電験三種 学習ノート

はじめに

送電線に雷が落ちても、停電が広がらないのはなぜか

家のブレーカーと違い、大きな遮断器には目と頭が要る

電流や電圧を見張り、異常なら遮断器に切れと合図する

事故の場所だけを切り離し、ほかは送電を続ける

役割から比率差動・再閉路まで、順に学んでいく

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「送電線に雷が落ちたら、その電気はどうなるの？ 停電が広がらないのはなぜ？」

前回の記事では、変圧器・遮断器・断路器など、変電所の設備について学びました。遮断器は、事故のときに流れる大きな電流も切ることができる、頼もしい開閉器でした。

ところが、遮断器は自分で「今が事故だ」と判断することはできません。家の分電盤のブレーカーは、電流が大きすぎると自分で切れますが、変電所の大きな遮断器には、別の「目」と「頭」が必要です。

実は、送電線や変圧器のあちこちには、電流や電圧を休みなく見張り、異常を見つけると一瞬で遮断器に「切れ」と合図する装置が取り付けられています。しかも、事故の起きた場所だけを切り離し、ほかの場所の送電はそのまま続けるように、うまく役割を分けています。

そこで登場するのが、今回の主役 保護継電器 です。

今回の記事では、保護継電器の役割と、過電流継電器・地絡継電器・距離継電器・比率差動継電器のしくみ、そして事故のあとに自動で送電を再開する再閉路について解説します。

保護継電器の役割：事故を見つけて切り離す

保護継電器は、事故を見つけて遮断器に引き外しの信号を送る

変流器と計器用変圧器で小さくした値を受け取って判断する

変流器・計器用変圧器から保護継電器、遮断器へと伝わる

CT・VTは目、保護継電器は頭、遮断器は手の役割

求められるのは、選択性・迅速性・信頼性の3つ

主保護が真っ先に切り、後備保護が少し遅れて備える

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はじめに、保護継電器の役割について紹介します。

保護継電器 は、電力系統の電流や電圧を見張り、事故などの異常を見つけると、遮断器に引き外しの信号を送る装置です。リレーとも呼ばれます。

保護継電器は、高い電圧や大きな電流を直接は扱いません。前回学んだ変流器（CT）と計器用変圧器（VT）で小さく変えた電流・電圧を受け取って判断します。

【事故を切り離すまでの流れ】

1. 変流器・計器用変圧器： 系統の電流・電圧を小さな値に変えて、保護継電器へ送る
2. 保護継電器： 受け取った値から事故かどうかを判断し、事故なら遮断器へ信号を送る
3. 遮断器： 信号を受けて開き、事故の起きた部分を系統から切り離す

人の体にたとえると、変流器と計器用変圧器は「目」、保護継電器は「頭」、遮断器は「手」です。目で見て、頭で判断し、手で切る、という役割分担です。

保護継電器に求められる大切な性質は、次の 3 つです。

【保護継電器に求められる性質】

• 選択性： 事故の起きた区間だけを、最小の範囲で切り離す
• 迅速性： 機器が傷む前に、できるだけ速く切り離す
• 信頼性： 事故のときは確実に動き、事故でないときは動かない

また、保護は二重に備えます。事故の区間を真っ先に切り離す役を 主保護、主保護や遮断器がうまく動かなかったときに少し遅れて切り離す役を 後備保護 と呼びます。ゴールキーパーの後ろに、もう 1 人守りがいるイメージです。

試験のポイント：保護継電器は、変流器・計器用変圧器から受け取った値で判断し、遮断器に引き外しの信号を送ります。自分で電流を切るわけではありません。

このように、保護継電器は系統を見張る「頭」で、事故を見つけると遮断器に信号を送り、事故の区間だけを素早く切り離します。

以上が、保護継電器の役割についてです。

過電流継電器と地絡継電器：電流の大きさで見張る

過電流継電器は、電流が決めた値を超えると動作する

反限時特性。電流が大きいほど短い時間で動作する

熱いお湯ほど、手をすぐに引っ込めるのと似ている

動作電流を決めるタップと、動作時間を決めるタイムレバー

タップ4Aなら一次240Aで動作。3,600Aはタップの15倍

上流ほど動作時間を長くし、事故点に近い下流が先に動く

地絡で大地へ漏れると、3本の電流の和が0にならない

漏電遮断器と同じく、行きと帰りの差で漏れを見つける

中性点を接地しない系統では、零相電圧も使い方向を判断

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次に、過電流継電器と地絡継電器について紹介します。

1. 過電流継電器

過電流継電器 は、流れる電流が決めておいた値を超えたときに動作する継電器です。短絡事故や、使いすぎ（過負荷）を見つけるのに使います。最もよく使われる、基本の継電器です。

