単相配電トランスフォーマーで一般的な故障は何ですか

単相配電トランスは、電力システムにおける重要な電圧変換および電力分配装置であり、農村の電力網、低圧住宅エリア、単相負荷が集中する地域で広く使用されています。配電網における単相負荷の割合が継続的に増加するにつれて、単相トランスの故障率も増加しています。これらの故障をタイムリーに識別し対処することは、電力供給を確保する上で非常に重要です。最新の研究によると、単相配電トランスの一般的な故障は主に5つのカテゴリーに分類されます：巻線故障、絶縁劣化、油漏れ、異常温度、低圧タップ故障。これらの故障はトランスの正常な動作を妨げるとともに、設備の損傷や電力供給の中断を引き起こす可能性があります。この記事では、さまざまな故障の原因、特性、および対処方法について総合的に分析し、電力システムの運用・保守担当者に実践的な指導を提供します。

1. 巻線故障

巻線故障は単相配電トランスにおいて最も頻繁に発生する故障タイプであり、巻線間ショートサーキット、オープンサーキット、および接地故障を含みます。これらは主に絶縁材料の劣化、機械的損傷、または製造上の欠陥によって引き起こされます。巻線内のショートサーキットはトランス内部での局所的な過熱を引き起こし、絶縁劣化を加速させ、最終的には巻線全体の損傷につながる可能性があります。研究によれば、トランス巻線に軽微なショートサーキットがある場合、従来の差動保護やガス保護などの装置は初期段階で動作しないことがあります。これにより、運用・保守担当者の故障識別能力に対する要求が高まります。

(1) 故障現象

• 異常音：トランスから油が沸騰する「ゴボゴボ」という音や放電音が聞こえる。

• 異常温度：油温が基準を超える。油中のガス含有量が注意値を超えた場合は、直ちにトランスの状態を確認する（IEC標準に基づく）。

• 抵抗不均衡：巻線の直流抵抗の不均衡率が2%（許容値）を超える場合、巻線の変形または接触不良の可能性がある。

• 異常電圧：出力電圧が不安定になり大幅に低下する。また、突然のショートサーキット時に低圧巻線が変形しやすい（低圧巻線は圧力下でより変形しやすい）。

(2) 対処方法

• 緊急停止：直ちに電源を切り、トランスの動作を停止する。

• 精密検査：赤外線温度計を使用して巻線の温度分布をチェックし、故障箇所を特定する。直流抵抗とキャパシタンスを測定し、変形の程度を評価する。

• 修理および交換：必要に応じてカバーを開けてメンテナンスを行い、損傷した巻線を修理または交換する。

(3) 予防策

• 定期的な試験：巻線絶縁試験を行い、絶縁状態を把握する。

• 過負荷の回避：トランスの長期的な過負荷運転を厳しく禁止し、巻線の損傷リスクを減らす。

• 事前点検：ピーク負荷期間前に予防点検を行い、隠れた危険を特定する。

• 安定した設置：トランスがしっかりと設置されていることを確認し、振動による巻線への影響を減らす。

2. 絶縁劣化故障

絶縁劣化は単相配電トランスにおいて2番目に一般的な故障であり、固体絶縁材料の劣化と油絶縁の悪化を含みます。絶縁劣化はトランスの絶縁性能を低下させ、設備全体の劣化を加速します。統計によると、設計寿命（35〜40年）を約20年に短縮することがあります。これは特に長期間運転中、厳しい環境下、または運用・保守が不足しているトランスで顕著です。

