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開閉装置の仕様書には、5 Aの高抵抗接地（10秒耐熱抵抗）が明記されていた。請負業者はその通りに施工した。しかし、誰も系統の充電電流を測定しなかった。この工場では、シールド付き5 kVケーブル、サージアレスタ、およびインバータ入力フィルタにより、充電電流は約6.8 Aに達していた。最初の1相地絡事故では、抵抗器が全容量性電流を流し、検出リレーは電流増加を検知できず、工場は2日間にわたり1相が地絡した状態で運転を続けた。その後、別の相で2度目の地絡が発生し、当初は単なる不具合と見なされていたものが、相間アークフラッシュへと発展した。すべての設備は図面通りに施工されていたが、接地方式自体が誤っていた。
変圧器の中性点接地 絶縁不良が発生した際に流れる電流の大きさ、保護装置が作動して遮断するか、あるいは警報のみを発するか、および変圧器・ケーブル・開閉装置が耐えなければならない電流の大きさを定める設計上の判断です。この判断は設計段階で一度だけ行い、通常は仕様書の一行に記載されます。
産業用・送配電用・データセンター用システムのほとんどすべてをカバーする接地方式は、以下の4種類です：直接接地（ソリッドグラウンディング）、低抵抗接地、高抵抗接地、Z字結線またはY-Δ接地変圧器を介した接地。それぞれの方式は異なる課題に対応しており、最初の地絡故障時にシステムに何を求めるかによって、最適な方式が決まります。
変圧器の中性点接地方式が決定すること
地絡は、位相導体と大地との間に回路を完成させます。流れる電流の大きさは、帰路のインピーダンスによって決まり、この帰路は、系統の中性点と接地極系との接続によって形成されます。この接続を変更すれば、地絡電流の大きさ、検出速度、および遮断中の地絡による被害の程度も変化します。
仕様書において特に言及すべき参考文献が2つあります。 IEEE Std 3003.1-2019 は、産業・商業用電力系統における系統接地を対象としており、「グリーン・ブック」シリーズの現代的な後継規格です。 IEEE Std C62.92.1-2016 は、1,000 Vを超える送配電系統の中性点接地を対象としています。いずれの規格も、同じトレードオフに基づいて構成されています。すなわち、地絡電流は、確実に検出できるほど十分に大きくなければならず、かつ機器を損傷させないほど十分に小さくなければなりません。
以下の表では、4つの接地方式を要約しています。
| 方法 | 典型的な地絡電流 | 検出方針 | 適用箇所 |
| 確実な接地 | ボルト締結三相短絡電流値まで | 瞬時過電流でトリップ | 480 V以下、低圧配電 |
| 低抵抗接地（LRG） | 100 A～1,000 A（一般的には200 A～400 A） | 過電流リレー、選択的協調動作 | 選択的トリップを要する中圧産業用配電 |
| 高抵抗接地（HRG） | 5 A～25 A | 高感度リレー、警報優先 | インバータ負荷の多い工場、連続プロセス設備、データセンター |
| ジグザグ接地変圧器 | 抵抗器または変圧器の設計によって設定される | 高感度リレー | デルタ結線系（中性点にアクセスできない） |
直接接地：最も低コストで、地絡電流が最大となる方式
直接接地方式では、中性点を接地極系に直接接続します。電流を制限する要素がないため、相対地短絡時の電流は、その地点で得られるボルトド・スリー・フェーズ短絡電流に近い値（例：480 V、2,000 kVAの設備では数万アンペア）に達します。これは設計上の欠陥ではなく、むしろこの方式の目的です。すなわち、故障電流が大きくなることで、すべての保護装置が確実にこれを検出し、数サイクルで遮断できるようになるのです。
