変圧器ガス防護の原理、構造、動作および保守

1. ガスとは何ですか？

ガスは、古代植物による石炭形成の初期段階で、嫌気性細菌の作用によりセルロースや有機物が分解されて生成されます。高温高圧環境下では、石炭が形成される過程で物理的・化学的影響によりガスが発生し続けます。ガスは無色無臭の気体ですが、芳香族炭化水素とガスが同時に噴出するため、リンゴのような香りがすることがあります。ガスの空気に対する比重は0.554、標準状態でのガスの密度は0.716kg/m³です。ガスの透過率は空気の1.6倍です。水に溶けず、燃焼を支えず、呼吸を維持できません。酸素不足により窒息を引き起こし、燃焼または爆発する可能性があります。

ガスの主成分はアルカン類で、その大部分はメタンであり、少量のエタン、プロパン、ブタンが含まれる。さらに、一般的に硫化水素、二酸化炭素、窒素、水分、そしてヘリウムやアルゴンなどの微量の不活性ガスも含まれる。標準状態では、メタンからブタンまでは気体、ペンタン以上は液体である。火気に触れると燃焼し、「ガス」爆発が発生し、鉱山労働者の安全を直接脅かす。

2. ガス防護の定義

ガス保護リレーでは、上部は密閉されたフロート、下部は金属製のバッフルで、両方に密閉された水銀接点が備えられています。フロートとバッフルはそれぞれの軸を中心に回転可能です。通常動作時、リレーは油で満たされ、フロートは油に浸され、浮上位置にあり、水銀接点は切断されています。バッフルは自重で垂れ下がり、その水銀接点も切断されます。変圧器内部で軽微な故障が発生すると、ガスがゆっくりと発生し、ガスはまずオイルコンサベータに向かう途中のガスリレーの上部空間に蓄積され、油面が低下し、フロートが下降して水銀接点が閉じ、オンタイム遅延信号が発生します。これが、いわゆる「軽ガス」です。変圧器内部で重大な故障が発生すると、強いガスが発生し、油タンク内の圧力が瞬時に上昇します。その結果、大量の油がオイルピローの方向に流れ込み、その流れがバッフルに衝突します。バッフルはバネの抵抗を克服し、磁石をバネの接触方向へ移動させ、水銀接点を閉じ、トリップ回路をオンにして遮断器をトリップさせます。これが、いわゆる「重ガス」と呼ばれる現象です。重ガスの作用により、変圧器に接続されているすべての電力が即座に遮断され、事故の拡大を防ぎ、変圧器を保護する役割を果たします。

ガスリレーには、フロート式、バッフル式、オープンカップ式など、さまざまな種類があります。そのほとんどはQJ-80リレーを使用しており、信号回路はオープンカップに、トリップ回路はバッフルに接続されています。いわゆるガス保護信号動作とは、リレー内の上部オープンカップの信号回路接点が何らかの理由で閉じ、ランププレートのランプが点灯することを意味します。

規制では、容量800kVA以上の油入変圧器および容量400kVA以上の油入変圧器には、ガス保護装置を設置することが規定されている。

3. ガス防護の分類

ガス防護は一般的に、軽ガスと重ガスの2つのカテゴリーに分けられます。

1. 軽ガス保護: 変圧器が過熱または部分的に放電すると、変圧器の油温が上昇し、一定量のガスが発生します。このガスはリレーに蓄積され、一定量に達するとリレーが作動して信号が送信されます。

2. 重ガス保護: 変圧器で深刻な短絡が発生すると、変圧器油に影響が出て、一定量の油がリレーのバッフルに流れ込み、トリップします。

4. ガス防護の保護範囲

ガス保護は変圧器の主要な保護装置であり、タンク内のあらゆる故障を検出できます。具体的には、燃料タンク内の多相短絡、巻線間の短絡、巻線と鉄心またはケーシング間の短絡、鉄心破損、油面低下または油漏れ、タップチェンジャーの接触不良またはワイヤ溶接不良などです。ガス保護の動作は高速で感度が高く信頼性が高く、構造もシンプルです。しかし、オイルタンクの外部回路（リード線など）の故障を検出できないため、変圧器の内部故障を保護する唯一の保護装置として使用することはできません。また、ガス保護は地震などの外部要因の影響を受けやすく、誤動作しやすいという欠点もあります。

