分類から配線方式まで、接地変圧器の最も包括的な説明

電力系統の 6kV、10kV、35kV の電力網は、一般的に中性点非接地運転モードを採用しています。電力系統の主変圧器の低圧側は、一般的に三角形接続されており、接地できる中性点はありません。中性点非接地システムで単相接地故障が発生した場合、線間電圧三角形は対称性を維持します。電力系統は、1～2 時間にわたってユーザーに電力を供給し続けることができ、容量性電流は比較的小さく (10A 未満)、断続的なアークは発生しません。一部の過渡的な接地故障は自動的に解消されるため、電力供給の信頼性を向上させ、停電事故を減らすのに非常に効果的です。しかし、都市電力網の継続的な拡張とケーブル送電線の継続的な増加に伴い、系統から接地への容量性電流が急激に増加し、単相接地後に故障点を流れる容量性電流が大きくなっています (10A 以上)。

アークは消火しにくく、強磁性共鳴過電圧を励起しやすく、断続的なアーク光接地過電圧を発生させ、絶縁損傷、送電線の遮断、事故の拡大を引き起こす可能性があります。

具体的には：

単相接地アークの断続的な消弧と再点弧は、振幅が最大4U（Uは通常の相電圧のピーク値）以上で持続時間が長いアーク接地過電圧を発生させ、電気機器の絶縁に大きな損傷を与え、絶縁が弱い箇所で破壊を引き起こし、大きな損失を引き起こします。

連続アークによって引き起こされる空気の解離は、周囲の空気の絶縁を破壊し、相間短絡を起こしやすくなります。

強磁性共鳴による過電圧は、電圧変圧器を容易に焼損させ、避雷器を損傷させる可能性があり、場合によっては避雷器の爆発を引き起こすこともあります。これらの結果は、電力系統機器の絶縁を深刻に脅かし、電力系統の安全な運用を危険にさらします。

単相接地故障時に接地への容量性電流を低減するためには、変圧器の中性点にアーク抑制コイルなどの補償装置を設置する必要があります。そのため、アーク抑制コイルを中性点に接続して接地短絡遮断電流を低減し、系統電源の信頼性を向上させるために、手動で中性点を設定する必要があります。

■国内外での現在の利用状況

中国の接地変圧器は通常、Z型配線（またはジグザグ配線）を採用しています。投資と変電所スペースを節約するために、通常、接地変圧器に第3巻線が追加され、変電所で使用される機器に電力を供給するために使用される変圧器に置き換えられます。リアクトルの国家規格によると、接地変圧器の接地方式は直接接地と、リアクトル、抵抗、およびアーク抑制コイルを介して接地される方式に分けられます。直接接地は中国では使用されていませんが、一部の電力研究部門ではこの側面について議論し始めています。海外の接地変圧器は通常、Z型接続を採用しており、10kV非接地システムに使用され、配電網の接地保護を構成します。システムに接地故障が発生した場合、接地変圧器は正相および負相電流に対して高インピーダンス、零相電流に対して低抵抗を示し、接地保護が確実に動作します。

■ 三相接地変圧器

三相接地変圧器 このタイプの変圧器は、Z型配線（またはジグザグ配線）を使用します。通常の変圧器との違いは、各相コイルが2つのグループに分けられ、その相の磁極に逆方向に巻かれている点です。この接続の利点は、零相磁束が磁極に沿って流れることができるのに対し、通常の変圧器の零相磁束は磁気漏れ回路に沿って流れることです。したがって、Z型接地変圧器の零相インピーダンスは非常に小さく（約10Ω）、通常の変圧器の零相インピーダンスははるかに大きくなります。規制によると、アーク抑制コイルを備えた通常の変圧器の容量は、変圧器容量の20%を超えてはなりません。Z型変圧器は、90%～100%の容量のアーク抑制コイルを装備できます。アーク抑制コイルに加えて、接地変圧器には二次負荷も装備でき、これにより変圧器を置き換えることができ、投資コストを削減できます。

■ 単相接地変圧器

単相接地変圧器 単相接地変圧器は、主に中性点を持つ発電機や、抵抗キャビネットのコストと容積を削減するSatons変圧器の中性点接地抵抗キャビネットに使用されます。

