変圧器のコア構造を理解する

磁気回路の磁気エネルギー変換から回路の電力伝送まで、絶縁システムの安全性保証から構造コンポーネントの安定した支持まで、各材料の適用と各構造の設計は特定の機能を担っています。この記事では、変圧器本体のコア材料と構造的特徴を体系的に整理し、この主要な電力機器を完全に理解するのに役立ちます。

 

 

 

 

 

 

変圧器の材料選択は、「機能適応、性能優先、経済合理性」の原則に従って行われます。さまざまな部品の材料は、透磁率、導電率、絶縁強度、機械強度などの多次元の要件を満たす必要があります。-このうち主な材料は磁気回路材料、回路材料、絶縁材料、構造材料の4つに分類されます。さまざまな材料が連携して、変圧器の効率的かつ安定した動作を確保します。

(I) 磁気回路材料：磁気エネルギー変換用コアキャリア

磁気回路はトランスにとって電磁誘導を実現するための重要な経路です。その中心的な機能は、磁場を誘導して集中させ、磁気エネルギーの損失を減らすことです。したがって、磁気回路材料には、高透磁率、低鉄損、良好な磁気安定性などの特性が求められます。現在、変圧器の磁気回路材料として最も広く使用されているのは珪素鋼板とアモルファス合金コアです。

珪素鋼板は電磁鋼板とも呼ばれ、トランスの磁気回路の主流の材料です。純鉄にシリコンを添加することにより、材料の抵抗率が効果的に向上し、渦電流損失が低減され、透磁率が大幅に向上し、磁界エネルギーのより効率的な伝達が可能になります。珪素鋼板は圧延工程により、熱間圧延タイプと冷間圧延タイプ-に分けられます。その中でも、冷間圧延ケイ素鋼板は、より規則的な結晶方位により優れた磁気特性を有しており、現代の変圧器でより広く使用されています。珪素鋼板は通常、層間渦電流損失をさらに低減するために、薄板（厚さ0.35mmまたは0.5mm）に加工し、表面に絶縁層をコーティングします。使用時は複数のシートを重ねてコアを形成し、閉磁路を形成します。

コア特性の観点から見ると、珪素鋼板とアモルファス合金コアには明らかな違いがあります。具体的な比較は次の点に反映されます。

比較次元	ケイ素鋼板	アモルファス合金コア
鉄損性能	比較的高い従来のグレードは無負荷損失が高くなります。{0}	珪素鋼板の 1/3 ～ 1/5 と非常に低く、無負荷時の優れた省エネ効果-がある-
透磁率	高、中および高周波の磁場に適しています	低周波および弱い磁界でより高く、より速い磁界応答
加工と機械的特性	優れた延性、切断、打ち抜き、積層が容易で、複雑なコア構造に適応可能	脆性が高く、加工中に割れやすいため、特殊な切断装置や積層プロセスが必要
コストと経済性	成熟した技術、十分な生産能力、安定した比較的低コスト	複雑な準備プロセス、高い設備要件、比較的高い材料費
アプリケーションシナリオ	あらゆる電力レベルの変圧器、特に大型の変圧器や、コストと処理の複雑さに敏感なシナリオに適しています。	配電用変圧器、新エネルギー対応変圧器、およびエネルギー効率要件が厳しいその他の分野に最適

アモルファス合金コアは、近年開発された新しいタイプの磁気回路材料です。これらは急速凝固技術によって調製され、その原子配列は無秩序なアモルファス構造を示します。この特性が珪素鋼板に比べて鉄損が大幅に低い最大の理由です。アモルファス合金コアは、極めて低い鉄損に加えて、高い透磁率や優れた耐食性などの利点も備えており、非常に高いエネルギー効率要件が求められる電力シナリオに適しています。しかし、アモルファス合金材料には、高い脆性、高い加工難易度、比較的高いコストなどの問題もあり、一部の分野での大規模な応用が制限されています。-加工技術の進歩に伴い、アモルファス合金コアの成形能力は徐々に向上し、配電変圧器分野におけるアモルファス合金コアの適用割合は拡大し続けています。

 

(II) 回路材料: 電力伝送用の効率的な導体

 

この回路は、変圧器が電力の入力、変換、出力を実現するためのチャネルです。その中心的な要件は、伝送中の電力損失を低減するための低抵抗と高導電率です。変圧器回路の主導体材料は銅とアルミニウムです。 2 つの材料にはそれぞれ独自の長所と短所があるため、電力レベル、アプリケーション シナリオ、変圧器のコスト予算などの要素に応じて合理的な選択を行う必要があります。

