35 kV配電変圧器のコア接地障害の診断方法の分析

35 kV 配電変圧器：コア接地故障の分析と診断方法

35 kV 配電変圧器は、電力システムにおける一般的な重要な設備であり、重要な電気エネルギーの伝送任務を担っています。しかし、長期的な運用中にコア接地故障が安定した変圧器の運転に影響を与える大きな問題となっています。コア接地故障は、変圧器のエネルギー効率に影響を与え、システムのメンテナンスコストを増加させるとともに、より深刻な電気的故障を引き起こす可能性もあります。

電力設備が老朽化するにつれて、コア接地故障の頻度は徐々に増加しており、電力設備の運用とメンテナンスにおいて故障診断と処置を強化する必要があります。現在、特定の診断方法は存在していますが、検出効率が低く、故障位置の特定が困難という技術的なボトルネックがあります。より正確で敏感な故障診断技術を探求し適用することで、設備の運転信頼性を向上させ、電力システムの安定性と安全性を確保する必要が高まっています。

1 35 kV 配電変圧器のコア接地故障の原因と特性の分析

1.1 コア接地故障の一般的な原因

35 kV 配電変圧器では、通常、コア積層板間に絶縁材料を使用して隔離します。しかし、長期的な運用中に内部電界や温度により絶縁材料が徐々に劣化します。特に高電圧および高温環境下では、絶縁性能が急速に低下します。劣化が進むにつれて絶縁抵抗が減少し、部分的な領域での絶縁破損により多点接地故障が形成されることがあります。

変圧器は長期的な運用中に機械的な振動を避けることはできません。特に負荷の大幅な変動下では、振動によりコアとコアクランプ部品の相対的な移動が生じます。緩んだコアクランプや損傷した絶縁材料は接地故障を引き起こす可能性があります。変圧器コアの製造上の欠陥も重要なコア接地故障の原因です。製造時にシリコン鋼板にバリや不均一な絶縁コーティング、またはコア加工精度の不足がある場合、局所的な絶縁破損が発生することがあります。このような欠陥は、しばしば変圧器の接地部に集中します。コア内の電界分布が不均一な場合、部分放電が発生する可能性があります。

1.2 故障の電気的特性と危険性

コア接地故障の最も直接的な電気的特性は接地電流の増大です。接地故障が発生すると、接地電流は通常、高調波成分を含む電流の変動を示し、特に50 Hz以上の高周波域で顕著です。故障が発生すると、接地電流の波形は非正弦波となり、高調波成分の振幅が大きくなります。

コア接地故障の別の典型的な特性は部分放電です。絶縁材料が破損すると、電界が損傷部位に集中し、コロナ放電や部分放電現象が発生します。部分放電は通常、3-30 MHzの周波数範囲を持つ高周波電流パルスを生成します。この周波数帯の電流信号は、専用の高周波電流変換器（HFCT）を使用してキャプチャおよび分析することができます。

コア接地故障によって引き起こされる別の電気的特性は温度上昇効果です。故障点での渦流損失により局所的な温度が上昇します。この温度上昇効果は、絶縁材料を直接損傷させるだけでなく、コアの一部の過熱を引き起こす可能性もあります。

1.3 故障が変圧器の動作に与える影響

コア接地故障により接地電流が増大し、これにより変圧器コアの追加損失が発生します。コア損失は主に渦流損失とヒステリシス損失から構成されます。接地故障が発生すると、変圧器内での磁束分布が不均一になり、特定の領域での渦流損失が大幅に増加します。これにより変圧器のエネルギー効率が低下し、運用コストが大幅に増加する可能性があります。コア損失の増加は変圧器の過熱を悪化させ、長期的な安定した運転に影響を及ぼします。

コア接地故障による部分放電と温度上昇効果は、変圧器内部の絶縁材料の老化を加速します。絶縁の老化とともに、絶縁層の抵抗が徐々に低下し、電気的絶縁能力が徐々に失われます。絶縁が完全に失敗すると、局所的な短絡またはより深刻な完全短絡事故を引き起こす可能性があります。

コア接地故障は電気性能の低下だけでなく、変圧器油の化学組成にも影響を与えます。コアが接地すると、部分放電と過熱により内部油温が上昇し、油中の溶解ガス成分が変化し、特にメタン（CH4）とエチレン（C2H4）の含量が異常増加します。

