変圧器に関するQ&A第17回！あなたの知識を試してみましょう…

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変圧器のコアを接地する必要があるのはなぜですか？

電力変圧器の通常運転においては、鉄心は確実に接地されていなければなりません。接地されていない場合、鉄心と大地との間の浮遊電圧によって鉄心と大地との間の断続的な絶縁破壊と放電が発生します。鉄心を接地することで、鉄心の浮遊電位が発生する可能性は排除されます。しかし、鉄心が2点以上で接地されている場合、鉄心間の電位差によって接地点間に循環が生じ、鉄心の多点接地発熱故障を引き起こす可能性があります。

変圧器の鉄心における地絡故障は、鉄心の局所的な過熱を引き起こします。深刻な場合、鉄心の局所的な温度上昇が大きくなり、軽度のガス作用、さらには重度のガス作用によるトリップ事故が発生することもあります。鉄心の一部が焼損することで鉄片間の短絡故障が発生し、鉄損が増加して変圧器の性能と正常な動作に深刻な影響を与えるため、鉄心ケイ素鋼板を交換して修理する必要があります。そのため、変圧器は多点接地を許容せず、一点接地のみを許可しています。

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変圧器のコアにケイ素鋼板が使われるのはなぜですか？

一般的な変圧器の鉄心は、通常、珪素鋼板で作られています。珪素鋼は、ケイ素（シリコンとも呼ばれる）を含む鋼の一種で、ケイ素含有量は0.8～4.8%です。変圧器の鉄心が珪素鋼で作られているのは、珪素鋼自体が強い磁気伝導性を持つ磁性材料であるためです。通電されたコイルでは大きな磁束密度を生み出すことができ、変圧器の体積を小さくすることができます。

ご存知のとおり、実際の変圧器は常に交流状態で動作しており、電力損失はコイルの抵抗だけでなく、交流電流によって磁化された鉄心でも発生します。鉄心における電力損失は通常「鉄損」と呼ばれます。鉄損は、「ヒステリシス損失」と「渦電流損失」の2つの原因によって発生します。

ヒステリシス損失とは、鉄心磁化過程におけるヒステリシス現象によって生じる鉄損のことです。この損失の大きさは、材料のヒステリシスループの面積に比例します。ケイ素鋼のヒステリシスループは狭いため、変圧器として使用される鉄心のヒステリシス損失は小さく、発熱量を大幅に低減できます。

ケイ素鋼には上記のような利点があるのだから、ケイ素鋼全体を芯材として利用するだけでなく、それを板状に加工すれば良いのではないか？

それは、フレークコアが渦電流損失と呼ばれる別の種類の鉄損を低減するからです。変圧器の動作では、コイルに交流電流が流れ、当然ながら磁束も変動します。この変動する磁束によって鉄心に誘導電流が発生します。鉄心に発生する誘導電流は磁束の方向に対して垂直な平面内を循環するため、渦電流と呼ばれます。渦電流損失は鉄心を加熱する原因にもなります。渦電流損失を低減するために、変圧器の鉄心は互いに絶縁されたケイ素鋼板で積層され、渦電流が長く狭い回路の小さな部分を通過するようにすることで、渦電流経路の抵抗が増加します。同時に、ケイ素鋼に含まれるケイ素が材料の抵抗率を高め、渦電流の低減にも寄与します。

変圧器の鉄心には、一般的に厚さ0.35mmの冷間圧延ケイ素鋼板が使用されます。必要な鉄心のサイズに応じて、長いシートに切断し、「太陽」形または「口」形に重ね合わせます。原則として、渦電流を低減するためには、ケイ素鋼板が薄いほど、接合部の幅が狭くなり、効果が向上します。これにより、渦電流損失と温度上昇が低減されるだけでなく、ケイ素鋼板の材料も節約できます。しかし、実際にケイ素鋼板で鉄心を作る場合、上記の利点だけでなく、鉄心を作るのに相当な人件費の増加と鉄心の有効断面積の減少が必要になります。したがって、ケイ素鋼板で変圧器の鉄心を作る場合は、具体的な状況から始めて、利点と欠点を比較検討し、最適なサイズを選択する必要があります。

03

ガス防護の範囲はどのくらいですか？

1) 変圧器内部での多相短絡。

2) 巻線間の短絡、巻線と鉄心または鉄殻間の短絡。

3) 鉄心破損。

4) 油面下の油、または油漏れ。

5) タップスイッチの接触不良、または配線の溶接不良。

04

主変圧器の差動保護とガス保護の違いは何ですか？

1. 主変圧器の差動保護は循環電流の原理に基づいて設計・製造されており、ガス保護は変圧器内部故障時に発生または分解するガスの特性に基づいて設計・製造されています。

