ジグ-ザグ トランスフォーマーのガイド

 

このガイドでは、現代の電気システムにおける接地、高調波の緩和、電力品質の改善、AC{2}}DC 電力変換に広く使用されているジグザグ変圧器の-特殊目的-巻線構成について包括的に概要を説明します。このガイドでは、動作の基本原理、技術的特性、設計上の考慮事項、代替接地方式との比較、およびシステムの中性点接地、高調波キャンセル、統合電力変換システムを含む詳細なアプリケーション シナリオについて説明します。このガイドには、選択、サイジング、保護、IEEE C57.105 や IEC 60076 などの関連規格への準拠に関する実際的な考慮事項も含まれています。

最新の三相電気システムは、多くの場合、デルタ結線された変圧器の二次側で動作します。これには、接地のための自然な中性点がありません。-より広範には、デルタ構成かその他の電源による非接地三相システム---には、定義された接地基準の欠如、線路-から-への地絡時の過渡過電圧のリスク、故障検出と位置特定の困難など、重大な運用上の課題があります。ジグザグ変圧器（相互接続スター変圧器または接地変圧器とも呼ばれます）は、これらの課題に対処するために開発されました。-

ジグザグ変圧器は、各出力が 120 度オフセットされた 2 相のベクトル和となる巻線構成を備えた特殊用途の変圧器です。-各磁気コアのリムは、逆方向に巻かれた 2 つの巻線セクションに分割されており、コイルは異なる位相にわたって相互接続され、平衡電流の相殺効果を生み出すと同時に、ゼロ相電流が中性点接続を自由に流れることができます。-

中性点接地が最も著名な用途ですが、ジグザグ変圧器は、地絡電流の低インピーダンス経路の提供、三重高調波の抑制、負荷電流の平衡化、統合 AC{0}}DC 電力変換システムの統合コンポーネントとしての機能など、複数の機能を提供する多機能プラットフォームに進化しました。{{1}{2}}

 

 

 

内部構成は複雑に見えるかもしれませんが、動作原理は基本的にアンペールの法則によって決まります。{0}同じコア上の巻線間の磁気バランスにより、一方の巻線に流れる電流には、そのリムのもう一方の巻線にも対応する電流が伴う必要があります。

2.2 故障状態での電流解析

ゼロ相電流がどのように有効になるかを理解するには、接地されていないシステムの 1 つの相での線路地絡を考えてください。--交差接続された巻線配置により、相互に依存する電流伝播経路が形成されます。中性点から A 相の下側巻線を通って上向きに流れる電流は、C 相の上側巻線を通ってグリッド接続に流れます。これにより、C 相の下側巻線に対応する電流が誘導され、B 相を通ってグリッドに伝播します。シーケンスは 3 つの相すべてに関与し続けます。重要な観察は、上巻線、下巻線、およびアース接続のすべての電流が互いに同位相であり、それらがゼロシーケンス電流であると明確に識別されることです。-

3 相すべてにわたるゼロ相電流の合計は、地絡電流の合計と等しくなります。-。通常の平衡動作条件では、位相シフトされた電圧は相殺され、小さな励磁電流のみが循環します。-ゼロシーケンス電流が変圧器に流れることができるのは、-地絡や不平衡負荷-などの不平衡状態の場合のみです。{6}}

2.3 インピーダンス特性

通常の動作では、ジグザグ変圧器は正-および負-電流に対して高インピーダンスを示し、平衡状態では基本的に電気システムからは見えなくなります。ただし、ゼロシーケンス電流の場合、変圧器は低インピーダンスを示し、故障電流のために中性点を事実上アースに短絡します。-

ゼロシーケンス インピーダンスを制御する主なパラメータには、巻線の巻数、コアの形状、各リムの 2 つの半分間の漏れインダクタンス、コア材料の磁気特性などがあります。{0}}三重高調波磁束の流れを制限する鉄心設計の機能は、ジグザグ構成を他の接地方式と区別するもう 1 つの独自の利点です。-

