アメリカ式箱型変圧器のヒューズ保護
米国の箱型変圧器のヒューズについて
米国の箱型変圧器は通常、プラグインヒューズとバックアップ保護ヒューズを直列に接続して保護します。保護原理は先進的で信頼性が高く、操作も簡単です。バックアップ保護ヒューズは油浸電流制限ヒューズで、通常は箱型変圧器内に設置されています。箱型変圧器内部で故障が発生した場合のみ動作し、高圧線路を保護します。プラグインヒューズは油浸プラグインヒューズであり、二次側でショート回路障害が発生した場合や過負荷または油温が高すぎる場合にブローします。プラグインヒューズは、配電システムにおける油浸箱型変圧器の過電流保護の主要なアクセサリーです。
内部のヒューズは3つのタイプに分類できます：電流型、デュアルセンシティブ型、デュアルファクター型。ヒューズは箱型変圧器の電源を切らずに取り外して交換することができます。電流型ヒューズはバックアップ保護ヒューズと直列に接続すると「ダブルヒューズ保護」を形成します。電流型ヒューズは過負荷保護に使用され、バックアップ保護ヒューズは変圧器内部の故障（コイルショートなど）を保護するために使用されます。デュアルセンシティブヒューズもバックアップ保護ヒューズと直列に接続すると「ダブルヒューズ保護」を形成します。デュアルセンシティブヒューズは、電流と温度の両方の観点から変圧器の低圧側の故障や過負荷を保護します。
バックアップ保護ヒューズは変圧器内部の故障（コイルショートなどの障害）を保護するために使用されます。標準アンペア秒曲線は、上下のレベルにあるヒューズや遮断器との正確な協調を可能にします。デュアルファクターヒューズはバックアップ保護ヒューズと直列に接続すると「ダブルヒューズ保護」を構成します。デュアルファクターヒューズは、電流と温度の両方の観点から変圧器の低圧側の故障や過負荷を保護します。バックアップ保護ヒューズは変圧器内部の故障（コイルショートなどの障害）を保護するために使用され、その標準アンペア秒曲線は上下のレベルにあるヒューズや遮断器との正確な協調を可能にします。
ヒューズの基本構造
ヒューズはその機能に応じて異なる構造を持っています。本記事では、アメリカのCOOPER（クーパー）社のMcGraw Edison NX型電流制限ヒューズを簡単に紹介します。
McGraw Edison NX型電流制限ヒューズの構造は図1に示されています。純銀製のヒューズストリップを持つ融解部品が含まれています。この純銀製のヒューズストリップは雲母支持体（スパイダータイプの支持部品）に巻かれています。この支持体は、回路を開くのに役立つイオン化ガスを生成することができます。ヒューズとシリカ砂はガラス繊維絶縁管に設置されています。
1 - 高純度シリカ砂充填剤；2 - 雲母支持体；3 - 固体銅端子；4 - ダブルシールシステム；5 - 識別ラベル；6 - ガラス繊維カバー；7 - 純銀製ヒューズストリップ。
図1. McGraw Edison NX型電流制限ヒューズの基本構成要素。
図1に示すように、McGraw Edison NX型電流制限ヒューズ（他のヒューズモデルはこのヒューズと同様の構造を持っています）は主に以下の部分から構成されています：
高純度シリカ砂充填剤。特定の粒子サイズ、純度、密度は熱吸収と消弧特性を提供し、ヒューズが一貫したクリアリング特性と低いエネルギー通過レベルを維持するためには不可欠です。
雲母支持体。ヒューズの動作中に雲母支持体は安定した巻きサポートを提供し、ガスや圧力の蓄積を生成しません。
固体銅端子。真鍮プラグを選択し、長さが0.25〜10インチの範囲の電気導通ジョイントを提供します。
ダブルシールシステム。ニトリルゴムパッキンとエポキシ樹脂シーラントにより、ヒューズのシールの完全性を確保できます。
堅牢な識別ラベル。ユーザーが電圧、電流パラメーター、注文番号などの情報を容易に取得できるようにします。
ガラス繊維カバー。ヒューズに高い強度とメンテナンスの完全性を提供し、任意の遮断プロセス中の最小融解電流から最大50kAまでの保護範囲を実現します。
純銀製ヒューズストリップ。電流循環と熱圧条件下で安定性を維持し、一貫した融解特性を提供します。大電流の遮断時にヒューズストリップは効果的にアーク電圧のピークレベルを制御および減少させることができます。遮断プロセス中、このコンポーネントは許容通過電流とエネルギーを効果的に制御および制限することができます。
ヒューズの動作特性と保護原理
