変圧器を保護する方法。変圧器を正しく保護することで、その使用寿命を延ばすことができます。

変圧器は静止型機器であり、連続運転が可能で、信頼性が高く、故障の可能性も低い。しかし、変圧器の大部分は屋外に設置されており、運転中の負荷や電力系統の短絡故障の影響を受けるため、運転中に様々な故障や異常状態が発生することは避けられない。

1. 変圧器の一般的な故障と異常

変圧器の故障は、内部故障と外部故障に分類できる。

内部故障とは、ケース内部で発生する故障を指し、例えば、巻線の相間短絡故障、単相巻線の巻線間短絡故障、巻線と鉄心間の短絡故障、巻線の断線故障などが含まれます。

外部故障とは、変圧器の外部リード線間の様々な相間短絡故障、およびリード線の絶縁ブッシングがケースを通してフラッシュオーバーを起こした際に発生する単相接地故障を指します。

変圧器の故障は甚大な被害をもたらします。特に内部故障が発生した場合、短絡電流によって発生する高温アークは、変圧器巻線の絶縁体や鉄心を焼損させるだけでなく、変圧器油の分解と大量のガス発生を引き起こし、変圧器筐体の変形や爆発に至ることもあります。したがって、変圧器が故障した場合は、必ず撤去しなければなりません。

変圧器の異常は主に、過負荷、油面低下、過電流による外部短絡、運転中の変圧器油温の上昇、巻線温度の上昇、変圧器圧力の上昇、冷却システムの故障などです。変圧器に異常が発生した場合は、警報信号を発する必要があります。

2. 変圧器保護構成

短絡故障の主な保護手段：縦方向差動保護、重ガス保護など。

短絡故障バックアップ保護：主に複合電圧ロック過電流保護、零相（方向）過電流保護、低インピーダンス保護など。

異常動作保護：主に過負荷保護、過励磁保護、軽ガス保護、中性点ギャップ保護、温度油面保護、冷却システム故障保護。

3. 非電気保護

変圧器の保護は、油、ガス、温度などの非電気的な要素で構成され、これを非電気保護と呼びます。主な保護方式としては、ガス保護、圧力保護、温度保護、油面保護、冷却器停止保護などがあります。非電気保護は、現場の要求に応じてトリップしたり、信号を送信したりします。

1. ガス保護

変圧器の内部故障が発生すると、短絡電流と短絡点アークの作用により、変圧器内部で大量のガスが発生し、同時に変圧器油の流れも速くなります。ガスと油の流れを利用して保護を実現することをガス保護と呼びます。

（１）軽ガス保護：変圧器内部で軽微な故障や異常が発生すると、故障箇所の局所的な過熱により油が部分的に膨張し、油中のガスが気泡となってガスリレーに入り込みます。軽ガス保護動作により軽ガス信号が送信されます。

（２）重ガス保護：変圧器タンクで重大な故障が発生すると、故障電流が大きくなり、アークによって変圧器油が大量に分解され、大量のガスと油が流出します。衝撃バッフルは重ガスを保護動作に従わせ、重ガス信号と出口トリップを発信し、変圧器を遮断します。

（３）重ガス保護は、燃料タンクの内部故障に対する主要な保護であり、変圧器のさまざまな内部故障を反映することができます。変圧器で数ターン間の短絡が発生した場合、故障電流は非常に大きいですが、差動保護で発生する差動電流は大きくない場合があり、差動保護が動作を拒否する可能性があります。したがって、変圧器の内部故障に対しては、故障を除去するために重ガス保護に頼る必要があります。

その写真

2. 圧力保護

圧力保護は、変圧器タンクの内部故障に対する主要な保護機能でもあります。圧力解放保護と圧力変動保護は、変圧器油の圧力を反映するために使用されます。

3. 温度および油面保護

変圧器の温度が警告値まで上昇すると、温度保護装置が警報信号を送信し、待機中の冷却装置を起動します。

変圧器から油が漏れたり、その他の理由で油面が低下したりした場合、油面が保護され、警報信号が送信されます。

4、クーラーの全停止保護

変圧器の冷却装置がすべて停止すると、変圧器の温度が上昇します。適切な処置を講じないと、変圧器巻線の絶縁が損傷する可能性があります。そのため、変圧器の運転中に冷却装置がすべて停止した場合、保護装置は警報信号を発信し、一定時間経過後に変圧器を遮断します。

