【電験三種・電力】保護継電器の種類と役割｜OCR・GR・DZを完全整理

こんにちは、シラスです。
電験三種の電力科目で毎年のように出題される保護継電器（リレー）。OCR・GR・DZ・87…と略称が飛び交い、初学者からすると「もう勘弁してくれ」となるトピックです。

でも、保護継電器の正体は「電力系統の異常検知センサー」。スマートウォッチが心拍異常を検知して警告するのと同じです。何を見ているか、何を守るか、これさえ整理できれば暗記は半分以上終わったようなもの。

この記事では、電験三種で頻出の保護継電器7種類を「異常検知センサー」のたとえで完全図解します。読み終わるころには、過去問の選択肢を見て「あ、これGRの話だな」と即判断できるようになっているはずです。

保護継電器とは？まず結論から

電力系統では、落雷・地絡・短絡・過負荷などの異常がしょっちゅう発生します。これらを放置すると、機器が焼損・大規模停電・火災・感電事故など、深刻な被害につながります。

そこで活躍するのが保護継電器。電圧・電流・周波数などを常時監視し、異常を検知したら「遮断器（CB）に向かってトリップ信号を送る」のが仕事です。遮断器が回路を物理的に切る役、保護継電器は判断する頭脳役という関係です。

保護継電器に求められる4つの条件

正誤問題でよく出るのが「保護継電器に求められる特性」です。次の4条件をセットで覚えておきましょう。

条件	意味
選択性	事故が発生した区間だけを切り離し、健全な区間は給電を続ける
速動性	事故を高速で検出・遮断し、被害を最小限に抑える
確実性	事故時には必ず動作し、平常時には誤動作しない
感度	微小な事故電流でも確実に検出できる

電験三種で覚えるべき7種類の保護継電器

電験三種の電力科目で押さえておきたい保護継電器を7種類に絞り込みました。それぞれの略称・正式名・役割を一気に整理します。まずは全体像を表で確認しましょう。

略称	正式名	何を検出？	主な保護対象
OCR	過電流継電器	過大な電流	配電線、変圧器
GR	地絡継電器	地絡電流	配電線、需要家
DGR	方向地絡継電器	地絡電流の向き	配電系統
DZ（21）	距離継電器	事故点までの距離（インピーダンス）	送電線
87	比率差動継電器	入出力電流の差	変圧器、発電機
OVR	過電圧継電器	過大な電圧	系統全般
UVR	不足電圧継電器	電圧低下	負荷機器

①OCR（過電流継電器）：電流が大きすぎたら動作

OCR（Over Current Relay）は、定格を超える電流が流れたときに動作する最も基本的な継電器です。短絡事故・過負荷を検知します。

OCRの2つの動作特性

特性	動作の特徴
瞬時要素	大きな短絡電流が流れたら即座に動作（数十ms以内）
限時要素	過負荷など中程度の電流は時間を遅らせて動作（電流が大きいほど早く動作する反限時特性）

②GR・DGR：地面に電気が漏れたら動作

GR（Ground Relay／地絡継電器）は、電線が大地に接触する「地絡事故」を検知する継電器。配電線の電線が切れて地面に落ちた、絶縁が劣化して電流が漏れた、といったケースを検知します。

GRの動作原理

通常時、三相の電流は合計するとゼロになります（行きと帰りで打ち消される）。しかし地絡が起きると、電流が一部地面に流れて、合計がゼロでなくなる。この差をZCT（零相変流器）で検出するのがGRです。

DGRはGRに方向判別を加えたもの

DGR（Directional Ground Relay／方向地絡継電器）は、GRに「方向判別」の機能を加えた継電器。「地絡が自分の管轄内で起きたのか、よそで起きたのか」を判別します。

これがないと、隣の系統で起きた地絡で自分が誤動作してしまう（=もらい事故）。配電系統の選択性を確保する上で不可欠です。

③DZ（距離継電器）：事故点までの距離を測る

DZ（Distance Relay／距離継電器）は、その名の通り「事故が発生した場所までの距離」を計算して動作する継電器。デバイス番号は「21」です。送電線で広く使われます。

