特許 7426646 変圧器の雷サージ応答の解析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-25

(45)【発行日】2024-02-02

(54)【発明の名称】変圧器の雷サージ応答の解析方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/00 20060101AFI20240126BHJP

   G01R 31/12 20200101ALI20240126BHJP

   G01R 31/62 20200101ALI20240126BHJP

   H01F 27/00 20060101ALI20240126BHJP

   H01F 41/00 20060101ALI20240126BHJP

【ＦＩ】

G01R31/00

G01R31/12 Z

G01R31/62

H01F27/00 H

H01F41/00 F

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019217972

(22)【出願日】2019-12-02

(65)【公開番号】P2021089153

(43)【公開日】2021-06-10

【審査請求日】2022-11-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000242644

【氏名又は名称】北陸電力株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002712

【氏名又は名称】弁理士法人みなみ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松浦 進

(72)【発明者】

【氏名】金谷 賢一

(72)【発明者】

【氏名】道下 幸志

【審査官】小川 浩史

(56)【参考文献】

【文献】YOKOYAMA, Shigeru，“Lightning Performance of Equipment for Power Distribution Lines”，2017 International Symposium on Lightning Protection (XIV SIPDA)，2017年10月02日，pp. 413-422，DOI: 10.1109/SIPDA.2017.8116958

【文献】金谷賢一；松浦進；村主翔平；道下幸志，「配電用柱上変圧器１次ブッシングの雷サージ絶縁特性」，平成３１年電気学会全国大会講演論文集 一般講演７，2019年03月01日，pp. 107-108

【文献】道下幸志；高木博之；本郷保二，「高圧配電線に生じる雷サージ解析のための柱上変圧器のモデリング」，電気学会論文誌Ｂ（電力・エネルギー部門誌），1999年10月01日，Vol. 119, No. 10，pp. 1128-1129，DOI： https://doi.org/10.1541/ieejpes1990.119.10_1128

【文献】道下幸志；平岩秀夫；本郷保二，「配電用柱上変圧器の雷過電圧応答 -変圧器容量への依存性-」，電気学会論文誌Ｂ（電力・エネルギー部門誌），Vol. 128, No. 1，2008年01月01日，pp. 270-276，DOI： https://doi.org/10.1541/ieejpes.128.270

【文献】本田秀樹；野田琢；浅川聡；新藤孝敏；横山茂；安孫子堅二，「過渡現象解析のための配電用柱上変圧器モデルの改良」，電気学会論文誌Ｂ（電力・エネルギー部門誌），2004年12月01日，Vol. 124, No. 9，pp. 1169-1176，DOI： https://doi.org/10.1541/ieejpes.124.1169

【文献】野田琢；中本博；横山茂，「過渡現象解析のための配電用柱上変圧器モデル」，電気学会論文誌Ｂ（電力・エネルギー部門誌），2000年08月01日，Vol. 120, No. 8-9，pp. 1098-1105，DOI： https://doi.org/10.1541/ieejpes1990.120.8-9_1098

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／００

Ｇ０１Ｒ ３１／１２－３１／２０

Ｇ０１Ｒ ３１／５０－３１／７４

Ｈ０１Ｆ ２７／００

Ｈ０１Ｆ ４１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数層が積層された１次巻線を有する変圧器の雷サージ応答の解析方法であって、
この変圧器の等価回路は、１次巻線が、全ての各層間部分をそれぞれ構成要素としたものまたは巻き始め側の第１層と第２層の層間部分を含む任意の層間部分とその他の層間部分とをそれぞれ構成要素としたものであり、
実測された変圧器のアドミタンス周波数特性に基づいて、等価回路の１次巻線の各層間部分のパラメータを求めるパラメータ導出過程と、
等価回路に雷サージを模擬した電圧波形を入力して各層間部分に発生する電圧を求める電圧計算過程を備え、
パラメータ導出過程における変圧器のアドミタンス周波数特性は、１次巻線の各層間から引き出された端子の接続方法を変えた複数種類のアドミタンス周波数特性であることを特徴とする変圧器の雷サージ応答の解析方法。

