従来型接地トランスの故障分析と設計最適化

I. 損害の核心的原因：電動力の影響（GB/T 1094.5 / IEC 60076-5に準拠）

高圧巻線端部の崩壊の直接的な原因は、短絡電流によって引き起こされる瞬間的な電動力の影響です。システムで一相接地障害（例えば雷による過電圧、絶縁破壊など）が発生すると、接地トランスフォーマーは故障電流の経路として、高い振幅と急激な上昇率を持つ短絡電流を耐えなければなりません。アンペールの力の法則によれば、巻線導体は強力な磁場の中で径方向（内側への圧縮）および軸方向（引張り/圧縮）の電動力を受けることになります。この電動力が巻線構造（導体、スペーサー、プレス板、束ねシステム）の機械的強度限界を超えると、巻線に不可逆的な変形、移動、または歪みが生じ、最終的に巻線端部の崩壊という典型的な短絡障害モードとして現れます。

II. 関連する障害トリガー：共振過電圧と残留障害での電源投入（DL/T 620 / IEC 60099などの過電圧保護規格に準拠）

• システムの共振過電圧（フェロレゾナンス/直線共鳴）
  システムパラメータ（ラインキャパシタンス、PTインダクタンス、消弧コイルインダクタンスなど）の不適切なマッチングにより、フェロレゾナンスまたは直線共鳴が引き起こされ、持続的な過電圧が発生します。この過電圧は絶縁の脆弱点（劣化した絶縁子、避雷器、ブッシングなど）に繰り返し作用し、断続的なアーク接地または反復的な絶縁破壊を引き起こします。これにより接地トランスフォーマーは高周波衝撃電流を耐えなければならなくなります。これは直接的な電動力の影響だけでなく、巻線絶縁（巻線間、層間、主絶縁）の熱的および電気的老化を加速させ、その誘電強度と機械的強度を大幅に低下させ、その後の衝撃や通常運転下で崩壊しやすくなります。

• 雷による永久接地障害後の残留障害での電源投入
  雷による永久接地障害が発生した後、障害点が隔離されていない場合（例えば、遮断器が動作しない、または障害表示が不明確な場合）、メンテナンス担当者が誤って電源を復旧させると（残留障害での電源投入）、接地トランスフォーマーは設計限界を超える交流障害電流を継続的に通過させることになります。持続的な過電流はI²Rtジュール加熱効果を引き起こし、巻線温度が絶縁許容限界を超えて急激に上昇します（例えば、クラスAの場合105°C）。これにより急速に熱老化、炭化、絶縁性能の喪失が進み、最終的に巻線のショート回路と焼損（熱崩壊）を引き起こします。これは設備に深刻な損傷を与えます。

III. 最適化案：設備の耐性向上と保護戦略の改善（設備選定、リレー保護、状態監視規格の統合）

• 設備本体の短絡耐性の向上（GB/T 1094.5 / IEC 60076-5に準拠）

• 選択要件：厳格な短絡耐性試験（例：IEC 60076-5）で確認された高短絡耐性モデルを優先的に今後の購入で選択し、巻線構造設計（補強プレス板、軸方向クランプシステム、径方向支持構造、導体転位プロセス）、材料強度、製造プロセスに重点を置きます。

• オプションのシリーズ制限リアクター：接地トランスフォーマーの中性線回路に制限リアクターを設置して、故障電流の振幅と上昇率を効果的に抑制し、巻線への電動力の影響を減少させます。同時に、システム接地方式とリレー保護への影響を確認する必要があります。

• リレー保護設定の最適化（リレー保護規格DL/T 584 / DL/T 559に準拠）

• 設定原則：接地トランスフォーマーの過電流保護設定（ゼロ順位過電流、逆時間過電流）は、設備の熱的および動的安定性限界（GB/T 1094.5に基づいて計算）よりも厳密に低く設定する必要があります。

• 段階調整：接地トランスフォーマーの保護時間遅延（例：100A/10s）は、上流のライン保護（出力遮断器）と確実に調整する必要があります。ライン保護（ゼロ順位第1段：0.2s、第2段：0.7s）が迅速にライン上の接地障害をクリアし、接地トランスフォーマーが不要なストレスにさらされることを防ぐようにします。接地トランスフォーマー保護は近接バックアップとして機能し、ライン保護の最も長い時間遅延（含む段階差Δt）よりも大きな動作時間遅延を持つべきです。

• 接地トランスフォーマー本体保護設定の最適化:

• 障害迅速排除能力の強化（DL/T 584 / DL/T 559に準拠）

• 方向性ゼロ順位保護設定: ライン保護に方向性ゼロ順位電流保護（第1段/第2段）を展開し、確実に動作させます。方向要素は障害のあるラインとないラインを正確に区別し、単相接地障害時に障害のあるラインの遮断器が≤0.2s以内に確実に動作し、障害源を完全に隔離します。これは接地トランスフォーマーの損傷を防ぐための中心的な保護措置です。

• 知能型オンライン監視および早期警告システムの導入（状態監視規格DL/T 1709.1に準拠）

• リアルタイム巻線ホットスポット温度監視：高圧巻線端部の重要な位置に光ファイバーやプラチナ抵抗温度センサーを設置して、±1~2℃の精度でリアルタイム監視を実現します。多段階警報（警告/注意）およびトリップ閾値（絶縁クラスの熱モデルに基づいて計算）を設定し、限度を超えた場合に自動的に保護動作をトリガーして熱崩壊を防ぎます。

• 中性点電気パラメータ監視および非対称警報：中性点電流とシステム位相差電圧（ゼロ順位電圧）を継続的に監視し、非対称超過警報機能を設定します。持続的または頻繁な異常中性点電気パラメータ（断続接地、共鳴、または絶縁劣化を示す）が検出された場合、即時警告を発し、早期障害介入を行います。

最適化結論および実施推奨

• 結論の要約

• 設備強化：高短絡耐性設備を選択するか、制限リアクターを設置して電動力耐性を高める。

• 保護調整：保護値を精密に設定（≤設備耐性限界）し、方向性ゼロ順位保護（第1段≤0.2s）との段階調整を確保する。

• 状態早期警告：高精度温度監視（±1~2℃）および中性点電気パラメータ警報システムを導入して早期障害保護を行う。

• 事故の直接的原因は、一相接地障害電流によって生じる電動力が巻線の機械的強度限界を超えることです。

• 深層的なトリガーには以下があります：① システムの共振過電圧による断続的な衝撃が絶縁老化を加速する；② 雷による永久障害後の残留障害での電源投入による熱崩壊。

• 体系的な最適化は以下の3つの側面に焦点を当てるべきです：

• 実施推奨

• 保護設定調整、方向保護のアクティベーション、および監視システムの設置を即座に行う。

• サービスライフサイクルと技術革新計画に合わせて設備本体のアップグレードを計画する。

• このスキームを運転規程および事故防止措置に組み込み、接地障害での電源投入を厳しく禁止し、雷による電源復旧前に徹底的に障害点を調査する。