DC システム用地絡保護
直流（DC）システムには、正極のバスと負極のバスがあります。どちらかのバスが意図的に接地されている場合、それは接地システムと呼ばれます。どちらのバスも接地されていない場合は、非接地 DC システムと呼ばれます。DC システムの地絡は、電源および現場に損傷を与える場合があります。システムが接地されていない場合は、2つのバス間に接地基準モジュールを取り付けて中性点を確立することにより、地絡継電器を使用できます（図 1 を参照）。地絡継電器はこの基準を使用して、故障電流が流れる経路を作成し、それを測定することができます。接地基準モジュールは、故障電流を非常に低い値に抑えるために選択されます。
図 1.
AC システム用地絡保護
図 2 に示すように、非接地 AC システムは、電力の継続性が重要な場合に使用されていました。たとえば、多額の費用や製品の損失なしに中断できないプロセスを含む化学プラントや製油所には、非接地システムがある場合があります。しかし、経験上、これらのシステムには問題があり、抵抗接地システムに置き換えられつつあります。非接地システムの 2 つの大きな問題は、過渡過電圧と地絡箇所特定の難しさです。
図 2.
非接地システムには、電流が流れていない金属部品を意図的に接地する箇所がシステム内にありません。地絡は、大地へのシステムキャパシタンスを通してのみ発生します（図 2 を参照）。システムは 1 相が地絡した状態で運転できるため、運転の継続性がもたらされます。断続的な故障やアーク放電の故障は、大地に対して高い過渡過電圧を発生させる可能性があります。これらの電圧は、最も弱い部分の絶縁が破壊されるまで、システム全体の相導体に印加されます。この絶縁破壊は電気システムのどの時点でも発生し、相と大地間の障害を引き起こします。システム上で地絡を検知または警告することは可能ですが、障害の発生箇所を特定するのは困難です。
非接地システムの地絡を検出するには、2 つの方法があります。1 つの方法は、相と大地間の電圧を監視することです。地絡が発生すると、地絡した相が大地の電位まで低下し、表示灯が暗くなります。地絡していない相の表示灯は明るくなります。地絡を検出する 2 つ目の方法は、絶縁抵抗を測定することです。絶縁が劣化すると、絶縁抵抗を継続的に監視するリレーが、予知保全のためにさまざまなレベルでアラームを発することができます。視覚的なインジケーターまたはメーターも使用できます。
直接接地システム
非接地システムの問題により、哲学のシフトが起こり、設計は非接地システムから接地システムに移行しました。ほとんどの場合、選択された接地システムの種類は直接接地でした。直接接地システムとは、少なくとも 1 つの導体または箇所（通常は変圧器または発電機巻線の中性点）が意図的に接地された導体のシステムです。直接接続での問題点は、地絡電流が過剰になり、アーク放電の危険性や機器の広範な損傷、人的被害を引き起こす可能性があることです。直接接地システムでは、地絡が発生したら運転を続けることはできません。
図 3.
直接接地システムでは、電源の Y 点（または中性点）が直接大地に接続され、固定した相 / 大地間電圧を維持する非常に安定したシステムを提供します。
高い地絡電流は、ヒューズ、回路遮断器、保護リレー、あるいはそれらの組み合わせによって容易に検出でき、選択的なトリップ（メインフィーダーではなく、地絡したフィーダーをトリップすること）が可能になります。地絡が発生すると、地絡に利用できるエネルギーはシステムインピーダンス（通常は非常に低い）によってのみ制限されるため、地絡箇所おける大きな障害がすぐに引き起こされる可能性があります。過剰な地絡電流およびアーク放電の危険性があるため、地絡したフィーダーを使用しないことが必要です。これにより、地絡時に運転を継続することはできません。
図 4.
