四国電力，四国総合研究所
研究期報１０７（2017年12月）
３５－３８ページ

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

四国電力㈱
水力部
㈱四国総合研究所 電力技術部㈱四国総合研究所 電力技術部（現：四国電力㈱考査室）

キーワード：

雷サージ
低圧制御回路
EMTP
誘起電圧

Key Words：

寺尾 武蔵
藤村 直人
泉川 雅弘

lightning surge
low voltage control circuits
Electro Magnetic Transients Programinduced voltage

Study of reduction in withstand voltage values of switchboards in hydroelectric power stations

Shikoku Electric Power Co., Inc., Hydro Power Plant Dapartment
Takezou Terao
Shikoku Research Institute, Inc., Electric Power Department
Naoto Fujimura, Masahiro Izumikawa

Abstract

The commercial frequency withstand voltage value of low voltage circuits in power equipment is specified to be
2kV. This is a high value, taking into consideration the importance of the equipment responsible for supplying
electricity to customers.
However, in the case of small hydroelectric power plants with 6 kV distribution line interconnected systems,
where the surge level in low voltage control circuits is low, general purpose equipment suitable for generalindustries can be used. This results in cost reduction if the withstand voltage value of switchboards can besuppressed to 1.5 kV or less.
Thus, we have evaluated the possibility of using the withstand voltage values that are normally in use in generalindustries in small hydroelectric power plants by studying and analyzing abnormal voltage phenomena occurringin low voltage control circuits of small hydroelectric power plants.

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水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

1．はじめに電力用設備における低圧回路の商用周波耐電圧値は，お客さまへの電力供給を担う設備の重要性を鑑みて，ＪＥ
Ｍ「電力用保護継電器一般編」（1963 年）により，高水準の耐電圧値として 2kV が規定されており，当社では，小水力発電設備も含めた全ての電力用設備に 2kV が適用されている。
しかしながら，低圧制御回路へ侵入するサージレベルが低い 6kV 配電線連系の小水力発電所の場合，その値を 1.5kV 以下に抑制できれば，一般産業用の汎用機器を採用することが可能となり，配電盤のコスト低減が図れる。
図 2 一般産業用配電盤の故障要因（図１）
このため，小水力発電所の低圧制御回路に発生する

2.2 水力発電所における配電盤低圧回路への誘起電圧異常電圧現象を整理，解析することにより，一般産業用耐波形の観測電圧値の適用の可能性について評価した。

(1) 観測概要
運転中の小水力発電所において，雷サージ等による2．評価内容と結果
2.1 一般産業用機器の故障要因調査

配電盤低圧回路に使用されている制御ケーブルの余り(1) 調査概要

芯（配電盤側）に波形記録装置を接続し，誘起電圧波形配電盤製造メーカを対象に，一般産業用機器の故障の観測を行った。

件数とその要因について聞取り調査を行った。

(2) 観測対象発電所
一般的に低圧制御回路の誘起電圧が高くなる主な要(2) 調査結果

因は，配電盤製造メーカの把握する配電盤故障件数は，過去５年間で280件であり，うち雷サージに起因するものは７件

・要因１：接地抵抗が比較的高い（全体の 2.5%）との回答を得た。（図２）・要因２：放電電流が配電柱の避雷器よりも接地網に流入する割合が高い

本データは顧客よりメーカへ通知のあった件数である

・要因３：配電箱と配電盤が離れており，接地網が分割さが，雷サージに起因する故障の割合は少なく，一般産業れ，接地抵抗差が大きい用配電盤の異常電圧に対する故障リスクは極めて低い，

上記３項である。要因１は，各発電所の接地抵抗値が技という見解であった。

図１ 低圧制御回路へのサージ侵入経路－36－

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

術基準値（A 種接地工事：10Ω）を満たす範囲では大差

2.4 雷サージ誘起電圧の測定（発電所モデル）が無いため対象外とし，要因２に該当する発電所（発電所(1) 測定概要Ａとする）と要因３に該当する発電所（発電所Ｂとする），実際に対象発電所と同等のケーブル敷設状況や接地および上記要因に該当しない発電所（発電所Ｃとする）の環境を模擬した発電所モデルを作成し，試験装置から電合計３ヶ所を対象とした。

