保護継電器とは？どんな仕組みでどんな種類があるのか？

変電所には、変圧器を保護するための保護継続器という装置が設置されていることがあります。第三種電気主任技術者試験では保護継電器に関する種類と内容が出題されることがありますが、この保護継電器は一体どんな役割で、どんな種類があるのかを紹介していきます。

保護継電器とは？役割や原理・仕組み:比率差動継電器とプッフホルツ継電器

まず、保護継電器とは、継電器の一種で、電流や電圧の急激な変化から電気回路を保護する役割をもつ装置のことをいいます。継電器とは、電気量や物理量などの条件に応じて電気信号を出力することで電気回路を制御します。保護継電器は継電器の中でも電力系統でその役割を発揮します。保護継電器は大きく、電気的な保護継電器と機械的な保護継電器に分類することができます。まずは、それぞれの役割についてを紹介します。

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電気的な保護継電器の役割と原理

比率差動継電器の原理・仕組み

電気的な保護継電器では、変圧器の内部故障の検出としては、故障によって一次側と二次側の電流の変化による差を検出する差動継電方式が用いられることが多いです。しかし、差動継電方式では、タップ切換時などに誤作動が起こす場合があるのです。それゆに、最近では差動継電方式に抑制コイルを付加して誤作動の防止を図る比率差動継電器が一般的に使用されるようになっています。比率差動継電器はまたの名を比率電流差動リレー方式とも言います。

比率差動継電器の原理は以下の電気回路のようになります。

比率差動継電器の電気回路

比率差動継電器は、変圧器の出入りする電流の差が一定以上になると動作する原理・仕組みとなっています。☝の図のように、変圧器の両端のCT二次側を差動接続にし、通常運転時はの二次側に流れる電流の大きさと位相は同じとなり、動作コイルに電流はながれません。比率差動継電器では、CTの特性差による不平衡電流や負荷時タップ切換による辺淳仁の変化によって生じる誤差電流が、変圧器事故でない場合にも動作コイルに流れる仕組みとなっています。

しかし、層間の短絡事故が発生した際には、には負荷電流だけでなく、短絡電流も流れるので、となり、動作コイルにその差分の電流であるが流れることによって保護継電器が動作します。ちなみに変圧器の内部事故のうちで最も発生しやすいのは、巻線の短絡、もしくは層間短絡ですので、保護継電器の役割は大きいものといえます。

変圧器比率差動継電器の特性は以下のようになります。

比率差動継電器の役割

比率差動継電器の特性としては、外部事故時において過大電流が変圧器を通過した場合に、大きな差電流が動作コイルに流れないと保護継電器は動作しません。通過電流が小さい場合においては差動流のみで動作するようにはなっています。つまり、比率差動継電器では、外部事故時に同じ比率で変化するので、外部事故検出では使用されません。一方、内部事故時においては入出力の電流比が一定で、そうでなければ内部短絡となるので、内部事故時に比率差動継電器は使用されます。

変圧器内部事故時に比率差動継電器を使用し、いち早く検出し、電力系統から切り離すことによって、大規模な変圧器事故に発展することを防ぐ役目があります。大電流領域においては、外部事故であっても誤差電流によって差電流が出やすくなっています。ですので、☝の図のように動作域を狭めています。このことは(各巻線の電流の和)×(抑制定数)を抑制力とし、変圧器の防爆特性との協調に直結しています。

電気的な保護継電器には、変圧器の過電流・地絡・過電圧を防ぐために、過電流継電器、過電圧継電器、地絡継電器が用いられています。

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機械的な保護継電器

機械的な保護継電器は、変圧器の内部事故を機械的に検出することができる継電器ですが、この機械的保護継電器には、プッフホルツ継電器、衝動圧力継電器、温度継電器があります。機械的保護継電器の中でも、プッフホルツ継電器は比較的昔から使用されている保護継電器です。プッフホルツ継電器は、内部故障時に発生する油分解やガス・上記の吸蔵、油流の急変を検出するのに役立っています。衝撃圧力継電器は、内部故障時に生じる油圧の急変を検出することができる保護継電器です。温度継電器は、過負荷などの原因で変圧器の温度が急上昇した際にその温度上昇を検出する役割を持っています。機械的保護継電器の中でもいくつか種類がありますが、それぞれの特徴と動作原理を押さえておくことが重要です。

プッフホルツ継電器の仕組み

プッフホルツ継電器は、変圧器本体とコンサベータとの間に取り付けられ、変圧器内部の故障の際に生じるガス、あるいは、絶縁油の油流を検出する保護継電器です。プッフホルツ継電器の仕組みは油入変圧器のタンク本体と別置形コンサベータを連結する管に取付られています。

プッフホルツ継電器は、経年劣化で油中より発生する分解ガスが徐々に溜まっていき、その圧力で押し下げられてマイクロスイッチと接触する軽故障用のフロートと、内部短絡による急激な油流により動作するフロートから構成されることが多く、変圧器内部の異常を機械的に検出することができる保護継電器です。プッフホルツ継電器のデメリットとしては、やはり変圧器内部故障によっては動作時間に遅れが生じたり、地震によって誤作動が生じてしまうといった点があります。

プッフホルツ継電器の仕組み構成

保護継電器の種類と動作原理

保護継電器には以上のように見てきた原理・仕組みで動作し、主に変圧器の内部事故を検出する役割を持っていることを紹介しましたが、保護継電器にはいくつか種類があり、それぞれに動作現地と役割が異なります。それぞれの保護継電器の動作現地や役割をまとめると、以下の表のようになります。

