アメリカの変電所の接地システムとは？ - ブログ

私は何年もアメリカ式変電所の供給に費やしてきましたが、一貫して過小評価されているトピックが 1 つあるとすれば、それは接地です。エンジニアは一日中変圧器や開閉装置について話しますが、接地システムについてはどうでしょうか。それは、何か問題が起こるまでは見えない部分です。そして、それがうまくいかないときは、非常に間違った方向に進みます。

アメリカの変電所の砂利の下で実際に何が起こっているのかを話しましょう。

グラウンディングが実際に行うこと

コンポーネントの説明に入る前に、目的を明確にしておきましょう。変電所の接地システムは、故障電流の逃げ場を与えるだけではありません。それは、障害時のサイト全体の電圧勾配を制御することです。地絡事故が発生すると、大地に大電流が流れ込みます。その電流により、地表上の点間に電圧差が生じます。これらの違いが十分に大きくなると、そこに立っている人は回路ステップのポテンシャルの一部になる可能性があり、タッチポテンシャルという言葉を聞くことになります。

適切に設計された接地システムは、これらの勾配を危険な閾値以下に保ちます。他のすべてのもの、つまり機器の保護、雷の消散は、人員の生存を維持するためには二の次です。

接地システムのコンポーネント

グラウンドグリッド - これがバックボーンです

「接地棒」だけは忘れてください。アメリカの変電所接地システムの中心は、埋設された地面グリッドです。それはまさにその通りです。通常は 4/0 AWG 以上の裸の銅導体のメッシュが、表面から約 12 ～ 18 インチ下に埋め込まれ、変電所エリア全体に広がっています。

このグリッドは 2 つのことを行います。まず、故障電流が大地に広がるための低インピーダンス経路が提供されます。第 2 に、これは重要です。サイト全体の可能性を均等化します。故障中、グリッド上のすべての点は基本的に同じ電圧になります。これは、表面電圧勾配が制御されることを意味します。

グリッドのサイズは、故障電流の大きさと継続時間に基づいて決定されます。 30 サイクルで 40 kA の障害が発生するには、特定の導体断面積が必要です。小さくすると銅が蒸発します。私はその余波を見てきました。それは美しくありません。

アースロッド - 地球とのインターフェース

グリッドだけでは十分ではありません。そのグリッドを周囲の土壌に結合するには電極が必要です。ここで接地棒が使用されるのですが、通常は長さ 8 ～ 10 フィートの銅で接着されたスチールで、敷地全体に間隔を置いて駆動され、グリッドに接着されます。

高抵抗の土壌では、40、60、さらには 100 フィートのより深いロッドや、抵抗を下げるために埋め戻し材を使用して化学的に強化されたロッドが使用される場合があります。目標は、故障時の電圧上昇を制限できるほど十分に低いグリッド電極抵抗の組み合わせです。一般的な目標は 1 オーム以下ですが、土壌の状態によってはそれが不可能な場合もあります。

ZGS American substations Metal prefabricated substation

接地導体 - すべてを結び付ける

変電所内のすべての機器 (変圧器タンク、ブレーカーエンクロージャ、開閉装置フレーム、フェンスゲート、さらには入力送電線の中性点まで) がこのグリッドに再び接続されます。これらの接続には、発熱溶接 (Cadweld がブランド名です) または高圧縮圧着が使用されます。ボルト接続は時間の経過とともに腐食します。溶接接続ではそうではありません。

接地システムの機能

アメリカの変電所の接地システムは、いくつかの重要な機能を果たします。

従業員の安全 - ステップおよび接触電位の制御

これが仕事 1 です。このグリッドは、故障期間と体重に基づいて最大許容ステップ電圧とタッチ電圧の公式を提供する IEEE 80 の「グリーンブック」を使用して設計されています。グリッドの間隔、導体のサイズ、および深さはすべて、障害中に人の足の間 (ステップ) または手と足の間 (タッチ) の電圧が致死閾値未満に留まるように計算されます。

機器の保護

アメリカのほとんどの電力会社の変電所では、変圧器の中性点がしっかりと接地されています。故障時には、接地システムが帰還経路を提供します。これがなければ、相地絡故障は相間故障となり、より高エネルギーとなり、より大きな被害が生じます。また、接地システムは雷サージエネルギーを放散し、シールドされたケーブルから静電気を排出します。

システムリファレンス

接地グリッドは、変電所全体に安定した基準電圧を確立します。すべての相電圧は、このアースを基準にして測定されます。また、検出システムが地絡を検出するのにも役立ちます。中性点が接地されている場合、相地絡により保護リレーが検出して遮断できる明確な電流経路が形成されます。