銅導体は、優れた導電性（銀に次ぐ、20 度での導電率 58×10⁶ S/m）、優れた機械的強度、および耐食性により、変圧器回路で広く使用されています。銅は抵抗率が低いです。同じ電流負荷の下では、銅導体の損失と発熱が少ないため、変圧器の動作効率と信頼性が効果的に向上します。同時に、銅は延性に優れており、さまざまな仕様のワイヤや巻線に加工しやすく、さまざまな構造の変圧器の設計に適応します。特性の比較では、銅は導電効率、機械的安定性、耐老化性の点でアルミニウムよりも優れていますが、銅資源の希少性により価格が高く、大型変圧器やコストに敏感なシナリオでは機器の製造コストが大幅に増加します。

アルミニウム導体には、低コストと豊富な資源という主要な利点があります。価格は銅に比べて約1/3であり、変圧器の製造コストを大幅に削減できます。これは、中電圧および低電圧の変圧器の分野で応用される重要な理由でもあります。アルミニウムの導電率は銅よりも低いですが（20度での導電率は約37×10⁶ S/mで、銅の約64％にすぎません）、導電率の不足は、導体の断面積（通常は銅導体の1.6倍）を大きくすることで補うことができ、変圧器の回路伝送要件を満たします。ただし、アルミニウム導体には明らかな欠点があります。機械的強度が低く、引張強度は銅の半分しかありません。表面は酸化されやすく、高抵抗の酸化膜が形成され、導電性の安定性に影響を及ぼします。また、銅などの他の金属と接続すると電気化学腐食が発生しやすく、接触不良を引き起こします。したがって、加工および取り付けの際には、銅-の移行ジョイントを使用したり、接続部分に防食処理を実行したりするなど、特別なプロセスを採用する必要があります。-近年、アルミニウム合金材料技術の発展により、アルミニウムにマグネシウムやシリコンなどを添加した高強度アルミニウム合金導体が、機械的強度や耐食性を大幅に向上させ、純アルミニウム導体の欠点をある程度克服し、その適用範囲は徐々に拡大している。

銅導体とアルミニウム導体の間の詳細な性能比較を次の表に示します。

パフォーマンス指標	銅導体	アルミニウム導体
導電率(20度)	高 (58×10⁶ S/m)、IACS 100%	中程度 (37×10⁶ S/分)、IACS ~64%
比抵抗（20度）	低（1.68×10⁻⁸Ω・m）	より高い（2.82×10⁻⁸Ω・m）
機械的強度	高い引張強度、優れた耐疲労性	低く、応力下で変形しやすい
耐食性	良い、酸化しにくい	表面の酸化膜が貧弱で性能に影響を与える
加工・取り付け	延性が良く、加工や接続が容易	特別なプロセスが必要です (例: 移行ジョイント)
料金	高価で希少な資源	資源は少ないが豊富にある
アプリケーションシナリオ	高-変圧器、高効率の要件-	中圧および低圧変圧器、コスト重視のプロジェクト{0}}

 

(III) 断熱材: 安全な操作のための重要な障壁

変圧器の動作中、回路と磁気回路の間、および回路と構造部品の間には高い電位差が生じます。絶縁材の役割は、これらの電位差を遮断し、漏電やショートなどの故障を防ぎ、機器の安全で安定した動作を確保することです。絶縁材料には、優れた絶縁性能、耐高温性、耐老化性、機械的強度が求められます。使用部位や機能に応じて固体絶縁材料、液体絶縁材料、気体絶縁材料の3つに分類されます。

固体断熱材変圧器絶縁システムの中核であり、安定した形状と長期にわたる絶縁性能が特徴です。{0}}主に絶縁紙、絶縁ボール紙、絶縁ワニス、エポキシガラスクロス板、スペーサー、アングルリングなどが挙げられます。絶縁紙と絶縁ボール紙は最も基本的な固体絶縁材料であり、原材料により植物繊維（木材パルプなど）と合成繊維（アラミド繊維など）に分けられます。植物繊維絶縁紙は、低コストで吸油性能に優れ、絶縁油との相乗的な絶縁システムを形成できます。多くの場合、巻線のターン間および層間絶縁、およびコアと巻線間の絶縁に使用されます。合成繊維絶縁紙（ノーメックス紙など）は、高温耐性（最大 180 度までの長期動作温度）、耐老化性、高い機械的強度という利点があり、高温環境における乾式変圧器や油入変圧器の重要な絶縁部分に適しています。-絶縁ワニスは油性絶縁ワニスと樹脂絶縁ワニスに分けられます。油-ベースのワニスは低コストですが耐熱性が低く、主に小型で低電圧の変圧器に使用されます。-樹脂ワニス（エポキシ樹脂ワニス、ポリウレタンワニスなど）の方が耐熱性、絶縁強度が高いです。巻線に含浸させることで、巻線の隙間を埋めてワイヤを包み込み、連続した絶縁層を形成します。これにより、絶縁性能が向上するだけでなく、巻線の完全性が向上し、振動や摩耗が防止されます。エポキシガラスクロス板はガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させてホットプレスしたもので、高強度、耐高温性、絶縁性に優れています。変圧器のサポート、隔壁、端子台などの構造絶縁コンポーネントの製造によく使用されます。スペーサとアングルリングは主にボール紙またはエポキシ材料でできており、それぞれ巻線の内部支持と巻線端の絶縁に使用され、巻線の安定した構造と十分な絶縁距離を確保します。

