アーシング設計の基礎

アースの設計コンセプトと計算を例を示しながら説明する。

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はじめに

このチュートリアルでは、変電所のアースおよび接地システムの設計で使用される主要な概念を紹介します。系統電位上昇、タッチ電圧、ステップ電圧、電流分布など、重要な用語について説明します。

故障時の接地・アースシステムの動作例について説明する。

1 グリッド・ポテンシャル・ライズ（GPR）

図1（a）は、地表から0.5m下に埋設された水平導体（「メッシュ」または「グリッド」導体とも呼ばれる）と、水平導体によって形成されたグリッドに接続される長さ3mの垂直導体（「アースロッド」とも呼ばれる）からなる単純な接地システムを示している。水平グリッドは正方形で、4つの正方形メッシュに細分化されている。

図1(b)は、故障時に接地システムに通電したときに地表で発生する表面電圧を示している。

電流が接地システムを介して地球に注入されると、電流は土壌の抵抗率に直接依存する抵抗によって満たされる。この抵抗を電流が流れるため、接地システムとそれに接続されているすべての金属構造物の電位が上昇します。変電所のアースグリッドが、遠隔地のアースの電位（0ボルト）にあると想定される遠距離のアースポイントに対して到達する可能性のある最大電位は、グリッド電位上昇（GPR）と呼ばれる[1]。

GPRは、接地システムによって土壌に注入される電流の大きさに正比例します。ある注入電流に対して、GPR は土壌抵抗率に正比例する。したがって、接地システムを設計する際には、信頼性の高い土壌比抵抗を測定し、変電所サイトで測定して土壌特性を把握することが非常に重要です。これは、接地システムの性能を正確にモデル化するために必要です。

ある故障電流の場合、GPR はグリッドの面積にほぼ反比例する。グリッドの形状と埋設深さもGPRにある程度影響することに注意。

図1に示すグリッドのGPRは2220Vで、GPRより常に低い最大表面電圧は2060Vである。

図1-システム電圧と表面電圧のプロット例

2 タッチ電圧とステップ電圧

図1より、地表電位はGPRより低く、ばらつきが大きいことがわかる。グリッド導体の真上では、地表面電位はGPRに最も近く、一方、グリッドメッシュの中央部では電位差が生じ、GPRと地表面電位の差はこの中央部で最大となる。つまり、人がメッシュの中央に立ち、接地システムに接続されている金属構造物に接触すると、高い接触電圧を受けることになります。

タッチ電圧」は、接地システムと、人が通電している金属構造物（接地システムと同電位であると仮定）に接触しながら立つことができる地表の場所との間の電位差であることに注意すること[1]。

図2（a）のプロットは、グリッドの内側とグリッドから1メートル離れた位置までのタッチ電圧を表示している。最大タッチ電圧は通常、グリッドの角で発生します。これは、周囲導体に最も高い漏れ電流が存在するためです（漏れ電流プロットを取得することは、これを示す方法です）。

図1および図2（b）が示すように、接地システム外周の急峻な電位勾配は、人の足が位置する2つの地表面間に大きな電位差をもたらす可能性があります。一般に、人の歩幅は1mを超えないと想定されるため、「ステップ電圧」は1m離れた2つの地表点間の電位差と定義される。

ステップ電圧レベルは通常、タッチ電圧よりはるかに低い。したがって、一般的に安全なタッチ電圧が設計で達成できるのであれば、ステップ電圧は問題にならないはずです。

図2 - タッチ電圧とステップ電圧の2次元プロット

タッチ電圧とステップ電圧は、GPRと同様、地球に注入される電流に正比例します。さらに、所定の注入電流と所定のグリッド比率の場合、タッチ電圧とステップ電圧は地球の電気抵抗率に正比例する。

接地システムの性能を評価するために、GPR、故障状態中に発生するタッチ電圧とステップ電圧を、最大許容電圧または許容電圧限界としても知られる最大許容値と比較します。これらの安全限界は、IEC や IEEE 規格の方法 [1], [2] に従って導き出されます。

タッチ電圧とステップ電圧の制限値の計算方法を説明したページを参照してください。

安全リミットは、設計が安全かどうかを判断するために、実際のタッチ電圧やステップ電圧と比較される。安全設計を達成するためには、主に2つのアプローチがあります：

変電所内および変電所周辺の任意の地点に現れる実際のタッチ電圧およびステップ電圧が安全限界以下であることを低減（または表示）する。

変電所の内外に砕石またはアスファルトの表層を追加することで、許容限度を増やす。

3 故障電流分布

変電所の近くで偶発的な通電や「地絡」が発生すると、故障した相導体から大量の電流が流れ、利用可能なすべての導電経路を通って電源に戻る（図3参照）。

図3は、変電所Aの近くで故障が発生した場合の、架空送電線で接続された2つの変電所の故障電流の流れを示しています。矢印は故障電流の流れる方向を示しています。このチュートリアル・ビデオは、実例を挙げて故障電流の分布を説明しています。

