変圧器温度上昇：意味と測定方法

変圧器の温度上昇は、変圧器の部品温度が基準温度を超える量で、基準は通常、周囲空気温度または冷却媒体温度です。単独の測定値ではなく、温度差を表します。同じ考え方を上部油温、巻線温度、ホットスポット温度に適用でき、それぞれ固有の温度上昇を持ちます。

「温度」と「温度上昇」が同じ意味で使われることがあり、混乱の原因になります。寒い日に80°Cの巻線と暑い日に80°Cの巻線は、絶対温度は同じでも温度上昇は異なります。

変圧器温度上昇とは何ですか。

最も単純には、温度上昇＝部品温度－基準温度です：

温度上昇＝部品温度−基準温度

対象は上部油、巻線、または巻線内部の特定位置です。基準は、使用する定義に応じて、通常は周囲温度または冷却媒体の温度となります。どの基準を適用するかは、変圧器設計、冷却構成、使用する仕様や規格によって決まります。

温度そのものは、その場所がどれほど高温かを示します。温度上昇は、周囲環境ではなく変圧器自身の運転によってどれだけ温度が高くなったかを示します。どちらも有用ですが、答える問いが異なります。温度そのものは絶縁物の熱ストレスと密接に関係し、温度上昇は周囲条件が異なる場合の熱性能の比較に役立ちます。

変圧器の上部油、巻線、ホットスポット、構造部、タンク領域は、それぞれ固有の温度上昇で表せます。

変圧器温度が上昇する理由は何ですか。

変圧器は高効率ですが、損失がないわけではありません。運転中の損失エネルギーは熱となり、周囲の油、空気、その他の冷却媒体に伝える必要があります。温度上昇は、発熱と除熱の釣合いによって生じます。

巻線損失

巻線を流れる負荷電流は抵抗損失を発生させます。一般に電流が大きいほど巻線損失が増し、導体の発熱も増加します。負荷が増えると巻線温度が上昇する主な理由です。

変化は瞬時には起こりません。巻線、油、絶縁物には熱容量があるため、負荷変化に対して温度は時間をかけて応答します。油は通常、巻線導体より応答が遅くなります。

鉄損・漂遊損

変圧器が通電されている間、鉄心では負荷にほぼ依存しない損失が発生します。漂遊損失は、タンク壁、締付け構造などの金属構造部に生じる漏れ磁束によって発生し、局所的な発熱にも寄与します。詳細は設計によりますが、いずれも全体の熱状態に影響します。

冷却条件

温度を安定させるには、変圧器から熱を逃がす必要があります。設計によって、自然油循環、強制油流、ラジエータ、ファン、ポンプ、周囲空気などが関わります。放熱が低下すると、同じ損失でも温度上昇が大きくなります。周囲温度の上昇、通風の制限、冷却構成の変化によって、この状態が生じることがあります。

そのため、温度上昇は変圧器の固定的な特性ではなく、負荷、損失、冷却の複合作用の結果として理解してください。

周囲・上部油・巻線・ホットスポット温度

これらの温度は関連しますが、置き換えられません。下表に各温度と温度上昇の関係をまとめます。

3つの違いを押さえておく必要があります。巻線は通常、周囲の油より高温になるため、上部油温と巻線温度は同じではありません。巻線の平均温度は高温部と低温部をまとめた値であり、ホットスポット温度とは異なります。また、プローブの直接測定値は、感温先端を設置した位置の実際の点温度であり、必ずしも巻線内の最高温度ではありません。

変圧器温度上昇とホットスポット温度

温度上昇は、温度が基準よりどれだけ高いかを示します。ホットスポット温度は、巻線内の特定の局所位置、通常は最高温度位置の温度を示します。同じ議論に登場することは多いものの、異なる概念です。

ホットスポット温度は温度そのものとして表すことも、基準に対する温度上昇として分析することもできます。「温度上昇」が平均巻線温度上昇、油温上昇、ホットスポット温度上昇のどれを指すか、明確にする必要があります。巻線の局所発熱の原因については、次の記事で説明しています： 変圧器ホットスポット.