変圧器の負荷時電圧調整スイッチのブッフホルツリレーは、主変圧器のブッフホルツリレーと同じ機能を持ちますが、設置位置と型式が異なります。

5. 保護装置の設置方法

ブッフホルツリレーは、変圧器からオイルコンサベーターへの接続配管に設置されます。設置時には、以下の点に注意してください。

1. まず、ガスリレー配管のバタフライバルブをしっかりと閉めてください。バタフライバルブがしっかりと閉まっていない場合やその他の状況がある場合は、作業中に大量の油が溢れるのを防ぐため、必要に応じてオイルピロー内の油を排出してください。

2. 新しいガスリレーを取り付ける前に、検査証明書があるか、口径と流量が正しいか、内外部品に損傷がないか、内部に一時的な固着がある場合は分解し、最後にブイ、バッフル、信号、トリップ接点の動作が信頼できるかを確認し、ブリードバルブを閉じます。

3. ガスリレーは水平に設置し、上部カバーにマークされた矢印の方向をオイルピローに向けてください。本プロジェクトでは、リレーの線軸方向がオイルピローの端でわずかに高くなることが許容されますが、水平面からの傾斜は4%を超えてはなりません。

4. バタフライバルブを開けてガスリレーにオイルを充填し、オイル充填後、エア抜きバルブから空気を排出します。オイルピローにカプセルがある場合は、オイルピローへのガスの侵入を最小限に抑え、またガスの侵入を防ぐため、オイルの充填および排出方法に注意してください。

5. 保護配線を行う際には、誤接続や短絡を防ぎ、活線操作を避け、同時に導電棒の回転や小さな磁器ヘッドからの油漏れを防ぐ必要があります。

6. 運転開始前に、絶縁振動試験および伝送試験を実施する必要があります。

6．ガスリレーの試験項目

ガスリレーの設置および使用前に、以下の点検項目および試験項目を実施する必要があります。

1. 一般点検項目：

ガラス窓、エア抜き弁、制御針、リードアウト端子には油漏れが全くなく、フロート、オープンカップ、ガラス窓などにも亀裂が全くない。

2. テスト項目

2.1. シールテスト：全体の油圧（圧力は20mPa、持続時間は1時間）漏れテストで、漏れがあってはなりません。

2.2. 端子絶縁強度試験：出力端子と出力端子間の電源周波数電圧を2000Vで1分間印加します。絶縁抵抗は2500Vメガオーム計で測定することもできます。絶縁抵抗は300mΩ以上である必要があります。

2.3. 軽ガス作用体積試験：シェル内に250∽300cm3の空気が蓄積された場合、軽ガスは確実に作用するはずです。

2.4. 重ガス作用の流速試験。

7. 日常点検

電力変圧器の運転規則DL/T572-95（以下「規則」という）では、変圧器の日常点検において、まずガスリレー内にガスが存在するかどうかを確認し、ガス点検においては以下の点に注意する必要があると規定している。

1. ガスリレーの接続パイプにあるバルブは、開位置になっている必要があります。

2. 変圧器の呼吸保護装置は正常に作動している必要があります。

3. ガス保護接続部品を正しく取り付けてください。

4. オイルピローの油面は適切な位置にあり、リレーにはオイルが満たされている必要があります。

5. ガスリレーの防水カバーはしっかりと固定されていなければならない。

6. リレーの端子は油が漏れないようにし、雨、雪、塵の侵入を防ぐ必要があります。電源とその二次回路は防水、防油、凍結防止対策が施されている必要があり、春と秋には防水、防油、凍結防止の点検を行う必要があります。

