【電力】令和6年(下期)　問7｜変流器の正しい接続方法と二次回路の取り扱いに関する穴埋め問題

変流器（CT）の詳細

変流器の構造と動作原理

変流器は、一次側の大電流を二次側の小電流に変換する変成器です。変圧器と基本的な原理は同じですが、使用方法と特性が大きく異なります。

基本構造

• 鉄心：珪素鋼板を積層したリング状またはC型
• 一次巻線：通常1ターンまたは貫通型
• 二次巻線：多数ターンの巻線
• 端子箱：二次端子と短絡端子

変流器の種類

1. 貫通型CT

一次導体が鉄心を貫通する構造で、一次巻数は実質1ターンです。

• 配電線や送電線に使用
• 設置が簡単
• 大電流測定に適している

2. 巻線型CT

一次側にも巻線を持つ構造で、変成比の調整が可能です。

• 精密測定に使用
• 複数の変成比を持つものもある
• 計器用として多用

3. クランプ型CT

鉄心が開閉できる構造で、既設線路に後から取り付け可能です。

• 保守点検用
• 一時的な測定用
• 精度は劣るが利便性が高い

変流器の重要な特性

1. 励磁特性

変流器の鉄心は通常、磁束密度の低い領域で使用されます。二次開放時は磁束密度が急激に上昇します。

2. 精度階級

変流器の精度は階級で表され、用途により使い分けられます。

変流器の二次負荷

変流器の二次側には低インピーダンス負荷を接続する必要があります。

適切な二次負荷

• 電流計：内部抵抗が小さい
• 電力計の電流コイル：低インピーダンス
• 保護継電器：電流継電器など
• 短絡端子：測定しない時は短絡

変流器使用時の注意事項

安全な作業手順

1. 作業前：一次電流の停止確認
2. 二次短絡：専用短絡端子で二次側を短絡
3. 測定機器接続：短絡を外して測定機器を接続
4. 測定：一次電流を流して測定開始
5. 作業後：測定終了時は再び短絡