【請求項2】

複数層が積層された１次巻線を有する変圧器の雷サージ応答の解析方法であって、
この変圧器の等価回路は、１次巻線が、全ての各層間部分をそれぞれ構成要素としたものまたは巻き始め側の第１層と第２層の層間部分を含む任意の層間部分とその他の層間部分とをそれぞれ構成要素としたものであって、少なくとも第１層と第２層の層間部分に、発生する電圧が所定の条件を満たすと層間を短絡する絶縁破壊の等価回路が接続されたものであり、
実測された変圧器のアドミタンス周波数特性に基づいて、等価回路の１次巻線の各層間部分のパラメータを求めるパラメータ導出過程と、
等価回路に雷サージを模擬した電圧波形を入力して各層間部分に発生する電圧を求める電圧計算過程と、
電圧計算過程で求められた電圧により絶縁破壊の等価回路が層間を短絡するか否かで雷故障の有無を判定する故障判定過程を備えることを特徴とする変圧器の雷サージ応答の解析方法。

【請求項3】

変圧器の等価回路は、１次巻線が、全ての各層間部分をそれぞれ構成要素としたものであることを特徴とする請求項１または２記載の変圧器の雷サージ応答の解析方法。

【請求項4】

変圧器の等価回路は、１次巻線が、第１層と第２層の層間部分とその他の層間部分とをそれぞれ構成要素としたものであることを特徴とする請求項１または２記載の変圧器の雷サージ応答の解析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、変圧器の１次巻線に発生する雷過電圧およびその電圧により発生する雷故障を含む雷サージ応答の解析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

配電線を構成する電柱の上に施設される配電用の柱上変圧器は、雷サージ（落雷により瞬間的に発生する高い電圧（雷過電圧）や電流のこと）による故障被害を受けやすい機器である。そこで従来、雷過電圧に対する柱上変圧器の挙動を解析するための様々な等価回路が提案されている。たとえば、図１１に示すのは、非特許文献１において提案された等価回路である。なお、回路中の各構成要素の符号は、以下のものを表している。
Ｚ_１：１次巻線のインピーダンス
Ｙ_１１：１次巻線間（１＋端子ｔ_１＋と１－端子ｔ_１－の間）のアドミタンス
Ｙ_１Ｇ：１次巻線と大地の間のアドミタンス
Ｙ_２Ｇ：２次巻線と大地の間のアドミタンス
Ｙ_１２：１次巻線と２次巻線の間のアドミタンス
Ｙ_２２：２次巻線間（２＋端子ｔ_２＋と２－端子ｔ_２－の間）のアドミタンス
Ｙ_２０：２次巻線間（２＋端子ｔ_２＋または２－端子ｔ_２－と０端子ｔ_０の間）のアドミタンス
Ｚ_２ｌ：２次巻線の自己インピーダンス
Ｚ_２ｍ：２次巻線の相互インピーダンス

【0003】

この等価回路の各構成要素（回路素子）のパラメータは、以下のようにして決定される。まず、実際の柱上変圧器において、１次側および２次側の各端子の接続方法を変えた複数種類のアドミタンスを所定の周波数帯で測定する。そして、この測定したアドミタンス周波数特性から、回路理論とモード解析法により、パラメータが導出される。なお、回路理論によれば、測定したアドミタンスが、等価回路の構成要素を組み合わせた式で表されるものである。また、モード解析法は、共振に着目して回路素子のパラメータを決定する手法である。このような等価回路のパラメータの決定手法は、既知のものである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】道下幸志，外２名，“配電用柱上変圧器の雷過電圧応答－変圧器容量への依存性－”，電気学会論文誌Ｂ，一般社団法人電気学会，２００８年，１２８巻，１号，ｐ．２７０－２７６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、雷サージが原因となって発生する柱上変圧器の故障には、主に１次ブッシングの故障と１次巻線の故障がある。しかしながら、非特許文献１の等価回路は、柱上変圧器の１次側から２次側または２次側から１次側への移行サージを計算するためのものであって、１次巻線はインピーダンスＺ_１のみで表されており、柱上変圧器の１次巻線における雷過電圧の発生様相は計算することができなかった。そしてこれに伴い、この１次巻線における雷過電圧が原因となる故障についても解析することができなかった。

【0006】

本発明は、このような事情を鑑みたものであり、変圧器の１次巻線に発生する雷過電圧およびこの雷過電圧が原因となる変圧器の雷故障を含む雷サージ応答の解析方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、複数層が積層された１次巻線を有する変圧器の雷サージ応答の解析方法であって、この変圧器の等価回路は、１次巻線が、全ての各層間部分をそれぞれ構成要素としたものまたは巻き始め側の第１層と第２層の層間部分を含む任意の層間部分とその他の層間部分とをそれぞれ構成要素としたものであり、実測された変圧器のアドミタンス周波数特性に基づいて、等価回路の１次巻線の各層間部分のパラメータを求めるパラメータ導出過程と、等価回路に雷サージを模擬した電圧波形を入力して各層間部分に発生する電圧を求める電圧計算過程を備え、パラメータ導出過程における変圧器のアドミタンス周波数特性は、１次巻線の各層間から引き出された端子の接続方法を変えた複数種類のアドミタンス周波数特性であることを特徴とする。