ヒューズの動作過程は、内部のヒューズ要素のモデルによって異なります。すべてのヒューズにおいて、大障害電流のクリアリングは基本的に同じです。電流の流れによりヒューズ要素全体が溶け出し、生成されたアークによりヒューズ要素が爆発し、シリカ砂がガラス化してアークの発展を制限するガラスチャネルを形成します。このガラスチャネルは抵抗値を増加させることでアークを制限し、電流を減少させ、早期にゼロに達させるように強制します。
局所または全範囲のヒューズでは、中程度または小電流のクリアリングを防ぐ必要があります。たとえば、McGraw Edison型電流制限ヒューズでは、「M」点（すなわち、錫合金ワイヤ）が主ヒューズ要素の中心に配置され、その溶融温度を下げます（図2(a)）。主ヒューズ要素がM点で溶けると、電流は補助ヒューズ要素に移動します。薄いワイヤが主ヒューズ要素の一端から1/4の隙間を置いて主ヒューズ要素に接続されています。M点と補助ヒューズ要素の隙間をまたぐ電圧勾配があります（図2(b)）。したがって、主ヒューズ要素が引き続きアークを起こすと、このワイヤ接続は必ず3つの位置に現れ、アークの長さを3倍に拡張し、この領域を使用して回路のエネルギーを散逸させます（図2(c)）。アークの初期段階では、十分な熱が集まり、その領域のスパイダーストラクチャーを分解し、スパイダーストラクチャーから吹き出されるガスが溶岩を冷却し、アークの長さを短縮し、障害点を切断することができます。
図2 McGraw Edison NX型電流制限ヒューズによる電流の減少過程
電流制限ヒューズの選択は主に定格電圧パラメーターに基づいています。適切なパラメーターを決定する際には、いくつかの要因を考慮する必要があります。これらには、電気システムの種類、システムの最大電圧、変圧器の巻線状況（ヒューズが変圧器保護に使用される場合）、中性線の接地状態、および負荷の種類が含まれます。
一般的に、単相回路は単相接地電圧を超える定格パラメーターを持つ電流制限ヒューズで保護することができます。しかし、三相回路の場合、ヒューズは適切な相間パラメーターを持つ必要があります。特定の場合、ヒューズに適用される正序切断電圧が最大設計電圧を超えないことが前提であれば、単相接地パラメーターは三相システムに適用可能です。このような状況下では、与えられた障害条件で2つの直列接続された電流制限ヒューズが適用電圧を共有すると仮定されます。表1は、電流制限ヒューズの推奨定格電圧パラメーターと電流制限ヒューズの適用パラメーターの関係を示しています。
電気装置の保護において、電流制限ヒューズの切断要件はそれらを保護する装置と調整される必要があります。さらに、ヒューズの時間-電流曲線は、特にバックアップヒューズが関与し、低電流障害のクリアリングが排出ヒューズに依存する場合、システム内の保護装置と調整される必要があります。
表1 電流制限ヒューズの推奨定格電圧パラメーターと電流制限ヒューズの適用パラメーター
普通のヒューズと同様に、電流制限ヒューズも一定の環境温度下で電力を低下させることがあります。さまざまな適用場面でのダーレーティング係数は図3に示されています。
図3 NX型電流制限ヒューズの適用における環境温度ダーレーティング係数
配電変圧器のヒューズ保護を適用する際の鍵となるのは、ヒューズが次の要件を満たすことです：
ショート回路保護を行い、まず障害のある変圧器をシステムから切り離す。ヒューズは、インラッシュ電流、冷負荷開始電流、および短期間の過電流の際にブローしないべきである。上位装置（セクショナライザーが動作する前にブローする）と連携するべきである。
変圧器の過熱損傷または機械的損傷を引き起こす可能性のある重度の過電流状況を防止する。必要に応じて②は延期することが可能であり、ヒューズ保護の主な目的は過負荷保護でありショート回路保護ではないことに注意すべきである。
配電変圧器のインラッシュ電流/冷負荷開始電流の時間-電流曲線は以下の状況に基づいて推定されます：0.01秒で全負荷電流の25倍、0.1秒で全負荷電流の12倍、1秒で全負荷電流の6倍、10秒で全負荷電流の3倍、100秒で全負荷電流の2倍。
配電変圧器の保護に使用されるヒューズがインラッシュ電流または冷負荷開始電流の際にブローしないことを確認するためには、ヒューズ曲線がインラッシュ電流/冷負荷開始電流曲線よりも右側に位置する必要があります。つまり、ヒューズのブロー時間がこれらの電流の持続時間よりも長い必要があります。
変圧器の損傷曲線は製造元またはANSIC57規格から取得でき、同じ曲線グラフにプロットすることができます。前述のように、譲歩が必要な場合は、インラッシュ電流曲線よりも変圧器損傷曲線を優先すべきです。
