品質／コンデンサブログ
高電圧負荷抵抗器のダミー負荷試験
高出力の電気システムを扱う場合、エンジニアはしばしば大きな課題に直面します。それは、テストや校正のために大量のエネルギーを安全かつ効果的に放散する方法です。
高電圧試験におけるダミー負荷用高電圧負荷抵抗器
工学的な回答
高電圧ダミーロードとは、試験およびバーンイン中に電源、変圧器、またはパルス発生器の出力を吸収する抵抗バンクであり、機器を損傷することなく電源をフルパワーで動作させることができます。この負荷は、電圧と温度変化に対して抵抗値を維持し、損失を均等に分散し、試験波形の過渡エネルギーに耐える必要があります。 HVR厚膜抵抗器 平らな チューブフォーマット それらは、そのような銀行の主力となる要素である。
- バンクのサイズは、最悪の場合の電力損失に基づいて決定します。最大試験電圧における電力損失P = V²/Rに、過渡的な過負荷に対する50～100%の余裕を加えます。
- 直列回路では電圧を、並列回路では電流を均等に分配し、どの抵抗器も定格値以上の電流を流さないようにする。
- 負荷素子は、冷間始動から熱平衡状態まで抵抗値のドリフトが±1%以内に収まるもの、または負荷の変化に伴って試験結果がドリフトするものを選択してください。
抽象
高電圧試験ベンチ、バーンインラック、パルスパワーラボには、いずれダミーロードが必要になります。ダミーロードとは、制御された条件下でキロボルトやキロワットを熱に変換する抵抗器群のことです。この記事では、高電圧負荷バンクの電気的および熱的設計、試験エンジニアがベンチに戻って作業する原因となる故障モード、そして負荷が正確で安定しており、長寿命となるようにHVR厚膜抵抗器を選定する方法について解説します。
1. 適用コンテキスト：意図的に電力を吸収する
ダミー負荷は電源の逆です。回路にエネルギーを供給する代わりに、電源からエネルギーを受け取り、それを消費します。主な使用例は、変圧器の試験（10～100 kVでの短絡試験および負荷試験）、電源のバーンイン（整流器スタック、DC-DCコンバータ、バッテリー充電器を定格負荷で数時間運転）、パルス電力特性評価（マルクス発生器、PFN、変調器を整合負荷に接続）の3つです。いずれの場合も、負荷抵抗は試験電流を設定する部品であり、したがって、その精度が合否判定に最も直接的に影響を与える部品です。
50 kV、負荷抵抗2 MΩの場合、電流は25 mA、消費電力は1.25 kWです。一方、10 kV、負荷抵抗1 kΩの場合、電流は10 A、消費電力は100 kWとなります。オームの法則はミリアンペアからメガワットまで同じ範囲で適用されるため、負荷バンクの設計は実は熱管理の問題なのです。
2.技術要件
2.1 電圧分布と沿面距離 単一の抵抗器は、その本体に50kVの電圧がかかることに耐えられません。抵抗器バンクは直列接続されたストリングで構成され、各素子は全体の電圧の一部ずつを負担します。素子ごとの電圧は抵抗器の最大動作電圧以下でなければならず、アセンブリ全体で端子間および接地間の沿面距離を遵守する必要があります。
2.2 熱収支 負荷は、表面温度がドリフト仕様を超えないように、その放熱量を放出する必要があります。チューブ型またはフラット型の厚膜抵抗器の場合、温度上昇はパッケージの熱抵抗と空気の流れによって決まります。
150℃の温度上昇に対してTCRが100ppm/℃のHVRフラット抵抗器は、1.5%の温度ドリフトを示し、これが負荷試験の合否を分ける要因となります。強制空冷式または水冷式の治具を使用することで、ΔTを小さく抑え、試験の再現性を高めることができます。
2.3 パルスエネルギー。 負荷がパルス源を終端する場合、パルスあたりのエネルギーは瞬時電力の積分値となる。抵抗器は、単一パルスの許容値を超えない範囲で、パルス時間内にこのエネルギーを吸収しなければならない。
