リレー保護装置変流器

リレー保護フィールド

変流器 (CT) は工場内の保護リレーに信号を供給します。異常電流が発生すると、リレーがブレーカーを作動させ、モーターの焼損や高価な機器の損傷を防ぎます。

リレー保護デバイス (保護リレー) は、発電および配電システムの安定性、安全性、および法規制への準拠を確保する上で重要な役割を果たします。再生可能エネルギーの導入、分散型発電、厳格な系統規制により、リレーは障害検出、系統切断、周波数と電圧の強制、システム全体の信頼性の中心となります。

規制/規格の背景

発電システムの系統接続に関するドイツの規制では、保護リレーの法的要件が定められています。主要な技術的な接続ルールは次の 2 つです。

VDE-AR-N 4105: 低電圧接続 (≤100 kW、<1,000 V AC) を管理します。

VDE-AR-N 4110: 中電圧接続用 (>100 kW または ≥1,000 V AC)。

どちらの場合も、電圧、周波数、停電、および関連現象を監視するには、系統給電または系統ネットワーク保護リレーが必要です。限界を超えた、または安全ではない状況で発電機を切断する。孤立化（つまり、グリッドの一部が意図せず分離されること）を防止します。

主要なアプリケーション/ケーススタディ

1. 水力発電所と分散型発電
具体的な事例としては、多くの水力発電所（容量約 5 kW ～ 10 MW）を運営するバイエルン州の会社 Lukas Anlagenbau GmbH があります。 VDE-AR-N 4105 規制 (およびその改訂版) により、そのプラントは、過電圧/不足電圧、過剰/不足周波数の検出、パラメータの逸脱時の対応など、送電網の監視要件に準拠する必要があります。

これらの需要を満たすために、ルーカス・アンラーゲンバウ氏は、ABB の CM-UFD.M31 系統給電監視リレーを 60 を超える水力発電所に導入しました。このリレーは関連パラメータを継続的に監視し、制限を超えるとインターフェイス スイッチをトリップします (プラントを公共送電網から切断します)。このデバイスはエラー メッセージも表示し、正確なしきい値 (周波数と電圧) をサポートし、優れた使いやすさ (DIN レールの取り付け、読みやすいディスプレイ) を提供します。

この事例は、分散型発電が送電網に参加できるようにしながら、リレー保護によって運用の安全性と規制遵守の両方をどのように確保するかを示しています。

2. 太陽光発電システムと「NA 保護」
もう 1 つの重要な例は、特に低電圧分野における太陽光発電の導入です。 VDE-AR-N 4105 では、約 30 kW ～ 135 kW の発電所にはネットワークおよびシステム保護 (NA 保護) をインストールする必要があります。

NA 保護は、監視リレーと冗長インターロック スイッチを組み合わせたものです。リレーは系統の電圧と周波数を監視し、偏差が許容値を超えると、指定された時間内 (通常は 0.2 秒以内) に PV システムを系統から切り離します。インターロック スイッチは、直列の 2 つのスイッチング要素が故障の安全性を確保するように配置されており、一方が故障した場合でも、もう一方は切断を保証します。また、スイッチング デバイスはステータスを監視リレーにフィードバックし、正しい動作を保証します。

3. 使用されているデバイス/リレー
Ziehl などのドイツのメーカーは、これらの規格に合わせた保護リレーを製造しています。たとえば、UFR1001E および UFR1002IP デバイスは、電圧、周波数、ベクトル シフト、周波数変化率 (ROCOF) などを監視し、VDE-AR-N 4105:2018-11 および VDE-AR-N 4110:2018-11 の要件を満たしています。

これらのリレーは発電所 (太陽光、水力、風力) で使用され、異常な送電網状態の検出、安全な切断、遠隔制御/スタンバイ、障害の表示と記録などの重要な機能を提供します。 Ziehl リレーは単一故障安全 (つまり、1 つのコンポーネントが故障した場合でも安全機能が機能する) になるように設計されており、これはドイツの電力網ルールでの要件です。

