変流器は、電力測定および保護システムにおいて最も精密に設計されたコンポーネントの 1 つです。しかし、その内部構造が詳しく調べられることはほとんどありません。変流器の内部に何が入っているのか、各部品がどのように選択されるのか、さまざまな構造タイプが存在する理由を理解することで、エンジニア、技術者、調達専門家は、精度、設置、長期信頼性についてより適切な決定を下すための基礎を得ることができます。
この記事では、コア材料から外部エンクロージャに至る変流器の構造を詳しく説明し、各コンポーネントの役割を説明し、低電圧、中電圧、および高電圧のアプリケーションで使用される主な構造タイプを分類します。
磁気コアは、変流器内の単一の最も性能を決定するコンポーネントです。これは、一次導体からのエネルギーが電磁誘導によって二次巻線に伝達される媒体として機能します。コアの形状、材質、断面積によって、完成したデバイスのほぼすべての性能特性が決まります。
ほとんどの変流器コアはトロイダル (リング) 形状で製造されています。この閉ループ形状により、磁束経路が連続することが保証され、磁束漏れが最小限に抑えられ、高精度に貢献します。トロイダルコアは、定格電流での位相角誤差が非常に低いため、収益グレードおよび保護クラスの機器では標準です。
高比または特殊用途で使用される巻線型変流器の場合、コアは方向性電磁鋼板から組み立てられた長方形または C 字型の構成で積層される場合があります。これらの積層コアにより、メーカーは目標の荷重と精度クラスに合わせて断面積を正確に調整できます。
磁気コア材料の選択は、トランスの精度クラス、飽和動作、および周波数応答を直接制御します。以下の表は、最も一般的なオプションをまとめたものです。
| 材質 | 比透磁率(概算) | 典型的な使用例 | 主な利点 |
|---|---|---|---|
| 冷間圧延方向性ケイ素鋼 (CRGO) | 5,000 – 30,000 | 計測および保護 CT、50/60 Hz | 低いコア損失、コスト効率の高い |
| ニッケル鉄合金 (例: 78% Ni) | 50,000 – 200,000 | 高精度の収益計測、クラス 0.1 および 0.2 | 極めて低い励磁電流 |
| ナノ結晶合金 | 最大150,000 | 広周波数、高調波の多い環境 | 優れた高周波応答 |
| アモルファス金属 (メトグラス) | 100,000 | スマートグリッドアプリケーションでのエネルギー計測 | 非常に低いヒステリシス損失 |
| フェライト | 1,000 – 15,000 | 高周波電流検出 (kHz 範囲) | 高周波での渦電流損失は無視できる |
50 Hz または 60 Hz の標準的な電力周波数測定では、コスト、入手可能性、磁気性能のバランスが優れているため、CRGO ケイ素鋼が依然として有力な選択肢です。ニッケル鉄合金は、広い負担範囲にわたって誤差を 0.1% または 0.2% 以内に抑える必要がある高精度収益計測 CT 用に予約されています。
渦電流損失を低減するために、シリコン鋼コアは通常 0.23 mm ~ 0.35 mm の厚さの薄いストリップに積層されます。各積層体は薄い絶縁層 (通常はリン酸塩処理または有機ワニス) でコーティングされており、層間で電流が流れるのを防ぎます。より緊密な積層とより薄いストリップにより、持続的な過負荷状態における損失と熱の蓄積が軽減されます。
二次巻線はコアに直接巻かれており、計器、リレー、メーターが測定する出力電流を生成する役割を果たします。この巻線の物理的な構造は、精度と熱性能の両方に影響します。
事実上すべての二次巻線はエナメル銅線で巻かれています。銅は、高い導電性、延性、よく理解されている温度特性の組み合わせにより、標準的な選択肢となっています。特殊な軽量設計ではアルミニウム ワイヤが使用されることもありますが、同じ抵抗目標を達成するにはより大きな断面積が必要であり、腐食を防ぐために慎重な終端処理が必要です。
ワイヤゲージは、二次巻線の抵抗仕様 (多くの場合、Rct (二次巻線の抵抗) と呼ばれます) を満たすように選択されます。 Rct が低いと、利用可能な二次 EMF の大部分が内部で熱として放散されるのではなく、外部負荷に供給されるようになります。これは、負荷レベルが低い場合の精度に直接影響します。
二次巻線の巻数によって、一次巻線と組み合わせた変圧比が決まります。一次側が単一のパススルー導体である標準的なバータイプまたはウィンドウタイプの変流器の場合、一次巻線数は 1 です。その後、二次巻線は必要な比を達成するように設定されます。たとえば、200 A / 1 A 変圧器の 200:1 比の場合は 200 巻になります。
