私は電源変圧器のサプライヤーとして、これらのデバイスが電気システムにおいて重要な役割を果たしているのを直接目撃してきました。電源変圧器は、電圧レベルを昇圧または降圧し、効率的な電力伝送と配電を可能にするために不可欠です。ただし、オペレーターやエンドユーザーにとってよく懸念される共通の問題の 1 つは、電源変圧器の温度上昇です。このブログでは、この温度上昇を引き起こすさまざまな要因を詳しく掘り下げていきます。
コアロス
電源トランスのコアは通常、積層ケイ素鋼で作られています。交流が一次巻線を通過すると、コア内に変化する磁場が生成されます。この磁界の変化により、コア内に渦電流とヒステリシス損失が誘発されます。
渦電流は、コア材料内に誘導される循環電流です。ファラデーの電磁誘導の法則によれば、コア内の磁束の変化によりこれらの電流が発生します。コアにはある程度の抵抗があるため、渦電流により熱の形で電力が消費されます。渦電流損失を最小限に抑えるために、コアは積層されています。薄い積層体は互いに絶縁されているため、渦電流の経路の抵抗が増加し、発生する熱が減少します。
ヒステリシス損失は、交流電流の方向が変わるときにコア材料が磁化と消磁を繰り返すことによって発生します。コア材料内の磁区は磁場の変化に合わせて再調整する必要があり、このプロセスにはエネルギーが必要です。この再調整中に消費されるエネルギーは熱に変換され、変圧器の温度上昇に寄与します。コア材料の品質とその磁気特性は、ヒステリシス損失に大きく影響します。ヒステリシス係数が低い高級ケイ素鋼は、これらの損失を低減できます。
銅損
I²R 損失としても知られる銅損は、トランス巻線の抵抗によって発生します。銅またはアルミニウムの導体で作られた巻線に電流が流れると、ジュール加熱の法則 (P = I²R) に従って熱が発生します。ここで、P は熱として放散される電力、I は導体を流れる電流、R は導体の抵抗です。
巻線の抵抗は、導体の材質、断面積、長さなどのいくつかの要因によって決まります。変圧器の負荷が増加すると、巻線を流れる電流も増加します。電力損失は電流の二乗に比例するため、電流がわずかに増加すると銅損が大幅に増加し、その結果、温度が上昇する可能性があります。さらに、導体の抵抗は温度とともに増加します。巻線が加熱すると、その抵抗がさらに増加し、自己強化サイクルでさらに多くの熱が発生します。
負荷の不均衡
三相電源変圧器では、平衡負荷が理想的です。ただし、現実のアプリケーションでは、負荷の不均衡がよく発生します。 3 相の負荷が等しくない場合、巻線の電流も不等になります。この電流の不均一な分布は、過負荷相での銅損の増加につながる可能性があります。
たとえば、1 つの相の負荷が他の 2 つの相よりもはるかに高い場合、その相の電流は大幅に大きくなります。 I²R の公式によると、その相の電力損失は他の相よりもはるかに大きく、対応する巻線の局所的な温度上昇が発生します。時間の経過とともに、過熱した巻線の絶縁体の劣化が加速し、変圧器全体の寿命が短くなる可能性があります。
冷却システムの問題
電源変圧器は、動作中に発生する熱を放散するために冷却システムに依存しています。冷却システムには、油浸冷却、空冷システム、水冷システムなど、いくつかの種類があります。
油入変圧器では、油は絶縁媒体と冷却剤の両方の役割を果たします。オイルは巻線とコアから熱を吸収し、ラジエーターまたは熱交換器に伝達します。油面が少なくなると冷却能力が低下します。さらに、時間の経過とともにオイルが汚れたり劣化したりすると、熱伝達特性が低下します。たとえば、オイル中に水分が存在すると、絶縁耐力や熱伝達効率が低下する可能性があります。
空冷変圧器は、ファンを使用して巻線に空気を吹き付け、熱を放散します。ファンが故障したり、吸排気口がふさがれたりすると、冷却効果が損なわれます。同様に、水冷システムでは、水ポンプの故障、水パイプの詰まり、水流量の減少などの問題により、放熱が不十分になり、変圧器の温度が上昇する可能性があります。
周囲温度
変圧器の周囲の周囲温度も動作温度に大きな影響を与えます。変圧器は特定の温度範囲内で動作するように設計されており、周囲温度が高い場合、変圧器の熱の放散はより困難になります。
