電力変圧器の短絡耐性を向上させるための対策

電力変圧器の概要

電子式電力変圧器は、主に電力電子技術を用いて実現されます。電力周波数信号に変換する、つまり周波数を下げることによって実現されます。電力電子デバイスの動作を制御する適切な制御方式を採用することで、ある周波数、電圧、波形の電気エネルギーを別の周波数、電圧、波形の電気エネルギーに変換できます。中間絶縁変圧器の体積は、鉄心材料の飽和磁束密度と鉄心および巻線の最大許容温度上昇に依存し、飽和磁束密度は動作周波数に反比例するため、動作周波数を上げると鉄心の利用効率が向上し、それによって変圧器のサイズが小さくなり、全体の効率が向上します。

2．電力変圧器の短絡耐性を向上させるための対策

変圧器の安全かつ経済的で信頼性の高い運転と出力は、製造品質、運転環境、および保守品質に依存します。本章では、変圧器の運転および保守中に発生する突然の故障を効果的に防止するための対策について解説します。

電力系統は、落雷、リレー保護の故障や拒否などにより、しばしば短絡します。短絡電流の強い衝撃は変圧器を損傷する可能性があるため、あらゆる面から変圧器の短絡耐力を向上させる努力が必要です。変圧器の短絡衝撃事故の統計結果によると、製造上の理由が約80%を占め、運転・保守上の理由が約10%を占めるにすぎません。設計と製造に関する対策については第2章で説明しましたが、本章では運転・保守中に取るべき対策に焦点を当てます。運転・保守の過程では、一方では短絡故障を最小限に抑え、変圧器が衝撃を受ける回数を減らす必要があります。他方では、問題が発生する前に、変圧器巻線の変形を適時に検査する必要があります。

（１）コイル製造の設計を標準化し、軸方向圧縮工程に注意を払う。設計においては、変圧器の損失低減と絶縁レベルの向上だけでなく、変圧器の機械的強度と短絡故障耐性の向上も考慮する必要がある。製造工程においては、多くの変圧器が絶縁加圧板を使用しており、高圧コイルと低圧コイルが加圧板を共有しているため、この構造には高度な製造技術が必要であり、加圧板を緻密化する必要がある。一定圧力下で単一コイルを乾燥させ、圧縮後のコイルの高さを測定する。同じ加圧板の各コイルを上記の工程で処理した後、同じ高さに調整し、最終組立時に油圧装置を使用してコイルに所定の圧力を加える。設計および工程要件の高さに達する。一般的な組立においては、高圧コイルの圧縮に注意するだけでなく、低圧コイルの圧縮制御にも特に注意を払う必要がある。

（２）変圧器の短絡試験を実施し、短絡が発生する前に防止する。大型変圧器の運転信頼性は、第一にその構造と製造工程のレベルに依存し、第二に運転中の機器の各種試験によって機器の動作状態を適時に把握することに依存する。変圧器の機械的安定性を理解するために、短絡試験を通じて弱点を改善し、変圧器の構造強度を確実に設計することが可能となる。

（３）信頼性の高いリレー保護と自動再閉路システムを使用する。システムにおける短絡事故は、人々が回避しようと努力するものの、絶対に回避できない事故であり、特に１０KV線路では、誤操作、小動物の侵入、外部からの力、使用者の責任などにより短絡事故が発生する可能性が非常に高い。したがって、既に運用されている変圧器については、まず保護システム用の信頼性の高い直流電源を装備し、保護動作の正確性を確保する必要がある。変圧器の外部短絡強度が運用中に低い現状と合わせて、システム短絡トリップ後の自動再閉路または強制試運転の不利な要因を考慮する必要がある。そうしないと、変圧器の損傷を悪化させ、場合によっては再修理の可能性を失うことさえある。現在、一部の運用部門では、短絡故障が瞬時に自動的に解消される可能性に応じて、近距離架空線（2km以内など）やケーブル線の再閉路の使用を中止したり、再閉路の失敗による問題を軽減するために閉路間隔を適切に延長したりしています。短絡トリップの危険性は可能な限り低減する必要があります。

（４）変圧器巻線の変形試験および診断を積極的に実施する。通常、変圧器が短絡故障電流の影響を受けると、巻線は部分的に変形し、すぐに損傷しなくても、深刻な隠れた問題が残る可能性がある。まず、絶縁距離が変化し、固体絶縁が損傷し、部分放電が発生する。雷過電圧に遭遇すると、巻線間および層間絶縁破壊が発生し、突然の絶縁破壊事故につながる可能性がある。通常の動作電圧下でも、部分放電の長期的な影響により絶縁破壊事故が発生する可能性がある。

したがって、変圧器巻線の変形診断を積極的に実施し、故障した変圧器を適時に発見し、計画的にフードの点検とメンテナンスを行うことは、多くの人的資源と物的資源を節約できるだけでなく、変圧器事故の防止にも極めて重要な役割を果たします。

伝達関数 H(jw) の零点と極の分布 (すなわち、周波数応答特性) は、2 ポートネットワークのコンポーネントと接続方法に密接に関係しています。多数の実験研究結果によると、変圧器の巻線は通常、10 kHz ～ 1 MHz の周波数範囲でより多くの共振点を持ちます。周波数が 10 kHz より低い場合、巻線のインダクタンスが主な役割を果たし、共振点は通常少なく、分布容量の変化に対する感度が低くなります。周波数が 1 MHz を超えると、巻線のインダクタンスは分布容量によってバイパスされ、共振点もそれに応じて減少し、インダクタンスの変化に対する感度が低くなります。また、周波数が増加するにつれて、テスト ループ (リード) の浮遊容量もテスト結果に大きな影響を与えます。

変圧器巻線変形試験装置は高価であり、高度な技能を持つ人材を必要とするため、生産現場や運用現場で広く普及させることは容易ではありません。そのため、実際の作業においては、変圧器巻線の静電容量の変化に基づいて巻線の変形を判定する方法を、周波数応答法の有用な補完手段として活用できます。特に、周波数応答法が適用できない場合、水平方向と垂直方向に累積した静電容量を比較することで、変圧器巻線の動作状態をタイムリーに把握でき、事故発生の可能性を低減し、電力系統の安全かつ安定した運用を確保できます。

（５）現場での建設および運用保守における検査を強化し、信頼性の高い短絡保護システムを使用する。変圧器を現場に設置する際は、製造元の指示および仕様に厳密に従って建設を行い、品質を厳密に管理し、発見された潜在的な危険を排除するための適切な措置を講じなければならない。運用保守担当者は、変圧器の検査、保守、保証管理を強化し、変圧器が良好な動作状態にあることを確保し、出口および周辺区域での短絡故障の可能性を低減するための適切な措置を講じる必要がある。システムの短絡故障を可能な限り回避するために、既に稼働している変圧器については、まず保護システムに信頼性の高い直流システムを装備し、保護動作の正確性を確保する。周波数応答法試験技術は、短絡トリップの影響を受けた後の変圧器の状態を測定し、試験結果に基づいて意図的にフードを点検することで、重大事故の発生を効果的に回避できる。

変圧器が様々な短絡電流に耐えられるかどうかは、主に変圧器の構造設計と製造工程に依存し、運用管理、運転条件、建設技術レベルと密接な関係があります。変圧器の短絡事故は、電力系統の運用に極めて有害です。事故を回避するためには、変圧器と電力系統の安全かつ安定した運用を確保するために、様々な側面から効果的な制御措置を講じる必要があります。