電力変圧器における絶縁不良の分析と対策
最も広く使用されている電力変圧器：油浸型と樹脂型ドライタイプ変圧器
今日最も広く使用されている2つの電力変圧器は、油浸型変圧器と樹脂型ドライタイプ変圧器です。電力変圧器の絶縁システムは、様々な絶縁材料で構成され、その適切な動作には不可欠です。変圧器の寿命は主に絶縁材料（オイル紙または樹脂）の寿命によって決定されます。
実際には、ほとんどの変圧器の故障は絶縁システムの損傷によるものです。統計によると、絶縁に関連する故障は変圧器事故の85%以上を占めています。適切にメンテナンスされた変圧器では、特に絶縁管理に注意を払うことで非常に長い寿命を達成することができます。したがって、変圧器の正常な動作を保護し、絶縁システムの合理的なメンテナンスを強化することで、変圧器の寿命を大幅に延ばすことができ、予防的および予測的なメンテナンスが変圧器の長寿命と電力供給の信頼性向上に重要な鍵となります。
1. 固体紙絶縁の故障
油浸型変圧器では、主な絶縁材料は絶縁油と固体絶縁材料（絶縁紙、プレスボード、木製ブロック）です。変圧器の絶縁劣化とは、これらの材料が環境要因により分解し、絶縁強度が低下または失われる現象を指します。
固体紙絶縁は、油浸型変圧器の絶縁システムの主要な構成要素の一つであり、絶縁紙、ボード、パッド、ロール、バインディングテープを含みます。その主成分はセルロースで、化学式は(C6H10O5)nで表され、nは重合度（DP）を示します。新しい紙の場合、通常DPは約1300で、機械強度が半分以上低下すると約250になります。
極端に老化してDPが150-200になると、材料は寿命の終わりを迎えます。絶縁紙が老化すると、DPと引張強度は徐々に減少し、水、CO、CO2、フリュラールアルデヒド（フランアルデヒド）が生成されます。これらの老化副産物は主に電気設備にとって有害であり、絶縁紙の耐電圧と体積抵抗率を低下させ、誘電損失を増加させ、引張強度を低下させ、金属部品の腐食を引き起こす可能性があります。
固体絶縁は、機械的および電気的な強度の劣化が回復不可能な特性を持っています。変圧器の寿命は主に絶縁材料の寿命に依存するため、油浸型変圧器の固体絶縁材料は優れた電気絶縁特性と機械特性を持つ必要があり、何年もの運用中に性能がゆっくりと劣化する―これは良好な老化特性を示しています。
1.1 紙繊維材料の特性
絶縁紙繊維材料は、油浸型変圧器において最も重要な絶縁成分です。紙繊維は植物の基本的な固体組織成分です。金属導体のように自由電子が豊富にあるのとは異なり、絶縁材料はほとんど自由電子を持っておらず、導電電流は主にイオン伝導によるものです。セルロースは炭素、水素、酸素で構成されています。その分子構造内のヒドロキシル基により、セルロースは水分を形成する可能性があり、紙繊維には吸湿性があります。
さらに、これらのヒドロキシル基は、各種極性分子（酸や水など）によって周りを取り巻かれ、水素結合によって結合されており、繊維は損傷を受けやすいです。紙繊維は通常、約7%の不純物（水分を含む）を含んでいます。繊維のコロイド性質により、この水分は完全に除去することはできず、紙繊維の性能に影響を与えます。
極性繊維は水分（水は強い極性媒体）を容易に吸収します。紙繊維が水分を吸収すると、ヒドロキシル基間の相互作用が弱まり、繊維構造が不安定になることで機械強度が急速に低下します。そのため、紙絶縁部品は通常、乾燥または真空乾燥処理を行い、その後オイルまたは絶縁漆で浸漬してから使用されます。