4. 差分保護

変圧器差動保護は、変圧器の電気容量を保護する主要な手段であり、その保護範囲は変流器の両側に囲まれた部分です。この範囲内で巻線間短絡、ターン間短絡などの故障が発生すると、差動保護が作動します。

1. 変圧器の突入電流

変圧器の投入時に発生する界磁電流を界磁突入電流と呼びます。励磁突入電流の大きさは、変圧器の構造、投入角、容量、投入前の残留磁束密度などの要因によって決まります。測定結果によると、突入電流は通常定格電流の2～6倍で、最大で定格電流の8倍以上になることもあります。突入電流は充電側でのみ変圧器に流入するため、差動ループに大きな差動電流が発生し、差動保護の誤動作を引き起こします。

突入電流には以下の特徴があります。a. 突入電流の値が非常に大きく、明らかな非周期成分が含まれています。b. 波形は尖っていて不連続です。c. 明らかな高次高調波成分、特に第2高調波成分が含まれています。d. 励起突入電流は減衰します。

突入電流の上記の特性に基づき、突入電流による変圧器差動保護の誤動作を防止するため、本プロジェクトでは、高次高調波成分、波形の非対称性、波形の不連続角度という3つの原理を用いて差動保護のロックを実現します。

2. 第二高調波ブレーキ原理

第2高調波制動の本質は、差動電流の第2高調波成分を用いて、差動電流が故障電流か突入電流かを判定することにある。第2高調波成分の基本波成分に対する割合が一定値（通常20%）を超えると、差動電流は突入電流によるものと判断され、差動保護が作動する。

したがって、第2高調波制動比が大きいほど、許容される基本波に含まれる第2高調波電流が多くなり、制動効果が悪くなる。

3. 差動式クイックブレーク保護

変圧器内部で重大な故障が発生し、故障電流がCT飽和を引き起こすほど大きい場合、CT二次電流には多数の高調波成分が含まれます。上記の説明から、第2高調波による制動によって差動保護がロックまたは遅延する可能性があり、変圧器に深刻な損傷を与える恐れがあります。この問題を解決するために、通常は差動急速遮断保護が設置されます。

差動急速遮断要素は、実際には縦方向差動保護の高定数差動要素です。一般的な差動要素とは異なり、差動電流の実効値を反映します。差動電流の波形や高調波成分の大きさに関係なく、差動電流の実効値が差動速度遮断の設定値（通常は差動保護の設定値よりも高い）を超えると、励磁突入電流などの基準によるロックなしに、変圧器を即座に遮断します。

5. 変圧器バックアップ保護

変圧器の主保護について簡単に説明した後、変圧器のバックアップ保護について説明します。変圧器のバックアップ保護構成には多くの種類がありますが、ここでは、二重電圧ロック過電流保護と接地保護という2種類のバックアップ保護について簡単に説明します。

1. 二重圧力ロック過電流保護

複合電圧ロック過電流保護は、大型および中型変圧器間の短絡故障に対するバックアップ保護です。過電流保護の感度要件を満たせない昇圧変圧器、系統連系変圧器、降圧変圧器に適しています。負相電圧と低相電圧から構成される複合電圧は、保護範囲内の様々な故障を反映し、過電流保護の設定値を低減し、感度を向上させます。

複合電圧過電流保護は、複合電圧要素、過電流要素、および時間要素で構成されます。保護のアクセス電流は変圧器のローカル側の二次三相CT電流であり、アクセス電圧は変圧器のローカル側または反対側の二次三相PT電圧です。マイクロコンピュータ保護の場合、この側の電圧はソフトウェアを介して他の側に提供できるため、PTメンテナンスのどの側でも複合電圧過電流保護を使用できます。動作ロジックを以下に示します。

