品質／コンデンサブログ
変圧器ブッシング監視用高電圧抵抗器
現代の複雑な電力網の生態系において、変圧器は極めて重要かつ不可欠な資産として位置づけられている。
変圧器ブッシング監視用高電圧抵抗器：仕切りを通して資産を監視する
工学的な回答
変圧器ブッシングは活線導体をタンク壁を通して通電しており、その状態は変圧器の状態を反映する。ブッシングの故障は変圧器の停電の主な原因の一つである。オンラインブッシング監視では、高精度高電圧抵抗分圧器を通してブッシングの容量タップを読み取り、これらの抵抗器の安定性によって、監視システムがブッシングの実際の変化を検知するのか、それとも抵抗器の変化を検知するのかが決まる。HVCは フラットスタイル (NAIST) と チューブ型 110kVから500kVクラスの変圧器ブッシング監視における分圧器、ブリード、および放電用途向けに設計された高電圧抵抗器。
- 部品番号だけで選ぶのではなく、定格電圧、抵抗値、TCR、安定性に基づいて選択してください。分圧抵抗器とブリーダ抵抗器では、負荷条件が全く異なります。
- 生産開始前に、実際の動作条件（電源電圧、油温、湿度）下で部品の性能を検証してください。
- 取り付け方法と誘電体は、用途の機械的および電気的要求に合わせて選択してください。仕切りには平面フィルム、高電圧スタックにはチューブ型を使用します。
抽象
すべての電力変圧器は、ブッシングと呼ばれる絶縁通路を通って送電網に接続されます。この通路は、接地されたタンク壁を通して活線導体を通します。ブッシングの絶縁は、湿気、温度、電気的ストレスによって徐々に劣化し、故障すると変圧器も損傷することがよくあります。オンライン監視では、ブッシングの容量性タップをライブ信号に変換します。高精度抵抗分圧器がタップ電圧をモニターが読み取れるレベルまで下げ、その信号の経時変化によって絶縁の状態が明らかになります。この分圧器内の抵抗器は、資産管理チェーンの中核を成すものであり、その精度、温度安定性、および長期ドリフトによって、変圧器の所有者が早期警告を受けられるか、予期せぬ故障に見舞われるかが決まります。この記事では、分圧器の設計、監視用抵抗器の電気的および熱的要件、限界部品の故障モード、およびHVC抵抗器が数十年にわたる安定したサービスのためにどのように仕様が定められているかについて説明します。
1. 適用状況：ブッシングタップは絶縁材内部への直接的なアクセスポイントです。
変圧器のブッシングには、容量性タップが内蔵されています。これは、導体とタップの間にある最も内側の容量層C1と、タップと接地の間にある外側の層C2から構成されます。タップからは線間電圧に比例した小さな信号が得られますが、信号が弱くインピーダンスも高すぎるため、直接モニタに入力することはできません。そこで、高精度抵抗分圧器を用いてタップに負荷をかけ、信号を数ボルトにスケーリングし、モニタ回路に供給します。モニタ回路は、電圧、漏洩電流、および絶縁体の誘電正接tan δを測定します。
R1またはR2のわずかな変動も、ブッシングの変化と全く同じように現れます。これは、停電と点検を要する誤報、あるいはさらに悪いことに、実際の劣化を隠蔽する偽装警報となる可能性があります。したがって、分圧抵抗器は単なる便宜上の部品ではなく、監視システム全体の基準となるものであり、変圧器本体と同様に厳密に選定する必要があります。
2.技術要件
2.1 比率精度と温度安定性 モニターのアラーム閾値は分圧比に基づいて設定されます。抵抗器が温度変化によって変動する場合、測定値も天候によって変動します。
レーザートリミングを施したアルミナ基板上の厚膜抵抗器は、抵抗比の許容範囲を実現します。TCRの低いマッチドペアを使用することで、周囲温度が真冬の最も寒い朝から負荷のかかった変圧器室の熱まで変動しても、抵抗比を安定させることができます。
2.2 定格電圧および過渡耐性 分圧器はブッシングタップ上に設置され、タップは線間電圧に追従します。220kVクラスのブッシングの場合、タップには通常運転時で数十キロボルト、開閉過渡現象時にはさらに大きな電圧がかかる可能性があります。
