故障電流についての備忘録

高圧受電設備（一般的に6.6kVなどで受電する設備）における故障電流（事故電流）は
電気設備を安全に維持・運用し、適切な保護協調（ブレーカーやリレーの遮断設定）を行う上で
重要な概念です。

故障電流の主な種類

高圧受電設備で発生する故障電流は
大きく分けると「短絡電流」と「地絡電流」の2つに分類される。

① 短絡電流

電線同士が、負荷（機器）を介さずに
直接接触してしまう事故（相間短絡）の際に流れる電流のこと。

特徴

非常に大きな電流（数千〜数万アンペア）が流れる。

原因

施工不良、ネズミやヘビなどの小動物の接触
絶縁物の劣化による相間絶縁破壊、落雷など。

影響

激しいアークや熱を発生し、電線や機器（遮断器、変圧器など）を瞬時に焼き切る（熱的損傷）ほか
強力な電磁力によって電線を曲げたり支持物を破壊したりする（機械的損傷）。

②地絡電流

電線（充電部）が大地（地面やキュービクルの外箱など）と
接触する事故（地絡事故）の際に流れる電流のこと。

特徴

日本の高圧配電系統は主に「非接地方式（消弧リアクトル接地含む）」が採用されているため
1線地絡時の地絡電流は短絡電流に比べて非常に小さい（数アンペア〜数十アンペア程度）のが特徴。

原因

ケーブルのシース（外皮）損傷、変圧器やコンデンサの絶縁劣化による
外箱への漏電、樹木の接触など。

影響

電流自体は小さいものの、放置すると火災の原因になったり
対地電圧が上昇して他の健全な相の絶縁を破壊し
最悪の場合は「2線地絡」へ進展する可能性がある

故障電流が設備に及ぼす影響と対策

故障電流が発生した際
設備を守るために以下の2つの耐性が求められる。

• 熱的耐度（熱的影響）
  大電流が流れると、ジュール熱（I^2Rt）により急激に温度が上昇する。
  機器や電線がこれに耐えられるかどうかが重要となる。
  
• 機械的耐度（電磁力影響）
  並行する電線に大電流が流れると、強力な電磁力が働く。
  短絡電流のピーク時には、母線をへし折るほどの力がかかるため、支持物の強度計算が必要となる。

設備側の主な防護対策

• 過電流継電器（OCR）＋高圧遮断器（CB）
  短絡電流を検知して回路を高速遮断する。
  
• 地絡継電器（GR / DGR）＋高圧交流負荷開閉器（LBS / AS）
  微弱な地絡電流や地絡方向を感知し、事故区間を切り離す。
  
• 高圧限流ヒューズ（PF）
  短絡電流が最大値に達する前に
  文字通り「電流を限流（抑制）」して高速遮断する非常に信頼性の高い素子。

故障電流の計算が必要な理由

実務において、故障電流（特に最大短絡電流）を正確に把握・計算することは必須とされており
下記が主な理由となる。

① 遮断器の「遮断容量」を決定するため

遮断器（CB）には、安全に遮断できる
電流の限界値（定格遮断電流：例 12.5kA、20kAなど）が決まっている。

設置した遮断器の能力を上回る短絡電流が流れると
遮断器自体が爆発・破損し、事故を広げてしまうことになるため
受電点（電力会社との境界）の短絡容量から計算し、余裕を持った遮断器を選定する必要がある。

② 保護協調のため

事故が起きた際、建物全体を停電させるのではなく
「事故が起きた最小限のエリアだけ」を切り離すのが理想となる（保護協調）。

低圧側で短絡が起きた場合は低圧ブレーカーが
高圧母線で起きた場合は高圧遮断器が動くよう

③ 波及事故の防止

自社の高圧設備で起きた事故（特に地絡や短絡）の遮断が遅れると
電力会社側の変電所のブレーカーが先に落ちてしまい
近隣の地域一帯を巻き込む「波及事故」に発展する。
これを防ぐために、需要家構内で自社の主遮断装置（PASやVCB、LBS）が確実に故障電流を遮断する必要がある。

故障電流計算の基本（%インピーダンス法）

短絡電流を計算する際は
一般的に「％インピーダンス（パーセントインピーダンス）法」が使われる。

基準となる容量（例えば 10　MVA など）を決め
電源（電力会社）から事故点までの各機器（送電線、変圧器、ケーブルなど）の抵抗成分を
％表示に換算して足し合わせる方法となる。

三相短絡電流（Is）は、以下の簡略式で求められる。

上式より、％インピーダンスが小さいほど、短絡電流（Is）は増加する。