電流トランスの残留磁束 - レマネンスを理解する

はじめに

試運転時には問題なく動作していた変流器が、数カ月後に故障が発生すると、目に見える損傷もなく、設定も変更されておらず、配線も変更されていないにもかかわらず、正しく動作しなくなることがあります。コアは同一に見えます。銘板も変わっていない。しかし、コア内部の何かが恒久的に変化しており、それは最後の故障時またはスイッチング動作時に静かに発生した。その何かとは残留磁束であり、現在使用されている保護システムの信頼性に対する最も過小評価されている脅威の1つです。.

残留磁束-残留磁束とも呼ばれる-は、磁化力が除去された後にCTコア内部に固定されたままの磁束密度であり、コアの全磁束容量の一部を永続的に占め、飽和する前に利用可能なヘッドルームを減少させるため、次の故障事象中の飽和までの時間を直接短縮し、二次出力信号の精度を劣化させます。.

私は英国、オーストラリア、メキシコ湾岸地域の産業施設にある変電所の事故後の保護報告書を見直したが、残留磁気に関連した飽和は、業界が認識しているよりもはるかに頻繁に発生している。理由は簡単で、残留電位は目に見えず、静かに蓄積され、定期的なメンテナンスではほとんど測定されないからです。この記事では、工学的な全体像、つまり残留磁気の原因、CT性能への影響、定量化方法、そして保護スキームが損なわれる前に除去する方法について説明します。🔍

目次

• CTコアの残留フラックスとは何か、どのように形成されるのか？
• レマネンスはどのようにフラックス・ヘッドルームを減少させ、飽和を加速させるのか？
• リマネンス性能要件に基づくCTの仕様と選択方法とは？
• サービス中の残留フラックスを測定、除去、監視するには？
• 電流トランスの残留磁束に関するFAQ

CTコアの残留フラックスとは何か、どのように形成されるのか？

残留磁束はコアの欠陥や損傷の兆候ではなく、コアの基本的な特性である。 強磁性材料¹. .珪素鋼、ニッケル鉄合金、その他の強磁性材料で作られたCTコアは、励磁後もある程度の残留磁気を保持します。技術的な問題は、残留磁気が存在するかどうかではなく、どの程度存在するか、そして保護スキームがそれを許容できるかどうかです。⚙️

ヒステリシスループとレマネンス形成

残留フラックスの原点は、次の点にある。 ヒステリシスループ - 強磁性コアが完全な磁化サイクルを経たとき、B-H線図上に描かれる閉曲線。コアを飽和状態に追い込むために印加磁界強度Hを増加させると 磁区² コア材料内のドメインは、印加された磁場に整列する。Hをゼロに戻しても、これらのドメインは完全に元のランダムな方向には戻らない。正味の配列、つまり正味の磁束密度が残る。.

での保持磁束密度である。 $H = 0$ と定義される。 残留磁束密度($B_r$). .Bをゼロに戻すのに必要な電界強度は 保磁力($H_c$). .一緒に、, $B_r$ そして $H_c$ コア材のヒステリシス挙動を特徴づける。.

CTコアの残留の主な原因

残留フラックスはいくつかの異なるメカニズムで蓄積され、それぞれが異なる大きさの残留放射能を発生させる：

1.直流オフセットを伴う非対称故障電流：
保護 CT で最も重要な再マネージョンの原因。直流オフセットを伴う故障電流がコアを飽和に追い込むと、コアは部分的なヒステリシスループを通過し、故障が解消しても原点に戻ることはありません。残留磁束は 飽和磁束密度の60-80% 標準的なシリコンスチールコアの.

2.サーキットブレーカーの遮断：
サーキットブレーカが電流ゼロ付近で故障電流を遮断する場合、一次電流の突然の停止は、ヒステリシスループ上の原点ではない点でコアを離れる。その結果生じる残留磁束は、遮断の瞬間の瞬時磁束レベルに依存する。.

3.変圧器の通電と突入：
CTを通して電力変圧器に通電すると、CTコアは変圧器の突入電流を受けます。この突入電流は、大きく歪んだ直流バイアス波形であり、CTコアを非対称磁化経路に沿って駆動し、大きな残留磁束を残します。.

4.DCテストとインジェクション
直流電流源を用いた二次注入試験（誤って適用された絶縁抵抗試験を含む）は、一方向の経路に沿ってコアを磁化し、故障事象に匹敵する残留電位レベルを残す可能性がある。.

5. 地磁気誘導電流³:
高緯度の施設では、地磁気の擾乱が長期間にわたってCTコアをゆっくりと磁化し、識別可能な断層事象がなくても残留磁気を発生させることがある。.

