エポキシ樹脂乾式変圧器の部分放電特性とはどのようなものですか？

仕様エンジニア、工場管理者、または電気インフラストラクチャの専門家で、変圧器のオプションを計量している場合は、ほぼ確実にエポキシ樹脂乾式変圧器に出会ったことがあるでしょう。これらは、屋内、屋外、産業用の最新の低排出配電の主力製品です。しかし、これらの単位を指定する人にとって、部分放電 (PD) は理解すべき交渉の余地のない特性です。 PD が鉱油によって吸収されマスキングされることが多い油入変圧器とは異なり、エポキシ乾式変圧器は固体エポキシ絶縁に依存しているため、PD は信頼性、寿命、および世界的な電気規格への準拠に直接関係する、はるかに目に見え、影響力があり、測定可能な特性となっています。

エポキシ樹脂乾式変圧器に特化したサプライヤーとして (あらゆる用途に合わせた当社の全製品をご覧いただけます)エポキシ樹脂乾式変圧器）、私はクライアントと何年もかけて、PD を漠然とした専門用語としてではなく、実際の状況でこれらのユニットがどのように機能するかを形作る具体的な特性として分析してきました。 PD とは何か、PD がエポキシ絶縁中でどのように動作するか、これらのトランスを際立たせる独自の特性、そして PD に注意を払うことでダウンタイムと長期的な交換コストが何千も節約できる理由について詳しく見ていきましょう。

まず、部分放電をわかりやすい言葉で定義しましょう (専門用語が多すぎるものは使用しないことをお約束します)。 PD は、2 つの導体間の絶縁を部分的にのみ橋渡しする、小さな局所的な放電です。これは、固体エポキシ内、エポキシと他の材料の界面で発生する、あるいは樹脂自体の微細なエアポケット内に閉じ込められた、小さくて短時間の火花のようなものだと考えてください。これは完全なアークではありませんが（壊滅的な故障を引き起こす可能性があります）、進行性の問題です。時間の経過とともに、これらの微小放電はエポキシ絶縁体を侵食し、小さな亀裂を生じ、絶縁構造全体を弱体化させます。エポキシ乾式変圧器の場合、これらの火花を消したり封じ込める油がないため、PD は特に重要です。そのため、その特性はエポキシ成形の品質とユニットの設計に完全に依存します。

では、PD に関してエポキシ絶縁が他のタイプと大きく異なるのはなぜでしょうか?エポキシ樹脂は熱硬化性ポリマーです。つまり、油のように液体のままではなく、硬化して硬い固体のブロックになります。ほとんどのエポキシ乾式変圧器は真空加圧含浸（VPI）プロセスで構築されており、エアポケットを排除するためにコイル全体が低圧下でエポキシに包まれますが、最高品質のVPIプロセスでも微小ボイドをすべて除去することはできず、時間の経過とともに環境ストレス（温度変動、湿度、機械的振動）によって新たなギャップが生じたり、エポキシと銅の巻線間の結合が弱くなったりする可能性があります。空気の絶縁耐力は固体エポキシよりもはるかに低いため、これらの空隙は PD が開始される主な場所になります。印加された電圧がしきい値 (開始電圧と呼ばれる) に達すると、空隙内の電場が空気をイオン化するほど強くなり、部分放電が発生します。

では、エポキシ樹脂乾式変圧器に特有の重要な部分放電特性は何でしょうか?また、それらはさまざまな設置においてどのように影響するのでしょうか?変圧器が設置されている場所に基づいて PD の動作が変化するため、クライアントが当社のユニットを使用する最も一般的なアプリケーション別にこれを分類してみましょう。

まず、屋内用乾式変圧器です。オフィスビル、病院、データセンター、製造施設などに使用されます（屋内用ラインをご覧ください）屋内乾式変圧器）。屋内環境は通常、安定した温度、低湿度、ほこりや風雨に直接さらされないように管理されています。屋内エポキシ変圧器の場合、ここでの PD 特性は、工場テストでの初期 PD レベルと、通常の動作電圧での長期 PD 安定性という 2 つの主な要素によって定義されます。これらのユニットの工場受け入れテスト (FAT) では、定格電圧の 1.1 倍で 10 ピコクーロン (pC) 未満の PD レベルが必要です。これは、乾式変圧器の世界標準である IEC 60076-11 によって設定された標準です。なぜ 10 パーセントなのか?このしきい値を超える PD は、製造上の欠陥 (エポキシ内に閉じ込められた大きなボイドなど) または樹脂の硬化が不完全であることを示します。屋内設定では、突然の電圧サージや近くの機器からの機械的ストレスがない限り、PD は時間の経過とともに比較的安定した状態を保つ傾向があります。数年前、シカゴのダウンタウンにあるオフィスビルに住む顧客がいましたが、その顧客は設置中に PD テストを省略し、18 か月後に 10 階建ての建物全体の電源をシャットダウンしなければなりませんでした。エポキシの空隙が 2 mm から 8 mm に拡大し、PD レベルが 50 pC 以上に急上昇し、巻線の故障につながったことが判明しました。室内ユニットは保護されていますが、影響を受けないわけではありません。そのため、室内ユニットの PD 特性により、定期的な PD テストが交渉の余地なく行われます。

