中性点接地方式と地絡

電力-17　発電・変電・送配電・電気材料

中性点接地
非接地方式
直接接地方式
抵抗接地方式
消弧リアクトル接地方式
地絡電流
異常電圧

はじめに

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「電線が地面に触れたら、どれくらいの電流が流れるの？」

台風の日に、電柱から垂れ下がった電線のニュースを見ることがあります。電線が切れて地面に落ちたり、木の枝を伝って大地とつながったりすると、電気が大地へ流れ出します。

前回学んだ短絡事故は、電線どうしがつながる事故でした。一方で、電線と大地がつながる事故もあり、実は送配電線で最も多い事故はこちらです。このとき流れる電流が大きいのか小さいのか、健全な電線の電圧がどうなるのかは、場所によってまったく違います。

実は、その違いを決めているのは、変圧器の「中性点」を大地にどうつないでいるかです。じかにつなぐのか、抵抗やコイルをはさむのか、それともつながないのか。この選び方で、事故のときのふるまいが大きく変わります。

そこで登場するのが、今回の主役 中性点接地 です。電力系統の中性点を大地につなぐ方法と、その方式ごとの長所と短所を学びます。

前回の記事では、短絡電流をパーセントインピーダンスで計算する方法を学びました。今回の記事では、中性点接地のしくみと4つの方式、そして地絡事故のときの電流と電圧について解説します。

中性点接地：中性点を大地につなぐわけ

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はじめに、中性点接地について紹介します。

三相の変圧器や発電機の巻線を Y 形につなぐと、3つの巻線が1点に集まります。この点を 中性点 と呼びます。三相の電圧がつり合っていれば、中性点の電位はちょうど真ん中にあり、ふだんは中性点に電流が流れません。

この中性点を、大地につなぐことを 中性点接地 と呼びます。そして、電線が大地とつながってしまう事故を地絡と呼び、そのときに大地を通って流れる電流を 地絡電流 と呼びます。

なぜ、わざわざ中性点を大地につなぐのでしょうか？理由は大きく3つあります。

【中性点を接地する目的】

地絡のときに、健全な電線の電圧が大きく上がるのを防ぐ
地絡電流を確実に流し、保護継電器で事故を見つけやすくする
電圧の上がり方が小さくなるので、電線や機器の絶縁を軽くできる

船にたとえると分かりやすいです。港の船は、ロープで岸につないでおかないと、波に揺られて流されてしまいます。中性点接地は、電力系統という船を、大地という岸にロープでつないでおくようなものです。ロープがあれば、事故で揺さぶられても、電圧がどこかへ流されずに済みます。

一方で、ロープを太く短くするほど、地絡のときに流れる電流は大きくなります。大きな地絡電流は、近くの通信線に雑音を入れる 電磁誘導障害 の原因になり、機器にも負担をかけます。つまり、「電圧を抑えたい」と「電流を抑えたい」は、引っ張り合う関係にあります。

例えば、電柱の高圧配電線は、多くの家のすぐそばを通ります。ここでは、事故のときの電流を小さく抑えることが大切です。一方、山の中を通る超高圧の送電線では、電圧の上昇を抑えて、絶縁を軽くすることが大切です。こうした事情に合わせて、中性点の接地のしかたを選びます。

このように、中性点接地は、地絡のときの電圧の上昇を抑え、事故を見つけやすくするための方法で、電圧と電流のどちらを優先するかで方式を選びます。

以上が、中性点接地についてです。

中性点接地方式の種類：4つの方式

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次に、中性点接地方式の種類について紹介します。

中性点と大地の間に「何をはさむか」で、方式は4つに分かれます。何もつながない、じかにつなぐ、抵抗をはさむ、コイルをはさむ、の4つです。1つずつ見ていきましょう。

1. 非接地方式

非接地方式 は、中性点を大地につながない方式です。地絡しても、大地を通って電源に戻る道は、電線と大地の間の静電容量しかありません。そのため、地絡電流はとても小さくなります。

日本の 6.6kV の高圧配電線は、主にこの方式です。地絡電流が小さいので、通信線への影響が小さく、人や物への危険も小さく抑えられます。

その代わり、地絡すると健全な2本の電線の対地電圧が大きく上がります。また、地絡電流が小さいので、事故を見つけにくくなります。

2. 直接接地方式

直接接地方式 は、中性点を抵抗などをはさまずに、じかに大地につなぐ方式です。日本では、187kV 以上の超高圧の送電線で使われます。

地絡のときに健全な電線の電圧がほとんど上がらないので、電線や変圧器の絶縁を軽くできます。電圧が高い系統ほど、絶縁を軽くできる効果は大きくなります。また、地絡電流が大きいので、保護継電器で確実に、すばやく事故を見つけられます。

