プロテクション・スキームのアップグレードにありがちな間違い

はじめに

中電圧変電所における保護スキームのアップグレードは、電力系統工学において最も技術的要求の高い試運転作業のひとつであり、最も頻繁に行われる誤りのひとつでもある。リレーが交換され、設定が再計算され、試運転テストに合格し、変電所がサービスに戻される。3ヵ月後、障害が発生し、保護装置が正しく作動しなくなった。調査の結果、リレーは完璧に指定され、正しく設定されていましたが、リレーに給電する変流器は新しい保護方式との互換性について再評価されることはなく、保護不良の原因となった測定誤差は、アップグレードされた保護方式の運用初日から存在していたことが判明しました。.

保護スキームのアップグレードで最も一般的で、最も重大な間違いは、リレーの設定ミスではありません。エンジニアが、既存のCT取り付けを、新しいリレーの測定要件、負荷特性、および過渡性能要件に対して再評価、再テスト、および再確認が必要なコンポーネントとしてではなく、新しい保護スキームに対する固定された検証済みの入力として扱うために発生するCT測定エラーです。.

変電所保護エンジニア、高圧アップグレードプロジェクトマネージャー、保護スキームのアップグレードを担当するセーフティクリティカルなコミッショニングチームを対象に、保護スキームのアップグレード中に発生する重大なCT測定ミスをすべて特定し、それぞれを防止するためのエンジニアリング手法を提供します。.

目次

• プロテクションスキームがアップグレードされると、なぜ既存のCTは互換性がなくなるのか？
• 保護スキームのアップグレード時に最も危険なCT測定ミスとは？
• 中電圧保護システムのアップグレードにおけるCT仕様の正しい再評価方法とは？
• ライブ・プロテクション・スキームのアップグレードプロジェクトにおいて、安全なCT測定検証を実施するには？
• プロテクション・スキームのアップグレードにおけるCT測定の誤りに関するFAQ

プロテクションスキームがアップグレードされると、なぜ既存のCTは互換性がなくなるのか？

既存の CT が新しい保護リレーと完全な互換性を保つという仮定は、ほとんどの保護スキームのアップグレードプロジェクトの基本的な誤りです。CT 比率は変更されておらず、一次電流も変更されておらず、CT は最後の保守テストに合格しています。変更されたのはリレーであり、リレーはCTが動作しなければならない測定環境を定義します。.

すべての保護リレーは、CT の二次回路に特定の負荷を与えます。すべての保護リレーには、故障状態中の正しい動作に必要な CT 精度制限係数（ALF）を決定する特定の過渡性能要件があります。すべての保護リレーには、CT 二次波形の歪みと異なる相互作用をする特定の測定アルゴリズム（実効値、基本周波数位相、またはピーク検出）があります。リレーが変更されると、これら3つのパラメータはすべて同時に変更され、既存のCTはそのいずれも満たさない可能性があります。.

保護リレーを交換した場合に変化する主な技術パラメータ：

• 二次負担（VA）¹: 最新の数値保護リレーの負担は、1 Aの二次側で0.025～0.1 VAであり、電気機械式リレーに置き換わる1～5 VA負担の10～40分の1である。この劇的な負担軽減により、CTの励磁曲線上の動作点が変化し、故障状態中に予期せぬCT動作を引き起こす可能性がある。
• 精度限界ファクター（ALF）² が必要だ： 新しいリレーの過渡性能仕様では、最大故障電流時に正しく動作するために必要な最小 CT ALF が定義されています。新しいリレーの負荷における既存の CT の ALF が要求よりも低い場合、リレーが正しい保護判定を行う前に CT が飽和してしまいます。
• 新たな負担で効果的なALF： ALF_effective = ALF_rated × (Rct + Rburden_rated) / (Rct + Rburden_actual); リレー負担を5 VAから0.1 VAに減らすと、実効ALFが劇的に増加する。
• 測定アルゴリズムの互換性： 電気機械式リレーは、すべての高調波と DC オフセットを含む二次電流波形の実効値に応答します。数値リレーは、フーリエフィルタリングを使用して基本周波数フェーズを抽出します。
• 適用規格： IEC 61869-2³ (CT精度およびALF）、IEC 60255-151（過電流保護リレー要件）、, トランス差動保護⁴ 要求事項 (IEC 60255-187-1)

