配電変圧器の故障分析とトラブルシューティング事例
配電変圧器の故障原因
温度上昇による故障
金属材料への影響
変圧器が動作しているとき、電流が大きすぎると顧客負荷が変圧器の定格容量を超えるため、変圧器の温度が上昇し、金属材料が軟化して機械強度が大幅に低下します。銅を例にとると、200 °C以上の高温環境に長時間さらされると機械強度が大幅に弱まります。また、短期間で300 °Cを超えると機械強度も急激に低下します。アルミニウム材料の場合、長期の作業温度は90 °C以下に制御し、短期間の作業温度は120 °Cを超えないようにする必要があります。
接触不良の影響
接触不良は多くの配電設備の故障の重要な原因であり、電気接触部の温度は電気接触の品質に大きな影響を与えます。温度が高いと、電気接触導体の表面が激しく酸化し、接触抵抗が大幅に増加し、導体とその構成部品の温度が上昇し、重度の場合には接触部が溶接されることがあります。
絶縁材料への影響
周囲の温度が適切な範囲を超えると、有機絶縁材料は脆弱になり、老化過程が加速し、絶縁特性が大幅に低下し、重度の場合には誘電ブレークダウンが発生することがあります。研究によると、Aクラスの絶縁材料では、耐熱範囲内での温度が8-10 °C上昇するごとに、材料の有効寿命はほぼ半減します。この温度と寿命の関係は「熱老化効果」と呼ばれ、絶縁材料の信頼性に影響を与える重要な要因です。
接触不良による配電変圧器の故障
保護コーティングの酸化による故障
導体部品の総合性能を向上させるために、エンジニアリング実践では、重要な接触部品に対して表面改質技術を使用して処理することがよくあります。例えば、変圧器の導電棒では、通常、金、銀、またはスズベースの合金などの貴金属保護層が電気めっきによって形成されます。この冶金結合層は、接触界面の物理的および化学的特性を大幅に改善することができます。
設備メンテナンス中の機械的操作や長期的な熱負荷下で、コーティングが部分的に剥離したり、酸化や腐食を受けたりすることで、接触抵抗の異常増加や電流伝導能力の低下などの問題が発生することが注意が必要です。実験データによると、コーティングの厚さ損失が30%を超えると、そのインターフェースの電気伝導安定性は指数関数的に低下する傾向があります。
銅とアルミニウムの直接接続による化学的腐食
電気接続システムにおいて、銅とアルミニウムの異なる金属間の直接接触は、著しい電極電位差を形成し、その電位値は0.6-0.7 Vに達します。この電位差は重大なガルバニック腐食を引き起こします。エンジニアリング実践では、施工規格に準拠していないか、不適切な材料選択により、銅とアルミニウムの導体を中間処理なしに直接接続することが頻繁に起こります。
この接続方法が通電すると、接触界面に徐々に酸化膜層が形成され、接触抵抗が非線形的に増加します。定格動作温度下では、このような接続部の有効寿命は通常2000時間未満であり、最終的には接触面の劣化により故障が発生します。
接触不良による電気接触部の過熱
配電変圧器の実際の設置時に、低電圧側には通常、防犯計量ボックスが設定されます。計量ボックス内部のスペースが限られていることや非標準的な施工技術により、配線の巻き取りや端子台の機械的圧着が緩いなどの問題が頻繁に発生します。これらの不良接続は、接触抵抗の異常増加を引き起こし、負荷電流の作用により過熱し、低電圧導電棒の焼け落ち故障を引き起こします。
さらに深刻なのは、低電圧巻線端部の連続的な温度上昇により、絶縁材料の熱老化過程が加速し、局所放電の危険性が生じることです。同時に、過熱により変圧器油が熱分解反応を起こし、絶縁強度と冷却性能が低下します。実験データによると、油温が85 °Cを超えて継続すると、毎年約15%-20%の割合で破壊電圧が低下します。この多重劣化効果は、雷過電圧や切り替え過電圧に遭遇したときに絶縁ブレークダウン事故を引き起こし、最終的に変圧器の故障につながる可能性が高いです。
湿度による配電変圧器の故障
周囲の相対湿度の上昇は、配電設備の絶縁システムに二重の影響を与えます。まず、湿った空気の誘電強度は大幅に低下し、その破壊電界強度は湿度と負の相関関係にあります。次に、絶縁材料表面の水分子の吸着により導電チャネルが形成され、表面抵抗率が低下します。さらに深刻なのは、水分が固体絶縁媒体の内部に拡散したり、変圧器油中に溶解したりすると、誘電損失が急激に増加することです。