【0008】

本発明は、複数層が積層された１次巻線を有する変圧器の雷サージ応答の解析方法であって、この変圧器の等価回路は、１次巻線が、全ての各層間部分をそれぞれ構成要素としたものまたは巻き始め側の第１層と第２層の層間部分を含む任意の層間部分とその他の層間部分とをそれぞれ構成要素としたものであって、少なくとも第１層と第２層の層間部分に、発生する電圧が所定の条件を満たすと層間を短絡する絶縁破壊の等価回路が接続されたものであり、実測された変圧器のアドミタンス周波数特性に基づいて、等価回路の１次巻線の各層間部分のパラメータを求めるパラメータ導出過程と、等価回路に雷サージを模擬した電圧波形を入力して各層間部分に発生する電圧を求める電圧計算過程と、電圧計算過程で求められた電圧により絶縁破壊の等価回路が層間を短絡するか否かで雷故障の有無を判定する故障判定過程を備えることを特徴とする。

【0009】

また、本発明においては、変圧器の等価回路は、１次巻線が、全ての各層間部分をそれぞれ構成要素としたものであってもよい。

【0010】

また、本発明においては、変圧器の等価回路は、１次巻線が、第１層と第２層の層間部分とその他の層間部分とをそれぞれ構成要素としたものであってもよい。

【0011】

ただし、上記の本発明において、変圧器の等価回路（１次巻線以外の部分）としては、上記の非特許文献１に記載されたもの（図１１に示したもの）を用いることができる。また、以下において、１次巻線の各層間について、たとえば「第１層と第２層の層間」を、簡便に「１－２層間」と表記する。そして、上記の本発明において、１次巻線の「全ての各層間部分」とは、隣接する全ての層間、すなわち、１－２層間、２－３層間、３－４層間、・・・のことである。また、「第１層と第２層の層間部分を含む任意の層間部分」とは、少なくとも１－２層間を含み、さらにそれ以外の隣接する層間部分を含んでいてもよいということであり、たとえば１つ置きで、１－２層間、３－４層間、５－６層間、・・・などのことである。さらに、「その他の層間部分」とは、「第１層と第２層の層間部分を含む任意の層間部分」に含まれなかった部分をひとまとめにした部分のことである。そして、それらについてそれぞれ構成要素とするとは、従来提案されている等価回路のように１次巻線の全体をインピーダンスという１つのパラメータのみで表すのではなく、各層間部分に分割してそれぞれを回路素子とみなして、それぞれにパラメータを設定するということである。また、絶縁破壊の等価回路について、発生する電圧の「所定の条件」とは、電圧の値（電位差）や波形に基づいて定められるものであり、たとえば、所定値以上の電位差が発生する場合などである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、変圧器の１次巻線を詳細に模擬した等価回路とすることにより、従来は計算することができなかった１次巻線に発生する雷過電圧について、計算することができるようになる。なお、変圧器の１次巻線に雷サージが侵入した際の各層間部分に発生する電圧を実測した結果、巻き始め側の１－２層間部分に最も大きな過電圧が発生することが分かっている。本発明は、その１－２層間部分について個別の構成要素として模擬することで、高い精度が得られる。

【0013】

また、故障判定過程を備えるものであれば、求められた１次巻線に発生する雷過電圧に基づき、１次巻線で発生する雷故障（絶縁破壊）の有無を計算することができる。これにより、変圧器の１次巻線の雷故障を防ぐための雷害対策の検討および評価が可能となる。

【0014】

また、等価回路の１次巻線について、全ての各層間部分をそれぞれ構成要素とすれば、１次巻線に発生する雷過電圧および１次巻線の雷故障の計算において、より高い精度が得られる。

【0015】

また、等価回路の１次巻線について、１－２層間部分とその他の部分とをそれぞれ構成要素とすれば、等価回路が簡易な構成となるので、より簡便に１次巻線に発生する雷過電圧および１次巻線の雷故障について計算することができるようになる。そして上記のとおり、実際には１－２層間部分に最も大きな過電圧が発生するので、１－２層間部分のみを個別の構成要素とするだけで十分な精度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の方法における変圧器の等価回路である。

