保護継電器の種類と役割｜過電流・差動・距離継電器のしくみを図解

変電所の役割と構成機器では、VT と CT が高い電圧と大きな電流を小さな値にして、保護継電器へ渡すところまで確かめました。保護継電器は、その値から事故を見つけ、事故が起きた区間だけを素早く切り離すよう、遮断器へ指令を出す装置です。この記事では、保護継電器（保護リレー）のしくみと、過電流・地絡・差動・距離継電器の使い分け、保護協調の考え方を、図と例題で順に確認します。

• 保護継電器とは
  • 事故を検出・判定して、遮断器へ引外しの指令を出す
• 主保護と後備保護
  • 事故点に近い主保護と、動作しないときに備える後備保護
• 過電流継電器と地絡継電器
  • 電流の大きさを見る OCR と、零相電流・零相電圧を見る地絡継電器
• 差動継電器
  • 区間の両端の電流の差で動作し、比率差動で誤動作を防ぐ
• 距離継電器
  • 電圧と電流の比（インピーダンス）で事故点までの距離を測る
• 例題と保護協調
  • 下位を短く上位を長く整定して、事故点に近い遮断器だけを動かす

保護継電器とは

電力系統で短絡や地絡といった事故が起きると、大きな電流が流れ、電圧が下がります。そのままにすると、機器が焼損し、停電が広がります。保護継電器は、系統の電流や電圧を監視し、事故を見つけたら遮断器に引外し（遮断器を開くこと）の指令を出して、事故の部分だけを切り離す装置です。働きは、図1のように3段に分けられます。

• 検出：VT と CT から、電圧と電流の値を受け取る
• 判定：整定値と比べて、事故かどうかを判断する
• 指令：事故と判断したら、遮断器の引外しコイルへ信号を出す

継電器は判断する側、遮断器は指令を受けて電路を開く側です。遮断器の引外しは、停電のときにも動かせるよう、蓄電池の直流電源で行います。遮断器そのものの働きは遮断器と断路器の違いで確かめられます。

継電器は、変電所の制御室などの盤に並べて収められます。図2は、透明なカバーの付いた継電器が並ぶ盤です。

1継電器本体2表示部3端子4配線ダクト

1. 継電器本体　電流や電圧を監視して事故を判定する
2. 表示部　動作の状態を示す
3. 端子　CT・VT や遮断器への配線をつなぐ
4. 配線ダクト　配線をまとめて通す溝

継電器へ渡す電流は、屋外の変流器（CT）が小さな値に変えたものです。図3は、屋外に設置された変流器の一例です。

1碍子2金属の円筒3端子箱4電線管

1. 碍子　充電部を絶縁して外へ出す
2. 金属の円筒　変流器を収める部分の例
3. 端子箱　二次側の配線をまとめる
4. 電線管　二次側の配線を通す管

継電器は、何を見て事故を判断するかで種類が分かれます。

検出する量	継電器
電流の大きさ	過電流継電器（OCR）
零相電流・零相電圧	地絡継電器（OCGR・OVGR・DGR）
流入と流出の差	差動継電器
電圧と電流の比	距離継電器
油中のガス・油の流れ	ブッフホルツ継電器

ブッフホルツ継電器は、油入変圧器の内部で故障が起きたとき、絶縁油が分解して出るガスや、油の流れを検出します。本体のタンクとコンサベータをつなぐ管の途中に取り付けます。特別高圧の変圧器には、内部に故障が起きたとき、自動的に電路から切り離す装置（容量が小さいうちは警報装置でもよい）を設けるよう、電気設備技術基準の解釈（第43条）で決められています。

主保護と後備保護

保護には、役割の違う2つの層があります。

種類	役割	動作時間
主保護	事故区間を最も速く切る	短い
後備保護	主保護が動作しないときに、より広い範囲を切る	長い

図4は、電源から2台の遮断器を通る系統です。下位の先で事故が起きると、事故点に近い下位の継電器が、主保護として先に動作します。もし下位の継電器や遮断器、直流電源などが故障して切れなかったときは、上位の継電器が、少し遅れて後備保護として動作します。

後備保護は、主保護が動作する時間を待ってから動作します。そのため、動作時間は主保護より長く整定します。主保護と後備保護を両方備えることで、一つの装置が故障しても、事故を残さず切れるようにします。

隣り合う保護区間は、境の遮断器をはさんで少し重ねます。どの区間にも入らない部分（死角）が生じないようにするためです。図5は、事故区間を切り離す遮断器の一例です。

1ブッシング2ブッシング3タンク4制御箱

1. ブッシング　導体をタンクの外へ出すがいし
2. ブッシング　もう一方の端子側
3. タンク　接点や消弧の部分を収める
4. 制御箱　引外しなどの制御の配線をまとめる