2 コア接地故障の診断方法と技術的比較

2.1 従来の診断方法

直流抵抗法は、コア接地故障の従来の診断方法の一つであり、コアと接地間の絶縁抵抗を測定することで故障の有無を判断します。この方法は直流電圧を適用し、電流と電圧の比率を測定して絶縁抵抗を計算します。理想的には、コアの絶縁抵抗は高い値を維持すべきですが、抵抗が一定の閾値以下に下がった場合は接地故障を示している可能性があります。

しかし、直流抵抗法は故障点を正確に特定することはできません。その測定結果はコア全体の平均的な絶縁性能しか反映せず、具体的な故障領域を決定することはできません。この方法には一定の遅延があり、特に絶縁劣化がまだ顕著な抵抗値の変化を引き起こしていない場合、早期の故障検出は効果的ではありません。また、直流抵抗法は故障タイプに関する情報を提供せず、詳細な故障特性を測定データから効果的に抽出することもできません。

油クロマトグラフィー分析は、変圧器油中の溶解ガス成分の変化を検出して故障タイプを推定します。これらの溶解ガスは通常、変圧器内部で放電や過熱などの電気的故障が発生したときに生成されます。変圧器油によく見られるガス成分にはメタン（CH4）、エチレン（C2H4）、エタン（C2H6）などがあります。ガス濃度の変化は変圧器の運転状態を反映します。

油中の溶解ガス濃度と故障タイプを比較することで、変圧器でコア接地故障が発生したかどうかを予備的に判断することができます。油クロマトグラフィー分析の反応は相対的に遅いものであり、故障発生後、溶解ガスが蓄積されるまで時間がかかるため、故障診断のタイムリーさが制限されます。さらに、油クロマトグラフィー分析は正確な故障位置や具体的な特性を提供することができず、ガス濃度の変化を通じて故障を示すだけです。微小または断続的な故障の場合、油クロマトグラフィー分析による診断は遅延し、故障発生に対して迅速に対応することはできません。

2.2 現代的な計測技術

部分放電検出技術は、高周波電流トランスフォーマー（HFCT）の原理に基づいて、コア接地によって引き起こされる放電パルス信号を捕捉して解析し、故障を診断します。コア接地故障が発生すると、部分放電により絶縁損傷部位で高周波電流パルスが発生します。これらの電流信号は通常、3-30 MHzの周波数範囲で高周波ノイズまたはパルス信号として現れます。

変圧器の接地線に高周波電流センサーを取り付けることで、部分放電信号をリアルタイムでキャプチャすることができます。この技術は部分的な故障点を効率的に特定でき、高い感度を持ち、初期段階での故障を検出することができます。部分放電検出は、絶縁劣化や機械的損傷によって引き起こされる微小な故障を効果的に識別し、正確な故障診断情報を提供します。部分放電信号を解析することで、故障の深刻度と進行傾向を評価し、それに応じたメンテナンスや予防措置を行うことができます。

赤外線熱画像技術は、赤外線熱画像カメラを使用してコアの局所温度上昇領域を検出し、接地故障が存在するかどうかを判断します。変圧器で接地故障が発生すると、局所的な渦電流損失により温度が上昇し、特に故障点周辺では顕著な温度上昇が見られます。赤外線熱画像技術は、コア表面のリアルタイムの温度分布を得ることができ、温度差を通じて故障の存在を判定します。通常、温度差が10°Cを超える場合は、その領域に対する集中調査が必要です。この技術の利点は、接触せずに温度変化を検出でき、測定速度が速いため、現場での迅速な検出に適していることです。

高周波電流検出法は、ロゴスキーコイルを使用して接地線の500 kHzから2 MHzの周波数範囲の高周波電流の変化を測定します。これらの高周波電流は、コア接地故障によって引き起こされる放電プロセスによって生成されます。この周波数範囲の電流信号を検出することで、故障の存在を効果的に識別することができます。部分放電検出技術と比較して、高周波電流検出はより高い感度を持ち、非常に弱い故障信号を捕捉することができます。ロゴスキーコイルを使用した非接触測定は、インストールを簡素化し、測定精度を向上させます。この技術は直接アクセスが困難な場所にも適しており、設備を損傷せずにオンライン検出を行うことができます。

