変圧器巻線のホットスポット監視からどのようなデータが得られますか？

うだるような夏の午後、変電所に立って、周囲の空気が言葉にならない電流でうなり音を立てる中、巨大な変圧器が着実にうなり音を立てるのを眺めたことがある人なら、これらの主力製品が送電網をオンラインに保つためにいかに重要であるかを知っているでしょう。しかし、その定常的な騒音に、ゆっくりとした静かなリスクが隠されているとしたら、それは、対処せずに放っておくと日常業務が計画外の停止に変わってしまう可能性があるものだとしたらどうでしょうか?そこで、変圧器巻線のホットスポット監視が登場します。まさにこの技術を専門とするサプライヤーとして、私は生のセンサーデータをグリッド資産の稼働を維持するための実用的な洞察に変換することに何年も費やしてきました。変圧器の監視というと、ほとんどの人は溶存ガス分析装置や部分放電システムなどの高額ツールを思い浮かべるかもしれませんが、私たちが毎日収集するホットスポット データは、他のすべてのツールをさらに有用にする、時間固有の詳細な情報です。変圧器巻線ホットスポット監視システムがどのようなデータを取得するのか、それがなぜ重要なのか、そしてそれがより広範な送電網保守戦略にどのように適合するのかを正確に分析してみましょう。

まず、曲がりくねったホットスポットとは何なのかを理解しましょう。変圧器の内部では、電流が流れる銅またはアルミニウムのコイルである巻線が、電気抵抗の自然な副産物として電流が流れると発熱します。この熱のほとんどは冷却剤として機能する周囲のオイルに放散されますが、密集した巻線ターン間、接続部の近く、または絶縁が劣化した部分など、熱が閉じ込められる領域が常に存在します。これらのトラップされたスポットはホット スポットであり、過熱が変圧器の故障の最大の原因であるため、これらのスポットは非常に重要です。変圧器の寿命に関する業界標準は油の平均温度に基づいていますが、ホットスポットはその平均よりも摂氏 20 ～ 50 度高い温度に達する可能性があり、余分な熱が 10 度高まるごとに絶縁寿命が半分に減ります。これは非線形リスクであるため、これらのホット スポットに関するデータはあればよいだけでなく、不可欠なものです。

当社の変圧器巻線ホットスポット監視システムで取得する最初のタイプのデータは、リアルタイムのホットスポット温度測定値です。これは、一部の従来のシステムで使用されている 15 分または 30 分間隔ではなく、真のリアルタイムを意味します。当社のセンサーは、多くの場合熱が最も蓄積される領域である巻線に直接取り付けられ、10 秒ごとに温度測定を行います。これはやりすぎではありません。特にピーク時や嵐で近くの送電線が破壊され、変圧器に余分な電流が流れたときなど、系統負荷は常に変化します。たとえば、シカゴの変電所は最近このデータを使用して、月曜日の夕方のラッシュ時に、送電網が定格負荷の 90% に達したときに摂氏 118 度まで急上昇するホットスポットを検出しました。この 10 秒間のデータ ストリームがなければ、メンテナンス チームはその時間の先頭で油温を確認し、安全な 72 度を示し、警告サインを見逃していたでしょう。ホットスポットは巻き取りタップの接続の緩みが原因でしたが、次の熱波での突然の故障に対処する代わりに、軽度の負荷低下の間に修理を計画することができました。

しかし、生の気温の数値は話の一部にすぎません。また、時間の経過に伴う相対的なホット スポット温度の傾向も収集します。これにより、データが単なる事後対応​​的なものではなく、予測的なものになります。単一のスパイクは懸念事項ですが、温度が現在の安全範囲内にある場合でも一貫した上昇傾向がある場合は、問題が発生していることを示している可能性があります。たとえば、ヒューストンの変圧器には、油の平均温度が一定であったにもかかわらず、2 週間で摂氏 3 度上昇したホットスポットがありました。私たちのシステムの分析はこの傾向に警告を発し、チームが調査したところ、巻線のその部分への冷却油の流れが、タンクに浸透した小さな破片によって制限されていることがわかりました。彼らは、制限が悪化する前にフィルターを清掃しまし​​た。そうすれば完全なホットスポット障害が発生する可能性がありました。この種の傾向データは、最新の監視システムの最も活用されていない利点の 1 つであり、頻度の低いテスト方法では得られないものです。

