変圧器保護用コンビネーション・ユニットの正しい選び方

はじめに

高圧配電システムにおける変圧器保護では、変圧器の全故障電流範囲にわたる信頼性の高い故障遮断、通常の通電・非通電操作における安全な負荷切替、保守アクセスにおける可視的な絶縁機能という、異なる方向に引っ張られる3つの技術要件を同時に満たすスイッチング装置アーキテクチャが要求されます。屋内負荷開閉器、高圧ヒューズ、接地開閉器の統合アセンブリであるコンビネーション・ユニットは、3つの要件を同時に満たす単一の開閉器が存在しないために存在します。. 変圧器保護に適切なコンビネーション・ユニットを選択することは、カタログを選ぶような作業ではない。コンビネーション・ユニットの仕様書を作成する前に、変圧器の定格電力、系統の故障レベル、保護協調の考え方、系統のアップグレード負荷予測を解決する必要があり、4つのパラメータからなるエンジニアリング上の決定事項である。. この選択ガイドは、変圧器保護装置を指定するグリッド・アップグレード・エンジニア、変電所設計者、および調達管理者向けに、組み合わせユニット設計のためのIEC規格の基礎から、各変圧器保護位置の正しい定格パラメータを決定する段階的なアプリケーション評価まで、完全な技術的枠組みを提供します。.

目次

• コンビネーション・ユニットとは何か、そのアーキテクチャはどのように高圧変圧器の保護要件を満たすのか？
• コンビネーション・ユニットの3つのコア・コンポーネントは、どのように相互作用して中電圧変圧器を保護するのか？
• 各変圧器保護アプリケーションに適したコンビネーション・ユニットのパラメータを選択するには？
• 長期的なコンビネーション・ユニットの信頼性を決定するライフサイクルとグリッド・アップグレードの考慮事項とは？

コンビネーション・ユニットとは何か、そのアーキテクチャはどのように高圧変圧器の保護要件を満たすのか？

高圧コンビネーションユニットは、工場で組み立てられ、型式試験されたスイッチング装置で、3つの機能的に異なるコンポーネントが1つのパネル取付けユニットに統合されています。通常の負荷スイッチングと絶縁のための屋内ロードブレークスイッチ（LBS）、過電流と短絡保護のための高圧限流ヒューズのセット、メンテナンス中の作業員の安全接地のための接地スイッチです。これら3つのコンポーネントが1つの試験済みアセンブリに統合されていることが、コンビネーション・ユニットを個別に指定されたデバイスの集合体から区別する決定的な特徴です。型式試験は、各エレメントの個々の性能だけでなく、故障条件下でのコンポーネント間の相互作用を検証します。.

変圧器保護に3つのコンポーネントが必要な理由

中電圧システムの変圧器保護は、単一のスイッチング装置ではその全範囲を確実に処理できない故障電流範囲にわたります：

• 負荷電流範囲（通常動作）： 定格変圧器電流の10-100% - 通常の通電・非通電時に負荷電流を作ったり切ったりする屋内LBSが担当
• 過負荷範囲（定格電流の110-600%）： 熱過負荷および軽度の故障 - HVヒューズが処理し、以下の機能を提供します。 時間逆過電流保護¹ 変圧器の耐熱曲線との調整
• 短絡範囲（定格電流の600～40,000%）： 変圧器内部故障および外部ボルト故障 - HV限流ヒューズにより処理され、最初の半サイクル内で定格遮断容量まで故障電流を遮断し、変圧器と開閉器が耐えられるレベルまで漏電エネルギーを制限します。

アーシングスイッチは、LBSやヒューズでは満たすことのできない安全接地機能を提供し、回路の非通電を確認し、変圧器や下流の機器で作業する保守要員を保護します。.