距離をどう測る？

DZが測るのは、実際の物理距離ではなく「電源から事故点までのインピーダンス（抵抗+リアクタンス）」。送電線のインピーダンスは「単位距離あたり○Ω/km」と決まっているので、インピーダンスがわかれば距離もわかる、という仕組みです。

DZの「ゾーン保護」

DZは、保護したい区間を複数のゾーンに分けて動作時間を変える設計になっています。

ゾーン	範囲	動作時間
第1ゾーン	送電線の80〜90%	瞬時動作
第2ゾーン	送電線の100%以上	時限あり（数百ms）
第3ゾーン	隣接区間まで	バックアップ用

④87（比率差動継電器）：入りと出の電流の差を見る

87（比率差動継電器）は、変圧器や発電機の保護に使われる継電器。デバイス番号「87」で呼ばれることが多いです。

動作原理：入出力の電流の差

変圧器が正常なら、1次側に入った電力は2次側からそのまま出てくるはず（巻数比で電流は変わるが、補正すれば一致する）。もし1次側と2次側で電流の差が大きければ、それは「変圧器の内部で何か起きている＝内部事故」と判断できます。

なぜ「比率」差動なのか？

変圧器の励磁突入電流（電源投入時の一時的な大電流）や外部事故時の貫通電流でも、わずかな差が発生することがあります。これらで誤動作しないよう、「電流の大きさに比例して動作感度を変える」仕組みがあります。これが「比率」の由来。

⑤OVR・UVR：電圧が高すぎor低すぎたら動作

OVR（Over Voltage Relay／過電圧継電器）とUVR（Under Voltage Relay／不足電圧継電器）は、その名の通り「電圧が異常な値」になったら動作する継電器。電流系のOCRに対し、こちらは電圧系です。

継電器	動作条件	用途例
OVR	電圧が定格を超えた	フェランチ効果による過電圧、雷サージ、機器絶縁保護
UVR	電圧が一定値以下に低下	瞬時電圧低下時の負荷保護、停電検出

保護対象別：どこに何の継電器を使うか？

正誤問題でよく問われるのが「○○の保護に使われる継電器はどれか」。保護対象別にまとめておくと暗記がラクになります。

保護対象	主な保護継電器	理由
送電線	距離継電器（DZ） 過電流継電器（OCR）	長距離なので「どこで事故か」を判別できるDZが主役
変圧器	比率差動継電器（87） OCR、ガス検出器	内部事故の検出に比率差動が最適
発電機	比率差動継電器（87） OVR、UVR、不足周波数	高価で重要な設備のため多重保護
配電線	OCR、GR、DGR	短絡と地絡の両方を保護
需要家設備	OCR、GR、UVR	受電点での保護

主保護と後備保護（バックアップ保護）

保護継電器は1つだけでは不十分。「主保護」と「後備保護」の2段構えで運用するのが原則です。

過去問でよく出る「正誤問題」パターン3選

電験三種の保護継電器は、計算問題よりも正誤問題（穴埋めや○×）として出題されることが多いです。よく出るパターンを3つ紹介します。

パターン①：略称と役割の組み合わせ

「次の保護継電器のうち、変圧器の内部事故を検出するものはどれか」のような問題。87=変圧器・発電機の内部事故と即答できればOK。

パターン②：動作原理の正誤

「過電流継電器は瞬時要素のみを持つ」のような選択肢の正誤。これは誤り。OCRは瞬時要素と限時要素の両方を持ちます。

パターン③：保護対象の対応関係

「送電線の保護に最もよく使われる継電器はどれか」のような問題。送電線=距離継電器（DZ）がパターン化されています。

まとめ：略称と「何を守るか」をセットで覚える

保護継電器は、初学者が最初に挫折しやすい論点です。略称が多くて、しかも英語の頭文字が増えてくるとどんどん混乱します。でも、本記事で紹介した「○○=何を守る」の対応関係さえ頭に入れば、正誤問題で確実に点が取れるようになります。

本番の試験で「比率差動継電器の用途として最も適切なものは？」と問われたら、迷わず「変圧器の内部事故」と答えられるあなたは、もう保護継電器マスター。明日の過去問演習が楽しみになるはずです。