流を入力することにより低圧制御回路に誘起される異常(3) 観測結果電圧の測定を行った。

今回，約 14 ヶ月（平成 27 年 11 月～平成 29 年 1 月）

発電所モデルにおける雷サージ印加点は，発電所引に亘り観測を実施した。各発電所の半径 1km の範囲で 1込配電柱とし，試験装置から主回路（CV ケーブル）およ～17回の落雷が観測されたが，雷サージに起因すると思び開閉器を介して接地網へ流れる回路構成とした。そのわれる誘起電圧波形を記録することはできなかった。こCV ケーブルや接地網の付近に低圧制御回路（制御ケーれは，発電所が連系している配電線は避雷器により耐雷ブル）を配置し，主回路に試験電流が流れた時に誘起さ対策が施されており，雷サージを抑制していたと推測される電圧値を実測した。（図４）

れる。

測定器
（誘起電圧）：電流の流れ

2.3 雷サージ誘起電圧の解析（EMTP 解析）

配電箱

①試験装置
（電流入力）(1) 解析概要

②主回路（CVケーブル）

前述の観測対象発電所について，その主回路や設備③開閉器⑤制御ケーブル（誘起電圧測定）構成を 模擬し た EMTP （ Electro Magnetic TransientsProgram）モデルを作成し，雷サージが低圧制御回路に侵入した際の最高誘起電圧値を解析により求めた。
誘起電圧モデル作成の手法および各定数の設定は，低圧回路サージの実証試験によりシミュレーションモデルの定数をコンクリートダクト定めた「保護制御システムのサージ対策技術」（電気協同避雷器の接地を模擬研究 第 57 巻 第 3 号）や，「発変電所及び地中送電線の耐雷設計ガイド（2011 年改訂版）」（電力中央研究所報告：④接地網

図４ 発電所モデルの作成状況

H06）に基づき作成した。

(2) 測定結果

また，侵入が想定される雷サージ電流は，一般的な配試験装置から 100～200A の範囲で電流値を変えなが電線用避雷器の公称放電電流である 2,500A とした。

ら，制御ケーブルに発生する誘起電圧を複数点測定し，(2) 解析結果電流値と誘起電圧値が比例関係にあることを確認した。こ低圧制御回路の条件として，CVV-S ケーブルが両端れをもとに，EMTP 解析値と同じ 2,500A が入力された際接地されていれば誘起電圧を約 300V まで抑制できるとの誘起電圧値を推定した結果，CVV-S ケーブルが両端いう結果が得られた。（図３）

接地されていれば，誘起電圧を約250V まで抑制できるこ

なお，CVV-S ケーブルが片端接地の場合では，誘起とを確認した。（図５）

電圧は 1.5kV を超える結果となった。

図３ ＥＭＴＰモデル解析値

図５ 発電所モデル試験結果 （CVV-S ケーブル両端接地）－37－

水力発電所配電盤における耐電圧値引き下げに関する研究

また，CVV-S ケーブル（片端接地）の場合は発電所ＡおよびＢの誘起電圧が 1.5kV を超えることを確認した。
（図６）

図６ 発電所モデル試験結果 （CVV-S ケーブル片端接地）
更に，この実測結果と EMTP 解析結果は，ほぼ同等の値となったことから，今回作成したEMTPモデルの信頼性も確認できた。（表１）
表１ 誘起電圧測定結果の比較
発電所Ａ
モデル

誘起電圧

ＥＭＴＰ

発電所Ｂ
モデル

ＥＭＴＰ

発電所Ｃ
モデル

ＥＭＴＰ

250V
287V
206V
198V
91V
92V
(▲83%) (▲81%) (▲86%) (▲87%) (▲94%) (▲94%)（）：1.5kVに対する比率

3. まとめ今回の研究結果より，一般産業用配電盤への雷サージに起因する故障事例は極めて少なく，また 6kV 配電線連系の小水力発電所においては，配電線の耐雷対策などによって雷サージが侵入する可能性も低い。更に，雷サージが侵入したとしても，低圧制御回路に使用するCVV-S ケーブルが両端接地されていれば，誘起電圧を1.5kV 未満へ抑制できるため，一般産業用配電盤を採用することは可能であることが分かった。
今後は，研究対象外であった小水力発電所についても，ＥＭＴＰ解析で確認し，制御ケーブルを両端接地することで，一般産業用配電盤の採用を進め，コスト低減に努める。

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