図4は、電圧レベル13.8kV、定格容量50kV・Aの単相変圧器のインラッシュ電流/冷負荷開始電流曲線を示しています。変圧器の全負荷電流は3.62Aです。図中にはヒューズ曲線が仮定されています。実際には、2つのヒューズ曲線があります。最小溶融曲線はヒューズが最も早く損傷する時間を示し、最大クリアリング曲線はヒューズが障害をクリアする最も長い時間を示します。排出ヒューズの最大クリアリング時間は決して0.8サイクル（すなわち0.0133秒）未満であってはならないので、この曲線は水平に0.0133秒でプロットされています。
図4は配電変圧器のインラッシュ電流/冷負荷開始電流時間-電流曲線を示しています。ヒューズ曲線はヒューズと上位保護装置との調整を確保するべきです。上位装置は、ヒューズや再閉装置などのラインセクショニング装置である可能性があります。変圧器保護ヒューズは、上位ヒューズが損傷する前または上位再閉装置がロックされる前にブローするべきです。
一部の配電変圧器は完全自己保護機能（CSP）を持っていると考えられており、すなわち、過電流保護とインラッシュ電流保護の機能を持っています。
自己保護変圧器は通常、ケース内に大電流制限ヒューズと二次回路遮断器を備えており、過負荷防止のために使用されます。一般的な変圧器は通常、一次側に追加されたヒューズによって保護されます。箱型変圧器は通常、ケースとは独立したヒューズ（非固定前面パネル設計）を持ち、これは変圧器油内または乾燥ブッシングウェルまたはシリンダー（固定前面パネル設計）に設置されています。いずれの場合でも、現場でのヒューズ交換を簡素化する適切な設計が採用されるべきです。
ヒューズ比は、ヒューズの最小ブロー電流と変圧器の全負荷電流の比率を示します。この比率は、装置の継続的な動作に対する過負荷保護の重要性を示します。高いヒューズ比は、インラッシュ電流または過負荷の際にブローすることなくより多くの変圧器故障を許容します；低いヒューズ比は、ヒューズのブロー回数を増やしますが、一部のブローは不要かもしれませんが、変圧器を過負荷からよりよく保護することができます。典型的なヒューズ比は2〜4の範囲です。
自己保護変圧器では、内部ヒューズのヒューズ比は約8です。これは、自己保護変圧器の二次側には過負荷に影響されない遮断器が装備されているためです。
ヒューズ保護の保護範囲と調整
箱型変圧器の保護に使用するヒューズを選択する際には、一般に、ヒュージングレートは変圧器の全負荷電流をヒューズの最小溶融電流で割ることで計算できます。高いヒュージングレートを使用することで、システムを故障変圧器から保護することができますが、限定的な過負荷保護しか提供しません；低いヒュージングレートは最大の過負荷保護を提供しますが、ヒューズはインパクト電流やインラッシュ電流に対して脆弱になります。
また、運転の継続性、過負荷による変圧器の故障、変圧器ヒューズとセクショニング装置との調整、インラッシュ電流や冷負荷開始の影響などの包括的な要因を考慮する必要があります。変圧器の特性曲線が既知であれば、ヒューズの時間特性曲線を変圧器のインラッシュ曲線と変圧器の損傷曲線の間に落とすことで、ヒューズを簡単に調整することができます。
これらの曲線は標準に基づいて作成されていますが、常に適用可能とは限らないため、ヒューズを選択する必要があります。インラッシュ電流は、クロージング時の電圧波の鉄心内の残磁に大きく依存します。インラッシュ電流に対処するためには、ヒューズは0.01秒で全負荷電流の25倍、0.1秒で全負荷電流の12倍を耐える必要があります。一次電源供給停止後の再供給は冷負荷開始を生じます。インラッシュ電流曲線が既知であれば、選択されたヒューズ曲線はインラッシュ電流曲線よりも遅くなるべきです。雷放電電圧は変圧器の鉄心を飽和させ、インラッシュ電流を生じます。一般的に、雷被害が問題であれば、より大きなヒューズを使用することが望ましいです。
また、箱型変圧器の保護に使用するヒューズを選択する際には、ヒューズ間の調整も考慮する必要があります。ここでは、2つの状況での調整問題について説明します：
2つの電流制限ヒューズ間の調整。調整目標を達成するためには、曲線は0.01秒から始める必要があります。0.01秒以上の時間については、異なるヒューズのTCCSを重ね合わせて75%調整法を使用することで、同一セット内の2つの異なるヒューズ間の調整を達成することができます；0.01秒以下の時間については、最小溶融と全クリアリング値を使用して調整を行うことができます。2つの電流制限ヒューズを直列に調整する場合、保護ヒューズまたは負荷側ヒューズを通る最大電流は、保護対象または電源側ヒューズの最小溶融電流を超えてはなりません。つまり、負荷側ヒューズは通過電流を電源側ヒューズが溶けないレベルに制限します。0.01秒以上の時間の調整は必要ありません。調整境界は固定値を持っているため、調整は保守的であり、あらゆる故障電流に対する調整基準を形成します。故障電流が制限されている場合、曲線内の電流を変更することで調整を行うことができます。
