JP2018056064A - 接地システム - Google Patents

Abstract

【課題】優れた雷耐性を有する接地システムを提供する。【解決手段】接地システム１において、接地線ＥＷに交流電流が流れるとき、周波数が高くなるに従い、導体内部に比べて導体表面における電流密度が高くなり、実効の導体断面積が小さくなるため、インピーダンスが上昇する（表皮効果）。接地線ＥＷに用いられるリッツ線は、径の小さい素線のそれぞれが絶縁された構造を有しており、高周波電流通電時の電流分布の偏りが生じにくく、雷サージ通電時の表皮効果によるインピーダンスの上昇を抑制することができる。また、接地線ＥＷにリッツ線を用いることにより、接地線ＥＷを格子状又は環状に配置する際に、容易に接地線ＥＷを曲げることができ、接地線ＥＷを敷設する際の作業性が、従来使用されているＩＶ線に比べて格段に向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、発変電所等の電力設備を接地する接地システムに関する。

発変電所等の電力設備には、建築構造物や電気設備等（以下「被接地体」と称する）を地絡故障や雷撃から保護するために、被接地体に流入した故障電流や雷電流（サージ電流）を大地に放出し拡散させる接地システムが設けられている（例えば特許文献１〜３）。接地システムは、被接地体と大地を電気的に接続し、地絡故障電流や雷電流が流れる接地線を備える。接地線は、例えば、地中に埋設される接地極と電気的に接続される。

接地極は、接地システムと大地との直接の電気接続を行う電極であり、銅製の棒電極（接地棒）や鉄製の鋼材あるいは構造物鉄筋などが一般的に用いられる。接地線に流入した地絡故障電流や雷電流は、接地極と接地線自身から大地に放出される。

接地線には、前記の地絡故障電流や雷電流といった異常電流の他、ケーブルや架空地線などに対する遮蔽電流も流れる。遮蔽電流は、電力設備が運転中であれば常時存在する。

特許文献２に開示されているように、接地システム電位の均一化（等電位化）を図る目的で、複数本の接地線を格子状に配置して略水平に埋設する工法も知られている。また、接地システムにおいては、接地インピーダンスが低いほど、故障電流や雷電流が通電した際の電位上昇を低減できるので、被接地体の保護効果が高い。

特許第５８７６８４５号公報 特開２０１１−３４８８５号公報 特開２００８−６６２０５号公報

従来の接地システムは、地絡故障時に流れる低周波（直流、商用周波）の特性を基準に設計・施工されており、接地線として、例えば単線又は撚り線からなる裸線、あるいは当該裸線からなるケーブル導体にビニル絶縁を施したＩＶ線（ビニル絶縁電線）が用いられている。この場合、表皮効果等の影響によって、高周波数帯の電流が流れる際のインピーダンスが上昇する。そのため、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波成分を含む雷サージ電流が通電した場合に、接地システムの電位上昇が大となり、被接地体に障害（例えば機器の損傷、誤動作）が発生する虞がある。

特に、近年では、電力設備制御や遠隔監視に情報通信技術（ＩＣＴ：Information and Communication Technology）が導入され、ＩＣＴ機器による制御が行われているため、雷撃に対して脆弱であるＩＣＴ機器を保護すべく、接地システムの耐雷性の向上が要求されている。

本発明の目的は、優れた雷耐性を有する接地システムを提供することである。

本発明の一態様に係る接地システムは、被接地体と大地を電気的に接続し、地絡故障電流、雷電流、又は遮蔽電流が流れる接地線を備える接地システムであって、
前記接地線は、導体を絶縁皮膜で被覆した素線を複数本集合して撚り合わせたリッツ線により構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、接地システムの接地線が、高周波数帯でのインピーダンス上昇特性の小さいリッツ線で構成されているので、優れた雷耐性を有する接地システムが提供される。

本発明の一実施の形態に係る接地システムの構成を示す図である。 接地線の一例を示す断面図である。 接地線の接地抵抗特性を測定するための回路図である。 実施例及び比較例の周波数特性を示すグラフである。 実施例及び比較例の雷インパルス特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る接地システム１の構成を示す図である。接地システム１は、発変電所等の電力設備の地中部および周囲に付属設備として設けられ、建築構造物や電気設備等の被接地体２０を地絡故障や雷撃から保護するために、被接地体２０に流入した故障電流や雷電流（サージ電流）を大地に放出し拡散させる。

図１に示すように、接地システム１は、被接地体２０と大地を電気的に接続し、地絡故障電流、雷電流、又は遮蔽電流が流れる接地線ＥＷを備える。接地線ＥＷは、地中に埋設される接地極１１と電気的に接続される。