その代わり、地絡電流がとても大きくなるので、電磁誘導障害が大きく、機器への負担も大きくなります。

3. 抵抗接地方式

抵抗接地方式 は、中性点と大地の間に抵抗をはさむ方式です。日本では、22kV〜154kV の送電線で多く使われます。

抵抗の大きさで、地絡電流をちょうどよい大きさに調整できます。地絡電流を抑えて電磁誘導障害を小さくしつつ、保護継電器が動けるだけの電流は確保します。非接地方式と直接接地方式の中間の性質を持つ方式です。

4. 消弧リアクトル接地方式

消弧リアクトル接地方式 は、中性点と大地の間にコイル（リアクトル）をはさむ方式です。コイルの大きさを、電線と大地の間の静電容量とちょうど打ち消し合うように選びます。

すると、地絡点を流れる電流がほぼ 0 になります。地絡点で起きたアーク（火花）が自然に消えるので、一時的な地絡なら、送電を止めずに済みます。「消弧」は「アークを消す」という意味です。その代わり、線路の長さが変わるたびにコイルの大きさを合わせる必要があり、設備も高価になります。

【4つの方式の比較】

方式	中性点と大地の間	地絡電流	健全相の電圧の上昇
非接地方式	つながない	小さい	大きい
直接接地方式	じかにつなぐ	非常に大きい	小さい
抵抗接地方式	抵抗	中くらい	中くらい
消弧リアクトル接地方式	リアクトル	ほぼ 0	大きい

試験のポイント：「直接接地方式は、地絡電流が大きく、健全相の電圧上昇が小さい」「非接地方式は、その逆」という対比がよく問われます。電磁誘導障害が最も大きいのは直接接地方式です。

このように、中性点接地方式は、何もつながない・じかにつなぐ・抵抗をはさむ・リアクトルをはさむ、の4つで、地絡電流と電圧の上昇のバランスが方式ごとに違います。

以上が、中性点接地方式の種類についてです。

地絡電流と異常電圧：非接地方式で計算する

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最後に、地絡電流と異常電圧について紹介します。

試験でよく出るのは、非接地方式の高圧配電線で、1本の電線が完全に地絡したときの計算です。地絡電流の大きさと、健全な電線の電圧の上がり方を、順に見ていきましょう。

1. 完全地絡の地絡電流

電線と大地の間には、目に見えないコンデンサがあると考えます。1本の電線あたりの対地静電容量を $C$ とします。

a 相の電線が、抵抗なしで大地とつながったとします（完全地絡）。すると、a 相の電位は大地と同じ 0 になります。残りの b 相・c 相の対地電圧は、a 相との間の電圧、つまり線間電圧まで上がります。この2相の静電容量を通る電流が合わさって、地絡点に流れ込みます。

計算すると、地絡電流は次の式になります。

I_g = 3\omega C E = \sqrt{3}\, \omega C V

記号の意味は、 $I_g$ が地絡電流［A］、 $\omega = 2\pi f$ が角周波数［rad/s］、 $C$ が1線あたりの対地静電容量［F］、 $E$ が相電圧［V］、 $V$ が線間電圧［V］です。言葉で言うと、「3本ぶんの静電容量に、相電圧をかけたときの電流」です。

蛇口が3つ並んだ水道にたとえると、3つの蛇口から少しずつ漏れる水が、地絡点という1つの排水口に集まってくるイメージです。

例題：6.6kV 配電線の地絡電流

線間電圧 6.6kV、周波数 50Hz の非接地方式の配電線があります。1線あたりの対地静電容量は 1μF です。1線が完全地絡したときの地絡電流は、約何 A でしょうか？

【解き方】

単位をそろえる： 6.6kV = 6600V、1μF = $1 \times 10^{-6}$ F
角周波数を求める： $\omega = 2\pi \times 50 \fallingdotseq 314.2$ rad/s
式に入れる： $I_g = \sqrt{3} \times 314.2 \times 1 \times 10^{-6} \times 6600 \fallingdotseq 3.59$ A

答えは約 3.6A です。相電圧 $E = 6600 \div \sqrt{3} \fallingdotseq 3810.5$ V を使って $3\omega CE$ で計算しても、同じ答えになります。

2. 地絡抵抗があるとき

実際の地絡では、木の枝などを通って、抵抗をはさんで大地とつながることもあります。この抵抗を 地絡抵抗 $R_g$ と呼びます。地絡点から見ると、相電圧 $E$ の電源に、 $R_g$ と、3本ぶんの静電容量のリアクタンス $\dfrac{1}{3\omega C}$ が直列につながった形になります。