実効ALFの計算により、高負荷の電気機械式リレーを低負荷の数値リレーに置き換えることの重要かつ直感に反する結果が明らかになった：

$ALF_{effective} = ALF_{rated}\(定格) = ALF_{定格}{R_{CT}}{R_{CT}}の倍数+ R_{burden,rated}}{R_{CT}R_{CT} + R_{burden,actual}}となります。$

Rct = 2 Ω、定格負担 = 15 VA (1 A で 15 Ω)の CT 定格 5P20 の場合：

• 5VA（5Ω）のオリジナル電気機械式リレーを使用した場合：ALF_effective=20×(2+15)/(2+5)=次のようになります。 48.6
• 0.1VA（0.1Ω）の新数値リレーを使用した場合：ALF_effective=20×(2+15)/(2+0.1)=となる。 161.9

旧リレーではALF 48.6で動作していたCTが、新リレーではALF 161.9で動作しています。これは、障害発生時の励磁曲線のニーポイントをはるかに上回り、CTの過渡挙動が予測不可能な領域であり、数値リレーのフーリエフィルターが正しく処理できない大きな歪みが二次波形に含まれている可能性があります。.

保護スキームのアップグレード時に最も危険なCT測定ミスとは？

保護システムのアップグレードにおけるCT測定のミスは、2つのカテゴリーに分類される。1つは設計段階における仕様のミスで、設置が始まる前に非互換性を生じさせるもの、もう1つはアップグレードの実行段階における試運転のミスで、正しく仕様されているはずのシステムにエラーを持ち込むものである。.

仕様の誤り1：新たな負担でALFを再評価せずに既存のCTを受け入れる

最も一般的で最も危険な仕様の間違い。保護エンジニアが新しいリレーを指定し、新しいリレーの設定を計算し、既存のCT比が変更されていないことに注意します。その後、新しいリレーの負荷で有効なALFを再計算することなく、既存のCTを受け入れます。.

その結果、CT は新しいリレーを使用した場合、古いリレーを使用した場合とは励磁特性上のポイントが大きく異なります。上記の低負荷数値リレーのケースでは、CT が故障状態中にニーポイントをはるかに超えて動作するため、二次電流波形が大きく歪み、数値リレーのフーリエフィルターが基本波形を正しく抽出できないような大きな DC オフセット成分や高調波成分を含む場合があります。リレーは動作しないか、誤ったタイミングで動作するか、基本周波数の故障電流ではなく歪んだ波形成分で動作します。.

仕様の誤り2：保護機能間のCTコアの不一致

中電圧 CT は通常、複数のコアを内蔵しています。保護機能と測定機能用に別々のコアを使用したり、異なる保護機能用に別々のコアを使用することもあります。保護スキームのアップグレード時には、CTコアを再割り当てするのが一般的です。例えば、以前は過電流保護専用だったコアを新しい差動保護機能に使用します。.

コアの再割り当ての間違い：差動保護では、保護される機器の両側に、同一の比率誤差と位相変位を持つ一致したCTコアが必要です。過電流保護用に最適化されたコア（より高い ALF と異なる励磁特性）を差動スキームの片側に使用し、もう片側に標準的な測定コアを使用すると、通常の負荷条件下で永久的な差動電流が発生し、リレーはこれを抑制するか、内部故障と誤認する必要があります。.

仕様の誤り3：アップグレード時にCTの残留履歴を無視する

故障履歴のある変電所で数年間使用されたCTは、コアに残留磁束を蓄積しています。残留磁束はCTのB-H曲線上の動作点をシフトさせ、磁化電流を増加させ、比誤差を増加させ、実効ALFを銘板値以下に低下させます。.

