地絡方向継電器とは
地絡方向継電器とはDGRと呼ばれ、地絡事故を検出するための電気機器です。
地絡継電器（GR)は高圧ケーブル・電気機器の絶縁劣化し、アーク地絡・完全地絡を起こした際、事故を検出して遮断器へ遮断命令を送ります。
GRでは需要家の内部で地絡事故が起こったのか、それとも外部で起こったのかを区別することが出来ず、もらい事故を起こす可能性があります。
対してDGRは地絡方向継電器という名の通り、需要家の構内で地絡が起こった時のみ作動するため、もらい事故をする危険がありません。
そのため近年はGRではなくDGRを採用するケースが多いです。
地絡方向継電器は後述する零相変流器（ZCT）で零相電流を、零相電圧検出器（ZPD)で零相電圧、この二つを同時に検出することで構内か構外かを区別できるようになります。
ちなみに下記の記事で、関連用語の違いを解説しています。
零相電流と零相電圧
先述した通り、地絡方向継電器は零相電流と零相電圧を検出します。
零相電流
三相回路において地絡事故等が発生すると、三相のバランスが崩れます。このバランスが崩れることによって変流器の二次側に不平衡電流が検出され、これを零相電流を呼称しています。
※詳しくは下のイラストを参照してください。
地絡継電器（GR）はこの零相変流器（ZCT）のみしか使用していないため、三相の不平衡から地絡事故の発生しか検出できません。
零相電圧
零相電圧は三相回路において地絡事故などが発生した際、三相が不平衡になることによって発生する、不平衡電圧を検出します。この不平衡電圧を零相電圧と呼称します。
※詳しくは下のイラストを参照してください。
零相電流だけでは、単なる電流の値しか分からないため、継電器の誤作動を起こす危険があります。
ですが零相電圧を同時に計測できれば、電流の位相が算出できるため、地絡方向継電器（DGR）は、構内での地絡事故時のみ動作できます。
零相電流、零相電圧について以上ですが、この両者を知ったうえで、次は地絡方向継電器について動作原理を追いましょう。
DGRの動作原理について
DGRが実際に地絡事故を検出する原理、動作についてみていきましょう。
①DGRによって零相電流と零相電圧を監視
下のモデルにおいて、需要家側にDGRを設置していると考えます。この際、零相電流と零相電圧を同時に監視しています。
ちなみに配電側のEVTという電気機器も零相電圧の検出に使用されますが、これは接地する必要があるため、配電側しか使用できません。
②対地静電容量によりコンデンサを仮想的に加える
高圧ケーブルと大地間には対地静電容量が存在するため、地絡電流を考えるためにコンデンサが仮想的に接続されていると考えます。
今回は三系統あるため、三ケ所コンデンサを追加します。
③需要家内での地絡事故
需要家内で地絡事故が発生した場合、地絡事故点に向けて、イラストのように電流が流れます。
外部から需要家内部に向けて電流が流れているのが分かると思います。この場合はDGRが動作し、遮断器も開放動作をすることになります。
④需要家外での地絡事故
需要家外で地絡事故が発生した場合も、同じように地絡事故点に向けて電流が流れます。
③との違いは、DGRを通過するのは「需要家内部の対地静電容量による電流だけ」という点です。また電流の向きも逆になります。
これは需要家側での高圧ケーブルが長くなることにより、その間にも対地静電容量が発生することに起因します。
しかしDGRであれば電流の向きを検出可能であり、需要家外の事故であると判別できるため、誤動作しません。
⑤地絡事故の位相
③の需要家内での地絡事故、④の需要家外での地絡事故は、ベクトル図に直すと下記のイラストのようになります。
ポイントは地絡電流の流れる方向が変わるため、位相もそれだけ差異が生じる、という点になります。
DGRの動作位相特性の角度は、このような原理の下に決定されます。
以上がDGRの動作原理になります。
難しい計算などは省いていまので、機会があれば計算してみるとより理解が進むかもしれません。
まとめ
- DGRは地絡を検出するため、零相電流と零相電圧を監視している。
- 零相電流はZCT、零相電圧はZPDがそれぞれ検出する。
- GRは需要家内外のどちらで地絡事故が起きたか分からないが、DGRはそれを区別することが出来る。
参考文献・サイト
- 田沼和夫『大写解 高圧受電設備: 施設標準と構成機材の基本解説』オーム社,2017年
- 公益社団法人 東京電気管理技術者協会『電気監理技術者必携 第9版』オーム社,2019年
- 公益社団法人 日本電気技術者協会『地絡方向継電器（DGR）の咆哮判別機能と入力極性 https://www.jeea.or.jp/course/contents/08304/ 『高圧自家用受電設備の保護について』 https://www.jeea.or.jp/course/contents/05204/
- OMRON『地絡継電器の概要（１）』 https://www.fa.omron.co.jp/product/special/protection_relay/basic/03/01.html
コメント
大変興味深く読ませたもらいました。
平成10年度一種電力4の問題を理解できずここにたどりついたものです。
地絡方向継電器は位相特性をもっており，充電電流と接地形計器用変圧器（GPT）の中性線電流との合成電流で動作するように調整されている。地絡事故時に地絡方向継電器の動作に貢献するのは健全フィーダの充電電流であるが，この充電電流は，対地静電容量の大きいフィーダに一線地絡事故が発生した場合には，対地静電容量の小さいフィーダに地絡事故が発生した場合に比べて小さい。
構内地絡事故において、構内充電電流分（Ic3´逆ベクトル）がGPTに流れΣIc123が減されると
いった理解でよろしいんでしょうか？
opp様
コメントありがとうございます。
電験一種の問題については、当方では責任が取れないため、誠に申し訳ございませんが回答は控えさせていただきます。
地絡保護協調や地絡電流については、私もネット上で得心のいく解説に中々たどり着けませんでした。
もし可能であれば、参考文献に載せている「公益社団法人 東京電気管理技術者協会『電気監理技術者必携 第9版』オーム社,2019年」のp142以降の地絡保護協調の項を参考頂けると、opp様のお求めの情報にいきつくかもしれません。
お答えを提示できず心苦しいのですが、ご容赦の程よろしくお願いいたします。
貴殿の属する環境なら、質問に対する説得力ある解答が得られるのでは？
と、一縷の望み（大変失礼ですね）をもっての質問でした。
対称座標法、マクスウェル方程式、半導体工学、量子力学、電気の極めようと思えば底が見えない。
電験沼にはまっているアラフィフの、おっさんのたわいもない質問に返事ありがとうございます。
電気の神髄を垣間見ることができるよう頑張りましょう。二種の取得を目指すのであれば、一種問題が焼き直しされるケースが目立つので、余裕があればカバーを。
opp様
お力添えできず申し訳ありません。
まさか当サイトのコメント第1号さんが、一種合格を目指されている大先輩になるとは思っていませんでした（汗）
電験沼ではなく電験坂だとポジティブにとらえ、私も頂点……とは行かずとも中腹は超えられるように頑張りたいと思います。
青二才が作ったサイトではありますが、今後ともお付き合いしていただけると幸いです。
ケーブルが長い場合に地絡”方向”継電器が使われている理由が理解できました。
電験の参考書には理由が記載されていなかったため暗記で済ませるところでしたが、このサイトを見てスッキリしました。
コメントありがとうございます！
お役に立てたようで良かったです！
引き続き、拙いサイトとですがよろしくお願いいたします！
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なかなか説明できる人はいないと思います。
参考書も位相特性とだけ記載して詳細なプロセスは
かなりはっしょってます。
大変ご参考にさせていただきました。