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電力系統|架空送電、地中送電、中性点接地、開閉サージ等の解説

電力系統、架空送電、地中送電、中性点接地、開閉サージ



電力系統 供給信頼度

電力不足確率

供給力<負荷の状態で、供給支障が起こす時間が平均して、今考えている時間のうち何%を占めるかを示す値

電力不足確率=考察期間中の総停電時間/考察期間中の総時間
上式は、 停電頻度×持続時間 を表す。

電力量不足確率

停電で失われた電力量の大きさ(kWh)が負荷の全消費電力(kWh)の何%を占めるか
電力量不足確率=停電で失われた負荷電力量/考察期間中の負荷電力量
上式は、 停電頻度×持続時間×停電電力 を表す。

 

500kV架空送電と275kV地中送電

500kV架空送電

(1)土地の有効利用

送電容量は、275kVの場合、長距離で100~150万kW
      500kVの場合、約二倍の300万kW以上

  • 送電線のルート数を半減
  • 土地の有効利用
  • 経済面で有利

(2)短絡容量の抑制

上位電圧採用により、275kV以下の系統を分割でき、短絡容量を抑制できる。
※電力系統上のある点の短絡容量が大きいと言う事は、 その点における電源側インピーダンスが小さいと言う事である。

次に短絡容量抑制対策の項目をあげる。

  • 高インピーダンス機器の採用
  • 限流リアクトルの採用
  • 系統分割方式または系統分離方式の採用
  • 上位電圧系統の導入による既設系統の分割
  • 直流による交流系統相互の連携

(3)供給信頼度の向上

  • 耐雷・耐塩設計などに万全を期し、雷害・塩害などの事故防止対策
  • 高速遮断、高速再閉路を採用しているため

275kV地中送電

都市部の電力需要増加に伴い、電力大容量が必要。方法は、高電圧化と許容電流の増加。

  1. 電圧が高いため、充電電流が大きく、線路こう長の制限、系統電圧の上昇、開閉サージの発生
  2. 誘電損が電圧の2乗に比例するため、送電容量への影響度合いおおきい
  3. 地絡電流が大きくなり、誘導障害、暗渠布設におけるアークによる引火防止の配慮

中性点接地

有効接地について

1線地絡故障時の健全相電圧が常規対地電圧の1.3倍を超えない範囲に中性点インピーダンスを抑える中性点接地のこと。
直接接地や低抵抗接地。

有効接地の条件

故障点からみた回路の正相リアクタンスX1に対して、零相回路の抵抗R0≦X1、零相リアクタンスX0≦3X1となるように中性点インピーダンスを選ぶ。

有効接地のメリット

避雷器の定格電圧、及び変圧器の絶縁を低下できる

補償リアクトル接地について

抵抗接地方式をケーブル系統に適用する場合、対地充電電流が大きく、事故電流の進み位相角が大きくなって、保護継電器の適用が難しいこと。フェランチ効果で健全相の電圧上昇が大きくなることなどから、充電電流補償用のリアクトルを設置し、保護継電器に流れる電流を有効電流のみにし、保護継電器の動作を確実化させる接地方式。

開閉サージ

開閉サージの倍率

  有効接地系
(1.3倍以下)
非有効接地系 非接地系
開閉サージの倍率 常規対地電圧の
2.8倍
常規対地電圧の
3.3倍
常規対地電圧の
4倍

(1)無負荷線路の充電電流遮断時

無負荷線路の充電電流は、電圧より90°進み。
電流0のとき遮断すると、1/2サイクル後に、線路と遮断器の間に波高値の2倍の電圧がかかり、絶縁耐力を超えると、再点弧を生じ、サージ電圧が発生する。

防止対策
  • 遮断器の遮断速度を高速にし、他力消弧方式(消弧力の強いACB、GCB)を採用
  • 系統構成として、並列回路を設ける(進み電流を分散)
  • 中性点直接接地、又は低インピーダンス接地採用
  • 無点弧の場合、常規対地電圧は2倍以下
  • 再点弧の場合、常規対地電圧は3~4倍

(2)故障電流遮断時のサージ

中性点がリアクトル接地系で、正相や逆相インピーダンスより、零相インピーダンスの方が大きい系統では、故障電流が電圧より90°遅れる。このため、遮断器で電流遮断すると、電源側電圧は、遮断直前の最大アーク電圧より電源電圧に転移し、このときの過渡振動によってサージが発生する。

