SCB & SGBドライタイプ変圧器の解説
1. はじめに
トランスフォーマーは電磁誘導の原理に基づいて動作します。トランスフォーマーの主要な構成要素は、巻線とコアです。動作中、巻線は電流の経路となり、コアは磁束の経路となります。一次巻線に電気エネルギーが供給されると、交流によりコア内で交流磁場が生成されます（つまり、電気エネルギーが磁場エネルギーに変換されます）。磁気連関（磁束連関）により、二次巻線を通過する磁束が連続的に変化し、二次巻線に起電力（EMF）が誘導されます。外部回路が接続されると、電気エネルギーが負荷に送られます（つまり、磁場エネルギーが再び電気エネルギーに変換されます）。この「電気-磁気-電気」の変換過程は電磁誘導の原理に基づいて実現され、このエネルギー変換過程がトランスフォーマーの動作原理を構成しています。
U1N2 = U2N1
U1：一次電圧；N1：一次巻線のターン数；U2：二次電圧；N2：二次巻線のターン数
中国の国際標準GB 1094.16によれば、乾式変圧器とは、コアと巻線が絶縁液に浸漬されていない変圧器のことです。その絶縁および冷却媒体は空気です。広く言って、乾式変圧器は主に2つのタイプに分けられる：封入型と開放巻線型。
「SC(B)」タイプはエポキシ樹脂キャスト乾式変圧器を指します（モデル指定の「B」は巻線が銅箔でできていることを示します。「SG(B)」の「B」も同じ意味です）。高電圧巻線はエポキシ樹脂で完全に封入されますが、低電圧巻線は通常、エポキシ樹脂で完全にキャストされません—端部のみがエポキシ樹脂で密封されています（これは低電圧側がより高い電流を扱うため、完全なキャストは熱放散に悪影響を与えるからです）。現在、SC(B)型乾式変圧器は市場の主流製品であり、この記事ではそれを例として分析します。ほとんどのSC(B)型変圧器はクラスF絶縁を持ち、一部はクラスHです。
「SG(B)」タイプはデュポン（米国）のNOMEX絶縁紙を使用してターン間絶縁を行う開放巻線型乾式変圧器です。低電圧巻線は銅箔でできており、高電圧および低電圧巻線の両方にはVPI（真空圧力浸漬）絶縁処理が行われます。表面にはエポキシ絶縁バニッシュが塗布されています。ほとんどのSG(B)型乾式変圧器はクラスH絶縁を持ち、一部はクラスCです。
もう一つのタイプの乾式変圧器があり、「SCR(B)」と呼ばれています。これは封入型ですが、エポキシ樹脂でキャストされていません。フランスの技術に基づき、NOMEX紙とシリコーンゲルで完全に封入されています。この製品は市場需要が非常に限られています。すべてのSCR(B)型乾式変圧器はクラスH絶縁を持ちます。
2 乾式変圧器の利点
安全で難燃性、防火性、爆発防止性があり、汚染がないため、直接負荷中心に設置できます；
メンテナンスフリーで、全体的な運転コストが低い；
優れた湿気耐性があり、湿度100％の条件下でも正常に動作し、停止後に予備乾燥なしで再起動できます；
損失が少なく、部分放電が少ない、騒音が少なく、熱放出能力が強く、強制空冷条件下で定格負荷の150％で動作できます；
包括的な温度保護および制御システムを装備しており、安全な動作を確実に行います；
コンパクトで軽量、占有面積が小さく、設置コストが低い。
3. 乾式変圧器の欠点
同一容量および電圧等級の場合、乾式変圧器は油浸式変圧器よりも高価です；
電圧等級が制限されており、通常は35 kVまでで、少数のモデルが110 kVまで達します；
一般的に室内で使用され、屋外で使用する場合は高IP等級の保護カバーが必要です；
エポキシ樹脂巻線が損傷した場合、通常修理が困難であり、完全に廃棄する必要があります。
4. 乾式変圧器の構造
4.1 巻線
(1) 層巻線：平または丸の導体を積層し、螺旋状に巻いて複数の層を形成します。層間に絶縁または通風ダクトが配置されます。巻線は、専用の鋳型と鋳造設備を使用して真空下で鋳型鋳造および硬化されます。プロセス：積層螺旋巻線 → 鋳型に入れ → 真空鋳造。
(2) フォイル巻線：薄くて幅広い導体を巻き、一層あたり一巻きです。層間絶縁はターン間絶縁としても機能します。フォイル巻線は一般に軸方向冷却ダクトを使用します：巻線中に指定されたターン位置にスペーサーストリップを挿入し、後で取り除いて軸方向の空気チャネルを形成します。フォイル巻線機で巻線した後、コイルは加熱および硬化するだけで、鋳型や鋳造は必要ありません。
なぜ高圧巻線は外層に、低圧巻線は内層に配置されるのでしょうか。