2.4 重要なインストール要件

ヒューズの切れや接続の緩みなど、欠相-回路状態-があると、巻線電流の相互依存性が崩れます。- 1 つの相が切断されると、ゼロ相の流れに必要な電流伝播のチェーンが切断され、接地変圧器は地絡電流を流すことができなくなります。したがって、接地変圧器は、導通を誤って遮断する可能性のある中間の機械式スイッチングデバイスなしで、アースとグリッドの両方にしっかりと接続する必要があります。

 

 

 

 

大きく分けて2種類の接地変圧器電力システムでは、ジグザグ（相互接続されたスター型）変圧器と-変圧器が使用されます。Y-デルタ変圧器。どちらを選択するかによって、コスト、サイジング、パフォーマンスに大きな影響が生じます。

3.1 サイズと定格電力

ジグザグ配置では、接地された Y 字デルタ構成よりもかなり高い効率が得られます。-ジグ-ザグ変圧器では、各巻線は線路-対-接地電圧-の 1 分の 1 より低くなります。- により総電力定格が低くなります:。対照的に、接地された Y 字-デルタ変圧器には次のものが必要です同じ中性電流の場合。この大きな違いにより、ジグザグ変圧器は、同じ中性点電流要件に対してワイデルタ変圧器よりも kVA 定格が約 1/3 小さくなります。-

メーカーの報告によると、ジグザグ変圧器は、同じ零相インピーダンス仕様のワイデルタ変圧器よりもコストが低く、物理的設置面積も小さいため、ほとんどの接地用途で推奨される選択肢となっています。{1}{2}

3.2 高調波性能

Y-デルタ変圧器はデルタ巻線内で 3 次高調波（3 次、9 次、15 次など）を循環させますが、不平衡負荷によって生成される中性電流は除去しません。対照的に、ジグ-変圧器は、第 3 高調波電流を中性点から負荷側に再循環させ、二次側の高調波を積極的に低減します。これは、3 次高調波が単に閉デルタ ループ内にトラップされるデルタ- Y 変圧器とは根本的に異なるメカニズムです。

3.3 定格時間と熱負荷

どちらのタイプも短時間デバイスとして機能し、通常は連続動作ではなく 10{7}} 秒または 1- 分の障害持続時間と評価されます。 ANSI/IEEE Std. 32-1972 では、10- 秒の定格単位に対して 3% の連続定格が必要です。これは、短時間定格が連続定格の約 33 倍に等しいことを意味します。 1 分間定格の銀行には、7% の連続電流定格が適用されます。この断続動作特性により、同等の容量の連続動作変圧器と比べてサイズと製造コストが削減されますが、依然として注意深い熱管理が不可欠です。

 

 

 

 

4.1 ゼロシーケンスインピーダンス-

ゼロシーケンス インピーダンスはおそらく、ジグザグ変圧器の設計にとって最も重要なパラメータです。-これにより、不平衡状態における地絡電流の大きさと電圧レギュレーションの両方が決定されます。{3}}変圧器のインピーダンスだけで故障電流を所望のレベルに制限できます。あるいは、中性点に挿入された外部抵抗またはリアクトルにより、追加の制限機能が提供されます。

4.2 漏れインダクタンスと無負荷損失-

2 つの最も重要な設計パラメータは、無負荷損失（ヒステリシスと渦電流損失）と漏れインピーダンスです。{0}最近の解析手法と有限要素モデリングの進歩により、ジグザグ変圧器の漏れインダクタンスをより正確に計算できるようになり、このタイプの変圧器の最適化において研究者と設計者の両方に利益をもたらしています。漏れリアクタンスは、故障時の変圧器の電流制限動作と全体的な電圧調整性能に影響します。-

4.3 短時間および連続評価-

接地変圧器は、明確な短時間定格と連続定格で動作します。{0}負荷不平衡が最小限の回路には、連続動作ではなく主に短時間の故障に対して定格された変圧器を使用できます。- 10- 秒単位の連続評価は通常、短時間評価の 3% です。-、1- 分単位の場合は 7% です。サイジングの例はこの原則を示しています。6000 A の地絡電流を供給する 12.47 kV システムでは、ジグザグ変圧器には 24.9 MVA の短時間定格が必要です。この断続定格は約 0.75 MVA の連続定格に相当し、バンクが 180 A の中性電流を連続的に処理できるようになります。