接地線ＥＷは、接地網１２、立ち上げ線１３、極接続線１４を形成する。接地網１２は、複数の接地線ＥＷが所定の間隔（例えば４ｍ）で格子状に配置された構成を有し、略水平な状態で地中に埋設される。接地網１２は、接地線ＥＷが環状に配置された構成でもよい。接地網１２は、電力設備の建設範囲のほぼ全体をカバーする大きさを有する。被接地体２０は、立ち上げ線１３を介して、接地網１２と電気的に接続される。接地網１２は、極接続線１４を介して、接地極１１と電気的に接続される。接地網１２を備えることにより、等電位化を図ることができる。

本実施の形態では、接地線ＥＷとして、導体を絶縁皮膜で被覆した素線（エナメル線）を複数本集合して撚り合わせたリッツ線を用いる。図２Ａ〜図２Ｃは、接地線ＥＷの一例を示す断面図である。

図２Ａに示す接地線ＥＷ１は、複数本（図２Ａでは２０本）の素線１００を集合して撚り合わせた構成を有する。

素線１００は、例えば軟銅からなる導体１０１に、絶縁皮膜１０２を焼き付けた、仕上がり外径が約０．４５ｍｍのエナメル線である。絶縁皮膜１０２には、例えばポリビニルホルマール、ポリウレタン、ポリウレタンナイロン、ポリエステル、ポリエステルナイロン、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド／ポリアミドイミド、ポリイミド等が適用される。なお、図２Ａに示す接地線ＥＷ１は、エナメル線の集合撚りで、撚り方向は、Ｓ（右）撚り、またはＺ（左）撚りのいずれかによって形成されており、仕上がり外径は約２．５ｍｍである。

図２Ｂに示す接地線ＥＷ２は、図２Ａに示すようなリッツ線を一次撚り線１０３とし、一次撚り線１０３の束をさらに複数（図２Ｂでは計１９束）撚り合わせて二次撚り線１０４とした複合撚り線である（図２Ｂは導体の公称断面積６０ｍｍ^２用）。一次撚り線１０３は子撚り、二次撚り線１０４は親撚りとも呼ばれる。

図２Ｂでは、親撚りとしての二次撚り線１０４は、中心から外側に向かって、１束、６束、１２束の同心撚り構造を有する。ここでは、同心撚りの最も中心側を第１撚り層と呼び、撚り層が複数ある場合は、以降、外側に向かって順に、第２撚り層、第３撚り層、第４撚り層と呼ぶ。図２Ｂでは、中心１束の外側に同心状に撚られる６束を第１撚り層１０４ａ、その外側の１２束を第２撚り層１０４ｂとする。

一次撚り線１０３を構成する素線１００の撚り方向と、二次撚り線１０４における各撚り層における一次撚り線１０３の束の撚り方向は、逆向きであることが好ましい。言い換えると、親撚りと子撚りの撚り方向は逆向きであることが好ましい。

図２Ｂの場合のような、二次撚り線１０４が同心撚り構造である場合について、具体的に説明する。まず、撚り線の最外層の撚り方向は、接地線をＪＩＳ規格準拠とするためには、Ｓ（右）撚りとすることが好ましい。よって、図２Ｂの構成においては、第２撚り層１０４ｂが二次撚り線１０４の最外層であるため、最外層である第２撚り層１０４ｂにおける一次撚り線１０３の束の撚り方向はＳ（右）撚りとしている。この場合、第２撚り層１０４ｂを構成する各一次撚り線１０３の素線１００の撚り方向（１２束の各子撚りの撚り方向）は、親撚りとは逆向きのＺ（左）撚りとするのが好ましい。

一方、二次撚り線１０４の第１撚り層１０４ａにおける一次撚り線１０３の束の撚り方向は、第２撚り層１０４ｂにおける撚り方向（Ｓ撚り）とは逆向きのＺ撚りとするのが好ましい。この場合、第１撚り層１０４ａを構成する各一次撚り線１０３の素線１００の撚り方向（６束の各子撚りの撚り方向）は、親撚りとは逆向きのＳ撚りとするのが好ましい。また、その外側に第１撚り層１０４ａが形成される、二次撚り線１０４の中心の１束を構成する一次撚り線１０３の素線１００の撚り方向も、同様に、第１撚り層１０４ａにおける親撚りとは逆向きのＳ撚りとするのが好ましい。このように、Ｓ撚り、Ｚ撚りについては、撚り線の最外層をＳ撚りとすることを基準に決定する。

