MV保護システム用計器用変圧器負担計算ガイド

はじめに

負荷計算は、中電圧保護システム設計において最も誤解されやすく、そして最も重大なエンジニアリング作業の 1 つです。CTまたはVTの二次回路に接続されたすべてのデバイスはインピーダンスを追加し、総負荷が変圧器の定格VAを超えると、精度が低下し、コアが飽和し、保護リレーは危険な誤動作を引き起こす可能性のある歪んだ信号を受信します。.

直接的な答え：計器用変圧器の負担とは、二次回路に課される総ボルト・アンペア負荷のことで、精度クラスへの適合と信頼性の高い故障検出を保証するためには、常に変圧器の定格負担内に収まっていなければなりません。.

MVスイッチギヤを指定する電気エンジニアやEPC請負業者にとって、負担を間違えることは些細な校正の問題ではなく、システムレベルの信頼性の失敗を招くことになります。このガイドでは、負担計算の方法、よくある落とし穴、および選択基準について説明し、CT および VT 設置が設計どおりに動作することを確認します。.

目次

• 計器用変圧器の負担とは何か？
• CTとVTの負担をステップ・バイ・ステップで計算するには？
• 負担はCTの精度クラスと保護性能にどのように影響するか？
• MVシステムで最もよくある負担計算の間違いとは？

計器用変圧器の負担とは何か？

負担とは、外部インピーダンスの総和である。 ボルトアンペア（VA） または オーム（Ω） - 計器用変圧器の二次端子に接続される。定格精度を維持しながら変圧器が駆動しなければならないすべての負荷の総和を表す。CTの場合、これには二次ループ内のすべての装置と導体が含まれます。VTの場合は、並列に接続されたすべての測定装置と保護装置が含まれます。.

負担を理解することは、負担の2つの表現方法を理解することから始まる：

• バージニア州の負担 定格二次電流または定格電圧において二次回路が消費する総見かけ電力
• インピーダンス負担（Ω）： 二次回路の全抵抗とリアクタンス。

1台あたりのCT負担を左右する主な技術的パラメータ IEC 61869-2¹:

• 定格負担： 指定された精度クラスを維持しながらCTが供給できる最大VA（例：15VA、30VA）
• 定格 二次電流²: 1Aまたは5Aの標準値 - 負荷インピーダンスは、この値の2乗に比例します。
• 精度クラス： 0.2、0.5（計量用）、5P、10P（保護用） - それぞれ負担範囲が規定されている。
• 負担の力率： 通常、保護クラスは0.8のラギング、抵抗負荷は1.0
• 定格精度リミットファクター(ALF³): 実際の負担に反比例 - 負担が減れば増える
• 断熱レベル 12kV/24kV/36kVクラス MVアプリケーション用
• 熱定格連続電流： ≥1.2× 定格一次電流
• 沿面距離： ≥標準的な屋内環境（IEC 60815）に対して25mm/kV以上

重要だが、見落とされがちな点だ： 負担はリレーだけでは解決しない. .二次ケーブル抵抗、端子接触抵抗、およびすべての直列接続されたデバイスの結合インピーダンスのすべてが寄与します。ケーブルの負担を無視することは、現場設置における精度クラス違反の最も一般的な原因です。.

CTとVTの負担をステップ・バイ・ステップで計算するには？

負担計算は構造化されたプロセスに従います。以下は、MV保護およびメーターCT回路に使用される完全な方法です。.

ステップ1：すべての二次回路デバイスをリストアップする

CTセカンダリループに接続されているすべてのデバイスを識別する：

• 保護リレー（距離、過電流、差動）
• エネルギー・メーターまたは電力品質アナライザー
• トランスデューサーまたはトランスミッター
• 電流計（該当する場合）
• インターポーズCT（該当する場合）

ステップ2：各デバイスのVAまたはインピーダンス定格の取得

各デバイスメーカーは、定格二次電流での負担定格を提供しています。すべての値を インピーダンス（Ω） を使っている：

$Z = \frac{VA}{I_s^2}.$

どこで $I_s$ は定格二次電流（1Aまたは5A）。.