変圧器油中の水分量が約100 μL/Lに達すると、商用周波数の破壊電圧は初期値の約12.5%に低下します。この絶縁性能の劣化により、設備のリーク電流が大幅に増加します。湿度の高い環境では、定格動作電圧下でも局所放電が発生することがあります。統計データによると、相対湿度が85%を超える環境では、乾燥環境と比較して配電変圧器の故障率が3-5倍になります。主に絶縁ブレークダウンと表面フラッシュオーバー事故として現れます。
避雷器の不適切な設置による配電変圧器の故障
電力システムにおいて、過電圧保護装置の性能信頼性は変圧器の動作安全性に直接影響します。主な保護コンポーネントである金属酸化物避雷器（MOA）の設置品質、運転保守、予防試験は、その効果を確保するための重要な要素です。しかし、非標準的な施工技術、検出手順の不十分な実施、および運用保守担当者の専門知識の不足により、保護装置の実際の保護効果はしばしば大幅に低下し、これは配電変圧器の絶縁ブレークダウン事故の重要な原因となります。
運用実践の観点から、保護装置は長期サービス中に様々な環境ストレスの影響を受けます。温度サイクル、機械振動、腐食性メディアなどの要因により、接地システムの接続性能が劣化することがあります。システムが落雷を受けた場合、失敗した接地ループは過電圧エネルギーをタイムリーに放出できず、保護装置自体の熱ブレークダウンを引き起こします。統計によると、保護装置の故障事例のうち、接地不良による爆発事故は60%以上を占め、エネルギー放出過程はしばしば激しいアーク放電を伴います。
配電変圧器のいくつかの故障診断法
直感的な判断による故障診断
配電変圧器の故障診断は、外部特性を通じて最初に判断できます。観察内容には、ケースの完全性（亀裂、変形）、機械状態（緩んだ固定具）、シール性能（漏れ痕跡）、表面状態（汚れレベル、腐食現象）、異常兆候（色の変化、放電痕跡、煙の発生）などが含まれます。これらの外部特性は、内部故障と特定の対応関係を持っています。
変圧器油が暗褐色になり、焦げ臭があり、異常な温度上昇と高電圧側保護コンポーネントの動作が見られる場合、通常、磁路システムに異常があることを示しています。これは、シリコン鋼板間の絶縁損傷または磁導体の多点接地故障の可能性があります。
動作電流が異常に増加し、油温が大幅に上昇し、三相パラメータが非対称になり、低電圧側保護装置の動作、油枕からの煙、二次電圧の変動が見られる場合、これは巻線導体間の絶縁損傷によるターン間短絡故障と判定できます。ある相の電気パラメータが完全に消失する場合（電圧と電流が0）、これは通常、巻線の開線または接続導体の融解故障に対応します。
油枕からの噴油現象は、変圧器の深刻な内部故障の重要な徴候です。故障時のガス生成率が圧力開放装置の処理能力を超えると、油タンク内部に正圧が形成されます。当初は密封が弱い部分での漏れとして現れます。圧力が継続して上昇すると、最終的にタンク本体の接合面で噴油が発生する可能性があります。この種の故障は、主に巻線間の絶縁ブレークダウンによるもので、通常、高電圧側保護コンポーネントの融解を伴います。ガスリレーアクションの統計によると、約75%の深刻な故障がこの発展過程を経ると言われています。
温度変化による故障診断
配電変圧器の動作中、導体はジュール効果により必然的に熱ロスを生成します。これは正常な物理現象です。しかし、設備に電気的な異常（絶縁劣化、接触不良）や機械的な欠陥（巻線変形、冷却システムの故障など）がある場合、その熱平衡状態は乱れ、動作温度が設計許容値を超えることが現れます。熱老化理論によれば、温度が6-8 °C上昇するごとに、絶縁材料の老化速度は2倍となり、設備の耐用年数に大きく影響します。
内部故障による異常な温度上昇には、通常、油回路システムに明らかな異常があります。ホットスポットの温度が臨界値に達すると、変圧器油は熱分解反応を起こし、大量のガスを生成し、圧力開放装置が動作し、油漏れや噴油を引き起こします。エンジニアリング実践では、設備の温度状態を最初に判断する簡単な方法があります：変圧器ケースの表面が10秒以上触れることが可能であれば、その表面温度は通常60 °C以下です。この経験値は、現場での迅速な評価の参考として使用できます。
臭気変化による故障診断
油枕の蓋を開ける瞬間に、特有の刺激的な焦げ臭が感じられます。これは変圧器内のコイルが焼けていることを示しており、通常、2つまたは3つのフェーズのドロップアウトフューズの融解を伴います。
音の変化による故障診断
変圧器の動作中、鉄心の磁化によって生じる磁致伸縮効果は周期的な機械振動を引き起こします。これらの振動とそれらに伴う音響特性は、設備の正常な動作を示す重要な指標です。音響診断技術は、変圧器の動作状態を効果的に監視するためのものです。具体的には、音信号の周波数特性、音圧レベルの変化、振動スペクトル特性が、設備の潜在的な故障を明らかにします。