 

 

 

5.1 保護の課題

ジグザグ接地変圧器で中電圧ネットワークを保護することは困難です。{0}{1}変圧器差動ユニットは、固有のジグザグ電流制限と、電源変圧器比の影響および MV フィーダからの容量性電流の寄与により、デルタ側の内部地絡を検出する感度が不足する可能性があります。-制限付き地絡ユニットは感度を高めることができますが、変流器の飽和を伴う外部相-相-地絡には特別な注意が必要です。

接地電流と中性電流の間の角度を比較する従来の方向比較ユニットは適していません。代わりに、変圧器差動ユニットを監視する外部故障検出器が効果的な代替品として提案されています。中性点方向保護の場合、中性点の電圧と電流の位相角を比較する従来のユニットは、正常なフィーダで順方向故障状態を誤って作動させます。ゼロシーケンス インピーダンスの大きさに基づく方向性ユニットは、より信頼性の高いソリューションを提供します。{2}}

5.2 適用される規格

ジグザグ変圧器の設計、テスト、および応用は、複数の規格によって管理されています。{0} IEEE C57.105-2019 では、三相電気システムにおける変圧器の接続と構成について説明しています。これには、デルタと Y 字、接地と非接地、T 接続、ジグザグ、その他の特別な接続のすべての組み合わせが含まれ、2 つの巻線と単巻変圧器の両方をカバーしています。{6}}その他の関連規格には、中性点接地装置に関する IEEE C57.32、中性点接地抵抗に関する IEC 60076-25、およびテストと性能準拠に関する IS 2026/IS 5553 が含まれます。

IEEE C57.105 は元々、最大 34.5 kV の一次電圧を備えた配電システム向けに作成されたものですが、その原則はより広範囲に拡張されているということを認識することが重要です。

 

 

 

6.1 システムの中性点接地

ジグザグ変圧器の主な最も広く普及している用途は、非接地三相システム-、特にデルタ接続された変圧器二次側および非接地発電機またはインバータ バス用の接地中性点を作成することです。-このアプリケーションは複数の重要な機能を果たします。単線-対-地絡時の絶縁への過電圧ストレスを軽減し、保護中継に定義された接地基準を提供し、不平衡状態でも連続動作を可能にします。

太陽光発電や分散型エネルギー資源システムでは、従来のインバータには確実な中性点接続が欠けていることが多く、電圧の不均衡や接地の無効化につながります。ジグザグ変圧器は、グランドへの安定した低インピーダンス経路を確立し、障害状態でもシステムを安定させます。-高抵抗接地を備えた中電圧-ネットワークの場合、-ジグザグ接地変圧器と中性接地抵抗を組み合わせることで、即時トリップを必要とせずに障害検出感度を提供します。-この構成は、重要な産業プロセスに堅牢な保護を提供します。

 

ジグザグ変圧器の機能:

風力発電所

• 中電圧収集システム（例: 35 kV）に人工中性点を提供し、接地を可能にします。{0}
• -単線-から-地絡への低インピーダンス パスを提供し、過電圧を制限します
• 風力タービンコンバータからの 3 次高調波 (3 次、9 次など) を抑制します。
• Δ-Y 接地変圧器よりも小型かつ軽量で、洋上風力発電に最適です

太陽光（PV）システム

• 中性点が利用できない場合にインバータの AC 側の接地基準を確立します
• 三相の不平衡とインバータで生成される高調波を軽減します。{0}
• 低電圧ライドスルー（LVRT）機能を強化し、断線を防止します。{0}
• PV + 蓄電システムの統合フィルタ インダクタとして機能可能

最新の配電ネットワークにおける柔軟な相互接続デバイスは、中電圧側と低電圧側の両方でジグザグ変圧器接地が魅力的であることを実証しています。-、包括的な性能比較において、大リアクタンス接地や中間点接地の代替品より優れています。-