低圧側は低い電圧で動作し、より小さな絶縁間隔を必要とするため、コアに近づけることで巻線とコアの距離が短縮され、トランスフォーマー全体のサイズとコストが削減されます。また、高圧巻線には通常タップ接続があり、これを外側に配置することで操作がより便利かつ安全になります。
4.2 コア
絶縁バニッシュを塗布したシリコン鋼板を複数重ねて構成されています。
コアは主にクランプフレームとクランプボルトによって固定されています。
上下のクランプフレームはタイロッドまたはタイプレートを通じてコアと巻線を圧縮します。
コアの絶縁部品にはフレーム絶縁、ボルト絶縁、またはタイプレート絶縁があります。
なぜコアを接地する必要があるのでしょうか。
正常な動作中に、トランスフォーマーのコアは1つだけ信頼できる接地ポイントを持つ必要があります。接地しない場合、コアと地間に浮遊電圧が発生し、コアから地へ断続的な放電が起こります。コアを1点で接地することで、浮遊電位の可能性が排除されます。
しかし、コアが2つ以上の点で接地されている場合、コアの各部分間の不均一な電位により、接地ポイント間で循環電流が流れ、多点接地障害と局所的な過熱が引き起こされます。このようなコアの接地障害は、重大な局所的な温度上昇を引き起こし、保護トリップを引き起こす可能性があります。極端な場合、コアの溶けた部分がラミネーション間のショート回路を作り出し、コア損失が大幅に増加し、トランスフォーマーの性能と動作に深刻な影響を与えます—時にはシリコン鋼板のラミネーションの交換が必要になることもあります。したがって、トランスフォーマーは複数の接地ポイントを持ってはならず、1つだけの接地ポイントを持つことが求められます。
5. 温度制御システム
乾式変圧器の安全な動作と寿命は、巻線絶縁の安全性と信頼性に大きく依存しています。巻線の温度が絶縁の耐熱限界を超えると、絶縁が損傷します—これは変圧器の故障の主な原因の一つです。したがって、動作温度の監視と警報・トリップ制御は非常に重要です。
(1) 自動ファン制御：温度信号は、低圧巻線の最も熱くなる部分に埋め込まれたPt100抵抗温度検出器によって測定されます。変圧器の負荷が増加し、動作温度が上昇すると、巻線温度が110°Cに達した時点で冷却ファンが自動的に起動し、温度が90°Cに下がった時点で停止します。
(2) 高温警報および過熱トリップ：巻線またはコアからの温度信号は、低圧巻線に埋め込まれたPTC非線形サーミスタによって収集されます。巻線の温度が上昇し155°Cに達すると、システムは過熱警報信号を出力します。さらに温度が170°Cに上昇すると、変圧器は安全に動作できなくなり、過熱トリップ信号が二次保護回路に送られなければなりません。
(3) 温度表示システム：温度値は、低圧巻線に埋め込まれたPt100サーミスタによって測定され、各相巻線の温度（三相監視、最大値表示、歴史的ピーク温度記録）を直接表示します。システムは最高温度の4–20 mAアナログ出力を提供します。リモート伝送（最大1200メートル）が必要な場合は、コンピュータインターフェースと1つの送信機を装備することで、最大31台の変圧器を同時に監視することができます。Pt100サーミスタ信号はまた、過熱警報およびトリップをトリガーすることもできます。これにより、温度保護システムの信頼性がさらに向上します。
6. 乾式変圧器のエンクロージャ
動作環境の特性や保護要件に応じて、乾式変圧器には異なるタイプのエンクロージャを装備することができます。一般的にはIP20等級のエンクロージャが選択されます。これは直径12 mm以上の固体異物やネズミ、ヘビ、猫、鳥などの小動物が変圧器に入ることを防ぎ、ショート回路や停電のような重大な障害を避け、帯電部に対する安全バリアを提供します。
変圧器を屋外に設置する必要がある場合は、IP23等級のエンクロージャを使用することができます。IP20の保護に加えて、垂直方向から最大60°の角度で落ちてくる水滴も防止します。ただし、IP23のエンクロージャは変圧器の冷却能力を低下させるため、このタイプのエンクロージャを選択する際には適切に定格容量を引き下げることが必要です。
| Dust Protection Ⅰ | Water Protection P | ||
| Number | Protection Scope | Number | Protection Scope |
| 0 | No Protection | 0 | No Protection |