次に、屋外用乾式変圧器 (屋外用ラインについてはこちらをご覧ください)屋外用乾式変圧器）。これらは、変電所、太陽光発電施設、水処理プラント、およびユニットが雨、極端な温度、紫外線、空気中の汚染物質 (塩分、塵埃、花粉) にさらされるその他の屋外設置で使用されます。環境要因がエポキシ絶縁に直接影響するため、ここでの PD 特性は室内ユニットよりもはるかに動的です。たとえば、高湿度や小雨によってエポキシ コイルの表面に薄い導電層が形成される可能性があり、これにより表面の絶縁抵抗が低下し、より低い電圧レベルで PD が開始されやすくなります。太陽からの紫外線も時間の経過とともにエポキシの分子構造を破壊し、PD の新たな場所として機能する小さな表面亀裂を生じさせます。私たちは、7 年間稼働していた沿岸のテキサス州の変電所に設置された 2.5 MVA 屋外エポキシ変圧器をテストしました。その PD 開始電圧は工場レベルから 35% 低下し、動作 PD レベルは 18 pC まで上昇し、屋内基準を大幅に上回っていました。室外機は雷サージにも耐える必要があります。雷サージにより、PD を引き起こす一時的な過電圧が発生する可能性があります。最近のエポキシ変圧器にはこれを軽減する避雷器が付いていますが、サージイベントが繰り返されると PD の増大が加速する可能性があります。

もう 1 つの一般的な用途は、変電所の補助変圧器です。これらの小型ながら重要なユニットは、高電圧変電所内の電力制御システム、ポンプ、照明などに使用されます (当社の補助変圧器製品の詳細については、こちらをご覧ください)変電所の補助変圧器）。補助変圧器は主配電変圧器よりも低い電圧で動作するため、独特の PD 特性を持っていますが、高電圧機器のすぐ隣に設置されているため、隣接するコンポーネント (開閉装置やバスバーなど) からの部分放電にさらされます。これらのユニット間放電は補助トランスのエポキシ絶縁に伝わり、いわゆる「外部 PD 影響」を引き起こす可能性があります。このため、補助変圧器を定期的にテストします。PD 用の隣接する高電圧機器をテストしながら補助変圧器を定格電圧で動作させ、相互影響が検出された場合は、影響を軽減するためにエポキシ巻線の設計を調整します (高誘電性樹脂の薄い層を追加するなど)。これがないと、たとえ補助変圧器自身のエポキシ絶縁が完璧であっても、補助変圧器は外部ソースから内部 PD を生成する可能性があります。

ここで、PDに関してエポキシ樹脂乾式トランスと他のトランスタイプの違いについて説明します。たとえば、油入変圧器の PD は通常鉱油に吸収されるため、異なる方法で測定されます (pC ではなくガスの ppm 単位)。一方、エポキシ PD は固体絶縁体の表面および内部現象であるため、現場のテスト ツールを使用して検出するのが簡単です。変圧器の端子の周りにクランプする PD 検出器を使用して、リアルタイムで放電を測定できます。これは保守チームにとって大きな利点です。もう 1 つの重要な特性: エポキシは空気よりも部分放電開始電圧 (PDIV) がはるかに高いですが、PD 消滅電圧 (PD が停止する電圧未満) は油よりも低いです。待ってください、それは重要な点です。明確にしておきます。 PDIV は放電が始まる電圧です。 PD 消滅電圧で停止します。エポキシの場合、PDIV は空気よりも高く、絶縁体が空気の場合よりも放電を引き起こすためにより強い電圧が必要になりますが、エポキシはエネルギーを吸収しないため、一度放電が始まると止めるのは困難です。だからこそ、エポキシ内のボイドを減らすことが非常に重要です。PDIV を可能な限り高く保ち、放電が開始され継続する可能性のある状況を回避する必要があります。