コア素材別の残留特性

コア材	残留係数 $K_r$	強制力 $H_c$	飽和フラックス $B_{sat}$	残留リスクレベル
穀物中心 ケイ素鋼4 (GOES)	60 - 80%	ロー・ミディアム	1.8 - 2.0 T	高い
冷間圧延無方向性鋼	50 - 70%	ミディアム	1.6 - 1.8 T	高い
ニッケル鉄合金（パーマロイ50）	40 - 60%	非常に低い	0.75 - 1.0 T	ミディアム
アモルファス金属合金	20 - 40%	低い	1.2 - 1.5 T	ロー・ミディアム
ナノ結晶合金	5 - 15%	非常に低い	1.2 - 1.3 T	非常に低い
エアギャップコア（クラスTPZ）	<1%	該当なし（ギャップが支配的）	0.3-0.5 T	ごくわずか

について 残留係数 $K_r$ は、IEC 61869-2 で定義されている標準化されたメトリックである：

$K_r = \frac{B_r}{B_{sat}}\倍 100$

A $K_r$ の75%は、飽和事象の後、次の故障が始まる前に、コアの全フラックス容量の75%がすでに占有されていることを意味する。コアのヘッドルームのうち25%だけが利用可能なままである。.

レマネンスはどのようにフラックス・ヘッドルームを減少させ、飽和を加速させるのか？

残留磁束の工学的帰結は残酷なほど単純で、コアの現在の動作点と飽和ニーポイントの間の距離を縮めることである。残留磁束が1ウェーバー増えるごとに、次の故障過渡現象に対応できるウェーバーが1つ減ることになります。残留磁束は DC オフセットと相互作用し、適切な CT を完全に不十分なものにする可能性があります。🔬

フラックス・ヘッドルーム方程式

DCオフセットを伴う故障時の全フラックス要求は、コアの 使用可能なフラックス・ヘッドルーム:

$\倍 A_c 倍 (1 - K_r)$

どこで $A_c$ はコアの断面積である。故障時に必要な磁束は

$\π_{required} = π{K_{td}\(ct}+R_b)}{4.44倍(R_{ct}+R_b)\times (R_{ct} + R_b)}{4.44 ㎤ f ㎤ N} ㎤ ㎤ N$

CTが飽和しないように：

$\Phi_{必須｝\Ȃ Ȃ Ȃ Ȃ (1 - K_r)\回 (1 - K_r)$

この不等式は、レマネンスと必要なニーポイント電圧の間に直接的な乗法関係があることを明らかにしている。コアが $K_r = 75$ にはニーポイント電圧が必要である。 4倍高い 等価な飽和耐性を得るためには、ゼロ・リマネンスの同じコアよりも、より高い耐性を得る必要がある。.

飽和時間と残存率の関係

レマネジメントが経営上最も重大な影響を及ぼすのは、その影響である。 飽和時間$T_{sat}$) - 故障発生から CT の二次出力が著しく歪むまでの経過時間。1～3サイクルで動作する高速保護リレーでは、CTの二次出力が著しく歪むまでの時間がわずかに短縮されるだけで、CTの二次出力が大幅に歪むことはありません。 $T_{sat}$ は、正しい操作と故障の違いを意味する。.

残留レベル($K_r$)	利用可能なヘッドルーム	飽和時間（代表値、X/R=20）	保護への影響
0%（消磁済み）	の100% $B_{sat}$	3～5サイクル	リレーが正常に動作する
30%	の70% $B_{sat}$	2～3サイクル	限界 - リレーが作動する可能性がある
60%	の40% $B_{sat}$	1～2サイクル	リスクが高い - リレーが故障する可能性がある
75%	の25% $B_{sat}$	<1サイクル	クリティカル - リレーが応答する前に飽和する
90%	の10% $B_{sat}$	<0.5サイクル	壊滅的 - CTは保護に役立たない

オート・リクロース・スキームにおける残存期間

オートリクローズ・スキームは、プロテクション・エンジニアリングにおいて最も深刻な残留放射能の問題を引き起こす。一連の事象は複合的な残留放射能問題を引き起こす：

1. 最初の失態： 直流オフセットがコアを飽和に向かわせる→故障が解消する→残留電流 $B_{r1}$ 残骸
2. デッドタイム（0.3～1.0秒）： 自然消磁の時間が不十分
3. オートリクローズ通電： 突入電流は、その上にさらに磁束を加える。 $B_{r1}$
4. 2つ目の故障（しつこい場合）： 直流オフセットは、コアにすでに作用している $B_{r1}+ ⅳテキスト{突入時の残留応力}.$

標準的なGOESコアの2回の断層閉鎖サイクル後の累積残留磁場は、次のようになる可能性がある。 の85-90% $B_{sat}$ - 2番目の故障電流がピークに達する前に、CTは機能的に飽和してしまう。.