2.4 銀行の精度クラス。 試験機関は、負荷バンクを稼働させる前に、基準値と比較して認証を行うことがよくあります。精度クラスは、素子の許容誤差、TCR（温度係数）によるドリフト、および校正期間における経年劣化によるドリフトを組み合わせたものです。
銀行の精度クラスを試験基準に合わせることで、2つの点でコスト削減につながります。1つは、±1%で十分な場合に±0.1%の基準品を購入する必要がなくなることです。もう1つは、試験中にクラスから外れてしまう銀行による不合格判定を回避できることです。
図1 — 高電圧ダミー負荷は、電流分担のために並列接続されたHVR厚膜抵抗器の直列ストリングとして構築されている。3つの設計式は、サイズ決定、熱ドリフト、およびパルス耐性を規定する。
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 — 負荷がずれてテストが仕様外になる。 「12時間のバーンインでは、コールドスタートから8時間後までの間に4%のドリフトが発生し、他のすべてのユニットは高負荷ウィンドウに合格しませんでした。」巻線型およびカーボン素子は、熱サイクル下で厚膜型よりもドリフトが大きくなります。TCRの低いHVRフラット抵抗器に切り替えることで、バーンイン全体を通して負荷を±0.8%以内に抑えることができました。
問題点2：テスト中に高温箇所で発熱体が焼き切れる。 「試運転開始から3週間後、100kWの蓄電バンクが故障しました。スタックの中央にある抵抗器1つが過熱してしまったのです。」空気の流れが不均一だったことと、定格出力が不足していた単一の素子が熱を集中させていました。HVR部品を適合させて各素子を再配置し、定格出力を60%に下げることで、ホットスポットを解消しました。
痛み3 — 高電圧による堤防沿いのフラッシュオーバー。 「60 kVでコロナ放電が発生し、その後端子台全体でフラッシュオーバーが発生しました。」平均電圧に合わせて設計された沿面距離は、ピーク電圧と余裕分を合わせたものではなく、高所や湿気の侵入後にアーク放電を引き起こします。十分な素子間隔とコンフォーマルコーティングを備えたチューブ型HVR素子により、トラッキングパスが排除されました。
4. 選択パラメータ
| 役職 | 推奨HVCシリーズ | 電圧 | キー仕様 |
|---|---|---|---|
| 高出力負荷要素 | HVR管抵抗器 | 10～100 kV | 本体あたりの高出力、低TCR、サージ定格 |
| フラット／コンパクトな荷重要素 | HVRフラット抵抗器 | 5～35 kV | ±1%、100 ppm/℃、複数リード |
| 弦間の電圧勾配 | HVRディバイダーネットワーク | 5～35 kV | ±0.5%の比率一致 |
| パルスフィルタ／スナバ回路 | 高電圧セラミックディスクコンデンサ（N4700） | 1～10 kV | 高IR、PD ≤ 5 pC |
| 要素タイプ | 精度 | 熱ドリフト | 電圧到達範囲 | 典型的な使用 |
|---|---|---|---|---|
| 巻き線 | ±1～5% | 高（温度感受性合金） | 10kVまで | レガシーベンチ |
| 炭素組成 | ±5～10% | すごく高い | 5kVまで | 低コストの実験負荷 |
| HVRフラット厚膜 | ±1％ | 低濃度（100 ppm/℃） | 5～35 kV | コンパクトなベンチ、仕切り |
| HVRチューブ厚膜 | ±1％ | ロー | 10～100 kV | 高出力負荷バンク |
選考ガイドライン 試験電圧と電力から始めましょう。チューブ型素子は、設計された沿面距離により10～100kVの高電力範囲をカバーし、フラット型はコンパクトな5～35kVの試験台に適しています。パルス試験の場合は、素子の単一パルスエネルギー制限を試験シーケンス中の最悪の事象と比較して確認してください。持続試験の場合は、熱平衡ドリフトが決定的な数値となります。バンクが直列ストリングまたは並列レッグを使用している場合は、電圧と電流が追加のグレーディングハードウェアなしで予測可能な形で分配されるように、マッチドセットを注文してください。