【図2】変圧器本体の構造を示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。

【図3】変圧器の１次巻線の構造を示す模式図である。

【図4】変圧器の１次巻線の構造の詳細および雷事故の様相を示す模式図である。

【図5】変圧器にインパルス電圧を入力する実験の回路図である。

【図6】変圧器の１次巻線の雷サージ応答特性の実測値を示すグラフである。

【図7】変圧器の１次巻線のアドミタンス周波数特性を測定する際の、１次側と２次側の各端子の接続状態を示す説明図である。

【図8】（ａ）～（ｃ）は、変圧器の１次巻線のアドミタンス周波数特性を測定する際の、１次巻線の端子の接続状態を示す説明図である。

【図9】変圧器に入力するインパルス電圧波形を示すグラフである。

【図10】変圧器の１次巻線の１－２層間に発生する電圧の実測値と計算値を示すグラフである。

【図11】非特許文献１において提案された変圧器の等価回路である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の具体的な内容について説明する。本発明の変圧器の雷サージ応答の解析方法は、種々の変圧器に適用できるものであるが、ここでは配電用の柱上変圧器を対象とする場合を例に挙げる。

【0018】

柱上変圧器は、電柱に取り付けられるものであって、変電所から送られてくる６６００Ｖの電気を、一般の家庭などで使用する１００Ｖまたは２００Ｖの電気に変圧するためのものである。一般的な柱上変圧器は、円筒状の筐体を有しており、筐体の内部に変圧器本体が収容されている。図２に示すように、変圧器本体は、内鉄型のものであって、矩形環状の鉄心１０と、鉄心１０の対向する２辺にそれぞれ巻き付けた正相巻線２０と負相巻線３０を備える。正相巻線２０と負相巻線３０は、それぞれ外周側の１次巻線２１，３１と、内周側の２次巻線２２，３２からなるものである。より詳しくは、図４に示すように（正相側を示すが、負相側も同様である）、鉄心１０に筒状に絶縁紙４１が巻き付けられており、その外周側に２次巻線２２が巻き付けられている。さらに２次巻線２２の外周側に筒状に絶縁紙４２が巻き付けられており、その外周側に１次巻線２１が巻き付けられている。そして、筐体の内部は絶縁油で満たされている。筐体の外側には、変圧器本体の１次巻線２１，３１に接続された２本の１次ブッシング（１＋端子と１－端子）と、変圧器本体の２次巻線２２，３２に接続された３本の２次ブッシング（２＋端子と２－端子と０端子）が設けられている。そして、１次ブッシングは高圧線に接続されており、２次ブッシングは低圧線に接続されていて、高圧線に印加された６６００Ｖの電圧が、柱上変圧器により変圧され、低圧線に１００Ｖまたは２００Ｖの電圧が印加される（２＋端子または２－端子と０端子の間が１００Ｖ、２＋端子と２－端子の間が２００Ｖである）。以下、柱上変圧器について、単に変圧器ともいう。

【0019】

このような変圧器について、上記のとおり、図１１に示すような等価回路が提案されており、破線で囲まれた部分が、変圧器の１次巻線に相当する部分である。ここで、１次巻線の構成について、さらに詳述する。図３の模式図に示すように、この変圧器の１次巻線は、正相（図の左側）と負相（図の右側）のそれぞれにおいて、１３層が積層されている。実際の変圧器本体においては、第１層Ｌ_１が最も内周側に位置しており、第１層Ｌ_１から巻き始めて、外周側に向けて第２層Ｌ_２、第３層Ｌ_３、・・・と積層された構造である。なお、図４に示すように（正相側を示すが、負相側も同様である）、各層間には絶縁紙４３が挟まれている。正相の第１層Ｌ_１から引き出された端子は、変圧器の１＋端子ｔ_１＋に接続されており、負相の第１層Ｌ_１から引き出された端子は、変圧器の１－端子ｔ_１－に接続されている。また、正相の第１２層Ｌ_１２の途中から第１タップＴ_１が、第１３層Ｌ_１３の終端から第２タップＴ_２が、負相の第１３層Ｌ_１３の終端から第３タップＴ_３が、第１３層Ｌ_１３の途中から第４タップＴ_４がそれぞれ引き出されている。タップは、変圧比を変えるための口出し線である。なお、図３中のＡ～Ｆおよびａ～ｆは、正相および負相において、それぞれ２－３層間、４－５層間、・・・、１２－１３層間から引き出した端子を表す。これらの端子は、実際の変圧器には存在せず、本発明の説明・確認のためのものである。