(1) 故障現象

• 油品質の変化：トランス油が徐々に薄黄色からオレンジ色または茶色に変わり、炭素沈着が見られる。

• 絶縁低下：絶縁抵抗試験値が基準値よりも低く、部分放電量が増加する。

• 異常音：動作音が鋭く不規則になり、温度上昇とともに劣化率が高まる（アーレニウス理論に基づき、温度が6℃上昇すると劣化率は2倍になる）。

(2) 対処方法

• 油サンプル分析：クロマトグラフィー分析を行い、特徴的なガスの含有量を検出し、劣化度を判断する。

• 油および材料の処置：劣化状況に応じて油の交換、固体絶縁材料の交換を行い、必要に応じて全面的なオーバーホールを行う。

(3) 予防策

• 定期的な検査：定期的に油質検査と絶縁抵抗試験を行い、絶縁状態を管理する。

• 温度制御運転：適切な温度（GB標準：油浸トランスの巻線平均温度上昇は65℃以下、頂部油温度上昇は55℃以下）を維持する。

• 環境最適化：運転環境を改善し、塵埃、湿度、有害ガスによる侵食を減らす。S11型などの高効率トランスを選択し、温度上昇と損失を減らす。

3. 油漏れ故障

油漏れは単相配電トランスにおいて頻繁かつ有害な故障の一つです。電力トランスの故障の40%以上を占め、絶縁性能と放熱性能に影響を与え、設備の火災、汚染、および経済的損失を引き起こします。

(1) 故障現象

• 油レベルの低下：油レベルゲージが油レベルの低下を示し、油タンク表面に油跡が見られる。

• 関連異常：動作音が鋭く不規則になり、油紙絶縁が湿気、雨天や高湿度環境で漏れが悪化する。

(2) 故障原因

シールの老化／損傷、溶接部の亀裂、ブッシング取り付けの不適切さ、振動による接続部の緩み、油タンクの錆、呼吸器の詰まりによる異常油圧。

(3) 対処方法

• グレード分け処置：小さな漏れは一時的に修理し、重大な漏れは直ちに停止し、全面的なオーバーホールを行う。

• 根本的な修理：シールの交換、溶接部／接続部の修理、呼吸器の清掃を行い、油枕の正常な動作を確保する。

(4) 予防策

• シール検査：定期的にシール状態を確認し、振動環境では固定を強化する。

• 材料アップグレード：高品質のシール材料を使用し、油タンクを清掃して腐食を防ぐ。古いトランスは新しいシール構造を持つ製品に交換する。

4. 異常温度故障

異常温度は単相配電トランスにおいて重要な故障タイプの一つであり、巻線の過熱、鉄心の局所的な過熱、油温の上昇を含みます。これは絶縁劣化、油漏れ、巻線変形などの故障の「トリガー」です。IEC標準によると、最も熱いスポットの温度が140℃に達すると、油中に泡が生成され、絶縁が低下したりフラッシュオーバーが発生したりしてトランスが損傷します。

(1) 故障現象

• 温度超過：油温計が異常を示し、局所的な表面が過熱して色が変わる。油枕の油レベルが異常である。

• 異常音：「ブーン」という音が発生し、負荷が増加すると音が大きくなる。油色が濃くなり、炭素沈着が見られる。

(2) 故障原因

トランスの過負荷、内部故障（巻線／鉄心ショートサーキット）、冷却システムの故障、周囲温度が高いこと、密封不良による油量不足、設置時の通風不良。

(3) 対処方法

• 負荷削減と停止：直ちに負荷を削減または停止し、冷却システムを確認する。

• 精密診断：赤外線温度計を使用して過熱点を特定し、油サンプルをクロマトグラフィー分析して内部故障を確認し、外部要因を修復する。

(4) 予防策

• 監視と分析：定期的に温度を監視し、トレンド分析を行う。長期的な過負荷を避ける。

• 環境最適化：設置位置を最適化し、通風を確保する。ヒートシンクの汚れを清掃する。高負荷エリアでは容量を増やすか複数台並列運転し、高温環境では日除けと換気装置を設置する。

5. 低圧タップ故障

低圧タップ故障は単相配電トランスに特有の故障であり、接触不良、オープンサーキット、および誤接続を含みます。低圧側は主にタップオフ設計（例えば三つまたは四つのタップ）を採用しており、接続品質は直接出力電圧と動作安定性に影響します。これは負荷変動が大きいトランスや運用・保守が不足しているトランスでよく見られます。

(1) 故障現象

• 電圧異常：出力電圧が不安定で、高すぎるまたは低すぎる。

• 音異常：「ガチャガチャ」「ザラザラ」という機械摩擦音が発生し、負荷変動時に特に明確に聞こえる。低圧側の電圧が不均衡で、動作温度が異常に高い。

(2) 故障原因

タップ溶接不良、接触面の酸化、固定不良、運用・保守中の接続復元不良、湿潤環境による接触抵抗の増大、負荷変動による接触点の摩耗。

(3) 対処方法

• 停電メンテナンス：タップ接続を確認し、再溶接し緩んだ部分を締め、老朽化した部品を交換する。

• 清掃と保護：接触不良の部分を清掃し、タップチェンジャースイッチの良好な接触を確保する。

(4) 予防策

• 定期的な点検：タップ接続の定期的な点検を行い、高品質の溶接材料とプロセスを使用する。

• 環境適応：湿潤環境では防湿対策を強化する。頻繁にタップ調整を行うトランスについては、信頼性のある接続方法に交換する。古い設備は新設計のタップを持つ製品に交換する。