設計上の考慮事項 - 実際にエンジニアリングを推進するもの

土壌抵抗率 - 制御不可能な変数

紙の上で完璧なグリッドをデザインすることはできますが、それが機能するかどうかは土壌によって決まります。新しい変電所の敷地では、最初に抵抗率の測定が行われます。 Wenner 4 ピン法では、4 つのプローブを一列に並べて駆動し、外側の 2 つのプローブの間に電流を注入し、内側の 2 つのプローブ間の電圧を測定し、抵抗率を計算するのが標準的です。

砂質の乾燥した土壌では、数千オームメートルになる可能性があります。濡れた粘土なら数十個は得られるかもしれない。グリッドは実際に地面にあるものを中心に設計されています。抵抗率が高すぎる場合は、ロッドを追加するか、グリッドを延長するか、化学処理を使用します。

最悪の場合の故障電流のサイジング

電力網は、保護装置の最大解除時間の間、電力会社が供給できる最大故障電流に耐える必要があります。これは熱容量だけではなく、電流分布にも関係します。障害が発生すると、電流はグリッドに均一に流れなくなります。注入箇所に集中します。局所的な過熱や危険な表面電圧を防ぐために、設計ではこれらの勾配を考慮する必要があります。

IEEE 80 - 聖書

私がこれまで取り組んできた米国の変電所接地設計はすべて、IEEE Std 80、「AC 変電所接地の安全性ガイド」を参照しています。読みやすい内容ではありませんが、接地システムが安全かどうかを定義する方程式、方法、および許容基準が含まれています。対称グリッド、間隔の計算、許容電圧の公式はすべてこの規格に基づいています。

NECの角度

変電所の引き込み口および顧客側部分には、米国電気工事規程 (NEC) が適用されます。これは、接地電極の導体のサイズ、個別に派生したシステムの結合、水道管の電極が存在する場合は接続などを制御します。電力会社が所有する部分は、多くの場合、NEC ではなく IEEE および電力会社固有の標準に従っていますが、境界があいまいになる場合があります。

他のタイプとの比較 - 実際には重要ではありません

アメリカの変電所の接地を比較した記事を見かけます。ヨーロッパのボックス型変電所そして地下変電所、そして正直に言うと、物理学はどこでも同じです。違いは基本的なものではなく、参照される規格と一般的な構築方法にあります。ヨーロッパの設計は IEC 61936 を参照している可能性がありますが、低抵抗、制御された勾配、接合された機器などの目標は同じです。本当の違いは規模です。アメリカの送電変電所は規模が大きく、故障電流が高く、より大規模な送電網を必要とする傾向があります。

メンテナンス - 実際に失敗するもの

地上グリッドは埋め込まれています。腐食しているのが見えません。接続が緩んでいる様子は見られません。システムがまだ損傷していないことを確認する唯一の方法は、テストすることです。

電位低下試験では、グリッドの抵抗を測定します。ステップおよびタッチ電位測定により、通電動作中の安全性が検証されます。深刻な場合には、接続を検査するために掘削したり、電磁的方法を使用してグリッドをマッピングしたりすることがあります。腐食は敵です。異種金属、酸性土壌、近くの鉄道や HVDC 線からの迷走 DC 電流はすべて腐食を促進します。

私がお客様に伝えること

アメリカの変電所を購入する場合、接地システムについて次のことを聞いてください。

目標のグリッド抵抗はどれくらいですか?実際の現場の土壌試験に基づいてどのように計算されましたか?

どのような故障電流が想定され、どのような解消時間になるのでしょうか?

IEEE 80 に準拠したステップアンドタッチの可能性について設計がレビューされましたか?

すべての接続は発熱溶接されていますか? それとも機械的なラグが使用されていますか?

設置後の検査とテストの計画は何ですか?

なぜなら、これが真実だからです。変圧器はピカピカの新品で届くからです。開閉装置にはテスト証明書が付いています。接地システムは土の中に埋もれて忘れ去られてしまいます。しかし、障害が発生した場合、安全な停止と死亡事故との間に立ちはだかるのは、その埋設された銅だけです。

結論

結論として、アメリカの変電所の接地システムは、電気インフラストラクチャの複雑かつ重要なコンポーネントです。電気の安全性を確保し、機器を保護し、システムの安定性を維持する上で重要な役割を果たします。のサプライヤーとしてアメリカの変電所, 私は、厳しい規制要件と各変電所の特定のニーズを満たす高品質の接地システムを提供することの重要性を理解しています。

米国の変電所を検討している場合、または既存の接地システムをアップグレードする必要がある場合は、弊社までご相談いただくことをお勧めします。当社の専門家チームは、お客様の要件を満たす信頼性の高い接地システムの設計と設置をお手伝いします。調達ニーズについて話し合い、交渉プロセスを開始するには、お気軽にお問い合わせください。