3 故障診断プロセスの最適化と事例分析

3.1 最適化された診断プロセスの推奨事項

コア接地故障を診断する際には、まず赤外線熱画像技術を使用して予備的なスクリーニングを行うべきです。赤外線熱画像カメラは、変圧器表面の温度分布マップを迅速に取得し、診断担当者が可能性のある異常温度上昇領域を特定するのに役立ちます。予備的なスクリーニングで潜在的な故障領域が特定され次第、次のステップとして高周波電流検出と部分放電検出技術を組み合わせて精密なテストを行うべきです。

高周波電流検出法は、ロゴスキーコイルを使用して500 kHzから2 MHzの周波数帯域の接地電流の変化をキャプチャし、コア接地故障領域を効果的に識別します。部分放電検出技術は、HFCTセンサーを使用して放電パルス信号をリアルタイムで監視し、放電の周波数と強度を解析して故障点の位置をさらに確認します。

高周波電流と部分放電検出を行った後、最後のステップは油クロマトグラフィー分析を通じて故障の深刻度を確認および分析することです。変圧器油中の溶解ガス、特にメタン（CH4）、エチレン（C2H4）などのガス濃度の変化を検出することで、故障の性質をさらに確認することができます。重大なコア接地故障の場合、油クロマトグラフィーではガス成分が異常に上昇します。油クロマトグラフィーのデータと他の検出結果を組み合わせることで、故障の影響を包括的に評価し、その後の修理作業の根拠を提供することができます。

3.2 典型的事例分析

ある変電所で運用中に、維持管理スタッフが35 kV配電変圧器の接地電流が大幅に増加していることに気づきました。これは正常値を大きく超えていました。モニタリングデータによると、接地電流は5 Aに達していましたが、通常の状況下では接地電流は100 mA以下であるべきでした。問題は、接地電流が異常に増加していたものの、外部的な物理的な故障の兆候が明らかに見られなかったことです。直流抵抗試験や油クロマトグラフィー分析などの従来の電気診断手法では、明確な故障位置情報を提供することができませんでした。

このトランスコアの接地障害問題を解決するため、メンテナンス担当者はいくつかの現代的な診断技術を使用しました。まず、FLIR T640赤外線サーモグラフィーを使用して予備的なスクリーニングを行い、コアおよび関連部品の温度上昇領域を迅速に特定しました。次に、PD-Tech HFCT高周波電流センサーを使用して接地電流を監視しました。最後に、PD-Tech局部放電検出器を使用して放電信号をテストし分析し、障害点を特定しました。テスト結果は表1に示されています。

表1. トランス障害問題の検出結果

赤外線熱画像検知結果に基づくと、コアクランプ部品近傍の温度差は12°Cに達し、正常範囲を超えており、この領域で過熱が発生している可能性が高いことが確認されました。高周波電流センサーを使用したリアルタイム検出では、接地電流が5Aであり、通常値の100mAを大幅に上回っていたため、トランスフォーマー内部で故障が発生していたことが示されました。さらに、部分放電検出では、4.5-18MHzの周波数帯域内で高周波電流信号に強い変動があり、放出強度が徐々に増加しており、故障点がコアクランプ組み立て部にあり、故障が悪化していることを示していました。

最終的に故障点はコアクランプ部品の絶縁パッドであることが確認されました。長期運転により絶縁材料が劣化し、微小な絶縁損傷が接地故障を引き起こしていました。故障対処措置として絶縁パッドを交換し、その後のテストで接地電流が正常に戻り、故障が解消され、設備が安定して動作するようになりました。

この事例は、赤外線熱画像技術、部分放電検出技術、および高周波電流検出技術を組み合わせることで、コア接地故障診断の効率と精度を大幅に向上させることができるということを示しています。実際の運用・保守プロセスにおいて、これらの技術を定期的に共同診断に使用することで、トランスフォーマーの安全かつ安定した動作を確保することが重要です。

4 結論

コア接地故障の診断において、複数の現代的な診断技術を組み合わせて使用することで、故障位置の正確さと診断効率を大幅に向上させることができます。高周波電流検出、部分放電分析、および赤外線熱画像技術の相乗効果により、潜在的な設備リスクを早期に検出し、故障源を正確に特定し、設備の停止時間を短縮し、トランスフォーマーの寿命を延ばすことができます。

今後、新しい検出技術の継続的な開発と応用により、コア接地故障の診断とメンテナンスはより効率的かつ精密になり、電力システムの安定性と安全性を確保することができます。