巻線は、起磁力のバランスを確保し、漏れ磁束を最小限に抑えるために、トロイドの周囲に均一に分散されています。均一性は、巻線分布の小さな非対称性でも測定可能な位相角誤差を引き起こす可能性がある高精度設計では特に重要です。
多層巻線では、異なる電位での巻線間の電圧降下を防ぐために層間絶縁が必要です。一般的な層間絶縁材料には次のものがあります。
変流器の一次側はいくつかの明確に異なる方法で配置でき、それぞれ異なる機械構造タイプになります。これは、物理的設計によって CT を分類するための主な基礎です。
中実または中空のバス バーが、コアと巻線アセンブリの窓を通過します。デバイスには一次巻線が巻かれていません。バー自体が 1 つの主要なターンを構成します。
バータイプと似ていますが、一次導体はCT本体の開いた窓を通過する外部ケーブルまたはバスバーです。トランスには一次導体が内蔵されていません。
1 つ以上の一次巻線が二次巻線と並んでコアに巻かれます。小さな一次電流から高い変圧比を実現します。
コアは 2 つの分離可能な半分に分割されており、回路を切断することなく開いて既存の導体の周囲にクランプできます。
バー型変流器は、トロイダルまたは長方形のコアと巻線アセンブリの中心を通過する、工場で取り付けられた固定の一次導体 (通常は銅またはアルミニウムのバー) を使用します。コアと二次巻線はこのバーの周りにカプセル化されています。この構造は最大の機械的剛性を提供し、一次電流定格が 400 A から数千アンペアの範囲にある開閉装置やバスバーの設置に適しています。
バーは工場出荷時に設定されているため、バータイプ CT は現場で調整できません。定格一次電流は製造時に決定されます。ただし、主経路には緩んだり腐食したりする可能性のある機械的な接合部がないため、数十年の使用期間にわたって非常に安定しています。
ウィンドウ型 CT は、リング型またはドーナツ変流器と呼ばれることもあり、二次コイルが巻かれ、中央に開口部のあるハウジングに囲まれたトロイダル コアで構成されています。一次導体(測定された電流を流すケーブルやバスバーが何であれ)は、設置時にこの開口部に通すだけです。 CT 本体と一次導体の間には電気接続はありません。変圧器は純粋に誘導によって動作します。
導体が窓に物理的に収まる限り、単一の CT モデルをさまざまな断面の導体に取り付けることができるため、この設計は多用途です。窓型 CT は、分電盤、ケーブル監視、既存設備の改修などに広く使用されています。
巻線変流器では、一次巻線は、二次巻線と並んでコアに直接巻かれた絶縁銅導体の 1 回以上の巻線で構成されます。この構成は、一次電流が比較的低く (通常 100 A 未満)、シングルパス導体では正確な測定には不十分な磁束が生成される場合に使用されます。
2、3、またはそれ以上の一次巻線を追加することにより、物理的に大きなコアを必要とせずに実効変換率が倍増します。 5 つの一次巻線と 1,000 の二次巻線を備えた巻線 CT の実効比は 1,000:5 または 200:1 で、5 巻の一次巻線は単一バーの一次巻線よりも大きな磁束を同じ線電流で駆動します。
巻線タイプの CT は、通常、同じ電流定格のバーまたはウィンドウ タイプよりも高価です。追加の巻線プロセスにより労力が追加され、一次導体の絶縁はシステムの完全な線間電圧に対応する定格を持たなければならないためです。
の スプリットコア変流器 これは、電源を切ったり切断したりできない導体に変流器を取り付ける方法という具体的な実際的な問題を解決します。磁気コアは、精密機械加工されたジョイントに沿って 2 つの半分に分割されます。ヒンジまたはラッチ機構により、動作中は半分が閉じた状態に保持され、設置の際には半分を分離することができます。
コアの半分が開いているときは、CT を通電ケーブルの周囲に配置できます。閉じてラッチされると、磁気回路が完成し、デバイスは同等の寸法の固体トロイダル CT と同様に機能します。
の key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:
スプリットコア CT は、エネルギー監査、建物のエネルギー管理システム、後付けの電力監視パネル、および監視対象の回路をシャットダウンせずに設置を実行する必要があるあらゆるアプリケーションで広く使用されています。コアの材質とジョイントの品質に応じて、クラス 1 からクラス 0.5 までの精度クラスが用意されています。
の toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.
