電力システム保護

電力システム保護は、電力ネットワークの残りの部分から故障した部分を切断することにより、^{電力システムを}故障から保護する電力工学の分野です。保護スキームの目的は、ネットワークの可能^な限り多くの部分を稼働させながら、故障したコンポーネントのみを分離することにより、電力システムを安定させることです。電力システムを故障から保護するために使用されるデバイスは、保護デバイスと呼ばれます。

保護システムは通常5つのコンポーネントから構成される

• 電力システムの高電圧と高電流をリレーが処理できるレベルまで下げる変流器と変圧器
• 障害を感知し、トリップまたは切断命令を開始する保護リレー
• リレーおよび自動再閉路コマンドに基づいてシステムを開閉する回路ブレーカーまたはRCD
• システムの電源が切断された場合に電力を供給するバッテリー
• 回線のリモート端末での電流と電圧の分析や機器のリモートトリップを可能にする通信チャネル。

配電システムの一部の場合、ヒューズは障害を感知して切断する機能を備えています。

各部には絶縁不良、送電線の落下や断線、遮断器の誤操作、短絡や断線などの故障が発生することがあります。保護装置は資産の保護とエネルギーの継続供給を目的として設置されています。

スイッチギアは、電気機器を制御、保護、分離するために使用される電気切断スイッチ、ヒューズ、または回路ブレーカーの組み合わせです。スイッチは通常の負荷電流で開いても安全ですが（一部のスイッチは通常または異常な状態では安全に動作しません）、保護装置は故障電流で開いても安全です。非常に重要な機器には完全に冗長で独立した保護システムがある場合がありますが、マイナーな分岐配電線には非常にシンプルで低コストの保護がある場合があります。 ^[1]

送電および配電システムの保護には、プラントの保護と公衆（従業員を含む）の保護という 2 つの機能があります。基本的なレベルでは、保護は過負荷またはアースへのショートが発生した機器を切断します。変電所内の変圧器などの一部の機器は、温度やガス圧などに基づいて追加の保護が必要になる場合があります。

発電所では、保護リレーは、内部故障、絶縁故障、または制御機能の誤動作による異常な動作状態が発生した場合に、オルタネーターまたは変圧器への損傷を防ぐことを目的としています。このような故障はまれであるため、保護リレーが動作することはめったにありません。保護リレーが故障を検出できない場合、オルタネーターまたは変圧器への損傷により、高額な機器の修理または交換が必要になるだけでなく、エネルギーの生産と販売ができなくなることで収益が失われる可能性もあります。

過負荷保護には、回路内の電流を測定して所定の値と比較するだけの変流器が必要です。過負荷保護には、瞬間過電流 (IOC) と時間過電流 (TOC) の 2 種類があります。瞬間過電流の場合、回路ブレーカーが作動するには、電流が所定のレベルを超える必要があります。時間過電流保護は、電流対時間曲線に基づいて動作します。この曲線に基づいて、測定された電流が所定の時間にわたって所定のレベルを超えると、回路ブレーカーまたはヒューズが作動します。両方のタイプの機能については、YouTubeの「無方向性過電流保護」で説明されています。

地絡保護には変流器も必要で、三相回路の不均衡を感知します。通常、三相電流は均衡しており、つまり大きさはほぼ等しいです。1つまたは2つの相が低インピーダンス経路を介してアースに接続されると、それらの大きさは劇的に増加し、電流の不均衡も増加します。この不均衡が所定の値を超えると、回路遮断器が作動します。制限付き地絡保護は、2組の変流器^[2]間の地絡を探すタイプの地絡保護です（したがって、そのゾーンに制限されます）。

距離保護は電圧と電流の両方を検出します。回路に障害が発生すると、通常、電圧レベルが低下します。リレー端子で測定された電圧と電流の比率 (インピーダンスに相当) が所定のレベル内に入ると、回路ブレーカーが作動します。これは、10 マイルを超える比較的長いラインで役立ちます。なぜなら、それらの動作特性はライン特性に基づいているからです。つまり、ラインに障害が発生すると、リレーのインピーダンス設定が、リレー端子から障害までのラインの見かけのインピーダンスと比較されます。リレー設定が見かけのインピーダンスより低いと判断された場合、障害は保護ゾーン内にあると判断されます。伝送ラインの長さが 10 マイル未満と短すぎる場合、距離保護の調整はより困難になります。このような場合、最適な保護方法は電流差動保護です。^[要出典]

保護の目的は、設備の影響を受ける部分のみを除去し、それ以外は除去しないことです。回路ブレーカーまたは保護リレーが動作しなくなる場合があります。重要なシステムでは、プライマリ保護が失敗すると、通常、バックアップ保護が動作します。リモート バックアップ保護では、通常、設備の影響を受ける項目と影響を受けない項目の両方を除去して障害を解消します。ローカル バックアップ保護では、設備の影響を受ける項目を除去して障害を解消します。