I_g = \frac{E}{\sqrt{R_g^2 + \left(\dfrac{1}{3\omega C}\right)^2}}

例えば、先ほどの例題と同じ配電線で、地絡抵抗が 1000Ω のとき、 $\dfrac{1}{3\omega C} \fallingdotseq 1061$ Ω なので、 $I_g = 3810.5 \div \sqrt{1000^2 + 1061^2} \fallingdotseq 2.61$ A です。抵抗があると、地絡電流は完全地絡のときより小さくなります。

3. 消弧リアクトルの大きさ

消弧リアクトル接地方式では、リアクトルの電流が、静電容量を通る電流をちょうど打ち消すように選びます。条件は、リアクトルのリアクタンス $\omega L$ が、3本ぶんの静電容量のリアクタンスと等しいことです。

\omega L = \frac{1}{3\omega C}

計算の練習として、先ほどの例題と同じ数値で求めると、 $\omega L$ を約 1061Ω にすればよく、 $L = 1061 \div 314.2 \fallingdotseq 3.38$ H です。

4. 異常電圧

完全地絡では、健全な2相の対地電圧が、相電圧から線間電圧まで、 $\sqrt{3}$ 倍に上がります。6.6kV の配電線なら、ふだん約 3810V の対地電圧が 6600V になります。このように、ふだんより高くなる電圧を 異常電圧 と呼びます。

さらに、非接地方式では、地絡点のアークが消えたりついたりをくり返すと（間欠アーク地絡）、相電圧の数倍もの異常電圧が出ることがあります。直接接地方式や抵抗接地方式は、この異常電圧を抑えるのが得意です。

試験のポイント：非接地方式の完全地絡では、地絡電流 $I_g = 3\omega CE$ 、健全相の対地電圧は $\sqrt{3}$ 倍です。 $C$ は1線あたりの値なので、3を掛け忘れないようにしましょう。

このように、非接地方式の地絡電流は対地静電容量で決まり、健全相の電圧は $\sqrt{3}$ 倍に上がるため、異常電圧に備える必要があります。

以上が、地絡電流と異常電圧についてです。

今回のまとめ

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、中性点の接地のしかたと、地絡事故のときの電流と電圧について紹介しました。中性点を大地にしっかりつなぐほど電圧の上昇は抑えられ、ゆるくつなぐほど地絡電流は小さくなります。系統の電圧や場所に合わせて、このバランスを選んでいます。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

中性点接地の目的は、地絡のときの異常電圧を抑え、事故を見つけやすくし、絶縁を軽くすること。
方式は、非接地・直接接地・抵抗接地・消弧リアクトル接地の4つ。
直接接地は地絡電流が大きく電圧上昇が小さい。非接地はその逆。
非接地方式の完全地絡では $I_g = 3\omega CE = \sqrt{3}\omega CV$ 。健全相の対地電圧は $\sqrt{3}$ 倍。
消弧リアクトルは $\omega L = 1/(3\omega C)$ に選び、地絡電流をほぼ 0 にする。

キーワードのおさらい

中性点接地: Y 結線の中性点を大地につなぐこと
非接地方式: 中性点を接地しない方式。地絡電流が小さい。6.6kV 配電線で使う
直接接地方式: 中性点をじかに接地する方式。電圧上昇が小さく、地絡電流が大きい。187kV 以上で使う
抵抗接地方式: 中性点を抵抗を通して接地する方式。両者の中間
消弧リアクトル接地方式: 静電容量と打ち消し合うリアクトルで接地し、アークを消す方式
地絡電流: 電線が大地とつながったとき、大地を通って流れる電流
異常電圧: 地絡などで、ふだんより高くなる電圧

以上が、今回のまとめです。

さて、ここまでは発電所から変電所まで、電気を大量に運ぶ送電の話が中心でした。では、変電所を出た電気は、どのようにして私たちの家や工場まで届けられるのでしょうか？

次回は、家や工場まで電気を届ける配電の方式と設備について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。

練習問題5問開いて挑戦する

問1. 線間電圧6.6kV、周波数60Hzの非接地方式の配電線で、1線あたりの対地静電容量が2μFである。1線が完全地絡したときの地絡電流として最も近いものはどれか。

問2. 直接接地方式の特徴として、誤っているものはどれか。

問3. 非接地方式の三相3線式配電線で1線が完全地絡したとき、健全な2相の対地電圧はふだんの何倍になるか。正しいものはどれか。

問4. 消弧リアクトル接地方式の説明として、正しいものはどれか。

問5. 相電圧が4000Vの非接地方式の配電線で、対地静電容量による3本ぶんのリアクタンスが3000Ωである。地絡抵抗4000Ωを通して1線が地絡したときの地絡電流として正しいものはどれか。

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