電気故障

電力システムでは、故障または故障電流とは、異常な電流のことです。たとえば、短絡は、通電中の電線が中性線またはアース線に触れる故障です。開回路故障は、電流を流す電線 (相または中性線) の故障、またはヒューズやブレーカーの切れによって回路が中断された場合に発生します。3相システムでは、故障は 1 つ以上の相とアースに関係する場合もあれば、相間でのみ発生する場合もあります。「地絡故障」または「アース故障」では、電流がアースに流れ込みます。予測可能な故障の予想される短絡電流は、ほとんどの状況で計算できます。電力システムでは、保護装置が故障状態を検出し、回路ブレーカーやその他の装置を操作して、故障によるサービスの損失を制限できます。

多相システムでは、障害がすべての相に均等に影響を及ぼす場合があり、これは「対称障害」です。一部の相のみが影響を受ける場合、結果として生じる「非対称障害」の解析はより複雑になります。これらのタイプの障害の解析は、対称コンポーネントなどの方法を使用することで簡素化されることがよくあります。

電力システムの障害を検出し、遮断するシステムの設計は、電力システム保護の主な目的です。

一時的な障害とは、電源が短時間切断され、その後回復すると障害がなくなる障害、またはデバイスの誘電特性に一時的に影響するだけの絶縁障害で、短時間で回復する障害です。架空送電線の障害の多くは、本質的に一時的なものです。障害が発生すると、電力システム保護に使用される機器が動作して、障害領域を隔離します。その後、一時的な障害は解消され、送電線はサービスに復帰できます。一時的な障害の一般的な例は次のとおりです。

• 瞬間的な木の接触
• 鳥や他の動物との接触
• 落雷
• 指揮者の衝突

送電および配電システムでは、一時的な障害が発生した場合に電力を回復するために架空線で一般的に使用される自動再閉路機能を使用します。地下システムでは障害が永続的な性質を持つことが多いため、この機能はそれほど一般的ではありません。一時的な障害は、障害電流が生成されるため、元の障害の場所またはネットワークの他の場所の両方で損害を引き起こす可能性があります。

持続的な障害は、電力が供給されているかどうかに関係なく存在します。地下電力ケーブルの障害は、ケーブルの機械的損傷により持続的に発生することがほとんどですが、雷により一時的な障害が発生することもあります。^[1]

非対称または不均衡な障害は、各相に均等に影響を与えません。 非対称障害の一般的なタイプとその原因:

• 線間故障-空気のイオン化、または絶縁体の破損などにより線が物理的に接触したときに発生する線間の短絡。送電線故障のうち、およそ5%～10%は非対称線間故障です。^[2]
• 線路接地障害- 1本の線と地面の間の短絡。雷やその他の嵐による 被害など、物理的な接触によって発生することが多い。送電線障害のうち、およそ65%～70%は非対称線路接地障害である。^[2]
• 二重線対地絡故障- 2本の線が地面（および互い）に接触する故障で、これも嵐による被害が一般的です。送電線故障のうち、およそ15%～20%は非対称二重線対地絡故障です。^[2]

対称故障または平衡故障は、各相に均等に影響します。送電線故障のうち、約 5% が対称故障です。^[3]これらの故障は、非対称故障に比べてまれです。対称故障には、線間故障 (LLL) と線間故障 (LLLG) の 2 種類があります。対称故障は、すべてのシステム故障の 2 ～ 5% を占めます。ただし、システムのバランスが保たれていても、機器に非常に深刻な損傷を引き起こす可能性があります。

1 つの極端な例は、故障のインピーダンスがゼロで、予想される短絡電流が最大になる場合です。概念上、すべての導体は金属導体のように接地されていると見なされます。これは「ボルト故障」と呼ばれます。適切に設計された電力システムでは、金属が接地に短絡することはまれですが、そのような故障は不運によって発生する可能性があります。送電線保護の 1 つのタイプでは、「ボルト故障」が意図的に導入され、保護装置の動作が高速化されます。