カスタマー・ストーリー オーストラリアのクイーンズランド州にある132kV送電変電所に勤務する保護エンジニアのジェームズは、過渡故障の履歴があるフィーダーで自動再閉路動作中に母線差動保護が繰り返し故障することを報告しました。事故後の分析により、対称故障レベルに対して正しく指定されたクラスP CTが、蓄積された再マネンスにより、2回目の再閉路試行で半サイクル以内に飽和状態に入ることが判明しました。Beptoは、ナノ結晶コア付きクラスTPY交換用CT ($K_r < 8$)を使用することで、残留電位の蓄積問題は完全に解消された。この保護方式は、その後6回の自動 閉鎖イベントを通じて、一度も誤作動を起こすことなく正しく作動した。✅

リマネンス性能要件に基づくCTの仕様と選択方法とは？

それは保護機能固有の要件であり、個々のCTアプリケーションの動作条件から導き出されなければなりません。以下は、それを正しく行うための構造化されたフレームワークです。📐

ステップ1：保護機能と残留感度を特定する

保護機能が異なれば、残留電位による飽和に対する許容範囲も根本的に異なる：

保護機能	残留感度	最低CTクラス	最大 $K_r$
過電流リレー(50/51) - 時間遅延型	低い	クラスP	特になし
過電流リレー（50/51）-瞬時	ミディアム	クラスPまたはPX	<60%
地絡リレー（51N）	ロー・ミディアム	クラスP	特になし
トランス・ディファレンシャル（87T）	高い	クラスPXまたはTPY	<30%
バスバー・ディファレンシャル（87B）	非常に高い	クラスTPZ	<1%
距離リレー (21)	高い	クラスTPY	<10%
オート・リクロース・スキーム	非常に高い	クラスPRまたはTPY	<10%
ジェネレーター・ディファレンシャル（87G）	非常に高い	クラスTPY	<10%

ステップ2：レマネンス調整ニーポイント電圧の計算

スタンダード $V_k$ リマネンスを考慮し、計算を修正しなければならない：

$V_{k_adjusted} = \frac{V_{k_base}}{1 - K_r}.$

どこで $V_{k_base}$ は、残留磁束なしで計算されたニーポイント電圧である。以下のコアの場合 $K_r = 0.75$:

$V_{k_adjusted} = \frac{V_{k_base}}{0.25} = 4倍 V_{k_base}.$

必要なニーポイント電圧が4倍に増加したことは、残留電位の仕様を二次的な関心事として扱うことができない理由を示している。.

ステップ3：残留性要件に合ったコア材を選択する

• $K_r$ 指定されていない（時間遅延過電流）： 標準的なGOESコア、クラスP - 費用対効果が高く、十分な性能
• $K_r < 30$ (トランス差動）： ニッケル鉄合金またはアモルファス金属コア、クラスPXまたはTPY
• $K_r < 10$ (距離、オートリクローズ、ジェネレーター差）： ナノ結晶合金コア、クラスTPY
• $K_r < 1$ (バスバー保護、超高速）： エアギャップコア、クラスTPZ

ステップ4：環境適合性の検証

• 熱帯地域（周囲温度35℃以上）： コア材料の熱安定性を確認する - ナノ結晶コアは維持される $K_r$ 標準的なGOESコアは80℃を超えると劣化する。
• 振動環境（産業機械、牽引）： 機械的振動は時間の経過とともにコアを部分的に減磁させ、残留磁気を減少させる。
• 汚染度の高い場所や海岸沿いの場所： 絶縁劣化を促進する水分の浸入を防ぐ密閉端子ボックスを備えたIP65の筐体を確認

カスタマー・ストーリー イタリアのミラノにある開閉器メーカーで調達責任者を務めるマリア氏は、風力発電所のグリッド接続プロジェクト用に24kV屋内開閉器のバッチを準備していた。保護エンジニアはクラスTPYのCTを指定した。 $K_r < 10$ フィーダー差動保護用。競合する3つのサプライヤーが、GOESコア付きの標準クラスPX CTを提供した($約70$)、「TPY相当」の要件を満たしていると主張した。Beptoは、工場で認証されたナノ結晶コアのクラスTPY CTを提供した。 $K_r = 6.5$, また、IEC 61869-2過渡性能試験報告書も完備しています。クライアントの独立試験機関は、Beptoの文書のみを適合と認めました。マリア社の納期は守られ、プロジェクトはグリッドコード準拠テストに1回目で合格しました。💡

サービス中の残留フラックスを測定、除去、監視するには？

再計測管理は、積極的かつ継続的なエンジニアリングの規律であり、1 回限りの試運転作業ではありません。ここで説明されている手順は、特に高速保護スキームのCTの場合、標準的な慣行として変電所のメンテナンスプログラムに組み込まれるべきです。.