| 1 | Prevent intrusion of solid foreign objects with diameter > 50mm (Prevent human body, e.g., palm) | 1 | Prevent water droplet intrusion (Prevent vertically falling water droplets, e.g., condensed water) |
| 2 | Prevent intrusion of solid foreign objects with diameter > 12.5mm (Prevent human fingers) | 2 | Still prevent water droplet intrusion when tilted at 15° |
| 3 | Prevent intrusion of solid foreign objects with diameter > 2.5mm | 3 | Prevent sprayed water intrusion (Rainproof or prevent at an angle < 60° from vertical) |
| 4 | Prevent intrusion of solid foreign objects with diameter > 1.0mm | 4 | Prevent splashed water intrusion (Prevent splashing from all directions) |
| 5 | Prevent foreign objects and dust | 5 | Prevent jet water intrusion (Resist low-pressure water spraying for at least 3 minutes) |
| 6 | Prevent foreign objects and dust | 6 | Prevent heavy wave intrusion (Resist large-volume water spraying for at least 3 minutes) |
| 7 | Prevent water intrusion during immersion (Resist in 1-meter-deep water for 30 minutes) | ||
| 8 | Prevent water intrusion during submersion | ||
7. 干式変圧器の冷却方法
干式変圧器には、自然空冷（AN）と強制空冷（AF）の2つの冷却方法があります。
自然空冷では、変圧器は定格容量で長時間連続運転することができます。
強制空冷では、変圧器の出力容量を50％増やすことができ、断続的な過負荷運転や緊急時の過負荷状況に適しています。ただし、過負荷運転中は負荷損失とインピーダンス電圧が大幅に増加し、経済的に不利な運転となります。したがって、長時間の連続過負荷運転は避けるべきです。
8. 干式変圧器の試験項目
巻線の直流抵抗測定：
内部導体の溶接品質、分接点とリード間の接触状態、および相抵抗のバランスを確認します。通常、ライン間抵抗の不均衡は2％以下、相間不均衡は4％以下であるべきです。直流抵抗の不均衡が大きすぎると、三相間に循環電流が発生し、循環電流損失が増加し、変圧器の過熱などの望ましくない影響が生じます。すべての分接位置での電圧比チェック：
ターン数が正しいか、すべての分接接続が適切に配線されているかを確認します。高圧側（およびそのさまざまな分接点）に1000 Vを適用し、低圧側で約400 Vが出力されるかを確認します。三相巻線接続グループと極性のチェック。
コア絶縁固定具とコア自体の絶縁抵抗測定。
巻線の絶縁抵抗測定：
高圧、低圧巻線と接地間の絶縁レベルを評価します。通常、2500 Vのメガオーム計を使用し、測定された絶縁抵抗値（HV–LV、HV–接地、LV–接地）は指定された標準値を超える必要があります。巻線の交流耐電圧試験：
介電強度試験を通じて、HV、LV、および接地間の主な絶縁強度を評価します。この試験は、製造中に導入された局所的な欠陥を検出する上で決定的です。干式変圧器の場合、一般的な試験電圧は、10 kV巻線に対して35 kV、0.4 kV巻線に対して3 kVであり、それぞれ1分間破壊なく適用されれば合格とされます。変圧器の各側の遮断器の切り替えおよび連鎖試験：
保護継電動作の信頼性を確認し、切り替え装置が完全で欠陥がないことを確認します。
9. 冲击切换（涌流）试验