浸漬の目的は、繊維を湿潤状態に保つことで、より高い絶縁性と化学的安定性、そして機械強度の向上を図ります。また、漆で紙をコーティングすることで、水分吸収を減らし、材料の酸化を防ぎ、空洞を埋めて泡を最小限に抑えることができます。これにより、絶縁性能が悪化し、部分放電や電気的破壊を引き起こす可能性が低くなります。ただし、漆浸漬後にオイル浸漬を行うと、一部の漆がオイルに溶解してオイルの性能に影響を与える可能性があるため、このような塗料の適用には注意が必要です。
もちろん、異なる繊維材料の組成や同じ組成の繊維でも品質レベルが異なると、異なる影響と特性があります。例えば、綿は最高の繊維含有量を持ち、亜麻は最も強い繊維を持ち、特定の輸入絶縁プレスボードは国内の紙板よりも優れた性能を示します。多くの変圧器の絶縁材料は、紙テープ、プレスボード、プレス加工された紙部品などの様々な形の紙を使用しています。
したがって、変圧器の製造およびメンテナンスにおいて、高品質の繊維ベースの絶縁紙材料を選択することは重要です。繊維紙は、実用性、低コスト、加工の容易さ、中程度の温度での簡単な成形と処理、軽量、適度な強度、浸漬材料（絶縁漆や変圧器オイル）の吸収性といった特別な利点を提供します。
1.2 紙絶縁材料の機械強度
油浸型変圧器の紙絶縁材料選択において、繊維組成、密度、透過性、均一性以外にも、引張強度、穿孔強度、裂け強度、靭性などの機械強度要件が重要です：
引張強度：紙繊維が引張負荷により破れない最大ストレス。
穿孔強度：紙繊維が圧力により割れない能力の尺度。
裂け強度：紙繊維を引き裂くのに必要な力は関連する規格を満たす必要があります。
強度：紙を折るときまたはプレスボードを曲げるときの強度は、対応する要件を満たす必要があります。
固体絶縁性能は、サンプリングによって紙またはプレスボードの重合度を測定するか、高性能液体クロマトグラフィーを使用して油中のフリューラル含量を測定することで評価できます。これにより、内部変圧器の故障が固体絶縁に関連しているかどうか、低温での過熱が巻線絶縁の局所的な老化を引き起こしているかどうか、または固体絶縁の老化度を決定することができます。運転およびメンテナンス中の紙繊維絶縁材料については、変圧器の定格負荷を制御し、良好な空気循環と熱放出を確保し、変圧器の温度上昇やタンク内の油不足を防ぐことが重要です。また、油汚染や劣化を防ぎ、繊維の老化を加速させ、変圧器の絶縁性能、寿命、安全な運転に影響を与えることも必要です。
1.3 紙繊維材料の劣化
これは主に以下の3つの側面から構成されます：
繊維の脆化：過度の熱により、繊維材料から水分が分離されると、繊維の脆化が加速します。脆くなった剥がれやすい紙は、機械振動、電磁力、および動作波の衝撃下で絶縁不良や電気事故を引き起こす可能性があります。
繊維材料の機械的強度の低下：繊維材料の機械的強度は、加熱時間が長くなるにつれて低下します。変圧器の加熱により、再び絶縁材料から水分が排出されると、絶縁抵抗値は増加するかもしれませんが、機械的強度は大幅に低下し、短絡電流やインパルス負荷からの機械的力を耐えられなくなります。
繊維材料の収縮：脆化した後、繊維材料は収縮し、締め付け力が減少し、移動が生じる可能性があります。これにより、電磁振動やインパルス電圧下で変圧器の巻線が移動し摩擦が生じ、絶縁が損傷する可能性があります。
2. 液体油絶縁の故障
オイル浸漬変圧器は1887年にアメリカの科学者Thompsonによって発明され、1892年にGeneral Electricなどによって電力変圧器への応用が推進されました。ここでの液体絶縁とは、変圧器油絶縁を指します。
