変電所内の補助変圧器の雷保護のための予防措置にはどのようなものがありますか？

配電の仕事をしている人なら、変電所の補助変圧器が、冷却ファンから制御回路、非常用電源に至るまで、重要なシステムの稼働を維持する静かな主力であることをご存知でしょう。しかし、落雷に対して驚くほど脆弱でもあり、雷サージによって巻線が損傷し、絶縁体が浸食され、変電所セグメント全体が数日間にわたって停止する可能性があります。のサプライヤーとして変電所の補助変圧器, 私は何年もかけて、事業者がこれらのリスクを軽減できるよう支援してきました。そして今日は、嵐が襲うときにこれらの変圧器を安全に保つ実証済みの予防策を詳しく説明します。

まず、なぜ雷が補助変圧器にとってこれほど特別な脅威となるのかを基礎的に考えてみましょう。サージ保護の焦点となることが多い主電源変圧器とは異なり、補助ユニットは小型で、屋外と屋内の両方の変電所スペースに設置され、より低い電圧レベル (通常は最大 10kV) に対応するように構築されています。つまり、近くの雲から地面への衝突による小さなサージでも、特に通信範囲内の変電所の架空線、バスバー、または接地インフラストラクチャに衝突した場合には、絶縁システムが破壊される可能性があります。数年前、中西部の田舎の変電所で嵐によって3台の補助変圧器が破壊されたのを見たことがありますが、これは直撃によるものではなく、サージが保護されていない中圧線を通って補助装置に伝わったためでした。そのため、(単一の修正だけではなく) 多層的なプロアクティブな保護には交渉の余地がありません。

1. サイトの選択と物理的配置: 防御の第一線

補助変圧器を設置する前に、どこに設置するかが最も重要です。特に、直接雷にさらされる室外機の場合です。多くの変電所運営者は一般的な取り付けスポットにこだわっていますが、ここでの小さな調整が大きな違いを生む可能性があります。まず、屋外補助変圧器を変電所の主母線と避雷器の終端から少なくとも 15 ～ 20 メートル離して配置します。 「なぜ避雷針の下に設置しないのですか?」と疑問に思われるかもしれません。なぜなら、マストは自身のアースに直接衝撃を与えますが、近くのサージ電流によって近くの機器に電圧が誘導される可能性があるからです。私がこのことを知ったのは、500kVA の屋外補助ユニットを避雷マストから 22 メートルの場所に移設したテキサスの電力会社と協力したときです。移転後、サージ関連の故障率は 2 年間で 65% 減少しました。

通常、開閉装置室または制御建物に取り付けられる屋内補助変圧器の場合も、配置が同様に重要です。外壁への設置は避けてください。屋外の変電所コンポーネントからの雷によるサージの導電経路として機能する可能性があります。代わりに、磁気結合を減らすために、コンクリートやレンガなどの非導電性素材で囲んで、部屋の中心に向かって押し込みます。コア設計のどちらかを選択する場合は、エポキシ樹脂ユニット (以下にリンク) を使用すると、屋内設置の保護層を追加するより緊密な絶縁が提供されます。そういえば、乾式補助ユニットの主な設置環境を 2 つ整理しておきます。

• 屋外用乾式変圧器: これらは風化 (紫外線、雨、温度変化) に耐えるように作られており、多くの場合、耐候性のケースに入れられています。これらを配置するときは、そのケーシングが変電所の主接地グリッドに接地されていることを確認してください。これについては後ほど説明します。室外機のリンクはこちら屋外用乾式変圧器では、屋外変電所の直接使用向けに評価された当社の耐候性モデルについて詳しく説明します。
• 屋内乾式変圧器: 変電所の屋外スペースが限られている場合は、屋内モデルを次の場所で入手できます。屋内乾式変圧器は、外部からの落雷による直接の落雷を避けるため、空調管理された屋内エリアに設置されるように設計されています。

2. 適切な接地インフラストラクチャ: 雷保護の根幹

接地は単なるチェックボックスではなく、雷サージのエネルギーを変圧器の巻線からそらす方法です。ほとんどの変電所運営者は補助ユニットに 1 本の接地棒を使用していますが、これは間違いです。雷サージは地面に大きな電圧勾配を引き起こし、1 本のロッドではそのエネルギーを十分に早く消散できず、変圧器への逆流につながります。

補助トランスについては、リング接地システムこれは、ユニットのタンク、エンクロージャ、二次巻線、およびすべての関連機器 (バスタップやケーブルトレイなど) を変電所の主接地グリッドに接続します。グリッドの抵抗は 5 オーム未満である必要があります。これより高いと、変圧器へのサージ反射のリスクが増加します。私はかつて電力会社の接地を 3 本の別々のロッドから主変電所の接地バスに接続されたリング グリッドにアップグレードするのを手伝いました。その後の嵐では、古い設定に損傷を与える12kAのサージが発生しましたが、送電網は問題なくそれを消散させました。

もう 1 つのよくある見落とし: 変圧器の中性点の接着です。変電所の補助変圧器には接地された中性点があることがよくありますが、その中性点が主接地網に直接接続されていない場合、サージ電流によって巻線とタンクの間に電位差が生じ、部分放電が発生する可能性があります。中性バスには 6mm² 以上の銅線が接続されており、スプライスなしでグリッドに直接接続されていることを確認してください。

3. サージ保護デバイス (SPD): 対象を絞ったサージ軽減

接地が完全に行われている場合でも、雷サージが電力線を通って補助変圧器に到達する可能性があります。ここで、単なる SPD ではなく、サージ保護デバイスが登場します。これらは、補助ユニットの特定の電圧に合わせて定格を定め、電力が変圧器に入る正確な位置に設置して、サージが巻線に到達する前に遮断する必要があります。