【0020】

そして、実際に雷サージによる雷故障が生じた変圧器を調査すると、１次巻線２１，３１の故障は、主に１次ブッシングに最も近い１－２層間（図３の１＋端子ｔ_１＋と端子Ａの間および１－端子ｔ_１－と端子ａの間）で発生していることが確認された。図４にも、そのような雷故障ＢＤ（Ｂｒｅａｋ Ｄｏｗｎ）の様相を模式的に示している。

【0021】

また、このことを数値的に確認するために、変圧器に雷サージを模擬したインパルス電圧を入力する実験を行った。図５に示すのは、実験の回路図である。インパルス電圧発生装置２００により、変圧器１００の１＋端子および１－端子と、ケースアース間に、電圧を印加した。この回路により、変圧器１００に対して、０．３／５０μＳ、０．７／５０μＳ、１．１／５０μＳの３種類のインパルス電圧を印加した（波頭長／波尾長を表す）。

【0022】

図６に示すのが、実験の結果を示すグラフであり、変圧器の１次巻線の各層間に発生した電圧を示す。より詳しくは、横軸は各層間に対応しており、たとえば、１＋－Ａは図３の１＋端子ｔ_１＋と端子Ａの間、すなわち１－２層間を表し、Ａ－Ｂは端子Ａと端子Ｂの間、すなわち３－４層間を表す。縦軸は、入力電圧の波高値に対する出力電圧の波高値の比である。これによれば、３種類の何れのインパルス電圧の場合においても、印加端である１＋端子ｔ_１＋、１－端子ｔ_１－に最も近い１－２層間の電圧が最も高く、印加端から離れると電圧が急激に小さくなることが確認された。

【0023】

これらの事項を踏まえて、本発明では、変圧器の１次巻線に発生する雷過電圧および変圧器の１次巻線の雷故障を解析するために、１次巻線を従来よりも詳細に模擬した等価回路を用いることにする。１次巻線を最も詳細に模擬しようとすれば、隣接する全ての層間、すなわち、１－２層間、２－３層間、３－４層間、・・・について分割してそれぞれ構成要素としたものも考えられるが、ここでは、１次巻線について、１－２層間部分と、その他の層間部分（３－１３層間部分）とに分割した等価回路を用いる。図６に示した上記の実験結果によれば、雷サージにより変圧器の１次巻線に発生する雷過電圧は、１－２層間で最も高く、その他の層間では十分に小さいといえる。よって、１－２層間のみを個別の構成要素とすれば、変圧器の１次巻線に発生する雷過電圧および変圧器の１次巻線の雷故障を解析するための十分な精度が得られると考えられ、かつ構成要素の数が抑えられるので計算が容易になる。

【0024】

図１に示すのが、このように詳細に模擬された１次巻線を含む変圧器の等価回路である。破線で囲まれた部分が、１次巻線に相当する部分であり、１次巻線以外の部分は、図１１に示す従来の等価回路と同様である。なお、回路中の各構成要素の符号は、以下のものを表している（これら以外は図１１と同じである）。
Ｙ_１－２：１次巻線の１－２層間のアドミタンス
Ｙ_３－１３：１次巻線のその他の層間（３－１３層間）のアドミタンス
Ｙ_Ｍ：１次巻線の１－２層間とその他の層間（３－１３層間）の相互アドミタンス

【0025】

１次巻線の部分についてより詳しくは、「１－２層間」については、１－２層間のアドミタンスＹ_１－２と１－２層間とその他の層間の相互アドミタンスＹ_Ｍを直列接続したものとして表される。また、「その他の層間」については、その他の層間のアドミタンスＹ_３－１３と１－２層間とその他の層間の相互アドミタンスＹ_Ｍを直列接続したものとして表される。よって、図１に示すように、１次巻線は、正相側と負相側のそれぞれにおいて、Ｙ_１－２、Ｙ_Ｍ、Ｙ_３－１３、Ｙ_Ｍの４つの要素を直列接続したものとして表される。

【0026】

さらに、この等価回路の１－２層間部分には、絶縁破壊の等価回路が接続されている。絶縁破壊の等価回路は、所定値以上の電位差が発生すると、１－２層間を短絡するものであり、ここでは、所定値以上の電位差が発生すると「入」となるスイッチＳで表されるものであって、このスイッチＳが、正相側と負相側のそれぞれにおいて、１－２層間のアドミタンスＹ_１－２および１－２層間とその他の層間の相互アドミタンスＹ_Ｍと並列に接続されている。