磁束はトロイダル設計のコア材料内で完全に循環するため、本質的に磁束が周囲の空気に逃げることはありません。これには 2 つの実際的な影響があります。まず、動作磁束を確立するために必要な磁化電流が非常に低いため、比率誤差と位相変位が直接減少します。第 2 に、トロイダル CT は、長方形コア設計と比較して、ウィンドウ内の 1 次導体の位置に対する感度がはるかに低くなります (位置誤差耐性と呼ばれる特性)。
適切に設計されたトロイダル CT では、一次導体をウィンドウの中心から中心から外れた位置に移動しても、追加の比率誤差は 0.05% 未満になります。長方形コア CT では、同じ変位によって 0.3% を超える誤差が生じる可能性があります。
変流器用トロイダルコアは、ターゲット材料に応じて 3 つの方法のいずれかで製造されます。
CT 絶縁は、高電圧の一次導体を低電圧の二次回路から絶縁することと、巻線とコア アセンブリを環境劣化から保護することの 2 つの機能を同時に実行する必要があります。選択される絶縁システムは、定格電圧、周囲環境、およびアプリケーションの機械的要件によって異なります。
の majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:
真空圧力含浸 (VPI) は、鋳造が現実的でない大型アセンブリに使用されます。巻き線は真空下で樹脂に浸漬され、閉じ込められた空気が除去され、硬化前に加圧されてすべての空隙に樹脂が押し込まれます。
定格 36 kV を超える高電圧変流器では、通常、主な絶縁および冷却媒体として鉱油が使用されます。巻線コアと二次アセンブリは、変圧器グレードの鉱物油で満たされた密閉金属タンク内に配置されます。セルロース紙絶縁体は一次導体の周りに複数の層で巻き付けられ、線間電圧に耐えるのに必要な沿面距離を構築します。
油入 CT は、送電変電所における 110 kV、220 kV、および 500 kV の設備の標準です。定期的なオイルサンプリングと溶存ガス分析により、メンテナンスチームは故障が発生する前に初期の絶縁劣化を検出できます。
ガス絶縁開閉装置 (GIS) 設備では、変流器が GIS 筐体に組み込まれており、絶縁媒体として六フッ化硫黄 (SF6) ガスを使用します。これらの CT は、周囲の開閉装置と同じコンパクトな設置面積の利点があり、液体のメンテナンスは必要ありませんが、密閉されたガス システムの圧力と純度を監視する必要があります。
最大約 36 kV の電圧の制御された環境での屋内設置の場合、固体絶縁材料 (樹脂結合グラスファイバー、注型樹脂、または Nomex) を使用した乾式 CT は、油充填設計の代替手段となります。軽量で油流出のリスクがなくなり、メンテナンスが簡単になりますが、過酷な屋外環境で使用すると結露や汚染の影響を受けやすくなります。
の following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:
| 工事の種類 | プライマリーターン | 標準的な電流範囲 | 最高精度クラス | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|
| バータイプ | 1(固定バー) | 400A~5,000A | 0.2S | 開閉装置、バスバーメーター |
| ウィンドウ/リングタイプ | 1 (パススルー) | 50A~3,000A | 0.5 | 分電盤、ケーブル監視 |
| 傷の種類 | 2~20 | 1A~100A | 0.1 | 低電流の精密計量 |
| スプリットコア Type | 1 (パススルー) | 50A~3,000A | 0.5~1 | 改造、エネルギー監査、BMS |
| トロイダル(ソリッド) | 1 (パススルー) | 5A~5,000A | 0.1 | 収益計測、保護 |
| 油入タンクタイプ | 1~4 | 10A~4,000A(HV) | 0.2 | 送電変電所 |
| GIS 統合型 | 1 | 200A~5,000A | 0.2 | 高圧GIS設備 |
適切な変流器を選択することは、単に電流比を一致させるだけの問題ではありません。内部構造は、負荷変動下、高温下、および高調波の存在下で、動作範囲全体で CT がどのように動作するかを決定します。
比率誤差は、磁化電流(コア内に磁束を確立するために必要な電流)が二次出力に現れないために発生します。励磁電流はすべて一次側から引き出されますが、負荷には到達しません。一次電流に対する磁化電流が大きいほど、比率誤差は大きくなります。ニッケル鉄およびナノ結晶コアは透磁率が非常に高いため、シリコン鋼コアよりも必要な磁化電流がはるかに少ないため、同じコア断面での比率誤差が低くなります。
位相変位は、一次電流フェーザーと二次電流フェーザー (方向が逆) の間の角度差であり、分弧単位で測定されます。位相変位は、力率とエネルギーの測定において特に重要です。これは、たとえ小さな角度誤差でも、電力量の計算にコサイン依存の誤差が生じるためです。力率 0.5 の負荷で位相が 10 分間変位すると、約 0.5% のエネルギー測定誤差が生じる可能性があります。
の secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.