もう 1 つのよくある誤解: エポキシ変圧器には PD が発生しないため、テストする必要はありません。それは単純に真実ではありません。すべての固体絶縁体には、たとえ製造が良好であったとしても、ある程度の PD が含まれています。問題は、PD が許容レベルを超えた場合にあり、業界標準が明確な制限を設定しているのはこのためです。たとえば、IEC 60076-11 では、定格電圧の 1.1 倍で、エポキシ乾式変圧器の PD レベルが 1000 kVA 未満のユニットでは 10 pC 未満、1000 kVA を超えるユニットでは 20 pC 未満であることが要求されています。これらの制限は任意のものではありません。これらのレベルを超える PD では 10 ～ 15 年以内に絶縁不良が発生する一方、PD がこれらの制限を下回るユニットの寿命は 30 年以上であることを示す長年の現場データに基づいています。

それで、私たちのチームはどうやってエポキシ樹脂乾式変圧器PD を制御するユニットを設計するには、サプライヤーに何を求めるべきですか?まず、155°C という高いガラス転移温度 (Tg) を持つ高品質のビスフェノール A エポキシ樹脂を使用しています。これは、高い動作温度でも軟化したり、微小亀裂が発生したりしないことを意味します。第 2 に、当社の VPI プロセスは 10 ミリトールの圧力で実行されます。これは、多くの低コスト サプライヤーが使用する真空度の 10 倍です。これにより、エポキシ コーティング内のボイドの 99.9% が除去されます。第三に、すべてのユニットは製造後に 72 時間の熱サイクル テストを受けます。このテストでは、ユニットを 120°C に加熱し、-10°C に冷却し、それを 10 回繰り返して実際の温度変動をシミュレートします。このプロセスのすべての段階で PD をテストし、熱応力によって新たなボイドが生じたり、エポキシに亀裂が生じたりしないことを確認します。最後に、屋内、屋外、または変電所の補助変圧器として設置されているかどうかに関係なく、すべてのユニットに対してオンサイト PD テスト サポートを提供します。当社のチームはお客様のメンテナンス スケジュールに合わせて業務時間外にテストを行うため、お客様は長時間稼働を停止する必要がありません。

実際のクライアントの例に戻って、これをすべて結び付けてみましょう。昨年、私たちはある大規模な製造工場と協力しましたが、そこでは古い屋外の油入り変圧器が PD と油漏れにより 3 年ごとに故障していました。彼らは当社の 3 MVA エポキシ樹脂乾式屋外変圧器に切り替え、12 か月の動作後の PD テストでは、定格電圧でわずか 7 pC というレベルを示し、業界の限界を大幅に下回っていました。彼らはまた、メンテナンスコストが低く、石油廃棄料金がかからず、工業地帯での石油を充填したユニットを禁止する地域の環境規制を順守していることにも気づきました。ここで重要なのは、エポキシ変圧器の PD 特性を理解することでした。ボイドを最小限に抑え、環境ストレスからエポキシを保護するようにユニットを設計したため、PD は安全なレベルに留まり、以前のユニットの 3 年の寿命と比較して、変圧器はすでに 25 年以上持続すると予測されています。

エポキシ乾式変圧器をまだ評価している人にとって、部分放電は恐れるべき欠陥ではなく、理解すべき特性であるということがわかります。これらのユニットの PD 動作は、設置、製造品質、継続的なメンテナンスに基づいて変化します。屋内ユニットは正しく設置されていれば安定した低い PD を持ちますが、室外ユニットは PD を抑制するために環境ストレスから保護する必要があり、変電所の補助変圧器は早期故障を避けるために外部 PD 源からシールドする必要があります。エポキシの品質、高度な製造プロセス、積極的な PD テストを優先するサプライヤーを選択することで、数十年にわたり信頼性の高い低排出電力を提供する変圧器を手に入れることができます。

新しい施設の室内ユニット、変電所の室外ユニット、または電力システムの補助変圧器など、次のプロジェクトでエポキシ樹脂乾式変圧器を検討する準備ができている場合は、当社のチームがお手伝いします。当社は、カスタマイズされた PD テスト レポート、アプリケーション固有の設計推奨事項、および継続的なサポートを提供して、お客様のユニットが今後何年にもわたって最高のパフォーマンスで動作することを保証します。部分放電を後回しにしないでください。当社の変圧器がお客様の特定のニーズにどのように対応できるかについて話し合いましょう。

参考文献

1. IEC 60076-11: 電力変圧器 - パート 11: 乾式変圧器、国際電気標準会議、2018 年。
2. 「乾式変圧器におけるエポキシ樹脂絶縁の部分放電特性」、IEEE Transactions on Power Delivery、Vol. 30、No. 2、2015 年 4 月、768 ～ 775 ページ。
3. 電気用途向けエポキシ樹脂の環境老化、国立再生可能エネルギー研究所 (NREL)、2020 年。
4. 「乾式変圧器のメンテナンス ガイドライン」、電気電子学会 (IEEE) 規格 C57.12.90、2015 年。