音響検出法を使用する際には、導電棒（絶縁棒など）を音波伝導の媒体として使用できます。棒の一端を設備の外殻に触れさせ、もう一端を聴覚器官に近づけて聞くことができます。異常な音信号が検出された場合は、予防的なメンテナンス措置をすぐに実施し、故障の悪化を防ぐ必要があります。以下は、典型的な音響特性と故障タイプの対応関係です：
断続的な「カチカチ」音：通常、これは鉄心積層板が緩んでいるか、固定具のトルクが不足していることを示しています。音圧レベルは一般的に60〜70デシベルの範囲内です。
高周波放電音：部分放電現象に伴い、「パチパチ」という音信号が現れます。重度の場合、音圧レベルは85デシベルを超え、可視的な放電痕跡がしばしば見られます。突然の爆発音：これらは主に、リード線の絶縁が損傷した場合や接地への放電が発生した場合に起こります。音圧レベルの急激な変化は20デシベル以上です。
低周波の轟音：主に低電圧側の接地故障に関連し、音信号の周波数は100〜400ヘルツの範囲に集中します。
鋭い笛吹き音：これは設備が過励磁状態にあることを示し、音信号の主周波数は通常1〜2キロヘルツの範囲です。
泡立つ音：油温の異常な上昇に伴い、音信号は「ゴボゴボ」という連続的な特性を示し、通常、油の絶縁性能の劣化を示しています。
器具を使用した故障診断
設備技術の制約により、電力供給所では主にマルチメーターを使用して、巻線導体の抵抗値が導通しているかどうかを測定し、変圧器内部の断線やターン間短絡があるかどうかを判定します。また、絶縁抵抗計を使用して、変圧器の各巻線の接地に対する絶縁抵抗を測定し、主要な絶縁がブレークダウンしているかどうかを判定します。巻線と接地または相間の絶縁がブレークダウンした場合、その絶縁インピーダンス値は0 Ωに近くなります。
巻線の絶縁性能をテストする際には、以下の3つの回路の絶縁パラメータをそれぞれ測定する必要があります：一次巻線、二次巻線、およびケース間の絶縁抵抗；二次巻線、一次巻線、およびケース間の絶縁抵抗；一次巻線と二次巻線間の絶縁抵抗。なお、テストにおける基準地電位点は変圧器の金属ケース構造です。油浸変圧器の絶縁抵抗の基準値は表1に示されています。
配電変圧器の故障診断技術
配電変圧器の故障診断技術は、設備の安全な動作を確保するための重要な手段です。高度な診断技術を通じて、潜在的な故障をタイムリーに検出し、効果的な対策を講じて故障の拡大を防止することができます。以下に、配電変圧器で一般的に使用されるいくつかの故障診断技術を紹介します。
巻線直流抵抗試験
巻線直流抵抗試験は、変圧器巻線の健康状態を検出する基本的な方法の一つです。巻線の直流抵抗を測定することで、巻線に断線、接触不良、ターン間短絡などの問題がないかを確認することができます。例えば、ある地域の変圧器の定期点検中に、高電圧側巻線の直流抵抗に異常が見つかりました。さらなる検査により、巻線にターン間短絡があることが判明しました。巻線のタイムリーな交換により、より深刻な故障を回避しました。巻線直流抵抗試験は操作が簡単で結果が直感的であり、変圧器の日常的なメンテナンスに不可欠な検出方法です。
溶解ガス分析（DGA）
溶解ガス分析（DGA）は、変圧器の内部故障を診断する重要な技術手段です。変圧器油に溶解したガスの成分と含量を分析することで、変圧器内部に過熱や放電などの故障があるかどうかを判定することができます。IEC60599三比法を使用して、放電型故障を正確に識別することができます。例えば、ある変圧器の油中にアセチレン（C2H2）と水素（H2）の高濃度が検出されました。三比法による解析により、これが放電型故障であることが判明しました。タイムリーなメンテナンスにより設備の損傷を回避しました。DGAは感度が高く診断が正確であり、変圧器の状態監視に重要な手段です。
部分放電検出
部分放電検出は、変圧器の絶縁状態を評価する重要な方法です。部分放電は通常、絶縁が弱い領域で発生し、長期的な放電により絶縁材料が徐々に劣化し、最終的には深刻な故障を引き起こします。部分放電検出により、絶縁欠陥をタイムリーに検出し、予防措置を講じることができます。例えば、ある変圧器の部分放電検出中に、高電圧ブッシングで放電現象が見つかりました。ブッシングを交換した後、放電現象は消え、設備の耐用年数が効果的に延びました。部分放電検出は非破壊性で感度が高く、変圧器の絶縁監視に重要な手段です。
組み合わせた振動と音響検出
