変圧器は電力システムに不可欠な機器です。その主な機能である電圧レベルの昇降圧は、長距離送電と配電を効率的かつ確実に実現します。しかし、他の電気機器と同様に、変圧器にも欠点がないわけではありません。大きな欠点の一つは、動作中に主に熱として発生する電力損失です。この熱は全体の出力を低下させるため、効果的に管理する必要があります。変圧器油の性能に影響を与えるまた、その他の主要部品にも影響を与え、断熱システムや冷却システムにさらなる負荷をかけることになります。

これらの運用上の非効率性は変圧器の性能に影響を与え、運用コストを増加させ、長期的な信頼性を維持するための保守戦略を必要とします。変圧器の損失は、負荷損失と無負荷損失の2つのカテゴリに分類されます。システム効率の向上、ダウンタイムの最小化、そしてコスト管理の効率化には、これら両方を理解することが不可欠です。

変圧器の損失とは何ですか?

変圧器の損失が及ぼす影響を理解するには、まず力率を理解する必要があります。力率は、電気システムにおける重要なパラメータです。力率とは、有効な仕事量、つまり「有効電力」と、特定のシステムに供給される総電力（皮相電力とも呼ばれます）の比です。理想的には、力率1（しばしば1と呼ばれます）が望ましく、これは供給される電力がすべて有効に利用されていることを意味します。しかし、実際には力率は1に満たないことが多く、非効率性や電気機器の運用負荷の増加につながります。

力率が低いと、変圧器は同じ量の使用可能なエネルギーを供給するためにより多くの電流を流す必要があります。この過剰電流は発熱を増加させるだけでなく、機器の早期摩耗にもつながります。そのため、変圧器の損失の性質と原因、特に力率との関連性を理解することは、エネルギー消費を最適化し、システムの健全性を維持するために不可欠です。

変圧器の損失は、大きく分けて次のように分類できます。

· 負荷損失（銅損） – 変圧器が負荷に電力を供給しているときに発生します。

· 無負荷損失（コア損失） – 負荷が接続されていない場合でも発生します。

それぞれのタイプについて、その背後にあるメカニズムや最小限に抑える方法など、詳しく見ていきましょう。

負荷損失

負荷損失は、変圧器に負荷がかかっているとき、つまり電気エネルギーを送電しているときに発生します。これらの損失は、巻線（通常は銅またはアルミニウム製）の抵抗によって発生し、エネルギーが熱として放散されます。そのため、「銅損」という用語は、負荷損失と同義で用いられることがよくあります。

これらの損失は一次巻線と二次巻線の両方で発生し、負荷電流の2乗に比例します（I²R損失）。つまり、電流がわずかに増加しただけでも、エネルギー損失が大幅に増加する可能性があります。力率が悪いと、同じ有効電力を供給するのにより多くの電流が必要になるため、この問題はさらに悪化します。例えば、電流が2倍になると、銅損は4倍に増加します。

この熱は電力供給効率を低下させるだけでなく、熱応力も引き起こし、時間の経過とともに絶縁材やその他の内部部品の劣化につながる可能性があります。銅損に対処し、軽減するために、いくつかの技術が採用されています。

負荷損失を削減する技術

1. 導体材料の選択
銅は優れた導電性から依然として好まれる材料ですが、重量とコストが重要な要素となる大型変圧器ではアルミニウムも使用されます。材料選定においては、性能と経済性のバランスを考慮する必要があります。

2. 巻線設計の最適化
エンジニアは、均一な電流分布を確保し、抵抗を低減するように巻線を設計できます。撚線（複数の細い導体を並列に使用）などの技術は、渦電流の影響を低減し、熱性能を向上させるのに役立ちます。

3. 断面積調整
巻線の断面積を増やすと電気抵抗が低下し、I²R損失も低減します。ただし、材料費の増加や設置スペースの要件とのバランスを取る必要があります。

4. 効果的な冷却システム
強制空気やオイル循環などの強化された冷却機構を使用して、熱を効果的に放散します。変圧器用流体また、熱平衡を維持し、絶縁破壊を防ぐ上で重要な役割を果たします。

産業現場では、電気モーターが巻き戻すまた、変圧器の巻線性能を回復し、絶縁劣化や不適切な巻線形状によって引き起こされる過剰な損失を減らすように適応させることもできます。

無負荷損失（コア損失とも呼ばれる）

無負荷損失とは、変圧器に通電されているものの外部負荷に電力を供給していないときに失われるエネルギーを指します。これらの損失は、電圧変換に必要な変圧器の鉄心内の交番磁界によって発生します。無負荷状態であっても、鉄心は磁化サイクルを維持するためにエネルギーを消費します。

コア損失には主に 2 つのメカニズムが関係します。

1. 渦電流損失
これらは、変化する磁場によってコア材料内に誘導される循環電流です。この電流は熱を発生させ、コア内でのエネルギー損失の原因となります。

2. ヒステリシス損失
ヒステリシス損失は、コア材料が磁化と消磁を繰り返す際に、摩擦によって磁区が再配列されることによって発生します。磁気反転の頻度、コア材料の組成、磁束密度などの要因はすべてヒステリシス損失に影響を与えます。

負荷損失とは異なり、コア損失は比較的一定であり、変圧器の負荷によって大きな影響を受けません。ただし、磁化電流の変動、特に力率が悪い状況では、コア損失がわずかに増加する可能性があります。

無負荷損失を削減する技術

1. コア材料の選択
シリコン鋼は、ヒステリシス損失が低く電気抵抗率が高いことから、長年変圧器コアの業界標準となってきました。しかし、アモルファス鋼はエネルギー損失がさらに低いことから人気が高まっています。

2. 改良されたコア設計
より短い磁気経路と均一な磁束分布を持つコアを設計すると、渦電流損失とヒステリシス損失の両方を削減できます。

3. ラミネート
薄い絶縁シートを用いてコアを積層することで、電流抵抗が増加し、渦電流の発生が抑制されます。この方法は、無負荷損失を抑制する最も効果的な手段の一つです。

高精度アプリケーションでは、電力変圧器油の試験断熱材の健全性を評価し、無負荷損失の増加によって生じる可能性のあるコアの過熱の初期兆候を検出するために頻繁に実行されます。

変圧器の損失問題のバランス

変圧器の設計と選択には、負荷損失と無負荷損失の削減のバランスをとるために使用パターンを慎重に考慮する必要があります。

· 長時間高負荷で稼働するシステムの場合導体の品質と冷却効率を改善して銅の損失を減らすことに重点を置く必要があります。

· 長時間アイドル状態または低負荷状態が続くシステムの場合無負荷損失を最小限に抑えることが重要です。このような場合、アモルファス鋼のような低損失コア材料を選択することで、大幅なコスト削減を実現できます。

変圧器の設計をその用途に合わせて調整すると、エネルギー効率が向上するだけでなく、機器の寿命が延び、メンテナンス頻度も減ります。

結論

変圧器の損失は、電力供給中であろうとアイドル状態であろうと、電力供給において避けられない要素です。しかし、負荷損失と無負荷損失の原因と特性を理解することで、施設管理者は非効率性を低減し、コストを削減し、変圧器の寿命を延ばすための戦略を実行できます。綿密な設計、材料選定、そして巻き直しやコアの最適化といった定期的なメンテナンスを実施することで、これらの損失を大幅に軽減することが可能です。