可変速ドライブ設備、アーク炉、およびデータセンターの電力システムでは、一次電流に重要な高調波成分 (多くの場合、5 次、7 次、11 次、および 13 次の高調波) が含まれています。標準的なシリコン鋼鉄コアは、高調波周波数で損失と位相角歪みが増加します。ナノ結晶コアとアモルファスコアは、数キロヘルツまで平坦な透磁率曲線を持ち、歪んだ波形に対して大幅に優れた精度を提供し、クラス A の電力品質アナライザに推奨されます。
の enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.
計量パネル用の低電圧 CT は、ほとんどの場合、キャスト樹脂コア アセンブリの周囲に射出成形によって形成されたガラス繊維強化ポリエステル (GRP) またはポリカーボネートのハウジングで製造されます。ハウジングには、取り付けラグまたは DIN レール クリップ、予想出力電流定格の二次端子台、および IEC 規格に準拠した極性マーキング (一次側は P1/P2、二次側は S1/S2) が統合されています。
ブッシング CT は、電源変圧器または回路ブレーカーの磁器またはポリマー製ブッシング上をスライドするように設計されたリング状のアセンブリです。彼らには自分たちの住居がありません。代わりに、ブッシングのフランジと変圧器タンク カバーの間にクランプされます。ブッシング CT は、ブッシング自体が一次導体と電圧絶縁を提供するため、最もコンパクトな設計の一部です。
中電圧および高電圧の屋外変流器は、磁器またはシリコーンゴム複合絶縁体シェッドを備えた密閉アセンブリ内に収容されています。シェッド プロファイルは、汚染条件下で適切な沿面距離を維持するように設計されています。IEC 規格では、軽度の汚染環境では最小沿面距離 16 mm/kV、重度の汚染サイトでは最大 31 mm/kV の沿面距離が必要です。シリコーンゴム複合ハウジングは、軽量、汚染された環境での優れた耐汚染性、および脆性破壊に対する耐性により、新規設置において磁器に大きく取って代わりました。
完全な電流測定システムには、CT、相互接続配線、および受信機器が含まれます。の スプリットコア変流器 サービスを中断することなく設置できるため、改修計量プロジェクトではよく選ばれます。設置されると、二次側 CT は専用の CT 回路を介してエネルギー メーター、電力アナライザ、または保護リレーに接続されます。危険な二次側過電圧状態を避けるために、動作中は常に回路を閉じておく必要があります。
変流器の精度クラスは、国際規格および地域規格によって定義されています。最も参照されている 2 つは、IEC 61869-2 (以前の IEC 60044-1) と IEEE C57.13 です。クラスの指定を理解すると、アプリケーションに適切な CT を指定するのに役立ちます。
IEC 61869-2 では、計量精度クラスを 0.1、0.2、0.2S、0.5、0.5S、1、および 3 として定義しています。「S」接尾語 (特別) は、低電流での拡張精度を示します。具体的には、CT は、標準の 5% ではなく定格電流の 1% までの比率誤差仕様を満たす必要があります。負荷は CT の定格一次電流の 100% を大幅に下回って動作することが多いため、多くの規制枠組みの下で収益グレードの電力量計にはクラス 0.5S および 0.2S が必要です。
保護クラスの CT は、精度限界係数 (ALF) とニーポイント動作によって指定されます。クラス 5P および 10P が標準指定であり、数字は定格精度制限係数での最大複合誤差を示します。 5P20 CT は、一次電流が定格電流の 20 倍の場合でも、複合誤差が 5% を超えないように維持します。これは、故障状態で過電流リレーが確実に動作するために必要な条件です。
の IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.