変流器の故障と対策

主な故障モード

• 二次開放による焼損：最も危険な故障
• 絶縁劣化：一次二次間、対地間絶縁
• 巻線断線：二次巻線の断線
• 鉄心異常：積層鋼板の絶縁劣化

予防保全

• 絶縁抵抗測定：年1回以上
• 変流比測定：精度確認
• 外観点検：端子部、絶縁物の確認
• 温度監視：異常加熱の早期発見

計器用変圧器（VT）の詳細

計器用変圧器の構造と動作原理

計器用変圧器は、一次側の高電圧を二次側の低電圧に変換する変成器です。通常の変圧器と基本原理は同じですが、計測用に特化した設計になっています。

基本構造

• 鉄心：珪素鋼板積層、低損失設計
• 一次巻線：高電圧用、多数ターン
• 二次巻線：低電圧用、少数ターン
• 絶縁構造：一次高電圧に対応した絶縁

計器用変圧器の種類

1. 乾式VT

空気絶縁またはエポキシ樹脂絶縁を使用した変圧器です。

• 配電系統（6.6kV～22kV）に使用
• 保守が容易
• 環境に優しい
• 火災の危険性が低い

2. 油入VT

絶縁油を使用した変圧器で、高電圧系統に使用されます。

• 送電系統（66kV以上）に使用
• 絶縁性能が高い
• 冷却効果が良い
• 大容量に対応可能

3. ガス絶縁VT

SF₆ガスなどの絶縁ガスを使用した変圧器です。

• GIS（ガス絶縁開閉装置）に組込み
• コンパクト設計
• 高い絶縁性能
• 保守性に優れる

計器用変圧器の特性

1. 変圧比と精度

計器用変圧器の変圧比は巻数比で決まります：

2. 精度階級

計器用変圧器も精度階級で分類されます。

計器用変圧器の二次負荷

計器用変圧器の二次側には高インピーダンス負荷を接続する必要があります。

適切な二次負荷

• 電圧計：内部抵抗が大きい
• 電力計の電圧コイル：高インピーダンス
• 電力量計：電圧回路
• 電圧継電器：保護装置

結線方式

三相回路では、計器用変圧器を様々な方式で結線します。

1. Y-Y結線

一次・二次ともスター結線で、線間電圧と相電圧の両方を測定可能です。

• 最も一般的な結線方式
• 相電圧・線間電圧の測定が可能
• 中性点電圧の検出が可能

2. V-V結線

2台のVTで三相電圧を測定する方式です。

• 線間電圧のみ測定可能
• 経済的（VT2台で済む）
• 平衡三相では問題なし

3. Y₀-Y₀結線

一次・二次とも中性点接地のスター結線です。

• 地絡検出が可能
• 零相電圧の測定可能
• 保護継電器用として使用

計器用変圧器使用時の注意事項

二次側接地の重要性

計器用変圧器の二次側は必ず1点で接地します。

• 感電防止：一次高電圧からの保護
• 誘導障害防止：外部ノイズの影響軽減
• 測定精度向上：基準電位の確立

故障と対策

主な故障モード

• 絶縁破壊：一次二次間、対地間
• 巻線故障：層間短絡、断線
• 鉄心異常：部分放電、局部過熱
• 接続部故障：端子部の接触不良

診断・保全

• 絶縁抵抗測定：メガー試験
• 変圧比試験：精度確認
• 耐電圧試験：絶縁性能確認
• 部分放電測定：絶縁劣化診断

実用・応用・保守

電力系統での活用

計器用変成器は電力系統の監視・制御・保護の基盤となる重要な機器です。

発電所での応用

• 発電機電圧測定：VTによる端子電圧監視
• 発電機電流測定：CTによる負荷電流監視
• 電力測定：VTとCTの組合せ
• 保護継電器：過電流、地絡、差動保護

変電所での応用

• 母線電圧監視：各電圧階級の監視
• 線路電流監視：送配電線の負荷監視
• 電力潮流測定：系統運用の基礎データ
• 故障検出：保護継電器への信号供給

計測システムとの統合

SCADA システム

計器用変成器からの信号をSCADA（監視制御システム）に取り込みます。

• リアルタイム監視：電圧、電流、電力の連続監視
• データ収集：運用データの蓄積
• 警報機能：異常値の即座な通知
• 制御連動：自動制御への活用

デジタル保護継電器

最新の保護継電器では、計器用変成器からの信号をデジタル処理します。

• 高精度保護：デジタル演算による高精度判定
• 多機能化：1台で複数の保護機能

デジタル保護継電器

最新の保護継電器では、計器用変成器からの信号をデジタル処理します。

• 高精度保護：デジタル演算による高精度判定
• 多機能化：1台で複数の保護機能
• 通信機能：ネットワーク経由でのデータ伝送
• 故障解析：詳細な故障データの記録・解析

スマートグリッドでの役割

分散電源連系

太陽光発電や風力発電の系統連系において、計器用変成器は重要な役割を果たします。

• 逆潮流監視：分散電源からの電力逆流監視
• 電圧制御：配電電圧の適正維持
• 保護協調：既存保護システムとの協調
• 品質監視：電力品質の常時監視

需要応答システム

需要家の電力使用量をリアルタイムで監視し、需要調整に活用します。

• 使用量計測：高精度な電力計測
• ピーク制御：最大需要の抑制
• 料金計算：時間帯別料金の正確な算定
• 負荷予測：需要予測の基礎データ

保守・点検業務

定期点検項目

外観点検（月1回）

• 外観異常：汚損、損傷、変色の確認
• 端子部点検：ボルトの緩み、腐食の確認
• 絶縁物確認：碍子、ブッシングの状態
• 温度確認：異常加熱の有無

電気的試験（年1回）

• 絶縁抵抗測定：一次-二次間、対地間
• 変成比試験：定格変成比の確認
• 極性試験：接続極性の確認
• 負荷試験：定格負荷での特性確認

安全作業の原則

・停電作業を原則とする
・活線作業は特別な資格と手順が必要
・二次側の短絡・開放操作は慎重に
・作業前後の動作確認を徹底

故障診断技術

変流器の診断

• 熱画像診断：異常発熱箇所の特定
• 振動解析：鉄心の異常振動検出
• 部分放電測定：絶縁劣化の早期発見
• ガス分析：油入機器の劣化ガス分析

計器用変圧器の診断

• 絶縁油試験：油の劣化状況確認
• 周波数応答解析：巻線変形の検出
• 漏れ電流測定：絶縁劣化の進行度
• タンδ測定：絶縁物の誘電特性

最新技術の動向

光CT・光VT

光ファイバーを利用した新しい計器用変成器技術です。

光CTの原理

ファラデー効果を利用して、光の偏光面回転から電流を測定する技術です。従来の鉄心式CTと比べて以下の特徴があります。

光CT・光VTの利点

• 絶縁性：完全電気絶縁
• 軽量化：従来品の1/10以下
• 広帯域：DC～高周波まで測定可能
• 耐環境性：電磁ノイズの影響なし
• デジタル出力：直接デジタル信号出力

ロゴスキーコイル

鉄心を使わない新しいタイプの電流センサーです。

• リニアリティ：飽和がない
• 広範囲測定：微小～大電流まで
• 軽量：鉄心が不要
• 安全性：二次開放の危険がない

デジタル変電所

IEC61850規格に基づくデジタル変電所では、計器用変成器のデジタル化が進んでいます。

デジタル化の効果

• 配線簡素化：光ファイバー1本で多チャンネル
• 精度向上：デジタル処理による高精度
• 保守性向上：リモート診断機能
• 標準化：国際規格による統一

経済性と環境対応

ライフサイクルコスト

計器用変成器の経済性は、初期費用だけでなく運用・保守費用を含めて評価します。

項目	従来型	最新型	光式
初期費用	安い	やや高い	高い
保守費用	高い	中程度	安い
使用年数	20-30年	30-40年	40年以上
総合評価	短期経済性	バランス型	長期経済性

環境対応

• SF₆ガス削減：地球温暖化ガスの使用量削減
• 絶縁油対策：生分解性油の使用
• 鉛フリー化：有害物質の排除
• リサイクル：使用済み機器の適正処理

国際規格と標準化

主要規格

• IEC 61869：計器用変成器の国際規格
• JIS C 1731：日本の計器用変成器規格
• IEEE C57.13：米国の変成器規格
• IEC 61850：変電所自動化通信規格

標準化の効果

• 互換性確保：メーカー間の互換性
• 品質向上：統一された試験方法
• 国際調達：グローバルな調達が可能
• 技術進歩：標準化による技術発展促進

今後の展望

・IoT技術との融合による予防保全
・AI活用による故障予測
・再生可能エネルギー大量導入への対応
・デジタル技術による大幅な性能向上

技術者に求められるスキル

基礎知識

• 電磁気学：変成器の動作原理理解
• 回路理論：等価回路による解析
• 計測工学：精度と誤差の理論
• 保護工学：保護継電器との連携

実務スキル

• 試験技術：各種電気試験の実施
• 故障解析：異常現象の原因究明
• 系統運用：電力系統での役割理解
• 安全管理：感電・停電事故の防止

安全第一の作業

計器用変成器の作業では、高電圧・大電流を扱うため、安全対策が最重要です。適切な資格取得と安全教育を受けてから作業に従事してください。