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PCB設計における絶縁低下に基づく制御電源接地不良の対策方法
一般的な380V交流配電システムでは，制御用電源は通常直流電源システムから供給される。発電所の重要な予備電源および制御用電源として，直流システムの最も一般的かつ危険な欠陥は直流接地欠陥にある。本稿では，頻発する絶縁不良をもとに，直流制御電源の絶縁低下を引き起こす一連の要因を明らかにする。
欠陥の検索と原因分析
・ループの紹介
本稿の以下の部分で言及される二次回路は、主に 380V AC システムに準拠している。開閉器の二次回路では、制御電源は、漏電保護装置内の漏電保護補助電源端子および電流変成器部を介して、AC 制御電源から供給される。本稿の以下の部分で言及される端子 5 および 7 は、それぞれ漏電 DC 電源入力端子の正極および負極を指し、端子 8 および 9 は電流変成器の K および L を指す。
・欠陥原因の検索
a. 交流システムにおける頻発する絶縁不良
AC-DC 低電圧設備の運転開始から約 1 年後、DC 接地警報が頻発し、絶縁監視装置が下流側の AC 系統で、電源の該当分岐回路を制御していることを検出した。絶縁抵抗が低下し、警報値 7kΩ で警報が発せられ、通常時の 110V DC 母線電圧はそれぞれ +55V および -55V である。しかし、警報発生時の実際の DC 負極母線または正極母線はほぼ 0V となっている。この状態で、反対極側に別の DC 接地が発生すると、DC 正極と負極の間にループが形成される。
AC システムでは、主回路と制御回路間の絶縁は、DC が AC 側や接地側へ侵入していないことから適合していると結論づけられる。そのため、不具合は AC 回路のうち DC 制御部でのみ発生する。制御回路の各部を点検する必要があり、不具合は漏電保護および CT に存在する。
b. 漏電保護内部の絶縁低下
これらの欠陥に関して、接地漏電保護の形式番号は *** M40（110VDC）であり、CT は同一ブランドの接地漏電用電流変成器である。接地漏電保護装置を分解すると、この装置は三つの部品で構成されていることが分かる。回路基板そのうちの一つは漏電保護制御基板です。点から点まで測定した結果、次のことが分かりました。
1). 端子7と端子9間の絶縁値は約5kΩです（ほとんどは5kΩ未満です）。
2). 端子5と端子7間の絶縁値は12.9kΩです。
3). 端子5と端子8間の絶縁値は18kΩです。
4). 端子8と端子9間の絶縁値は約50kΩです。
比較の結果、負荷を印加しない場合、トラック型スイッチにおける端子7と端子9間の漏電保護の絶縁値は約150kΩであるが、頻繁に負荷を印加した場合、絶縁値は5kΩまで低下する。
c. CT二次側保護接地
地絡保護および CT の設計・組立の過程において、CT 部に保護接地が設けられているため、001TI コイルの端子 L は地絡保護組立方式を採用している。この設計は、電流変成器コイルがループを形成し、一次側の高電圧が二次側ループへ侵入して、直接接続されている地絡保護装置などの部品を破壊することを防止することを目的としている。さらに悪いことに、端子 7 と端子 9 間の絶縁不良により、高電圧が直流制御ループへ侵入する可能性がある。
それにもかかわらず、接地点および絶縁の低下によりPCB漏電保護、電源の負極は直流によって制御されます。
・欠陥の結果
通常、この問題は同一の交流システム内の一部の負荷で発生します。これは、直流負極母線が 5 kΩ のいくつかの抵抗と並列になっていることを意味し、その結果、直流負極母線および電圧がほぼゼロになります。
負極母線の接地作業中に、他方の極で別の母線接地が発生した場合、正極と負極の間で短絡が生じます。過負荷および故障保護の結果として、ヒューズ線または遮断器が動作し、回路が開路されます。そのうえ、直流電源は電力を失い、下流側のすべての負荷が停電し、重要負荷の直流電源も喪失し、これらすべてが各機器の円滑な運転を脅かします。さらに、直流系統における多点接地は、機器の誤動作、誤動作による投入（誤投入）、および直流電源の喪失など、数多くの悪影響を引き起こします。
処理方式および原理分析
・CTコイルの接地ポイントを空けておく
CTループの設計に基づくと、二次側には接地ポイントがあります。理論的には、電流変成器の二次側ループによって高電圧が発生し、二次ループ内の他の部品を破壊してしまいます。超高電圧はさらに部品を破壊する可能性があります。ここでの接地は、高電圧が発生するのを防ぎ、二次ループを保護することを目的としています。
しかし、上述の解析に基づくと、接地点を廃止した場合でも、直流制御ループの絶縁抵抗が低下しないようにして、直流系統における接地不良を排除できることが保証される。したがって、接地点を廃止する場合には、低圧電流変成器の二次側ループ電圧値が許容範囲内にあるかどうかを検証しなければならない。言い換えれば、そのリスクは直流系統の接地によってもたらされるリスクよりも低くなければならない。
0.5kV 程度に相当する低圧用電流互感器では、二次側回路によって必ずしも高電圧が発生するとは限らない。一方が定格電流を通電し、二次側回路が存在している場合でも、鉄心は飽和からほど遠いか、あるいは過度の飽和からほど遠い状態にあり、鉄心磁束および誘起起電力は基本波成分のみをほぼ有するため、二次側に高電圧は発生しない。これは、電流互感器の鉄心には比較的大きな設計マージン、すなわち比較的高い鉄心利用率があることを十分に示している。その結果、下流側負荷は定格電流より低い電流で通常運転されており、CT を多少軽負荷（空き気味）で使用することは許容される。
しかし、この種の二次側ループCTでは、下流負荷に大電流が流れたり、単相または相間で短絡が発生した場合、二次側に高い電圧が生じると鉄心は必ず飽和します。したがって、二次側ループでCTによって高電圧が発生するかどうかは、鉄心の飽和度に完全に依存します。電圧値の上昇曲線はCTの飽和曲線に依存します。このような条件下では、わずかに開放されたCTでも多少の危険性があります。それでも、保護ループのおかげで、部品破損のリスクは比較的低減されます。
したがって、CT の物理構造を十分に考慮すると、配電装置は比較的良好な環境で運転されており、一次コイルが停電する可能性は比較的低いといえる。たとえコイルの断線により下流側電流が発生し、ループ保護動作に比較的長い遅延が生じたとしても、二次側の高電圧が部品を破壊する可能性は極めて低い。したがって、この欠陥に対する当社の処理方案は、空き接地点を設けることにある。
・対応する漏電保護装置の切り替え
このCT保護接地点はすでに撤去され、直流側の欠陥も除去されたが、接地の根本原因は漏電用プリント基板にある。湿気や腐食がない条件下でも、絶縁値は1～2年の運転で低下する。
測定状況に基づくと、これまでのところ、単一電極と接地間の絶縁値のみが低く、電極間では低い絶縁値は見られないため、電極間で短絡は発生していません。今後、この項目のデータは定期保守の際に記録することができます。この値が低下傾向を示す場合、または初期段階で CT に一時的なループが発生した場合には、漏電保護への切り替えを検討すべきです。