コンビネーション・ユニットの設計と試験に関するIEC規格

スタンダード	スコープ	コンビネーション・ユニットの主な要件
IEC 62271-1052	交流スイッチとヒューズの組み合わせ	LBSとヒューズの相互作用、ストライカーピンの動作に関する型式試験、, 移籍電流調整3
IEC 62271-103	負荷遮断スイッチ	LBS定格通常電流、負荷スイッチング耐久性、アーク消弧性能
IEC 60282-1	高圧ヒューズ	限流ヒューズ定格電圧、遮断容量、時間-電流特性
IEC 62271-102	接地スイッチ	故障分類、機械的耐久性、インターロック要件
IEC 62271-200	金属製密閉スイッチギア	パネル統合、内部アーク分類、インターロック方式

重要なIEC 62271-105要件： コンビネーションユニット型式試験は、故障条件下でヒューズが動作した際、ストライカーピン機構が確実に LBS をトリップさせて 3 相すべてを同時に開放すること、つまり単相ヒューズ動作後に LBS が閉じたままであった場合に発生する危険な単相または二相通電状態を防止することを検証しなければなりません。.

コンビネーション・ユニット・アーキテクチャのバリエーション

建築	コンポーネント	申し込み	制限
LBS＋ヒューズ（アーススイッチなし）	LBS、HVヒューズ	スペースに制約のある設置、低いメンテナンス頻度	統合アースなし - 個別のアース供給が必要
LBS + ヒューズ + アーススイッチ	LBS、HVヒューズ、接地スイッチ	標準的な変圧器保護 - 最も一般的	標準フットプリント
LBS + ヒューズ + アーススイッチ + サージアレスタ	LBS、HVヒューズ、接地スイッチ、MOVアレスタ	架空送電変圧器、雷への露出	フットプリントの拡大
電動LBS＋ヒューズ＋アーススイッチ	モーター駆動LBS、HVヒューズ、接地スイッチ	SCADA統合型グリッド・アップグレード変電所	補助電源が必要

コンビネーション・ユニットの3つのコア・コンポーネントは、どのように相互作用して中電圧変圧器を保護するのか？

具体的には、HV ヒューズの時間電流特性と変圧器の突入電流および故障電流プロファイルの調整、ならびにヒューズのストライカーピンのエネルギーを LBS トリップ機構に確実に伝達することです。.

コンポーネント1：屋内LBS - 負荷スイッチングと絶縁

コンビネーション・ユニットの屋内LBSは、変圧器保護のライフサイクルにおいて3つの異なる機能を果たす：

通常のスイッチング・デューティ： 通電中および非通電中に変圧器の着磁電流および全負荷電流を作り、遮断します。変圧器の着磁突入電流（通常、最初のサイクルでは定格変圧器電流の8～12倍）は、LBSの定格作成電流容量の範囲内ですが、故障電流と混同しないでください。LBSは故障電流を遮断する定格はありません。この機能はもっぱらHVヒューズに属します。.

ストライカーのピン・トリップ受付： 故障条件下で HV ヒューズが動作すると、ストライカーピンが蓄積された機械的エネルギーを解放して LBS トリップ機構を作動させ、LBS の定格開回路時間（通常 30～60ms）内に 3 相すべてを開回路します。この 3 相開放は必須です。変圧器フィーダーで単相開放状態になると、危険な電圧アンバランスが発生し、フェロレゾナンスが発生する可能性があります。.

アイソレーション機能： LBSが開いた後（通常のスイッチングまたはストライカーピントリップを問わず）、変圧器への保守アクセス用にIEC 62271-102で要求される可視絶縁ギャップを提供します。接地スイッチは、LBSが開いたことを確認した後にのみ閉じることができ、2つのデバイス間の機械的インターロックによって強制されます。.

コンポーネント 2: HV 電流制限ヒューズ - 故障の遮断

HV 電流制限ヒューズはコンビネーションユニットの故障遮断エレメントです。その選択は、各変圧器の用途に適したヒューズ定格を定義する 2 つの境界線によって支配されます：

下限 - 最小遮断電流($I_{min}$):
ヒューズは、最小遮断電流を超えるすべての故障電流に対して確実に動作しなければなりません。変圧器保護の場合、この境界は一次側に反映される変圧器の二次側故障電流によって設定されます：

$I_{min_primary} = \frac{I_{fault_secondary}}{n_{transformer}}\times \frac{1}{Z_{transformer}}$

ヒューズの最小遮断電流はこの値以下でなければならず、変圧器の内部故障がヒューズを動作させるのに十分な一次電流を生成することを保証する。.

