中圧変圧器の突入電流低減による制御スイッチング装置

中圧範囲での制御スイッチングデバイス

30年以上前、制御スイッチングデバイス（CSD）は、並列リアクターやコンデンサバンクに接続された高電圧回路遮断器によって引き起こされるスイッチングトランジェントを軽減するために導入されました。その後の研究により、送電線や電力変圧器への応用が拡大しました。当初、これらのデバイスは、独立ポール操作型回路遮断器（IPO）を使用して、フェーズごとに最適なスイッチングタイミングを調整していました。

最近、世界的なエネルギー需要の増加により、再生可能エネルギー源が高電圧（HV）送電システムではなく、中圧配電網に統合されるようになりました。この変化により、変圧器の起動時の制御不能なインラッシュ電流による電圧低下問題に対処する必要が生じました。

中圧スイッチギアは通常、同時に3つのポールで動作します。これは、HVアプリケーションでの独立した操作とは対照的です。これには、標準的なスイッチを使用して同時にポールを操作しながら、変圧器の起動時のインラッシュ電流を効果的に管理するためのCSD技術の大幅な進歩が必要でした。今日、この革新は、風力発電所や太陽光発電所などの再生可能エネルギ施設だけでなく、工業設備や輸送ネットワークでも広く利用されており、中圧および高電圧変圧器の信頼性のある起動のためにインラッシュ電流の制御が重要です。

中圧変圧器におけるインラッシュ電流

変圧器の起動時のインラッシュ電流の大きさは、変圧器コア内の残留磁束により大きく影響されます。高い残留磁束レベルは、ランダムな起動時に大きなインラッシュ電流を引き起こす可能性があります。効果的な緩和策は、運用上の障害を避けてグリッドの安定性を確保するために不可欠です。

高度な制御スイッチング技術を実装することで、これらのインラッシュ電流を最小限に抑えるか、または完全に排除することができます。これらの方法は、システムの信頼性を向上させるとともに、機器の寿命を延ばし、メンテナンスコストを削減し、中圧配電網全体の効率を改善します。このような技術の採用は、現代の電力配電ネットワークの進化する要求に対応する上で重要な進歩を示しています。

残留磁束と変圧器のインラッシュ電流の関係

同時ポール操作を持つ回路遮断器やスイッチギアに制御スイッチングデバイス（CSD）を導入する際のフィールドデータは、残留磁束と変圧器のインラッシュ電流の関係を確認しています。CSDを使用することで、ランダムな起動に比べてインラッシュ電流が約3分の1に減少し、潜在的な障害を大幅に軽減することができます。

同時ポール操作型回路遮断器によるインラッシュ電流の緩和方法

以下に、電力変圧器に適用されるインラッシュ電流の緩和のための制御スイッチングの概念を説明します。

消磁された電力変圧器のR相が電圧のゼロクロッシングで起動された場合（図1の左側）、変圧器コアは深く飽和状態になり、コアに追加の2パーセント単位（p.u.）の磁束が導入されます。この条件では、コアの飽和により大きなインラッシュ電流が発生する可能性があります。

一方、変圧器が正の電圧の頂点で起動された場合、この初期の正の四分の一周期はコアに1 p.u. の磁束のみを追加します。その後、電圧が負の半周期に移行すると、コア内の磁束が減少し始めます。変圧器がこれらの条件下で飽和限界に達しないため、コアの飽和が避けられ、インラッシュ電流の発生が防げます。

このシナリオは、コア磁束が電圧に対して90度遅れる変圧器の定常状態の起動に対応します。起動タイミングを電圧波形の最適なポイントに合わせることで、インラッシュ電流のリスクを最小限に抑え、より滑らかで安定した変圧器の動作を確保できます。

要するに、制御スイッチング技術は、正確なタイミングを利用してインラッシュ電流を効果的に軽減します。電圧サイクル内の戦略的な起動ポイントを通じてコアの飽和を回避することで、これらの方法は変圧器の信頼性ある性能を確保し、グリッドの安定性を向上させ、運用上の障害を減少させます。このアプローチは、中圧スイッチギア技術において重要な進歩であり、新規設置や既存システムのアップグレードにも大きな利益をもたらします。

3相スイッチを使用して同時にポールを操作する場合、状況はさらに複雑になります。実際、あるフェーズのインラッシュ電流を最小限にするために選択した起動瞬間は、他の2つのフェーズに悪影響を与える可能性があります。これは、図2に示されているように、消磁された変圧器のR相（左）のインラッシュ電流を軽減しようとすると、Y相とB相（右）に悪影響を与えることが示されています。