2.1 オイル浸漬変圧器の特徴：
① 電気絶縁強度が大幅に向上し、絶縁距離が短縮され、設備の体積が減少します；② 有効な熱伝導と放熱が大幅に向上し、導体の許容電流密度が増加し、設備重量が減少します。動作中の変圧器コアからの熱は、変圧器油の熱循環を通じて変圧器ケースとラジエータに伝達され、効果的な冷却が行われます；③ オイル浸漬とシールにより、内部の一部の部品や組み立て品の酸化が抑制され、寿命が延びます。
2.2 変圧器油の特性
動作中の変圧器油は、安定かつ優れた絶縁性と熱伝導性を持つ必要があります。主要な特性には、絶縁強度（tan δ）、粘度、凝固点、および酸価があります。石油から精製された絶縁油は、様々な炭化水素、樹脂、酸、その他の不純物の混合物であり、完全に安定した性質ではありません。温度、電界、光の影響下では、油は継続的に酸化します。通常条件下では、この酸化過程はゆっくりと進行します。適切なメンテナンスにより、油は20年間は品質を維持し、老化することなく使用できます。しかし、油中に混入した金属、不純物、ガスは酸化を加速し、油の品質を低下させ、色が濃くなり、透明性が失われ、水分量、酸価、灰分量が増加し、油の特性が悪化します。
2.3 変圧器油の劣化原因
変圧器油の劣化は、重度に基づいて汚染と劣化の段階に分けられます。
汚染とは、水分や不純物が油に混入することを指します—これらは酸化生成物ではありません。汚染された油は、絶縁性能が低下し、破壊電界強度が減少し、誘電損失角が増加します。
劣化は、油の酸化によって引き起こされます。この酸化は、純粋な油の炭化水素の酸化だけでなく、特に銅、鉄、アルミニウムなどの金属粒子を含む油中の不純物が酸化過程を加速します。
酸素は変圧器内の空気から来ます。完全に密封された変圧器でも、約0.25%の酸素が存在します。酸素は溶解度が高いため、油中の溶解ガスの中で高い割合を占めます。
変圧器油の酸化時には、触媒として働く水分と加速剤として働く熱により、変圧器油はスラッジを生成します。これは主に以下のような影響を与えます：電界の影響下で大きな沈殿粒子が形成され、最も強い電界の領域に不純物が集中し、変圧器絶縁間に導電性の「橋」が形成される；不均一な沈殿が電界線に沿って細長い帯状に形成され、熱放出を阻害し、絶縁材料の老化を加速し、絶縁抵抗の低下と絶縁レベルの低下を引き起こす。
2.4 変圧器油の劣化過程
油の劣化過程において、主な副生成物にはペルオキサイド、酸、アルコール、ケトン、スラッジがあります。
初期の劣化段階：油はペルオキサイドを生成し、これが絶縁繊維材料と反応して酸化セルロースを形成し、絶縁繊維の機械的強度を低下させ、脆化と絶縁の収縮を引き起こします。生成された酸は粘性のある脂肪酸です。ミネラル酸ほど腐食性はありませんが、有機絶縁材料に対する成長率と影響は大きいです。
後期劣化段階：酸が銅、鉄、絶縁バライッシュ、その他の材料を腐食し、スラッジと呼ばれる粘性の高いアスファルトのようなポリマー伝導性物質を形成します。これは油に中程度溶解し、電界の影響下で急速に形成され、絶縁材料や変圧器タンクの端部に付着し、油管やラジエーターフィンに堆積し、変圧器の動作温度を上昇させ、誘電強度を低下させます。
油の酸化過程は主に2つの反応条件から成ります：まず、変圧器内の酸値が非常に高くなり、油が酸性になること；次に、油中に溶けた酸化物が油に溶けない化合物に変化し、徐々に変圧器油の品質が悪化することです。
2.5 変圧器油の分析、評価、メンテナンス