【0027】

このような変圧器の等価回路に基づき、本発明の変圧器の雷サージ応答の解析方法が実行される。この雷サージ応答の解析方法は、まず、変圧器に発生する雷過電圧を解析するための過程として、実測された変圧器のアドミタンス周波数特性に基づいて、等価回路の１次巻線の各層間部分のパラメータを求めるパラメータ導出過程と、等価回路に雷サージを模擬した電圧波形を入力して１－２層間部分に発生する電圧を求める電圧計算過程を備える。さらに、変圧器の雷故障を解析するための過程として、電圧計算過程で求められた電圧により、絶縁破壊の等価回路が層間を短絡するか否かで雷故障の有無を判定する故障判定過程を備える。

【0028】

まず、パラメータ導出過程が実行される。パラメータ導出過程では、まず、実際の変圧器において、１次巻線の各端子の接続方法を変えた複数種類のアドミタンスを所定の周波数帯で測定する。この際、変圧器の１次側と２次側の各端子は、図７に示すような接続状態となっている。すなわち、変圧器１００の１＋端子ｔ_１＋が、アドミタンス測定の＋端子Ｍ_＋に接続されており、変圧器１００の１－端子ｔ_１－、２＋端子ｔ_２＋、２－端子ｔ_２－および０端子ｔ_０が、Ｇ端子に接続（すなわち変圧器の筐体に接続）されたうえでアドミタンス測定の－端子Ｍ_－に接続されている。また、１次巻線については、図８（ａ）～（ｃ）に示すような３種類の接続方法で測定される。すなわち、図８（ａ）の場合、１＋端子ｔ_１＋には他の端子が接続されておらず、１－端子ｔ_１－には正相側の端子Ｆおよび負相側の端子ａ～端子ｆが接続されている。図８（ｂ）の場合、１＋端子ｔ_１＋には正相側の端子Ａが接続されており、１－端子ｔ_１－には正相側の端子Ｆおよび負相側の端子ａ～端子ｆが接続されている。図８（ｃ）の場合、１＋端子ｔ_１＋には他の端子が接続されておらず、１－端子ｔ_１－には正相側の端子Ａ～端子Ｆおよび負相側の端子ａ～端子ｆが接続されている。そして、この測定したアドミタンス周波数特性から、回路理論とモード解析法により、パラメータが導出される。

【0029】

各パラメータについて、より具体的には、以下のように導出される。１－２層間のアドミタンスＹ_１－２については、図８（ａ）の場合のアドミタンス周波数特性から図８（ｂ）の場合のアドミタンス周波数特性を引き算し、得られたアドミタンス周波数特性から、回路理論とモード解析法により、パラメータが導出される。その他の層間のアドミタンスＹ_３－１３については、図８（ａ）の場合のアドミタンス周波数特性から図８（ｃ）の場合のアドミタンス周波数特性を引き算し、得られたアドミタンス周波数特性から、回路理論とモード解析法により、パラメータが導出される。１－２層間とその他の層間の相互アドミタンスＹ_Ｍについては、図８（ｂ）の場合のアドミタンス周波数特性と図８（ｃ）の場合のアドミタンス周波数特性を足し算し、そこから図８（ａ）の場合のアドミタンス周波数特性を引き算し、得られたアドミタンス周波数特性から、回路理論とモード解析法により、パラメータが導出される。

【0030】

続いて、電圧計算過程が実行される。電圧計算過程では、等価回路に、雷サージを模擬した電圧波形を入力する。先のパラメータ導出過程において、等価回路の各構成要素のパラメータが決定されているので、入力に対する等価回路の応答を計算することが可能であり、１次巻線の１－２層間部分に発生する電圧も求められる。

【0031】

続いて、故障判定過程が実行される。上記のとおり、等価回路の１－２層間部分には、絶縁破壊の等価回路を表すスイッチＳが接続されており、先に求められた１－２層間部分に発生する電位差が所定値以上であれば、スイッチＳが「入」となり、１－２層間が短絡される。すなわち、絶縁破壊が模擬されることになる。故障判定過程では、この短絡の発生の有無が検知され、短絡が発生すれば、雷故障が発生したと判定され、短絡が発生しなければ、雷故障が発生していないと判定される。なお、スイッチＳが「入」となる電位差の所定値は、実際の変圧器における雷故障についての実測値から定められるものであり、たとえば、変圧器の１次巻線を構成する絶縁紙などの絶縁破壊電圧から求められる。

