保護継電器
保護継電器は、電力システムにおいて不可欠な安全装置であり、電気回路を異常から守るためのリレーの一種です。具体的には、発電所、変電所、送配電線、あるいは需要家の設備に発生する短絡や地絡といった電気的な故障を高精度に検出し、その影響が他の健全な部分に波及しないよう、故障区間を特定して迅速に電力系統から隔離する役割を担います。この隔離操作は、連動する遮断器に対して制御信号を送ることで実現されます。保護継電器が適切に機能するためには、それぞれの機器の動作時間や動作値を慎重に設定する「整定」が必要です。特に、事故の影響を上位の設備に波及させないため、末端の設備ほど短い時間で動作するように協調を考慮して整定が行われます。事前の特性検討に加え、現場での特性試験を通じて最終的な整定値が決定されます。場合によっては、単独の整定では適切な協調が得られないこともあり、動作時間を調整するための遅延リレーが補助的に用いられることもあります。
保護継電器には、検出する異常の種類や目的によって多様なタイプが存在します。主なものを以下に挙げます。
過電流継電器 (OCR): 定められた値以上の電流が流れた際に動作します。異常電流の検出を行う「時限要素」と、短絡電流のような突発的な大電流を検出する「瞬時要素」を持ちます。
地絡過電流継電器 (OCGR/GR): 地絡事故によって発生する、一定値以上の零相電流（地絡電流）を検出して動作します。零相電流は零相変流器 (ZCT) を介して検出されます。静電容量の大きい長距離ケーブルなどでは誤動作の可能性があるため、地絡方向継電器 (DGR) の使用が推奨される場合があります。
過電圧継電器 (OVR): 回路に許容範囲を超える電圧が加わった場合に動作し、発電機故障などによる過電圧から機器を守ります。特に電圧変動に敏感な設備では、受電回路にも使用されることがあります。
不足電圧継電器 (UVR): 電路の電圧が規定値以下に低下した際に動作します。停電や負荷の短絡に伴う電圧低下の警報や、非常用発電機の起動指令などに用いられます。
地絡過電圧継電器 (OVGR): 配電線での地絡事故時に現れる零相電圧を検出して動作します。零相電圧の検出には、受電電圧レベルに応じて接地形計器用変圧器 (EVT) やコンデンサ形零相電圧検出装置 (ZPD) が使用されます。単独ではなく、多くの場合DGRと組み合わせて使用されます。
差動継電器 (DFR): 保護対象となる区間に出入りする電流のベクトル的な差が一定値を超えた場合に動作します。正常時は入出力電流がほぼ等しいため動作しませんが、区間内部で事故が発生すると電流バランスが崩れて動作します。
比率差動継電器 (RDFR): 差動継電器の課題である計器用変成器 (CT) の飽和による誤差電流での誤動作を防ぐため、動作電流と抑制電流の「比率」に基づいて動作を判断します。変圧器、発電機、母線の保護に広く用いられます。
地絡方向継電器 (DGR): 零相電圧と零相電流の位相関係から、地絡事故点の方向を判定して動作します。特に複数の配電線を持つ変電所などで、事故が発生した配電線のみを選択的に遮断するために使用されます。
短絡方向継電器 (DSR): 線間電圧と相電流の組み合わせを用いて、短絡事故点の方向を判定します。過電流継電器では区間特定が難しい、ループ状の系統や両側から電源が供給されている系統で有効です。
距離継電器 (DR): 電圧と電流を入力として、それらの比率（インピーダンス）が規定値以下になったときに動作します。このインピーダンスは送電線の電気的な距離を示すため、距離継電器と呼ばれます。
逆電力継電器 (RPR): 電力の供給方向を監視し、通常とは逆の方向（受電側から送電側）に電力が流れた場合に動作します。自家発電設備を持つ施設が誤って外部に送電するような事態を防ぐために使用されます。
不足周波数継電器 (UFR): 電力系統の周波数が規定値（通常50Hzまたは60Hz）より低下した際に動作します。主に発電機回路の保護に用いられます。
過周波数継電器 (OFR): 電力系統の周波数が規定値を超過した際に動作します。こちらも主に発電機回路の保護に使用されます。
保護継電器は、その保護対象や配置される位置によっても分類されます。
線路保護継電器: 主に送電線や配電線で発生した事故を検出し、その事故線路の両端にある遮断器を開放させます。
母線保護継電器: 発電所や変電所の母線（複数の電路が接続される場所）で発生した事故に対応します。動作すると、事故母線に接続された遮断器が開放され、事故母線を系統から隔離します。
主保護継電器: ある保護区間において、事故発生時に最も速やかに動作するよう設定された主要な保護継電器です。電力系統は通常、多重の保護によって守られており、その第一線を担います。
後備保護継電器: 主保護継電器が何らかの理由で正常に動作しなかった場合に、バックアップとして動作する保護継電器です。事故による停電範囲は主保護よりも広がる可能性があるため、動作時間は主保護より遅く設定されます。
機器保護継電器: 変圧器や発電機などの主要機器自体の状態（温度、圧力など）を監視し、異常時に機器を保護するための継電器です。
