配電システムの地絡保護 (GFP) を設計する場合、常に電源の性質を考慮する必要があります。 941>

NEC (National Electrical Code) によると、エンジン発電機セット (発電機セット) は別途派生するシステムであることが分かっています。 GFP 機器の動作に対する発電機セットとその切り替えスイッチの影響には、主に複数の中性から接地への接続があるため、細心の注意が必要です。

何が関係しているかを詳しく見て、不適切な設計や設置による落とし穴を回避する方法を見ていきましょう。 以下は、EC&M Books の「Practical Guide to Ground Fault Protection」から抜粋し、2005 NEC.

NEC の要件に更新したものです。 250.20(B)項では、電力系統をいつ接地しなければならないかを定めており、250.20(D)では、個別に派生する系統の接地を要求しています。 しかし、FPN No.1 によると、代替電源の中性導体がサービス供給システムに堅固に接続されている場合、その代替電源は別途派生したシステムとはみなされません。 これはどういう意味でしょうか。

250.20(B) の要件を満たす個別派生電源が、中性導体が優先電源の中性導体と堅固に接続されている代替電源を含む場合、その代替電源の中性は優先電源サービス切断部の接地を通して接地されているとみなされます。 言い換えると、電源セットの中性点は、電源セットの中性点で接地されることもあれば、そうでないこともあるということです。 (ニュートラルを接地するタイミングを決定する前に考慮しなければならないことについては、31ページのサイドバー「電源セットのニュートラルを接地および切り替えすべき場合」と32ページのサイドバー「電源セットのニュートラルを接地すべきでない場合」を参照してください)

複数のニュートラル-アース接続による問題点。

不完全な地絡検知。 図1に示すように、サービス側にゼロシーケンスGFPを持つ3極のトランスファースイッチを考えてみます。 相導体の1つとそれを囲む金属製電線管との間に故障が発生したとします。 941>

経路1は、機器接地導体に沿って直接変圧器に戻る経路である。 経路 2 は、機器接地導線に沿って電源セットが接地されている場所まで行き、電源セットのニュートラルまで行き、最後にニュートラル導線に沿って変圧器のニュートラルまで戻ります。

ゼロシーケンス GFP は、電流不均衡の所定の値を検出したときに動作することに留意してください。 そのため、経路 2 に続く電流は通常の負荷電流と同様に変圧器 GFP センサを通過し、ゼロシーケンス GFP は経路 1 に続く故障電流のみを感知します。 その結果、総故障電流の感知が不完全になります。

厄介なトリップ。 次に、図2に示すように、3極の転送スイッチとゼロシーケンスGFPにアンバランスな負荷がある場合を考えます。 ここでも、中性点における不平衡電流は2つの経路をたどります。 経路1はサービス中性点への直接接続です。 経路 2 は、電源セットの中性点から電源セットの接地電極を通り、金属製の機器筐体、電線管、継手などを経由して、サービス中性点に戻る。

経路 2 を通る電流は、地絡センサに対して地絡電流と同じ影響を与える。 したがって、不均衡な負荷は GFP センサーの感度に影響を与え、故障または短絡電流が存在しないにもかかわらず、ブレーカーをトリップさせる可能性があります。

上述の両方の GFP 接続の問題は、トランスと発電セットのニュートラルが転送スイッチで一緒に接続されることです。 上記の問題を克服するために3つの可能な解決策があります。

解決策1: 4極の転送スイッチ。 このタイプのトランスファスイッチは、サービスおよび電源セットの中性導体を完全に分離するため、複数の中性-接地接続による不適切な検出と迷惑なトリップの両方を排除することができます。 図3は、地絡が発生した場合に4極トランスファースイッチがどのように絶縁されるかを示しています。 ご覧のように、故障電流がトランスのニュートラルに戻る方法は1つしかありません。 このようにニュートラルが絶縁されているため、電源セット出力に従来のGFPを追加することができます。