接地故障（アース故障）とは、電力回路の導体が意図せず地面に接続される故障のことです。^[要出典]このような故障は、不快な循環電流を引き起こしたり、機器のハウジングに危険な電圧がかかったりすることがあります。一部の特殊な配電システムは、単一の接地故障を許容して動作を継続するように設計されている場合があります。配線コードでは、このような場合に絶縁監視デバイスがアラームを発し、接地故障の原因を特定して修正できるようにすることが義務付けられている場合があります。このようなシステムで 2 つ目の接地故障が発生すると、過電流やコンポーネントの故障が発生する可能性があります。通常は過電圧を制限するために接地に接続されているシステムでも、一部のアプリケーションでは接地故障を検出するために接地故障遮断器または同様のデバイスが必要です。

現実的には、故障時の抵抗は負荷抵抗に対してゼロに近い値からかなり高い値まであります。電力がゼロであるゼロインピーダンスの場合と比較して、故障時には大量の電力が消費される可能性があります。また、アークは非常に非線形であるため、単純な抵抗は適切なモデルではありません。適切な分析を行うには、考えられるすべてのケースを考慮する必要があります。^[4]

システム電圧が十分に高い場合、電力システムの導体と地面の間に電気アークが発生する可能性があります。このようなアークは、比較的高いインピーダンス（システムの通常の動作レベルと比較して）を持つ場合があり、単純な過電流保護では検出が困難な場合があります。たとえば、通常 1,000 アンペアが流れる回路で数百アンペアのアークが発生すると、過電流遮断器は作動しませんが、完全な短絡になる前にバス バーまたはケーブルに多大な損傷を与える可能性があります。公共事業、産業、および商業用電力システムには、比較的小さいが望ましくない電流が地面に逃げるのを検出するための追加の保護デバイスがあります。住宅配線では、損傷や火災を引き起こす前に小さなアークを検出するために、電気規制により建物の配線回路にアーク故障遮断器を取り付けることが義務付けられる場合があります。たとえば、これらの対策は流水が関係する場所で実施されます。

対称障害は、電力システム内の他の現象と同じ方法で分析できます。実際、このタイプの分析を自動的に実行するソフトウェアツールが多数存在します (電力フロー調査を参照)。ただし、同じくらい正確で、通常はより有益な別の方法があります。

まず、いくつかの単純化の仮定を行います。システム内のすべての発電機は同相で、システムの 公称電圧で動作していると仮定します。電気モーターは、障害が発生すると通常は電力を消費するのではなく供給するため、発電機と見なすこともできます。次に、この基本ケースの電圧と電流を計算します。

次に、障害の場所に、ベースケースのその場所の電圧に等しい負の電圧源が供給されているとみなし、他のすべての電源はゼロに設定されます。この方法は重ね合わせの原理を利用します。

より正確な結果を得るには、次の 3 つの時間範囲で個別に計算を実行する必要があります。

• サブトランジェントは最初であり、最大の電流と関連している
• 過渡状態は、亜過渡状態と定常状態の間にある
• 定常状態は、すべての過渡現象が収束した後に発生する。

非対称故障は、三相電力で使用される基本的な仮定、つまり三相すべてで負荷が均衡しているという仮定を破ります。したがって、1 つの相のみを考慮する単線結線図などのツールを直接使用することはできません。ただし、電力システムの線形性のため、結果として生じる電圧と電流を対称成分の重ね合わせとして考慮するのが一般的であり、これに三相解析を適用できます。

対称コンポーネント法では、電力システムは3 つのコンポーネントの重ね合わせとして見られます。

• 正相成分。相の順序は元のシステムと同じで、abcである。
• 逆相成分、つまり元のシステムと位相が逆の順序になっている成分、つまりacb
• ゼロシーケンスコンポーネントは、実際には三相システムではありませんが、3 つの相すべてが互いに同位相になっています。

