発電機セット変圧器および風力発電所変圧器の故障現象と運用保守戦略

1. 発電機セットトランスの故障現象

1.1 異常な温度上昇

異常な温度上昇はトランスの健康状態を直接反映し、重要な故障警告指標となります。運転中には電磁エネルギー変換により鉄損と銅損が発生し、これらは熱に変わります。正常な動作を確保するために、トランスは油循環や熱放射などの熱放出機構を使用して内部の温度バランスを維持します。

温度計やオンライン検知システムは上層油と巻線の温度変化を監視します。トランスに故障が発生すると、熱放出リズムが乱れ、異常な温度上昇が起こります。これは過負荷、絶縁劣化、冷却システムの故障など、より深い機械的または電気的な故障を示唆する可能性があります。

1.2 異常な振動と騒音

通常の運転では、トランスは微弱な振動と聴覚的な騒音を発生させます。巻線内の交流により鉄心の磁場が周期的に変化し、コアシートにマグネストリクションが誘起されます。ラミネーション間の微妙な磁気相互作用とコイル内の動的な電磁力調整により、規則的な振動と音が生成されます。これはトランスの「生命脈拍」であり、調和した内部電磁活動を反映しています。

この「脈拍」が逸脱すると（例えば、振動の増加、異常な音、または図1のような異常な騒音）、隠れた故障を示す可能性があります。内部部品の緩み、巻線のショート回路、またはコア対地ショート回路などがエネルギー変換を妨げ、余分な機械的ストレスと電磁干渉を引き起こします。正確な振動と騒音の監視と分析は診断と予防メンテナンス戦略の策定に不可欠です。

1.3 異常な油レベル

トランスオイルは設備の安全運転を確保する「生命の血液」と呼ばれ、熱放出媒体、絶縁障壁、消弧剤として複数の核心的な役割を果たします。その量の適正性は、複雑な作業条件下でトランスが安定かつ効率的に動作できるかどうかを直接決定します。

油レベルの監視は精密に設計された油レベルインジケータによって達成され、これはトランスの「液体バロメーター」となり、内部油量のリアルタイムの変化を反映します。油レベルインジケータが異常を示す場合、特に油レベルが標準ライン以下に低下すると、単なる油量の減少ではなく、潜在的な深刻なリスクを警告する信号となります。油レベルの低下により冷却効率が大幅に低下し、トランス内部での熱蓄積と温度上昇が強まり、絶縁材料の劣化を加速します。

また、油が不足すると内部部品の絶縁保護が弱まり、アーク放電のリスクが大幅に高まり、これがさらに短絡などの大規模な故障を引き起こし、全体の電力システムの安全運転を脅かす可能性があります。

2. 風力発電所における風力タービンのトランスの運用とメンテナンス戦略
2.1 トランスの一般的な点検

電力トランスは電圧制御を通じて高電圧送電とユーザー側での安定した220V電力供給を実現し、その運用とメンテナンスは電力システムの安定性にとって重要です。大規模な風力発電所では、広範に分布する多数のトランスに対処するために、遠隔監視と現場点検を組み合わせた方法を採用しています：遠隔監視ではオンラインシステムを使用して運転パラメータを監視し、日常的な定期チェックとピーク時における強化された監視を行い、負荷や電圧などのデータを記録し、異常を適時に処置します；現場点検では外部構造、オイルシール、配線接続、ブッホルツリレーの状態などをカバーし、特殊な天候条件での重点的な点検を行います。導入後、トランスの年平均故障率は3%から1%未満に低下しました。

2.2 機器協調とデータ処理能力を備えたスマートシステムの運用改善

スマート運用・メンテナンスシステムは、機器協調とデータ処理能力を必要とします。既存の技術では高電圧側の電力供給など複雑なシナリオへの対応が困難であり、新しいモデルの構築が必要です。研究開発は「理論的な構想 - 実験室での検証 - 実用化」というプロセスに従い、クラウドコンピューティングなどの技術を組み合わせてモジュラー構造を開発し、仮想プラットフォームでのテスト後に展開します。システムの調整を3ヶ月行った結果、運用開始1ヶ月目でトランスの故障率が30%低下し、潜在的な故障の早期警告が可能となりました。

2.3 予防措置の強化

予防メンテナンスはコア戦略であり、積極的な点検を通じて隠れた危険を排除することを目的としています。風力発電所ではオンラインシステムを使用して油温などのパラメータを監視し、四半期ごとに油サンプル分析を行い絶縁状態を評価し、管理システムを最適化して職務責任を明確化します。乾式トランスのメンテナンスには、鉄心の清掃、ケースと巻線の点検、バスバー接触面のメンテナンスが含まれます。導入後、計画外停止時間は240時間から40時間に減少し、経済損失は500万円から80万円に減少し、平均故障間隔時間（MTBF）は2,000時間から4,500時間に増加しました。

2.4 オイルのメンテナンスと管理

風力発電において、風力発電所のトランスはエネルギー変換の中心的な設備であり、全体の効率と経済的収益に直接影響を与えます。効率的な運転を追求する一方で、風力発電所は社会的責任を果たし、環境に優しいメンテナンス手法を推進する必要があります。トランスライフサイクル管理の中心部分であるオイルメンテナンスは、長期的な信頼性を確保するとともに、持続可能な運転を支えます。

トランスオイルはトランスの「生命の血液」であり、熱放出に不可欠であり、その品質は電気性能と寿命を決定します。定期的なテストは非常に重要であり、以下の2つの側面に焦点を当てます：1) 物理的および化学的特性（絶縁耐力、酸価、水分、粒子汚染）；2) 溶解ガス分析（DGA）、これは水素、アセチレン、エチレンなどを検出し、内部故障（部分放電、過熱、アーク）の早期警告を行い、予防メンテナンスをサポートします。

オイルの浄化と交換はメンテナンスの鍵となります。時間とともに、オイルは熱、酸化、汚染物質の蓄積により劣化します。効率的なオンライン/オフラインフィルタリングは水分、不純物、自由炭素を取り除き、絶縁と熱伝導を回復します。老化が発生した際には、厳格な品質と経済分析に基づいて適時にオイルを交換することで、コスト効果を最大化します。

適切なオイル温度はパフォーマンスを最適化し、部品の寿命を延ばします。定期的な冷却システムの点検（ラジエータの清掃、ファン/ポンプの点検）は、熱放出不良による過熱を防止します。すべてのテストデータ、メンテナンス記録、交換ログは詳細に記録され、デジタル化され、分析されて健康プロファイルを形成し、データ駆動型の細密なメンテナンス計画を可能にします。

3 結論

風力発電所におけるトランスの運用とメンテナンスは、技術的な精度とスマートな管理、持続可能性を融合させています。先進的な監視、AIアルゴリズム、伝統的な経験を組み合わせることで、故障予測を改善し、メンテナンスサイクルを最適化し、電力供給の信頼性を確保し、風力資源の利用を最大化します。本研究は、運転特性の分析、メンテナンスの最適化提案、トレンドの予測を通じて、風力エンジニアと意思決定者にとって貴重な洞察を提供します。