保護スキームのアップグレード中、既存の CT の残留磁束状態が評価されることはありません - リレー交換の標準試運転手順には CT の消磁と比率精度の検証が含まれていないためです。新しいリレーは、残留磁束の蓄積により銘板ALFの60～70%で動作している可能性のあるCTに対して試運転されます。この状態は、新しいリレーの保護アルゴリズムが期待するよりも早くCTを飽和させることになります。.

仕様上の誤り4：新規ケーブル配線時の二次負担計算の誤り

保護方式のアップグレードでは、スイッチギアに隣接したローカルパネルから遠隔の制御室にある集中保護パネルへ、あるいはパネルマウントリレーから端子位置の異なるラックマウントの数値リレーへと、保護リレーを移設することがよくあります。それぞれの移設は二次ケーブル長を変え、したがって二次回路抵抗を変え、これは二次負担の合計を変え、したがって実効ALFを変えます。.

比較結果の重大性によるCT測定ミス

ミスの種類	検出方法	発見されなかった場合の結果	重大性
ALFは新たな負担で再計算されない	励磁曲線解析	故障時の CT 飽和 - 保護機能故障	クリティカル
ディファレンシャルのためのコアの再配置	一次注射5 バランステスト	永久差動電流 - 誤作動	クリティカル
残存期間は未評価	レシオテスト＋消磁	効果的なALFの減少 - 操作の遅れ	高い
新しいケーブルの負担は再計算されない	二次的負担の測定	ALFの低減 - 低い故障電流での飽和	高い
アップグレード後に極性が再確認されない	一次注入極性テスト	方向リレーの故障 - 誤ったトリップ判定	クリティカル
タップ交換後のCT比が確認できない	比率測定	過電流/過電流設定エラー - ピックアップが正しくない	高い

顧客ケース - 北アフリカ、セメント工場、33kV高圧変電所のアップグレード：
あるセメント工場の保護エンジニアは、母線故障により33kV配電盤が壊滅的な損傷を受けた後、Bepto Electricに連絡しました。故障後の調査で、母線保護リレーが故障中に作動しなかったことが判明した。アップグレードプロジェクトでは、元の電気機械式過電流リレーを最新の数値バスバー保護リレーに交換していましたが、新しいリレーの負担0.08VAにおける既存のCTの実効ALFを再計算していませんでした。既存のCTは定格5P20、Rctは3Ωで、新しいリレーの負荷での実効ALFは187で、ニーポイントをはるかに超えていた。母線故障中、CTの二次波形は大きなDCオフセット成分で大きく歪み、数値リレーのフーリエフィルターでは動作時間内に処理できなかった。リレーは、内部ウォッチドッグタイマーが測定サイクルをリセットする前に、有効な基本周波数フェーズを抽出できませんでした。実際の二次負荷でALFが30に制御された、低負荷数値リレーアプリケーション用に指定されたユニットとCTを交換することで、保護障害は解決しました。保護エンジニアは次のように述べた： “「リレーを最新の技術にアップグレードしましたが、結局、交換した電気機械式リレーよりも保護性能が悪くなってしまいました。CTが問題だったのですが、比率が変わっていなかったため、CTに目を向けることはありませんでした”

中電圧保護システムのアップグレードにおけるCT仕様の正しい再評価方法とは？

保護スキームのアップグレードのための正しいCT再評価には、新しい保護スキームとの互換性が証明されるまで、既存のCTを検証されていないコンポーネントとして扱う、構造化された4ステップの手法が必要です。.