あるフェーズのインラッシュ電流を減らすためにその起動タイミングを最適化すると、他の2つのフェーズの条件が不意にインラッシュ電流を増加させる可能性があり、多相システムにおけるバランスの取れたアプローチの必要性を強調しています。

以前に説明したように、電力変圧器の残留磁束パターンは、その前の消磁の結果です。

変圧器が再起動されると、印加された電圧によって誘導される動的磁束は、印加された電圧の極性に応じて、残留磁束に加算または減算されます。制御スイッチングの原則によれば、電力変圧器のフェーズの最適な起動タイミングは、誘導予定磁束が既存の残留磁束と一致するときです（図3、左）。例えば、正の残留磁束が存在する場合、負の電圧を印加すると、負の電圧ピークでコア磁束がゼロに減少し、その後すぐに変圧器のコアが飽和することなく定常状態に達します。

逆に（図3、右）、電圧の正のゼロクロッシングでフェーズを起動すると、既存の0.5 p.u. の残留磁束に2 p.u. の正の磁束が追加され、電力変圧器のコアが深く飽和状態になり、過剰なインラッシュ電流が発生します。したがって、残留磁束の存在は、変圧器の起動が制御されていない場合、最大のインラッシュ電流を増加させます。

誘導磁束が残留磁束と一致するように起動タイミングを正確に選択することで、コアの飽和を効果的に防止し、インラッシュ電流を減らし、変圧器のスムーズな動作を確保することができます。この戦略は、システムの信頼性を向上させるとともに、機器の寿命を延ばし、メンテナンスコストを削減します。特に多相システムでは、フェーズ間の性能をバランスよく保つために、起動タイミングの適切な設定が重要であり、グリッドの安定性と効率を確保します。

このアプローチは、電力変圧器の制御スイッチング技術の設計と実装において、残留磁束の影響を考慮することの重要性を強調しており、より効率的で信頼性の高い電力伝送ネットワークを実現するためのものです。

変圧器コアに残留磁束がある場合、同時ポール操作型回路遮断器を使用する状況はさらに複雑になります。最適な起動タイミングは、残留磁束の大きさと極性に応じて、すべての3つのフェーズの同時操作を考慮する必要があります。しかし、可能な残留磁束パターンごとに、変圧器の飽和を最小限にする最適な起動タイミングが常に存在します（図4）。

次の例では、R相、Y相、B相の残留磁束パターンはそれぞれ0、-0.5、+0.5 p.u. です。電力変圧器を90°（R相の電圧の頂点）で起動すると、各フェーズの最小飽和が得られます。しかし、青色のフェーズ（B相を仮定）を電圧の正のゼロクロッシング（240°）で閉じると、最悪のインラッシュ電流が発生し、制御スイッチングデバイス（CSD）によって計算された最適なスイッチングタイミングよりも6.5倍の電流となります。

これは、特定の残留磁束条件ごとに最適な起動タイミングを正確に決定することが、変圧器の飽和とインラッシュ電流を最小限に抑えるために重要であることを示しています。適切なタイミングは、スムーズな動作を確保し、電力システムの信頼性と効率を向上させます。

電力変圧器の起動を制御しない場合、最も高い残留磁束を持つフェーズで最も悪いインラッシュ電流が常に発生します。制御スイッチングデバイス（CSD）は、残留磁束パターンに基づいて最適なポール閉鎖タイミングを計算することで、起動時のインラッシュ電流を最小限に抑えます。したがって、特定の高い残留磁束条件下では、インラッシュ電流を完全に排除することができます。

図5は、変圧器で測定された3つの残留磁束のうち最大のものに対する理論的な相対インラッシュ電流を示しています（飽和膝が1.2 p.u.）。ピークインラッシュ電流は、消磁されたコアの最大起動電流に対して正規化されています。コアの残留磁束が高い場合（横軸）、CSDは変圧器が飽和しないようにすることでインラッシュ電流を排除します（青線の下部領域）。逆に、電力変圧器をランダムなタイミングで起動すると、変圧器が完全に飽和状態に陥り（赤線）、過剰なインラッシュ電流とそれに続くグリッドの電圧低下が発生します。この図は、ランダムまたは制御されていない起動と比較して、CSDが提供するインラッシュ電流の緩和効果を示しています。