雷撃 避雷器 課題 2 等電位化の重要性 特高しゃ断器 配電盤 配電盤室 配電盤側で絶縁破壊発生 耐雷性向上の必要性昭和 ~ 平成初期の変電所近年の変電所 ICT 技術の導入 地面 制御線 ピット等 大地表面電位 過電圧の伝搬 耐雷性向上の課題 2 高周波での接地システム内の等電位化 配電盤に印加さ

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1 本日の発表 変電所の接地構造改良による耐雷性の向上 電力技術研究部き電研究室 副主任研究員 森田岳 変電所の接地システムについて 接地システムの構造と役割接地システムの課題と必要性 接地システムの周波数依存性 の周波数依存性接地線 ( 裸線と被覆線 ) の周波数依存性 新しい接地システムの開発 電位上昇の低減法電圧伝達特性の改善法実験による効果検証 発表の総括 1 2 俯瞰図 地表断面図 変電所の接地システム構造 接地線 立ち上げ線 地表 連接線 裸電線 ( 円形断面 ).75m 以上 3 接地システムの役割と課題 1 対象地絡故障雷撃 周波数低周波 ( 直流 商用周波 ) 高周波 (1kHz~1MHz) 接地システムの動作地絡電流の経路になる雷サージを大地に流す 外線への波及防止 接地システムの電位上昇抑制 変電所機器の防護接地システム内の電位差低減 ( 等電位化 ) 接地インピーダンス 性能評価の指標 接地抵抗 接地インピーダンス ( サージインピーダンス ) 技術基準あり ( 接地抵抗値 ) なしサージインピーダンス 過渡特性 1ms~1ms 接地抵抗 定常特性 1ms~ 時間 過渡的なインピーダンスの上昇インダクタンス等の影響 耐雷性向上における課題 1 サージインピーダンスの低減 4

2 雷撃 避雷器 課題 2 等電位化の重要性 特高しゃ断器 配電盤 配電盤室 配電盤側で絶縁破壊発生 耐雷性向上の必要性昭和 ~ 平成初期の変電所近年の変電所 ICT 技術の導入 地面 制御線 ピット等 大地表面電位 過電圧の伝搬 耐雷性向上の課題 2 高周波での接地システム内の等電位化 配電盤に印加される電圧 機械式リレーによる配電盤コンピュータによる配電盤 (ME 盤 ) 機械式リレーによる遠制装置 ( 伝送装置 ) TCP/IP 制御の遠制装置 ( 伝送装置 ) ICT 機器は雷撃に対して脆弱 変電所の耐雷性向上が必要 5 6 接地システムの周波数依存性 先行研究 電磁界解析 (FDTD 法など ) 分布定数回路理論 (Sundeの式ほか) 上 2 手法 : 計算にスキル必要 設備設計で実用的でない 定性的現象論 インピーダンス低減のため 接地線の太径化 短尺化 今回検討の成果 構成要素 ( 接地線 ) 毎に理論検討 物理現象を明確化 簡易な計算手法を開発 : Maxwell 方程式から近似解析解を得た 接地線 : 分布定数回路理論を準用 (Sunde より簡易 ) その結果 接地システム改良の道筋を得た 7 接地棒のの長さ の周波数依存性 インピーダンス (Ω) 短い接地棒 ( 極 ) f 高 Z 小 ( 雷対策に有利 ) 1Hz( 理論値 ) 1Hz( 実測値 ) 1MHz( 理論値 ) 1MHz( 実測値 ) 透過深度 h 接地棒の長さ (m) 長い接地棒 ( 極 ) f 高 Z 大 ( 雷対策に不利 ) 理論値 : 鉄道総研による解析式実験値 : S. Mousa, thesis for the degree of PhD, Cardiff University, 214 8

3 接地線の周波数依存性 1 特性インピーダンス 接地システムの電位上昇に関係 被覆線裸線 特性インンピーダンス (W) 1 1 裸線 1 被覆線 1.1 1E E+1 1 1E+2 1E E E E+6 周波数 (Hz) 電圧 (V) 電圧伝達特性 接地線の周波数依存性 2 接地システムの等電位化に関係 裸線の特性 被覆線の特性 プロット : 実測値曲線 : 解析式 注入点からの離隔 (m) 図 : 雷インパルス ( 波頭長.5ms 程度 波高値 73A) 印加における電圧伝達特性 線種によるインピーダンスの比較裸線の方がインピーダンスが小さい ( 裸線の方が雷対策に有利 ) 裸線のインピーダンス周波数特性 f 高 Z 大 ( 雷対策上の課題 ) 線種による電圧伝達特性の比較被覆線の方が電圧伝達特性に優れる ( 被覆線の方が雷対策に有利 ) 特性インピーダンスと相反する特性 9 1 耐雷性向上の 2 本柱 電位上昇の低減 等電位化 接地システム改良の方法論 インピーダンス低減 電圧伝達特性の改善 は上限長さ 1.5m( 湿潤大地 ) 透過深度 h ~ 15m( 岩石質 ) を守れば元々耐雷性に優れる 接地線 接地線の性能向上が鍵 高周波領域での インピーダンス低減 電圧伝達特性の改善 11 接地線のインピーダンス低減法 理論 埋設線の周波数依存効果 物理現象は複雑 埋設線と大地の表皮効果 特性 : 周波数上昇 特性インピーダンス増加 高周波の接地線インピーダンス低減対策 太径化 ( 複導体化含む )/ 短尺化 高周波電線の採用 講演後 実物展示を予定 平編線 入手しやすく検証実験で採用 リッツ線強度や生産面で実用化に適 大原則 : 地絡故障でも性能確保 ( 現状非悪化 ) 12

