変圧器中性点直流監視

変圧器中性点直流監視システムの技術分析

• コア・モニタリング目標変圧器の中性点接地リード線に流れる直流または準直流成分。

• 基本問題外部直流電流の注入によりトランスが「直流バイアス」になるのを防ぐ。

• 主な脅威源地磁気誘導電流（GIC）、高圧直流送電（HVDC）システムの単極アースループ動作、またはコンバーターステーションの接地極電流、都市鉄道輸送／工業用電解槽からの迷走直流電流。

• DCバイアスの危険性変圧器コアの飽和を引き起こし、励磁電流と歪みの急激な増加、巻線と構造部品の局所的な過熱、振動と騒音の増加、無効電力損失の増加、リレー保護装置の誤動作または動作拒否を引き起こす可能性があります。

• システム機能中性点直流電流の正確な測定、リアルタイム監視、オーバーリミット警報、データ分析、遠隔伝送を実現し、変圧器の安全状態や送電網の直流障害を評価するための意思決定基盤を提供します。

• 技術的価値大型変圧器の安全性を確保し、電力網の安定運用を維持し、地磁気嵐などの宇宙気象災害に対処するための重要な技術手段である。

I. 直流分極の原因と危険性

DCバイアス 変圧器の巻線に直流電流が流れると、鉄心に一定の直流磁束が発生する。この直流磁束は、交流の工業用周波数励磁磁束に重畳され、その結果、工業用周波数サイクルにわたってコアに磁束シフトが生じ、サイクルの正または負の半分が飽和領域に入りやすくなる。

1.主な原因の分析

• 地磁気誘導電流（GIC）太陽活動（フレア、コロナ質量放出など）は地磁気の劇的な変化を引き起こし、地殻に電界を誘導する。これにより、長距離高圧送電線に準直流（変化周期は数分から数時間）の電位差が生じ、変圧器の中性点接地線を通じて電流ループが発生する。

• 高電圧直流（HVDC）送電システム単極アース回路動作モードでは、アースは電流ループとして使用される。直流電流の一部は、変圧器の中性点接地グリッドを通して交流系統に流れ込み、近隣の変圧器に影響を与える可能性があります。

• 産業・鉄道用DC電源大規模な工業用電解槽、電化された鉄道、都市の地下鉄は直流電源を使用しており、その迷走電流（Stray Current）がアースや接地システムを通じて交流電源網に侵入する可能性がある。

2.コアハザードのメカニズム

• コアの飽和と励磁電流の歪み数アンペアという小さな直流電流でも、大型トランスのコアを著しく飽和させるには十分である。その結果、励磁電流が急激に増加し、多数の偶数次高調波成分（2次、4次など）が発生します。これは、直流バイアスの最も典型的な電気的特性です。

• 巻線および構造部品の局所的過熱鉄心が飽和すると、大量の磁束が鉄心の外側に漏れ出し、巻線、クランプ、タンク壁、その他の金属製構造部品に渦電流損失が発生する。

• 振動と騒音の増加磁歪効果は鉄心が飽和すると著しく増大し、高調波成分の存在によりトランス本体の振動や運転ノイズの異常な増大につながる。

• 無効損失の増大と高調波注入歪んだ励磁電流は大量の無効成分を含み、変圧器の無効電力損失を増加させる。同時に、多数の高調波が系統に注入され、電力品質を汚染する。

• リレー保護装置の誤作動または拒否ニュートラル直流電流は、保護に使用される変流器（CT）の鉄心を飽和させる可能性があり、その結果、CTの二次側が一次側の真の電流を正確に反映できなくなり、差動保護などの主要な保護装置の誤判断や誤動作につながる可能性があります。

II.システム構成と動作原理

変圧器中性点直流監視システムは通常、フロントエンド・センシング・ユニット、データ収集・処理ユニット、通信ユニット、バックグラウンド・マスター・ソフトウェアの4つの部分から構成される。

1.システム構成：

• フロントエンド・センシング・ユニットコアは高精度直流電流センサー。従来の電磁誘導式CTでは直流を測定できないためホール効果センサーもしかしたらフラックスゲート・センサこのタイプのセンサーは、電流によって発生する磁界を測定することによって電流の大きさを決定します。これらのセンサーは、電流によって発生する磁界を測定することによって電流の大きさを決定し、ACとDCの両方の成分を正確に測定することができます。このセンサーは通常、接地線を遮断することなく簡単に設置できるよう、オープンエンド型に設計されています。