補助トランス用の SPD の主なタイプは次のとおりです。

• 金属酸化物バリスタ (MOV): これらは最も一般的で、電圧サージを安全なレベルにクランプするように設計されています。中電圧の補助ユニット (最大 10kV) の場合は、変圧器の定格電圧の 1.2 倍の連続動作電圧 (COV) 定格を持つ MOV を選択します。これより低いとすぐに劣化します。高いとサージがクランプされません。弊社が推奨する MOV SPD と組み合わせた補助変圧器をテストしたところ、損傷することなく最大 100kA のサージに耐えることができ、これは一般的な変電所の落雷に対しては十分以上です。
• ガス放電管 (GDT): これらは、補助変圧器に接続された低電圧制御回路 (DC24V など) に適しています。 GDT は応答時間が速いため、MOV では見逃す可能性のある小さくて速いサージに最適です。

設置のベスト プラクティス: SPD は、変圧器の 1 次端子と 2 次端子のできるだけ近く (0.5 メートル以内) に取り付けてください。これは、ラインと SPD の間のケーブルの長さによって電圧降下が発生し、効果が低下するためです。ユーティリティの設置業者が数インチのケーブルを節約し、最終的にサージの 80% しかクラン​​プしない SPD を使用するのを見てきました。より近いマウントに切り替えると問題が解決されました。また、電位差を避けるために、SPD が別のロッドではなく、トランスと同じリング グリッドに接地されていることを確認してください。

4. 絶縁調整と変圧器設計のアップグレード

変圧器自体は最後の防御線であるため、その絶縁が雷サージに対処できるほど堅牢であることを確認することが重要です。補助変圧器の場合、絶縁調整とは、ユニットの基本インパルス レベル (BIL) を変電所で予想されるサージ レベルに一致させることを意味します。 BIL は、変圧器が絶縁破壊することなく耐えることができる最大電圧サージです。変電所の補助ユニットの場合、5kV ユニットの場合は 75kV、10kV ユニットの場合は 125kV の BIL を推奨します。

ただし、すべての補助変圧器が同じように作られているわけではありません。エポキシ樹脂乾式変圧器（下記リンク）は絶縁がしっかりしているため、油入タイプに比べてサージによる部分放電に強く、サージの伝導経路となる油漏れの心配がありません。当社のエポキシ樹脂モデルは、エポキシ樹脂乾式変圧器、過去 3 年間の 120 の変電所施設からの現場データによると、従来の乾式ユニットよりもサージ イベント時の耐久性が 20% 優れています。

もう 1 つのアップグレード: 変圧器の高電圧端子にサージ グレーディング リングを追加します。これらのリングは端子の周囲に電界を均等に分散させ、サージ時のフラッシュオーバーの可能性を減らします。これは小さな追加ですが、落雷時に複数の補助変圧器を節約できます。

5. 定期的なメンテナンスとテスト: 嵐を待つ必要はありません

予防策は設置だけでは終わりません。雷保護システムをテストして保守し、必要なときに機能することを確認する必要があります。ほとんどの電力会社は補助変圧器の負荷と温度をチェックするだけですが、サージ保護コンポーネントは時間の経過とともに劣化します。たとえば、MOV はサージが繰り返されるとクランプ能力を失うため、目に見える損傷が見られない場合でも、絶縁抵抗テスターで毎年テストし、5 ～ 7 年ごとに交換する必要があります。

接地システムも、特に湿った環境や塩分の多い環境では腐食しやすくなります。 2 年ごとに接地抵抗をテストします。接地抵抗が 5 オームを超えている場合は、接地ロッドの周囲の上部 10cm の土壌を掘り出し、導電性を向上させるために低抵抗の埋め戻し材 (ベントナイトなど) に置き換えます。エポキシ樹脂変圧器の場合は、3 年ごとに部分放電テストを実施して、将来のサージ障害につながる可能性のある絶縁損傷を発見してください。

ある電力会社が年次テストを省略し、時間の経過とともに劣化した SPD が夏の嵐で故障したことを覚えています。サージが補助変圧器を襲い、制御回路が停止し、地元工場の操業が12時間遅れた。年間200ドルのテストを実施すれば回避できたはずだ。

これが変電所にとって重要な理由 (そして私たちがどのようにお手伝いできるか)

結局のところ、補助変圧器の雷保護は単に機器に関するものではありません。変電所の稼働を維持し、コストのかかるダウンタイムを回避し、地域社会に電力を供給し続けるシステムを保護することが重要です。当社は北米全土の変電所と協力して、暴風雨が発生しやすい地域に室外機が必要な場合でも、コンパクトな敷地に屋内モデルが必要な場合でも、高湿度地域にエポキシ樹脂変圧器が必要な場合でも、その特定の環境に合わせたカスタム雷保護パッケージを設計してきました。

現在の補助変圧器のセットアップを評価する準備ができている場合、または統合された雷保護を備えた新しいユニットを仕様する必要がある場合は、私たちがお手伝いします。当社のチームは、現場評価を案内し、変圧器、SPD、接地システムの適切な組み合わせを推奨し、嵐の際に機器を安全に保つための継続的なメンテナンス サポートを提供します。

参考文献

1. IEEE Std C57.12.00-2015、「液体浸漬配電、電力、および調整変圧器の一般要件の規格」、電気電子学会。
2. 米国電気安全規定 (NESC) 2023、「変電設備の接地方法」、米国規格協会。
3. 「変電所補助機器の雷保護の実践」、変電所エンジニアリングマガジン、Vol. 28、第 4 号、2022 年。
4. 変圧器絶縁調整ガイド、国際大規模電気システム評議会 (CIGRÉ)、技術パンフレット 765、2019 年。