総抵抗値が高い（数十メガオーム）ため、タップにかかる負荷は無視できるほど小さく抑えられ、また、直列接続されたユニットが十分に多いため、過渡現象が発生しても各素子は定格電圧内に収まります。真空管型抵抗器は、この点で特に優れています。長いボディによって電圧が単一の抵抗柱に十分な沿面距離で分散されるためです。
2.3 油浸および連続電源 ブッシング監視用電子機器は変電所内に設置されますが、分圧器はブッシング端子室または変圧器近くの耐候性筐体内に設置できます。これらの場所では、油の飛沫や熱が発生する可能性があります。連続放熱量は、最大周囲温度における部品の定格値内に収まる必要があります。
油浸式用途では、鉱物油と湿気に対する耐性も求められます。ガラスオーバーグレーズ厚膜素子は、これら両方に対して耐性があり、湿気が抵抗膜に到達しないように終端部を密閉する必要があります。
2.4 長期的なドリフトと湿度。 監視は数十年にわたるプログラムである。分周器の基準電圧が、監視装置が検出するために設置された障害そのものになってはならない。
未処理またはシール不良のフィルムは水分を吸着し、抵抗値が変化し、表面に沿って移動します。その結果、監視システムはブッシングではなく抵抗器を追跡することになります。一方、オーバーグレーズされた厚膜で、終端部がシールされている場合は、資産の寿命を通じてその価値が維持されます。
図1 — ブッシング監視チェーン。分圧抵抗器はシステム全体の基準となるものであり、その精度と安定性によって、所有者はすべてのアラームに信頼を置くことができる。
3．エンジニアの課題（現場からのフィードバック）
問題点1：モニターがブッシングではなく抵抗器でアラームを発した。 「ブッシングの不具合でユニットが停止しましたが、ブッシング自体は問題ありませんでした。仕切り板が湿度によって3%ずれていたのです。」無名の厚膜部品には上塗りがなく、湿気を吸収していました。それらを±1%の寿命ドリフトを持つ密閉型HVR部品に交換したところ、誤作動は解消されました。
痛み2 — 過渡現象で分割線がフラッシュオーバーする。 「スイッチングサージによって最上部の素子が破損し、タップが直接接地してしまった。」このスタックは動作電圧のみの定格で、過渡電圧に対する余裕はなかった。一方、過渡電圧の1.5倍の定格を持ち、電圧を分配する真空管タイプの素子を備えた直列スタックは、サージを無傷で乗り切った。
痛み3 — 読書は季節とともに進んだ。 「タンデルタ値は毎年夏に上昇し、毎年冬に下降するという傾向を示していました。抵抗器のTCRが基準値を変動させていたのです。」高TCRフィルムを使用すると、温度変化が見かけ上の絶縁ドリフトとして現れました。低TCRのペアを使用することで基準値が安定し、モニターがようやくブッシングの状態を認識できるようになりました。
4. 選択パラメータ
| 成分 | HVCシリーズ | 電圧 | キースペック |
|---|---|---|---|
| タップ仕切り（高側） | HVRチューブ | 10〜100 kV | 長い柱、高いクリープ |
| タップ仕切り（低側） | HVRフラット | 5〜50 kV | ±1%、TCRが一致 |
| 出血/分泌物 | HVRフラット | 5〜50 kV | 高出力、安定 |
| ブッシングカップリングキャップ | セラミックディスク | 10〜150 kV | N4700、低DF |
| ストレス | 故障モード | 根本的な原因 | HVCの回答 |
|---|---|---|---|
| 湿度 | 抵抗ドリフト | 裸のフィルムは水分を吸収します | 上絵付け＋密封仕上げ |
| スイッチングサージ | エレメントフラッシュオーバー | 過渡的なマージンなし | スタック定格過渡電圧1.5倍 |
| 気温変動 | ベースラインの変動 | 高TCRフィルム | 低TCRペアにマッチ |
| 油浸 | フィルムの損傷 | 油と相性の悪い物質 | 耐油構造 |