(1) 空載変圧器を切断すると、スイッチング過電圧が発生する可能性があります。中性点が未接地または消弧コイルを通じて接地された電力システムでは、過電圧の大きさは位相電圧の4〜4.5倍に達することがあります。直接接地された中性点を持つシステムでは、最大で位相電圧の3倍に達することがあります。変圧器の絶縁が全電圧またはスイッチング過電圧に耐えられるかどうかを確認するために、衝撃試験が必要です。
(2) 空載変圧器に電力を供給すると、励磁インラッシュ電流が発生し、これは定格電流の6〜8倍に達することがあります。インラッシュ電流は初期に急速に減少し、通常0.5〜1秒以内に定格電流の0.25〜0.5倍まで減少しますが、完全な減少には大きな容量の変圧器では数十秒かかることがあります。インラッシュ電流によって生成される大きな電磁力により、衝撃試験は変圧器の機械的強度を評価し、インラッシュ電流の初期減衰段階での保護継電の誤動作を評価するために行われます。
一般に、新設された変圧器は5回の衝撃試験を受け、大規模修繕後の変圧器は3回の衝撃試験を受けます。
10. 無負荷試験
無負荷試験の目的は：
変圧器の無負荷損失と無負荷電流を測定すること；
コアの設計と製造が技術仕様と基準を満たしているかを確認すること；
コアの局部的な過熱や局部的な絶縁不良などの欠陥を検出すること。
試験中、高圧側は開放され、低圧側に定格電圧が適用されます。無負荷損失は主にコア（鉄）損失です。
無負荷試験で検出できる欠陥には以下のものがあります：
シリコン鋼板間の絶縁不良；
コア鋼板間の局部的なショート回路または焼損；
コア貫通ボルト、鋼製バンド、クランププレート、上部ヨーク等の絶縁不良によるショート回路；
シリコン鋼板の緩み、ずれ、または磁気回路内の過大なエアギャップ；
コアの多点接地；
巻線の巻き間または層間ショート回路、または並列ブランチ間の巻数の不均一によるアンペアターンの不均衡；
高損失・低品質のシリコン鋼板の使用、または設計計算の誤り。
11. 短絡試験
短絡試験は主に短絡損失とインピーダンスを測定します。これは、巻線構造の正確性を確認するために導入時に実施され、巻線交換後に以前の試験結果との大きな偏差がないかをチェックするためにも行われます。
試験電源は三相または単相であり、高圧側に適用され、低圧側は短絡されます。試験中、高圧側の電流は定格値まで上昇させ、低圧側の電流は定格電流に保たれます。
12. 干式トランスフォーマーの異常状態の処理
12.1 異常なトランスフォーマーの音
以下のような原因による機械的なノイズ：
コア固定ボルトが緩んでいる場合；
輸送または設置時の取り扱い不良によりコアの角が変形している場合；
コアの一部を橋渡しする異物がある場合；
ファン取り付けネジが緩んでいたり、ファン内部に異物が存在する場合；
筐体取り付けネジが緩んでいてパネルが振動し、ノイズを発生させる場合；
低圧母線固定ネジが緩んでいるか、柔軟な接続が不足していることで振動とノイズが発生する場合。
供給電圧が過剰に高い場合、過励磁が起こり、より大きな唸り音が発生する。
高次谐波によるノイズ：パターンが不規則で、音量が変わり、断続的に現れる。主に、供給または負荷側にあるハーモニックを生成する設備（例：電気炉、サイリスタ整流器）がトランスフォーマーにハーモニックをフィードバックすることで引き起こされる。
環境要因：壁が滑らかな小さなトランスフォーマールームでは、共鳴「スピーカーボックス」効果が発生し、感知されるノイズが増幅される。
12.2 異常な温度表示
センサーが温度表示装置の裏面のソケットに挿入されていない—故障表示ランプが点灯する；
センサープラグの接続が緩んでいると抵抗が増加し、誤って高い温度が表示される；
ある相での無限大の温度表示は、センサーのプラチナ抵抗線に開路があることを示す；
ある相での異常に高い読み取り値は、プラチナ抵抗が部分的に破断（間欠的）状態であることを示唆する。
トランスフォーマーは電磁誘導の原理に基づいて動作します。トランスフォーマーの主要な構成要素は巻線とコアです。動作中に、巻線は電流の経路として機能し、コアは磁束の経路として機能します。一次巻線に電気エネルギーが供給されると、交流によってコア内に交流磁場が生成されます（つまり、電気エネルギーは磁場エネルギーに変換されます）。磁気連携（磁束連携）により、二次巻線を通る磁束が継続的に変化し、二次巻線に起電力（EMF）が誘導されます。外部回路が接続されると、電気エネルギーが負荷に供給されます（つまり、磁場エネルギーは再び電気エネルギーに変換されます）。この「電気–磁気–電気」の変換過程は電磁誘導の原理に基づいて実現され、このエネルギー変換過程がトランスフォーマーの動作原理を構成しています。
