単相配電変圧器の技術的特徴と応用はどのようなものがありますか

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フィールド: 変圧器解析

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1 単相トランスの技術的特徴

外国の配電網の運用実践から、単相トランスは非常に広く使用されていることが知られています。三相トランスと比較して、単相トランスには独自の利点があり、具体的には以下の通りです。

1.1 簡単な構造

この特性により、同じ材料を使用した場合、同じ容量の単相トランスの空載損失は三相トランスよりも低くなります。一定程度において、エネルギー節約と消費削減のニーズを満たすことができます。一般的に使用される100 kVAと50 kVAのトランスを例にとって、各種指標の比較を表1に示します。

年間8,000時間の運転時間を計算すると、100 kVAのD10単相配電トランスは、同容量のS9三相ユニットよりも1,280 kWh少ない空載損失となります。50 kVAのものは880 kWh節約されます。平均して、単相トランスは三相タイプよりも空載損失を50％以上削減します。

1.2 コンパクトで設置が容易

これにより、低圧線が負荷点に近づき、供給半径が縮小し、配電網の損失が抑制されます。低圧グリッドの損失はかつて全グリッド損失の大きな部分を占めていました。改修前、都市の低圧架空線の損失は7% - 12%（一部の地域では30%以上）でした。農村部のグリッドアップグレード後、総合的な損失目標が12%に設定され、現在都市でもそれに近づいています。

低圧損失が高い主な原因は2つあります：1) 住宅や商業供給用の三相トランスは、電源が負荷から遠いため、供給半径が大きくなり、線路損失が増えます。不均一な電流もトランスの損失を増加させます。2) 大きな供給半径は電力窃盗を可能にし、管理が複雑になります。単相トランスは電源をユーザーに近づけ、供給距離、線路損失、および窃盗リスクを大幅に削減します。

「小容量、密集型、短距離」の供給モデルは、低圧グリッドで広く使用されており、損失を効果的に削減します。単相トランスはこのアプローチを実装するためのキーです。

1.3 プロジェクトコストの相対的な節約

単相トランスによる電力供給の場合、高圧分岐は2線架設を使用し、低圧線は2線または3線を使用します。一方、三相トランスは高圧3線と低圧4線架設が必要です。したがって、単相セットアップはワイヤーを節約し、ドロップアウトフューズ、サージアレスタ、ハードウェアの使用量を削減します。不完全な統計によると、単相は高圧線のコストを約10%、低圧線プロジェクトのコストを15%削減します。

1.4 電力供給の信頼性向上

単相トランスは、小容量、密集型のシナリオに適しており、ユーザーのカバレッジを向上させます。統計的には、ユーザー数が多いほど信頼係数が上がります。管理面では、単一トランスからの回路引き抜きによる制限により、停電範囲が狭まり、信頼性への影響が軽減されます。構造的には、三相トランスの統合コイルは、1つのコイルが故障した場合にトランス全体が停止し、地域の停電を引き起こす可能性があります。

技術的には、三相トランス（Y/Y₀または△/Y₀）は、1つのヒューズがブローした場合、他のフェーズでの電圧異常が発生します。380V/220Vの三線四線低圧システムでは、中性線ショートによる突然の電圧上昇が照明障害や設備破損につながる可能性があります。単相トランスはこのような問題を大いに回避し、信頼性を確保します。

2 単相トランスの応用
2.1 使用範囲

単相トランスの技術的特性に基づいて、以下のシナリオでの応用が推奨されます：

2.1.1 都市コミュニティの住宅地域

現在、都市の住宅地域における電力消費は主に照明と単相電力（エアコンや冷蔵庫などの家庭電化製品）であり、「高圧電力供給」の要件を満たしています。住宅設計と負荷分布に基づいて、「建物ごとに単相トランス」または「ユニットごとに単相トランス」の供給モデルを採用し、低圧ネットワークの供給半径を最小限に抑える（理想は100メートル以内）ことで、電力供給の効率と品質を向上させます。

2.1.2 農村の照明と小規模電力使用

農村の照明と小規模電力使用（小さな農業機械や灌漑設備など）は、負荷が低く変動が少ないため、小容量の単相トランスに適しています。適切に配置されたこれらのトランスは、負荷要求に正確に対応し、電力供給コストを削減し、安定した電力供給を確保することができます。

2.1.3 電力窃盗が深刻なコミュニティと市場

「高圧電力供給」の実施により、違法な低圧配線による電力窃盗を排除できます。さらに、線路ごと、トランスごとの線路損失評価が可能になり、電力消費損失の正確な監視と電力管理の強化が可能になります。

2.1.4 小規模産業ユーザーの電力供給最適化

小規模産業ユーザーを「共有トランス」から「専用トランス」へ移行することを促進します。単相トランスの普及により、小規模産業・商業ユーザーは専用ユニットを設置することができます。電力と料金政策に基づいて、専用トランスの採用がより一般的になり、住宅照明と三相工業電力を分離します。適切な場所で三相トランスを単相トランスに置き換えることで、公共低圧線と共有トランスの損失を削減し、負荷をバランスさせ、ユーザー側の電圧安定性を向上させることができます。

2.2 単相トランスの使用時の問題

現在、ほとんどの単相配電トランスは高品質の冷間圧延シリコン鋼板（焼鈍処理済み）をコア材質として使用し、巻きコア技術で製造されています。その空載/負荷損失と動作音はS9型三相トランスよりも遥かに低いです。

接続グループラベルI/I₀を持つ場合、主な配線方法は以下の2つです：

三端子（低圧側）：中間タップが接地された単一巻線で、二つの巻線を形成します。電圧比：10 kV/0.22 kV。配線：図1参照（a₁, a₂ = 相線；x = 中性線）。
四端子（低圧側）：二つの巻線（それらの間に電気的接続なし）。電圧比（高圧〜低圧）：10 kV/0.22 kV。配線：図2参照。

図中、 $a 1$ , $a 2$ は相線、 $x 1$ , $x 2$ , $x$ は中性線です。単相トランスを使用する際には、以下に注意してください：

電力供給の場合、低圧側は通常三線式を使用します。 $x 1$ / $x$ ₂/ $x$ を中性線（確実に接地する必要があります）として使用します。 $a 1$ , $a 2$ （相線）は並列することはできません；負荷を均等に分配して、低圧タップでの中性線電流を最小限に抑え、損失を削減します。
低圧供給の場合、TTシステム（中性線スイッチ制御可能）またはTNシステム（中性線非スイッチ制御可能）を使用します。
高圧タップの選択は、変電所の10 kV出力三相電流に基づいて行います。不均衡な電流は主要トランスの損失を増加させ、負の順序電圧を引き起こし、保護の誤動作のリスクがあります。まず10 kV出力電流を測定し、電流バランス規則に基づいてタップを設定します。
単相トランスは単相負荷に適しています。負荷構成と配置を調査し、単相負荷と三相負荷を分離し、トランスを負荷に近づけて効率を高めます。
負荷予測を行い、20〜100 kVAのトランスを選択します（一般的な範囲）。
低圧供給の場合、可能な場合はセクショナル/タイポールスイッチを設置して信頼性を向上させます。