保護継電器を選定する際には、上位系統の接地方式を考慮することが極めて重要です。例えば、日本の配電線路は多くが非接地方式ですが、一部地域では消弧リアクトル接地方式が採用されています。接地方式に適さない継電器を選定してしまうと、期待通りの動作特性が得られず、本来の保護機能を発揮できない可能性があります。
種類
保護継電器には、検出する異常の種類や目的によって多様なタイプが存在します。主なものを以下に挙げます。
過電流継電器 (OCR): 定められた値以上の電流が流れた際に動作します。異常電流の検出を行う「時限要素」と、短絡電流のような突発的な大電流を検出する「瞬時要素」を持ちます。
地絡過電流継電器 (OCGR/GR): 地絡事故によって発生する、一定値以上の零相電流（地絡電流）を検出して動作します。零相電流は零相変流器 (ZCT) を介して検出されます。静電容量の大きい長距離ケーブルなどでは誤動作の可能性があるため、地絡方向継電器 (DGR) の使用が推奨される場合があります。
過電圧継電器 (OVR): 回路に許容範囲を超える電圧が加わった場合に動作し、発電機故障などによる過電圧から機器を守ります。特に電圧変動に敏感な設備では、受電回路にも使用されることがあります。
不足電圧継電器 (UVR): 電路の電圧が規定値以下に低下した際に動作します。停電や負荷の短絡に伴う電圧低下の警報や、非常用発電機の起動指令などに用いられます。
地絡過電圧継電器 (OVGR): 配電線での地絡事故時に現れる零相電圧を検出して動作します。零相電圧の検出には、受電電圧レベルに応じて接地形計器用変圧器 (EVT) やコンデンサ形零相電圧検出装置 (ZPD) が使用されます。単独ではなく、多くの場合DGRと組み合わせて使用されます。
差動継電器 (DFR): 保護対象となる区間に出入りする電流のベクトル的な差が一定値を超えた場合に動作します。正常時は入出力電流がほぼ等しいため動作しませんが、区間内部で事故が発生すると電流バランスが崩れて動作します。
比率差動継電器 (RDFR): 差動継電器の課題である計器用変成器 (CT) の飽和による誤差電流での誤動作を防ぐため、動作電流と抑制電流の「比率」に基づいて動作を判断します。変圧器、発電機、母線の保護に広く用いられます。
地絡方向継電器 (DGR): 零相電圧と零相電流の位相関係から、地絡事故点の方向を判定して動作します。特に複数の配電線を持つ変電所などで、事故が発生した配電線のみを選択的に遮断するために使用されます。
短絡方向継電器 (DSR): 線間電圧と相電流の組み合わせを用いて、短絡事故点の方向を判定します。過電流継電器では区間特定が難しい、ループ状の系統や両側から電源が供給されている系統で有効です。
距離継電器 (DR): 電圧と電流を入力として、それらの比率（インピーダンス）が規定値以下になったときに動作します。このインピーダンスは送電線の電気的な距離を示すため、距離継電器と呼ばれます。
逆電力継電器 (RPR): 電力の供給方向を監視し、通常とは逆の方向（受電側から送電側）に電力が流れた場合に動作します。自家発電設備を持つ施設が誤って外部に送電するような事態を防ぐために使用されます。
不足周波数継電器 (UFR): 電力系統の周波数が規定値（通常50Hzまたは60Hz）より低下した際に動作します。主に発電機回路の保護に用いられます。
過周波数継電器 (OFR): 電力系統の周波数が規定値を超過した際に動作します。こちらも主に発電機回路の保護に使用されます。
形態による分類
保護継電器は、その保護対象や配置される位置によっても分類されます。
線路保護継電器: 主に送電線や配電線で発生した事故を検出し、その事故線路の両端にある遮断器を開放させます。
母線保護継電器: 発電所や変電所の母線（複数の電路が接続される場所）で発生した事故に対応します。動作すると、事故母線に接続された遮断器が開放され、事故母線を系統から隔離します。
主保護継電器: ある保護区間において、事故発生時に最も速やかに動作するよう設定された主要な保護継電器です。電力系統は通常、多重の保護によって守られており、その第一線を担います。
後備保護継電器: 主保護継電器が何らかの理由で正常に動作しなかった場合に、バックアップとして動作する保護継電器です。事故による停電範囲は主保護よりも広がる可能性があるため、動作時間は主保護より遅く設定されます。
機器保護継電器: 変圧器や発電機などの主要機器自体の状態（温度、圧力など）を監視し、異常時に機器を保護するための継電器です。
注意事項
保護継電器を選定する際には、上位系統の接地方式を考慮することが極めて重要です。例えば、日本の配電線路は多くが非接地方式ですが、一部地域では消弧リアクトル接地方式が採用されています。接地方式に適さない継電器を選定してしまうと、期待通りの動作特性が得られず、本来の保護機能を発揮できない可能性があります。
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