【電験三種：機械】令和２年度　問８

(2) 変圧器の鉄心には、飽和磁束密度と比透磁率が大きい電磁鋼板が用いられる。
　　この鋼板は、渦電流損を低減するためケイ素が数％含有され、
　　さらにヒステリシス損を低減するために表面が絶縁皮膜で覆われている。

ケイ素添加は、ヒステリシス損を低減。積層化・絶縁皮膜は、渦電流損を低減するために、使用されるので逆です。

ケイ素添加によるヒステリシス損低減について

ヒステリシス損は、鉄心の中の磁区（小さな磁石）の向きが変化する移動をするときに、その抵抗を受けて発生する損失です。

左図のヒステリシス特性が描く面積（橙色部分）が、ヒステリシス損となります。
縦軸が磁束密度\(B[T]\)で、横軸が磁界強度\(H[A/m]\)です。
\(B=0\) のときの、横軸との交点を保磁力と呼びます。

変圧器や交流電動機等では、最大磁束密度\(B_m\)は大きい方が良いです。
しかし、保磁力が大きいと、ヒステリシス損が増加するため、保磁力を低くする必要があります。
ケイ素を添加することで、保磁力を低下させることができるので、添加された電磁鋼板が使用されます。

絶縁皮膜による渦電流損低減について
交流の磁束が鉄心を通ると、ファラデーの法則により渦電流が誘導されます。
この渦電流が鉄心内を流れると、ジュール熱（\(I^2R\)損失）が発生します。これが渦電流損です。

鉄の塊で鉄心を作った場合、鉄心全体を大きなループで渦電流が流れてしまいます。
鉄心の厚さ\(t\)の二乗（\(t^2\)）に比例して渦電流損が大きくなるため、渦電流損が劇的に大きくなってしまいます。
薄い鋼板を絶縁皮膜で絶縁しながら積層することで、鉄心の厚さ\(t\)を小さくすることができるので、渦電流損を低減することができます。
※例：0.3mmの鋼板を10mmの鋼板にすると、\((\frac{10}{0.3})^2≒1100\)倍となります。

(3) 変圧器の冷却方式には用いる冷媒によって、絶縁油を使用する油入式と
　　空気を使用する乾式、さらにガス冷却式などがある。

絶縁油を使用する油入式が最も一般的な方式です。
絶縁油が絶縁耐力の維持をしているだけでなく、変圧器内で循環することで変圧器全体の冷却を行っています。

乾式は、空気による冷却を行います。
油漏れや火災リスクが問われるビル、病院、商業施設等で採用されます。

ガス冷却式は、主に\(SF_6\)ガスや、\(N_2\)ガスを使用します。
地下変電所や特殊設備で採用されます。

(4) 変圧器油は、変圧器本体を浸し、巻線の絶縁耐力を高めるとともに、
　　冷却によって本体の温度上昇を防ぐために用いられる。
　　また、化学的に安定で、引火点が高く、流動性に富み比熱が大きくて
　　冷却効果が大きいなどの性質を備えることが必要となる。

絶縁耐力
変圧器内部では、巻線間や巻線と鉄心の間の絶縁を絶縁油が担っています。
絶縁耐力が低下すると、常用電圧やサージ電圧で油中放電が発生しやすくなります。
油中放電が発生すると、スラッジ（泥状の劣化生成物）が生成されて更に絶縁耐力が低下する悪循環に繋がります。
同時に、分解ガス（\(C_2H_2\)等）も発生するため、定期的な油分析を行って、絶縁油中に分解ガスが発生していないことを確認することが重要です。

冷却について
鉄損・銅損によって銅線・鉄心等の各所から発生した熱を、絶縁油が吸収します。
ラジエータ内部に、絶縁油が循環することで、変圧器から熱が放出されます。
油の循環は、絶縁油の温度差によって、自然循環する方式が一般的です。

要求性能
化学的に安定とは、酸化などの化学反応がしづらいということです。
酸化するとスラッジが発生します。鉄心、巻線、ラジエータ等に付着することで、冷却性能が低します。
また、酸化が進行すると、絶縁紙の劣化や、金属の腐食が進行し、絶縁耐力が低下します。
そうなると、部分放電や絶縁破壊が発生しやすくなり、変圧器の故障・寿命短縮につながります。

(5) 大型の油入変圧器では、負荷変動に伴い油の温度が変動し、
　　油が膨張・収縮を繰り返すため、外気が変圧器内部に出入りを繰り返す。
　　これを変圧器の呼吸作用といい、油の劣化の原因となる。この劣化を防止するため、
　　本体の外にコンサベータやブリーザを設ける。

呼吸作用は、次のように起こります。
・負荷が増加　→　銅損増加　→　油温上昇　→　油が膨張　→　空気が外に追い出される
・負荷が減少　→　銅損減少　→　油温低下　→　油が収縮　→　外気を吸い込む

コンサベータ内の空気層がブリーザを介して外気とつながります。
吸い込んだ空気の中に含まれる水分は、ブリーザの中に充填されているシリカゲル（除湿剤）で除去されることで、油の劣化を防止します。