電力変圧器コアおよびクランプの接地方法の最適化

トランスフォーマーの接地保護措置は2種類に分けられます。第1は、トランスフォーマーの中性点接地です。この保護措置は、トランスフォーマー運転中に三相負荷の不均衡によって生じる中性点電圧の漂移を防ぎ、保護装置が迅速にトリップし、短絡電流を減少させるためのものです。これはトランスフォーマーの機能接地とされています。第2の措置は、トランスフォーマーのコアとクランプの接地です。

この保護は、運転中の内部磁場によりコアとクランプ表面に誘導電圧が発生し、部分放電故障につながる可能性があることを防ぎます。これはトランスフォーマーの保護接地とされています。安全で信頼性の高いトランスフォーマーの運転を確保するため、本記事では特にトランスフォーマーのコアとクランプに対する接地方法を分析し、最適化します。

1. コアとクランプの接地の重要性

トランスフォーマーの主な内部構成要素には、巻線、コア、およびクランプがあります。巻線はトランスフォーマーの電気回路を形成し、コアは磁気回路を構成し、クランプは主に巻線とコアのシリコン鋼板を固定するために使用されます。通常の運転中に一次巻線と二次巻線に電流が流れると、磁界が生成されます。この磁界環境下で、コアとクランプの表面に誘導電圧が発生します。

磁界強度が増加すると、磁束も徐々に大きくなり、誘導電圧も上昇します。磁界分布の不均一さにより、非均一な誘導電圧が生じ、コアとクランプ表面での連続的な放電を引き起こし、トランスフォーマー内部の故障につながります。このようなトランスフォーマー内で内部放電故障を引き起こす電圧は「フローティング電圧」と呼ばれています。そのため、運転中にトランスフォーマーのコアとクランプは一点で接地され、誘導電圧を減少させ、除去する必要があります。

トランスフォーマーのコアとクランプを接地する際、一つの接地点のみが許可されており、コアとクランプ間の循環電流を防止します。二つ以上の接地点が存在すると、電位差によりコアとクランプ間で循環電流が発生し、トランスフォーマー内部の異常な温度上昇を引き起こします。これは直接的に内部固体絶縁を損傷し、絶縁油の劣化を加速し、トランスフォーマーの正常な寿命に影響を与えます。

2. コアとクランプの接地方法と最適化アプローチ

現在の中国のトランスフォーマー設計において、コアとクランプの接地は主に小さなブッシングまたは絶縁ボルトを通じてトランスフォーマータンク外部に接続し、そこから接地することで達成されます。この接地アプローチはさらに2つの方法に分かれます。

最初の接地方法（図1）は、コアとクランプをブッシングまたは絶縁ボルトを通じて接続し、それらを直接ショートさせて接地します。通常のトランスフォーマー運転中に、この接地方法は3つの電流経路I1、I2、およびI3を示します：

• I1: コア → 接地端子 → 接地

• I2: クランプ → 接地端子 → 接地

• I3: コア → 接地端子 → 接地 → クランプ

2番目の接地方法（図2）は、コアとクランプをブッシングまたは絶縁ボルトを通じて別々の接地点に接続します。この接地方法も通常運転中に3つの電流経路を示します：

• I1: コア → コア接地点 → 接地

• I2: クランプ → クランプ接地点 → 接地

• I3: コア → コア接地点 → 地 → クランプ接地点 → クランプ

上記の2つの接地方法について、誘導接地電流I1とI2は正常な状況を表していますが、誘導接地電流I3は大きく異なります。

図1に示す接地方法では、誘導電流はコア → 接地端子 → クランプという経路を通り、「循環電流」がトランスフォーマーのコアとクランプ間に形成されます。この電流の熱効果により、トランスフォーマー内部の温度が異常に上昇します。高温は直接固体絶縁の劣化と絶縁油の老化を引き起こします。また、循環電流の影響により、オンライン監視システムはコアとクランプの接地電流を正確に測定できず、設備障害が発生した際に誤診断を引き起こします。したがって、最初の接地方法には大きな欠点があります。

一方、図2に示す接地方法では、誘導電流はコア → コア接地 → 地 → クランプ接地 → クランプという経路を通ります。電流が高抵抗の地を通るので、コアとクランプ間で「循環電流」は形成されません。これにより、トランスフォーマーの異常な温度上昇を防ぎ、オンライン監視システムはコアとクランプの接地電流を正確に測定できます（DL/T 596-2021 電力予防試験規程によれば、コア接地電流は0.1 A以下、クランプ接地電流は0.3 A以下であることが必要です）。これにより、トランスフォーマー内部の故障が存在するかどうかを判断するための信頼できる証拠が得られます。

xx-223000/500 無励磁電圧調整電力トランスフォーマーの場合、コアとクランプは図1に示す方法で接地されていますが、いくつかの運転上の問題があります：

(1) 運転中に内部コアとクランプ間に「循環電流」が容易に形成されます。熱効果により異常な温度上昇が生じ、固体絶縁の劣化と絶縁油の老化を加速し、トランスフォーマーの寿命を短縮します。

(2) 「循環電流」の影響により、オンライン監視システムはコアおよびクランプの接地電流を正確に測定できず、内部障害を決定するための決定的な証拠を提供することは不可能です。

(3) コアおよびクランプの誘導された接地電流は継続的に測定され、オンラインシステムによって監視されるリーク電流と比較することで、監視システムの精度を確認することができます。

(4) 変圧器のメンテナンスや修理中にコア/クランプと接地間の絶縁抵抗を測定する際には、外部の接地リード線を切断する必要があります。この変圧器モデルでは、M10銅ボルト（接地から絶縁）を使用してコアとクランプを接続しており、これは優れた導電性を持っていますが、機械強度が低く破損しやすいです。現場作業において、狭い空間と不均衡な力は簡単に銅ボルトの破断を引き起こします。変圧器のコンパクトな内部構造を考えると、この故障に対処するにはタンクカバーを吊り上げて交換する必要があり、通常のメンテナンスサイクルと運用効率に影響を与えます。

これらの4つの問題を考慮し、動作中のコアおよびクランプの誘導接地電流を正確に検出するために、変圧器の寿命を延ばし、「循環電流」を排除し、メンテナンス作業による損傷が修理範囲を拡大することを防ぐため、図1の構成から図2の構成へと変圧器のコアおよびクランプの接地方法を最適化することが推奨されます。

3.結論

変圧器の内部部品と機能について詳細に紹介し、運転中の放電障害を科学的に分析することで、欠陥部品に対する修正が成功裏に実施されました。このアプローチにより、設備の寿命が延び、電力網の安全性が向上し、設備のメンテナンスコストが削減されました。