① 絶縁油の劣化：物理的および化学的な特性が変わり、電気性能が低下します。油の酸値、界面張力、スラッジ沈殿、水溶性酸値のテストにより、この欠陥タイプが存在するかどうかを判定できます。油再生処理により劣化物質を除去できるかもしれませんが、その過程で天然の抗酸化剤も除去される可能性があります。
② 絶縁油の水分汚染：水は強極性物質であり、電界下で容易にイオン化し分解し、絶縁油中の導電電流を増加させます。わずかな湿気でも絶縁油の誘電損失が大幅に増加します。油の水分含有量を測定することでこの欠陥タイプを特定できます。圧力真空油フィルターは通常、水分を除去します。
③ 絶縁油の微生物汚染：主変圧器の設置やコア吊り上げ時に、絶縁部品上の昆虫や人の汗の残留物が細菌を運び、絶縁油を汚染するか、または油自体がすでに微生物に感染していることがあります。主変圧器は通常40-80℃の環境で動作しており、これは微生物の成長と繁殖にとって非常に適しています。微生物とその排泄物のミネラルやタンパク質は絶縁油よりもはるかに低い絶縁特性を持つため、油の誘電損失を増加させます。この欠陥は現場での循環処理では対処が難しく、固体絶縁材には常に一部の微生物が残ります。処理後、変圧器の絶縁は一時的に回復しますが、動作環境は微生物の再成長を促進し、年々絶縁が劣化します。
④ 極性物質を含むアルキドレジン絶縁バライッシュが油に溶解：電界下で極性物質は双極子緩和極化を起こし、交流極化プロセス中にエネルギーを消費し、油の誘電損失を増加させます。絶縁バライッシュは工場出荷前に硬化処理を受けますが、完全な処理が行われていない場合もあります。一定期間動作すると、不完全に処理されたバライッシュが徐々に油に溶解し、絶縁性能が徐々に劣化します。この欠陥の発生時間はバライッシュ処理の徹底性に関連しており、1〜2回の吸着処理で一定の効果が得られます。
⑤ 水と不純物だけが混入した油：この汚染は油の基本的な特性を変えることはありません。湿気は乾燥によって除去でき、不純物はろ過によって除去でき、油中の空気は真空引きによって除去できます。
⑥ 2つ以上の異なる源の絶縁油の混合：油の特性は関連する仕様を満たす必要があります。油の比重、凝固点、粘度、閃点は類似しているべきであり、混合油の安定性も要求を満たす必要があります。劣化した混合油に対しては、化学的再生法が必要となり、劣化物質を分離し、特性を回復します。
3. ドライタイプレジン変圧器の絶縁と特性
ドライタイプ変圧器（ここではエポキシレジン絶縁変圧器を指す）は、高層ビル、空港、石油貯蔵所など、防火要件が高い場所で主に使用されます。
3.1 レジン絶縁の種類
エポキシレジン絶縁変圧器は製造プロセスの特性に基づいて3つのタイプに分類できます：エポキシ-珪砂混合真空鋳型型、エポキシ-無機ガラス繊維補強真空差圧鋳型型、無機ガラス繊維巻き浸漬型。
① エポキシ-珪砂混合真空鋳型絶縁：これらの変圧器はエポキシレジンの充填剤として珪砂を使用します。絶縁バライッシュで巻かれ処理されたコイルは鋳型に入れられ、エポキシレジンと珪砂の混合物で真空鋳型されます。鋳型プロセスが品質要件を満たすのが難しいため、残存バブル、混合物の局所的な非均一性、潜在的な局所熱ストレスクラックなどの問題があり、これらの絶縁変圧器は湿度の高い環境や負荷変動の大きい地域には適していません。