■ 動作特性

（１）零相電流の出力を確保するための低い零相インピーダンス。

（２）無負荷電流を低減するための高い励起インピーダンス

（３）日常運転時のエネルギー消費を抑えるための低無負荷損失。

■配線モード

YNyn接続

この接続方式の変圧器は一般的に三相三柱鉄心を採用しており、高圧側のニュートラルポイントをアーク抑制コイルに接続して接地を実現できます。しかし、単相接地零相電流が高圧側巻線を流れると、発生する零相磁極は二次磁極と平衡せず、同じ方向の零相磁束は三柱鉄心内にループを形成できないため、多数の零相磁束がクランプ、油、油タンク本体のみを通過して閉ループを形成し、油タンクとクランプに追加の損失が発生し、局所的な過熱を引き起こし、変圧器の容量利用が制限されます。中国の電力部門の関連運用規則では、YNyn接続変圧器のニュートラルポイント接続アーク抑制コイルの動作状態について、以下の規定を設けています。

（１）アーク抑制コイルの容量は変圧器の定格容量の２０％を超えてはならない。

（２）変圧器内のアーク抑制コイルを流れる零相電流によって発生する零相電圧降下は、定格相電圧の１０％を超えてはならない。

YNd接続変圧器とアーク抑制コイルXLの接続方式の特徴は、二次側の三角形接続により零相電流の閉経路が確保されるため、零相リアクタンスが小さいことです。また、各コア柱の一次巻線と二次巻線の零相磁極が平衡しているため、零相磁気漏れも小さくなります。ただし、YN接続巻線が外部にある場合、油槽やその他の部品で発生する零相追加損失を完全に回避することはできません。アーク抑制コイルと接続した場合、その容量の利用は依然として制限されます。海外の試験研究によると、YNd接続接地変圧器の許容動作モードは次のとおりです。

（１）二次側全負荷が正常な場合、YN側に接続されたアーク抑制コイルの容量は変圧器の定格容量の５０％を超えてはならない。

（２）通常時における二次負荷が変圧器容量の５０％に過ぎない場合、アーク抑制コイル容量は変圧器の定格容量と等しくすることができる。

この接続の二次側は地域負荷や変電所自体に電力を供給できるものの、三角接続ではハイブリッド電力と照明の両方の利用者に同時に電力を供給することが難しいため、その用途は大きく制限されるだろう。

YN、オープンd接続は、YNd接続と同様に、アーク抑制コイルXLに接続されます。オープンdの接続方式では、オープン三角形の側に抵抗器またはリアクトルを接続して変圧器の零相リアクタンスを調整できます。また、抵抗器を接続することで、ネットワークの強磁性共振を抑制することもできます。三相5柱鉄心を採用すれば、零相インピーダンス値を大幅に増加させることができ、アーク抑制コイルを省略することも可能ですが、構造が複雑になり、コストが増加します。さらに、オープン三角形接続の二次利用では、地域負荷への電力供給や自家消費電力のニーズを満たすことができないため、この方法は広く使用されていません。

ZN、yn接続変圧器はアーク抑制コイルXLに接続され、これは接地変圧器の一般的な接続方式です。ジグザグ接続方式では、同じ鉄心柱上の上半分巻線と下半分巻線の零相磁束密度が同じ大きさで逆方向であるため、互いに打ち消し合い、零相漏洩磁束が非常に小さくなり、零相リアクタンス値も非常に小さくなるため、接続されたアーク抑制コイルの容量と等しくなります。

国内外で広く使用されている接地変圧器は、主にこの方式で接続されています。低圧側ではYN接続方式を採用しているため、変電所の自家消費電力だけでなく、局所的な電力供給も可能です。低圧側の容量は通常、高圧側よりも小さく、ほとんどの場合、80～200kVAの範囲内です。

高電圧側の定格容量は接続されたアーク抑制コイルの容量と等しくてもよいが、Z字型接続はY字型接続よりも1.15倍の巻数となるため、接地変圧器の実際の容量はアーク抑制コイルの容量の1.15倍にする必要がある。

■動作原理

接地変圧器がシステム内で単相故障を起こした場合の動作原理図は、一般的なZNyn配線を用いて示されています。接地変圧器が動作中に一定サイズの零相電流を流すと、同じ鉄心柱上の2つの単相巻線を流れる電流は逆方向で大きさが等しくなります。そのため、零相電流によって発生する磁界電位はちょうど逆方向にオフセットされ、零相インピーダンスも非常に小さくなります。

接地変圧器が故障すると、中性点には補償電流が流れる可能性があります。零相インピーダンスが小さいため、零相電流が流れる際に発生するインピーダンス電圧降下は、システムの安全性を確保するためにできるだけ小さくする必要があります。接地変圧器は零相インピーダンスが低いという特性を持つため、C相で単相接地故障が発生すると、C相の接地電流Iが大地を通って中性点に流れ込み、3等分されて接地変圧器に流れ込みます。接地変圧器に流れ込む3相電流は等しいため、中性点Nの変位は変化せず、3相線間電圧は対称性を維持します。