液体絶縁材絶縁油としても知られ、主に油入変圧器に使用され、絶縁、冷却、消弧という 3 つの主要な機能があります。-変圧器の容量と耐用年数を効果的に向上させることができます。一般的に使用される絶縁油は、鉱物絶縁油、合成絶縁油、植物絶縁油の 3 つに主に分類されます。鉱物性絶縁油は石油から精製され、優れた絶縁性能（耐電圧40kV以上）、高い放熱効率、良好な流動性、低コストなどの利点を持っています。固体絶縁材料と互換性があり、絶縁紙に完全に含浸して複合絶縁システムを形成できます。現在、世界中の油入変圧器で最も広く使用されている液体絶縁材料です。-合成絶縁油とは、ポリアルファオレフィンやシリコーンオイルなど、化学合成法により調製される絶縁油です。その最大の特徴は、高い引火点（通常 300 度以上）、強力な耐老化性、良好な低温流動性です。-防火要件の高いシナリオ（高層ビル、地下変電所など）で広く使用されていますが、コストが高いため、大規模な普及は制限されています。-植物性絶縁油は、大豆油や菜種油などの植物油から精製された環境に優しい絶縁油です。生分解性が良く、引火点が高く、再生可能な資源という利点があり、グリーン環境保護の発展傾向と一致しています。ただし、耐老化性と低温流動性はまだ改善の必要があり、現在は主に配電変圧器などの小型機器に試験的に適用されています。-

ガス断熱材環境の影響が少なく、放熱が均一で、漏電の心配がないという特徴があります。主にガス絶縁変圧器(GIT)や乾式変圧器-の補助絶縁に使用されます。一般的に使用されるガスには、六フッ化硫黄 (SF6)、窒素 (N2)、乾燥空気などがあります。六フッ化硫黄は現在最も優れた断熱性能を有するガス断熱材の一つです。その破壊電界強度は空気の 3 倍以上で、優れた消弧性能、安定した化学的性質を持ち、老化しにくいです。{6}}したがって、ガス絶縁変圧器やガス絶縁開閉装置-に広く使用されています。しかし、六フッ化硫黄は、地球温暖化係数 (GWP) が非常に高く、大気中での滞留時間が長い強力な温室効果ガスです。環境保護規制がますます厳しくなるにつれて、その用途はますます制限されます。現在、リサイクル技術は主に排出量を削減するために使用されています。不活性ガスとしての窒素には、供給源が広く、コストが低く、環境保護があり、汚染がないという利点があります。絶縁性能は六フッ化硫黄に比べて劣りますが、ガス圧力（通常0.3-0.5MPa）を高めることで変圧器の絶縁要件を満たすことができます。乾式変圧器の窒素充填保護-やガス絶縁変圧器の代替ガス-によく使用されます。ドライエアは除湿した空気で、窒素と同等の断熱性能を持ち、コストも抑えられます。主に小型乾式変圧器の絶縁・冷却に使用されますが、絶縁性能は湿度に大きく影響されるため、含水率を厳密に管理する必要があります。

さまざまな断熱材の主な特性の比較を次の表に示します。

絶縁タイプ	特定の材料	主な特徴	アプリケーションシナリオ
固体絶縁体	絶縁紙（植物・合成繊維）、絶縁ワニス、エポキシガラスクロス板	安定した形状、長持ちする断熱材、さまざまな温度耐性レベル	巻線絶縁、構造絶縁部品
液体断熱材	鉱物絶縁油、合成絶縁油、植物絶縁油	絶縁+冷却+消弧、良好な流動性	油入変圧器、-高電力機器-
ガス絶縁	六フッ化硫黄(SF₆)、窒素(N₂)、乾燥空気	漏れのリスクがなく、均一な熱放散が可能	ガス-絶縁変圧器、乾式変圧器-

 

(IV) 構造材料と付属品: サポートと保護のための重要な保証

構造材料と付属品は、機械的サポート、構造強化、性能監視、安全保護を実現する変圧器の重要なコンポーネントです。設計と材料の選択は、変圧器の機械的安定性、動作信頼性、耐用年数に直接影響します。