故障時には、全故障電流の一部が以下の経路で電源（故障電流）源に戻る：

アース線：故障電流の一部は、故障現場からアース線（存在する場合）を介して完全に電源に流れる。故障電流の別の部分は、アース線の長さに沿って流れ、送電鉄塔のアースや故障に最も近い変電所以外の変電所のアースシステムなど、さまざまなアース経路によって大地に注入される。
変電所の接地システム：故障電流の別の部分は、故障が発生している近くの変電所の接地システムによって大地に注入される。そこから大地を通って電源の接地システムに流れ、電源の接地システムを通って、故障電流を供給している発電機または変圧器に流れる。
補助接地システム：変電所敷地内の接地システムに加え、変電所にも接地システムがある場合、故障電流の一部はこの追加接地システムに迂回される。建物の鉄筋コンクリートの床の鉄筋は、遠隔地アースのように補助接地系統とみなされる場合があることに注意。

変電所接地系統に注入される故障電流の部分は、通常、接地系統の電位上昇を引き起こすグリッド電流と呼ばれます。

各経路に沿って流れる故障電流の量は、それぞれの相対インピーダンスに直接依存する。例えば、アース線のインピーダンスが低く、故障した変電所と電源の間の距離がそれほど長くない場合、アース線が長くてインピーダンスが高い場合よりも、故障電流の大きな割合を流す傾向がある。同様に、変電所の接地システムが非常に低インピーダンスの場合、高インピーダンスの場合よりもはるかに大きな割合の故障電流を流すことになる。

ほとんどの場合、系統電流は電源から供給される全故障電流よりもはるかに小さい。従って、設計段階で故障電流分布を解析することは有意義であるが、導電経路に関する追加情報が必要である。

4 GPRを低減する設計

接地システムは、GPRが5000Vを超えないように設計されるべきであり、これは主に機器を保護するためである[3]。

GPRを減らすにはグリッドの抵抗を減らす必要があり、これはグリッドのサイズ（覆われている面積）を大きくするか、抵抗率の低い底土層に打ち込むロッドを追加することで最も効果的に達成される。グリッド内部に導体を追加することで、GPRをより小さくすることができる。

表 1 にSafeGrid Earthhing Softwareによる 4 つの単純な接地システムの計算結果を示す。これらの接地システムは、20m×20m の正方形のメッシュを深さ 0.5m に埋設し、長さ 3m のロッドを追加したものである。接地システムに注入する故障電流は 1000A、導体断面積は^70mm2である。抵抗率 100 Ω.m の一様な土壌モデルを想定している。

ケース1から開始し、クロス状に設置された長さ20 mのメッシュ導体を2本追加すると、GPRは6.37 %減少する。さらに20 mの導体を6本追加し、合計25メッシュのケース3のグリッドを形成すると、GPRは14.1 %減少する。

グリッドに内部導体を追加することは、グリッドのサイズを大きくするよりも効果が低い。ケース 4 では、サイズを 20 m から 25 m に増やすだけで、GPR は 16.78 % 減少する。

グリッド抵抗を下げるとグリッド電流が増加し、電流変動がないと仮定した場合に得られるGPRの低下が小さくなることに注意してください。

5 タッチ電圧とステップ電圧を低減する設計

接地システムは、故障時に変電所周辺のどの地点でも接触電圧が危険とならないように設計されなければなりません。接触電圧は地表の点と変電所の接地システムとの間の電位差であるため、理想的な状況は地表の電位が変電所のGPRに近いことである。

4メッシュグリッドの表面電圧とタッチ電圧のプロットをそれぞれ図4（a）と（b）に示す。表面電圧プロットの4つの谷は4つのメッシュの中心に対応し、最大のタッチ電位が存在する点である。このグリッドの最大タッチ電圧は642Vである。

図4-4メッシュグリッドの表面電圧とタッチ電圧のプロット

図5は、同じグリッドで25メッシュの場合の表面電圧とタッチ電圧のプロットである。メッシュ数の増加により、谷が非常に浅くなっている。そのため、最大タッチ電圧はかなり小さくなっている。このグリッドの最大タッチ電圧は391Vである。

図5-25メッシュグリッドの表面電圧とタッチ電圧のプロット

ある時点で、グリッド導体を追加することで得られる改善は重要でなくなり、図5では、タッチ電位がすでにグリッドエリア全体でほぼ均一であるため、谷を浅くしてもあまり改善が得られないことがすでに明らかです。この場合でも改善が必要であれば、接地システムを大きくするなどしてGPR自体を下げる必要がある。

タッチ電圧が安全な範囲内であれば、変電所エリア内のステップ電圧は通常問題にならない。変電所エリア内のステップ電圧はタッチ電圧よりも小さいだけでなく、人間はタッチ電圧よりも高いステップ電圧に耐える。

ステップ電圧は通常、急峻な地表面電位勾配が存在する変電所周辺でのみ懸念される。経験則として、電位勾配の急勾配は接地システムの大きさにほぼ反比例するため、ステップ電位は大きな接地システムよりも小さな接地システムの方が大きな問題になりやすい。接地システムのサイズを大きくすることは、ステップ電圧を低減する効果的な手段である。