4 平編線 高周波電線 扁平な形状で 電流分布が偏りにくい ( 表皮効果 : 小 ) リッツ線 素線を全て絶縁し 表皮効果を抑える素線の構造絶縁被覆 ( エナメル ) 心線 ( 銅 ) 今回検証試験で採用 成果実用化で採用予定 他にも同軸ケーブルが弱電分野 ( 制御線 通信線など ) で良く用いられる 13 電位上昇の低減効果検証 接地線の線種変更による比較 実験による検証 模擬雷注入 ( 雷インパルス ) 避雷器接続点模擬 ( 注入点 ) 格子間隔 4m ( 銅棒電極 ) 地表下.75m に埋設 端部 導体断面積同一 (22mm 2 ) 条件 1 条件 2 裸銅撚線 ( 円形断面 ) 接地線の線種のみを変え特性比較 平網線 14 大地表表面電位 電位測定回路 試験用 (P) V E V E V オシロスコープ 接地インピーダンス : 試験回路図 電流センサ I A インパルス発生器 供試接地地中の電流経路 供試接地の付近 電位上昇 電流注入回路 C 極の付近 電位降下 時間に対する関数 地表面 試験用 (C) 電位上昇 ( サージインピーダンス ) 1 従来電線 ( 最大 9.1Ω) インピピーダンス (W) 電位上昇の低減効果検証 平編線 ( 最大 6.2Ω) 電位上昇は大きく低減サージインピーダンス : 約 7% に低減 接地システム内の電位差 電圧 (kv) 従来電線 平編線 電圧伝達特性は改善されず電位差 : 殆ど変化なし 15 16

5 被覆線の並列 等電位化の方法 俯瞰図 新しい接地システムの構造 被覆電線 立ち上げ線 ( 接続線 ) 裸線 連接線 ( 第 1 層 ) 電位分布 被覆線のみの場合 ( 電圧伝達特性に優れる ) 連接線 ( 第 2 層 ) 被覆平編線 裸線のみの場合 ( インピーダンスに優れる ) 被覆線によるの連接被覆線の電位 ( 等電位化 ) さらに電位上昇低減 裸線の電位 裸平編線 開発のコンセプト 1. 接地線に高周波電線を採用 サージインピーダンスの低減 2. 被覆線を並列 ( 二層化 ) 等電位化 耐雷性能向上の確認試験 従来方式と同一条件で比較 模擬雷注入 ( 雷インパルス ) 避雷器接続点模擬 ( 注入点 ) 格子間隔 4m ( 銅棒電極 ) 実験による検証 地表下.75m に埋設 端部 裸平編線.25m 被覆平編線 導体断面積統一 (22mm 2 ) 電位上昇 ( サージインピーダンス ) インピピーダンス (W) 耐雷性向上の評価 従来方式 ( 最大 9.1Ω) 提案方式 ( 最大 4.9Ω) 2 インピーダンスのピークが見られない 電位上昇はさらに低減サージインピーダンス : 約 5% に低減 接地システム内の電位差 電圧 (kv) 従来方式 提案方式 電圧伝達特性も改善 ( 等電位化 ) 電位差 : 約 6% に低減 19 2

6 累積頻度 ( 対数目盛 ) 1/ /5 推定雷害頻度 累積頻度分布 ( 過去の統計データ ) 2 倍 現状 雷電流 ( 対数目盛 ) 新しい接地システム導入の場合 推定雷害頻度約 2% に低減 文献例 : 電気 電子機器の雷保護 電気設備学会 オーム社 発表の総括 変電所の接地システム課題 : 耐雷性の観点では不十分耐雷性向上 : 電位上昇低減 等電位化が必要接地システムの周波数依存性 : 短い接地棒が耐雷性に有利接地線 : 接地線の特性改善が肝要裸線 : インピーダンス : 小 電圧伝達特性 : 不良被覆線 : インピーダンス : 大 電圧伝達特性 : 良新しい接地システムの開発高周波電線採用 : 接地インピーダンスの低減裸線と被覆線の並列 : 電圧伝達特性の改善電位上昇 : 約 5% に低減 電位差 : 約 6% に低減 22

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