上限 - 最大遮断電流 ($I_{max}$):
ヒューズは、変圧器および開閉器の貫通エネルギー制限を超えることなく、設置ポイントにおけるシステム見込み故障電流までの故障電流を遮断する必要があります。電流制限ヒューズは最初のハーフサイクル内で遮断し、ピーク貫通電流を以下の範囲に制限します：

$I_{let-through} = k$

どこで $k$ はヒューズ 電流制限因子⁴ (標準的な HV 電流制限ヒューズでは通常 2.0～3.5）。.

変圧器の突入調整： ヒューズの時間電流特性は、変圧器の通電突入中に動作してはならない。突入電流プロファイルは以下の通りです：

$i_{inrush}(t) = I_{inrush_peak}\回 e^{-t/tau｝$

どこで $I_{inrush_peak}$ は通常、トランスの定格電流の8～12倍である。 $\タウ$ は突入減衰時定数です（配電変圧器では通常 0.1～0.5 秒）。ヒューズは、突入電流の大きさにおいて突入時間を上回る最小溶断時間を有していなければなりません。これは、各変圧器サイズの最小ヒューズ定格を決定する調整要件です。.

コンポーネント3：接地スイッチ - 人員の安全接地

アーススイッチはLBSが全開位置にない限り閉じることができず、アーススイッチが閉位置にある間はLBSを閉じることができません。このインターロックは電気的なインターロックではなく、物理的な機械的制約です。補助電源とは無関係に作動し、制御回路の故障によって解除されることはありません。.

変圧器保護接地スイッチの障害発生区分：

変圧器保護組合せユニットの接地スイッチは、以下の定格でなければなりません。 E1フォルト・メイキング機能⁵ (IEC 62271-102) - E0 ではない。その理由は、変圧器の三次巻線の逆送電圧です。一次側 LBS が開いていて、HV ヒューズが無傷であっても、三次巻線が活線母線に接続されている変圧器は、電磁結合によって一次巻線の電圧を維持することができます。この逆送電圧に対して E0 アーススイッチを閉じると、破壊されます。E1接地スイッチは、この故障状態でも動作し、生き残るように定格されています。.

E0/E1の区別の結果を示す顧客のケース： フィリピンの配電事業者のグリッド・アップグレード・プロジェクトエンジニアが、33kV変電所の変圧器保守切替シーケンス中に接地開閉器が故障したため、Beptoに連絡しました。組合せユニットにはE0接地スイッチが供給されていましたが、これはEPC請負業者が三次逆送リスク評価を行わずに指定したものでした。LBS開放後に接地スイッチを閉じると、変圧器の3次巻線（11kVの活母線に接続）は自動変圧器の働きで1次側の33kVを維持した。E0接地スイッチ接点アセンブリは閉鎖時に破壊された。Beptoは、変電所の6つの変圧器フィーダーポジションすべてにE1定格の交換用コンビネーションユニットを供給し、ユーティリティ企業の標準仕様に対応した三次逆送リスクアセスメントテンプレートを提供しました。.

各変圧器保護アプリケーションに適したコンビネーション・ユニットのパラメータを選択するには？

組み合わせユニットのパラメータ選択は、5段階の順次評価に従い、各段階で1つのパラメータセットを解決してから次の段階が評価される。ステップをスキップしたり、順序を無視してパラメータを解決したりすると、完全なように見えるが隠れた調整の失敗を含む仕様が作成される。.

ステップ1：トランス定格パラメータの定義

組み合わせユニットの選定を始める前に、以下のトランスのデータを収集すること：

• 定格電力（kVAまたはMVA）
• 一次定格電圧 (kV)
• 一次定格電流（A）： $I_{rated} = \frac{S_{rated}}{sqrt{3}\timesU_{primary}}である。$
• 変圧器のインピーダンス（定格MVAベースの%）
• ベクトルグループ（Dyn11、Yyn0など） - 3次バックフィードのリスクを決定する。
• 突入電流倍率（×定格電流）と減衰時定数（秒）
• 耐熱曲線 - ヒューズ調整の検証に必要

