トランスのインピーダンス

 

 

 

1.1インピーダンスの定義

定義：トランスのインピーダンスは、電流が流れるときに電流に及ぼす抵抗を指します。耐性と誘導反応性の2つの部分で構成されています。インピーダンスの大きさは通常、パーセンテージとして表され、トランスネームプレートにマークされます。

構成要素：

•抵抗（R）：これは、トランス巻線の電気導体の抵抗部分であり、主に巻線の材料と長さによって決定されます。耐性は、銅の損失として知られている熱エネルギーの形で電気エネルギーを失う可能性があります。

•帰納的リアクタンス（X）：インピーダンスのこの部分は、巻線のインダクタンスに由来します。交互の電流が巻線を通過すると、誘導性リアクタンスは電流の変化を妨げます。誘導反応性は、主に巻線の幾何学的構造と巻線間の漏れ磁気フラックスによって決定されます。

 

1.2インピーダンスの式モード

総インピーダンスは通常、複雑な形で表され、抵抗性と誘導反応性の組み合わせで構成されています。

z=r+jx、  その中で、Jは架空の単位です

注：インピーダンスは、単一の高電圧または低電圧自体のインピーダンスを指しませんが、むしろ、低電圧、抵抗、リアクタンスへの高電圧のインピーダンスを参照します。これらは、特定の動作状態の下での変圧器間のインピーダンスを表すために使用されます。

たとえば、3コイルトランスのインピーダンス：

高電圧 - 低電圧

高電圧 - 中電圧

中電圧 - 低電圧

 

 

2.1短絡インピーダンスの定義

定義：トランスネームプレートの短絡インピーダンスは非常に重要なパラメーターであり、短絡条件下でのトランスの電気的特性を反映しています。短絡インピーダンスは通常、パーセンテージ（％Z）として表され、変圧器の二次巻線が一次巻線の定格電圧に短絡する場合に、一次巻線に適用する必要がある電圧の比を表します。

 

 

定式化：

短絡インピーダンス（）次の式で表現できます。

その中で：

• 二次巻線が短絡している場合に、一次巻線が定格電流に到達するために必要な電圧です。

• 一次巻線の定格電圧です。

短絡インピーダンスの重要性

 

2.2短絡インピーダンスの重要性

2.2.1短絡電流を制限します

短絡インピーダンスは、二次巻線が短絡しているときに変圧器によって生成される短絡電流の大きさを決定します。短絡電流は、電力システムで発生する可能性のある最大電流であり、機器とシステムの安全性に深刻な脅威をもたらす可能性があります。

短絡インピーダンスが大きいほど、短絡電流が小さくなります。これにより、トランスとダウンストリームの機器が過剰な短絡電流による損傷から保護します。

短絡計算

与えられる：変圧器のネームプレート容量は100MVA、電圧は132\/11 kV、短絡インピーダンスは10％です。高電圧辺と低電圧の両方の短絡電流を計算します。

=短絡電流

=定格電流

z％=短絡インピーダンス

 

高電圧側：

 

低電圧側：

 

2.2.2電圧調整

短絡インピーダンスと電圧降下

短絡インピーダンスの大きさは、変圧器の電圧降下に直接影響します。大規模な短絡インピーダンスとは、変圧器が負荷をかけている場合、巻線の電圧低下も大きくなり、出力電圧の大幅な低下につながることを意味します。言い換えれば、短絡インピーダンスが大きいほど、出力電圧が荷重が変化するとより変動するため、電圧調節性能が悪化します。

2.2.3並列操作

複数の変圧器が並行して動作する場合、短絡インピーダンスの大きさにより、各変圧器が耐える負荷の割合が決定されます。平行変圧器の短絡インピーダンスが異なる場合、負荷は不均一に分布します

