35kV屋外組合変圧器の計量異常の分析と対処

Felix Spark

フィールド: 故障とメンテナンス

China

1. はじめに

結合変圧器でのPTの焼損や一次側のヒューズの溶断が頻繁に発生し、電力量計測の不正確さと同時に電力網の安全な運転を深刻に脅かしています。本論文では、35kV結合変圧器における反復的なPTの損傷とヒューズの溶断問題について、故障原因を調査し、解決策を提案し、補正係数を通じて誤った電力量を回復します。これにより効果的に電網損失を減少させ、サービスリスクを軽減します。

1.1 結合変圧器の紹介

電力システムにおいて、結合変圧器は計測および保護装置の重要な構成要素です。電圧変圧器（PT）と電流変圧器で構成され、一次巻線と二次巻線間のターン数の差を利用して、大きな一次側の電流と高電圧を、二次側の計測機器やリレー保護に適した小さな電流と電圧に変換します。また、一次側と二次側間の電気的絶縁を実現し、二次側の人員と設備の安全を確保します。

2. 結合変圧器の故障による危険性

電力システムにおける主要な電力計測装置である結合変圧器のPTは、高電圧信号を低電圧信号に変換して計測/保護装置に供給する役割を担っています。PTが損傷したり高電圧ヒューズが溶断すると、以下の危険性があります：

計測精度の低下 : PTの損傷やヒューズの溶断は、電力量計測システムに誤差をもたらし、計測精度に影響を与え、電力供給企業とユーザーとの間で紛争を引き起こす可能性があります。
設備の故障率の増加 : PTの損傷は、システム電圧のアンバランス（過高/過低）を引き起こし、システムの安定性を乱す可能性があります。また、変圧器の故障は保護装置の異常動作を引き起こし、他の設備の故障リスクを増加させる可能性があります。
個人の安全上の危険性 : 結合変圧器は高電圧設備であり、損傷すると絶縁破壊や漏れ電流が発生し、運用・保守担当者の個人安全を脅かす可能性があります。

3. 結合変圧器の過電圧故障の原因

実際の運用中、結合変圧器は高電圧ヒューズの溶断やPTの焼損を頻繁に経験します。主な原因には以下があります：

鉄磁共鳴過電圧 : 鉄磁部品は定格電圧下では線形ですが、故障時には磁路が飽和し、インダクタンスが非線形に変化します。システムキャパシタンスと振動ループを形成し、連続的な鉄磁共鳴を引き起こします。過電圧はPTの高電圧ヒューズの頻繁な溶断や焼損を引き起こし、電網の安全性を脅かします。
二次負荷の過大 : 二次負荷が過大になると、変圧器は大量の熱を発生し、放熱が困難になります。内部巻線温度が高くなりすぎると、最終的にPTが焼損します。
一次・二次側の短絡 : PTの一次または二次側での短絡は大きな電流を生成し、高電圧ヒューズの溶断と設備の焼損を引き起こします。
切り替え過電圧 : 不適切な操作によって過電圧が発生し、PTの高電圧ヒューズが溶断します。
雷過電圧 : 直接または誘導雷による過電圧が巻線の絶縁を破壊し、設備を損傷します。

4. 事例分析
4.1 基本的なユーザー情報

2021年8月23日、35kVユーザーの結合変圧器でA相PTの焼損障害が発生し、電力量計測が不正確になりました。前年にはこの結合変圧器で3つの故障が発生していました。2021年1月以前は、ユーザーは35kV沙子変電所からの供給を受け、正常に計測されていました。2021年8月以降、供給源は110kV周家坝変電所の35kV出線（周湾線#353および周李線#354の二重回路供給）に変更されました。総延長は約1.5kmで、35kV側は消弧コイルを介して接地されています。計測点は110kV周家坝変電所の二重回路35kV出線に設置されています。一次配線は図1に示されています。

4.2 計測点と故障タイムライン

両計測点とも35kV結合変圧器を使用し、三相三線接続およびV/V接続の電圧変圧器を使用しています。その内訳は以下の通りです：

35kV周李線#354（計測点2）：正常に動作し、故障はありません。
35kV周湾線#353（計測点1）：頻繁に故障が発生します。

故障タイムライン：

2021年8月23日：最初のPTの焼損、河南省信陽市胡通電気有限公司の製品に交換；
2022年3月4日：再度PTが焼損、江西省甘地電気有限公司の結合変圧器に交換；
2022年6月13日：C相高電圧ヒューズが溶断、電圧喪失；
2022年9月21日：A相高電圧ヒューズが溶断、再び電圧喪失。