図 4 は、直接接地システムに関連する危険性の例を示しています。この例では、地絡が発生し、過電流保護は 600 A に設定されています。
この地絡はインピーダンスがゼロの地絡ではなく、絶縁破壊またはラインとアース間のクリアランスの部分的な減少によるアーク放電障害であると仮定します。
アーク抵抗があるので、地絡電流はインピーダンスゼロの地絡レベルの 38% まで低下する可能性があります。これは、通常負荷またはわずかな過負荷の範囲に収まります。故障電流が十分に低いため、過電流デバイス（600-A 回路遮断器）が故障を感知しないか、または故障を拾っても長時間トリップしない場合があります。電源から供給されるエネルギーはアークに集中し、とても短時間に機器へ深刻な損傷を与える恐れがあります。
このエネルギーの放出は火災を引き起こし、同様に施設に損害を与え、人員を極めて危険な状態に陥らせる可能性があります。この直接接地システムを抵抗接地に変換する場合を除き、損傷を防ぐ最善の方法は、地絡事故になる前に低レベルの漏電を検出することです。これを実現するには、保護リレーが不必要なトリップを起こすことなく、低レベルの漏電を感知できなければなりません。
現代的な施設では、機器からノイズや高調波が発生することが多く、保護リレーの適切な機能を妨げることがあります。たとえば、ノイズや高調波が目的の地絡継電器の設定値よりも高くなり、システムに故障がないのに継電器が誤って作動することがあります。保護リレーは、信頼性の高い保護を提供するために、ノイズや高調波を除外できなければなりません。
抵抗接地システム
抵抗接地により、通常、非接地システムおよび直接接地システムに関連する問題は解決されます。この名称は、システムの中性点と大地との間に抵抗を追加することに由来しています（図 5 を参照）。抵抗器の仕様は所望の地絡電流が得られるようにユーザーが決定します。ここでこの地絡電流は、システムの容量性充電電流（このセクションで後述）よりも大きい必要があります。
図 5.
過渡過電圧は、中性点接地抵抗器（NGR）のサイズを正しく設定し、システムのキャパシタンスに対して適切な放電経路を確保することで除去できます。通常、地絡電流が 10 A 未満の場合、1 箇所地絡した状態での運転の継続は許容されます。NGR は、利用可能な地絡電流を制限します。これにより、障害点における損傷（アーク放電の危険性）を排除または最小限に抑え、地絡電圧を制御します。地絡電流が 10 A 未満の場合、地絡箇所を特定するためにパルス状の電流を使用できます。パルス状の電流は、短絡させた接触器を使用して抵抗の半分を短絡させることで発生し、地絡電流が 2 倍になります（通常は 1 秒に 1 サイクル）。携帯型の零相メーターが、変動する地絡電流を検出し、地絡箇所を特定するために使用されます。
抵抗接地の唯一の欠点は、抵抗器が故障した場合、システムが非接地になることです。これを防ぐために、抵抗の監視が推奨されます。抵抗接地システム用の保護リレーは、地絡を検知し、中性点大地間接続を監視するために使用されます。これは、地絡検出時にアラームを発したり、フィーダーをトリップさせたりするために使用できます。
このリレーは、地絡箇所を特定するために使用できるパルス発生回路を提供できます。また、このリレーは中性点大地間の経路に障害が発生した場合にアラームを発したり、トリップさせたりすることができます。5 kV 以下のシステムには、高抵抗接地を使用できます。高抵抗接地により、通常、抵抗電流は 10 A 以下に制限されます。そうすることで、電圧シフトについてシステムの定格が決められている限り、地絡障害がシステムに残存する可能性があります。5 kV を超えるシステムの場合、中性点接地抵抗器の定格は通常 25 A 以上で、地絡電流は 10 秒以内に解消されます
システムの容量性充電電流
物理的には大地に接続されていませんが、電気導体とすべてのコンポーネントの巻線は容量的に大地に接続されています。その結果、各相から小さな電流が大地に流れます。この電流は特定の場所で発生しません。むしろ、大地へのキャパシタンスがシステム全体に分散されるのと同じように、システム全体に分散されます。分析する場合には、図 6 と図 7 に示すように、分散したキャパシタンスをまとまったキャパシタンスと見なすと便利です。
図 6.
分散したキャパシタンスのバランスが取れていない場合でも、CT ウィンドウを通って流れるすべての電流は CT ウィンドウを通って戻らなければならないため、電流計の指示値はゼロになります。システム充電電流とは、非接地システムの一相が大地に地絡した場合に接地接続に流れる電流です（図 9 を参照）。適切な予防策が講じられていれば、以下に示すように測定できます。
- CT の電源側で地絡が発生した場合、CT ウィンドウ内の電流の合計はゼロではありません。
- 電流計 A の指示値は、地絡していない相の容量性電流の合計値になります。この値は、CT の負荷側にあるすべての機器の充電電流です。
図 7.
図 8 は、フィーダー 3 が地絡した 3 フィーダー抵抗接地システムの単線結線図を示しています。地絡していないフィーダーの CT（A1 および A2）は、そのフィーダーの充電電流を検出します。地絡したフィーダーの CT（A3）は、地絡していないフィーダーの抵抗電流（IR）と充電電流（I1 + I2）の合計値を検出します。
