接地変圧器の配線方法とパラメータ

接地変圧器の巻線構成

接地変圧器は巻線接続によってZNyn（ジグザグ）またはYNdの2種類に分類されます。その中性点は消弧コイルまたは接地抵抗に接続することができます。現在、消弧コイルまたは低値抵抗を介して接続されたジグザグ（Z型）接地変圧器がより一般的に使用されています。

1. Z型接地変圧器
Z型接地変圧器には油浸式と乾式絶縁の両方があります。そのうち樹脂キャストは一種の乾式絶縁です。構造的には標準的な3相鉄心型電力変圧器と似ていますが、各相脚において巻線は上部と下部の等しいターン数のセクションに分割されています。一方のセクションの端子は逆極性で他の相の巻線の端子と直列に接続されます。

2つの巻線セクションは反対の極性を持ち、ジグザグ構成で新しい相を形成します。上部巻線の始端—U1、V1、W1—はそれぞれ3相交流供給線A、B、Cに接続されます。下部巻線の始端—U2、V2、W2—は中性点を形成するために結ばれ、その後接地抵抗または消弧コイルに接続されます。図に示すように、具体的な接続方法によってZ型接地変圧器はさらにZNvn1およびZNyn11構成に分類されます。

Z型接地変圧器はまた、通常星形接続で中性点を接地した低圧巻線を持つことで、変電所サービス変圧器としても機能することができます。

2. Z型接地変圧器
Z型変圧器のジグザグ接続の利点:

1. 単相短絡時に接地障害電流は約均等に3相巻線間に分配されます。各コア肢における2つの巻線の磁動力（MMF）は方向が反対であるため、減衰効果はありません。そのため中性点から故障線路へ自由に電流が流れることができます。

2. 位相電圧には第3高調波成分が存在しません。ジグザグ接続された3単相変圧器バンクでは、第3高調波はベクトルとして大きさと方向が同じです。巻線配置により、各相の第3高調波起電力は互いに打ち消し合い、ほぼ正弦波形の位相電圧になります。

Z型接地変圧器では、同じコア肢上の2つの半巻線間の零相電流は逆方向に流れます。そのため零相リアクタンスは非常に低く、零相電流を抑制しません。その低零相インピーダンスの原理は以下の通りです：接地変圧器の3つのコア肢それぞれには、異なる位相電圧に接続された等しいターン数の2つの巻線があります。

接地変圧器のライン端子に平衡した正または負の序三相電圧が印加されると、各コア肢のMMFは異なる位相に接続された2つの巻線からのMMFのベクトル和となります。個々のコア肢の結果得られるMMFは120°ずつ位相がずれており、バランスの取れた三相セットを形成します。単相MMFはすべての3つのコア肢全体にわたって磁気回路を確立し、低い磁気抵抗、大きな磁束、高い誘導電動力、そして非常に高い励磁インピーダンスをもたらします。

しかし、三相線端子に零相電圧が印加されると、各コア肢上の2つの巻線によって生じるMMFは大きさが等しく方向が反対となるため、各コア肢の純粋なMMFはゼロになります。つまり、3つのコア肢には零相MMFが存在しません。零相MMFはタンクと周囲の媒体を通じてのみパスを完成させることができ、これは非常に高い磁気抵抗を示します。その結果、零相MMFは非常に小さくなり、零相インピーダンスも非常に低くなります。

3.接地変圧器のパラメータ
消弧コイル接地補償を使用する配電網の要件を満たしながら、変電所内の電力照明負荷の要件にも応えるために、Z接続変圧器を選択し、接地変圧器の主要パラメータを適切に設定する必要があります。

3.1 定格容量
接地変圧器の一次側容量は消弧コイルの容量と一致させるべきです。標準的な消弧コイルの容量レーティングに基づいて、接地変圧器の容量は消弧コイルの容量の1.05–1.15倍に設定することをお勧めします。例えば、200 kVAの消弧コイルには215 kVAの接地変圧器を組み合わせます。

3.2 中性点補償電流
単相障害時の変圧器中性点を通過する総電流

上記の式で：

Uは配電網のライン電圧（V）です。
Zxは消弧コイルのインピーダンス（Ω）です。
Zdは接地変圧器の一次零相インピーダンス（Ω/相）です。
Zsはシステムインピーダンス（Ω）です。

中性点補償電流の持続時間は消弧コイルの連続運転時間と同じであり、それは2時間と規定されています。

3.3 ゼロシーケンスインピーダンス
ゼロシーケンスインピーダンスは接地変圧器の重要なパラメータであり、単相接地故障電流の制限と過電圧の抑制に大きく影響するリレープロテクション設定に重要です。ジグザグ（Z型）接地変圧器や星形/オープンデルタ接続を持つものには、ゼロシーケンスインピーダンスのみが存在し、製造者はこの特性を利用して電力会社の要件を満たすことができます。

3.4 損失
損失は接地変圧器の重要な性能パラメータです。二次巻線を備えた接地変圧器の場合、無負荷損失は同じ定格の二巻線変圧器と同等にすることができます。負荷損失については、二次側がフル負荷で動作するとき、一次側は比較的軽い負荷を運ぶため、その負荷損失は同容量の二次側を持つ二巻線変圧器よりも低いです。

3.5 温度上昇
国家基準によれば、接地変圧器の温度上昇は以下の通り規制されています：

1. 定格連続電流での温度上昇は、一般的な電力変圧器またはドライタイプ変圧器の国家基準に従うものとします。これは主に二次側が頻繁に負荷を運ぶ接地変圧器に適用されます。

2. 短時間負荷電流が10秒以内に終わる場合（通常中性点が抵抗に接続されている状況）、温度上昇は短絡条件下の電力変圧器に対する国家基準で規定された限度内に収める必要があります。

3. 接地変圧器が消弧コイルと一緒に動作する場合、その温度上昇は消弧コイルの温度上昇要件に準拠しなければなりません：

• 定格電流を継続的に運ぶ巻線の温度上昇は80 Kに制限されます。これは主に星形/オープンデルタ接続の接地変圧器に適用されます。

• 最大電流持続時間が2時間（定格電流として指定される）の巻線の許容温度上昇は100 Kです。これはほとんどの接地変圧器の動作モードと一致します。

• 最大電流持続時間が30分の巻線の許容温度上昇は120 Kです。

これらの規定は、最も厳しい動作条件下でも巻線のホットスポット温度が140 °Cから160 °Cを超えないことを確保することに基づいています。これにより、安全な絶縁動作が保証され、絶縁寿命の大幅な低下が防げます。