② エポキシ無機ガラス繊維補強真空差圧鋳型絶縁：この方法では短い無機ガラス繊維またはガラスマットを巻線層間の外側絶縁として使用します。最外層の絶縁巻き厚さは通常1-3mmの薄い絶縁です。エポキシレジン鋳型材料と適切な割合で混合し、高真空下で空気泡を除去した後に鋳型します。巻き絶縁厚さが薄いため、浸透不良により部分放電点が形成されやすいです。そのため、鋳型材料混合物は完全でなければならず、真空脱気は徹底的に行われ、低粘度と鋳型速度を制御して、鋳型中にコイルパッケージの高品質な浸透を確保しなければなりません。
③ 無機ガラス繊維巻き浸漬絶縁：これらの変圧器は巻線中に層絶縁処理とコイル浸漬を同時に完了します。前の2つの浸漬プロセスに必要な巻線成形金型は必要ありませんが、巻線と浸漬中に微小バブルを保持しない低粘度レジンが必要です。
3.2 レジン変圧器の絶縁特性とメンテナンス
レジン変圧器の絶縁レベルは油浸変圧器と大きく異ならないが、主な違いは温度上昇と部分放電測定にある。
① 温度上昇特性：樹脂変圧器は油浸変圧器よりも平均温度上昇が高く、耐熱グレードの高い絶縁材料が必要です。しかし、平均温度上昇は巻線内の最も高温な部分の温度を反映していません。絶縁材料の耐熱グレードが平均温度上昇に基づいて選ばれたり、不適切に選ばれたり、または樹脂変圧器が長期にわたって過負荷状態で動作したりすると、変圧器の寿命に影響します。
測定された変圧器の温度上昇はしばしば最も高温な部分の温度を反映していないため、可能な限り最大負荷運転下での樹脂変圧器の最も高温な部分を赤外線温度計でチェックする必要があります。冷却ファンの方向と角度を適切に調整することで、局所的な温度上昇を制御し、変圧器の安全な動作を確保することができます。
② 局部放電特性：樹脂変圧器における局部放電の大きさは、電界分布、樹脂混合物の一様性、残存気泡や樹脂の割れがあるかどうかに関連しています。局部放電の大きさは樹脂変圧器の性能、品質、および寿命に影響を与えます。したがって、局部放電レベルの測定と受け入れは、製造プロセスと品質の包括的な評価となります。局部放電の測定は、樹脂変圧器の引き渡し検査時および大規模修理後に実施し、局部放電の変化を用いて品質と性能の安定性を評価します。
乾式変圧器がますます広く使用されるにつれて、変圧器を選択する際には、製造プロセス構造、絶縁設計、および絶縁構成を十分に理解する必要があります。完全な生産プロセスを持つメーカー、厳格な品質保証システム、厳密な生産管理、信頼性のある技術的性能を持つ製品を選択することで、変圧器の品質と熱寿命を確保し、安全な動作と供給電力の信頼性を向上させることができます。
4. 変圧器の絶縁故障に影響を与える主な要因
変圧器の絶縁性能に影響を与える主な要因には、温度、湿度、油保護方法、および過電圧効果があります。
4.1 温度の影響
電力変圧器は、油紙絶縁を使用しており、異なる温度では油と紙の水分含有量の間で異なる平衡関係があります。一般的に、温度が上昇すると、紙からの水分が油に移動します。逆に、紙は油から水分を吸収します。したがって、温度が高い場合、変圧器の絶縁油中の微量水分含量は高くなります。逆に、微量水分含量は低くなります。
異なる温度により、セルロースの環開裂、鎖切断、および伴うガス生成が不同程度で発生します。特定の温度では、COおよびCO2の生成速度は一定であり、時間とともに油中のCOおよびCO2の含量は直線的に増加します。温度が継続的に上昇すると、COおよびCO2の生成速度はしばしば指数関数的に増加します。したがって、油中のCOおよびCO2の含量は絶縁紙の熱老化と直接関連し、封止型変圧器の紙層の異常を判断する基準の一つとして使用できます。