• データ収集・処理ユニットこのユニットはシステムの心臓部であり、通常コンバージェンス・キャビネットまたはターミナル・ボックス内に設置される。フロントエンドセンサーからのアナログ信号を受信し、高分解能アナログ／デジタルコンバーター（A/D）を通してデジタル化します。内蔵の高性能マイクロプロセッサー（MCUまたはDSP）は、デジタルフィルタリングアルゴリズム（ローパスフィルタリングやFFT変換など）を使用して、合成電流信号のDC成分とAC成分を分離し、正確に計算します。

• 通信ユニット処理されたデータ（直流成分サイズ、交流実効値、アラーム情報など）を監視センターへ遠隔伝送する役割を担います。光ファイバー、イーサネット、RS-485および4G/5G無線通信モードをサポートし、IEC 61850、IEC 104およびその他の標準電力通信プロトコルに準拠しています。

• バックエンド・マスター・ソフトウェア：モニタリング・センター・サーバー上に配置され、グラフィカル・ユーザー・インターフェイス（GUI）を提供します。マスターソフトウェアは、すべてのモニタリングポイントからのデータを受信、保存、表示し、リアルタイム波形表示、履歴データ照会、トレンドカーブ解析、アラームイベント管理、レポート生成を行います。

2.ワークフロー

オープンエンドDC電流センサーは変圧器のニュートラル接地リードに取り付けられます -> センサーは導体を流れる全電流信号をリアルタイムで測定します -> 信号はデータ収集および処理ユニットに送信されます -> 収集ユニットは高速サンプリングおよびA/D変換を実行します -> 内部プロセッサーはデジタル信号処理アルゴリズムによってDC成分を抽出します -> 計算されたDC値とプリセットアラーム値（例えば、警告値またはアラーム値）との比較が行われます -> リミットを超えた場合、アラームイベントが生成され、ローカルアラーム出力（例えば、リレー接点）がトリガーされます -> データおよびアラーム情報は、定期的に、またはトリガーされたときに、通信ユニットを介してバックエンドマスターステーションにアップロードされます。計算された DC 値とプリセットされたアラーム値（警告値、アラーム値など）を比較する → リミットを超えた場合、即座にアラームイベントが発生し、ローカルアラーム出力（リレー接点など）がトリガされる → 定期的に、またはイベントトリガ時に、通信ユニットを介してバックエンドマスターステーションにデータとアラーム情報をアップロードする。

III.コア機能と技術パラメータの表

よくある質問（FAQ）

1.ニュートラルDCを測定するのに、なぜ通常の保護用CTを使用できないのですか？
通常のCTは、変化する磁束が二次巻線に電流を誘導するという原理に基づくファラデーの電磁誘導の法則に基づいて動作する。直流電流は一定の磁場を作り出し、二次巻線に電流を誘導することができないため、通常のCTは直流成分に対して「盲目」となります。さらに、直流電流はCTコアを飽和させ、交流成分を正確に測定する能力に影響を与えます。

2.変圧器の中性点を流れる一般的な直流電流は？
これに関する単一の国際規格はなく、通常は変圧器の設計、容量、およびコア材料に依存する。一般に、電力業界では、大型電力変圧器の場合、数アンペア（例えば3～5A）の直流電流が重大な直流バイアス効果を引き起こす可能性があり、最大10A以上は深刻な脅威となる可能性があることが広く認識されています。このため、監視システムのアラーム値は通常1桁アンペアレベルに設定されています。

3.このシステムは、変圧器の中性点ゼロシーケンス/ギャップ保護電流監視とどのように違うのですか？
監視の対象も目的も全く異なる。ゼロシーケンス/ギャップ保護電流は産業用ACゼロシーケンス電流変圧器内部の系統地絡や単相地絡を判定するために使用される。また、このシステムは以下の監視に特化しています。DCまたは準DCコンポーネント外部直流電源（GIC、HVDCなど）による変圧器本体への直流バイアスの脅威は、直流バイアスに対する防御として使用される。この2つは、センサーの種類、信号処理アルゴリズム、適用シナリオの点で根本的に異なります。

4.すべての大型変圧器にこのシステムが必要ですか？
すべての変圧器が同じように危険なわけではありません。本システムは、高緯度地域（GICリスクが高い）、UHV直流送電変換所付近、都市鉄道路線や大規模直流使用産業施設に近いハブ変電所の変圧器に最優先で導入される。本システムの設置は、これらの地域における超高圧および超高圧定格の大容量変圧器の安全運転を確保するための重要な予防措置である。