たとえば、暑い気候や夏の間、周囲の空気はすでに暖かいです。これにより、熱伝達の原動力となる変圧器と周囲の空気の温度差が減少します。その結果、変圧器の冷却速度が低下し、変圧器の温度が通常の動作レベルを超えて上昇する可能性があります。場合によっては、周囲温度が非常に高い場合、変圧器の温度を安全な範囲内に維持するために追加の冷却手段が必要になることがあります。
過負荷
定格容量を超えて変圧器を動作させると、温度上昇が発生する一般的な原因になります。変圧器が過負荷になると、巻線を流れる電流が大幅に増加します。前述したように、銅損は電流の 2 乗に比例します。したがって、たとえ少量の過負荷であっても、銅損と発熱が大幅に増加する可能性があります。
過負荷は、予期せぬ需要の増加、設置時の変圧器の不適切なサイズ設定、または配電システムの故障によって発生する可能性があります。継続的な過負荷は、急激な温度上昇を引き起こすだけでなく、変圧器の絶縁の劣化を加速させます。絶縁材料は高温でより早く劣化する可能性があり、絶縁耐力が低下し、電気的破壊のリスクが高まります。
絶縁劣化
電源トランスの絶縁は、巻線とコア間の電気的短絡を防ぐために非常に重要です。時間が経つと、高温、湿気、電気的ストレスなどの要因により絶縁が劣化する可能性があります。
絶縁体が劣化すると、その電気的特性が変化します。たとえば、誘電率が増加し、容量損失が増加する可能性があります。これらの損失により追加の熱が発生し、変圧器全体の温度上昇に寄与します。さらに、絶縁が劣化すると部分放電が発生しやすくなります。部分放電は、絶縁材料内で発生する小さな放電です。これらの放電により熱が発生し、断熱材がさらに損傷し、断熱材の劣化と温度上昇の悪循環が生じる可能性があります。
漂遊損失
コア損失と銅損に加えて、電源トランスには漂遊損失もあります。漂遊損失は、タンク、構造部品、バスバーなどの変圧器の導電性部品と相互作用する漏れ磁束によって発生します。
漏れ磁束は、コア内の渦電流と同様に、これらの導電性部分に渦電流を誘導します。これらの渦電流により、電力損失と発熱が発生します。漂遊損失を最小限に抑えるには、導電性部品への漏れ磁束の影響を軽減するためのコンポーネントの適切なシールドや配置など、トランスの慎重な設計が必要です。
変圧器の性能と寿命への影響
電源トランスの温度上昇は、その性能と寿命に直接影響します。高温は断熱材の劣化を促進する可能性があります。変圧器の絶縁は、特定の温度制限に耐えるように設計されています。温度がこの制限を超えると、断熱材が脆くなり、亀裂が入り、断熱特性が失われる可能性があります。
これにより電気的故障が発生し、短絡や変圧器の損傷が発生する可能性があります。さらに、高温は変圧器コンポーネントの機械的特性にも影響を与える可能性があります。たとえば、温度変化による巻線とコアの膨張と収縮は機械的ストレスを引き起こし、接続の緩みや故障の可能性を引き起こす可能性があります。
結論
私は電源変圧器のサプライヤーとして、変圧器の温度上昇の問題に対処する重要性を理解しています。鉄損、銅損、負荷の不均衡、冷却システムの問題、周囲温度など、温度上昇の原因となるさまざまな要因を理解することで、オペレータは変圧器の安全かつ効率的な動作を確保するための適切な措置を講じることができます。
高品質の電源トランスをお探しの場合は、以下を含む幅広い製品をご用意しています。パワーグリッド高圧変圧器、発電所の変圧器、 そして電源主変圧器。当社の変圧器は、温度上昇を最小限に抑え、長期的な信頼性を確保するために、高度な技術と高品質の材料を使用して設計されています。
電源変圧器の購入についてご質問やご興味がございましたら、詳細な打ち合わせや調達交渉を承りますので、お気軽にお問い合わせください。当社は、お客様の送電および配電のニーズに最適なソリューションを提供することに尽力しています。
参考文献
- グローバー、FW (1973)。インダクタンスの計算: 実際の公式と表。ドーバー出版。
- チャップマン、SJ (2012)。電気機械の基礎。マグロウ - ヒル教育。
- ウェスチングハウス・エレクトリック・コーポレーション（1964年）。送配電のリファレンスブック。ウェスチングハウス・エレクトリック・コーポレーション