ステップ2：設置ポイントにおけるシステム障害レベルの決定

コンビネーションユニット設置点におけるシステム見込み故障電流が決定する：

• 必要なLBS定格短時間耐電流（Ik）-LBSはHVヒューズがクリアするまで故障電流に耐えなければならない。
• 要求される HV ヒューズの最大遮断容量 - システムの予測故障電流を上回らなければならない。
• 必要な接地スイッチの定格短時間耐電流は、LBSの定格と同じかそれ以上でなければならない。

システム故障電流の計算：

$I_{fault} = \frac{U_{system}}{sqrt{3}\times Z_{total}}$

どこで $Z_{total}$ には、ソースインピーダンス、変圧器インピーダンス、コンビネーションユニット設置ポイントまでのケーブルインピーダンスを含む。グリッドのアップグレードプロジェクトでは、アップグレード後のフォルトレベルを使用する - ソースの容量を増加させるグリッドのアップグレードは、すべての下流ポイントのフォルトレベルを増加させる。.

ステップ 3: HV ヒューズ定格の選択

HVヒューズの定格は、コンビネーション・ユニットの仕様の中で最も技術的に厳しい選択であり、同時に4つの制約を満たさなければならない：

制約	必要条件	検証方法
最低遮断電流	最小二次故障に対する変圧器一次故障電流以下	変圧器のインピーダンス計算
突入調整	最小溶融時間＞突入電流での突入時間	時間-電流曲線オーバーレイ
過負荷保護	150-200% の積み過ぎで変圧器の熱損傷の前にヒューズは作動します	変圧器の耐熱曲線オーバーレイ
最大破壊能力	上記システム見込み故障電流	システム障害レベル調査

一般的な変圧器サイズの標準ヒューズ定格選択表：

トランス定格	一次電圧	トランス定格電流	推奨ヒューズ定格	突入調整チェック
315 kVA	11 kV	16.5 A	25 A	定格8倍で検証、0.1秒
630 kVA	11 kV	33 A	50 A	10倍定格で検証、0.1秒
1,000 kVA	11 kV	52.5 A	80 A	10倍定格で検証、0.15秒
1,600 kVA	11 kV	84 A	125 A	定格12倍で検証、0.2秒
2,000 kVA	33 kV	35 A	50 A	10倍定格で検証、0.15秒
5,000 kVA	33 kV	87.5 A	125 A	定格12倍で検証、0.2秒

クリティカルノート ヒューズの選定はすべて、特定の変圧器の時間-電流特性および特定のシステム障害レベルに照らして検証する必要があります。一般的なヒューズ定格表は調整調査の代わりにはなりません。.

ステップ4：LBS定格パラメータの選択

ヒューズの定格が確立されると、LBSのパラメータは次のようにして決定される：

• 定格通常電流： ≥ 1.25 × トランス一次定格電流 - 負荷増加やグリッドアップグレードの負荷増加に対して 25% のマージンを提供
• 定格短時間耐電流（Ik）： ≥ 設置ポイントでのシステム見込み故障電流 - LBS はヒューズのプレアークおよびアーク放電時間中（限流ヒューズの場合、通常 20～50 ms）の故障電流に耐えること。
• 定格通電電流（Ip）： ≥ 2.5 × Ik (標準的な X/R 比) - LBS は接触バウンスなしで変圧器の突入に対応しなければならない。
• 機械的耐久性クラス： 週2回未満の切替作業を伴う標準的な変圧器フィーダーにはM1（1,000回）、頻繁に切替を行うフィーダーにはM2（2,000回）を使用する。

ステップ5：アーススイッチの分類とインターロックの確認

• 故障者クラス： すべての変圧器フィーダー位置で E1 が必須 - 三次逆送リスクが存在する場合、E0 は許容されない。
• 定格短時間耐性： LBSのIk定格に適合しなければならない - アーススイッチは、バックフィード回路に閉じた後に現れる障害電流に耐えなければならない。
• 機械的インターロック： LBSとアーシングスイッチのインターロックが、制御電源の喪失によって解除される可能性のある電気的インターロックではなく、直接的な機械的リンクであることを確認すること。
• 南京錠の提供： 接地スイッチのハスプは、複数人で構成されるメンテナンスチームのために、最低6ロックのマルチロックハスプに対応していることを確認する。

