送電変圧器の包括的パフォーマンス向上ソリューション：冷却の最適化と磁気回路損失の低減

1. 背景と課題

電力負荷の継続的な増加と、安定した電網運転に対する要求が厳しくなるにつれて、送電変圧器は運転効率、温度上昇制御、長期信頼性に関する厳しい課題に直面しています。過度な運転温度は絶縁材料の劣化を加速し、設備の寿命を短縮し、故障リスクを高めます。高い磁気回路損失（主に鉄損と銅損）はエネルギー利用効率を低下させ、不要な運転コストを引き起こします。送電変圧器で一般的に見られる2つの核心的問題、過度な温度上昇と大きな磁気回路損失に対処するために、この包括的なソリューションが策定されています。

2. ソリューションの目標

• 大幅な運転温度の低減： 変圧器の上部油温と巻線ホットスポット温度を安全な運転範囲内に保つ。
• 磁気回路損失の効果的な低減： 空載損失（鉄損）と負荷損失（銅損）に焦点を当て、全体的な運転効率を向上させる。
• 運転信頼性の強化： 過熱と過大な損失による故障率を減少させ、変圧器の寿命を延ばす。
• 全ライフサイクルコストの最適化： エネルギー節約とメンテナンス頻度の減少を通じて、変圧器の経済効率を改善する。

3. 核心的な対策

このソリューションは、「損失源の管理 + 放熱能力の強化 + 精密な状態管理」という統合戦略を採用しています。

3.1 冷却システムの最適化とアップグレード、放熱効率の改善（温度上昇への対応）

• 高効率冷却方法の採用：
• 強制空冷（OFAF/ODAF）： 既存の自然空冷（ONAN）または空冷強制冷却（ONAF）変圧器の改造、または新規ユニットに高性能軸流ファンを装備。効率的で低騒音、耐候性のあるファンを選択し、インテリジェントな空気流量制御（例：温度に基づく自動起動/停止、可変周波数駆動調整）を組み合わせて、ラジエータ表面での空気対流効率を大幅に向上させ、熱を迅速に排出する。
• 強制油水冷（OFWF）： 超高容量変圧器、高負荷率のユニット、または高温環境下で動作するユニットに優先的に適用。高性能油ポンプとプレート式熱交換器を装備し、水の高い比熱を利用した効率的な熱交換を行う。付随する水処理システム（スケーリングや腐食防止）と信頼性確保メカニズム（例：デュアルウォーターサーキット、予備ポンプ）が必要。
• ヒートパイプ補助冷却： ラジエータの重要なポイントにヒートパイプモジュールを設置し、相転移原理により局所的なホットスポット熱を効率的に伝導・放出する。
• ラジエータ構造と配置の最適化：
• 表面積が増加したラジエータ（例：フィン付き、パネルラジエータ）と最適化された流路設計を利用する。
• 冷却媒体（空気または水）の流れを滑らかにし、局所的な流れの制限を排除し、放熱の一様性を改善する。
• （空冷の場合）ファンの位置とダクト設計を最適化し、ラジエータ表面全体に均一な空気流量を確保し、デッドゾーンを最小限にする。
• インテリジェント冷却制御：
• 油温、巻線温度、周囲温度のリアルタイム監視に基づいて、冷却システム出力（ファン速度/数、油ポンプ流量）を自動調整。必要に応じた冷却を実現し、放熱効果を確保しながら補助機器のエネルギー消費を最小限に抑える。

3.2 コア材料と構造の最適化、鉄損の低減（コア磁気損失管理）

• 高性能コア材料の選択：
• 高透過性、低単位損失の冷間圧延シリコン鋼板（例：HiB鋼）またはより高度な非晶質合金材料（空載損失の大幅な低減に著しい利点がある）を優先的に使用。
• シリコン鋼板の厚さ、平坦性、絶縁コーティング品質を厳格に制御し、ヒステリシス損失と渦電流損失を最小限に抑える。
• コア設計と製造プロセスの最適化：
• ステップラップスタック技術を実施し、ジョイント部の磁気抵抗を最小限に抑え、追加の鉄損を削減。
• コア積層係数と締結力を精密に制御し、磁気パス分布を均一化し、局所的な飽和を避ける。
• （先進技術の活用）レーザースクリブルなどの技術を探索し、さらなる材料の磁気ドメイン構造の最適化を図る。
• コア接地方法とシールドを最適化し、構造部品の雑散損失を削減。

