報告書番号

H18002

タイトル（和文）

巻線位置ずれを考慮した電力用変圧器の故障確率評価－周波数応答解析(FRA)による巻線位置ずれ量診断－

タイトル（英文）

Evaluation of Failure Probability of Power Transformer Concerning Axial Displacement of Winding -Quantitative Diagnosis of Winding Displacement by Frequency Response Analysis-

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
電力用変圧器（以下，変圧器）の改修計画は，変圧器故障時の系統への影響度を，変圧器故障確率を基に評価して立案することが推奨されている（注1）。変圧器の故障様相としては，外部短絡時に発生する電磁機械力による応力で，絶縁物（絶縁紙やプレスボード）が破損することが想定されている。当所は，発生する電磁機械力およびそれによる故障確率は巻線軸方向位置ずれ（注2）により増大する可能性に着目し，変圧器巻線が軸方向位置ずれした時の故障確率評価手法を提案している。この中で，絶縁物の強度に関係する劣化診断と電磁機械力の増大に関係する巻線の軸方向位置ずれ量診断は重要な要素技術である。絶縁物の劣化診断は変圧器負荷履歴に基づく手法の開発を完了しているが，実用的な巻線の軸方向位置ずれ量診断は見当たらない。
目 的
周波数応答解析（FRA）（注3）において巻線軸方向位置ずれに対する伝達関数変化が大きい（感度が高い）伝達関数測定種別（注4）を選定する。更に，巻線軸方向位置ずれに伴う伝達関数変化を再現する回路モデルを構築し，巻線軸方向位置ずれ量診断手法を提案する。
主な成果
1. FRAにおいて巻線軸方向位置ずれに対して感度が高い伝達関数測定種別の選定
モールド変圧器（注5）を対象に高圧巻線を下方に位置ずれさせる前後で各種測定種別の伝達関数を測定した。その結果，誘導性巻線間測定のみ伝達関数の変化が確認された。一方，国際規格では標準の測定種別とされている端子間開放測定と端子間短絡測定では，伝達関数の変化はなかった。これにより，FRAにおいて誘導性巻線間測定を用いることで巻線軸方向位置ずれを最も高感度に検出可能であることを明らかにした。
2. 巻線軸方向位置ずれに伴う伝達関数変化を再現する回路モデルの構築
誘導性巻線間測定の変圧器回路モデルを提案し，インダクタンス等のパラメータをFRAの伝達関数測定結果から決定する手法を開発した。提案モデルでは，正常状態だけでなく，巻線軸方向位置ずれ状態の伝達関数の双極状共振を，2分割した高圧巻線インダクタンスの分割比を変化させることで再現できる。
3. 巻線軸方向位置ずれ量診断手法の提案
巻線位置ずれ量（注6）と回路モデルにおける高圧巻線インダクタンスの分割比（2つのインダクタンス増減率）（注6）には線形の関係があることから，この関係に着目した巻線軸方向位置ずれ量診断手法を提案した。提案手法の精度は，変圧器外部短絡時の故障確率の試算の結果，その目的において十分高いと考えられ，同評価への適用手法として有望である。

（注1）電力用変圧器改修ガイドライン専門委員会：「電力用変圧器改修ガイドライン」，電気協同研究，第65巻，第1号（2009）では，1年あたりの変圧器故障確率を用いた改修の考え方の例を示している。
（注2）内鉄型変圧器では，同軸状の巻線間にスペーサが挿入され，巻線が水平方向に位置ずれすることは想定しにくい。
（注3）FRAでは変圧器巻線のある端子に電圧源を接続し，他端子との電圧比や位相差を広い周波数帯域で測定して伝達関数とする。変圧器が健全時に測定しておいた過去データと比較した変化の有無から巻線異常を診断する。
（注4）国際規格IEC60076-18:2012では，測定ケーブルを接続する変圧器端子や他端子の状況（開放，短絡，および接地）の違いにより，端子間開放測定，端子間短絡測定，容量性巻線間測定，誘導性巻線間測定の4種の伝達関数測定種別を規定しており，この中で端子間開放測定，端子間短絡測定を標準の測定種別としている。
（注5）定格容量160kVA，定格電圧10.5/0.4kV。結線は外部で変更し，単相，YNyn0，Yy0，YNd1，Yd1またはDd0とした。
ここで，例えばYNd1は，高圧巻線が星形（Y）結線で中性点端子（N）端子が外部に設けられており，低圧巻線が三角（d）結線で，高圧巻線の電圧が低圧巻線の電圧に対して位相が30°×1＝30°進んでいることを意味する。
（注6）巻線位置ずれは上向きを正とし，回路モデルの上側インダクタンスが増加する場合の増減率を正とする。巻線位置ずれ状態の伝達関数再現において，上側インダクタンスを増加させた場合は下側インダクタンスを同量減少させる。

概要 （英文）

Fault probability is an essential parameter in planning refurbishment of power transformers. One of the main causes of faults of power transformers is a break of insulators such as insulation papers and spacers due to an electromagnetic force generated by high short-circuit current. Because the electromagnetic force may increase due to axial-displacement of the windings, it is important to diagnose it quantitatively. However, practical and quantitative diagnosis method of the axial-displacement of windings has not been proposed. In this report, Frequency Response Analysis (FRA) is focused on as a diagnosis method of the axial displacement of windings. The transfer functions of a cast-resin transformer are measured before and after axial displacement of the winding in several connection schemes of measurement in FRA. From the measurement, it is found that the transfer function of inductive inter-winding measurement is the most sensitive to the axial displacement of the winding. Furthermore, the transfer functions of the inductive inter-winding measurement, which are measured when the winding is not displaced and axially displaced, are reproduced by a simple circuit model. A parameter of the circuit model in reproducing the measured transfer function is proportional to the amount of the axial displacement, and this can be employed in the quantitative diagnosis of the axial displacement of windings. This method is useful in evaluating the fault probability of power transformers.

報告者

キーワード