非対称故障から生じる電流を決定するには、まず、関係する送電線、発電機、変圧器の単位当たりのゼロ、正、負のシーケンス インピーダンスを知る必要があります。次に、これらのインピーダンスを使用して 3 つの別々の回路を構築します。次に、個々の回路を、調査対象の故障の種類に応じた特定の配置で接続します (これは、ほとんどの電力システムの教科書に記載されています)。シーケンス回路が適切に接続されると、ネットワークは、従来の回路解析手法を使用して解析できます。このソリューションでは、対称コンポーネントとして存在する電圧と電流が生成されます。これらは、Aマトリックスを使用して位相値に変換する必要があります。

ヒューズや回路遮断器などの保護装置を選択するには、予想される短絡電流の分析が必要です。回路を適切に保護するには、保護装置をできるだけ短時間で作動させるのに十分な故障電流が必要です。また、保護装置は故障電流に耐え、破損したり長時間アークが続いたりすることなく、発生するアークを消弧できなければなりません。

故障電流の大きさは、使用する接地システムのタイプ、設備の電源タイプと接地システム、および電源との距離によって大きく異なります。たとえば、国内の英国 230 V、60 A TN-S または米国の 120 V/240 V 電源の場合、故障電流は数千アンペアになることがあります。複数の電源を持つ大規模な低電圧ネットワークでは、故障レベルが 300,000 アンペアになることがあります。高抵抗接地システムでは、ラインから接地への故障電流がわずか 5 アンペアに制限されることがあります。保護デバイスを選択する前に、予想される故障電流を設備の起点と各回路の最遠点で確実に測定し、この情報を回路の用途に適切に適用する必要があります。

架空送電線は、木が電線を横切って倒れたり、電柱が壊れて導体が地面に落ちたりなど、問題が通常明白であるため、診断が最も簡単です。

ケーブルシステムの障害箇所の特定は、回路の電源を切った状態でも、場合によっては回路に電源を入れた状態でも行うことができます。障害箇所特定技術は、ケーブルの端で測定された電圧と電流を使用するターミナル法と、ケーブルの長さに沿って検査する必要があるトレーサー法に大別できます。ターミナル法は、長いケーブルや埋設ケーブルの追跡を迅速化するために、障害の大まかな場所を特定するために使用できます。^[5]

非常に単純な配線システムでは、配線を検査することで故障箇所が見つかることが多い。配線が隠れている可能性のある複雑な配線システム（航空機の配線など）では、時間領域反射計を使用して配線の故障箇所を特定する。^[6] 時間領域反射計は、配線にパルスを送信し、反射したパルスを分析して電線内の故障を特定する。

歴史的な海底電信ケーブルでは、高感度の検流計を使用して故障電流を測定しました。故障したケーブルの両端でテストすることで、故障箇所を数マイル以内に特定することができ、ケーブルを引っ張って修理することができました。マレーループとバーリーループは、ケーブルの故障箇所を特定するための2種類の接続でした 。

電力ケーブルの絶縁不良は、低電圧では現れないことがあります。「サンパー」テスト セットは、高エネルギー、高電圧のパルスをケーブルに適用します。不良箇所の特定は、不良箇所での放電音を聞くことで行われます。このテストはケーブル サイトの損傷につながりますが、不良箇所が見つかった場合はいずれにしても再絶縁する必要があるため、実用的です。^[7]

高抵抗接地配電システムでは、フィーダーに接地障害が発生しても、システムは動作を継続します。障害が発生しているが通電されているフィーダーは、回路のすべての相線を収集するリング型変流器で見つけることができます。接地障害のある回路のみ、正味の不平衡電流が示されます。接地障害電流を検出しやすくするために、システムの接地抵抗器を 2 つの値の間で切り替えて、障害電流がパルスになるようにすることができます。

独立電源システムで使用されるディープサイクルバッテリーなどの大型バッテリーの予測故障電流は、多くの場合、製造元によって提供されます。

オーストラリアでは、この情報が提供されていない場合、予想される故障電流（アンペア）は、AS 4086 パート 2（付録 H）に従って、「 C ₁₂₀ A·h レートでの公称バッテリー容量の 6 倍と見なす必要があります」。

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