•低インピーダンスを備えたトランス

それは比較的大きな負荷を負担します。これは、より小さなインピーダンスが電圧低下が小さいことを意味するため、より電流を送信できるため、負荷が大きくなるためです。

•高インピーダンスを備えたトランス

その後、それはより少ない負荷を負担します。これは、より大きなインピーダンスがより大きな電圧低下を生成し、伝達電流が小さくなり、負荷が少ないためです。

並列操作の条件の1つは、複数の変圧器のインピーダンスが同じであることです。

2つの変圧器が並行して動作しているとします。

トランスAの短絡インピーダンスは8％です。

トランスBの短絡インピーダンスは10％です。

これら2つの変圧器がAの短い回路のインピーダンスが小さいため、並行して動作する場合、たとえばシステムの総負荷が1000kVaの場合、トランスBが400kvaのみを負担します。

この不均一な負荷分布は、次の問題につながる可能性があります。

•過負荷：インピーダンスが低い変圧器は過負荷になる場合がありますが、高インピーダンスのあるトランスは光負荷状態にある場合があります。

•効率が低い：不均一な負荷分布により、システム全体の運用効率が低下する可能性があります。

•寿命の短縮：過負荷条件下で動作するトランスは、熱応力と加速老化により寿命が短くなる可能性があります。

2.2.4保護設定

短絡インピーダンスは、リレーや回路ブレーカーなどの保護デバイスの設定に直接影響を与えます。保護装置は通常、短絡電流に従って設定する必要があり、短絡が発生したときに障害を迅速かつ効果的に遮断し、システムの他の部分への影響を減らすことができます。

トランスの短絡インピーダンスを理解することは、システムの安全性と信頼性を確保するために、適切な保護設定を設計するのに役立ちます。

 

 

3.1高インピーダンスの利点

•短絡電流を制限します

高いインピーダンスを備えた変圧器は、短絡が発生したときに短絡電流の大きさを制限する可能性があります。これにより、電源システムと機器の保護に役立ち、システムに対する障害の影響が軽減されます。

•並列操作中の柔軟性

並行して動作するトランスでは、インピーダンスにわずかな違いがある場合（合理的な範囲内）、荷重を分布させ、インピーダンスが小さすぎるために単一の変圧器に負荷の過度の濃度を避けるのが簡単です。

•コストは比較的低い場合があります

一部の設計では、インピーダンスを増やすと、使用される巻き材の量が減り、製造コストが削減されます。

 

3.2高インピーダンスの欠点

電圧調整のパフォーマンスは低いです

高インピーダンスを備えた変圧器は、負荷が変化すると出力電圧に大幅な変動を経験します。これは、安定した電圧を必要とする負荷には不利であり、電圧低下は比較的大きいです

比較的大きなエネルギー損失

より大きなインピーダンスは、より大きな抵抗とリアクタンスを意味し、エネルギーの損失が高くなり、変圧器の効率を低下させる可能性があります。

 

3.3低インピーダンスの利点

優れた電圧調節性能を持っています

低インピーダンスの変圧器は、負荷が変化するときに出力電圧の変動が小さく、より安定した電圧を提供できます。これは、電子デバイスやデータセンターなどの電圧変動に敏感なデバイスにとって非常に重要です。電圧低下が比較的小さいです。

高効率

より少ないインピーダンスは、抵抗とリアクタンスが低いことを意味し、通常、エネルギー効率が高くなり、操作中の損失が減少します。

 

3.4低インピーダンスの欠点

短絡電流は比較的大きいです

低インピーダンスとは、短絡が発生すると、電流が非常に大きくなり、システムと機器に大きな影響を与える可能性があることを意味します。これには、より複雑で高価な保護対策が必要です。

製造コストが高い

低インピーダンスを達成するには、通常、より多くの材料（より厚いワイヤやコアよりも大きなコアなど）とより複雑な製造プロセスを使用する必要があります。これにより、コストが増加します。

 