変圧器温度上昇の測定方法

温度上昇は単一の計器だけで測定するものではありません。基準温度と、1つまたは複数の部品温度を組み合わせて求めます。各温度の測定・推定方法は異なる場合があります。変圧器の使用期間全体にわたる監視方式については、次のページをご覧ください： 変圧器温度監視.

周囲・基準温度測定

温度上昇は差であるため、基準温度を把握する必要があります。周囲温度は一般に、変圧器の外部に設置したセンサで、冷却空気を代表する位置で測定します。基準の選び方とその測定位置が結果に影響するため、特に経時比較や機器間比較では、一貫した定義が必要です。

上部油温測定

上部油温は、加熱された油が集まるタンク上部で測定します。広く利用される測定値で、油全体の熱状態を把握するために有用です。基準温度を差し引くと上部油温上昇が得られます。ただし、巻線の個々の位置の温度を示すものではありません。

巻線温度推定

巻線温度は一般に計算によって求められます。巻線温度指示計（WTI）や熱モデルでは、通常、測定した上部油温と負荷電流に比例する信号を組み合わせ、モデルパラメータを適用して巻線温度を推定します。WTIと熱モデルが示すのは、測定入力とモデル上の仮定に基づく計算値または模擬的な巻線温度です。これらは広く確立され、監視や保護に役立っています。各方式の詳細については、次をご覧ください。 変圧器巻線温度の測定方法.

巻線温度の直接測定

直接測定では、選定した巻線位置に感温先端を設置したプローブを使用します。測定値は、その物理位置の実際の温度であり、計算による推定値ではありません。蛍光式光ファイバープローブでは、光ファイバーが変圧器の外部にある計測器へ信号を伝送し、計測器が温度値に換算します。基準温度と組み合わせれば、その位置の温度上昇として表せます。これについては後の節で詳しく説明します。

変圧器温度上昇試験とは

変圧器の温度上昇試験は、ヒートランとも呼ばれ、定めた負荷・試験条件で変圧器の温度上昇を観察する管理された試験です。一般に、運用開始前に設計検証や工場試験の一環として実施します。

目的は、油と巻線の熱挙動を観測し、設定した試験条件への応答を評価して、測定結果を設計値や規定要件と比較することです。この試験は、管理された条件での一時点の評価です。その構成で変圧器がどう動作するかを示すものであり、長年の使用中にどのような負荷や冷却条件になるかを示すものではありません。

温度上昇試験の試験条件、期間、結果の評価方法などの詳細は、適用規格とプロジェクト仕様で定められます。一般的な説明に頼らず、これらの文書を直接確認してください。

温度上昇試験と継続温度監視

温度上昇試験と連続監視はいずれも温度を扱いますが、答える課題が異なります。

工場試験や管理された試験は、実際の条件での長期運転と同じではありません。オンライン監視は現場の負荷や冷却に伴う温度変化を示せますが、工場の温度上昇試験を置き換えず、試験も監視を置き換えません。

変圧器温度上昇をどう計算するか

基本の計算は単純な引き算です：

温度上昇＝部品温度−基準温度

計算だけの例として、周囲温度が25°C、測定した部品温度が75°Cなら、温度上昇は75−25＝50°Cです。この値は計算方法を示すだけであり、許容温度上昇、代表値、変圧器定格を示すものではありません。

運転データから巻線温度やホットスポット温度を算出する場合は、より複雑な検討が必要です。負荷電流、油温、熱時定数、巻線と油の温度差、冷却条件などが関係します。通常は熱モデル、IEC 60076-7やIEEE C57.91などの負荷指針、変圧器の設計データを用います。各パラメータは設計に固有のものであり、一般的な仮定ではなく、メーカーの情報や適用される指針に基づいて設定する必要があります。

変圧器温度上昇定格とは何ですか。

変圧器の定格温度上昇は、絶縁システムと冷却構成に応じて規定される、設計上の温度上昇を指します。設計要件、絶縁システム、冷却方式、適用仕様と関係しています。設計や規格によって規定限度や基準条件が異なるため、すべての変圧器に当てはまる単一の値はありません。

個々の機器の定格は、変圧器の銘板、メーカー資料、プロジェクト仕様、適用規格を確認してください。ある種類の変圧器の値を別の種類に適用する際は、同じ基準条件と要件が当てはまることを確認する必要があります。