例 - 5Aの二次回路：

装置	定格負担（VA）	インピーダンス (Ω)
距離保護リレー	1.0 VA	0.040 Ω
過電流リレー	0.5 VA	0.020 Ω
エネルギーメーター	1.5 VA	0.060 Ω
セカンダリーケーブル（30m×2本、2.5mm²)	—	0.432 Ω
端子接触抵抗	—	0.010 Ω
総負担	—	0.562 Ω

トータルインピーダンスをVAに戻す： $VA_{total} = Z_{total｝\I_s^2 = 0.562 ¶times 25 = 14.05 VA$

ステップ3：ケーブルの負担を計算する

ケーブル抵抗は次のように計算される：

$R_{cable} = ⅹfrac{2 ⅹL ⅹrho}{A}。$

どこでだ：

• $L$ = 一方向ケーブルの長さ（メートル）
• $ロー$= 銅の抵抗率$0.0172 ㎟ ㎟ ㎟ ㎟ mm^2/m$
• $A$ = ケーブル断面積 (mm²)

2.5mm²銅で片道30m： $R_{cable} = \frac{2 ╱30 ╱0.0172}{2.5｝= 0.413$

ステップ4：定格負担に対する検証

算出された総負担は、これを満たさなければならない： $VA_{actual}\レック VA_{rated}$

実際の負担が定格負担を上回る場合、選択肢には以下が含まれる：

• ケーブル断面を大きくする（抵抗負担を減らす）
• より高い定格負担のCTを指定する
• 直列接続機器の数を減らす
• 2次側を5Aから1Aに切り替え（ケーブル負担を25分の1に軽減）

ステップ5：有効なALFの検証

実際のALFは負荷によって変化する。IEC 61869-2 による関係は以下の通り：

$ALF_{実際} = ALF_{rated｝\ALF_{rated} = ALF_{rated} = ALF_{rated} = ALF_{rated} = ALF_{rated} = ALF_{rated} = ALF_{rated} = ALF_{rated} = ALF_{rated+ VA_{internal}}$

どこで $VA_{internal}$ はCT自身の内部巻線負担（データシートより）。このステップは 距離保護⁴ および差動保護アプリケーション。.

CTとVTの負担計算比較

パラメータ	CT負担の計算	VT負担の計算
回路トポロジー	シリーズループ	パラレル接続
負担表現	VAまたはΩ（直列インピーダンス）	VAまたはΩ（並列インピーダンス）
ケーブル・インパクト	高直列抵抗が直接加わる	低 - 並列負荷が支配的
二次規格	1Aまたは5A	100Vまたは110V
主要リスク	過剰負担によるコアの飽和	電圧降下と精度損失
統治基準	IEC 61869-2	IEC 61869-3

お客様のケース - 33kVフィーダー保護パネルにおける負荷の誤算：
北アフリカにあるEPC企業の調達マネージャーは、新しく導入された33kVのフィーダー保護システムで、エネルギー計測の精度に継続的なエラーが発生し、読み取り値が常に3～4%低くなっていたため、連絡を取りました。調査の結果、二次ケーブルが 45 メートル（当初の設計想定である 20 メートルよりも長い）敷設されており、0.62Ω の未計上の抵抗負担があることが判明しました。設置されたCTの定格は15VAでしたが、実際の負担は22VAに達し、CTを0.5精度クラスの範囲外に追いやりました。Beptoは仕様が一致する30VA定格の交換用CTを供給し、計測精度は0.2%以内に戻りました。.

負担はCTの精度クラスと保護性能にどのように影響するか？

負担と CT 性能の関係は線形ではなく、閾値効果です。定格負荷内では、CT はその精度クラスを維持します。定格重荷重を超えると、エラーは急速に増加し、故障条件下でもエラーは増加します、, コアの飽和⁵ は、ALFの仕様が想定しているよりも早く発生する。.