8. ガス防護の運用

変圧器が正常運転状態にある場合、ブッフホルツリレーは異常なく動作します。ブッフホルツリレーの動作状態については、規則に以下の規定があります。

1. 変圧器が運転中は、ガス保護装置を信号とトリップに接続し、負荷時タップ切換器のガス保護装置をトリップに接続する必要があります。

2. 変圧器が運転中に以下の作業を行う場合、重ガス保護装置を信号線に再接続する必要があります。

2.1. 1つの回路ブレーカーを使用して2台の変圧器を制御する場合、一方の変圧器が待機状態に切り替わると、待機状態の変圧器を信号に再接続する必要があります。

2.2. オイルのろ過、オイルの補充、水中オイルポンプの交換、オイル清浄機の吸着剤の交換、ガスリレーの接続パイプのバルブの開閉を行うとき。

2.3. ガス保護装置およびその二次回路の作業時。

2.4. ブッフホルツリレー上部のオイルサンプルとエア抜きバルブを除き、他のすべての場所のエア抜きバルブ、オイル排出バルブ、オイル入口バルブを開きます。

2.5 油面計の油面が異常に上昇した場合、または吸込および吸込システムに異常現象が発生した場合は、空気抜き弁またはオイル排出弁を開ける必要があります。

3. 地震予知期間中は、変圧器の具体的な状況およびガスリレーの耐震性能に応じて、重ガス防護の運転モードを決定する必要があります。地震による重ガス防護動作で運転停止となった変圧器は、運転再開前に点検および試験を行い、異常がないことを確認してから運転を再開する必要があります。

9．ガス防護のための行動理由

1. 軽ガス作用の理由

1.1. オイルフィルター、給油、または冷却システムの不具合により、変圧器内に空気が侵入する。

1.2. 温度低下または油漏れにより、油面がガスリレー灯のガスブイより低い。

1.3. 変圧器の故障により少量のガスが発生する

1.4. 変圧器に横断短絡故障が発生した場合、貫通故障電流の作用により、油間ギャップ間の油流速度が加速されます。油間ギャップと巻線外部との圧力差が大きく変化すると、ガスリレーが誤動作する可能性があります。横断故障電流により巻線が発熱し、故障電流の倍数が大きい場合、巻線温度が急激に上昇し、油の体積が膨張してガスリレーが誤動作します。

1.5、ガスリレーまたは二次回路の故障。

上記の要因により、ガス検知信号が作動する可能性があります。

10．ガス防護措置後の処置

1. 変圧器ガス保護装置が作動した後は、注意深く点検、分析し、正しく判断し、直ちに措置を講じる必要がある。

A. ガス保護信号が作動したら、直ちに変圧器を点検し、空気の蓄積、油面低下、二次回路の故障、または上位変圧器の内部故障のいずれが原因であるかを調べます。ガスリレー内にガスがある場合は、ガスの量を記録し、ガスの色を観察し、可燃性かどうかをテストし、ガスと油のサンプルを採取してクロマトグラフィー分析を行います。変圧器の故障の性質は、関連する規制やガイドラインに従って判断できます。クロマトグラフィー分析とは、クロマトグラフを使用して、採取したガスに含まれる水素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、エタン、エチレン、アセチレンなどのガスの定性分析と定量分析を行うことを指します。故障の性質、進行傾向、および深刻度を正確に判断します。

B. ガスリレー内のガスが無色、無臭、不燃性であり、クロマトグラフィー分析で空気であることが確認された場合、変圧器は運転を継続し、空気吸入の不具合を速やかに解消することができる。

ガスリレー内のガスが可燃性であり、かつ油中の溶解ガスのクロマトグラフィー分析結果が異常であった場合、総合的な判断を下して変圧器が使用不能であるかどうかを判断する必要がある。

2. ブッフホルツリレーがトリップした場合、原因が特定され、故障が解消されるまで変圧器を運転してはならない。原因究明にあたっては、主に以下の要因を考慮し、総合的に判断する必要がある。

a. 呼吸が苦しいか、または呼吸が疲れているかどうか。

b. 保護回路や直流回路などの二次回路が正常かどうか。

c. 変圧器の外観に、故障の性質を明確に反映する異常現象が見られるかどうか。

d. ガスリレー内に蓄積されたガスが可燃性であるかどうか。

e. ガスリレー内のガスおよび油に溶解したガスのクロマトグラフィー分析結果。

f. 必要な電気試験結果。

g. 変圧器のその他のリレー保護装置の動作。

11. ガス防護に関する安全対策

ガス保護動作において、軽微な場合は保護動作信号を送信して保守担当者に変圧器の即時対応を促し、重大な場合は変圧器スイッチをトリップさせて変圧器を即座に停止させ、電力供給の信頼性を保証できない。ガス保護に関する事故防止策を提案する。

1. ガスリレーの下部ブイをバッフル型に、接点を垂直型に変更し、重ガス作動時の信頼性を向上させる。

2. ガスリレーが水漏れによって短絡するのを防ぐため、その端子とケーブルリード端子ボックスには防水対策を施す必要があります。

3. ガスリレーのリード線は耐油性電線でなければならない。

4. ガスリレーのリード線とケーブルは、それぞれケーブルリード端子ボックス内の端子に接続する必要があります。