光ファイバーによる巻線温度の直接測定

INNOの技術は蛍光方式の光ファイバー点式測温です。感温先端部を選定した巻線位置へ設置します。光ファイバーが変圧器外へ信号を伝え、対応する計測器が温度を読み取ります。

A 光ファイバー巻線温度センサ は巻線測定に適した以下の特性を備えます。

• 感温先端位置の直接点測温。
• 光学経路の電気的絶縁。
• 高い耐電磁干渉性
• 複数プローブによる多点測定

プローブは選定位置の実温度を報告するため、熱モデルの出力検証、負荷変化時の温度比較、基準温度を記録した場合のその点の温度上昇計算に使用できます。測定目的がホットスポット領域である場合、 ホットスポット直接監視 は、熱的に重要と予想される巻線位置で温度を測定できます。

複数位置の長期記録が必要な場合、複数プローブを次の機器へ接続できます： 油入変圧器温度監視システムがチャネルをまとめて記録し、経時的なトレンドを追跡します。

点測定には計画が必要

1本のプローブは、選定した1つの物理的な位置を測定します。複数箇所を直接測定するには、複数のプローブが必要です。1本のプローブで巻線全体を監視することはなく、感温先端部と計測器の間の光ファイバーも全長に沿って測温しません。複数の点式プローブを組み合わせても分布型測定システムにはならず、未知のホットスポットを自動で発見することもありません。

そのため、プローブ配置は以下に基づき事前に決める必要があります。

• 変圧器設計
• 熱解析
• 工場試験情報
• 既知・予想の熱的重要位置
• 測定目的

そのため、直接測定用の巻線プローブは通常、設計・製造時に計画します。既設変圧器内部へのアクセスは限られることが多く、内部プローブを後付けできるとは限りません。

温度上昇と変圧器劣化の関係

運転温度の上昇、とりわけ局所ホットスポットで高温が持続することは、巻線絶縁への熱的ストレスを増加させます。温度上昇は、変圧器の温度が周囲に対してどれだけ高くなるかを示すため、変圧器の熱的な運転条件を表す指標の1つです。ただし、絶縁寿命との関係を解釈するには温度以外の要素も必要です。水分、油の状態、負荷履歴なども影響します。関連記事： 変圧器劣化 で、その関係を詳しく説明しています。

変圧器温度上昇を確認する場面

変圧器の使用期間には、温度上昇を確認すべき段階があります。以下のどの観察事項も、それだけで故障を示すものではなく、データを詳しく調べるきっかけです。

• 通常より高い負荷： 継続・反復する重負荷は発熱量と温度を変えます。
• 冷却の変化： 改造、保守、冷却運転の変更によって、同じ負荷で到達する温度が変わる場合があります。
• 同程度の負荷で温度が高い場合： 同等の負荷・周囲条件で温度が上昇傾向なら、原因を調べる価値があります。
• 相間・巻線間の差： 同種巻線の温度差は、負荷、冷却、測定の違いを示す場合があります。
• 工場温度上昇試験： で、設計・仕様に照らして熱性能を検証します。
• 試運転： で、運転時の基準温度挙動を把握します。
• 熱モデル検証： で、計算した巻線温度と実測値を比較します。
• 長期監視： により季節・負荷による長期傾向を追跡します。

各温度測定から分かること

各測定は異なる問いに答えます。表は順位ではなく、常に最善の単一方式はありません。

結論

変圧器の温度上昇とは、基準温度に対して部品の温度がどれだけ高くなるかを示す値です。負荷、損失、冷却の複合的な作用で生じ、油、巻線、ホットスポットでは異なる形で現れます。上部油温、平均巻線温度、ホットスポット温度は関連していますが別の値であり、それぞれ温度そのもの、または基準に対する温度上昇として表すことができます。

光ファイバープローブによる直接測定は、選定した巻線位置の実測温度を得られるため、計算値との比較や実運転条件での傾向追跡に有用です。ただし、温度上昇の解釈には、変圧器設計、冷却構成、負荷条件、適用仕様を考慮する必要があります。

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