報告書番号

GD24029

タイトル（和文）

雷サージおよびGIS断路器開閉サージによる低圧制御回路の誘導サージ特性－誘導電圧の発生要因の分類と制御線の長さによる影響の評価－

タイトル（英文）

Characteristics of surges induced in secondary circuits owing to lightning and very fast transients in GIS -Classifying factors of induced voltages and the effects of control cable length-

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
発変電所の低圧制御回路が障害に至る代表的な要因として，雷サージと主回路開閉サージがある。当所ではこれまで，サージの発生源として，主回路へ侵入する雷サージ，接地網へ侵入する雷サージ，GIS断路器開閉サージ注1）を対象とし，低圧制御回路に発生する誘導電圧の系統的な評価を進めてきた。一方，これらの誘導電圧の波形は，低圧制御回路に誘導サージを発生させるメカニズムや機器等の特性などの複合的な要因注2）により複雑となる。このため，主回路の配置や低圧制御回路を構成する制御線・機器の配置など，発変電所毎に異なる設備条件が誘導電圧へ及ぼす影響を詳細に検討した例はない。
目　　的
発変電所の主回路と低圧制御回路の模擬回路を用いたサージ実験により，雷サージおよびGIS断路器開閉サージを対象とし，制御線の誘導電圧の発生要因を周波数分析に基づき検討するとともに，制御線の誘導電圧に対する制御線の長さの影響を評価する。
主な成果
1. 誘導電圧の周波数分析に基づく誘導電圧の発生要因の検討
低圧制御回路における誘導電圧の発生要因を検討するため，低圧制御回路の模擬回路（GISモデル―制御線―ディジタル形保護継電装置）を用いて，主回路へ侵入する雷サージ（ケース1），接地網へ侵入する雷サージ（ケース2），GIS断路器開閉サージ（ケース3）の各ケースを模擬するパルスを発生させ，異なる保護継電装置の位置（制御線の長さ）に対し，保護継電装置のVT, CT信号入力端子間に発生する誘導電圧を測定した（図1）。この結果，各ケースにおいて誘導電圧が発生する主要なメカニズムは異なり，各ケースによる誘導電圧波形が，主として①保護継電装置の入力インピーダンスの周波数特性に由来する成分（要因a），②制御線のインダクタンスに由来する成分（要因b），③主回路でのサージの多重反射に由来する成分（要因c）の一つまたは複数の要因により生じていることが分かった（図2）。
2.制御線の長さが制御線に発生する誘導電圧へ及ぼす影響の評価
各ケースにおいて，誘導電圧の各周波数成分の発生要因の違いに起因して，制御線の長さが誘導電圧の波高値に及ぼす影響の傾向が異なることを示した（図3）。たとえば，移行サージが主要因となるケース1，ケース3の場合は，とくに要因cに起因する誘導サージの伝搬にともなう減衰がある一方，接地網からの誘導が主要因となるケース2では，制御線が長くなることで誘導が大きくなる傾向を示す。これにより，発変電所の各種設備条件の変化が複雑な誘導電圧の波形に及ぼす影響を，発生源に応じた結合のメカニズム・機器等の特性に基づき説明できる可能性があることを定量的に示した。
注1）主回路開閉サージに起因する障害事例では，気中母線と比較してGISの故障割合が高い傾向にあることが電気協同研究報告書（保護制御システムのサージ対策技術）において示されている。
注2）たとえば，送電線の引込口より電気所へ侵入する雷サージは，避雷器の動作により，一部が主回路へ侵入する一方，一部は接地網へ侵入する。低圧制御回路への誘導サージの結合経路として，前者の場合は計器用変成器における制御線へのサージ移行が支配的であり，その移行特性が誘導電圧特性に大きな影響を及ぼすと考えられる一方，後者の場合は接地電位上昇による制御線への電磁的・静電的結合が支配的であり，この場合には，計器用変成器のサージ移行特性の誘導電圧特性への寄与は小さいと考えられる[1],[2],[3]。
関連報告書：
[1]H08017「低圧制御回路の雷サージ特性－その3―雷サージ電流接地網侵入時の誘導サージ電圧特性―」（2009.06）
[2]H10011「低圧制御回路の雷サージ特性－その4―雷サージ電圧主回路侵入時の誘導サージ電圧特性―」（2011.05）
[3]H20012「接地網に侵入した雷インパルス電流による低圧制御回路への誘導電圧特性―制御線布設経路の影響の実験的・解析的評価―」（2021.07）

概要 （英文）

Surges resulting from lightning strikes and the switching of disconnectors and circuit breakers in primary circuits are known to cause failures in the secondary circuits of substations. This report presents a comparative experimental study by generating various pulses that simulate the following: (i) surges applied to the primary circuit due to lightning, (ii) surges injected into the grounding grid due to lightning, and (iii) switching-induced very fast transients in a gas-insulated switchgear (GIS), each within an experimental test setup of secondary circuits of GIS. The study primarily investigates the impact of the protection relay's position-specifically, the length of a control cable-on the voltages induced in the secondary circuits, as the previous works have indicated significant differences in the electromagnetic interference mechanisms among the scenarios (i)-(iii). The findings indicate that the control cable's length-as one of the installation conditions that should be different for each site-has potentially conflicting impact on induced voltages across the different cases. This finding underscores the necessity for a more systematic evaluation to devise effective protection measures for protection and control equipment.

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