3.5妥協の選択

実際のアプリケーションでは、トランスデザイナーは通常、インピーダンスの大きさの間のバランスポイントを見つける必要があります。

このバランスポイントは次のことに依存します。

•電力システムの保護要件

短絡電流を厳密に制御する必要がある場合、より大きなインピーダンスを備えた設計が選択される場合があります。

•負荷の電圧安定性要件

非常に安定した出力電圧が必要な場合、より小さなインピーダンスのある設計が選択される場合があります。

•コスト検討

パフォーマンス要件を満たすという前提で、コストは多くの場合、重要な意思決定要因です。

 

 

4.1テスト目的

短絡インピーダンスおよび負荷損失テストは、変圧器の重要なテストであり、変圧器の短絡インピーダンス（％Z）と短絡条件下での負荷損失（つまり、銅損失）を決定するために使用されます。このテストは、特定の作業条件下でトランスの重要な電気的特性情報を提供できます。これは、変圧器の設計品質と性能を検証するのに役立ちます。

•短絡インピーダンス（％Z）を測定する

短絡インピーダンスは、トランスの抵抗とリアクタンスの複合効果を反映しており、断層条件下でのトランスの性能を評価するために重要です。

•負荷損失を測定します

負荷損失（または銅の損失）は、定格荷重下でのトランスの巻線抵抗によって引き起こされる電力損失であり、これは短絡インピーダンステストで測定できます

 

4.2テスト原則

短絡インピーダンステストでは、二次巻線（通常は低電圧側）を短絡する際に、変圧器の一次巻線（通常は高電圧側）に比較的低い電圧を適用し、現時点での一次巻線の電圧、電流、電力を測定することが含まれます。これらの測定値に基づいて、変圧器の短絡インピーダンスと負荷損失を計算できます。

 

4.3テスト手順

4.3.1テスト準備

配線：短絡した二次側（低電圧側）トランスの巻線と、一次側（高電圧側）巻線を調整可能な電源に接続します。

機器の準備：測定デバイスを接続して、電圧、電流、電力などのパラメーターを記録します。

4.3.2適用電圧

一次側の電圧をゼロから、一次側の電流が定格電流に達するまで徐々に上昇します。この時点で、二次側の短絡のため、電圧はゼロに近いはずです。

4.3.3測定

電圧：電圧を測定して記録します一次側

電流：電流を測定して記録します一次側

電力：入力アクティブパワーPを測定および記録します。これは、主に巻線の負荷損失（銅損失）です。

4.4.4計算

短絡インピーダンスの計算式:

割合の短絡インピーダンス（％z）：

その中で、変圧器の定格電圧です

負荷損失（銅損失）は、測定された電力Pを指します。

4.4.5テスト条件

試験は通常、室温で行われますが、巻線抵抗に対する温度の大きな影響により、実際の測定された負荷損失には温度補正が必要になる場合があります。

テストでは、印加電圧が比較的低くなっています。二次巻線が短絡している場合、定格電流を生成するには低い電圧を適用するだけで十分であるため、定格電圧ではなく定格電流に到達する必要があります。

4.4.6テスト結果の分析

短絡インピーダンス値

測定された短絡インピーダンス値は、設計値またはネームプレートの値と一致する必要があります。違いが重要な場合、変圧器の設計または製造に問題があることを示している可能性があります。

負荷損失

測定された負荷損失（銅損失）は、フルロード条件下での変圧器の効率を評価するために使用されます。この損失は、設計で指定された範囲内である必要があります。

4.4.7の重要性

短絡インピーダンステストは、変圧器の設計と製造品質を検証するだけでなく、システムの断層分析、保護デバイスの設定、トランスの並列動作の重要なデータも提供します。このテストを通じて、エンジニアは実際の動作で変圧器の安全性と信頼性を確保できます。結論として、短絡インピーダンステストは、変圧器が設計仕様に準拠し、安全かつ効率的に動作できるようにするための重要なステップです。