グリッドの内側での接触電圧は低下しているにもかかわらず、変電所の端での接触電圧は依然として非常に高い。変電所外の人員や機器を保護するために、20m×20mの主接地グリッドの1m先に埋設グレーディングリング（IEEE規格80では「周辺導体」と呼ばれる）を追加することで、接触電圧を低減することができる。

図6はグレーディングリングを使用しない場合のタッチ電圧とステップ電圧を示している。タッチ電圧の最大値は767Vで、変電所の外周に沿ったステップ電圧も許容できない。

図6 - グレーディング・リングなしのタッチ電圧とステップ電圧の2Dプロット

図7は、メイングリッドと同じ深さにグレーディングリングを埋設した場合のタッチ電圧とステップ電圧を示している。グレーディングリングの設置により、タッチ電圧とステップ電圧は大幅に低下している。タッチ電圧の最大値は425 Vに減少し、変電所の外周に沿ったステップ電圧も、グレーディングリングなしの200 Vに比べて50 V程度に減少している。

図7 グレーディング・リングを用いたタッチ電圧の2Dプロット

6 土壌の比抵抗構造が電圧に及ぼす影響

実際の変電所サイトでは、土壌の比抵抗構造は一般的に一様ではありません。大半のサイトでは、接地システムの電気的性能を評価するために、多層地盤モデルがより現実的で正確です。

このセクションでは、単純な2層土壌について、上層と下層の抵抗率の違いが表面電圧に及ぼす影響を検討する。ほとんどの土壌構造では、3層から5層のモデルが必要である。

典型的な2層土壌モデルは以下の通りである：

ハイオンローモデル（上層の比抵抗が下層の比抵抗より高い）
ローオンハイモデル（下層の比抵抗が上層の比抵抗より高い）

ハイ・オン・ローとロー・オン・ハイの接地がタッチ電圧とステップ電圧に及ぼす影響の違いを実証するため、ロッドのない20m×20mの単純な接地グリッドを使用した。

図8は、深さ1.5 mの上層土の比抵抗が500 Ω.m、下層土の比抵抗が50 Ω.mの高オン低土壌モデルでの表面電圧を示している。ハイ・オン・ローモデルの場合、高比抵抗層の最上層に流入した断層電流は、低比抵抗層の最下層に逃げようとする。

図8 - 高低土壌モデルの表面電圧プロット

図9は、深さ1.5 mの表層土の比抵抗が50 Ω.m、底層土の比抵抗が500 Ω.mであるローオンハイ土モデルでの表面電圧を示している。底層土の比抵抗が大きいと、深い土層への電流流入が妨げられ、表面電圧が上昇する。低層・高層土壌モデルの最大表面電圧は5525 Vに達する。

図9 - 低高度土壌モデルの表面電圧プロット

最下層の抵抗率は、最上層に比べてグリッド抵抗とグリッド電位上昇に最も影響します（相対的な厚さのため、最下層の厚さは無限の深さまで広がります）。したがって、下層の比抵抗が低ければ、全体的なグリッド抵抗とGPRは低くなり、これが利点となります。しかし、土壌の比抵抗モデルがハイ・オン・ローの場合、表面電圧のプロファイルが急峻に変化するため、タッチ電圧はロー・オン・ハイの場合よりもはるかに大きくなる可能性があります。

7 安全性向上のためのロッド使用

Ⅰ.近接効果を考慮したセパレートロッド

アーシングシステムにロッドを設置することで性能を向上させることができるが、有効なアーシングを行うためにはロッドを十分な間隔で設置する必要がある。

図10が示すように、あるセグメントの電界は隣接するセグメントに影響を及ぼし、その逆もまた然りである。複数の垂直ロッドを密集させることは、適切な間隔で配置されたロッドの本数が少ない場合ほど、$/Ωの観点からは有益ではない。

この現象を説明するために、各コーナーに5mのロッドを4本配置した図11のような単純なグリッドを作りました。グリッド（水平）導体は、結果がロッドの間隔にのみ影響されるように絶縁されている。

図 12 は、ロッドの間隔を変化させたときのグリッド・インピーダンスを示している。ロッドの長さまで離すことで、全体の抵抗が大幅に減少していることに注目されたい。したがって、ロッドはロッド1本分以上の長さで分離する必要があると結論づけられる。

したがって、一般的にロッドが効果的であるためには、少なくともその長さだけ間隔を空けるべきである。例えば、長さ5mのロッドは少なくとも5mの間隔を空けるべきである。

Ⅱ.土壌特性に応じた効果的なロッドの使用

電圧を下げるためのロッドの使用は、場合によっては効果が薄いこともある。

表 2 は、異なる地盤モデルにおけるロッドの有無による系統インピーダンスを示している。ロッドの設置により、特に高低差の大きい地盤モデルで系統インピーダンスが低減している。

一方、低地盤モデルでは、表土層に電流が残留するため、ロッドの使用はあまり効果的でない（24.53%減少）。この問題は、低層-高層地盤モデルにカウンターポイズ（通常、グリッドから外側に延びる水平導体）を設置することにより、接地グリッドがカバーする面積を増やすことで解決できる。接地格子によってカバーされる区域を高めることは常に性能を改善する。