2. 差動保護は変圧器の主要な保護手段であり、ガス保護は変圧器の内部故障に対する主要な保護手段である。

3. 保護範囲の違いに応じて：

差分保護：

1) 主変圧器のリード線と変圧器コイルに多相短絡が発生しました。

2) 深刻な単相巻線間短絡。

3) 大電流接地システムにおける保護コイルおよびリード線の接地不良。

B ガス保護:

1) 変圧器内部の多相短絡。

2) 巻線間短絡、巻線と鉄心または外部短絡。

3) 鉄心破損（発熱および燃焼損失）。

4) 油面下の油、または油漏れ。

5) タップスイッチの接触不良、または配線の溶接不良。

05

主変圧器冷却器の故障にどう対処すればよいですか？

1. 冷却器の第I部および第II部の動作電源が失われると、「#1、#2電源障害」信号が出力されます。主変圧器冷却器は停止し、トリップ回路が接続されます。

2. 運転中にセクションIおよびIIのスイッチング電源が故障した場合、「冷却器全停止」ランプが点灯し、主変圧器冷却器全停止およびトリップ回路が接続されます。保護装置は直ちに指令所に報告して無効化し、手動切り替えを迅速に実施する必要があります。

3. 冷却回路のいずれかが故障した場合は、故障した冷却回路を切り離してください。

06

並列運転の条件を満たさない変圧器を並列運転した場合、どのような影響がありますか？

可変比が一致せず並列運転を行う場合、循環が発生し、変圧器の出力に影響します。また、インピーダンスの割合が一致せず並列運転を行う場合、変圧器の容量比に応じて負荷を分配できず、変圧器の出力に影響します。配線グループが一致せず並列運転を行う場合、変圧器は短絡します。

07

変圧器から異音がする原因は何ですか？

1) 過負荷;

2) 内部接触不良、放電発火。

3) 一部の部品が緩んでいる。

4) システム内に接地不良または短絡が発生している。

5) 大型モーターの始動は、比較的大きな負荷変動を引き起こす。

08

変圧器の負荷時電圧調整器のタップスイッチは、どのような場合に調整が禁止されますか？

1) 変圧器の過負荷運転（特殊な場合を除く）

2) 負荷圧力調整装置の軽ガス保護信号が頻繁に発生する場合。

3) 負荷圧力調整装置のオイルマークにオイルがない場合。

4) 調整圧力の数が規定数を超えた場合。

5) 圧力調整装置の異常発生。

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変圧器の銘板に記載されている定格は何ですか？

変圧器の定格とは、変圧器の正常な使用に関する製造元の規定であり、変圧器が規定された定格状態で動作することで、長期にわたる信頼性の高い動作と良好な性能が保証されます。その定格には以下のものが含まれます。

1. 定格容量：変圧器の定格状態における出力容量の保証値。単位はボルトアンペア（VA）、キロボルトアンペア（kVA）またはメガボルトアンペア（MVA）で表されます。変圧器は動作効率が高いため、通常、原巻線と二次巻線の定格容量設計値は等しくなります。

2．定格電圧：無負荷時の変圧器の端子電圧の保証値を指し、ボルト（V）およびキロボルト（kV）で表されます。特に指定がない限り、定格電圧はフィンガーライン電圧です。

3. 定格電流：定格容量と定格電圧から計算される線電流を指し、アンペア（A）で表されます。

4. 無負荷電流：変圧器の無負荷運転時の励磁電流を定格電流で割った値。

5. 短絡損失：巻線の一方の側を短絡させ、もう一方の側の巻線電圧を巻線の両側が定格電流に達するようにした際の有効損失で、ワット（W）またはキロワット（kW）で表されます。

6. 無負荷損失：無負荷運転時の変圧器の有効電力損失を指し、ワット（W）またはキロワット（kW）で表されます。

7. 短絡電圧：インピーダンス電圧とも呼ばれ、巻線の一方の側が短絡し、巻線のもう一方の側が定格電流印加電圧と定格電圧の割合に達することを指します。

8. 接続グループ: 一次巻線と二次巻線の接続モードと、クロックで表される線間電圧間の位相差を示します。

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電流源コンバータにはなぜ大容量の変圧器が必要なのでしょうか？

変圧器は一般的に定格容量に基づいて設計され、定格電力に基づいて設計されるわけではありません。これは、変圧器に流れる電流が定格容量のみに関係するためです。電圧源コンバータの場合、入力力率が1に近いため、定格容量と定格電力はほぼ等しくなります。一方、電流源コンバータはそうではなく、入力側の変圧器の力率は最大でも非同期モータの負荷力率と等しくなります。そのため、同じ負荷モータの場合、電流源コンバータの定格容量は電圧源コンバータの変圧器よりも大きくなります。

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変圧器の容量は何に関係しているのですか？

鉄心の選択は電圧に関係し、電線の選択は電流に関係する。つまり、電線の太さは発熱量に直接関係する。言い換えれば、変圧器の容量は発熱量のみに関係する。設計された変圧器において、環境中の放熱が不十分な場合、1000kVAであっても、放熱能力を強化すれば1250kVAで動作させることが可能になる。

