革新的単相配電変圧器ソリューションによる米国の農村部および郊外部の電力網近代化

1 田舎の電力網の課題と単相変圧器の技術的利点​

米国の田舎や郊外の電力網は重要な課題に直面しています：老朽化したインフラと低い負荷密度により、効率的な電力供給が困難になり、線路損失は7%–12%に達します。これは都市部の電力網（4%–6%）よりも大幅に高いです。60%以上の田舎地域では、300メートルを超える電力供給半径が標準を超えているため、広範囲で電圧不安定（ピーク電圧低下 15%–20%）が発生しています。低負荷密度地域（<2 MW/sq.mi）における三相変圧器は、30%の負荷率以下で動作し、過剰な空載損失を引き起こします。単相配電変圧器はこれらの問題に対処するために以下の特徴を持っています：

​1.1 技術的特徴​

• ​電磁気原理: 一次コイルと二次コイル間のターン比による電圧変換。
• ​コア設計: スパイラルコア技術とステップラップジョイント設計を使用し、焼鈍された冷間圧延シリコン鋼を使用して、S9型三相変圧器と比較して空載損失を30%–40%削減します。
• ​コンパクトな展開: 容量範囲：10–100 kVA; 重量：1/3の三相ユニット; 柱上設置によりフットプリントを最小限に抑えます。高電圧（10 kV）を直接住宅地に接続し、低電圧供給半径を80–100 メートルに圧縮します。

​1.2 効率性とコスト上の利点​

• ​エネルギー効率: 30%–60%負荷での運用効率は>98%であり、鉄損と腐食損失が減少します。
• ​損失削減: 線路損失は1%–3%に減少します（4–8パーセンテージポイント低い）。
• ​電圧安定性: 端点での変動は±5%以内に制御され、「最後の半マイル」での低電圧が解消されます。
• ​経済的ROI: 設置コスト：8,000ドルの50 kVAユニット vs. 28,000ドルの315 kVA三相ユニット。回収期間：5–6年（改修）または2–3年（新規プロジェクト）。

​2 技術革新と設計​

​2.1 コア構造と電気性能​

• ​巻線構成: 低-高-低巻線構造は短絡耐容量（>25 kA）と熱安定性を向上させます。
• ​接続モード:
• 三端子低電圧: 中央巻線接地による220V二相出力。
• 四端子低電圧: 二つの独立した巻線（10kV/220V比率）による柔軟な供給。
• ​安全性適合: UL認証; 絶縁クラス：34.5 kV（150 kV BIL）; 自己リセット式圧力開放弁と雷保護。

表1: 単相変圧器の技術パラメータ

​2.2 先進材料とスマート技術​

• ​コア材料:
• CRGO鋼: 低コスト; 空載損失 ≈ 0.5 W/kg。
• 非晶質金属 (AMDT): 70%低い空載損失（0.1 W/kg）; 変動負荷に適しています。
• ​スマート統合:
• 電圧/電流/高調波のリアルタイム監視。
• 絶縁劣化警告のための温度追跡。
• 自動無効補償（電力係数>0.95）。
• 復旧時間の短縮（例えば、2.3時間から27分）。

​3 配置戦略とシナリオ​

​3.1 対象適用エリア​

• 低負荷密度ゾーン: 人口密度 <500/sq.mi; 負荷密度 <1 MW/sq.mi。
• 線状地形（例：道路沿いのコミュニティ）。
• 末端電圧問題（<110V）。
• 盗難多発地域（低電圧タッピングリスクの削減）。

​3.2 ハイブリッド単相/三相電力網アーキテクチャ​

• ​トポロジー: 10 kVバックボーン（三相、地中ニュートラル未接地）は、二つの位相線（例：AB位相）を通じて単相変圧器に供給します。
• ​位相バランス: 回転位相接続（AB→BC→CA）により、不均衡を<15%に制限します。
• ​容量比率: 単相ユニットは総容量の40%–60%を占めます。

表2: シナリオ別の構成

​3.3 設置最適化​

• ​柱基準: 12 m/15 mのコンクリート柱（負荷容量 ≥2トン）。
• ​場所計画: GISに基づく「ゴールデンセンター点」分析で最小の線路損失。
• ​絶縁: 15 kVクロスリンクポリエチレン導体（95 kV雷耐性）。

​事例研究: ペンシルバニア州ランカスターカウンティでは、127台の単相ユニット（平均半径：82 m）を配置し、損失を8.7%から3.1%に削減し、年間で1.2 GWhを節約しました。

​4 事例研究と利点​

​4.1 プロジェクト分析​

• ​アイオワ州グリネル郊外の改造:
• 4×315 kVAの三相ユニットを31×50 kVAの単相変圧器に置き換えました。
• 結果: 電圧は117–122Vに安定し、損失は2.3%に減少し、年間節約額は389,000 kWh、投資回収期間は5.2年でした。
• ​アリゾナ州郊外の拡張:
• ハイブリッド設計（1×167 kVAの三相 + 8×25 kVAの単相）により、初期費用を18%節約（154Kvs.154K vs. 154Kvs.188K）し、損失を年間5,800 kWh削減しました。

​4.2 量化的な利点​

​経済的および環境的影響:

• ​CAPEXの削減: 三相ソリューションと比較して20–40%の節約。
• ​年間節約額: 損失削減による$85–120/kVA。
• ​CO₂削減: 1%の損失削減につき8.5トン/年（石炭依存地域）。