3.3 巻線設計の最適化とプロセス改善、銅損の低減（主要な磁気損失管理）

• 巻線構造と電磁設計の最適化：
• アンペアターン分布を精密に計算し、導体断面形状を最適化（例：連続トランスポーズケーブル - CTCまたは自己接着トランスポーズケーブル - TTC）して循環電流と渦電流損失を最小限に抑える。
• 導体材料（高導電性無酸素銅）と電流密度を適切に選択し、温度上昇制約を満たしつつ直流抵抗損失を効果的に削減。
• 巻線の高さ、直径、径方向寸法を最適化し、漏れ磁束を制御し、雑散損失を削減。
• 高度な製造プロセス：
• 一定テンション巻線装置を使用して巻線の均一な密度を確保。
• 高度な真空圧力浸漬（VPI）または樹脂成形プロセスを採用し、ギャップを絶縁材料で完全に充填し、熱伝導率と機械的強度を向上させ、放熱を助け、部分放電を削減。

3.4 磁気回路状態監視と予防メンテナンス（クローズドループ管理、長期性能の確保）

• 精密な磁気回路状態監視の実施：
• オンライン監視（例：溶解ガス分析 - DGA、高周波部分放電監視、振動/音響ノイズ監視、赤外線熱画像撮影）とオフラインテスト（定期的な巻線変形テスト、空載および負荷損失テスト、コア接地電流テスト）を組み合わせて、磁気回路の健康状態を包括的に評価。
• 重点監視：コアの多点接地障害の兆候、異常な損失の変動、磁気シールドとクランプ構造の過熱。
• 予防メンテナンスメカニズムの確立：
• 状態監視データと運転履歴に基づいて、対象となる磁気回路メンテナンス計画を開発。
• 定期的なコアとクランプ構造の接地検査： 信頼性のある単点接地を確保し、多点接地障害（鉄損を大幅に増加させ、過熱を引き起こす）を迅速に検出し修正。
• 磁気シールド、クランプ、その他の構造部品の検査： 松れ具合、過熱、または放電痕跡を確認し、異常を速やかに解消。
• コア/蓋取り外し検査時に、コア積層接合部とクランプ状態に重点を置いてチェックとメンテナンスを実施。
• 検出された異常損失の上昇傾向について詳細な診断分析を行い、根本原因を特定し、是正措置を講じる。

4. 期待される利益

• 温度上昇の大幅な低減： 運転温度（特にホットスポット温度）が効果的に制御され、予想目標（例：15-25%）に達する減少が見込まれ、絶縁材の熱老化ストレスが大幅に緩和される。
• 磁気回路損失の効果的な低減：
• 鉄損（空載損失）：新素材とプロセスによって20-40%の削減が見込まれ（特に非晶質合金を使用した場合、非常に顕著）。
• 銅損（負荷損失）：巻線設計の最適化によって10-25%の削減が見込まれ。
• 全体的な効率が1-3パーセンテージポイント向上し、経済的利益と二酸化炭素排出量の削減が得られる。
• 信頼性の大幅な向上： 過熱と磁気回路異常による故障リスクが大幅に減少し、設備利用率が向上し、寿命が延びる。
• 全ライフサイクルコストの最適化： 高性能材料や先進的な冷却システムなど、初期投資が高くなる可能性があるものの、長期的なエネルギー節約、メンテナンスコストの削減、寿命の延長から得られる利益はより大きく、有利な投資回収期間（ROI）が達成される。

5. 適用範囲

このソリューションは、新設および既存の35kV以上の電圧レベルの油浸送電（電力）変圧器に適用されます。具体的な措置は、変圧器の容量、電圧レベル、運転環境、重要性、現在の状態に基づいてカスタマイズして実施できます。