バックアップ電流制限ヒューズと排出ヒューズ間の調整。この保護方法は、安価な排出ヒューズによってほとんどの障害（小電流下）をクリアできるため、しばしば採用されます。保護対象装置で障害が発生すると、電流制限ヒューズは電流の大きさを制限します。排出ヒューズが小電流障害をクリアすることができ、電流制限ヒューズを損傷させないことは非常に重要です。排出ヒューズがブローした後、電流制限ヒューズは十分な電流を通過させることができ、明確な障害表示を提供することができます。ヒューズ特性は排出ヒューズの最大クリアリング曲線と電流制限ヒューズの最小溶融曲線の交差点を形成し、これによりより大きな電流が生じ、同期動作につながります。2つの電流制限ヒューズが適切に選択されれば、箱型変圧器は全範囲の保護を達成することができます。
ヒューズ保護の運用とメンテナンス
ヒューズを使用して箱型変圧器を保護する際には、以下の点に注意する必要があります：
プラグインヒューズは手動で操作され、ユーザーは一定のスキルと経験が必要です。プラグインヒューズを使用して帯電している変圧器を切断する前に、オペレータはヒューズホルダーからプラグインヒューズを取り外す経験を持つべきです。不適切な取り扱いはスイッチング障害を引き起こし、変圧器の交換や火災を引き起こす可能性があります。
プラグインヒューズを使用して障害クロージングを行うと、深刻な人的被害を引き起こす可能性があります。内部障害は変圧器の破裂や上面の脱着を引き起こす可能性があります。したがって、変圧器は常に遠隔地から電源を供給して安全を確保するべきです。
(3) 変圧器が密閉された建物や地下室に設置されている場合、またはオペレータが直接変圧器の上にいる場合、プラグインヒューズアセンブリーを使用して変圧器を接続または切断することはできません。このような状況では、オペレータが適切に操作するのが困難であり、不適切な操作時には安全に退避するのが難しい場合があります。
プラグインヒューズを操作する前に、変圧器の状態を慎重に判断する必要があります。ケース内でアーク放電音がないか確認し、ケースが膨張していないか、油漏れや溢れがないか確認してください。また、圧力開放装置近くのケースに油漏れ、溢れ、または炭黒の汚れがないか確認してください。これらの状況が発生している場合、プラグインヒューズを使用して変圧器を接続または切断することは避けるべきです。そうしないと、火災や人的被害を引き起こす可能性があります。
プラグインヒューズを操作する前に、変圧器の圧力を開放する必要があります。変圧器ケースの圧力を誤って開放すると、プラグインヒューズの挿入アセンブリーが熱い油とともに猛烈に放出される可能性があります。これにより衝撃傷、火傷、環境汚染を引き起こす可能性があります。
アンペア値が過大なプラグインヒューズを使用すると、変圧器内のバックアップ電流制限ヒューズまたはシステムの他の部分とのミスマッチが生じる可能性があります。この場合、変圧器内部で障害が発生すると、より広範な停電や変圧器の着火や爆発を引き起こす可能性があります。推奨値よりも小さなアンペア値のプラグインヒューズを設置すると、不要なヒューズブローと運転中断が生じる可能性があります。
ヒューズチューブの損傷は、ヒューズの正しい設置に影響を与えます。ヒューズチューブを慎重にチェックし、黄銅のどの部分にもピッティング以上の腐食がなく、絶縁部品の黒化または焼失が1/2インチ（13mm）以下であることを確認してください。損傷がこの程度を超える場合は、新しいものにヒューズチューブを交換する必要があります。大量の黄銅の溶融や焼失がヒューズチューブの長さの半分以上に及ぶ場合は、プラグインヒューズホルダーも交換する必要があります。部品が損傷していると、後続の障害の切断を妨げ、より大きな損傷を引き起こす可能性があります。
結論
ヒューズ保護の技術レベルは比較的先進的で、優れた性能価格比を持っています。国内外市場で広い発展の見込みがあります。現在、中国の多くの米国式箱型変圧器はヒューズで保護されています。他の保護方法と比較して、ヒューズ保護は高い信頼性だけでなく、比較的低い価格も特徴としており、特に中国の現状に適しています。したがって、ヒューズ保護は中国で良い応用の見込みがあります。