組み合わせた振動と音響検出は、変圧器の動作中の振動と音信号を分析して、設備内部に機械的な故障がないかを判定するものです。例えば、故障した変圧器では、125 Hz帯域で振動振幅が標準を3 dB超えました。検査により、鉄心クランプが緩んでいることが判明しました。タイムリーに締め直すことで、振動は正常に戻りました。組み合わせた振動と音響検出はリアルタイム監視と正確な診断が可能なため、変圧器の機械的な故障診断に重要な手段です。
赤外線サーモグラフィ検出
赤外線サーモグラフィ検出は、変圧器表面の温度分布を検出して、設備に過熱故障がないかを判定するものです。例えば、ある変圧器の赤外線サーモグラフィ検出中に、高電圧ブッシングの接続部で異常な温度が見つかりました。検査により、接続ボルトが緩んでいることが判明しました。タイムリーに締め直すことで、温度は正常に戻りました。赤外線サーモグラフィ検出は非接触かつ迅速な診断が可能なため、変圧器の過熱故障診断に重要な手段です。
配電変圧器の故障排除方法と事例
変圧器のターン間短絡によるライントリップ
故障現象
ある変電所の10 kVラインで過電流トリップが発生しました。一部の負荷を削減しても、試験再閉合時には依然として過電流が発生しました。
故障原因分析
現場到着したメンテナンス担当者は、まずメガオームメーターを使用して供給ラインの絶縁性能をテストし、測定された接地に対する絶縁値は約2 MΩでした。その後、10 kV電圧変圧器の二次側のオープンデルタ端子にモニタリング装置を接続しました。一時的な通電テスト中、電圧読み取りは約40 Vでした。現場調査の結果、故障発生前にはこのラインに新しい電気設備が接続されていませんでした。
これに基づいて、過負荷による過電流保護動作の可能性は排除されました。通常の動作パラメータの分析によれば、このラインでは過電流保護がトリガーされることもなく、単相接地異常もありませんでした。系統的な検出と包括的な判断により、故障の根本的原因は、ある配電変圧器の内部巻線のターン間絶縁ブレークダウンである可能性が高いと初步的に判断されました。分析により、このラインのある配電変圧器にターン間短絡故障がある可能性がありました。そこで、このラインは運用からメンテナンスに移行し、ライン検査が通知されました。
さらに詳細な検査により、このラインのある顧客の250 kV·A配電変圧器の高電圧側のフェーズAにターン間短絡があり、それがトリップの真の原因であることが判明しました。以下に、この配電変圧器のターン間短絡による過電流と偽接地の状況を分析します。配電変圧器内部のターン間短絡により、簡略化された等価回路は図1のようになります。
ZA、ZB、ZCをそれぞれ配電変圧器のフェーズA、B、Cのインピーダンスとします。UOは中性点電位です。三相負荷がバランスしている場合、UO = 0ですが、三相負荷がバランスしていない場合、UO ≠ 0となり、中性点の移動が発生します。配電変圧器のフェーズAに相間短絡が発生すると、インピーダンスZAの値が減少し、IAの値が増加します。IAとこのライン上の他の配電変圧器のフェーズAの電流の合計が、リレープロテクションの過電流動作値Idzを超えると、過電流トリップが発生します。ある変圧器のフェーズAにターン間短絡が発生すると、この変圧器のフェーズAのインピーダンスZAが減少し、TVのオープンデルタ側の電圧が上昇します。この電圧がリレの設定値を超えると、制御室の中央信号は10 kV接地信号を送信します。
変圧器の低電圧ワイヤーとシェルとの接触による事故
故障現象
あるユニットの10 kV/400 V、100 kV・A変圧器は、低電圧側の2つの回路を通じて負荷に電力を供給しています。低電圧側の一つの給電回路には電力消費負荷がないため、このラインを撤去することに決定しました。ワイヤー撤去作業が完了したら、電力供給が復旧されます。高電圧落下型フューズのフェーズAとフェーズCが閉鎖されても異常現象はありませんでしたが、フェーズBの落下型フューズが閉鎖されると、変圧器の上部カバーの約15 cm上に突然大きなアークが発生し、その後変圧器油が噴出しました。
故障原因分析
事故発生後、ワイヤー撤去作業について総合的に理解し、変圧器のコア吊り上げ検査を行いました。検査中に、低電圧側のフェーズBのリード線が直接シェルに触れ、接触点に直径1 cmの穴があることがわかりました。この事故の原因は、低電圧側のワイヤー撤去中に、施工者が変圧器の低電圧端子のねじを気づかずに回転させてしまい、フェーズBのリード線が変圧器のシェルに触れてしまったことです。この変圧器のニュートラルポイントとシェルは直接接地されているため、フェーズBのリード線とシェルの接触点が接地短絡点になりました。