ステップ1：新しいリレー測定要件の定義

既存の CT を評価する前に、新しいリレーの CT インタフェース要件を十分に特徴付ける：

• 定格電流時の二次側負担： リレーの定格負担ではなく、CTの二次電流定格における実際の入力インピーダンスをリレーメーカーの技術仕様から入手する。最近の数値リレーは1Aで0.025～0.1VAを示し、定格負担として記載されている1～5VAではない。
• CT精度クラス必須： 新しいリレーがクラスP（5Pまたは10P）またはクラスPX（ニーポイント電圧および着磁電流で定義）のCTを必要とするかどうかを確認する - 最近の差動保護リレーおよび距離保護リレーの多くはクラスPXの要件を規定しており、既存のクラスP CTはこれを満たさない可能性があります。
• 過渡寸法係数（Ktd）： 過渡性能要件が指定されているリレーの場合は、リレー仕様から必要な Ktd を取得します。これは、故障電流の最初の数サイクルの間、正しいリレー動作に必要な最小 CT 過渡能力を定義するものです。
• 測定アルゴリズム： リレーが実効値測定、基本周波数位相抽出、ピーク検出のいずれを使用しているかを確認します。

ステップ2：新たな二次負担における実効ALFの再計算

アップグレードされた保護スキームの各既存 CT に対して有効 ALF 公式を適用する：

$ALF_{effective} = ALF_{rated}\(定格) = ALF_{定格}{R_{CT}}{R_{CT}}の倍数+ R_{burden,rated}}{R_{CT}R_{CT} + R_{burden,actual}}となります。$

どこでだ：

• $R_{burden,actual}。$ = リレー入力インピーダンス + 二次ケーブル抵抗（両導体） + 二次回路のその他の直列インピーダンス
• ALF_effective を新しいリレーの要求 ALF と比較する。ALF_effective が要求値を 3 倍以上上回る場合、故障状態中に CT が予測できない領域で動作する可能性がある。ALF_effective が要求値を下回る場合、リレーが正しい保護判定を行う前に CT が飽和する。

ステップ 3: 各保護機能の CT コア割り当ての確認

• 既存のCTコアを新しい保護機能にマッピングする： どの物理 CT コアがアップグレードされたスキームの各保護リレー入力に接続されているかを文書化する。
• コアの精度クラスが保護機能と一致していることを確認する： 保護リレー用の保護コア（5P、10P、クラス PX）、収益計測用の計測コア（クラス 0.5、クラス 1） - アップグレードされたスキームでは、保護機能に計測コアを使用しないこと。
• 差動CTコアのマッチングを確認する： 変圧器または母線の差動保護では、保護対象機器の両側の CT コアの比誤差および位相変位が一致していることを確認します。

ステップ4：CTのコンディションとリマネンスの状態を評価する

• 障害イベントの履歴を確認する： CT の一次電流が定格短時間電流の 50% を超えたすべての故障イベントを特定する。
• 励磁曲線試験を行う： 測定された励磁曲線を工場出荷時の試験証明書と比較する。ニーポイントのシフトまたはニーポイントでの着磁電流の増加は残留磁束の蓄積を確認する。
• 残留磁気が確認された場合は消磁を行う： レシオ精度検証の前に消磁してください - 残留磁気の影響を受けたCTのレシオテスト結果は、CTの真の精度クラスの性能を代表するものではありません。
• 消磁後にレシオ精度の検証を行う： アップグレードされた保護スキームに CT を受け入れる前に、比率誤差および位相変位が精度クラス限界内にあることを確認する。

アプリケーション・シナリオ

• 電気機械式から数値式への過電流リレーのアップグレード： 新しい中継負担で有効ALFを再計算する；ALF_effectiveが2～5×必要ALF以内であることを確認する；再電流履歴を評価する；一次注入極性の再確認を必須とする
• 既存の CT 設置への変圧器差動保護の追加： CTコアのクラスPX適合性の確認、差動回路バランス一次注入テストの実施、HVおよびLV CTペアの整合比エラーの確認
• 送電フィーダーの距離保護アップグレード： クラスPXのニーポイント電圧をリレー仕様と照合し、リモート・リレー・パネルへの新しいケーブル配線を含む二次負担を再計算し、Ktd準拠を確認する。
• バスバー保護追加： すべてのバスバー CT コアの特性が一致していることを確認する；スルーフォルト状態の安定係数を計算する；通電前に一次注入の安定性検証を必須とする