多くの過電流継電器は、電流が大きいほど短い時間で動作する性質を持っています。この性質を 反限時特性 と呼びます。少し大きい電流なら様子を見て、とても大きな電流ならすぐに切る、というふるまいです。熱いお湯ほど、手をすぐに引っ込めるのと似ています。

過電流継電器には、2 つの整定（設定）があります。動作を始める電流を決める タップ（電流整定）と、動作するまでの時間を決める タイムレバー（時限整定）です。

例題：過電流継電器の動作電流

変流比 300/5A の変流器につないだ過電流継電器のタップを 4A に設定した。一次側の電流が何 A を超えると、継電器が動作を始めるか。また、一次側に 3,600A の短絡電流が流れたとき、継電器に流れる電流はタップの何倍か。

【解き方】

1. 変流比を求める： 300 ÷ 5 = 60
2. 動作を始める一次側の電流を求める： 4 × 60 = 240A
3. 短絡電流を二次側に直す： 3,600 ÷ 60 = 60A
4. タップの何倍かを求める： 60 ÷ 4 = 15 倍

答えは、240A を超えると動作を始め、短絡電流はタップの 15 倍です。反限時特性では、この倍数が大きいほど動作時間が短くなります。

電源に近い上流の継電器ほど、動作時間を長めに設定します。事故点に近い下流の継電器が先に動けば、切り離す範囲が最小で済むからです。これを 時限協調 と呼びます。

2. 地絡継電器

地絡継電器 は、電線が大地とつながってしまう事故（地絡事故）を見つける継電器です。

ふだんは、3 本の電線の電流を足し合わせると、ちょうど 0 になります。ところが地絡事故が起きると、電流の一部が大地へ漏れ、足し合わせた値が 0 になりません。この足し合わせた電流を零相電流と呼び、零相変流器（ZCT）で取り出して、地絡継電器で判断します。

家の漏電遮断器と同じ考え方です。行きの電流と帰りの電流を見比べ、差があれば「どこかで漏れている」と判断します。

6.6kV の配電線のように中性点を接地しない系統では、地絡電流がとても小さくなります。そこで、零相電流に加えて、地絡で生じる電圧（零相電圧）も使い、事故がどちらの方向にあるかを判断する 地絡方向継電器 が使われます。くわしくは、中性点接地方式の記事で学びます。

このように、過電流継電器は電流が大きすぎるときに、地絡継電器は大地へ漏れる電流を零相変流器で見つけて動作します。

以上が、過電流継電器と地絡継電器についてです。

距離継電器：事故点までの距離で見張る

電圧と電流からインピーダンスを求め、事故点までの距離を知る

事故点が近いほどZは小さく、遠いほど大きい

山びこが返るまでの時間で、山までの距離が分かるのと同じ

第1段は80〜90%をすぐ、第2段・第3段は遅れて動作

誤差で隣の区間の事故と取り違えないよう、100%にしない

一次側10Ωを二次側から見ると、10×120÷600で2Ω

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続いて、距離継電器について紹介します。

1. しくみ

距離継電器 は、電圧と電流からインピーダンスを計算し、その値が設定した値より小さいときに動作する継電器です。主に送電線の保護に使われます。

送電線のインピーダンスは、長さに比例します。事故が起きると、継電器から見た電圧と電流の比 $V/I$ は、ほぼ継電器から事故点までの送電線のインピーダンスになります。つまり、インピーダンスを測れば、事故点までの「距離」が分かるのです。

$$Z = \frac{V}{I}$$

$Z$ が継電器から見たインピーダンス［Ω］、$V$ が電圧［V］、$I$ が電流［A］です。事故点が近いほど $Z$ は小さく、遠いほど大きくなります。

山びこにたとえると分かりやすいです。声が返ってくるまでの時間で、山までの距離が分かります。距離継電器は、電圧と電流の比で、事故点までの距離を測っています。

2. 保護区間を段に分ける

距離継電器は、保護する範囲を段に分けて、それぞれ動作時間を変えます。

【距離継電器の段】

• 第 1 段： 自分の送電線の 80〜90％ ほどまでを受け持ち、すぐに動作する
• 第 2 段： 自分の送電線の残りと、隣の区間の一部までを受け持ち、少し遅れて動作する
• 第 3 段： さらに先までを受け持ち、さらに遅れて動作する（後備保護）

