電力変圧器：ショートサーキットのリスク、原因、および改善措置

電力変圧器：ショートサーキットのリスク、原因、および改善策

電力変圧器は、エネルギー伝送を提供し、安全な電力運転を確保する重要な誘導装置です。その構造は一次コイル、二次コイル、鉄心からなり、電磁誘導の原理を利用して交流電圧を変更します。長年の技術的改善により、供給電力の信頼性と安定性は継続的に向上していますが、様々な顕著な隠れた危険がまだ存在します。一部の変圧器ユニットはショートサーキットへの耐衝撃性が不足しており、ショートサーキット現象に容易に遭遇します。効果的に故障原因と位置を特定するために、変圧器の故障と診断技術に関する研究を強化し、効率的に変圧器の故障診断問題を解決するための対応技術を採用する必要があります。

1. 電力変圧器のショートサーキットの危険性

• スージュレント電流の影響：変圧器での突然のショートサーキットは大きなショートサーキット電流を生成します。その期間は短いですが、変圧器の主回路が切断される前に、この隠れた危険はすでに形成され、変圧器の内部損傷や絶縁レベルの低下を引き起こす可能性があります。

• 電磁力の影響：ショートサーキット時には過電流によって大きな電磁力が発生し、安定性に影響を与えます。深刻な場合、変圧器の巻線が一定程度影響を受け、例えば巻線の変形、巻線の絶縁強度の損傷、他の部品の損傷などが発生します。極端な場合には、変圧器の燃焼などの電力安全事故につながる可能性があります。

2. 電力変圧器のショートサーキットの原因

(1) 電流計算プログラムは、リーク磁場分布の一様性、同一のターン径、同期力という理想的なモデルに基づいて開発されています。しかし、実際には変圧器内のリーク磁場は均一ではなく、特にヨーク部分で相対的に集中しており、ここで電磁線がより大きな機械力を受けることがあります。連続トランスポジションケーブル（CTC）のトランスポジションポイントでは、傾斜の変化により力の伝達方向が変わり、トルクが生成されます。スペーサブロックの弾性係数の要因により、スペーサブロックの軸方向の不均一な分布は、交流リーク磁場によって生成された交番力が遅延共振を体験することを引き起こします。これが、鉄心ヨーク部分、トランスポジションポイント、およびタップチェンジャとの対応位置にある巻線ディスクが最初に変形する根本的な理由です。

(2) 機械強度が低い従来のトランスポジションコンダクターを使用すると、ショートサーキット時の機械力により変形、ストランド分離、銅の露出が生じやすくなります。従来のトランスポジションコンダクターを使用すると、これらの位置で大電流と急激なトランスポジション登りにより大きなトルクが発生します。さらに、巻線の両端の巻線ディスクは、径方向および軸方向のリーク磁場の複合作用により大きなトルクを受け、ねじれ変形を起こします。

例えば、500kV楊高変圧器のA相共通巻線には71のトランスポジションがあり、比較的太い従来のトランスポジションコンダクターを使用したため、これらの中の66箇所で程度の差はありますが変形が見られました。同様に、武景第11主変圧器でも、鉄心ヨーク部分の高圧巻線端で、従来のトランスポジションコンダクターを使用したことにより、異なる程度のワイヤの反転と露出が見られました。

(3) ショートサーキット耐性の計算では、温度が電磁線の曲げ強度および引張強度に与える影響を考慮していません。常温で設計されたショートサーキット耐性は、実際の動作条件を反映していません。テスト結果によれば、電磁線の温度はその降伏限界（σ0.2）に大きく影響します。電磁線の温度が上昇すると、曲げ強度、引張強度、伸長率はすべて低下します。250°Cでは、50°Cよりも大幅に曲げ強度と引張強度が低くなり、伸長率も40%以上減少します。実際の動作中、変圧器は定格負荷で平均巻線温度が105°Cになり、ホットスポット温度は118°Cに達します。多くの変圧器は動作中に自動再閉鎖プロセスを経験します。

したがって、ショートサーキット点がすぐに消えなければ、変圧器は非常に短時間（0.8秒）で2回目のショートサーキットの衝撃を受けることになります。しかし、最初のショートサーキット電流の衝撃後、巻線の温度は急激に上昇します。GB1094基準によると、最大許容温度は250°Cであり、この時点で巻線のショートサーキット耐性は大幅に低下しています。これが、多くの変圧器のショートサーキット事故が再閉鎖操作後に発生する理由を説明しています。

(4) 巻線構造が緩く、トランスポジション処理が不適切で、または過度に薄いと、電磁線が浮遊状態になります。事故による損傷部位の観点からは、特にトランスポジションコンダクターのトランスポジション位置での変形が最も一般的です。

(5) 柔軟な導体の使用は、変圧器のショートサーキット耐性が低い主要原因の一つです。この問題に対する早期の理解が不足していたり、巻線装置や工程上の困難があったため、製造者は半硬質導体を使用することを渋っていたか、設計にはそのような要求がありませんでした。故障した変圧器はすべて柔軟な導体を使用していました。

(6) 過剰な組み立て間隙により、電磁線に対する支持が不十分となり、変圧器のショートサーキット耐性の潜在的な危険が生じます。

(7) 各種巻線またはタップ位置に対するプレテンション力が不均一であると、ショートサーキット時の衝撃で巻線ディスクがジャンプし、電磁線に過度の曲げストレスがかかり、その後変形します。

(8) ターン間またはワイヤ間の硬化処理が不足していると、短絡耐性が低下します。初期のワイヤはバーニッシュ浸漬処理を受けており、損傷はありませんでした。

(9) ワインディングのプリテンション力の制御が不適切な場合、従来の転位導体で導体のずれが生じます。

(10) 頻繁な外部短絡事故により、複数回の短絡電流の影響による電磁力の累積効果が発生し、電磁線の軟化や内部相対的な変位が引き起こされ、最終的には絶縁破壊につながります。

3.電力変圧器の短絡耐性を向上させるための改善措置

(1) 問題が発生する前に短絡試験を行う

 大容量変圧器の運転信頼性は主にその構造と製造プロセスの品質に依存し、その後、各種試験を通じて機器の状態を時宜を得て把握します。変圧器の機械的安定性を理解するためには、短絡試験を行い、改良が必要な弱点を見つけることで、変圧器の構造強度設計に対する信頼性を確保することができます。

(2) 設計の標準化とコイル製造における軸方向圧縮プロセスの重視

変圧器の設計において、メーカーは損失の低減と絶縁レベルの向上だけでなく、機械的強度と短絡故障耐性の向上も考慮すべきです。製造プロセスに関しては、多くの変圧器が高電圧コイルと低電圧コイルが単一のプレートを使用する断熱プレートを使用しているため、この構造は高い製造プロセス基準を必要とします。スペーサーブロックは密化処理を受け、コイル加工後には個々のコイルに対して一定圧力下的乾燥を行い、圧縮されたコイルの高さを測定する必要があります。

上記の処理後、同じプレート上のコイルは同じ高さに調整されるべきです。最終組立時には、油圧装置を使用してコイルに指定された圧力を加え、設計およびプロセスに必要な高さを達成する必要があります。最終組立時には、高電圧コイルの圧縮だけでなく、特に低電圧コイルの圧縮の制御にも注意を払う必要があります。