6.2 高調波の軽減

ジグザグ変圧器は、非線形負荷によって引き起こされる中性電流の問題を軽減する上で重要な役割を果たします。-三相 4 線配電システムは、スイッチ-モード電源、可変周波数ドライブ、その他の非線形電子負荷-の普及により、中性線の過負荷にますます悩まされています。{7}}従来の配電変圧器のデルタ-接続された一次側は、完全に平衡した負荷条件下でのみ 3 倍高調波を除去します。不平衡負荷でも中性電流が生成されます。

ジグザグ変圧器は、基本周波数電流に対しては高いインピーダンスを維持しながら、3 倍高調波に対しては低インピーダンスの経路を提供することで、この問題に対処しています。-デルタ-ジグザグとデルタ-Y 変圧器を戦略的に組み合わせることで、5 次と 7 次の両方の高調波をキャンセルでき、12- パルスのシステム性能を効果的に達成できます。より大規模なシステムの場合、負荷の近くに配置された複数の小型のジグザグ変圧器により中性電流が局所的に保たれ、特大の中性線の必要性がなくなり、基本的な負荷電流バランスが改善されます。

6.3 統合された AC-DC 電力変換

ジグザグ変圧器は、従来の電力品質機能を超えて、グリッド (AC) 電源と太陽光発電 (DC) 電源を組み合わせた統合 AC- DC 電力変換システムに応用されています。ジグザグ変圧器の巻線漏れインダクタンスは、統合 AC- DC システムの統合ブースト インダクタンスとして利用でき、個別のインダクタを使用した従来の設計と比較して部品点数とシステム全体の体積を削減できます。長方形の形状を持つ巻線の漏れインダクタンスを適切に表現する古典的なアプローチは、設計方法をサポートします。

高度なアプリケーションには、3 段シャント ジグザグ ダブルタップ-マルチパルス整流器が含まれます。ジグザグ変圧器構成は、高性能パワー エレクトロニクス システムの力率補正と高調波減衰をサポートします。-

6.4 実験室および研究施設

-粒子加速器や実験用配電システムを含む-研究施設は、非線形電子負荷によって引き起こされる中性電流を削減するための費用対効果の高いソリューションとしてジグザグ変圧器を導入しています。{{2}ジグザグ変圧器は、比較的低コストで、シンプルで、既存の配電システムへの設置が容易で、中性電流を局所的に維持できるため、電力品質が測定や機器の性能に直接影響を与える実験環境において魅力的です。{6}

 

 

 

 

7.1 地絡電流要件の決定-

ジグザグ変圧器のサイズを決める最初のステップは、望ましい地絡電流レベルを決定することです。-設計エンジニアは、電流制限のために変圧器の内部零相インピーダンスのみに依存するか、外部抵抗を挿入するかを決定する必要があります。-高抵抗接地システムの場合、中電圧システムでは通常、故障電流は 5 ～ 10 A に制限されます。-低抵抗システムでは、200 A 以上の故障電流が許容される場合があります。

7.2 kVA 定格の計算

与えられた中性電流の場合 (）およびシステムライン-から-の接地電圧（）、-ジグザグ変圧器の短時間 kVA 定格は次のとおりです。-

連続定格も指定する必要があります。 10- 秒のデバイスの場合、連続定格は短時間の定格の 3% に相当しますが、1 分のデバイスの場合は 7% が必要です。

7.3 アプリケーションの考慮事項

従来の電源変圧器とは異なり、接地変圧器は断続的に動作するデバイスです。{0}}短期間の高故障電流に耐える能力により、同等定格の連続デューティ変圧器と比較して大幅なコスト削減が可能になります。{2}}ただし、設計者は、熱耐性が上流の保護デバイスの予想されるクリア時間と一致することを確認する必要があります。接地変圧器は、固体接地用に指定することも、外部中性接地抵抗器と併用するように指定することもできます。-後者は、地絡電流の大きさを柔軟に制御できます-。

