変圧器の圧力解放および故障検出システム

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1. はじめに

 

油入変圧器では、内部圧力の変化は通常の動作の一部です。{0}負荷サイクル中に変圧器油が加熱および冷却されると、タンク内の密閉されたガス空間が膨張および収縮し、変圧器の筐体内に徐々に圧力変動が生じます。通常の動作条件下では、これらの圧力変化はゆっくりと発生し、主に周囲温度の変化と変圧器の負荷に関連しています。

ただし、内部の電気的障害により、まったく異なる圧力動作が発生します。巻線の故障や内部アーク発生などの現象が発生すると、絶縁油が急速に分解してガスとなり、タンク内に突然の圧力波が発生することがあります。このような故障によって発生する圧力上昇は数ミリ秒以内に発生するため、変圧器には圧力解放装置だけでなく、タンクの壊滅的な故障が発生する前に異常な圧力挙動を特定できる専用の故障検出システムも必要です。

このため、最新の変圧器保護システムは一般に 2 つの主要なカテゴリに分類されます。

• 圧力リリーフシステム
• 障害検出システム

この多層保護の哲学は、IEEE C57 標準および IEC 60076 の変圧器設計実践に広く反映されています。

 

2. 圧力開放と故障検出

 

「圧力解放」と「故障検出」という用語は、変圧器業界では同じ意味で使用されることがありますが、根本的に異なる機能を果たします。

変圧器圧力解放装置は、変圧器タンクの機械的変形や破裂を防ぐために、過剰なタンク圧力を物理的に解放するように設計されています。これらのデバイスは主に圧力の大きさに応答し、変圧器の圧力保護システムの基礎を形成します。

一方、故障検出デバイスは、内部の電気的故障に関連する圧力変化の速度または特性を監視します。圧力を解放するのではなく、アラームまたはトリップ信号を生成して、変圧器を電力システムから隔離します。

この区別は、変圧器のサイズと障害エネルギー レベルが増加するにつれて、ますます重要になります。

 

表 1 – 圧力リリーフと故障検出の違い

3. 変圧器圧力逃がし装置

 

3.1 圧力リリーフバルブ (PRV)​​​​​​​

圧力解放バルブは、変圧器タンクを内部の過剰な圧力から保護するように設計されています。タンク内の圧力が放出圧力に達すると、バルブが自動的に開き、圧力が安全な圧力に低下するまでガスを放出します。さらに、変圧器用途では、必要に応じて操作リングを引いて圧力リリーフバルブを手動で操作して内部圧力を下げることができます。

IEEE の慣例では、PRV 変圧器設計の一般的なクラッキング圧力は約 10 PSIG ±2 PSIG ですが、CSA アプリケーションではより低い圧力設定が使用されることがよくあります。圧力が解放された後、変圧器システムの圧力解放バルブは自動的に再密閉され、変圧器タンクの完全性を維持します。

 

PRV はそのシンプルな構造と信頼性の高い動作により、以下の分野で広く使用されています。

• 柱上変圧器-
• パッド-に取り付けられた変圧器
• 油入配電変圧器-
• 小型ユニット変電所

 

大型の変圧器 PRD システムと比較して、圧力上昇が比較的緩やかで予測可能な低 kVA 変圧器には、PRV が一般的に好まれます。多くの配電変圧器用途において、変圧器タンク内の PRV バルブは依然として基本的な機械的圧力保護の最も一般的な形式です。

3.2 圧力逃がし装置 (PRD)

圧力逃がし装置 (PRD) は圧力逃がし弁 (PRV) と本質的に同じ目的を果たし、変圧器タンクを過剰な内部圧力から保護します。ただし、実際には、PRD はより大きな電力定格に関連付けられることが一般的です。通常、約 1,500 kVA 未満の変圧器に PRD が設置されているのは見かけませんが、アプリケーションで必要な場合は、より小型のユニットに PRD を使用することに技術的に問題はありません。

ほとんどの PRD は変圧器タンクの上部に取り付けられており、故障状態時に内部のガスや圧力の蓄積がすぐに解放される可能性があります。

「圧力逃がし装置」は PRV と PRD の両方に対する一般的な業界用語としてよく使用されるため、この用語は混乱を招く可能性があります。ほとんどの場合、PRV は小型の配電変圧器で使用されますが、PRD はより高速な圧力応答と障害表示を必要とする大型のユニットまたはアプリケーションでより一般的です。

変圧器圧力逃がし装置は、過剰な内部圧力を逃がす PRV - と同じ基本機能を実行します - が、通常は、より高い流量能力、高速応答時間、信頼性の高い再シール性能、およびオプションのアラームまたは監視機能を備えて設計されています。高度な PRD 設計は、正確な開放圧力、短い動作時間、信頼性の高い長期的な屋​​外性能、湿気、塵、空気の侵入に対する効果的なシールを提供し、タンクの正圧を維持し、変圧器の動作信頼性を向上させます。-

 