ここで注意していただきたいのは、これが別の問題を引き起こす可能性があるということです。 トランスファー・スイッチが1つのソースからの負荷を遮断すると、個々のラインとニュートラルの電流がすべて同じ瞬間にクリアされない場合があります。 通常、ライン電流より小さい中性導体の電流が先にクリアされる可能性があります。 そのため、トランスファースイッチは、ニュートラルが切断された状態で負荷を電源に瞬間的に接続している可能性があります。 負荷がアンバランスな場合、異常電圧が負荷の各相にわたって10ミリ秒程度発生する可能性があります。 同時に、誘導性負荷により、マイクロ秒単位の高過渡電圧がさらに発生する可能性があります。

解決策2：デルタ・ワイ変換器による絶縁。 3相4線式の重要負荷が他の非重要負荷に比べて比較的小さい場合、トランスファスイッチの負荷側に絶縁トランスを使用することができます(図4)。 この場合、転送スイッチのライン側電源が両方とも3相3線式である必要があります。

臨界負荷のアンバランスは、入力サービスのGFPに影響を与えません。 さらに、地絡電流はデルタ・ワイ変圧器を介して伝達されないでしょう。 また、一次保護装置は、地絡による一次電流の増加を単に過負荷と見なします。

このソリューションには、注意すべき項目が 2 つあります。 まず、絶縁変圧器の二次側での地絡に対する保護は提供されません。

コスト面では、小型絶縁変圧器を備えた標準的な3極のトランスファスイッチを供給することの経済性を、他のアプローチと比較して評価する必要があります。 絶縁変圧器のコストは、変更されたトランスファー・スイッチの余分なコストよりも低くなる可能性があります。 また、中性導体の設置が最小限に抑えられることによるコスト削減も考慮する必要があります。 病院や商業ビルのような用途では、4線式の照明負荷が全本質的負荷のかなりの割合を占めるのが普通です。

解決策 3: 中立接点が重なっている転送スイッチ。 中性点転送接点のオーバーラップを可能にする転送スイッチがある。 これは，通常電源と非常用電源の中性点を接続するものであるが，転送期間中のみ接続される。 従来のソレノイド作動の両投式トランスファスイッチでは、中性点を接続している時間は地絡センサーの動作時間より短くなることがあり、通常6～24サイクルに設定されます。

図5は、中性導体を分離するためにオーバーラップ接点を持つ3極トランスファスイッチを使用した典型的なシステムを示しています。 中性導体を介して故障電流が流れる可能性はなく、地絡検出の妨げになったり、効果的に減少させたりすることはありません。 さらに、地絡センサーのピックアップを変更し、迷惑なトリップを引き起こす可能性のある不平衡電流が、電源セットの中性線を介して流れる可能性もありません。 転送スイッチの動作時に中性導体の瞬間的な開放がないため、異常電圧や過渡電圧は最小限に抑えられます。 また、アーク放電によるオーバーラップ接点の溶損がありません。 また，アーク放電によるオーバーラップ接点の侵食がないため，通電性が確保され，中性点回路インピーダンスの増加もない。 オーバーラップ接点は電流を遮断する必要がないため、このような接点をトランスファスイッチに追加するコストは、一般に 4 極目を追加するよりも低くなります。

このソリューションには、主に既存のトランスファスイッチを改修することに焦点を当てた、複数のマイナス面が存在します。 まず、インターロックされたモールドケースのサーキットブレーカを持つ転送スイッチアセンブリにオーバーラップ接点を適応させることは、これらのユニットの比較的固定された機械構成のため、困難である場合があります。 また、動作搬送時間が遅いことも制限要因になる可能性がある。 最後に、従来の転送スイッチを収容するキュービクル内にオーバーラップ接点アセンブリのための十分なスペースがない場合や、転送操作機構が不適切な場合があります。 したがって、少なくとも協調的な分析を行うことなく、このソリューションを後付けの可能性として否定しないでください。

個別に派生するシステムによる地絡電流の処理は、アプリケーションやシステム構成、そして明らかに関連コストに大きく依存します。 また、故障電流の大きさを減らすために、接地抵抗器、断路スイッチ、検出装置、および制御装置がパッケージ化された抵抗接地システムがある。 さらに、中性点が利用できない場合、中性点引出変圧器バンクがパッケージに含まれていることもあります。