二次撚り線１０４は、第１撚り層１０４ａより外側に、更に１つ（第２撚り層１０４ｂ）または複数の撚り層（第３撚り層以上の撚り層）を有する場合、隣接する撚り層（例えば、第１撚り層１０４ａと第２撚り層１０４ｂ）における一次撚り線１０３の束の撚り方向は互いに逆向きとするのが好ましい。すなわち、二次撚り線が複数の撚り層で形成される場合は、撚り層毎に撚り方向が交互に逆向き（例えば、第１撚り層：Ｚ撚り、第２撚り層：Ｓ撚り、第３撚り層：Ｚ撚り、・・・）となるように形成することが好ましい。

更に、各撚り層を構成する各一次撚り線１０３の素線１００の撚り方向（各子撚りの方向）は、その撚り層における一次撚り線１０３の束の撚り方向（親撚りの方向）とは逆向き（例えば、親撚りがＺ撚りである撚り層における子撚りはＳ撚り）に形成するのが好ましい。

これにより、接地線ＥＷ２に可撓性を持たせることができる。また、交互に逆向きにすることで、同心撚りを形成し易く、仕上がり外径を安定させることができる。なお、図２Ｂに示す接地線ＥＷ２の仕上がり外径は、約１２．３ｍｍである。

図２Ｃに示す接地線ＥＷ３は、図２Ｂに示すようなリッツ線（二次撚り線１０４）に対して、セパレーター１０５を介在させて外被１０６を形成した外被付きリッツ線である。セパレーター１０５には、例えばナイロンフィルム等が適用される。外被１０６には、例えば耐燃架橋ポリエチレン等が適用される。接地線ＥＷ３は、地上に露出する部分（例えば、立ち上げ線１３や接地網１２の屋内配線）等に使用される。図２Ｃに示す接地線ＥＷ３の仕上がり外径は、約１５．５ｍｍである。

なお、接地線ＥＷ（ＥＷ１〜ＥＷ３）を構成する素線１００の外径、撚り本数等は、実施の形態で示すものに制限されず、任意に選択される。また、素線１００の導体１０１には、銅の他、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、又はこれらの二重構造からなるクラッド材（例えば銅クラッドアルミニウム）等を適用することができる。

接地線ＥＷの端末部には、例えば銅又は銅合金からなる圧縮端子等の金属端子（図示略）が接続される。金属端子同士を接続することにより、接地線ＥＷは容易かつ強固に接続される。リッツ線の端子付けには、リッツ線の端末部に端子を取り付けた後、端子に通電加熱して、絶縁皮膜を気化させながら圧着するヒュージング（熱かしめ）を適用することができる。また例えば、グラインダーで機械的に絶縁皮膜を剥離する方法や、レーザーにより絶縁皮膜を膨潤させ剥離する方法も適用できる。

接地システム１において、接地線ＥＷに交流電流が流れるとき、周波数が高くなるに従い、導体内部に比べて導体表面における電流密度が高くなり、実効の導体断面積が小さくなるため、インピーダンスが上昇する（表皮効果）。接地線ＥＷに用いられるリッツ線は、径の小さい素線のそれぞれが絶縁された構造を有しており、高周波電流通電時の電流分布の偏りが生じにくく、雷サージ通電時の表皮効果によるインピーダンスの上昇を抑制することができる。また、接地線ＥＷにリッツ線を用いることにより、接地線ＥＷを格子状又は環状に配置する際に、容易に接地線ＥＷを曲げることができ、接地線ＥＷを敷設する際の作業性が、従来使用されているＩＶ線に比べて格段に向上する。

［実施例］
実施例では、図３に示す測定回路を用いて、接地線ＥＷの接地抵抗特性（周波数特性、雷インパルス特性）を評価した。接地線ＥＷには、図２Ｂに示す導体の公称断面積６０ｍｍ^２用のリッツ線を適用した。長さ４ｍの接地線ＥＷを、地表面下０．２ｍに埋設した。

図３において、電流は、試験電源から電流センサーを通り、供試接地線ＥＷから大地に流れ接地極Ｃから電源に帰る閉回路を流れる。供試接地線ＥＷの電位上昇は、接地極Ｐと供試接地線ＥＷの間に接続した電圧センサーにより測定した。供試接地線ＥＷ、接地極Ｃ、接地極Ｐはそれぞれ独立であり、相互間の距離を十分に離して構成した。

周波数特性は、周波数特性分析器を用いて、接地線ＥＷと接地極Ｃとの間に１０Ｖの正弦波電圧を印加して接地線ＥＷに電流Ｉ（ｆ）を流し、このときの接地線ＥＷと接地極Ｐとの間の電圧Ｖ_Ｅ（ｆ）を測定することにより、特定周波数ｆにおける接地インピーダンスＺ_Ｅ（ｆ）＝Ｖ_Ｅ（ｆ）／Ｉ（ｆ）を算出した。周波数ｆを１０Ｈｚ〜１ＭＨｚで掃引することにより、接地線ＥＷの接地インピーダンスに対する周波数特性を求めた。