カバーに取り付けられた PRD の主な利点の 1 つはモニタリング機能です。{0}多くの変圧器圧力解放装置アセンブリには次のものが含まれます。

• 視覚的なセマフォまたは操作インジケーター
• リモートアラーム接点
• SCADA- 互換のモニタリング出力

 

このため、PRD は、遠隔監視が必要な変電所や産業用電力システムに特に適しています。

PRD は一般的に次の用途に適用されます。

• ユニット変電所変圧器
• 中電力変圧器
• 大型電源トランス
• 商用変電所変圧器

 

大規模なユーティリティ用途では、内部故障エネルギーと油量が大きくなるため、エンジニアは小型の PRV ではなく、圧力リリーフ デバイスの変圧器配置を選択することがよくあります。

3.3 ラプチャーディスク

ラプチャー ディスクは通常、高エネルギー変圧器用途における最終的な緊急圧力解放装置として使用されます。{0}

PRV や標準 PRD とは異なり、ラプチャー ディスクは内部圧力が臨界限界に達すると即座に破裂するように設計されたリセット不可能な装置です。{0}その主な目的は、壊滅的な内部障害が発生した際に、迅速な全領域の通気を提供することです。-

 

破裂板は手術後に交換する必要があるため、通常は次の用途に予約されています。

• 大型電源トランス
• 炉用変圧器
• 主変圧器
• 高障害レベルの産業用システム-

工学の実践において、破裂板は最高レベルの機械的圧力保護を表します。

4. 変圧器故障検出装置

 

4.1 内部障害検出器 (IFD)

内部故障検出器（IFD）は、シンプルでありながら非常に効果的なフィールド安全装置として、柱{0}}およびパッド-に設置された変圧器で広く使用されています。

IFD は、変圧器タンク内のアーク故障によって引き起こされる急激な内圧上昇を検出します。アクティブにすると、明るい色の視覚インジケータが飛び出すため、電力会社の作業員は、変圧器に内部障害が発生しており、再通電すべきではないことをすぐに識別できます。-

 

最新の IFD システムの主な利点の 1 つは、多くの設計で、変圧器アセンブリ内の標準 IEEE または CSA 準拠の PRV が同じデバイスに統合されており、以下を組み合わせていることです。

• 圧力リリーフ
• 障害表示

単一のコンパクトな構造にまとめられています。

 

IFD は一般的に次の場合に使用されます。

• 単相-柱上-変圧器
• 三相-柱上-変圧器
• パッド-に取り付けられた変圧器
• 小型変電所変圧器

SPR システムと比較して、IFD はよりシンプルで経済的であり、特にディストリビューション レベルのアプリケーションに適しています。{0}}

4.2 急圧リレー（SPR/RPR）

 

これらのシステムは一般的に次の用途で使用されます。

• 中電力変圧器
• 大型電源トランス
• 整流器変圧器
• 炉用変圧器
• 主変圧器

 

IFD と比較して、急速圧力上昇リレー保護システムはより迅速な電気統合を実現し、重要な公共用途や産業用途により適しています。

4.3 ブッフホルツリレー

ブッフホルツ リレーは、保守器-タイプの変圧器で使用されるガス-および油-の流れ-で動作する故障検出装置です。

主に圧力の変化に反応する SPR および IFD システムとは異なり、ブッフホルツ リレーは以下を通じて内部故障を検出します。

• ガスの蓄積
• オイルサージの動き

 

リレーは通常、次の 2 段階で動作します。

• 初期故障の警報
• 重大な内部障害によるトリップ

 

ブッフホルツ リレーは次の分野で広く使用されています。

• コンサベータ-タイプのユニット変電所
• 中電力変圧器
• 大型電源トランス

 

ブッフホルツ リレーは、ゆっくりと進行する絶縁欠陥を検出する能力があるため、依然として大型の油入変圧器における最も重要な故障検出デバイスの 1 つです。{0}}

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​。エンジニアリング実践における保護階層

 

実際の変圧器アプリケーションでは、これらのデバイスはすべての変圧器クラスで均等に使用されるわけではありません。その代わりに、変圧器のサイズと故障エネルギーが増加するにつれて、保護システムは徐々に高度化しています。

 

表 2 – 変圧器クラス別の代表的な保護装置の用途

この層状構成は、変圧器保護が基本的な機械的圧力解放から統合された機械的および電気的障害保護システムへと進化するという工学原理を反映しています。

6. 結論

 

最新の変圧器の安全設計は、単一のデバイスに依存するのではなく、圧力解放システムと故障検出システムの調整に基づいています。

PRV および PRD は、通常および異常な動作条件中に制御された機械的圧力解放を提供します。ラプチャーディスクは、壊滅的な故障時に究極の緊急保護を提供します。 IFD と突然の圧力リレー システムは、内部の電気的故障によって引き起こされる突然の圧力上昇を検出し、ブッフホルツ リレーは、絶縁不良の発生に伴うガスの発生とオイルの動きを監視します。

これらのデバイスが連携して多層変圧器保護アーキテクチャを形成し、配電、産業、商用電力システム全体の動作信頼性、人員の安全性、障害分離機能を向上させます。{0}