変圧器の寿命は絶縁の老化度に依存し、それはまた動作温度に依存します。例えば、定格負荷での油浸変圧器の平均巻線温度上昇は65℃、最も高温な部分の温度上昇は78℃です。平均周囲温度が20℃の場合、最も高温な部分の温度は98℃に達し、20-30年の動作が可能です。変圧器が過負荷で動作し、温度が上昇すると、寿命はそれに応じて短くなります。
国際電気標準会議（IEC）によれば、80-140℃の範囲で動作するクラスA絶縁変圧器において、温度が6℃上昇するごとに変圧器絶縁の有効寿命の減少率は2倍になります—これを6℃ルールと呼び、これは以前に受け入れられていた8℃ルールよりも厳しい熱制限を示しています。
4.2 湿度の影響
水分の存在はセルロースの劣化を加速します。したがって、COおよびCO2の生成はセルロース材料の水分含有量に関連しています。一定の湿度条件下では、水分含有量が高いほどCO2の生成が多くなり、逆に水分含有量が低いほどCOの生成が多くなります。
絶縁油中の微量水分は絶縁特性に大きな影響を与える重要な要因です。絶縁油中の微量水分は、絶縁媒体の電気的および物理化学的特性に大きな害を与えます。水分は絶縁油の火花放電電圧を低下させ、誘電損失係数（tan δ）を増加させ、絶縁油の老化を加速し、絶縁性能を悪化させます。設備が水分に曝露すると、電力設備の動作信頼性と寿命が低下し、設備の損傷や個人の安全を危険にさらす可能性もあります。
4.3 油保護方法の影響
変圧器油中の酸素は絶縁分解反応を加速し、酸素含有量は油保護方法に関連しています。さらに、異なる保護方法によってCOおよびCO2の溶解と拡散条件が異なります。例えば、COは溶解度が低いため、開放型変圧器では容易に油表面空間に拡散し、通常CO体積分数は300×10-6以下に制限されます。密封型変圧器では、油表面が空気から隔離されているため、COおよびCO2は容易に揮発せず、結果として含量が高くなります。
4.4 過電圧の影響
① 一時的な過電圧の影響：正常に動作している三相変圧器では、相間電圧の58%が相対地電圧となります。しかし、単相障害時には、中性点接地システムでは主要絶縁電圧が30%増加し、非接地中性点システムでは73%増加し、絶縁に損傷を与える可能性があります。
② 落雷による過電圧の影響：落雷による過電圧は急激な波形を持ち、長手方向絶縁（ターン間、層間、ディスク間）に非常に不均等な電圧分布をもたらし、絶縁に放電痕を残し、固体絶縁を損傷させる可能性があります。
③ 開閉過電圧の影響：開閉過電圧は比較的緩やかな波形を有しており、ほぼ直線的な電圧分布を引き起こします。開閉過電圧波が一つの巻線から別の巻線へと移動する際、電圧は両巻線間のターン比にほぼ比例し、主絶縁または相間絶縁の劣化や損傷を容易に引き起こします。
4.5 短絡電動力効果
送出短絡時の電動力は、変圧器の巻線を変形させ、リードをずらす可能性があり、元の絶縁距離を変更し、絶縁部の加熱、劣化または損傷を加速し、放電、アーク、短絡障害を引き起こします。
5.結論
要するに、パワートランスフォーマーの絶縁性能を理解し、適切な運転と維持管理を行うことは、トランスフォーマーの安全性、寿命、および電力供給の信頼性に直接影響します。電力システムにおける重要な主要設備であるパワートランスフォーマーの運転、維持管理担当者および管理者は、トランスフォーマーの絶縁構造、材料特性、製造品質、維持方法、科学的な診断技術を理解し、掌握する必要があります。最適で合理的な運用管理を通じてのみ、パワートランスフォーマーの効率、寿命、および電力供給の信頼性を確保することができます。
