電動機総合保護の整定原則

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電動機の総合保護の設定原則

1. 差動電流速断保護
電動機が無負荷で起動する際に発生する最大の一時的な電流によって生じる不平衡電流、および短絡時の不平衡電流を考慮して設定されます。
一般的には、Idz=KIe/nとします。
ここで：
Idz：差動電流速断の動作電流
Ie：電動機の定格電流
K：通常6～12とします。

2. 縦差保護
1）縦差動保護の最小動作電流の設定
最小動作電流は、電動機が起動する過程で発生する不平衡電流よりも大きくなければなりません。
Idz.min=KKΔmIe/n
ここで：
Ie：電動機の定格電流
n：電流変換器の変換比
KK：信頼度係数で、3～4とします。
Δm：電流変換器の変換比が完全に一致しないことによって生じる誤差で、通常0.1とします。
実際の設計では、Idz.min=(0.3～0.6)Ie/nとしてもよいです。 2）比率制動係数Kは、最大の外部短絡電流があっても差動保護が誤動作しないという条件に基づき、最大制動係数K = KKKfzq Ktx Kcとして計算される。ここで：Ktx：電流変成器の同型係数で、Ktx=0.5、KK：信頼性係数で2～3を採用、Kc：電流変成器の比誤差で0.1を採用、Kfzq：非周期成分係数で1.5～2.0を採用する。計算値のKmaxは0.3だが、電流変成器の飽和や過渡特性の歪みの影響を考慮し、実用上の調整計算ではK=0.5～1.0を選択する。

3、相電流速断保護
1）速断動作電流の高値Isdg
Isdg = Kk / Ist
ここで、Ist：モーターの起動電流（A）、Kk：信頼性係数でKk = 1.3を採用する。
2）速断電流の低値Isdd
Isddは0.7～0.8Isdgとし、一般的には0.7Isdgを採用する。
3）速断動作時間tsd
モーター回路の出口として真空スイッチまたは少油スイッチを使用する場合は、tsd = 0.06sとする。一方、モーター回路の出口としてFCを使用する場合は、ヒューズが速断保護より先に溶断するよう適切に遅延させる必要がある。 4、電動機の起動時間tqdは、電動機の実際の起動時間に一定の余裕を見込んで設定し、tqd＝実際の起動時間の1.2倍とすることができる。 5. 負序過電流保護
1) 負序動作電流I2dz
I2dzは、正常運転時に許容される負序電流を超えないように設定する。一般的に、相欠落や逆相などの重度の不平衡が生じた場合、I2dz＝（0.6～0.8）Ieとすればよい。感度の高い不平衡保護を行う場合は、I2dz＝（0.2～0.4）Ieとしてもよい。
2) 負序動作時間定数T2
母線で二相短絡が発生した場合、モーター回路には大きな負序電流が流れる。したがって、T2は外部での二相短絡が最長で除去されるまでの時間よりも長く設定する必要がある。FC回路においては、非対称短絡時のヒューズの溶断を回避しなければならず、つまり負序保護はヒューズが溶断する前に動作してはならない。 3) 2段階のタイムリミット保護を設定する。6、接地保護　電動機保護測定制御装置の一次動作電流は、保護対象分岐の外部で単相接地故障が発生した際に、保護対象素子から流れ出るキャパシタンス電流を回避できるように設定され、最小感度係数1.25に基づいてIdz ≥Kk Icx および Idz ≤(Ic∑-Icx)/1.25となる。ここで：Icx：保護対象回路の外部で単相接地故障が発生した際に、保護対象素子から流れ出るキャパシタンス電流　Ic∑：電力系統全体の単相接地キャパシタンス電流　Kk：信頼度係数で、Kk=4～5とすることができる。7、過熱保護　過熱保護には、発熱時間定数Tfrと放熱時間Tsrという2つの定数が関与する。 1）発熱時間定数Tfr 発熱時間定数Tfrは電動機メーカーによって提供されるべきであり、メーカーがこの値を提供しない場合は、以下のいずれかの方法で推定することができる。 A 製造元が提供する電動機の過負荷耐量データに基づいて推定する。X倍の過負荷時にt秒間運転が許容される場合、Tfr = （X²－1.052）tとなる。複数の過負荷耐量データがある場合は、算出されたTfr値の中から最小値を採用する。 B モーターの温度上昇値と電流密度が既知の場合、以下の式でTfr値を推定できる： Tfr＝（150×θe）×（θM／θe－1）／（1.05×Je²） ここで、θe：モーターの固定子巻線の定格温度上昇値 θM：モーターに使用されている絶縁材料の限界温度上昇値 Je：固定子巻線の定格電流密度 例えば：モーターがB級絶縁を使用しており、その限界温度上昇値θM＝80℃、モーターの固定子巻線の定格温度上昇値θe＝45℃、固定子巻線の定格電流密度Je＝3.5A/mm²の場合： Tfr＝｛（150×45）／（1.05×3.5²）｝×（80／45－1）＝408（秒）