セレクション概要表

選択パラメータ	ソースデータ	計算／基準	仕様値
LBS定格電圧	システム電圧	≥ システム最大電圧 Um	記録
LBS定格通常電流	トランス定格電流	≥ 1.25 × トランス一次定格電流	記録
LBSはIkを評価した	システム障害レベル調査	≥ 設置時の見込み故障電流	記録
HVヒューズ定格電圧	システム電圧	= 定格電圧	記録
HVヒューズ定格電流	トランス定格＋突入調整	ステップ3の表＋コーディネーション・スタディによる。	記録
HVヒューズ遮断容量	システム障害レベル	≥ 見込み故障電流	記録
アーシングスイッチ故障クラス	三次バックフィードのリスク評価	変圧器フィーダーにはE1が必須	E1
接地スイッチIk	LBSイク	= LBS定格IK	記録
ストライカーピンの調整	IEC 62271-105 タイプ試験	工場型式試験証明書が必要	ベリファイ

2番目のクライアントのケースは、完全な選考プロセスの価値を示している。. 東南アジアのEPCコントラクターの変電所設計エンジニアが、2,000kVAと5,000kVAの配電変圧器が混在する12ベイの33kVグリッドアップグレード変電所向けにコンビネーションユニットを指定していた。当初の仕様では、最大の変圧器に基づき、12ポジションすべてに単一のコンビネーションユニットタイプ（全体を通して125Aのヒューズ）が選択されていました。2,000kVAの変圧器6台では、（125Aではなく）50Aのヒューズが必要でした。125Aのヒューズは、2,000kVAのユニットで定格故障電流の40%未満しか発生しない変圧器の内部故障に対しては動作せず、高インピーダンスの内部故障に対する保護ギャップが残ります。2,000 kVA の位置には 50 A のヒューズ、5,000 kVA の位置には 125 A のヒューズという差別化された仕様により、コストはゼロになり（ヒューズが小さいほど安価になる）、一律の過大定格によって生じていた保護ギャップをなくすことができました。.

長期的なコンビネーション・ユニットの信頼性を決定するライフサイクルとグリッド・アップグレードの考慮事項とは？

グリッド・アップグレード負荷がコンビネーション・ユニットのパラメータに与える影響

変圧器の負荷を増加させる、または変圧器をより高い定格のユニットと交換する系統改良プロ ジェクトは、影響を受けるフィーダーコリドー内のすべてのコンビネーション ユニットの動作点を変更する。系統改良後に再検証が必要なコンビネーションユニットのパラメータは以下の通りである：

• LBS定格通常電流： 変圧器の定格が上昇した場合、LBS の定格電流≥1.25 × 新しい変圧器の一次定格電流を確認する。
• HVヒューズ定格： 変圧器の定格変更には、ステップ 3 によるヒューズの再選定が必要 - 元の変圧器で正しく調整されたヒューズが交換ユニットで調整されない場合がある。
• 故障レベルの上昇： 電源容量を増加させる送電網のアップグレードは、予想される故障電流を増加させる - LBSと接地スイッチのIk定格が新しい故障レベルを上回っていることを確認する。

グリッド・アップグレード・ヒューズの再選定要件は、組み合わせユニットのパラメータ見直しで最も見落とされがちなものである。. 1,000kVAの変圧器に対して正しく定格されたヒューズが、交換用の630kVAのユニットに対しては過大定格（保護ギャップが残る）であったり、交換用の2,000kVAのユニットに対しては過小定格（突入電流に対応できず、通電中に迷惑なトリップが発生する）であったりすることがある。.

