本日の発表変電所の接地システム構造接地システムの役割と課題①

本日の発表
変電所の接地システムについて
変電所の接地構造改良による
耐雷性の向上
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
接地極の周波数依存性
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
電力技術研究部き電研究室
副主任研究員
森田岳
発表の総括
Railway Technical Research Institute
Railway Technical Research Institute
1
2
接地システムの役割と課題①
変電所の接地システム構造
対象
地絡故障
雷撃
周波数
低周波（直流・商用周波）
高周波（10kHz～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
俯瞰図
立ち上げ線
連接線
地表
断面図
接地線
裸電線
(円形断面)
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）
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
接地インピーダンス
接地極
接地極
外線への波及防止
地表
0.75m 以上
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サージインピーダンス
定常特性
100ms～
過渡特性
1ms～10ms
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
接地抵抗
サージインピーダンスの低減
時間
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課題② 等電位化の重要性
耐雷性向上の必要性
配電盤室
雷撃
特高しゃ断器
昭和～平成初期の変電所
近年の変電所
ICT技術の導入
配電盤
配電盤側で
絶縁破壊発生
避雷器
制御線
地面
大地表面電位
ピット等
過電圧の伝搬
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）
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
ICT機器は雷撃に対して脆弱 → 変電所の耐雷性向上が必要
Railway Technical Research Institute
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接地極の周波数依存性
• 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）
接地棒の長さ
• 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（接地極・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
インピーダンス (Ω)
接地システムの周波数依存性
200
100Hz（理論値）
100Hz（実測値）
1MHz（理論値）
1MHz（実測値）
150
100
50
0
0
短い接地棒（極）
f高→Z小
• 接地極： 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）
（雷対策に有利）
– その結果、接地システム改良の道筋を得た
10
20
30
40
接地棒の長さ (m)
透過深度
h
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, 2014
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接地線の周波数依存性①
裸線
電圧伝達特性
・・・接地システムの電位上昇に関係
1000
2000
100
1500
10
電圧 (V)
被覆線
特性インピーダンス (W)
特性インピーダンス
接地線の周波数依存性②
裸線
被覆線
1
0.1
100
1E+0
・・・接地システムの等電位化に関係
被覆線の特性
1000
500
プロット：実測値
曲線：解析式
裸線の特性
0
0
101
1E+1
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）
102
1E+2
103
1E+3
周波数 (Hz)
104
1E+4
105
1E+5
106
5
10
15
25
30
35
40
図：雷インパルス（波頭長0.5ms程度、波高値73A）印加における電圧伝達特性
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）
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・・・特性インピーダンス
と相反する特性
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接地システム改良の方法論
接地極は上限長さ
透過深度 h
1.5m（湿潤大地）
～ 15m（岩石質）
を守れば元々耐雷性に優れる
10
接地線のインピーダンス低減法
耐雷性向上の2本柱
• 電位上昇の低減
インピーダンス低減
• 等電位化
電圧伝達
特性の改善
接地極
接地極
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注入点からの離隔 (m)
1E+6
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）
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• 【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】
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
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• 平編線（矩形断面）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）
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高周波電線
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
平編線・・・扁平な形状で、電流分布が偏りにくい（表皮効果：小）
今回検証試験
で採用
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）
地表下 0.75m
に埋設
模擬雷注入
（雷インパルス）
端部
避雷器接続点
模擬（注入点）
成果実用化
で採用予定
条件１
格子間隔
4m
裸銅撚線
（円形断面）
接地極
（銅棒電極）
心線（銅）
導体断面積
同一（22mm2）
条件２
平網線
（矩形断面）
接地線の線種のみを変え特性比較
※ 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。
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試験回路図
VE
大地表面電位
オシロスコープ
0
試験用接地極
(P)
VE
接地インピーダンス：
I
電流注入回路
10
インパルス発生器
供試接地
地中の電流経路
接地システム内の電位差
電位上昇（サージインピーダンス）
A
地表面
試験用接地極
(C)
C極の付近
・・・電位降下
平編線（最大6.2Ω）
8
6
4
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
時間 (ms)
電位上昇は大きく低減
サージインピーダンス：約70%に低減
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平編線
0.15
0.10
0.00
0.0
・・・時間に対する関数
従来電線
0.20
0.05
2
0
供試接地の付近
・・・電位上昇
0.25
従来電線（最大9.1Ω）
電圧 (kV)
V
電流センサ
インピーダンス (W)
電位測定回路
電位上昇の低減効果検証
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
時間 (ms)
電圧伝達特性は改善されず
電位差：殆ど変化なし
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等電位化の方法
新しい接地システムの構造
被覆線の並列
俯瞰図
立ち上げ線
（接続線）
被覆電線
連接線(第１層)
裸線
電位分布
被覆平編線
(矩形断面)
被覆線のみの場合（電圧伝達特性に優れる）
連接線 (第２層)
裸線のみの場合（インピーダンスに優れる）
被覆線による接地極の連接
被覆線の電位（等電位化）
さらに電位上昇低減
接地極
開発のコンセプト
1. 接地線に高周波電線を採用
2. 被覆線を並列（二層化）
裸線の電位
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裸平編線
(矩形断面)
→ サージインピーダンスの低減
→ 等電位化
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耐雷性能向上の確認試験
端部
避雷器接続点
模擬（注入点）
10
0.25m
格子間隔4m
裸平編線
（矩形断面）
提案方式（最大4.9Ω）
8
6
4
2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
提案方式
0.15
0.10
0.00
3.0
時間 (ms)
電位上昇はさらに低減
サージインピーダンス：約50%に低減
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従来方式
0.20
0.05
インピーダンスのピーク
が見られない
0.0
導体断面積
統一（22mm2）
0.25
従来方式（最大9.1Ω）
0
被覆平編線
（矩形断面）
接地極
（銅棒電極）
接地システム内の電位差
電位上昇（サージインピーダンス）
地表下 0.75m
に埋設
電圧 (kV)
模擬雷注入
（雷インパルス）
・・・実験による検証
インピーダンス (W)
従来方式と同一条件で比較
耐雷性向上の評価
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
時間 (ms)
電圧伝達特性も改善（等電位化）
電位差：約60%に低減
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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
接地極：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50%に低減、電位差：約60%に低減
累積頻度分布
（過去の統計データ）
現状
推定雷害頻度
約20%に低減
１／５
累積頻度（対数目盛）
推定雷害頻度
新しい接地システム
導入の場合
２倍
雷電流（対数目盛）
文献例：「電気・電子機器の雷保護」、電気設備学会、オーム社、2011
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