雷インパルス特性は、充電電圧１０ｋＶのインパルス発生器を用いて、接地線ＥＷと接地極Ｃとの間に波頭長約０．５μｓの雷インパルス電圧を印加して接地線ＥＷに雷インパルス電流ｉ（ｔ）を流し、このときの接地線ＥＷと接地極Ｐとの間の電圧ｖ_Ｅ（ｔ）を測定することにより、接地インピーダンスｚ_Ｅ（ｔ）＝ｖ_Ｅ（ｔ）／ｉ（ｔ）を、時間ｔに対する関数として算出した。

［比較例］
比較例では、図３に示す測定回路において、供試接地線ＥＷに、銅撚線からなる裸線（導体の公称断面積６０ｍｍ^２）を適用し、実施例と同様に接地線の周波数特性及び雷インパルス特性を評価した。

図４は、実施例及び比較例の周波数特性を示すグラフである。図４に示すように、０．１〜１．０ＭＨｚの高周波数帯域における接地インピーダンスは、接地線ＥＷに裸線を適用した比較例よりも、接地線ＥＷにリッツ線を適用した実施例の方が明らかに低くなった。

図５は、実施例及び比較例の雷インパルス特性を示すグラフである。図５では、接地インピーダンスの時間特性を、定常接地抵抗値を基準として規格化した規格化インピーダンス（無次元量）で示している。なお、インパルス印加後１０μｓ程度経過後のインピーダンスの値を、定常接地抵抗値とした。図５に示すように、サージインピーダンス（接地インピーダンスのピーク）は、比較例よりも実施例の方が明らかに低く、６０％程度になった。

上述した周波数特性及び雷インパルス特性の結果より、リッツ線は、裸線よりも優れた耐雷性を有することが確認された。

このように、本実施の形態に係る接地システム１は、被接地体２０と大地を電気的に接続し、地絡故障電流、雷電流、又は遮蔽電流が流れる接地線ＥＷを備える。接地線ＥＷは、導体１０１を絶縁皮膜１０２で被覆した素線１００を複数本集合して撚り合わせたリッツ線により構成されている。

接地システム１によれば、１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波数帯の雷サージ電流が流れる場合に、従来使用されているＩＶ線の銅導体に比較して、接地線ＥＷのインピーダンスは低くなる。したがって、接地システム１は、優れた雷耐性を有する。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、実施の形態では、二次撚り線１０４について、中心から外側に向かって１束、６束、１２束の同心撚りの構成について説明したが、中心が１束ではなく３束撚ったもので同心撚りを形成してもよい。この場合は中心の３束が第１撚り層となる。また、実施の形態では、二次撚り線１０４について、第２撚り層までの構成について説明したが、撚り本数によって、撚り層が何層で形成するかは限定されない。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 接地システム
１１ 接地極
１２ 接地網
１３ 立ち上げ線
１４ 極接続線
２０ 被接地体
１００ 素線
１０１ 導体
１０２ 絶縁皮膜
ＥＷ、ＥＷ１〜ＥＷ３ 接地線

Claims (7)

1. 被接地体と大地を電気的に接続し、地絡故障電流、雷電流、又は遮蔽電流が流れる接地線を備える接地システムであって、
   前記接地線は、導体を絶縁皮膜で被覆した素線を複数本集合して撚り合わせたリッツ線により構成されていることを特徴とする接地システム。
2. 前記リッツ線は、導体を絶縁皮膜で被覆した素線を複数本集合して撚り合わせた一次撚り線を、さらに複数束集合して撚り合わせて二次撚り線とした複合撚り線であることを特徴とする請求項１に記載の接地システム。
3. 前記二次撚り線は、前記一次撚り線の複数の束の同心撚り構造であることを特徴とする請求項２に記載の接地システム。
4. 前記一次撚り線を構成する前記素線の撚り方向と、前記二次撚り線の前記同心撚り構造の撚り層における前記一次撚り線の複数の束の撚り方向とが逆向きであることを特徴とする請求項３に記載の接地システム。
5. 前記二次撚り線は、最も中心側の前記撚り層より外側に更に１つまたは複数の前記撚り層を有し、隣接する前記撚り層における前記一次撚り線の束の撚り方向は互いに逆向きであることを特徴とする請求項４に記載の接地システム。
6. 前記リッツ線は、最外層に絶縁体からなる外被を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の接地システム。
7. 前記接地線が格子状あるいは環状に配置され、略水平な状態で地中に埋設される接地網を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の接地システム。

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