特に距離保護に関しては、これは作戦に直結する：

• 負担不足： 有効ALFの増加 - 一般的に有益だが、リレー入力インピーダンスを満たす必要がある。
• 定格負担で： CTは精度クラスの仕様通りに正確に動作
• 過負荷（110-150%定格）： コンポジットエラーがクラス制限を超える。
• 重度の過負荷（>150%レーティング）： 故障状態中にコアが飽和、保護リレーがクリップ波形を受信、インピーダンスの計算に失敗、距離リレーがゾーン 1 をトリップしない可能性がある。

負担レベル別保護信頼性への影響

負担レベル	計量精度	プロテクションCTの動作	距離リレーのレスポンス
<80%定格	クラス内	ALFの方が効果的に高い	信頼性の高いゾーン1トリップ
80-100% 定格	クラス内	仕様	信頼性の高いゾーン1トリップ
100-130% 定格	限界誤差	有効ALFの減少	ゾーン1遅延の可能性
>150% 定格	重大なエラー	早期飽和	誤操作リスク

プロテクション・クリティカルなアプリケーションへの実用的な推奨： 定格最大負荷の75-80%に設計, 将来的なリレーの追加やケーブルの配線変更で抵抗が増加してもマージンを確保できる。.

お客様のケース - 過大な負担に起因するプロテクションの誤操作：
東南アジアの電力会社から、22kV架空線距離リレーがゾーン1時間内に近接故障を除去できず、ゾーン2（400ms遅延）にデフォルト設定されているとの報告があった。詳細な試運転分析により、CTの二次回路には3つのリレー、変換器、38メートルのケーブルが含まれており、15VA定格のCTに対して合計28VAの負荷がかかっていることが判明しました。CTは定格電流の約8倍で飽和しており、5P20仕様の定格負荷時の20倍の能力を大きく下回っていた。Bepto 5P20 30VA CTと交換することで、ゾーン1のタイミングの問題は完全に解決しました。.

MVシステムで最もよくある負担計算の間違いとは？

設置および試運転チェックリスト

1. 実際のケーブルの長さを測る - 設計図面の見積りを負担計算に使用しない
2. 導体抵抗の測定 通電前に低抵抗オーム計で測定する。
3. 各リレーの実際の入力負担を確認する メーカーのデータシートより - カタログ概要ではない
4. 定格二次電流での総負荷を計算する CT VA定格を指定する前に
5. 二次注入テストの実施 試運転時にCT比、極性、精度を確認する。
6. 建設時の負担を文書化 今後のメンテナンスの参考に

信頼性を損なうよくある間違い

• ケーブルの負担を無視 5Aの二次回路では、30mのケーブルが8-15VAになり、リレーの負担を超えることがよくあります。
• 1Aと5Aのデバイスを混在させる： 5A定格のリレーを1AのCTセカンダリに接続すると、深刻な過負荷が発生し、リレーが損傷する可能性がある。
• リレーの負担がトータルの負担に等しいと仮定した場合： メーター、変換器、端子抵抗を忘れることは非常に多い
• 負担変更後にALFを再計算しない： システムのアップグレード中に、有効なALFを再確認せずにリレーを追加することは、隠れた保護リスクである。
• CTのVT負担計算法を使用： 直列トポロジーと並列トポロジー - 計算方法は根本的に異なる
• 温度の影響を無視している： 銅抵抗は1°Cにつき約0.4%増加 - 高温環境下での設置では、60°Cでのケーブルの負担は20°Cの場合よりも測定可能なほど大きくなります。

結論

正確な負担計算は、オプションのエンジニアリングの改良ではなく、中電圧配電における計器用変圧器の精度クラスへの準拠と保護システムの信頼性のための基本要件です。. 核心的な要点：ケーブル抵抗を含む二次負荷の合計を常に計算し、保護アプリケーションに有効な ALF を検証し、信頼性の高い故障検出を維持するために定格 CT 負荷の最大 75-80% に設計する。. Bepto Electricでは、当社が供給するすべてのCTに完全なデータシートの負担仕様と内部巻線抵抗値が含まれており、お客様のエンジニアリングチームが初日から正確な負担計算を行うために必要なすべてを提供します。.

計器用変圧器の負担計算に関するFAQ

1. 変流器に関する国際規格の詳細はこちら ↩

2. 二次出力レベルの選択がシステム負担にどのような影響を与えるかを理解する ↩

3. 飽和限界が保護トランスの精度にどのような影響を与えるかを特定する。 ↩

4. 計算されたインピーダンスが配電線の故障箇所を特定する方法を探る ↩

5. トランスコアの磁気的制限による信号歪みの防止 ↩