C モーターの起動電流による固定子の温度上昇値から発熱時間定数を決定する Tfr＝（θ×Ist²×tst）／θ1st ここで、θ：モーターが定格連続運転時の安定温度上昇値 Ist：モーターの起動電流倍率 tst：モーターの起動時間 θ1st：モーター起動時間における固定子巻線の温度上昇値

D モーターの運転規程に基づいてTfr値を推定する 例えば：あるモーターでは冷態状態から全回転速度までの連続起動回数が2回を超えてはならないと規定されており、そのモーターの起動電流倍率Istと起動時間tstが既知の場合： Tfr≤2（Ist²－1.05²）tst

2) 放熱時間Tsr モーターが過熱した後、通常状態まで冷却されるのに必要な時間として設定する。 8、電動機の過熱による再起動禁止保護 過熱ロック値θbは、電動機が再び正常に起動できることを前提に設定され、一般的にθb=0.5とする。 9、長時間起動保護 長時間起動保護は、電動機の定格起動電流Iqdeと、電動機が許容できるブロッキング時間tydという2つの定数に関連しています。 1）電動機定格起動電流Iqdeは、電動機が定格運転状態で起動する際の起動電流（A）とする。 2）電動機の許容スタッティング時間tydは、電動機の最大安全スタッティング時間（S）とする。 10、直相過電流保護 直相過電流保護は、直相過電流動作電流I1g1と直相過電流動作時間t1g1という2つの定数に関連している。 1）正相過電流動作電流I1gl 一般的にI1gl＝（1.5～2.0）Ieとすることができる
2）正相過電流動作時間t1gl 一般的にt1gl＝（1.5～2.0）tydとすることができる

11、低電圧保護
1）重要でない電動機を遮断する条件に基づいて整定する
低電圧動作値：
中温中圧発電所の場合 Udz＝60～65％ Ue
高温高圧発電所の場合 Udz＝65～70％
重要な電動機の自己起動を保護するため、最短時間としてt＝0.5秒を採用する

2）電動機の自己起動時に供給母線で許容される最小電圧を回避し、信頼度係数および電圧リレーの復帰係数も考慮して整定する
中温中圧発電所の場合 Udz＝（60～65％）Ue／（KKKf） 一般的に40％Ueとする
高温高圧発電所の場合 Udz＝（65～70％）Ue／（KKKf） 一般的に45％Ueとする
技術的安全および工程プロセスの特性を確保する条件に基づいて整定し、時間遅延を十分に大きく設定することで、電圧が長期間低下または消失した場合のみ電動機を遮断する
一般的に：t＝9秒とする

変圧器保護の整定原則
1、差動電流速断保護
変圧器が無負荷状態から投入された際の励磁突入電流および外部短絡時において保護装置に流入する最大不平衡電流を回避するように整定する
一般的に：Idz＝KIe／n
式中：
Idz：差動電流速断の動作電流
Ie：変圧器の定格電流
K：倍率