リレー保護によって解決される問題

これらのアプリケーションから、リレー保護デバイスが解決に役立つ問題のいくつかのカテゴリがわかります。

送電網の安定性と安全性
再生可能エネルギー源は変動します。発電量の突然の変化（太陽光発電上の雲や風速の低下など）により、周波数や電圧が変動する可能性があります。管理しない場合、これらの変動は伝播し、より広いグリッドを不安定にする可能性があります。リレーは、パラメータが安全許容値を超えたときに発電プラントを確実に切断し、プラントとネットワークの両方を保護します。

単独運転の防止 単独
運転 (送電網が切断されても発電ユニットが動作し続けること) は保守作業員にとって危険であり、機器の損傷につながる可能性があります。保護リレーは正しい検出機能 (電圧損失、周波数ドリフト、ベクトルシフトなど) を備えているため、系統接続が失われたり、障害が発生したりした場合に、発電が安全に停止されます。 NA 保護体制の太陽光発電システムには、単独運転防止保護を組み込む必要があります。

グリッドコードおよび法的要件への準拠
ドイツの VDE-AR-N 4105 / 4110 などの規制基準により、特定の保護、安全性、および性能要件が課されます。オペレータは、これらの規格に対して認定されたリレーを正しい設定で使用する必要があります。コンプライアンスを遵守することで法的罰則が回避され、プラントは接続と報酬を維持できるようになります。 VDE コードを満たすために ABB の CM-UFD.M31 を採用した水力発電会社のケースがその一例です。

障害検出と迅速な切断
コンポーネントへの損傷を防ぎ、連鎖的な障害を防ぐために、ラインの障害、過電圧、不足電圧、過周波数、または周波数不足の状態を迅速に検出する必要があります。リレーは、この迅速な検出と作動 (スイッチオフ) を提供して、障害のある部品を隔離します。

電力品質と系統統合 再生
可能エネルギーが増加するにつれて、電力品質 (電圧変動、フリッカ、高調波) とコヒーレンス (位相、周波数) がより困難になります。保護リレーは、すべてのユーザーにとって許容可能な電力品質を維持するための制限を監視および強制するのに役立ちます。また、ベクトル シフト (異常な位相関係を検出する) や ROCOF (周波数の変化率) などの機能もサポートしています。これらは、大量の分散型電源がオンラインになっている場合の安定性に重要です。

ディスカッション / 学んだ教訓

デバイスの使いやすさは重要です: ドイツの実例では、明確なディスプレイとシンプルなセットアッププロセスを備え、設定が簡単なリレーは、適切に設置され、保守される可能性がはるかに高いことを示しています。水力発電所の運営者は、構成の容易さと精度を重視して予算を立てました。

冗長性とフォールトセーフティ: 直列に接続された 2 つの独立したスイッチング要素、スイッチ位置の監視、デュアルチャネルリレー、フェールセーフ設計は優れた機能であるだけでなく、多くのドイツの電力網基準における規制要件にもなっています。

しきい値とタイミング: 電圧/周波数制限、切断前の遅延、スイッチング容量などの設定は、地域の送電網事業者の要件に合わせて調整する必要があります。ドイツの規則では、時間制限 (電圧/周波数が範囲外になったときに発電機をどれだけ早く切断しなければならないか) を定義しています。リレーの感度、精度、速度が決定的です。

標準の進化: VDE-AR-N 4105 および 4110 標準が進化しました。メーカーとオペレーターは常に改訂に対応する必要があります。保護リレーは、多くの場合、これらの規格の現在のバージョンに対して事前に設定されたしきい値を提供します。

結論

リレー保護デバイスは、再生可能エネルギー源と分散型エネルギー源の安全、準拠、安定した統合の基礎となります。規制基準 (VDE-AR-N 4105 / 4110) の施行、高度なリレー デバイス (ABB、Ziehl など) の導入、水力発電および太陽光発電システムでの実際のケースワークを通じて、リレーは次の重要な問題に対処します。

危険な電圧/周波数条件での切断

孤立を防ぐ

機器の保護と送電網の安定性

コンプライアンスの確保と罰則の回避

ドイツのエネルギー転換（「エネルギーヴェンデ」）が進み、分散型発電、エネルギー貯蔵、マイクログリッド、スマートグリッドが進むにつれ、安全性や規制のためだけでなく、信頼性、回復力、柔軟な運用を実現するものとしても、保護リレーの重要性が高まるでしょう。