5. HVCソリューション
① 価値を維持する荷物。 HVC HVR厚膜抵抗器は、低TCR素子と堅牢な筐体を組み合わせているため、コールドスタートから熱平衡状態まで±1%の精度を維持し、テストは長時間にわたって再現性を保ちます。
② 試験に使用する電圧に合わせて設計されています。 チューブ型HVR素子は、沿面距離とサージ電圧に対する設計により、最大100kVの耐圧を実現しています。一方、フラット型は5～35kVのコンパクトなバンクに対応します。いずれのタイプも、バンクは平均電圧ではなく、ピーク電圧に対応するように設計されています。
③ 同一サプライヤーから仕入れた、マッチングセット。 負荷素子、グレーディング抵抗器、フィルタコンデンサを同一工場で製造し、試験データを一致させることで、部品表（BOM）が簡素化され、試験ラボは認定のための信頼できる唯一の情報源を得ることができます。
6．エンジニアリング事例研究（参考資料）
変圧器試験研究所は、短絡試験用に60kV/100kWの負荷バンクを構築した。元のバンクは巻線素子を使用しており、温度変化によってドリフトし、湿度の高い環境では55kVでアーク放電が発生した。HVR管抵抗器（±0.5%の精度でマッチング）を直列接続し、強制空冷方式でバンクを再構築したところ、6か月間の運転で以下のデータが得られた。
| 測定されたパラメータ | 作業前 | 後 |
|---|---|---|
| 熱平衡状態における抵抗ドリフト | + 4.2％ | + 0.7％ |
| 土手表面の最高温度 | 215°C | 145°C |
| 年間フラッシュオーバー発生件数 | 3 | 0 |
| 試験の再現性（同一装置、再実行） | ±3.1％ | ±0.6％ |
事例検討。 再現性の向上は最も示唆に富む数値です。変圧器自体は変更されていないにもかかわらず、負荷を安定させるだけで、再測定時のばらつきが±3.1%から±0.6%にまで縮小しました。この教訓は、バーンインテストや受入試験にも当てはまります。合否判定基準が2%の場合、負荷が3%変動するのはテストの問題であって、機器の問題ではありません。
7. 設計上の考慮事項
- ピーク時の出力低下： 各素子のサイズは、定常状態の消費電力の50～100%増しに設定し、過渡的な過負荷がパルス制限を超えないようにする。
- 脚を合わせましょう： 並列接続された脚は、抵抗値が一致する範囲でのみ電流を共有します。予測可能な配電を実現するには、±1%以上の精度が求められます。
- 沿面距離は設計入力項目です。 50kV以上の電圧では、各素子に十分なスペースを確保し、湿度が高い場所では、コンフォーマルコーティングを施したチューブ型の筐体を使用してください。
- 冷却がドリフトを決定する： 強制空冷または強制水冷はΔTを小さく保ち、負荷の精度を維持するが、受動冷却式のバンクは室温とともに温度が変動する。
- 弦の等級： 直列接続の場合、最初の素子に過度のストレスがかからないように、電圧を均等に分割するには、抵抗器を一致させるか、並列接続のグレーディングコンデンサを使用する必要があります。
8。 リファレンス
- オミテ製造 高電圧抵抗器の応用ノート。米国イリノイ州ウォーレンビル: オーマイト。
- ボーンズ、 高電圧抵抗器 — 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：ボーンズ。
- E. クッフェル、WS ゼーングル、J. クッフェル、 高電圧工学：基礎第2版。オックスフォード、英国：ニューネス（エルゼビア）、2000年。
- A. グリーンウッド、 電力システムにおける電気的過渡現象、第2版。米国ニューヨーク州ニューヨーク: ワイリー、1991 年。
- テクトロニクス、 高電圧測定技術 ― アプリケーションノートビーバートン、オレゴン州、アメリカ合衆国：テクトロニクス。