第 1 段を 100％ にしないのは、測る値に誤差があるからです。隣の区間の事故を、自分の区間の事故と取り違えて、すぐに切ってしまわないようにしています。

例題：距離継電器から見たインピーダンス

1km あたりのインピーダンスが 0.5Ω の送電線で、継電器から 20km の地点で短絡事故が起きた。変流比 600/5A、変圧比 66,000/110V のとき、継電器（二次側）から見たインピーダンスは何 Ω か。

【解き方】

1. 一次側のインピーダンスを求める： 0.5 × 20 = 10Ω
2. 変流比と変圧比を求める： 600 ÷ 5 = 120、66,000 ÷ 110 = 600
3. 二次側に直す： 二次側の電圧は一次の 600 分の 1、電流は 120 分の 1 なので、$Z_2 = 10 \times 120 \div 600 = 2$ Ω

答えは 2Ω です。

$$Z_2 = Z_1 \times \frac{\text{変流比}}{\text{変圧比}}$$

言葉で言うと、「一次側のインピーダンス × 変流比 ÷ 変圧比」です。変流比と変圧比を逆にしないよう注意しましょう。

このように、距離継電器は電圧と電流の比で事故点までのインピーダンスを測り、保護区間を段に分けて、近い事故ほど速く切り離します。

以上が、距離継電器についてです。

比率差動継電器と再閉路：入口と出口を見比べる、もう一度送る

機器に入る電流と出る電流を見比べる。異常がなければ差は0

内部で事故が起きると、入る電流と出る電流に差が出る

改札で入口と出口の人数が合わなければ、中で何かが起きた

差電流が通り抜ける電流の一定の比率を超えたときだけ動作

(A)は比率120%で動作し、(B)は8.3%で動作しない

励磁突入電流は第2調波で見分け、動作を抑える

一時的な事故なら、少し待って遮断器を自動で閉じる

ブレーカーを上げ直すのと同じ。事故が続けばまた開く

架空送電線は1秒前後で再閉路。地中ケーブルはふつうしない

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最後に、比率差動継電器と再閉路について紹介します。

1. 比率差動継電器

比率差動継電器 は、変圧器や発電機などの機器に流れ込む電流と、流れ出る電流を見比べて、機器の内部の事故を見つける継電器です。

機器に異常がなければ、入る電流と出る電流は（変流器で同じ大きさにそろえると）等しく、差は 0 です。機器の内部で事故が起きると、電流の一部が事故点へ流れ込み、入る電流と出る電流に差が出ます。この差（差電流）で事故を見つけます。

改札にたとえると、入口と出口の人数を数えて、合わなければ「中で何かが起きた」と判断するようなものです。

ただし、変流器にはわずかな誤差があります。外部で大きな事故が起きて大きな電流が通り抜けると、誤差による差電流も大きくなり、内部の事故と取り違えるおそれがあります。そこで、差電流が「通り抜ける電流に対して一定の比率」を超えたときだけ動作するようにしています。これが「比率」差動と呼ばれる理由です。

例題：比率差動継電器が動作するか

比率差動継電器の動作比率を 30％ とし、比率は「差電流 ÷ 入る電流と出る電流の平均」で求めるものとする。（変流器の二次側の値で）次の 2 つの場合に、継電器は動作するか。

（A）入る電流 4.0A、出る電流 1.0A （B）入る電流 10.0A、出る電流 9.2A

【解き方】

1. （A）の差電流は 4.0 − 1.0 = 3.0A、平均は 2.5A なので、比率は 3.0 ÷ 2.5 = 120％
2. 120％ は 30％ を超えるので、（A）は動作する（内部事故）
3. （B）の差電流は 10.0 − 9.2 = 0.8A、平均は 9.6A なので、比率は 0.8 ÷ 9.6 ≒ 8.3％
4. 8.3％ は 30％ 未満なので、（B）は動作しない（外部事故で、変流器の誤差による差）