しかし、製造工程では、高電圧巻線の上部と下部の巻線の巻数と幾何学的寸法は完全に等しくすることができず、零相電流によって生成される磁気ポテンシャルを反対方向に正確にオフセットすることは不可能であり、依然として一定の零相インピーダンス（通常は約 6〜10 Ω）を生成します。600 Ω のスター接続変圧器の零相インピーダンスと比較すると、その利点は自明です。さらに、ジグザグ接地変圧器は、無負荷電流と無負荷損失を可能な限り小さくすることもできます。通常のスター接続変圧器と比較すると、ジグザグ接続変圧器の各相鉄心は 2 つの鉄心列の巻線で構成されています。そのベクトル図によると、電圧が同じ場合、通常のスター接続変圧器と比較すると、1.16 倍多く巻く必要があります。中性点抵抗接地方式の単相接地都市配電網の零相インピーダンスと正相インピーダンスの振幅は大きく異なります。三相正相電流と負相電流が流れるとき、接地変圧器の各鉄心柱上の磁力は、鉄心柱上の異なる相の2つの巻線の磁力のフェーザの合計になります。3本の鉄心柱上の磁力は、位相差が120°の3相平衡量のグループです。発生した磁束は、3本の鉄心柱上にループを形成します。磁気回路の磁気抵抗が小さく、磁束が大きく、誘導電位が大きいため、正相インピーダンスと負相インピーダンスが大きくなります。したがって、接地変圧器は、正相インピーダンスと負相インピーダンスが大きく、零相インピーダンスが小さいという特性を持ちます。

■主な技術仕様

配電網におけるアーク抑制コイルの接地補償のニーズを満たすとともに、変電所の電力および照明負荷のニーズを満たすために、Z型接続変圧器が選定され、接地変圧器の主要パラメータが適切に設定される必要がある。

（１）定格容量を有する接地変圧器の一次側容量は、アーク抑制コイルの容量と一致させる必要があります。既存のアーク抑制コイルの容量仕様に基づき、接地変圧器の容量をアーク抑制コイルの容量の１．０５〜１．１５倍に設定することを推奨します。例えば、２００kVAのアーク抑制コイルを１個装備した接地変圧器の容量は２１５kVAです。

（２）中性点補償電流の単相故障時に変圧器中性点を通過する全電流：

どこ：

Uは配電網の線間電圧（V）、Zxはアーク抑制コイルのインピーダンス（Ω）です。

Zdは接地変圧器の一次ゼロシーケンスインピーダンス（Ω/相）です。

Zsはシステムインピーダンス（Ω）です。

中性点補償電流の持続時間は、アーク抑制コイルの持続時間と同じで、規定どおり2時間とする。

（３）零相インピーダンス 零相インピーダンスは接地変圧器の重要なパラメータであり、単相接地短絡電流を制限し過電圧を抑制するリレー保護に重要な影響を与えます。二次コイルのないジグザグ（Z型）およびスター/オープンデルタ接続の接地変圧器には、零相インピーダンスという1つのインピーダンスしか存在しないため、製造部門は電力部門の要求を満たすことができます。

（４）損失は接地変圧器の重要な性能パラメータです。二次コイル付き接地変圧器の場合、無負荷損失は同じ容量の二重巻線変圧器と同じになります。負荷損失については、二次側が全負荷運転のとき、一次側の負荷が軽いため、二次側と同じ容量の二重巻線変圧器よりも一次側の負荷損失が小さくなります。

（５）国家規格によれば、接地変圧器の温度上昇は以下のとおりである。

1) 定格連続電流下での温度上昇は、一般電力変圧器の乾式変圧器に関する国家規格の規定に準拠するものとするが、主に二次側に頻繁に負荷がかかる接地変圧器に適用される。

2) 短時間負荷電流の継続時間が 10 秒未満の場合 (主に中性点が抵抗に接続されている場合)、温度上昇は、短絡状態における温度上昇制限に関する国家規格電力変圧器の規定に準拠しなければならない。

3) 接地変圧器とアーク抑制コイルが同時に動作する場合の温度上昇は、アーク抑制コイルの温度上昇に関する規定に従うものとする。定格電流が連続的に流れる巻線の温度は80Kであり、これは主にスター/オープンデルタ接続の接地変圧器に適用される。定格電流の最大流れ時間が2時間と規定されている巻線の場合、規定温度は100Kである。