過電流継電器と地絡継電器

過電流継電器（OCR）

過電流継電器は、一定以上の電流が流れたときに動作する継電器で、短絡事故の検出に使います。CT の二次電流を受け取るので、動作電流の整定は二次電流で行います。一次側（線路）で動作する電流は、次のとおりです。

$$\text{一次動作電流} = \text{整定値} \times \text{変流比}$$

負荷電流では動作せず、想定する最小の事故電流では動作するように整定します。事故電流の大きさの求め方は、%インピーダンスと短絡電流の計算で確かめられます。

動作時間の特性は、次の3つに分けられます。

特性	動作時間
瞬時	電流によらず、ごく短い
定限時	電流によらず、一定
反限時	電流が大きいほど短い

図6は、電流を整定値の倍数 M で表したときの特性の例です。反限時特性は、M が大きいほど動作時間が短くなります。この例では、M＝2.5 で定限時特性と同じ時間になり、それより大きな電流では、反限時のほうが早く動作します。

反限時特性に、大きな電流で瞬時に動作する要素を組み合わせた継電器もあります。電流が大きい事故ほど速く切れ、一時的な小さな過電流では動作しにくくなります。

地絡継電器

地絡事故が起きると、三相の電流の和が 0 でなくなります。正常な三相の電流のベクトル和は 0 ですが、地絡すると、零相電流 $\dot{I}_0$ の 3 倍が現れます。

$$\dot{I}_a + \dot{I}_b + \dot{I}_c = 3\dot{I}_0$$

零相変流器（ZCT）は、三相の電線をまとめて貫通させ、その和に比例した出力を出します。図7のとおり、正常時は出力がなく、地絡時に出力が現れます。

地絡継電器には、検出する量の違いで次の種類があります。

継電器	検出するもの
地絡過電流継電器（OCGR）	零相電流の大きさ
地絡過電圧継電器（OVGR）	零相電圧の大きさ
地絡方向継電器（DGR）	零相電流と零相電圧の位相

中性点を接地しない系統では、1線が地絡すると、事故のない回線のケーブルの対地静電容量にも、充電電流が流れ込みます。事故のない回線の ZCT も零相電流を検出するので、電流の大きさだけでは、どの回線で地絡したのか分かりません。そこで、零相電圧との位相を比べて、事故が自分の側にあるかを判定する DGR を使います。零相電圧は、接地形計器用変圧器（GPT）で検出します。接地方式による零相電流の違いは中性点接地方式で確かめられます。

差動継電器

差動継電器は、保護区間に流れ込む電流と、流れ出る電流を比べて、その差で動作します。図8は、保護区間の両端に CT を置いた様子です。

区間の外で事故が起きたときは、区間に入った電流 $i_1$ が、そのまま出ていくので、差は 0 です。区間の中で事故が起きると、事故点へ電流が流れ込むので、$i_1$ と $i_2$ に差が生じ、継電器が動作します。

実際には、CT の特性に差があるので、外部事故で大きな電流が流れると、差が 0 にならず、見かけの差電流が出ます。これを動作と誤らないために、比率差動方式を使います。差電流 $I_d$ と、通過する電流の平均 $I_r$ を、次のように表します。

$$\begin{gathered} I_d = |I_1 - I_2| \\ I_r = \frac{I_1 + I_2}{2} \end{gathered}$$

比率差動方式は、$I_d$ が一定値以上で、かつ $I_r$ に比例した値以上のときに動作します。通過電流が大きいほど、動作に必要な差電流も大きくなるので、外部事故で CT の誤差が出ても、動作しにくくなります。図9は、その動作領域の例です。

差動継電器には、次の課題と対策があります。

課題	対策
CT の誤差	比率差動方式にする
励磁突入電流	第2調波で動作を抑える
一次と二次の位相差	CT の結線で補正する

励磁突入電流は、変圧器を電源へつないだ瞬間に、一方の側にだけ流れます。そのため、内部事故と同じ差電流が出てしまいます。突入電流は第2調波を多く含むので、これを検出して、動作を抑えます。Y-Δ 結線の変圧器では、一次と二次の電流に 30° の位相差があります。Y 側の CT を Δ に、Δ 側の CT を Y に結線して、位相をそろえます。

距離継電器

距離継電器は、電圧と電流から、継電器の設置点から事故点までのインピーダンスを測ります。

$$Z = \frac{V}{I}$$

事故点が近いほど、電圧は下がり、電流は増えるので、$Z$ は小さくなります。送電線のインピーダンスは長さに比例するので、$Z$ から事故点までの距離が分かります。図10は、距離継電器が段を分けて、保護する範囲と時間を変える様子です。