6300KVA以下　7～12
6300～31500KVA　4.5～7.0
40000～120000KVA　3.0～6.0
120000KVA　2.0～5.0

2、縦差保護
1）縦差保護の最小動作電流の整定
最小動作電流は、変圧器が定格負荷時に生じる不平衡電流よりも大きくなければならない
Idz.min＝KK（Kc＋ΔU＋Δm）Ie／n
式中：
Ie：変圧器の定格電流
n：電流変流器の変成比
KK：信頼度係数で1.3～1.5を採用
Kc：電流変流器の比誤差。10P型では0.03×2、5P型およびTP型では0.01×2とする
ΔU：変圧器の電圧調整に起因する誤差で、調整範囲内で定格値から最も離れる値を採用
Δm：電流変流器の変成比が完全に一致していないことによる誤差で、一般的に0.05とする
実務上の整定計算では、Idz.min＝（0.3～0.5）Ie／nを選定してもよい。 2） 比率制動係数Kの整定　縦差保護の動作電流は、外部短絡時に差動回路を流れる不平衡電流よりも大きくなければならない。 Ibph=(Kfzq Ktx Kc+ΔU+Δm)IK.max/n 式中： Ktx：電流変流器の同型係数、Ktx=1.0 IK.max：外部短絡時の最大貫通短絡電流の周期成分 Kfzq：非周期成分係数、両側ともTP級電流変流器の場合は1.0を取り、両側ともP級電流変流器の場合は1.5～2.0を取る。 ΔU：変圧器の電圧調整によって生じる誤差。電圧調整範囲内で定格値からの偏差の最大値を取る
Δm：電流変流器の変成比が完全に一致しないことによって生じる誤差。一般的に0.05を取る
KK：信頼係数。1.3～1.5を取る
差動保護の動作電流
Idz.max = KK × Ibph.max
最大制動係数
Kmax = Idz.max / Izd.max
Izd.max = IK.maxの場合、Kmax = KK × Ibph.max / IK.max
式中：
IK.max：最大短絡電流
実用的な整定計算においては、K＝0.3～1.0を選定できる
3） 二次高調波制動比の整定
一般的に15％～20％を取る
4） 突入電流の中断角の整定
遮断角としては60°～70°を取れる
3．零相差動保護
比率制動差動保護を採用する場合、縦差動保護と同様である。ΔU=0。比率制動差動保護なしで設定する場合。 1） 外部での単相接地短絡を回避する際の不平衡電流に基づき整定する。Idz.0= KK(Kfzq Ktx Kc+Δm)3I0.max/n 式中： Idz.0：零相差動保護の動作電流 Ktx：変流器の同型係数。同型の場合は0.5、異なる型の場合は1.0 KK：信頼係数。1.3～1.5を採用 Kc：変流器の比誤差。0.1を採用 Kfzq：非周期成分係数。両側ともTP級の変流器の場合は1.0、両側ともP級の変流器の場合は1.5～2.0を採用。 Δm：電流変成器の変比が完全に一致していないことによって生じる誤差で、一般的に0.05とする。
3I0.max：保護区域の外部で発生する最大の単相または二相短絡時の零相電流の3倍。
2）外部の三相短絡時の不平衡電流を回避するための値として、Idz.0= KKKfzq Ktx Kc×IK.max/nとする。
ここで：
Ktx：変成器の同型係数で、同型の場合は0.5、異型の場合は1.0とする。
KK：信頼度係数で、1.3～1.5とする。
Kc：電流変成器の比誤差で、0.1とする。
Kfzq：非周期成分係数で、変成器が同型の場合は1.0、両側が共にP級の電流変成器の場合は1.5～2.0とする。 IK.max：外部の最大三相短絡電流 3）励磁過渡電流によって生じる零相不平衡電流を回避するように定格を設定する。これは貫通電流を指し、一般的にはIdz.0=(0.3～0.4)Ie/nとする。零相差動保護区間内で金属的接地短絡が発生した場合の感度係数を検証する。4、電流速断保護の定格計算：1）変圧器の低圧側バスの三相短絡電流を回避するように定格を設定する。Idz.gl≥(KkKjx/Kf)×Kzq×(Ie/n)。Kk：信頼度係数で、1.2～1.3とする； Kf：返還係数、0.8～0.95を採用； Kzq：負荷自己起動係数、1.2～1.5を採用； Kjx：接続係数　n：電流変成器の変動　2）分岐回路にある、自動起動が必要なすべての電動機の最大起動電流の合計値によって算出される。すなわち、Idz.gl = (KkKjx/Kf)×Kzqd×(Ie/n)。Kkは信頼性係数であり、Kzqは自動起動が必要なすべての電動機が再び起動する際に生じる過電流の倍率で、前述の式を用いて近似して求めることができる。 3）感度による検証：Klm = I(2)d.min/ Idz.gl(n) I(2)d.min：変圧器の低圧側に障害が発生した際の最小二相短絡電流； Klm：変圧器の低圧側に障害が発生した際の感度。一般的に、定時限過電流保護の動作時間の設定値。tfz：低圧遮断器の動作時間； tdz = tfz.max + △t 動作時間は、一つ上の段階の定時限過電流保護の動作時間よりも時間差分だけ小さくする必要がある（△t=0.5秒とする）。通常、低圧遮断器の動作による遮断時間は0.1秒程度なので、過電流動作時間は0.5～0.8秒以上である必要がある。 △t：時間差で、△t=0.5Sとする。5、低圧側の零相過電流保護の設定計算 1）通常運転時に変圧器の低圧側中性線に流れる最大の不平衡電流Idzを回避するように設定する。Idz = Kk(0.25Ie) Kk：信頼度係数で、1.2とする； Ie：変圧器の定格電流
2）隣接する機器の保護装置の動作電流と連携させて設定する
a) 低圧工業用変圧器に分岐回路がない場合は、低圧モーターの間隔保護と連携させる。
Idz = Kk × Kph × Kqd × Ie
Kk：信頼性係数で、1.2とする。
Kph：連携係数で、1.1とする。
Kqd：自己起動係数（モーターの起動電流の倍率）で、5とする。
Ie：最大モーターの定格電流
b) 低圧工業用変圧器に分岐回路がある場合は、工業用分岐回路上の零相保護と連携させる。
Idz = Kph × Kqd.fz
Kph：連携係数で、1.1とする。
Kqd.fz：工業用分岐回路上の零相保護の動作電流
c) 感度検証：
Klm = I(1)d.min / Idz
I(1)d.min：最小運転状態で、工業用変圧器の低圧側母線に単相接地短絡が発生した際に、変圧器の中性線電流変換器を流れる電流値
要件：Klmは1.5～2でなければならない。
d) 低圧側の零相保護の動作時間の設定：低圧側の速断保護と連携させて設定する。
Tgldz = t0.4 / sddz + △T

