の誤動作を引き起こします。

励起突入電流には以下の特徴があります。a. 突入電流の値は非常に大きく、明らかな非周期成分を含みます。b. 波形は尖っていて断続的です。c. 明らかな高次高調波成分、特に第2高調波成分を含みます。d. 励起突入電流は減衰します。

突入電流の上記特性に基づき、突入電流による変圧器差動保護の誤動作を防止するため、本プロジェクトでは、高次高調波成分、非対称波形、および大きな波形不連続角という3つの原理を用いて差動保護の遮断を実現しています。

（２）第２高調波ブレーキ原理

第2高調波制動の本質は、差動電流中の第2高調波成分を用いて、差動電流が故障電流か励磁突入電流かを判定することにある。第2高調波成分と基本波成分の比率が一定値（通常20%）を超えると、差動電流は励磁突入電流によるものと判断され、差動保護が遮断される。

したがって、第2高調波制動比が大きいほど、基本波に含まれる第2高調波電流が多くなり、制動効果は悪化する。

（３）差動式クイックブレーク保護

変圧器内部で重大な故障が発生し、大きな故障電流によって変流器（CT）が飽和状態になると、CTの二次電流には多数の高調波成分が含まれます。上記の説明によれば、これは第2高調波による制動によって差動保護が遮断または遅延動作を起こす可能性が高く、変圧器に深刻な損傷を与える可能性があります。この問題を解決するために、通常は差動速断保護が設定されます。

差動クイックブレーク要素は、実際には縦方向差動保護用の高値差動要素です。一般的な差動要素とは異なり、差動電流の実効値を反映します。差動電流の波形や高調波成分の大きさに関係なく、差動電流の実効値が差動クイックブレークの設定値（通常は差動保護の設定値よりも高い）を超えると、突入電流などの基準で励磁せずに変圧器を遮断する動作を即座に行います。

以下では、変圧器のバックアップ保護について説明します。

変圧器のバックアップ保護構成には多くの種類があります。本稿では主に、変圧器のバックアップ保護の2種類、すなわち複雑な電圧遮断過電流保護と接地保護について解説します。

1. 複雑な圧力ロックアウトに対する過電流保護

複合電圧遮断過電流保護は、大型および中型変圧器の相間短絡故障に対するバックアップ保護です。過電流保護の感度要件を満たせない昇圧変圧器、系統接触変圧器、降圧変圧器に適しています。負相電圧と低相電圧から構成される複合電圧は、保護範囲内の様々な故障を反映できるため、過電流保護の設定値を低減し、感度を向上させます。

複合電圧過電流保護は、複合電圧要素、過電流要素、および時間要素で構成されます。保護の入力電流は、変圧器の自側にあるCTの二次三相電流であり、入力電圧は、変圧器の自側または他側のPTの二次三相電圧です。マイクロコンピュータによる保護の場合、ソフトウェアを介してこの側の電圧を他側に供給できるため、いずれかの側のPTがオーバーホールされた場合でも、いずれかの側の過電流保護が引き続き使用できます。動作ロジックは下図に示されています。

2. 変圧器の接地保護

大型および中型変圧器の接地短絡故障に対するバックアップ保護には、通常、零相過電流保護、零相過電圧保護、ギャップ保護などが含まれます。以下では、中性点の3つの異なる接地方法に基づいて簡単に説明します。

（１）中性点は直接接地されている

中性点が直接接地されている110kV以上の変圧器については、大電流接地系統側に地絡事故に対応する零相電流保護装置を設置する必要があります。高圧側と中圧側の両方が直接接地されている変圧器については、零相電流保護装置に方向を設け、その方向を各側の母線に向ける必要があります。

零相電流保護の原理は、線路零相保護の原理と同様です。第30号を参照してください。零相電流は、中性点CTの二次電流から取得することも、ローカル側のCTの二次三相電流によって自己生成することもできます。方向性素子に接続された零相電圧は、ローカル側のPTの開放三角電圧から取得することも、ローカル側の二次三相電圧によって自己生成することもできます。マイクロコンピュータ保護装置では、主に自己生成方式が採用されています。

大型三巻線変圧器には、三段零相電流保護が使用できます。このうち、第I部と第II部には方向があり、第III部には方向がありません。各部には通常2段階の遅延があり、短い遅延では故障範囲が狭まり（母線結合器または主側スイッチの短絡）、長い遅延では変圧器が遮断されます（三側スイッチの短絡）。具体的な保護構成は、実際の状況に応じて決定されます。

図に示すように、零相方向性電流保護の第Iまたは第IIセクションが動作した後、まず短い遅延時間t1またはt3の後、バス結合器またはこの側のスイッチをジャンプさせて故障範囲を縮小します。それでも故障が解消されない場合は、より長い遅延時間t2またはt4の後、三側スイッチをジャンプさせて変圧器を遮断します。第IIIセクションには方向性はなく、遅延後に変圧器が直接遮断されます。

（２）中性点は接地されていない

零相電流は変圧器の中性点を通過して零相回路を形成します。しかし、すべての変圧器の中性点が接地されている場合、接地点における短絡電流が各変圧器に分流されるため、零相過電流保護の感度が低下します。そのため、零相電流を一定の範囲内に制限するために、中性点を接地して運転する変圧器の数に関する規制が設けられています。

接地なしで動作する変圧器の場合、地絡時に故障箇所で発生するギャップアークによる変圧器への過電圧損傷を防ぐため、零相電圧保護を構成する必要がある。

完全絶縁型変圧器の中性点の絶縁レベルが高いため、システム内で地絡事故が発生した場合、まず零相電流保護によって中性点を接地した状態で変圧器が遮断され、それでも故障が解消されない場合は、零相電圧保護によって変圧器を接地せずに中性点が遮断されます。

（３）中性点は放電ギャップを介して接地される

超高圧変圧器はすべて半絶縁型変圧器であり、中性点コイルと接地間の絶縁は他の部分よりも弱い。中性点絶縁は破壊されやすいため、ギャップ保護を設ける必要がある。

ギャップ保護の機能は、中性点非接地変圧器の中性点の絶縁安全性を保護することです。

図に示すように、変圧器の中性点と接地との間に絶縁ギャップを設けてください。接地遮断スイッチが閉じているときは、変圧器は直接接地され、零相過電流保護が作動します。接地遮断スイッチが切断されているときは、変圧器は絶縁ギャップを介して接地され、絶縁ギャップ保護が作動します。

ギャップ保護は、変圧器の中性点を流れるギャップ電流3I0と母線PTの開回路三角電圧3U0を基準として実現される。

故障により中性点が上昇すると、ギャップが破壊され、大きなギャップ電流3I0が発生します。このとき、ギャップ保護が作動し、一定時間後に変圧器が遮断されます。また、系統で地絡故障が発生した場合、中性点接地変圧器の零相保護が作動し、まず中性点接地変圧器が遮断されます。系統が接地点を失った後も故障が継続している場合、母線PTの開放三角電圧3U0が非常に大きくなり、このときもギャップ保護が作動します。