段	範囲	時間
第1段	自区間の大部分	瞬時
第2段	次の区間の途中まで	短い時限
第3段	次の区間の先まで	長い時限

第1段を、相手端の手前（図10では約 85 %）までにするのには、理由があります。CT や VT の誤差、線路のインピーダンスの見積り誤差があるので、相手端のすぐ先の事故を、自区間の事故と誤って瞬時に切るおそれがあるからです。誤ると、隣の区間の事故なのに、2つの区間が停電します。相手端に近い自区間の事故は、第2段が短い時限で切ります。第3段は、隣の区間の後備保護の役割をもちます。

継電器が測るインピーダンスは、CT と VT を通した二次側の値です。一次側のインピーダンスを $Z_1$、二次側を $Z_2$ とすると、次の関係があります。

$$Z_2 = Z_1 \times \frac{\text{変流比}}{\text{変圧比}}$$

距離継電器は、電源の台数や系統の構成が変わっても、事故点までのインピーダンスはほぼ変わらないので、保護する範囲が安定します。過電流継電器は、電源が変わると事故電流が変わり、動作する範囲も変わります。この違いから、距離継電器は、電源が複数ある送電系統に向いています。

線路の両端の電流を、表示線や通信回線で伝えて比べる電流差動方式を使うと、線路の全長を、両端とも瞬時に切れます。図11は、保護の対象になる送電線です。

1鉄塔2がいし連3送電線

1. 鉄塔　送電線を高い位置で支える
2. がいし連　電線を鉄塔から絶縁して吊る
3. 送電線　電気を遠くへ送る電線

例題と保護協調

保護協調の考え方

保護協調とは、事故が起きたときに、事故点に最も近い遮断器だけが動作し、ほかの健全な部分は送電を続けられるように、各継電器の動作電流と動作時間をそろえて整定することです。図4のような放射状の系統では、下位（負荷側）の継電器の動作時間を短く、上位（電源側）の継電器の動作時間を長くします。

上位の継電器の動作時間は、次の合計より長くします。

• 下位の継電器の動作時間
• 下位の遮断器の遮断時間
• 継電器の誤差と余裕

この差（時限差）を取らないと、下位が事故を切り終える前に、上位が動作して、健全な部分まで停電します。

解答と解説を見る

誤っているのは5です。

後備保護は、主保護が動作しなかったときに備える保護です。主保護が先に動作できるよう、動作時間は主保護より長くします。1〜4 は正しい記述です。

解答と解説を見る

変流比は 200/5 = 40 です。

(1) 整定値に変流比を掛けます。

$$\begin{aligned} I &= 4 \times 40 \\ &= 160\,\mathrm{[A]} \end{aligned}$$

(2) 負荷電流 130 A を二次側へ直します。

$$\begin{aligned} \frac{130}{40} &= 3.25\,\mathrm{[A]} \\ &< 4\,\mathrm{[A]} \end{aligned}$$

整定値より小さいので、動作しません。

(3) 事故電流 800 A を二次側へ直します。

$$\begin{aligned} \frac{800}{40} &= 20\,\mathrm{[A]} \\ M &= \frac{20}{4} = 5 \\ t &= \frac{1.2}{5 - 1} \\ &= 0.3\,\mathrm{[s]} \end{aligned}$$

よって、動作時間は 0.3 s です。

解答と解説を見る

変流比は、継電器 1 が 200/5 = 40、継電器 2 が 400/5 = 80 です。

(1) 継電器 1 の二次電流と倍数を求めます。

$$\begin{aligned} \frac{1600}{40} &= 40\,\mathrm{[A]} \\ M_1 &= \frac{40}{4} = 10 \\ t_1 &= \frac{0.9}{10 - 1} \\ &= 0.1\,\mathrm{[s]} \end{aligned}$$

(2) 継電器 2 も同じ手順で求めます。

$$\begin{aligned} \frac{1600}{80} &= 20\,\mathrm{[A]} \\ M_2 &= \frac{20}{5} = 4 \\ t_2 &= \frac{2.4}{4 - 1} \\ &= 0.8\,\mathrm{[s]} \end{aligned}$$

(3) 継電器 1 が 0.1 s で動作し、遮断に 0.1 s かかるので、事故を切り終えるのは 0.2 s です。継電器 2 が動作する 0.8 s より前に事故電流が切れるので、継電器 2 は動作せずに復帰します。0.8 − 0.2 = 0.6 s が、協調の余裕です。