コンビネーション・ユニットのライフサイクル・メンテナンス・スケジュール

メンテナンス活動	インターバル	方法	合格基準
LBS接触抵抗測定	3年ごと	マイクロオームメーター ≥ 100 A DC	≤ コミッショニング・ベースラインの150%
HVヒューズ外観検査	年間	目視 - 膨らみ、変色、エンドキャップの状態をチェック	物理的な損傷はない。異常があれば交換する。
HVヒューズの抵抗チェック	3年ごと	ヒューズ本体を横切るミリオームメーター	新品ヒューズ値の±10%以内
アーシングスイッチ動作試験	年間	3回の開閉サイクル	スムーズな操作、正確な位置表示
ストライカーピン機構テスト	5年ごと	IEC 62271-105による機能試験	LBSはストライカー起動後、定格時間内に開く
インターロック機能テスト	年間	5つのテストシーケンス	すべてのテストに合格
サーマルイメージング	年間	定格電流での赤外線	≤ ヒューズおよびLBS接点で周囲温度より65 K以上
絶縁抵抗	3年ごと	5 kV DCメガー	> 500 MΩ（位相-アース間

HVヒューズ交換用トリガー

コンビネーション・ユニットの HV ヒューズは、以下の条件下で交換する必要があります：

• 障害操作の後： 故障電流を遮断したヒューズは、そのエネルギー吸収能力を消費しているため、たとえ外見上無傷であっても、その時間-電流特性は変化しており、交換が必要である。
• 定格突入調整電流を超える変圧器の突入事象の後： 頻繁な変圧器への通電などによる）高電圧の突入が繰り返されると、ヒューズエレメントに部分的な溶融が蓄積され、目に見える外部証拠がないまま時間-電流特性が劣化する。
• メーカー指定のカレンダー寿命： HV 電流制限ヒューズの暦年寿命は、動作回数に関係なく 15～20 年です。
• 物理的なダメージの後： エンドキャップの膨張、ヒューズ本体の変色、またはポーセレンのひび割れは、早急な交換が必要な内部破損を示しています。

グリッド・アップグレード・アプリケーションにおけるコンビネーション・ユニットの環境ディレーティング

環境要因	コンビネーション・ユニットへの影響	必要な措置
周囲温度 > 40°C	LBSとヒューズ電流のディレーティングが必要	IEC 62271-1 温度ディレーティング係数を適用する - 定格電流の選択を増やす
高度1,000m以上	絶縁耐力の低下	IEC 62271-1 第2.1項による高度ディレーティングの適用 - 定格電圧の検証
高湿度（> 95% RH）	断熱材表面のトラッキングリスク	耐トラッキング絶縁コーティングまたはSF6絶縁タイプをご指定ください。
海岸／工業地帯の雰囲気	ヒューズのエンドキャップとLBS接点の腐食の促進	ステンレス製金具と耐腐食性接点メッキを指定する。

結論

高圧変圧器の保護に適切なコンビネーションユニットを選択するには、変圧器の定格パラメータ、システム障害レベル、HVヒューズの調整、LBSの定格パラメータ、接地スイッチの分類を順番に解決する5段階のエンジニアリングプロセスが必要です。変圧器保護ソリューションとしてのコンビネーション・ユニットの価値は、3つのコンポーネント間の工場で検証された相互作用にこそあります。すなわち、通常のスイッチングと絶縁を処理するLBS、LBSが遮断できない故障電流を遮断するHV限流ヒューズ、変圧器の3次バックフィード保護用のE1故障生成機能を備えた人体安全接地を提供する接地スイッチです。. すべての変圧器保護位置について、5 段階の完全な選択プロセスを個別に実行し、変圧器の定格またはシステム故障レベルを変更するすべてのグリッドアップグレードの後に、すべての組み合わせユニットのパラメータを再検証し、変圧器フィーダの位置について例外なく E1 アーススイッチの分類を指定し、どの組み合わせユニットも変圧器保護アプリケーションに受け入れる前に、IEC 62271-105 型式試験証明書を通じてストライカーピンの調整を検証します。.

変圧器保護用コンビネーション・ユニットの選択に関するFAQ

1. 電流の大きさが大きくなるにつれて動作時間が短くなる保護特性。. ↩

2. 交流スイッチとヒューズの組み合わせに関する相互作用と試験要件を規定する。. ↩

3. ヒューズ動作時にロードブレークスイッチが遮断しなければならない最大電流を定義します。. ↩

4. 短絡故障時のピーク漏電電流を計算するために使用される数値定数。. ↩

5. 破壊されることなく、安全に故障箇所を2回閉じることができるスイッチの能力を示す。. ↩