変流器には、磁気コア (通常はトロイダル シリコン鋼、ニッケル鉄合金、またはナノ結晶材料)、コアに巻かれたエナメル銅線の二次巻線、層間絶縁、外部絶縁エンクロージャ (通常、低電圧タイプの場合はエポキシ樹脂)、および二次端子接続が含まれています。高電圧タイプには、コアと巻線アセンブリの周囲にオイルまたはガス絶縁体も含まれています。
巻線変流器には、一次巻線として 1 回以上の絶縁銅線がコアに巻かれています。これにより、シングルパス導体では不十分な磁束が発生するような低い一次電流 (通常は 100 A 未満) に適しています。バー型変流器には、コア ウィンドウを通過する工場で取り付けられた固体の一次導体があり、正確に 1 つの一次巻線を構成しています。高い一次電流に使用され、最大限の機械的安定性を提供します。
の core material determines the magnetizing current the transformer requires to function. High-permeability materials (nickel-iron, nanocrystalline) need very little magnetizing current, which directly reduces both ratio error and phase displacement. Silicon steel is adequate for Class 0.5 and Class 1 applications. For Class 0.1 and 0.2 revenue metering, nickel-iron alloy cores are typically required. For harmonic-rich environments, nanocrystalline materials offer the best combination of accuracy and wide-frequency performance.
トロイダル変流器はリング状の磁気コアを使用しており、エアギャップや露出した磁極面のない完全に閉じた磁束経路を作成します。この設計により、磁束漏れが最小限に抑えられ、必要な磁化電流が減少し、変圧器がウィンドウ内の 1 次導体の位置の影響を比較的受けなくなります。これらの特性により、トロイダル CT は高精度の計測や、一次導体を正確に中心に配置できない設置に適した選択肢となります。
スプリットコア CT の精度は、2 つのコア半分間の接合部における有効エアギャップを最小限に抑えることに依存します。メーカーは、精密に加工された合わせ面、一定の圧力を加えるバネ式クランプ機構、本質的に小さな残留ギャップに対する耐性が高い高透過性のコア材料 (多くの場合、ナノ結晶合金) を使用しています。ジョイントが適切にクランプされている理想的な条件下では、高品質のスプリットコア CT はクラス 0.5 の精度を達成でき、これはほとんどのサブメータおよびエネルギー管理アプリケーションに十分です。
の accuracy class number represents the maximum allowable ratio error (in percent) at rated burden and at 100% of rated primary current for standard classes, or down to 1% of rated current for "S" class designations. For example, a Class 0.5 CT must not exceed a 0.5% ratio error, while a Class 0.5S CT must also hold within 0.5% ratio error at primary currents as low as 1% of the rated value. Protection-class CTs use different designations (such as 5P20) that express composite error and accuracy limit factor rather than ratio error alone.
窓型 CT は、窓の開口内に物理的に収まり、定格電流が CT の一次電流定格内に収まる任意の導体に対応できます。 CT 自体は導体と電気的に接触しておらず、純粋に電磁誘導によって動作します。実際の制約には、ウィンドウの内径 (絶縁体を含む導体に対して十分な大きさでなければなりません) や、CT が精度範囲内で動作することを保証するために導体の通常の動作電流と一致する必要がある定格一次電流仕様が含まれます。
一次電流が流れているときに動作中の変流器の二次回路が開いた場合、一次電流はコアを磁化し続け、それに対抗する二次電流はありません。これにより、半サイクルごとにコアが深く飽和状態になり、二次端子に非常に高いピーク電圧(数千ボルトになる可能性があります)が生成されます。これらの電圧は人体にとって危険であり、CT の絶縁を破壊する可能性があります。変流器は、機器を二次端子から切り離す前に、常に短絡するか定格負荷に接続する必要があります。