6、高圧側の過負荷保護IG
対称的な過負荷保護の動作電流は、定格電流を回避できるように設定する。
Idz = Kk / KF × (Ie / n)
ここで、I2：低圧変圧器の負相電流
Kk：信頼性係数で、1.05とする。
KF：戻り係数で、0.85とする。
Ie/n：保護装置が設置されている側の定格電流

7、負相過流保護
1) 負相動作電流I2dz
I2dzは、通常の運転時に許容される負相電流を回避できるように設定する（例えば、母線の電圧が非対称な場合に負相電流が発生する）。 一般に、相欠落や逆相などの重大な不平衡を保護する場合は、I2dz = (0.8～1.0) Ieとすればよい。感度の高い不平衡保護を行う場合は、I2dz = (0.2～0.4) Ieとすればよい。2) 負序動作時間定数T2：母線で二相短絡が発生した際、電動機回路には大きな負序電流が流れるため、T2は外部での二相短絡時の最長遮断時間よりも大きく設定する必要がある。FC回路においては、非対称短絡時のヒューズの溶断を回避しなければならず、つまり負序保護はヒューズが溶断する前に動作してはならない。 工場用分岐回路総合保護の設定原則

1. 定時限電流速断保護
1） 電流動作値Idz
隣接する素子の末端における最大三相短絡電流、または隣接する素子の電流速断保護の動作電流を回避するように設定し、上記2条件のうち大きい方を採用する。
Idz = Kk Kjx Id.max(3) / n
式中、
Kk：信頼係数。Kk=1.2～1.5を採用可能
Id.max(3)：最大運転方式下での隣接する素子の末端における三相短絡定常電流
Kjx：接続係数。相電流に接続する場合は1、相電流差に接続する場合は√3を採用
n：電流変流器の変比

2） 速断動作時間tsd
隣接する素子の電流速断保護よりも1つの時間定数だけ大きく設定する。
一般的には：0.5～0.7秒

3) 感度係数の検証
線路末端で短絡が発生した場合
Km= Id.min(2)/ Idz

2. 過電流保護
1） 電流動作値Idz
工場用変圧器または分岐回路上で自己起動が必要なモーターの最大起動電流の合計値を回避するように設定する。
Idz=KK×Kzq×Ie
Kzq=1/(Ud%/100+ Se/ Kqd Sd∑)
式中：
KK：信頼係数。1.2を採用
Ie：工場用変圧器または分岐回路上の定格電流
Kzq：自己起動が必要な全モーターが自己起動時に引き起こす過電流倍率
Ud%：変圧器の百分率インピーダンス値
Sd∑：自己起動が必要な全モーターの総容量（KVA）
Se：変圧器の定格容量（KVA）
Kqd：モーター起動時の電流倍率。一般的には5を採用

2) 感度係数の検証
線路末端で短絡が発生した場合
Km= Id.min(2)/ Idz

3. 過負荷保護
定格負荷電流に基づいて設定する。
Idz = KkIe / n KF
式中、
Kk：信頼係数。Kk=1.1～1.2を採用可能
Ie：工場用変圧器または分岐回路上の定格電流
n：電流変流器の変比
KF：復帰係数。0.85を採用

4. 接地保護
保護装置の一次動作電流は、保護対象分岐の外部で単相接地故障が発生した際に保護対象素子から流出する静電容量電流を回避し、かつ最小感度係数1.25に基づいて設定する。
Idz ≥Kk Icx
Idz ≤(Ic∑-Icx)/1.25
式中：
Icx：保護対象線路の外部で単相接地故障が発生した際に保護対象素子から流出する静電容量電流
Ic∑：電力網の総単相接地静電容量電流
Kk：信頼係数。Kk=4～5を採用可能