4.3 故障分析

故障発生時、ユーザーの負荷は軽く、二次配線は正常で、ショート回路はありませんでした。テスト結果は以下の通りです：

線路接地抵抗は規格に適合しており、非有効接地システムに属します。接地障害は容易に雷電流の放電を妨げ、ヒューズの溶断を引き起こす可能性があります。
運用・保守中に過電圧はなく、人的要因は排除されます。

故障現象と一般的な原因を考慮すると、主な原因は鉄磁共鳴過電圧であり、具体的なトリガー状況は以下の通りです：

接地障害によるトリガー: 線路上で単相接地が発生すると、PT巻線と線路対地キャパシタンスが並列回路を形成し、鉄磁共鳴の条件を満たします。単相接地により他の2相の電圧が上昇し、鉄心が急速に飽和し、共振により巻線電流が急増し、高電圧ヒューズが溶断します。長期の過電流はPTを焼損させます。
不適切な操作によるトリガー: システムの三相負荷は基本的に平衡していますが、切り替え操作中に三相が同期しない（閉じたり開いたりが同時でない）と、電圧変圧器巻線と鉄心にラッシュカレントが発生し、鉄心が飽和し、鉄磁共鳴過電圧を引き起こします。

4.4 解決策

故障原因を分析した後、以下の措置が講じられます：

高調波除去装置の設置: 変電所の35kV母線側に1セットの高調波除去装置を設置し、鉄磁共鳴の再発を抑制します。
二次側の過電圧保護: 二次側に過電圧保護装置を設置し、環境要因による過電圧から変圧器の内部絶縁を保護します。
高調波検出と処理: 現場の電力量計校正器を使用して二次電圧の高調波を検出します。異常がある場合は、ユーザーに処理を促し、GB/T 14549 - 1993「電力品質 - 公用電力網の高調波」に準拠することを確認します：35kV電圧の全高調波歪率 ≤ 3%、奇数次高調波 ≤ 2.4%、偶数次高調波 ≤ 1.2%。

実施効果：これらの措置が実施された後、結合変圧器は正常に動作し、PTの焼損やヒューズの溶断故障はありませんでした。

4.5 電力量調整計算

電力量計測の正確性は、電力供給と消費双方の経済的利益に関連しています。故障時には電力量の調整が必要です。本論文では、第3の故障を例に挙げ、補正係数法を使用して計算します：

原理: 正確な計測と不正確な計測時の有効電力を比較し、補正係数 $k$ を得て、調整電力量 $\Delta W$ を計算します。三相負荷が平衡していると仮定すると、補正係数 $k$ の式は以下の通りです：

(1) 補正係数 k の解釈

$k > 1$ の場合、正確な計測時の有効電力は不正確な計測時の有効電力よりも大きくなります。故障中にエネルギー計が少ないと計測されるため、顧客は電力量を補填する必要があります。 $k = 1$ の場合、エネルギー計は正確に計測します。 $0 < k < 1$ の場合、エネルギー計は多めに計測し、電力量を顧客に返還する必要があります。 $k < 0$ の場合、エネルギー計は逆向きに計測し、顧客は電力量を補填する必要があります。

(2) ユーザー関連の計測パラメータ

ユーザーの受電容量は2500 kVAで、計測方法は高供高計（高電圧複合計量箱による計測）です。電圧比は35000 V/100 V、電流比は50 A/5 Aで、総計量倍率は3500です。エネルギー計の容量は $3×100 V/3×1.5 - 6 A$ で、精度は0.5Sです。

ユーザーの第3の故障は2022年6月13日に発生し、C相が電圧を失いました。電力は2022年8月4日の午前8時頃に復旧しました。時間帯別電力料金制度は2022年7月1日から導入されました。システム電圧、電力、力率などの収集データは表1に示されています。

第一段階の調整電力量の計算

表1から、2022年6月13日から2022年6月30日までの期間、A相の電圧は正常で、平均力率は0.82、要素角は $34°(L)$ です。その後、力率角 φ=4°(L) と仮定すると、負荷が平衡している場合の補正係数は以下の通りです：

調整電力量の計算は以下の通りです：

式 (2) と式 (3) から、 $k > 1$ であることがわかり、電力量が少ないと計測されているため、15,134 kWhの追加電力量を回収する必要があります。(2) 第二段階の調整電力量の計算。2022年7月1日から2022年8月4日までの期間、A相の電圧は正常で、平均力率は0.87、要素角は $29°(L)$ です。その後、力率角 φ=0° と仮定すると、負荷が平衡している場合の補正係数は以下の通りです：