さらに、変圧器の定格容量は許容温度上昇にも関係しており、例えば1000kVAの変圧器の場合、許容温度上昇が100Kであれば、特別な状況下で120Kまで動作させることが可能であれば、その容量は1000kVAを超える。また、変圧器の放熱条件を改善すれば、定格容量を増やすことができることもわかる。逆に、コンバータの容量が同じであれば、変圧器キャビネットの容積を小さくすることができる。

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変圧器の効率を向上させるにはどうすればよいでしょうか？

1) 低損失、高効率、省エネの変圧器を選ぶようにしてください。

2) 負荷に応じて、適切な容量の変圧器を選択する

3) 変圧器の平均負荷率は70%以上でなければならない。

4) 平均負荷係数が30%未満になることが多い場合は、小容量変圧器を適切に交換する必要があります。

5) 負荷力率を改善して、変圧器の有効電力伝送能力を向上させる

6) 負荷の適切な構成により、変圧器の運転回数を可能な限り削減する

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高エネルギー消費型配電変圧器の技術革新を加速させる理由とは？

高エネルギー消費配電用変圧器は主に、SJ、SJL、SL7、S7などのシリーズ変圧器を指し、鉄損、銅損は現在広く使用されているS9シリーズ変圧器よりもはるかに高く、例えばS7はS9と比較して鉄損が11%高く、銅損が28%高くなっています。

また、S10、S11変圧器などの新しい変圧器は、S9よりも省エネで、アモルファス合金変圧器の鉄損はS7のわずか20%に相当します。変圧器の耐用年数は一般的に数十年です。高エネルギー変圧器を高効率省エネ変圧器に交換することで、エネルギー変換効率が向上するだけでなく、耐用期間中の電気代も節約できます。

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渦電流とは何ですか？渦流発生による有害な影響は何ですか？

交流電流が導線を流れると、導線の周囲に交流磁場が発生します。この交流磁場内の導体全体に誘導電流が発生し、この誘導電流は導線自体が閉じたループ状になるため、水の渦のように渦流と呼ばれる現象が生じます。渦電流は電力の浪費や電気機器の効率低下を引き起こすだけでなく、変圧器のコアなどの電気機器の発熱を引き起こし、機器の正常な動作に深刻な影響を与える可能性があります。

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変圧器の過渡保護は、なぜ低電圧短絡電流を回避する必要があるのでしょうか？

主にリレー保護動作の選択性を考慮すると、主に高圧側急速遮断保護、変圧器の重大な外部保護は、設定時に変圧器の低電圧側を避けない場合、低電圧側は出力からそれほど遠くないため、短絡電流の範囲は大きくなく、基本的に等しいため、これにより高圧側急速遮断保護が低圧側に拡張され、選択性が失われます。選択的保護を失うと信頼性は高まりますが、不便が生じます。たとえば、現在多くの産業では、常に 10 kV 変圧器室 (10 kV バス + 出口回路遮断器) が設置され、各作業場では低電圧変圧器室 (リングネットワークキャビネット + 変圧器) が設置されています。回路遮断器が変圧器の低電圧側最大短絡電流を回避しない場合、低電圧主スイッチ (リングネットワークキャビネット負荷スイッチヒューズ) が作動し、高電圧回路遮断器が動作して、操作に不便が生じます。

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なぜ並列接続された2台の変圧器を同時に接地できないのですか？

大電流システムでは、リレー保護の感度調整の要件を満たすために、主変圧器の一部は接地され、残りの部分は非接地される。

同一変電所内の2台の主変圧器の中性点は同時に接地されないため、零相電流保護と零相電圧保護の協調が主に考慮される。

複数の変圧器が並列運転されている変電所では、変圧器の中性点の一部が接地され、残りの部分は非接地されている。このようにすることで、地絡電流のレベルを適切な範囲に制限することができ、運転モードの変更によって系統全体の零相電流の大きさや変動幅が影響を受けないようにすることができ、系統の零相電流保護の感度を向上させることができる。

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新しく設置された、あるいはオーバーホールされた変圧器は、なぜ稼働前に衝撃投入試験を実施しなければならないのですか？

系統内で無負荷変圧器を切断すると、運転過電圧が発生します。低電流接地システムでは、いわゆる過電圧の振幅は定格相電圧の3～4倍になる場合があります。大規模接地システムでも、運転過電圧は定格相電圧の3倍に達する場合があります。したがって、変圧器の絶縁が定格電圧および運転過電圧に耐えられるかどうかをテストするために、変圧器を運転する前に、いくつかの衝撃投入試験を実施する必要があります。さらに、無負荷変圧器の入力には突入電流が発生し、その値は定格電流の6～8倍に達することがあります。励磁突入電流は大量の電力を発生させるため、衝撃投入試験を実施するか、変圧器の機械的強度とリレー保護の誤動作を防ぐための有効な対策を検討する必要があります。

出典：Windows on Power