2. 変圧器の接地保護

大型および中型変圧器の接地短絡故障に対するバックアップ保護は、一般的に零相過電流保護、零相過電圧保護、ギャップ保護などである。以下では、中性点に基づく3つの異なる接地方式について簡単に説明する。

（１）中性点は直接接地されている

電圧が110kVで、中性点より上が直接接地されている変圧器の場合、地絡事故を検知するために、零相電流保護装置を大電流接地系統側に設置する必要があります。高圧側と中圧側の両方が直接接地されている変圧器の場合、零相電流保護装置は各側母線の方向に設置する必要があります。

零相電流保護の原理は、線路零相保護の原理と同様であり、第30号を参照されたい。零相電流は、中性点の二次CT電流、またはローカル側の二次三相CT電流から得られる。方向要素に接続された零相電圧は、ローカル側のPT開回路三角電圧、またはローカル側の二次三相電圧から得られる。マイクロコンピュータ保護装置では、主に自作方式が採用されている。

大型三巻線変圧器の場合、零相電流保護は3段階構成となる。第I部と第II部には電流方向があり、第III部には電流方向がない。各部には一般的に2段階の遅延があり、短い遅延で故障範囲を縮小（ジャンパーバスまたはローカルスイッチ）、長い遅延で変圧器を遮断（ジャンパー三側スイッチ）する。具体的な保護構成は実際の状況によって異なる。

図に示すように、セクションIまたはIIの零相方向電流保護の動作後、まずt1またはT3母線または短い遅延を持つローカルスイッチをジャンプさせて、故障の影響範囲を縮小する必要があります。それでも故障量が残る場合は、長い遅延を持つt2またはT4三路スイッチで変圧器を遮断する必要があります。セクションIIIは方向がないため、変圧器は遅延によって直接取り外されます。

（２）中性点が接地されていない

零相電流は変圧器の中性点を通過して零相ループを形成します。しかし、変圧器のすべての中性点が接地されている場合、接地点における短絡電流は各変圧器に分配されるため、零相過電流保護の感度が低下します。したがって、零相電流を一定の範囲内に制限するために、中性点に接地する変圧器の数を調整する必要があります。

非接地変圧器の場合、接地故障発生時に故障箇所でのギャップアークによって変圧器が過電圧損傷を受けるのを防ぐため、零相電圧保護を構成する必要がある。

完全絶縁トランスは、中性点の絶縁レベルが高いため、システムに接地故障が発生した場合、まず零相電流保護によって中性点接地トランスが除去され、それでも故障が解消されない場合は、零相電圧保護によって中性点非接地トランスが除去されます。

（３）中性点は放電ギャップを介して接地される

すべての高電圧変圧器は半絶縁型であり、中性線コイルと接地間の絶縁は他の部分よりも弱い。中性線の絶縁は破壊されやすいため、絶縁保護を設ける必要がある。

ギャップ保護の役割は、非接地変圧器の絶縁安全性において中性点を保護することである。

図に示すように、変圧器の中性点と接地の間に絶縁ギャップが設けられています。接地遮断スイッチが閉じているときは、変圧器は直接接地され、零相過電流保護が作動します。接地遮断スイッチが切断されているときは、変圧器は絶縁ギャップを介して接地され、絶縁ギャップ保護が作動します。

ギャップ保護は、変圧器の中性点を流れるギャップ電流3I0と母線PTの開回路三角電圧3U0を基準として実現される。

中性点から故障箇所までの電圧が上昇すると、ギャップ破壊が発生し、大きなギャップ電流3I0が流れます。このとき、ギャップ保護動作が作動し、一定時間後に変圧器が切り離されます。また、系統に地絡故障が発生した場合、中性点接地動作変圧器の零相保護動作が作動し、まず中性点接地変圧器が切り離されます。系統が接地点を失った後も故障が継続する場合、母線PT 3U0の開放三角電圧が大きくなり、このときもギャップ保護が作動します。

出典：パワー・パルピット