【0032】

ここで、本発明の雷サージ応答の解析方法の妥当性を検証するために、変圧器の１次巻線の１－２層間部分に発生する電圧について、計算値と、実際の変圧器における実測値を比較する。印加電圧は、図９に示すような、１．１／５０μＳのインパルス電圧とし、実測については、図５に示す回路を用いた。図１０に示すのが、その計算値と実測値を併せて示したグラフである。特に最初のピークについて、計算値と実測値とは、よく一致している。そして、雷故障の観点からは、最も振幅が大きい最初のピークが問題となるため、そこがよく一致する結果が得られた本発明の方法は、実用上十分な精度のものである。

【0033】

このような本発明の変圧器の雷サージ応答の解析方法によれば、変圧器の１次巻線を詳細に模擬した等価回路とすることにより、従来は計算することができなかった１次巻線に発生する雷過電圧について、計算することができるようになる。特に、変圧器の１次巻線に雷サージが侵入した際には巻き始め側の１－２層間部分に最も大きな過電圧が発生することから、１次巻線を、１－２層間部分とその他の部分とに分割してそれぞれを構成要素として模擬することで、実用上十分に高い精度が得られるものであり、かつ、等価回路が簡易な構成となるので、簡便に計算することができる。そして、上記のようにして求められた１次巻線に発生する雷過電圧に基づき、１次巻線で発生する雷故障（絶縁破壊）の有無を計算することができる。これにより、変圧器の１次巻線の雷故障を防ぐための雷害対策の検討および評価が可能となる。

【0034】

なお、コンピュータを、本発明の変圧器の雷サージ応答の解析方法を実行する、変圧器の雷サージ応答の解析装置として機能させることができる。このコンピュータからなる変圧器の雷サージ応答の解析装置は、上記のような変圧器の雷サージ応答の解析方法に基づき、変圧器に発生する雷過電圧を求め、それにより発生する雷故障の有無を判定するものである。この解析装置は、パラメータ導出手段と、電圧計算手段と、故障判定手段を備える。各手段は、コンピュータがそれぞれの手段として機能するものである。

【0035】

コンピュータは、キーボードやマウスなどからなる入力装置、ディスプレイなどからなる出力装置、プログラムの命令を順番に実行するＣＰＵ、プログラムやプログラムの実行に必要なデータおよび計算結果などを保存しておく記憶装置を構成要素とする標準的なものである。

【0036】

そして、コンピュータにおいて、変圧器の雷サージ応答の解析プログラムを実行させることにより、装置が動作して、本発明の変圧器の雷サージ応答の解析方法に基づき、変圧器に発生する雷過電圧を求め、変圧器の雷故障の有無を判定するものである。

【0037】

より詳しくは、このプログラムをコンピュータに実行させた場合、各ステップ（パラメータ導出ステップ、電圧計算ステップ、故障判定ステップ）が実行されることで、コンピュータが各種の手段（パラメータ導出手段、電圧計算手段、故障判定手段）として機能し、雷過電圧および雷故障の解析を行う。

【0038】

このプログラムを実行すると、まずパラメータ導出ステップが実行され、コンピュータが、パラメータ導出手段として機能する。パラメータ導出手段は、実際の変圧器において各端子の接続方法を変えた複数種類のアドミタンスを所定の周波数帯で測定した測定値の入力を受け付ける。入力は、コンピュータに接続された測定器（ＬＣＲメータなど）により測定されたデータが取り込まれるものであってもよいし、別途測定されたデータが入力装置により手入力されるものであってもよい。入力された測定値は、記憶装置に保存される。そして、パラメータ導出手段は、記憶装置から、測定値および予め保存された回路理論とモード解析法に基づく計算式を読み込み、測定値を計算式に代入して、等価回路のパラメータを求める。パラメータは、記憶装置に保存される。

【0039】

次に、電圧計算ステップが実行され、コンピュータが、電圧計算手段として機能する。電圧計算手段は、雷サージを模擬した電圧波形の入力を受け付ける。電圧波形は、記憶媒体に保存されたデータが読み込まれるものであってもよいし、入力装置から波形を定める数値が手入力されるものであってもよい。入力された電圧波形は、記憶装置に保存される。そして、電圧計算手段は、記憶装置から、電圧波形、予め保存された等価回路およびパラメータ導出ステップにおいて求められたパラメータを読み込み、電圧波形の入力に対する等価回路の応答を計算する。これにより、１次巻線の１－２層間部分に発生する電圧も求められる。求められた電圧は、記憶装置に保存される。