7.4 設置と試運転

信頼性の高い動作のためには、適切な現場設置が重要です。試運転前の作業には、絶縁抵抗テスト、巻線比の検証、位相シフトの検証を含める必要があります。-中性線の完全性を徹底的に検証する必要があります。-送電網への相接続が中断されると、接地機能が機能しなくなります。試運転テストでは、変圧器が通常の動作条件下で高い正相-および負相-インピーダンスを維持しながら、低いゼロ相{6}}インピーダンスを示すことを検証する必要があります。

50 Hz または 60 Hz で動作する場合、エンクロージャは屋内または屋外設置の環境要件を満たす必要があり、通常は屋外で使用する場合は換気されたタイプ 3R エンクロージャを使用します。

 

 

 

8.1 位相連続性感度

ジグザグ変圧器の基本的な制限は、接続されている 3 つの相すべてに依存していることです。{0}グリッドへの単相接続が存在しないと、相互依存する巻線電流の伝播が遮断され、地絡電流を流す能力がなくなります。この感度により、信頼性の高い位相接続が必須となり、誤って開回路状態を引き起こす可能性のあるスイッチング デバイスの挿入に反対します。-。

スタンドアロンの保護装置とは異なり、ジグザグ接地変圧器は、三相電源がアクティブである間、継続的に使用し続ける必要があります。{{0}{1}}接地変圧器が失われると、単線-対-の地絡により、故障していない相で高相-〜-中性点電圧が発生する可能性があり、負荷の不均衡により中性点のずれや過電圧が発生する可能性があります。

8.2 DC 注入時の飽和

最新の電力システムでは、系統に接続されたインバータ、地磁気の擾乱、その他の原因による DC 電流注入により、接地変圧器のコア飽和が発生する可能性があります。{0}{1}{2}飽和は、低インピーダンスの接地経路を提供する変圧器の効率を低下させ、過熱を引き起こす可能性があります。-重大な DC コンテンツを含むシステムでは、設計上の特別な予防措置や追加の監視が必要になる場合があります。

8.3 障害検出の複雑さ

保護技術者は、従来の差動リレーはジグザグ変圧器による内部地絡検出には不十分である可能性があることを認識する必要があります。{0}{1}包括的な保護範囲を確保するには、制限付き地絡ユニット、外部故障検出器、マグニチュードベースの指向性ユニット-などの特殊な保護スキーム-が必要になる場合があります。

 

 

 

ジグザグ変圧器は、最新の三相電気システムを実現する重要なコンポーネントです。-正相-および負相-コンポーネントに高インピーダンスを示しながら、ゼロ相電流に低インピーダンス経路を提供することで、非接地デルタ/Y システムと接地中性動作の安全性および運用上の利点との間のギャップを埋めます。-

主な要点は次のとおりです。

• 工事: 3 つのリム コアの相間で交差接続された 6 つの半巻線--
• 動作原理: アンペア-ターンバランスにより、平衡電流をキャンセルしながらゼロ相電流の流れが可能になります。-
• 一次用途: 非接地三相システム用の中性点接地-（デルタ給電または発電機システム）
• パフォーマンス上の利点: Y 型デルタ接地変圧器よりも効率が高く、サイズが小さい-
• 二次用途: 高調波の軽減（特に 3 倍高調波）、負荷分散、統合された AC-} DC 変換
• 設計上の考慮事項: 短期間の故障定格（10 秒または 1 分）、連続 3%～7% の容量に基づくサイジング-
• 保護要件: 特殊なスキームが必要。従来の差動保護では不十分な可能性がある
• 重要なインストール: 送電網への固相接続が必須。接地経路にスイッチングデバイスがないこと

ジグ{0}}ザグ接地変圧器と Y 接地変圧器-のどちらを選択するかは、最終的にはシステムの特定の要件、つまり故障電流制限のニーズ、利用可能な予算とスペース、高調波緩和要件、補助電源の利用可能性の要望によって決まります。ほとんどの接地用途では、ジグザグ変圧器の優れた効率、より小さい設置面積、より優れた高調波性能により、新規設置に最適な選択肢となっています。-