もう 1 つの重要なデータ セットは、電気負荷および周囲条件とのホット スポット温度の相関関係です。ホットスポットの測定値を、変圧器の負荷 (アンペアまたは MVA で測定)、周囲の気温、さらにはオイルの流量に関するリアルタイム データと組み合わせます。これにより、次のような質問に答えることができます。このホット スポットは、暑い日に変圧器を全負荷で実行したことによる単なる副作用なのでしょうか、それとも注意が必要な異常な上昇なのでしょうか?たとえば、フェニックスの変圧器は周囲温度 45 度で 85% の負荷で動作し、ホットスポットは 105 度でした。これはこれらの条件で予想される範囲内であったため、アクションは必要ありませんでした。翌週、その同じ変圧器は同じ周囲温度で 70% の負荷になり、ホットスポットは 110 度まで上昇しました。この不一致によりチームは問題があると判断し、巻線の絶縁が劣化し始めており、それが抵抗を増加させて余分な熱を発生させていることが判明しました。ホット スポット データを負荷および周囲条件と関連付けなければ、2 回目のスパイクは正常なものとして無視され、長期的な損害につながることになります。

ただし、熱は温度だけではありません。巻線全体の温度勾配データも収集します。勾配は巻線上の隣接する点間の温度差であり、突然の予期しない勾配は巻線の変形の兆候である可能性があります。変圧器は、時間の経過とともに短絡、負荷の変化、さらには地震活動によって機械的ストレスを受ける可能性があり、巻線がずれたり曲がったりする可能性があります。かつては数ミリメートル離れていた 2 つの隣接する巻線が移動すると、それらの間の熱が同じように放散できなくなり、急峻な温度勾配が生じます。ロサンゼルスに小規模な地震を経験したクライアントがいました。通常の勾配は 2 度であるはずの、隣接する 2 つの曲がりくねったターンの間でホットスポット監視システムが 12 度の勾配を検出しました。巻線全体の検査を行って軽微な変形を確認することができ、内部短絡が発生する前に修正することができました。この種の温度勾配データは、熱変化を巻線の機械的問題に直接結び付けるため、他のツールとは異なる特殊なホット スポット監視を確立します。

ここで、明確にしておきたいのですが、ホット スポット データは、他の重要な変圧器監視ツールに代わるものではなく、それらを補完するものです。そのため、私たちは絶縁劣化の副産物であるメタン、エチレン、アセチレンなどのガスを追跡する変圧器溶存ガス分析装置などのツールも使用する電力会社と協力することが多いのです。ホット スポット データは、これらのガス測定値のコンテキストを提供します。溶存ガス分析計が可燃性ガスの増加を示した場合、ホット スポット データにより、巻線のどこで劣化が起こっているか、またその劣化がどの程度深刻であるかを知ることができます。同様に、変圧器のコア接地電流モニタは、コアと巻線に追加の加熱を引き起こす可能性のある迷走電流を追跡します。対応する負荷や周囲の変化がなくてもホットスポットが上昇した場合は、コア接地電流をチェックすることで別の熱源を除外できます。また、故障につながる可能性のある絶縁損傷の兆候である部分放電については、ホット スポット データにより、部分放電イベントがホット スポット温度の上昇を伴うかどうかが示され、放電が積極的に損傷を引き起こしていることが確認されます。

当社のシステムが提供する最も貴重な (そして見落とされがちな) データの 1 つは、安全なクラウドベースのプラットフォームに保存されている過去のホット スポット パフォーマンス データです。電力会社はこのデータを使用して、フリート内の各変圧器の長期的な資産健全性プロファイルを構築します。これは、メンテナンス計画、予算配分、さらには寿命延長の決定に役立ちます。たとえば、南東部の電力会社は 20 台の変圧器を保有しており、すべて 15 年前に同じモデルが設置されていました。過去 3 年間のホット スポット データを比較したところ、4 つの変圧器が他の変圧器よりも 5 度高い一貫したホット スポット傾向を示していることがわかりました。彼らはこのデータを使用して、早期の検査とメンテナンスのためにこれら 4 つの変圧器の優先順位を付け、推定 200 万ドルの停止と修理費用がかかる可能性がある潜在的な故障を回避しました。この種のフリート レベルの分析は、長期にわたって一貫した正確なホット スポット データがある場合にのみ機能します。それがまさに当社のシステムが提供するものです。

ここで、電力会社チームからよく聞かれる質問に対処する必要があります。「数学モデルを使用してホット スポット温度を計算することはできないのですか?」簡単に言うと、特に変圧器が古くなると、正確ではありません。従来のモデルは、平均油温、負荷、その他いくつかの変数を使用してホットスポット温度を推定しますが、巻線の変形、油の流れを制限する破片、不均一な絶縁劣化などは考慮されていません。古い変圧器ではホットスポット温度を 15 ～ 20 度過小評価しているモデルを見たことがありますが、あらゆる度が重要である場合、これは大きなギャップです。当社のセンサーは巻線に直接取り付けられているため、外部測定に基づく推定値ではなく、熱が発生する場所の実際の温度を捕捉します。そのため、当社の変圧器巻線ホットスポット監視システムは、従来のモデルベースのアプローチよりも重要なアップグレードとなります。