【0040】

次に、故障判定ステップが実行され、コンピュータが、故障判定手段として機能する。故障判定手段は、電圧計算手段において計算された電圧波形の入力に対する等価回路の応答に基づき、絶縁破壊の等価回路を表すスイッチが「入」となって１－２層間部分の短絡が発生したか否かを検出する。そして、短絡が発生すれば、雷故障が発生したと判定し、短絡が発生しなければ、雷故障が発生していないと判定する。判定結果は、記憶装置に保存されるとともに、コンピュータの出力装置に表示される。以上で、プログラムが終了し、変圧器の雷サージ応答の解析装置による解析が完了する。

【0041】

なお、この変圧器の雷サージ応答の解析プログラムは、専用のソフトウェアとして実行されるものであっても、汎用の表計算ソフトウェアなどの上で実行されるものであってもよいし、別のプログラムやシステムに組み込まれたものであってもよい。また、電圧計算手段として、汎用の電子回路シミュレーションソフトウェアを用いてもよい。

【0042】

また、上記で説明した本発明の変圧器の雷サージ応答の解析方法における変圧器の等価回路は、１次巻線について、１－２層間部分とその他の層間部分とに分割してそれぞれを構成要素としたものであったが、それ以外の構成にしてもよい。ただし、上記のとおり、雷サージにより変圧器の１次巻線に発生する雷過電圧は、１－２層間で最も高いので、少なくとも、１－２層間部分については個別に構成要素とすることで、実用上十分に高い精度が得られる。

【0043】

上記以外の１次巻線の構成の例として、たとえば、隣接する全ての層間、すなわち、１－２層間、２－３層間、３－４層間、・・・についてそれぞれを構成要素としてもよい。この場合、「ｉ－ｉ＋１層間」については、ｉ－ｉ＋１層間のアドミタンスＹ_{ｉ－ｉ＋１}とｉ－ｉ＋１層間とそれ以外の層間の相互アドミタンスＹ_{Ｍｉ－ｉ＋１}を直列接続したものとして表される。よって、全ての層間について構成要素とした場合の１次巻線の等価回路は、Ｙ_１－２、Ｙ_Ｍ１－２、Ｙ_２－３、Ｙ_Ｍ２－３、・・・、Ｙ_{ｉ－ｉ＋１}、Ｙ_{Ｍｉ－ｉ＋１}、・・・が直列接続されたものとなる。

【0044】

さらに、他の１次巻線の構成の例として、たとえば、隣接する層間の１つ置き、すなわち、１－２層間、３－４層間、５－６層間、・・・についてそれぞれを構成要素としてもよい。その場合、２－３層間、４－５層間、・・・がひとまとめの「その他の層間」となる。また、１－２層間、２－３層間およびその他の層間（４－１３層間）の３つをそれぞれ構成要素としたり、１－２層間、２－３層間、３－４層間およびその他の層間（５－１３層間）の４つをそれぞれ構成要素としたりしてもよい。

【0045】

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨の範囲内で適宜変更できる。たとえば、変圧器の等価回路のパラメータを求める手法としては、既知の種々の手法を用いることができる。また、変圧器の等価回路において、絶縁破壊の等価回路を表すスイッチが、１－２層間部分以外に設けられていてもよい。また、絶縁破壊の等価回路としては、上記のように電位差に基づくもののほか、積分法に基づくものや、Ｖ－ｔ交差法に基づくものなど、既知の種々のものを用いることができる。さらに、本発明は、柱上変圧器以外の種々の変圧器に適用できる。

【符号の説明】

【0046】

１０ 鉄心
２０ 正相巻線
２１ １次巻線（正相側）
２２ ２次巻線（正相側）
３０ 負相巻線
３１ １次巻線（負相側）
３２ ２次巻線（負相側）
４１，４２，４３ 絶縁紙
１００ 変圧器
２００ インパルス電圧発生装置
Ｓ スイッチ
ｔ_１＋ １＋端子
ｔ_１－ １－端子
ｔ_２＋ ２＋端子
ｔ_２－ ２－端子
ｔ_０ ０端子
Ｔ_１ 第１タップ
Ｔ_２ 第２タップ
Ｔ_３ 第３タップ
Ｔ_４ 第４タップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】