選考ガイドライン 監視コンセプトを念頭に置いて分圧器を設計します。タップ負荷が無視できるほど小さくなるように全抵抗を選択し、過渡時に各要素が定格内に収まるようにスタックを分割し、両アームで低いTCRを要求して、比率が天候によって変動しないようにします。20年の耐用年数を確保するために、密閉構造（オーバーグレーズと防湿端子）を徹底し、出荷前に定格電圧と95%RHでのドリフトを確認します。電圧が高く本体が長い場合はチューブ型、分圧器がコンパクトな場合はフラット型を使用します。
5. HVCソリューション
① 高電圧アーム用のHVR型真空管抵抗器。 長い抵抗柱は、十分な沿面距離を確保しながらタップ電圧を分配し、スイッチング過渡現象にも耐える。グリッドが一時的に異常な状態になっても、スタックは損傷を受けない。
② 低電圧アーム用のHVRフラット型抵抗器。 レーザートリミングによる±1%の許容誤差と、TCR値の低いペアを組み合わせることで、変電所の季節を問わず分圧比が安定し、モニターの基準値が変動することはありません。
③ 数十年の使用に耐えるよう、密封され、上絵付けされた部品。 水分、油分、湿気は抵抗膜に到達できず、±1%の寿命ドリフトは資産の寿命全体にわたって検証されているため、分周器は監視プログラムに不合格となる部品ではありません。
6. ビフォー／アフター事例
| 使用前（フィルムなし、高TCR） | （HVC密封低TCR）後 | |
|---|---|---|
| 年間のブッシング誤警報件数 | 4-6 | 0 |
| 95%RHにおけるディバイダーのドリフト | 6ヶ月間で-3% | 24ヶ月で0.5%未満 |
| ベースライン変動（季節変動） | ±2％ | <±0.2％ |
| スイッチングサージ時のフラッシュオーバー | 1 年で 2 | 0 |
事例検討。 ある電力会社のオンラインブッシング監視プログラムは、誤報が多発していました。湿度によって測定値が変動し、季節によって変化し、時にはスイッチングサージによって分圧素子が故障することもありました。誤報が発生するたびに点検が必要となり、最悪の場合は不必要な停電が発生していました。原因はブッシングではなく、価格だけで選ばれ、防湿性、TCR、過渡定格が考慮されていなかった分圧抵抗器でした。高電圧側にHVCチューブ型抵抗器、低電圧側にTCRの低いフラット抵抗器を組み合わせ、全体にオーバーグレージングを施した分圧器を再構築したところ、誤報は解消され、季節を問わずベースラインを0.2%以内に維持し、3年間のスイッチングサージにもフラッシュオーバーすることなく耐えることができました。監視プログラムはついに抵抗器ではなくブッシングを検知するようになったのです。
7. 設計上のポイント
- タップ負荷が無視できるほど小さくなるように、総分圧抵抗を選択してください。
- 直列スタックの定格を、最悪のスイッチング過渡現象の1.5倍で評価してください。
- 両腕のTCRを一致させることで、比率が温度によって変動しないようにする。
- 20年間の耐湿性を確保するため、密閉構造とオーバーグレージング構造を採用。
- ドリフトは、定格電圧および相対湿度95%の環境下で検証してください。実験室の25℃の環境下で検証しないでください。
- 高電圧アームにはチューブ型を、コンパクトな低電圧アームにはフラット型を使用してください。
- 仕切り板がブッシングコンパートメントに取り付けられる場合は、耐油性を確認してください。
8。 リファレンス
- IEC 60137:2017、 1000Vを超える交流電圧用絶縁ブッシングスイス、ジュネーブ：IEC。
- IEEE Std C57.19.00-2017、 IEEE規格：電力機器ブッシングに関する一般要件および試験手順ピスカタウェイ、ニュージャージー州、アメリカ合衆国：IEEE。
- IEC 61869-1:2007、 計器用変圧器 ― 第1部：一般要件スイス、ジュネーブ：IEC。
- E. クッフェル、WS ゼーングル、J. クッフェル、 高電圧工学の基礎第2版。オックスフォード、英国：ニューネス（バターワース＝ハイネマン）、2000年。
- キャドック・エレクトロニクス、 高電圧厚膜抵抗器 — アプリケーションノートリバーサイド、カリフォルニア州、アメリカ合衆国：キャドック・エレクトロニクス。
- 吴广宁主编、《高電压技术》(高電圧工学)。 北京: 機械工业出版社、2013. (中国語)