先ほどは、電気的な保護継電器の種類の一つ「比率差動継電器」、機械的な保護継電器の種類の一つ「プッフホルツ継電器」についてを紹介してきましたが、それ以外の保護継電器についてを見ていきましょう。

過電流継電器とは|保護継電器の種類(電気)

過電流継電器は、電線や電気機器への過負荷や短絡を防ぐ目的で使用される保護継電器の種類の一つです。過電流継電器の動作原理はまさしく、一定値以上の電流が流れたさいに動作します。過電流継電器に二つの形式があり、一つは誘導円板形、もう一つは静止形です。

誘導円板形にはさらに変圧器形とくま取り形の二つの種類があります。変圧器形はコイルに流れる電流が増加すると、円板は強い回転運動を行うために、一定値以上の回転を検知した際に、回路を遮断する原理・仕組みとなっています。くま取り形は、磁束の位相を遅らせることで発生する過電流が生み出す回転力によって制御する仕組み・原理となっています。

静止系の過電流継電器とは、電子回路の制御によって回路を遮断する保護継電器です。最近だと、誘導円板形は生産が中止されたので、静止系の過電流継電器が主流になりつつあります。静止系の過電流継電器は、電流引き外し方式、コンデンサー引き外し方式、電圧引き外し方式の三つから成り立ちます。静止形の過電流継電器の特徴は、振動・衝撃に強く動作が安定的という点です。

過電圧継電器とは|保護継電器の種類(電気)

過電圧継電器はその名のとおりに変圧器に一定値以上の電圧が発生した際に検出する保護継電器の種類の一つです。しばしば、過電圧継電器はOVRと表記されることがあります。過電圧継電器は負荷側の系統や機器を保護する役割や、コンデンサーを保護する役割をもっています。過電圧継電器には、不足電圧継電器(電路の電圧が予定地を下回る場合に動作し、停電や電圧低下を警告する)があったり、地絡過電圧継電器(配電線における地絡事故発生時の零相電圧を検出して動作)などの種類があります。

地絡継電器とは|保護継電器の種類(電気)

地絡継電器とは、変圧器の中性点に流れる電流を検出して動作する仕組みを持った保護継電器の種類の一つです。地絡は一般的には漏電と呼ばれていますが、その発生原因たる電路ケーブルや機器の絶縁劣化、絶縁破壊によるところがあります。そのよう原因を検出するのが地絡継電器の役割です。

地絡継電器には、方向性・無方向性があります。地絡方向継電器は大地と電路が接触した場合、事故電流を零相変流器と零相電圧検出装置を組み合わせて電路を解法する保護継電器です。地路方向継電器は、しばしばケーブルのこう長がある場合に使用されることがあります。

衝撃圧力継電器とは|保護継電器の種類(機械)

衝撃圧力継電器とは、内部故障時の油圧やガス圧の急変を機械的に検出する機械的な保護継電器の種類の一つです。衝撃圧力継電器には衝撃ガス圧継電器と、衝撃油圧継電器があります。

衝撃ガス圧継電器では、窒素密封形油劣化防止方式によって窒素ガス圧変化を検出する動作原理を持っています。一方、衝撃油圧継電器は、コンサベータ形油劣化防止方式によって油厚変化を検出する動作原理を有しています。正常に運転時の内圧の緩慢な変動に対しては、変圧器ガス内部、絶縁油室内部の継電器の圧力とは均圧孔を通して圧力が均等になるので、継電器は動作することはありません。しかし、内部短絡によってガス室内、絶縁油室内の圧力が急上昇した際には、ベローが伸長し、マイクロスイッチを動作させることで異常を検出する動作原理をもっているのです。

湿度継電器とは|保護継電器の種類(機械)

温度継電器とは、変圧器の過負荷時などによる温度上昇を検出する保護継電器の種類の一つです。温度継電器には外部調整方式という設定温度を外部調整ダイヤルなどによってセットできる方式や、フェイルセーフ機能が付いた液漏れを検出する方式があります。温度継電器には温度センサが組み込まれた継電器もあります。

ピトー継電器とは|保護継電器の種類(機械)

ピトー継電器は、タンク内部などの異常を検出。プッフホルツ継電器にピトー管を採用した保護継電器の種類の一つです。ピトー継電器はプッフホルツ継電器の仕組みとさほど変わりませんが、プッフホルツ継電器のデメリットであった地震発生時に誤作動してしまうという点を解決できることでしょう。ピトー継電器は正常時にベロー内外に圧力差が生じないので、コンサベータの油面変動や内部封入ガス圧の変動によって誤作動が発生しないといったメリットがあるのです。

放圧装置とは|保護継電器の種類(機械)

方厚装置は、 タンク内部の圧力上昇を検出する保護継電器の種類の一つです。放圧装置は、変圧器の内部短絡などによって発生するガス、油の糊料部分を外部に放出し、タンク内の圧力上昇を防ぐことで、タンクの変形は下位を防ぐ役割を持った保護継電器です。

まとめ

以上のように、変圧器の内部事故を防ぐ保護継電器について、その仕組み・原理、保護継電器の種類についてを紹介してきました。保護継電器は電力系統において必要不可欠な電気機器ということができますし、それぞれ保護継電器の用途ごとに動作原理や役割が変わってきます。