請求書は別の場所に届きます。バスバーの補強、遮断器の遮断定格、およびアークフラッシュ解析における事故エネルギー算出は、すべてこの電流値に比例して変化します。480 V系統では、依然として実用的な選択肢として直接接地方式が採用されることが多いです。これは、相対地電圧が277 Vにとどまり、絶縁性能やサージアレスタの負荷も比較的軽微で済むためです。ただし、中電圧領域になると、この考え方による故障電流が変圧器・ケーブル・開閉装置にとって好ましくない水準に達してしまうため、合理性が失われます。
その結果の一つとして、意外に思われる現象があります。直接接地方式では、ほとんどの故障が単一の相対地故障として始まり、拡大する前に速やかに遮断されます。一方、非接地方式または高抵抗接地方式では、最初の故障がまったく遮断されないことがしばしばあります。
抵抗接地方式：低抵抗接地と高抵抗接地
中性点とアースの間に抵抗器を挿入することで、設計思想が具体的な数値に変わります。低抵抗接地（LRG）では、通常、地絡電流を数百アンペア程度に制限します——中圧系統では200 A～400 Aが一般的です——この程度の電流でも、標準的な過電流リレーで検出・協調動作させることが可能です。そのため、LRGは、故障したフィーダーを主幹ではなく選択的に遮断したいプラントで採用されます。
高抵抗接地ではさらに一歩進み、地絡電流を5 A、10 A、あるいは25 Aまで制限します。このレベルでは、地絡は通常、遮断ではなく警報として処理され、保守担当者が原因箇所を特定する間もプラントは運転を継続できます。モータードライブを多用する産業設備、遮断を許容できない連続プロセス型プラント、およびデータセンターの中圧配電系統などでは、この方式が広く採用されています。また、変圧器やケーブルは数千アンペア規模の地絡電流に耐える必要がなくなり、地絡によるアークフラッシュの危険性も電流の低減とともに大幅に低下します。
ここが、多くの購入者が見落としがちなポイントです。高抵抗接地方式は、抵抗器を流れる電流（許容通過電流）が、システムの充電電流よりも大きい場合にのみ機能します。シールドケーブル、サージアレスタ、およびインバータ入力フィルタの充電電流は実在する電流であり、地絡事故時には、この電流が抵抗器と地絡点の両方を経由して流れます。もし抵抗器を流れる電流がその値より小さいと、地絡継電器は地絡電流と通常の容量性電流とを区別できず、結果として誤動作を起こします——まさに、本稿の冒頭で紹介した事例がこれに該当します。正しい手順は、実際に設置された設備の容量性電流を測定し、その値より十分な余裕をもって抵抗器の許容通過電流を選定したうえで、その後に地絡継電器の時間設定を行うことです。
ジグザグ接地変圧器：中性点がない場所に中性点を創出する
上記のすべては、抵抗器を接続できる中性点が存在することを前提としています。デルタ結線の電源や、二次側の中性点が引き出されていない変圧器では、そのような中性点が得られません。ゼグザグ結線の変圧器（ゼグザグ単位）は、この問題を解決します。その巻線は零相電流に対して低インピーダンスを示すため、地絡電流の意図的な戻り経路を提供します。一方で、正相および逆相電流に対しては高インピーダンスを示すため、通常運転時にはほとんど負荷電流を流しません。スターデルタ結線の変圧器（スター・デルタ単位）も、異なる巻線配置により同様の機能を果たします。
この動作特性こそが、 接地変圧器 負荷用トランスとは全く異なる仕様書から指定されます。合意すべき数値は、短時間中性点電流とその継続時間です（一般的な定格は10秒および1分）。さらに、通常運転時に生じる不平衡による連続的な中性点電流容量も必要であり、ジグザグ接続の場合は、この値は短時間電流の数値の数パーセント程度が典型的です。短時間電流値のみで仕様を決めると、持続的な不平衡により過熱してしまいます。負荷用トランスと同じように仕様を決めると、実際には使わない過剰な銅材を購入することになります。