解答と解説を見る

(1) 差電流と平均電流を求めます。

$$\begin{aligned} I_d &= |12.0 - 11.0| \\ &= 1.0\,\mathrm{[A]} \\ I_r &= \frac{12.0 + 11.0}{2} \\ &= 11.5\,\mathrm{[A]} \\ 0.3 I_r &= 3.45\,\mathrm{[A]} \end{aligned}$$

$I_d$ は 0.5 A 以上ですが、$0.3 I_r$ より小さいので、動作しません。

(2) 同じ手順で求めます。

$$\begin{aligned} I_d &= |12.0 - 6.0| \\ &= 6.0\,\mathrm{[A]} \\ I_r &= \frac{12.0 + 6.0}{2} \\ &= 9.0\,\mathrm{[A]} \\ 0.3 I_r &= 2.7\,\mathrm{[A]} \end{aligned}$$

$I_d$ は 0.5 A 以上で、$0.3 I_r$ 以上でもあるので、動作します。

(3) $I_d = 1.0$ A は 0.5 A 以上なので、外部事故でも動作してしまいます。比率をもたせると、CT の誤差による見かけの差電流で、誤動作しなくなります。

間違えやすい記述を整理します。

記述	正誤
後備保護は主保護より動作時間が短い	誤り（長い）
反限時特性は電流が大きいほど動作が遅い	誤り（速い）
過電流継電器の整定は一次電流で行う	誤り（二次電流）
距離継電器は電流の大きさだけで動作する	誤り（電圧と電流の比）
比率差動は外部事故で誤動作しにくい	正しい

よくある質問

保護継電器と遮断器は、どう違いますか。

保護継電器は、事故を見つけて判断し、指令を出す装置です。遮断器は、その指令を受けて、大きな電流が流れている電路を実際に開く装置です。継電器は小さな電流と電圧を扱い、遮断器は大電流を切ります。

主保護と後備保護は、なぜ両方必要ですか。

継電器・遮断器・CT・直流電源のどれかが故障すると、主保護が動作しないことがあります。事故が残ると、機器が焼損し、停電が広がります。そこで、主保護が動作しないときに、より広い範囲を少し遅れて切る後備保護を備えて、信頼性を高めます。

反限時特性は、なぜ使うのですか。

電流が大きい事故ほど機器への影響が大きいので、速く切る必要があります。反限時特性なら、大きな電流の事故は速く、小さな過電流は時間をかけて切れます。上位と下位で曲線をずらせば、広い電流の範囲で時限差を保てるので、協調もとりやすくなります。

距離継電器と過電流継電器は、どう使い分けますか。

過電流継電器は、構成が簡単で、放射状の配電系統に向きます。ただし、電源が変わると事故電流が変わり、動作範囲も変わります。距離継電器は、インピーダンスで距離を測るので、電源の変化に動作範囲が左右されにくく、電源が複数ある送電系統に向きます。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

保護継電器は、何をして、何に指令を出しますか？

電圧と電流から事故を検出・判定し、遮断器へ引外しの指令を出します。

主保護と後備保護は、どう違いますか？

主保護は事故点に近い継電器が速く動作し、後備保護は主保護が動作しないときに、少し遅れて広い範囲を切ります。

反限時特性とは、どんな特性ですか？

電流が大きいほど、動作時間が短くなる特性です。

地絡事故を、ZCT はどう検出し、DGR は何を判定しますか？

ZCT は三相の電流の和（零相電流の3倍）を検出します。DGR は零相電流と零相電圧の位相から、事故が自分の側かを判定します。

比率差動継電器が、外部事故で誤動作しにくいのはなぜですか？

通過電流が大きいほど、動作に必要な差電流も大きくなるので、CT の誤差による見かけの差電流で動作しないからです。

距離継電器は、何を測って事故点を判定しますか？

電圧と電流の比（インピーダンス）を測り、事故点までの距離を判定します。

まとめ

• 保護継電器は、検出・判定・指令の3段で、事故の区間だけを遮断器で切り離す
• 主保護は事故点に近いところで速く動作し、後備保護は主保護が動作しないときに、動作時間を長くして備える
• 過電流継電器は二次電流で整定し、反限時特性は電流が大きいほど速い。地絡は ZCT で零相電流を検出し、DGR が位相で方向を判定する
• 差動継電器は区間の両端の電流の差で動作し、比率差動で外部事故の誤動作を防ぐ。距離継電器は $Z = V/I$ で距離を測り、段ごとに時限を変える
• 保護協調は、下位を短く上位を長く整定し、時限差を取って、事故点に近い遮断器だけを動かす

変電所全体の構成は変電所の役割と構成機器、遮断器の働きは遮断器と断路器の違いで確かめられます。続けて調相設備の種類と電圧調整で、無効電力と電圧の調整を確かめましょう。