50Hz設計の電力変圧器が60Hzの電力網で動作可能か 主要な性能変化について解説

50Hz設計の電力変圧器は60Hzの電力網で動作可能か？

50Hz用に設計・製造された電力変圧器を60Hzの電力網で動作させることは可能でしょうか。可能であれば、その主要な性能パラメータはどう変わるのでしょうか。

主要パラメータの変化

• 短絡インピーダンス：同じ電圧と容量を持つ変圧器の場合、短絡インピーダンスは周波数に比例します。したがって、50Hz設計のユニットが60Hzで動作すると、20%増加します。高い周波数は交流リーク磁場による電流への抵抗を強めます。

• 空載損失：U = 4.44fNBmSから、電圧が一定の場合、50Hz→60HzではB_mが0.83倍になります。60Hzでのシリコン鋼板ユニットの損失は約1.31倍ですが、減少したB_mが支配的となり、全体的な空載損失を削減します。

• 負荷損失：負荷損失には直流抵抗損失（周波数に依存しない）、渦電流損失（ f²に比例）、および散逸損失（ f²にほぼ比例）が含まれます。したがって、50Hz→60Hzでは負荷損失が増加し、その程度は直流抵抗損失の割合によります。

• 温度上昇：空載損失が減少する一方で、負荷損失（通常は大きい）が増加し、総損失が増加します。これにより平均/油温が上昇し、巻線渦電流損失も平均/ホットスポット巻線温度を上昇させます。

定量的事例研究

これらの傾向を定量的に把握するために、50Hz設計の63MVA/110kV変圧器について計算を比較しました。

結論

要約すると、定格周波数50Hzで設計・製造された電力変圧器は、一次側励磁電圧と送電容量が変わらないという前提で、60Hzの電力網で完全に動作可能です。ただし、この場合、変圧器の総損失は約5%増加し、それに伴い油温上昇と巻線平均温度上昇が発生します。特に巻線ホットスポット温度上昇は5%以上増加することがあります。

変圧器がすでに巻線ホットスポット温度上昇や金属構造部品（例えばクランプ、リーザーフランジなど）のホットスポット温度上昇に余裕がある場合、このような動作は完全に許容されます。しかし、巻線ホットスポット温度上昇または金属構造部品のホットスポット温度上昇が既に基準を超える限界に近い場合は、長期的な動作が許容されるかどうかは個々のケースによる分析が必要です。