構造材料は主に変圧器の支持、磁気回路と回路の補強、絶縁流体の封入などの機能を担っています。コアコンポーネントには、クランプ、オイルタンク、ラジエーター、オイルコンサベータなどが含まれます。クランプは通常鋼製で、コアと巻線を固定するために使用され、磁気回路と回路構造の安定性を確保し、動作中の電磁力によるトランスの振動や変位を防ぎます。油タンクは油入変圧器の中心となる封入部品であり、鋼板で溶接され、絶縁油と変圧器の主要構造を収容するために使用され、同時に密封、腐食防止、機械的保護の役割を果たします。ラジエーターはフィン付きタイプやチューブラータイプなどのさまざまなタイプに分けられ、動作中に変圧器で発生する熱を空気中に伝導し、放熱面積を増やして機器の冷却を実現します。オイルコンサベータはオイルタンクの上部に接続されており、温度変化による絶縁油の体積膨張・収縮を補償すると同時に、絶縁油と空気の接触面積を減らし、油の劣化を遅らせます。

変圧器アクセサリは変圧器のタイプ（乾式{0}}タイプまたは油浸-）によって異なり、主に性能監視と保護機能を担っています。乾式変圧器のコアアクセサリには、温度コントローラ、ファン、計器用変圧器などが含まれます。温度コントローラは、巻線とコアの温度をリアルタイムで監視し、温度がしきい値を超えたときに警報信号を発するために使用されます。ファンは温度コントローラーと連動しており、温度が上昇すると自動的に起動し、放熱効果を高めます。計器用変圧器は、変圧器の電圧と電流を測定し、電力システムの測定と保護のためのデータ サポートを提供するために使用されます。油入変圧器の付属品には、温度コントローラに加えて、-ガスリレー、圧力リリーフバルブ、タップ切替器などが含まれます。ガスリレーは、油入変圧器の中核となる保護部品です。-変圧器内部に異常が発生してガスが発生したり、絶縁油の流量が異常になったりした場合に、適時に警報信号を発したり、電源を遮断したりすることができます。圧力リリーフバルブは、オイルタンク内の圧力が故障により一定の値に上昇したときに、オイルタンクの破裂を防ぐために自動的に圧力を解放するために使用されます。タップ切換器は、変圧器の巻線ターン数を調整するために使用され、電力網電圧の変動に適応する出力電圧の調整を実現します。

 

 

トランスの主な構造は、さまざまな材料を有機的に組み合わせたもので、「磁気回路-回路-絶縁-構造」を統合した相乗システムを形成しています。磁気回路の核となるコアは、クランプを介して油タンク（油入変圧器）またはブラケット（乾式変圧器）に固定されます。{4}巻線はコアコラムに巻かれ、電磁誘導のコアユニットを形成します。巻線とコアの間、および巻線と巻線の間を絶縁するために固体絶縁材料が使用されます。油入変圧器では、絶縁油がさまざまな部品間の隙間を埋め、絶縁と冷却を同時に実現します。オイル タンクやクランプなどの構造コンポーネントはコア コンポーネントを機械的にサポートし、アクセサリは機器の動作状態をリアルタイムで監視し、障害が発生した場合には保護メカニズムを起動します。{9}}

この構造設計は、電磁誘導を効率的に実現するだけでなく、絶縁システムと保護アクセサリによって動作の安全性も確保します。同時に、構造材料のサポートと放熱部品の役割により、機器の耐用年数が長くなります。さまざまなアプリケーション シナリオで、変圧器の構造は的を絞って調整されます。たとえば、乾式変圧器はオイルタンクと絶縁油が不要で、空冷と固体絶縁が採用されており、防火要件の高い建物の内部に適しています。油入変圧器は優れた放熱性能を備えており、屋外の大規模送電シナリオに適しています。-

 

 

 

 

 

トランス本体の材料選択と構造設計は、コア機能を実現するための基礎となります。磁気回路材料の高透磁率、回路材料の低抵抗、絶縁材料の強力な絶縁、構造材料と付属品の支持および保護の役割が組み合わさって、効率的で安全かつ信頼性の高い電力変換装置を構築します。エネルギー効率と信頼性に対する電力システムの要件が継続的に改善されるにつれ、変圧器材料もより省エネで耐久性のある方向に開発されています。-たとえば、アモルファス合金コアや新しい複合絶縁材料の応用が徐々に普及しています。構造設計はよりインテリジェントになっています。センシング技術とモノのインターネット技術を融合することで、変圧器の稼働状況の正確な監視とインテリジェントな運用・保守を実現します。 -変圧器本体の材料と構造を深く理解することは、機器の設計、製造、運用と保守、アップグレードの指針として非常に重要であり、電力システムの安定した動作を確保するための確かな保証にもなります。

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