保守チーム向けの実際的な側面についても触れたいと思います。当社のシステムからのデータは、シンプルで実用的なダッシュボードに表示されるため、データを理解するために電気工学の博士号は必要ありません。アラートは各変圧器の動作パラメータに合わせてカスタマイズされるため、通常のレベルで動作しているときではなく、実際に問題が発生したときにのみ通知されます。たとえば、寒冷な気候で動作する変圧器は、高温で乾燥した気候で動作する変圧器とは異なる安全なホットスポット温度を持ち、当社のシステムはそれに応じて警報を調整するようにプログラムされています。これは、メンテナンス チームが無関係なデータを選別する時間を減らし、実際の問題に対処する時間を増やすことで、計画外の停止が減り、変圧器の寿命が延びることを意味します。

もちろん、完璧な監視システムはありません。そのため、当社のホットスポット監視ツールは、他の標準的な変圧器監視装置と互換性があるように設計されています。すでに変圧器溶存ガス分析装置、変圧器コア接地電流モニター、または変圧器用オンライン部分放電監視システムを使用している場合でも、当社のホットスポット データはこれらのツールとシームレスに統合され、変圧器の状態の全体的なビューを作成します。この統合が重要なのは、データのサイロ化が解消され、コア接地電流の上昇がホット スポット スパイクとどのように相関するか、溶存ガス レベルが熱傾向とどのように一致するかなど、変圧器のさまざまな側面がどのように相互作用するかを確認できるためです。

長年にわたり、私は変圧器の壊滅的な故障に対処しなければならなかった何十人もの電力会社のエンジニアと話をしてきましたが、彼らが口をそろえて言うのは、より良いデータがあればどれだけの費用とダウンタイムを節約できたかということです。一般的な変圧器の故障では、修理と交換に 10 万ドル以上の費用がかかり、さらに顧客の停止による数百万ドルの収益損失が発生する可能性があります。ホット スポット監視システムからのデータは、画面上の単なる数値ではありません。定期メンテナンス中に軽微な問題に対処するか、修正に数日かかる本格的な緊急事態に対処するかの違いです。

これを読んでいるあなたは、変圧器に依存して業務を継続している公益事業会社、産業プラント、またはエネルギー会社に所属している可能性があります。これらの資産がいかに重要であるかをご存知であり、おそらくメンテナンス コストを削減し、資産寿命を延ばし、計画外の停止を回避する方法を探しているでしょう。特殊な変圧器巻線ホットスポット監視システムからのデータは、フリートに対して行うことができる最も影響力のある投資の 1 つです。問題が発生した後にそれを捉えるだけではなく、問題が発生する前にそれを予測し、グリッドの信頼性を維持するためにデータに基づいた意思決定を行うことが重要です。

ホットスポット データが変圧器のメンテナンス戦略をどのように変えることができるかについて詳しく知りたい場合、または当社のシステムが変圧器溶存ガス分析装置や変圧器用オンライン部分放電監視システムなどの既存のツールとどのように統合されるかを確認したい場合は、私たちがお手伝いします。小規模な変電所を管理している場合でも、多数の変圧器を管理している場合でも、当社はお客様と協力して、お客様の特定のニーズに合ったソリューションを設計できます。ホット スポットが障害に変わるまで待つ必要はありません。今すぐ適切なデータを使用して変圧器の状態を管理しましょう。

当社の変圧器巻線ホットスポット監視システムの詳細と、当社の全範囲の変圧器監視ソリューションを探索するには、当社の Web サイトをご覧ください。調達、技術仕様、またはカスタム フリート ソリューションに関するお問い合わせについては、当社のチームに連絡して特定の要件について話し合うことをお勧めします。

参考文献

1. IEEE Std C57.106-2018、機器内の絶縁油の受け入れとメンテナンスに関するガイド
2. EPRI。 （2020年）。変圧器の監視と診断: 電力会社向けのベスト プラクティス ガイド
3. Wang, Y. 他（2019年）。 「電力変圧器のホットスポット温度推定: モデルベースおよびセンサーベースの方法のレビュー」 IEEE Transactions on Power Delivery、vol. 34、いいえ。 2、684-693ページ
4. North American Electric Reliability Corporation (NERC)。 （2021年）。基幹電力システムの変圧器信頼性ガイドライン