ライブ・プロテクション・スキームのアップグレードプロジェクトにおいて、安全なCT測定検証を実施するには？

安全なCT測定の検証ステップ

1. リレーを切断する前に CT の二次回路を短絡する： 既存のリレーから CT 二次回路を切り離す前に、CT 二次端子または試験端子台に短絡リンクを適用してください。
2. 負荷がかかった状態で短絡リンクの完全性を確認する： 短絡リンクを適用した後、クランプ電流計を使用して短絡リンクに二次電流が流れていることを確認する - 接続されているように見えるが、接触が緩んでいる短絡リンクは、潜在的な開回路の危険性がある。
3. リレーを接続する前に、比率と極性の検証を行ってください： 新しいリレーが取り付けられているが、まだ CT の二次回路に接続されていない状態で、一次注入比と極性の検証を行う - CT が新しいリレーに接続する前に、正しい方向に正しい二次電流を供給していることを確認する。
4. 新しいリレーを接続した状態で二次負担を確認する： 新しいリレーを接続した状態で二次回路の総負荷を測定し、CT定格負荷と比較し、有効ALFの計算が測定された負荷と一致していることを確認する。
5. 短絡リンクを取り外す前に、機能保護テストを実施してください： 新しいリレーを接続し、CT二次回路を完成させた状態で、リレーの二次注入機能テストを実施する - 一次回路短絡リンクを取り外し、サービスに戻る前に、正しい動作、正しいタイミング、正しい出力接点動作を確認する。

プロテクション・スキームのアップグレードで陥りがちな安全上のミス

• リレーの再接続が完了する前に CT の二次短絡リンクを取り外すこと： 最も危険な試運転ミス - 一次電流が流れている間に CT の二次側を短時間でも開回路にすると、開回路端子に高電圧の危険が生じます。
• CT の二次回路の導通を確認せずに二次注入テストを行うこと： 二次注入はリレーを分離してテストします - CT 二次回路の完全性に関する情報は提供しません。二次注入の合格結果は、一次注入の検証なしに CT 二次短絡リンクを取り外すことを許可しません。
• 保護方式アップグレード後の極性再検証の省略： 新しいケーブル、新しい端子台、新しいリレー端子の割り当てなど、CT の二次回路に変更を加えると、極性が反転する可能性があります。極性は、前回の試運転記録から想定するのではなく、保護スキームの変更ごとに一次注入で再検証する必要があります。
• 段階的故障試験を行わずに、アップグレードされた保護スキームに通電する： ネットワークの動作条件が許せば、段階的故障テスト（制御された条件下で保護回路に故意に故障状態を発生させる）は、実際の故障電流条件下での CT の性能を含む完全な保護スキームを検証する唯一の方法である。

結論

保護スキームのアップグレードは、リレーテストや標準的な試運転手順、銘板検査では見えないCT測定の非互換性を生じさせますが、変電所がアップグレード後に最初の実際の故障を経験したときに、保護システムが正しく動作しないことは完全に目に見えます。新しいリレーの負荷で有効なALFを再計算しなかったり、新しい保護機能に対するCTコアの割り当てを再評価しなかったり、長年の使用で蓄積されたCTの再マネンスを評価して修正しなかったり、二次回路の変更後に極性と比率の正確性を再検証しなかったりすることです。. 中電圧保護スキームのアップグレードでは、CTは再評価なしで以前のスキームから継承できる受動的なコンポーネントではありません。アップグレードされた保護スキームが変電所とそこで働く人員を保護するために信頼される前に、計算、テスト、および一次注入検証によって、新しいリレーとの互換性を証明しなければならない能動的な測定デバイスです。.

プロテクション・スキームのアップグレードにおけるCT測定の誤りに関するFAQ

1. 保護二次回路の全抵抗の詳細解析。. ↩

2. 故障時のCT性能を定義する技術的パラメータ。. ↩

3. 変流器の精度と性能に関する公式国際規格。. ↩

4. ディファレンシャルスキーム用CTコアのマッチングに関する総合ガイド。. ↩

5. 保護スキームの完全性を検証するための産業安全基準。. ↩