答えは、（A）は動作し、（B）は動作しません。（B）の差電流 0.8A は、差だけ見ると小さくありませんが、通り抜ける電流に比べれば小さいので、外部事故と判断できます。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： 変圧器に電圧をかけた瞬間、励磁突入電流という大きな電流が一次側だけに流れることがあります。これを内部事故と取り違えないよう、突入電流に多く含まれる第 2 調波という成分を検出して、動作を抑える工夫がされています。

2. 再閉路

架空送電線の事故の多くは、雷で電線とがいしの間に火花（アーク）が飛ぶといった、一時的なものです。遮断器を開いて電気を止めればアークは消え、電線そのものは傷んでいないことがほとんどです。

そこで、事故で遮断器を開いたあと、少し時間をおいて自動的に遮断器を閉じ、送電を再開します。これを 再閉路 と呼びます。停電の時間を短くし、系統の安定を保つのに役立ちます。

ブレーカーが落ちたとき、原因がすでになくなっていれば、もう一度上げれば元通りになるのと同じです。ただし、事故が続いていれば、再閉路した遮断器はすぐにまた開きます。

1 秒前後の短い時間で再閉路するものを高速度再閉路と呼びます。一方、地中ケーブルの事故は、ケーブルの絶縁が壊れたことによる永久的なものが多いので、ふつうは再閉路しません。

試験のポイント：比率差動継電器は変圧器や発電機の内部事故の保護に使い、再閉路は事故の多くが一時的な架空送電線で使います。

このように、比率差動継電器は入る電流と出る電流の差を比率で判断して機器の内部事故を見つけ、再閉路は一時的な事故のあとに自動で送電を再開します。

以上が、比率差動継電器と再閉路についてです。

今回のまとめ

保護継電器は事故を見つけて遮断器に信号を送る

過電流継電器の動作電流は、タップ×変流比

地絡継電器は、零相変流器で取り出した零相電流で見つける

距離継電器はV/Iで事故点までのインピーダンスを測る

比率差動は内部事故を見つけ、再閉路は送電を自動で再開

キーワードは保護継電器・過電流継電器・距離継電器など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、保護継電器と保護方式について紹介しました。保護継電器は、変流器や計器用変圧器を「目」として系統を見張り、事故を見つけると遮断器に合図を送る「頭」です。何を見張るかによって、電流の大きさ、漏れる電流、事故点までの距離、入口と出口の差と、さまざまな継電器が使い分けられています。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 保護継電器は事故を見つけて遮断器に信号を送る。選択性・迅速性・信頼性が大切。
• 過電流継電器は電流が大きいほど速く動作する。動作電流は「タップ × 変流比」。
• 地絡継電器は、零相変流器で取り出した零相電流で地絡事故を見つける。
• 距離継電器は $V/I$ で事故点までのインピーダンスを測る。二次側の値は「一次側 × 変流比 ÷ 変圧比」。
• 比率差動継電器は機器の内部事故を見つけ、再閉路は一時的な事故のあと自動で送電を再開する。

キーワードのおさらい

• 保護継電器: 系統の電流や電圧を見張り、事故を見つけると遮断器に引き外しの信号を送る装置
• 過電流継電器: 電流が設定値を超えると動作する継電器。電流が大きいほど速く動作するものが多い
• 地絡継電器: 零相電流を検出して、地絡事故を見つける継電器
• 距離継電器: 電圧と電流の比（インピーダンス）で、事故点までの距離を判断する継電器
• 比率差動継電器: 機器に入る電流と出る電流の差が一定の比率を超えると動作する継電器
• 再閉路: 事故で開いた遮断器を、少し時間をおいて自動的に閉じ、送電を再開すること

以上が、今回のまとめです。

さて、再閉路が役に立つのは、事故の多くが一時的な架空送電線でした。では、その架空送電線は、鉄塔・電線・がいしなど、どんな設備でできているのでしょうか？

次回は、空中を通る送電線の設備と現象を扱う「架空送電線路」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。