防止対策
  • 抵抗接地に変更
  • 常規対地電圧は2倍以下

(3)無負荷変圧器の励磁電流遮断

他力消弧遮断器(消弧力の強いACB、GCB)で無負荷変圧器の励磁小電流を遮断すると、大きな電流変化率di/dtと無負荷変圧器の大きなインダクタンスLによって、
e=-Ldi/dtのサージ電圧が発生

防止対策
  1. 断路器で励磁電流遮断の可能性を検討の上、断路器で遮断する
  2. 変圧器と並列にコンデンサを設ける
  3. 変圧器側に避雷器を設置し、開閉エネルギーを吸収させる
    常規対地電圧は2.5~4倍以下

(4)高速度再閉路時のサージ

高速再閉路時、線路に多くの残留電荷があるため、再点弧に相当する投入サージが発生する。

防止対策
  1. 遮断器に抵抗投入式を採用
  2. 対地リアクトルを接地し、残留電荷を速やかに放電する。

(5)近距離線路故障遮断

発変電所の遮断器設置点から、数km以内における架空送電線の故障の場合、遮断直後、遮断器と故障点の間を往復伝搬する振動性ののこぎり歯状波形の急しゅんな過渡回復電圧(コンセントを抜いたときにでる火花と同じ)が発生し、遮断不能になる現象のこと。
特に、ACBの場合過酷となる。

防止対策
  • ACBの場合、遮断容量を短絡容量の1.5倍以上にする
  • 圧縮空気の空気圧をあげる
  • GCBに変更する
  • 遮断器の抵抗投入方式を採用する

電力系統のループ系統について

メリット

  • 供給信頼度の向上
    1ルート事故時でも、電力潮流を他のルートより供給可能。また、他系統からの融通電力も可能。
  • 供給予備力の節約
    同一の供給信頼度とすると電源や送変電設備を節約できる。
  • 設備利用率の向上、電力損失の軽減
    電力系統全体の設備利用率が向上するとともに電力損失を軽減できる
  • 電源の経済運用と系統安定度の向上
    電力系統の構成が強固となり、電圧保持や調整が容易となるとともに、電源の経済運用や系統の安定度向上を図ることができる。
  • 設備の有効利用と送電容量増加
    直列コンデンサや位相調整器により、潮流制御を行い、電力系統を最大限に利用できるとともに送電容量を増加させる。

デメリット

  • 事故の波及拡大
    局部的な事故がループ系統全体に波及拡大し、広範囲停電にいたる恐れ
  • 短絡・地絡電流の増大
    短絡・地絡電流が増大するため、直列機器の高インピーダンス化、直列リアクトルの設置、遮断器の大容量化、事故の高速遮断などの軽減対策必要
  • 保護継電器方式の複雑化
    線路乗数不平衡による、零相循環電流が常時還流する場合があるため、地絡事故などが発生したとき、保護継電器が誤動作や焼損する場合がある。零相循環電流を極力少なくするなどの対策が必要。
  • 潮流の常時監視や潮流制御の複雑化
    新規の電源や送電線などの系統構成の変化や、系統事故による潮流変化が著しく変化する場合があるので、事前検討や対応策が必要。

安定度向上対策

送電線系統側

  1. 次期最高電圧の採用と電力系統の新設・増設
  2. 送電線・変圧器のインピーダンス低減
  3. 直列コンデンサの設置
  4. 中間調相機(同期調相機、SVC)の設置
  5. 制動抵抗(SDR)・超伝導貯蔵装置の設置(SMES)
    故障時間のみ発電機の出力を一時的に消費させ、故障除去後は同装置を開放し、過渡安定度を向上させる
  6. 高速度継電器と高速度遮断器の採用

発電機側

  1.  超速応励磁
  2. タービン高速バルブ制御
  3. 発電機定数改善 
    ・はずみ車効果を大きくし、動揺変化を緩和し加速・減速変化を少なくする
    ・発電機の回転子に制動巻線を設けることにより、過渡リアクタンスが小さくなり同期化力が増す
    ・発電機の短絡比を大きくし、リアクタンスを小さくする

潮流制御について

潮流制御の必要性

電力潮流は、有効電力と無効電力に分けられる。

  1. 電力系統の安定運用(設備の過負荷防止、系統安定度の向上)
  2. 電力系統の電力損失の軽減
  3. 適正電圧の維持

調整方法

  1. 発電所の有効電力、無効電力の調整
  2. 発電所、変電所、送電線の接続変更
  3. 調相設備の無効電力の調整

ループ系統の潮流調整における検討事項

  1. ループ系統全体の送電容量を増加させる
  2. ループ系統全体の信頼度を向上させる
  3. ループ系統全体の電力損失を軽減させる

 

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