駆動装置の多いシステムでは、ジグザグ接続ユニットは通常、抵抗器と組み合わせて使用されます。この抵抗器が流す電流（許容通過電流）を決定し、トランスは抵抗器に必要な中性点を供給します。
抵抗器のサイズ選定：動作可否を決める4つの数値
中性点接地抵抗器は短時間動作機器であり、極めて重要な定格値が少数あります。以下の4つが、現場での運用可否を左右します。
- 測定された容量性電流。 実際の設置状態、実際の電圧で測定してください。表中の数値は出発点にすぎず、最終的な解答ではありません。
- 通過電流 高抵抗接地では5 A、10 A、または25 A。低抵抗接地では200 A～400 A。いずれの場合も、測定された容量性電流を余裕をもって上回る必要があります。
- 耐熱時間（時間定格） 一般的には10秒および1分です。たとえば、13.8 kV系統で使用される400 A・10秒用抵抗器は、地絡事故時に約3.2 MWの電力を10秒間消費し、合計で約32 MJのエネルギーを放散します。地絡事故を放置したままにすると、系統は破損します。
- 定格電圧および絶縁耐圧 地絡事故発生中、抵抗器は事故継続時間中、系統の線間電圧ではなく相電圧（線対中性点電圧）を連続的に保持します。
抵抗器の仕様書には記載されませんが、同様に検討が必要な項目が2つあります。1つは検出方式（リレーが検出した電流をどのように処理するか、警報を出すか遮断するか）、もう1つは低抵抗接地の場合、電流制限後に協調保護の検討結果が依然として有効かどうかです。
ライアン・エレクトリックがカスタムオーダーにおけるアース設計をどのように支援するか
アース設計はトランスフォーマーから始まります。なぜなら、巻線構成が中性点の有無を決定するからです。 カスタム三相トランスフォーマー スター（Y）結線の二次側では、接地故障時の負荷に耐えられる絶縁ブッシングを用いて中性点を引き出します。また、アース設計および協調保護設計に必要な巻線構成およびベクターグループのデータもご提供します。お客様のシステムで抵抗接地またはゼグザグ接地を採用する場合、工場受入試験（FAT）ではなく、見積段階で中性点の配置を確認いたします。これは事前にわずか15分の打ち合わせで済む作業ですが、見落とすと再加工の手配が必要になります。
当社は、12万平方メートルの施設で生産を行っており、180セット以上の製造・試験設備と37件の特許を保有しています。また、UL、CSA、IEEE、DEKRA、CNAS、CEの各認証を取得しています。2023年より、ライアン・エレクトリック社はイートン社の正式な合弁パートナーとして事業を展開しています。各装置には出荷時に通常試験報告書が同封されており、現場での中性点およびアース接続確認に必要な巻線抵抗値および変圧比データが記載されています。
変圧器のRFQ（見積依頼）とともに接地方式をご送付ください
ご設計における一線図、接地方式、中性点電流およびその継続時間、および変圧器定格を、お知らせください。当社エンジニアリングチームは、これらの情報をもとに、系統解析に適合した変圧器中性点接地方式（中性点ブッシングを含む）をご提案いたします。これにより、現場の起動担当エンジニアは、設計を「確認」するだけで済み、「発見」する必要がなくなります。見積もり段階で基礎を正しく整えておくことはコストゼロですが、初回の地絡事故発生後にそれを「発見」しようとすると、停電という重大なコストが発生します。
著者について： 本稿は、ライアン・エレクトリック（江蘇ライアン・トランスフォーマーズ）のエンジニアリングチームが執筆しました。同社は2007年より、キャストレジン変圧器、油入変圧器、パッドマウント変圧器を製造しており、送配電事業者、データセンター、再生可能エネルギー発電設備、産業向け顧客に製品を提供しています。チームは日常的にIEEE C57およびIEC 60076規格に基づく設計・検証作業を行っており、仕様策定から工場試験、現地立ち上げ（コミッショニング）に至るまで、開発者およびEPC請負業者を技術面で支援しています。