低電圧ネットワークでは通常、過負荷と地絡の両方を除去するためにヒューズまたは低電圧回路ブレーカーに依存します。

送電および制御システムを含む大規模に相互接続された電気システムであるバルクシステムは、毎日新たなサイバーセキュリティの脅威にさらされています。（「電力網のサイバーセキュリティ」、2019年）。これらの攻撃のほとんどは、グリッド内の制御システムを狙っています。これらの制御システムはインターネットに接続されているため、ハッカーが攻撃しやすくなります。これらの攻撃により、機器が損傷し、電力会社の専門家がシステムを制御する能力が制限される可能性があります。

保護装置の調整とは、異常な電気状態が発生したときに、電流を遮断する「最適な」タイミングを決定するプロセスです。目標は、停電を可能な限り最小限に抑えることです。歴史的には、保護装置の調整は半透明のログ・ログ紙で行われていました。現代の方法には通常、詳細なコンピューターベースの分析とレポートが含まれます。

保護調整は、電力システムを保護ゾーンに分割することによっても処理されます。特定のゾーンで障害が発生した場合、そのゾーンをシステム全体から分離するために必要なアクションが実行されます。ゾーンの定義には、発電機、バス、変圧器、送電線と配電線、モーターが含まれます。さらに、ゾーンには次の機能があります。ゾーンは重複し、重複領域は遮断器を示し、障害が発生した特定のゾーン内のすべての遮断器が開いて障害を分離します。重複領域は、遮断器ごとに2組の計器用変圧器とリレーによって作成されます。これらは、保護されていない領域を排除するための冗長性のために設計されていますが、重複領域は可能な限り小さくなるように設計されているため、重複領域で障害が発生し、障害を囲む2つのゾーンが分離されると、2つのゾーンが分離されているにもかかわらず、サービスから失われる電力システムのセクターは小さいままです。^[3]

障害監視装置 (DME) は、障害に関連するシステム データを監視および記録します。DME は主に次の 3 つの目的を果たします。

• モデル検証、
• 妨害行為の調査、および
• システム保護性能の評価^[4]

DMEデバイスには以下のものがある: ^[5]

• イベントに対する機器の応答を記録するイベントレコーダーのシーケンス
• システムの一次電圧と電流の実際の波形データを記録する故障記録装置
• 動的障害記録装置（DDR）は、低周波（0.1 Hz～3 Hz）の振動や異常な周波数または電圧の逸脱などの動的イベント中の電力システムの動作を描写するインシデントを記録します。

保護エンジニアは、信頼性を、ゾーン内の障害に対して保護システムが正しく動作する傾向と定義します。また、セキュリティを、ゾーン外の障害に対して動作しない傾向と定義します。信頼性とセキュリティはどちらも信頼性の問題です。フォールトツリー分析は、保護エンジニアが提案された保護スキームの相対的な信頼性を比較できるツールの 1 つです。保護の信頼性を定量化することは、保護システムの改善、信頼性とセキュリティのトレードオフの管理、最小限のコストで最高の結果を得るための最善の決定を下すために重要です。競争の激しい公益事業業界では、定量的な理解が不可欠です。^{[6] [7]}

• 信頼性: デバイスは、数か月または数年間アイドル状態になる可能性に関係なく、障害状態が発生した場合に一貫して機能する必要があります。この信頼性がなければ、システムは高額な損害を引き起こす可能性があります。
• 選択性: デバイスは不当な誤ったトリップを回避する必要があります。
• 速度: 機器の損傷と障害の継続時間を削減するために、デバイスは、非常に正確な意図的な時間遅延のみで、迅速に機能する必要があります。
• 感度: デバイスは、最小値の障害も検出し、応答する必要があります。
• 経済性: デバイスは最小限のコストで最大限の保護を提供する必要があります。
• シンプルさ: デバイスは保護回路と装置を最小限に抑える必要があります。

信頼性: 信頼性とセキュリティ

保護システムの信頼性の高い動作には、信頼性とセキュリティという2つの側面があります。^[8]信頼性とは、障害が発生した要素を電力システムから除去するように要求されたときに保護システムが動作する能力です。セキュリティとは、外部障害が発生したときに保護システムが動作しないように抑制する能力です。保護システムを設計する際にセキュリティと信頼性の適切なバランスを選択するには、エンジニアリングの判断が必要であり、ケースバイケースで異なります。

• 故障電流リミッター
• ネットワークアナライザー（AC電源）
• 予想される短絡電流
• ANSIデバイス番号

• http://perso.numericable.fr/michlami 電力伝送ネットワークの保護と監視