トランスの故障とは何か

トランスの故障とは何ですか？

トランスの故障の定義

トランスの故障とは、絶縁破壊やコアの故障など、トランスの内部または外部で発生する問題を指します。

電力トランスの外部故障

電力トランスの外部ショートサーキット

電力システムの2相または3相でショートサーキットが発生することがあります。故障電流は通常、ショートサーキットした電圧と故障点までの回路インピーダンスによって高く、この高い故障電流は銅損失を増加させ、トランス内部での熱を引き起こします。また、特に故障電流の最初の周期では、深刻な機械的ストレスも生じます。

電力トランスの高電圧障害

電力トランスの高電圧障害は以下の2種類があります。

• 一時的な過電圧

• 商用周波数の過電圧

一時的な過電圧

以下のような原因により、電力システムに高電圧かつ高周波数の一時的な過電圧が発生することがあります。

• 中性点が孤立している場合のアーク接地

• さまざまな電気設備の切り替え操作

• 大気中の雷衝撃

どのような原因による過電圧であっても、それは高電圧かつ急激な波形を持つ高周波数の伝搬波です。この波は電力システムネットワークを伝わり、トランスに到達すると、線端に近い巻線間の絶縁破壊を引き起こし、巻線間のショートサーキットを生じることがあります。

商用周波数の過電圧

大負荷の突然の切断により、常に系統の過電圧が発生する可能性があります。この電圧の振幅は正常値よりも高いですが、周波数は正常条件と同じです。系統の過電圧はトランスの絶縁にかかるストレスを増加させます。電圧が上昇すると、それに比例して動作磁束も増加します。

これにより鉄損が増加し、励磁電流も大幅に増加します。増加した磁束はトランスコアから他の鋼構造部品に移動します。通常、ほとんど磁束を通さないコアボルトも、コアの飽和領域から磁束が迂回することで大きな成分を受けます。このような条件下では、ボルトは急速に加熱され、自身の絶縁だけでなく巻線の絶縁も破壊します。

電力トランスの低周波効果

巻線のターン数が固定されているため、この式から明らかなように、系統の周波数が低下するとコア内の磁束が増加します。その効果は過電圧の場合とほぼ同じです。

電力トランスの内部故障

電力トランスの内部で発生する主な故障は以下の通りです。

• 巻線と地間の絶縁破壊

• 異なる相間の絶縁破壊

• 隣接する巻線間の絶縁破壊（インターターン故障）

• トランスコアの故障

電力トランスの内部接地故障

インピーダンスを介して地中に接地された星接続巻線の内部接地故障

インピーダンスを介して地中に接地された星接続巻線では、故障電流は接地インピーダンスと故障点から中性点までの距離に依存します。故障点が中性点から遠いほど、故障点の電圧は高くなり、故障電流も大きくなります。故障電流はまた、故障点と中性点間の巻線部分のリークリアクタンスにも依存しますが、これは通常接地インピーダンスに比べて低いです。

堅固に接地された星接続巻線の内部接地故障

この場合、接地インピーダンスは理想的にはゼロです。故障電流は、故障点とトランスの中性点間の巻線部分のリークリアクタンスに依存します。故障電流はまた、中性点と故障点間の距離にも依存します。

前項で述べたように、これらの2点間の電圧は、故障点と中性点間の巻線ターン数に依存します。したがって、堅固に接地された星接続巻線では、故障電流は以下の2つの主要な要因に依存します。まず、故障点と中性点間の巻線のリークリアクタンス、そして故障点と中性点間の距離です。

しかし、巻線のリークリアクタンスは、巻線内の故障点の位置によって複雑に変化します。故障点が中性点に近づくにつれてリアクタンスが急速に減少し、そのため故障点が中性点近くにあるときに故障電流が最も高くなります。この時点で、故障電流に利用できる電圧は低いですが、同時に故障電流に抵抗するリアクタンスも低いため、故障電流の値は十分に高くなります。

また、故障点が中性点から遠い場合、故障電流に利用できる電圧は高いですが、同時に故障点と中性点間の巻線部分が提供するリアクタンスも高いです。故障電流は巻線全体で非常に高いレベルを維持することがわかります。つまり、故障電流は巻線上の故障位置に関係なく非常に高いマグニチュードを維持します。

電力トランスの内部相間故障

トランスの相間故障は稀です。このような故障が発生した場合、一次側の瞬時過電流リレーおよび差動リレーが作動するほどの大きな電流が生じます。

電力トランスのインターターン故障

電力トランスが超高電圧送電系統に接続されている場合、送電線路上の雷サージにより、高電圧かつ急激な波形を持つ高周波数のインパルス電圧が発生することがあります。巻線ターン間の電圧ストレスが大きくなると、それが耐えられず、いくつかの点でインターターン間の絶縁破壊を引き起こします。また、低電圧巻線も転送されたサージ電圧によりストレスがかかります。多くの電力トランスの故障はインターターン間の故障により発生します。インターターン故障は、外部ショートサーキットによって生じる機械力によっても発生することがあります。

電力トランスのコア故障

コアのラミネーションの一部が損傷したり、導電性材料によって短絡されると、渦電流と局所的な過熱が発生します。また、コアラミネーションを締め付けるボルトの絶縁が失敗した場合にも同様のことが起こります。これらの故障は局所的な過熱を引き起こしますが、トランスの入出力電流には大きく影響しないため、標準的な電気保護スキームでは検出が困難です。過度の過熱はトランスオイルを分解し、ガスを放出し、ブッホルツリレー内で蓄積してアラームをトリガーします。