6. 機械学習技術を用いた故障診断への応用

スマートグリッドの発展に伴い、従来の手動経験と単純な計測器に依存する診断モードは、機械学習技術を用いたインテリジェントな監視技術に徐々に取って代わられています。人工知能に基づく故障診断システムは、リアルタイムで動作状態を監視し、リスクを早期に警告し、診断の正確性と効率を向上させることが可能です。

(1) 主流の技術

• 赤外線センシング温度測定：±1℃の精度で異常温度を正確に検出できる。

• 音響シグネチャ認識診断：動作音の周波数と特性を分析し、正常音と故障音を区別する。

• 油中の溶解ガス分析：特徴的なガスの含量を検出して内部故障の種類と程度を判定する。

• 機械学習システム：複数のパラメータを統合して故障予測モデルを構築する。

(2) 応用効果

赤外線温度測定を適用したある電力会社では、故障検出率が65%向上し、処理時間が40%短縮されました。音響シグネチャ認識は、巻線故障を3〜6ヶ月前から検出できます。インテリジェントシステムは故障の位置を特定し、深刻度を評価し、運用・保守の意思決定の基礎を提供します。

7. 単相トランスのメンテナンスと予防措置

単相配電トランスのほとんどの故障は長期運転、環境、および運用・保守の不足に関連しています。科学的なメンテナンスシステムを確立し、予防措置を実施することは、故障を減少させ、耐用年数を延ばす鍵です。

(1) 日常メンテナンス

• 油状態検査：定期的に油レベルと油色を確認し、油レベルが正常で油質が良好であることを確認する。

• 状態監視：動作音を監視し、温度を監視し、トレンド分析を行う。

• 部品検査：ブッシングの清潔さ、損傷、放電痕を確認する。接地システムを確認する（100 kVA以上の接地抵抗は4Ω以下、それ以下は10Ω以下）。

• 環境管理：安定した設置を確認し、表面の汚れを清掃し、汚染排出を防止する。

(2) 分類予防

• 巻線故障：過負荷を避け、定期的な絶縁試験を行う。

• 絶縁劣化：制御された温度で運転し、定期的な油質検査を行う。

• 油漏れ：定期的にシールを確認し、振動環境では固定を強化する。

• 異常温度：設置を最適化し、通風を確保し、温度監視装置を設置する。

• タップ故障：定期的に接続を確認し、高品質の溶接プロセスを使用し、湿潤環境では防湿対策を行う。

(3) 標準適合と最適化

GB20052-2020に基づいて高効率トランスを選択し、損失と温度上昇を減らす。高負荷エリアでは複数台を並列運転し、単一ユニットの負荷圧力を軽減する。環境管理を強化し、外部侵食を減らす。

8. 結論と提言

単相配電トランスの一般的な故障は互いに関連しており、多くの場合、単一の要因が複数の故障現象を引き起こします。伝統的な経験とインテリジェント技術を統合した完全な故障診断システムを構築することで、診断の正確性と効率を向上させることができます。

運用・保守管理の提言

• 監視システム：温度、音、油質など複数のパラメータを組み合わせた包括的な監視システムを確立し、リアルタイムで状態を把握する。

• 環境最適化：設置位置と方法を最適化し、環境影響を減らす。

• 事前メンテナンステスト：定期的に予防テスト（絶縁抵抗試験、油質検査など）を行い、隠れた危険を特定する。

• 動的調整：負荷変動に応じて運転モードとトランス容量を調整する。

• 技術アップグレード：高効率かつインテリジェントな監視装置を導入し、効率と診断能力を向上させる。

スマートグリッドの発展により、単相配電トランスの故障診断と管理は、インテリジェント化と細分化に向かっています。電力会社には新しい技術と標準を導入し、ビッグデータ健康管理系统を構築し、早期の故障警告と精密な診断を実現し、配電網の信頼性と経済性を向上することをお勧めします。