GFP に対する業界の関心。 GFPに対する関心は、さまざまなコードサイクルを通じて低下していない。 実際、電気工事業者、工場施設の電気メンテナンス担当者、および電気エンジニアは皆、このテーマについてより完全で簡潔な情報を求めている。 941>

従来の過電流デバイスを効果的かつ熟練して適用しているにもかかわらず、漏電の問題は依然として存在しています。 したがって、安全のために、電気システムの設計は地絡に対する保護も考慮に入れなければなりません。 これには、電気システムにおける故障電流の流れの広範で複雑な性質を徹底的かつ詳細に理解する必要があります。

Sidebar: When You Should Ground and Switch the Gen-Set Neutral

サービスが 230.95 の要件に該当する場合、各ソースで中性点を接地し、コードが地絡検出調整を求める場所でそれを切り替える必要があります。 サービス定格が1,000A（833kVA）以上の場合、230.95ではサービス断路器の漏電保護が要求されます。 しかし、負荷が代替電源と転送スイッチを正当化できるほど重要な場合はどうでしょうか。 その場合、230.95(C)、FPN No.2に従って、地絡保護方式を第2レベルの分岐回路保護に拡張することができます。

NEC が地絡保護を必要とし、代替電源がある場合、中性点を切り替えなければなりません。 1,000A以上のサービスがある場合、NECはメインサービスのディスコネクトで漏電保護を要求しています。 電源セットの中性点接地がメインサービス中性点への確実な接続を介して行われており、負荷への給電中に電源セットに漏電が発生すると、メインサービスのディスコネクトが開錠します。

2 つのソースの中性点が別々に接地されている場合、230.95(C)、FPN No.3 により、負荷中性点導体を負荷に供給するソースに切り替えなければなりません。 地絡電流は、地絡保護スキームの調整を提供し、それが発生したソースにのみ戻ります。

電源セットの中性導体を個別に接地することは必ずしも必要ではありません。 しかし、そうする場合、特に地絡保護を使用するときは、電源間で負荷を転送するときに、その相導体と一緒に負荷の中性点を切り替える必要がある場合があります。 NECでは、480/277V、3相、4線式、定格1,000A以上のワイコン接続サービスには地絡保護を要求していますが、地絡保護を含まない他の構成ではオプションとなっています。 しかし、分岐回路の中性導体がソース間を移動する場合、スイッチング手段は中性導体スイッチング接点が電流を遮断しないことを保証しなければならない。

電源セット中性を接地すべきでない場合

電源セット中性を個別に接地しない理由の中に、NECが地絡検出を要求していないという事実がある。 一般に、電源ニュートラルが優先サービス・ニュートラルにしっかりと接続されていれば、電源ニュートラルを個別に接地することはできない。

さて、250.20 (B) に該当しない電力系統の電源ニュートラルは、優先サービス・ニュートラルに接続すれば、接地できる。 従って、480/277V、3相4線式、定格1,000A（833kVA）未満のワイコン系統では、電源装置中性導体を優先給電中性に直接接続することが可能です。 また、すべての 208/120V、3 相、4 線式、ワイコン接続の電源システムで、電源セットの中性導体を優先サービス中性に直接接続できます。

電力不足や在宅勤務の増加に伴い、スタンバイ電源セットを持つ住宅も増加しています。 これらのレセプタクルの接地端子は、電源セットのフレームに接続されており、フレームは電源セットの巻線の中性点に接続されています。 そのため、フレームと相導体の間に障害や不注意な電流経路があると、レセプタクルが切断される。

サービスが 480/277V、3 相、4 線式、ワイコン接続の場合、および電源セットが恒久的に設置されている場合は、中性点切り替えの必要性を排除することが可能です。 このようなサービスを833kVA未満に制限する場合、発電セットの中性点をサービス中性点にしっかりと接続できます。主配電盤中性点と接地バス間の結合ジャンパは、サービス中性点を接地します

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