電力変圧器の容量数選定と運転最適化措置

電力変圧器の安全かつ経済的な運転は、様々な産業の運営における安全性、経済性、安定性、信頼性に関連しています。その選択における投資経済指標の制約、維持管理および運転の経済的利益、新たな環境（分散型電源の接続、エネルギー貯蔵装置の設定など）への適応性といった条件の制限により、他の側面における包括的な要素を含めることが不可能となります。

変圧器の容量は主に長期負荷の容量に依存します。どのようにして変圧器の容量と数を合理的に選択し、同時に容量問題（例えば負荷増加要因など）による変圧器の交換または廃棄を防ぐかは、包括的に考慮する必要があります。

変圧器の容量選定は、それが担う設備の計算負荷、ならびに負荷の種類と特性に基づいて決定されるべきです。計算負荷は、供給設計および計算の基本的な基準となります。通常の変圧器の負荷率は85%を超えない方が望ましく、90%以上になると変圧器がほぼ満負荷で動作していることを意味します。

電気設備の負荷は常に変動しています。正常な運転負荷がすでに90%を超える場合、大規模な溶接機、クレーン、パンチングマシン、高出力モーターなどの起動時の一時的なインパクト電流に対処する余裕がありません。そのため、しばしば短期間の過負荷現象が生じます。変圧器は短期間であれば過負荷で動作することができますが、頻繁な過負荷は変圧器の寿命に影響を与えます。

さまざまな運転データが変圧器の定格限界に近づくと、変圧器が早期に損傷するリスクが高まります。長期運転により、以下の問題が必ず発生します：

• 巻線、端子、リード、絶縁体、変圧器油の温度が上昇し、許容できないレベルに達することがあります；

• 鉄心外のリーク磁束密度が増加し、二次リーク磁束によって結合された金属部品が渦電流効果により熱を発生します；

• 温度変化により、絶縁体と油中の水分とガスの含有量が変化します；

• ブッシング、タップチェンジャー、ケーブル端子接続装置、電流変換器も比較的高い熱ストレスを受け、それらの構造と安全余裕に影響を与えます；

• 主磁束と増加したリーク磁束が組み合わさることで、鉄心の過励磁能力が制限されます。

関連対策：

負荷を適切に配分し、電気設備を秩序立てて使用し、同時利用率を減らす。

低圧側の出力電圧を適度に一レベル上げる。
変圧器がほぼ満負荷で動作すると、変圧器の出力電圧が低下し、末端の電気設備の電圧が低くなる可能性があります。これにより有効電流が増加し、電力損失が増えます。電圧を上げることで電流を減らすことができます。

力率を改善する。無効電力補償を使用して力率を改善することで、投資を削減し非鉄金属を節約でき、これは全体の供給システムにとって非常に有益です。
変圧器や線路の容量が不足している場合は、無効電力補償装置を設置することで解決できます。
無効電力補償装置を設置することで、無効電力を局所的にバランスさせ、線路や変圧器を通る電流を減らし、導体や変圧器の絶縁劣化速度を遅らせ、寿命を延ばすことができます。同時に、変圧器や線路の容量を解放し、変圧器や線路の負荷容量を増やすことができます。
大規模な感応負荷の近くに無効電力補償装置を設置し、力率を改善することで、変圧器の有効出力容量を高めることができます。このようにして作動電流を減らし、電力損失を効果的に削減し、変圧器の負荷率を減らすことができます。

三相負荷の合理的な配分。配電変圧器を設計する際には、負荷均衡運転状態に基づいて巻線構造が設計されています。各巻線の性能は基本的に同じで、各相の定格容量は等しいです。配電変圧器の最大許容出力は各相の定格容量によって制限されます。配電変圧器が三相不均一負荷条件下で動作すると、零序電流が生成され、この電流は三相不均一負荷の程度に応じて変化します。不均一度が大きいほど、零序電流も大きくなります。動作中の配電変圧器に零序電流があると、鉄心に零序磁束が生成されます。この零序磁束はタンク壁や鋼製部品を通過するチャネルとして強制されます。しかし、鋼製部品の磁気透過性は比較的低いため、零序電流が鋼製部品を通ると磁気ヒステリシスと渦電流損失が発生し、配電変圧器の鋼製部品の局所温度が上昇し熱を発生します。配電変圧器の巻線絶縁は過熱により加速劣化し、設備の寿命が短くなります。また、零序電流の存在は配電変圧器の損失を増加させます。

配電変圧器は三相負荷均衡運転条件に基づいて設計されています。各相巻線の抵抗、リークリアクタンス、励磁リアクタンスは基本的に同じです。配電変圧器が三相均衡負荷条件下で動作すると、三相電流は基本上同じで、配電変圧器内部の各相の電圧降下も基本上同じであり、配電変圧器から出力される三相電圧も均衡しています。

一方、配電変圧器が三相不均一負荷条件下で動作すると、三相出力電流は異なるため、中性線に電流が流れます。これにより、中性線に阻抗による電圧降下が生じ、中性点のドリフトが生じ、各相の相電圧が変化します。負荷が重い相では電圧降下が生じ、負荷が軽い相では電圧上昇が生じます；電力変圧器の選択は計算負荷に基づいて行われ、計算負荷はシステム内の負荷の大きさと特性、およびシステム内の電力補償装置に関連しています。変圧器の容量は実際の状況に応じて柔軟に選択することができます。電力変圧器の運転中、その負荷は常に変化しています。必要に応じて過負荷運転が許可されますが、室内変圧器の場合、過負荷は20%を超えてはなりません。室外変圧器の場合、過負荷は30%を超えてはなりません。

変圧器の台数は一般的に、負荷レベル、電力消費容量、経済運転などの条件を総合的に考慮して決定されます。次のいずれかの条件が満たされる場合、二つ以上の変圧器を設置することが適切です：

• 第一級または第二級の負荷が多く存在する場合。変圧器が故障またはメンテナンス中に複数の変圧器を設置することで、第一級および第二級負荷の供給信頼性を確保できます。

• 季節的な負荷変動が大きい場合。実際の負荷サイズに応じて、投入する変圧器の台数を調整することで、経済運転を達成し、電力を節約できます。

• 集中負荷の容量が大きい場合。第三級負荷であっても、一台の変圧器の供給容量が不足する場合、二つ以上の変圧器を設置する必要があります。