フィールドでの残留フラックスの測定

残留フラックスの直接測定には特別な装置が必要だが、実用的な間接的評価は、以下の方法で行うことができる。 磁化曲線比較法:

1. 二次端子に増加する交流電圧を印加する（一次側は開回路）。
2. ゼロからニーポイント上までのV-I励磁曲線を記録する。
3. 測定されたカーブを当初の試運転基準線と比較する。
4. 見かけのニーポイントが低電圧側にシフトしている場合、あるいはある電圧で励磁電流が増加している場合は、かなりの残留磁束が存在することを示している。

より直接的な方法は フラックスメーター CTコアに巻かれたサーチコイルに接続されるが、このためにはコアへのアクセスが必要で、ほとんどの設置型CTでは利用できない。.

消磁の手順

AC消磁（好ましい方法）：

1. 変数を接続する オートトランス⁵ CT二次側端子へ（一次側開回路）
2. AC電圧を徐々に上げていく $1.2倍 V_k$ コアの完全飽和を確保する
3. 最低30秒かけて、ゆっくりと連続的に電圧をゼロにする。
4. 徐々に減少するヒステリシス・ループは、コアを徐々に小さくし、原点に収束させる。
5. 磁化曲線を再測定し、元のベースラインと一致していることを確認する。

直流消磁（代替）：
振幅が徐々に減少する交互極性の一連の直流電流パルスを印加し、ゼロで終了する。この方法はAC消磁よりも信頼性が低く、新たな残留磁化が生じないように注意深く制御する必要がある。.

インストールとメンテナンスのチェックリスト

1. 試運転前の消磁 - 通電前に必ず消磁し、輸送および工場試験での残留磁気を除去する。
2. 故障後の消磁 - 重大なDCオフセットを伴う近接故障が発生した場合は必ず実施すること。
3. オートリクローズ後の消磁 - 永続的な故障を含む自動閉鎖シーケンスの後、サービスに戻る前に保護ゾーンのすべての CT を消磁すること。
4. 年間磁化曲線の検証 - 高速保護スキームにおける全CTのコミッショニングベースラインとの比較
5. DCテスト後の消磁 - 直流注入試験、絶縁抵抗試験、一次注入試験の後は必ず消磁すること。

よくあるメンテナンスの間違い

• 残留放射能の自然消滅を仮定した場合 - 適切に製造されたCTコアの残留磁束は、積極的な減磁を行わなくても無期限に持続する。
• 直流電流のみによる消磁 - 直流消磁は信頼性が低く、コアが部分的に磁化された状態のままになる可能性がある。交流消磁は、ヒステリシスループの原点への復帰を保証する唯一の方法である。
• 軽微な」故障後の脱磁スキップ - 測定可能な直流オフセットを持つ故障はすべて残留磁気を残す。故障電流の大きさは、減磁が必要かどうかを決定しない。
• 減磁後の磁化曲線の再確認の失敗 - その後の曲線検証を伴わない消磁は、その手順が効果的であったことを技術的に保証するものではない。
• すべてのCTクラスで同じ消磁手順を使用 - クラスTPZエアギャップ・コアは、ソリッド・コアのクラスTPYユニットとは異なる手順が必要です。

推奨メンテナンス・スケジュール

アクティビティ	トリガー	推奨間隔
完全消磁＋カーブ検証	コミッショニング	初回通電前に1回
故障後の消磁	あらゆる近接故障	次の停電時に直ちに
クローズ後の消磁	パーシステント・フォールト・オート・リクローズ	復帰前
定期的な磁化曲線のチェック	定期メンテナンス	3～5年ごと
フル二次射出＋負担測定	大規模変電所停止	10年ごと

結論

残留磁束は、CT性能に対する静かで、目に見えない、そして累積的な脅威です。この脅威は、故障事象、スイッチング動作、そしてDCテストのたびに増大する一方で、コアの利用可能なヘッドルームが損なわれたことを外部に示すことはありません。残留磁束の形成について理解し、適切な $K_r$ 各保護機能に制限を設けること、アプリケーションの過渡要求に適合するコア材料を選択すること、および積極的な消磁プログラムを維持することは、保護システムの動作寿命を通じて設計どおりの性能を維持するための4つの規律です。. レマネンスをプロアクティブに管理することで、CTは保護スキームが最も必要とするときに正確な二次信号を送出します。. 🔒

電流トランスの残留磁束に関するFAQ

1. 電力系統部品に使用されるコア材料の基本的な磁気特性を理解する。. ↩

2. 磁性材料内の原子レベルの整列がヒステリシスと残留磁化にどのように寄与しているかを探る。. ↩

3. 送電線に準直流電流を発生させる大気現象や太陽現象について学ぶ。. ↩

4. 粒延電気鋼の技術的特性と飽和限界を見直す。. ↩

5. 可変電圧変圧器を試験に使用する際の操作と安全上の留意点を詳述する。. ↩