《機械》〈変圧器〉[H22:問2]変圧器の電源投入時の現象に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
- 2.1 【関連する「電気の神髄」記事】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，変圧器の電源投入時の現象に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切な語句を解答群の中から選びなさい。

変圧器を電源に投入すると，鉄心の$ \ \fbox {　（１）　} \ $現象によって過渡的に大きな電流が流入する。この電流を$ \ \fbox {　（２）　} \ $突入電流と呼び，その波高値は定格電流の$ \ 5 \ $倍を超えることもある。鉄心内の磁束は印加電圧の$ \ \fbox {　（３）　} \ $に応じて変化するので，例えば単相変圧器の場合，鉄心内の残留磁束$ \ \phi _{\mathrm {r}} \ $がない状態で，電圧$ \ 0 \ $の瞬間に投入されると，最初の$ \ 1 \ $サイクルの間に鉄心内磁束は定常状態の磁束最大値$ \ \phi _{\mathrm {m}} \ $の$ \ 2 \ $倍に達し，飽和磁束密度を超えると過渡的に大きな電流が流入する。投入時，鉄心内に残留磁束$ \ \phi _{\mathrm {r}} \ $があり，それが印加電圧による磁束の変化方向と同一方向にあった場合には鉄心内の磁束が$ \ 2\phi _{\mathrm {m}}+\phi _{\mathrm {r}} \ $となって，さらに大きな突入電流となる。磁束は徐々に定常状態に戻っていき，それとともに突入電流も定常値に落ち着く。この継続時間は，回路のインダクタンスと抵抗などによって決まり，$ \ \fbox {　（４）　} \ $器ほど長く，数十秒以上に及ぶことがある。

この突入電流が大きいと比率差動継電器が誤動作するので，これを防止するために，変圧器投入後一定時間継電器をロックする方法や，突入電流が$ \ \fbox {　（５）　} \ $調波を多く含むことを利用して$ \ \fbox {　（５）　} \ $調波抑制付比率差動電器を用いる方法が採られる。

また，突入電流による電圧変動を抑制するため，投入前に残留磁束の消去，抵抗挿入，投入位相の制御などを行うことがある。

〔問2の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　第　三　　　　　&（ロ）&　減　磁　　　　　&（ハ）&　大容量 \\[ 5pt ] &（ニ）&　固有値　　　　　&（ホ）&　第　二　　　　　&（ヘ）&　小　形 \\[ 5pt ] &（ト）&　微分値　　　　　&（チ）&　第　五　　　　　&（リ）&　磁気飽和 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　磁気誘導　　　　　　　&（ル）&　増　磁　　　　　&（ヲ）&　励　磁 \\[ 5pt ] &（ワ）&　小容量　　　　　&（カ）&　飽和電圧　　　　　　　&（ヨ）&　積分値 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

変圧器の励磁突入電流に関する問題です。
励磁突入電流の内容は電力科目にも出題される可能性がある内容です。試験で出題されるのは本問のような概要なので詳しい計算等は覚える必要はありませんが，ワンポイント解説の内容を読んだ上で特徴を理解するようにしましょう。

1.励磁突入電流
変圧器を遮断器投入によって電路に接続すると，投入時の電圧の位相によっては定格電流の数倍から十数倍の大きな励磁電流が流れることがあり，これを励磁突入電流といいます。
ファラデーの電磁誘導の法則より，電圧$ \ e \ \mathrm {[V]} \ $と磁束$ \ \phi \ \mathrm {[Wb]} \ $には，
\[
\begin{eqnarray}
e&=&-N\frac {\mathrm {d}\phi }{\mathrm {d}t} \\[ 5pt ] N\mathrm {d}\phi &=&-e\mathrm {d}t \\[ 5pt ] N\int \mathrm {d}\phi &=&-\int e\mathrm {d}t \\[ 5pt ] N\phi &=&-\int e\mathrm {d}t \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] という積分の関係があるため，仮に正弦波の電圧が加わっている状態で図1の＋から－に切り替わる$ \ 0 \ \mathrm {[V]} \ $付近で投入された場合には，最大で$ \ 2 \ $倍程度の磁束が発生し，残留磁束の影響でさらに磁束が大きくなると鉄心の飽和磁束密度を超えて大きな励磁電流が流れる可能性があります。
したがって，励磁突入電流の対策としては励磁磁束と残留磁束の合計値を小さくすれば良いので，残留磁束の消去や投入位相の制御等が有効となります。
励磁突入電流の特徴は，
　・第二調波成分を多く含む。
　・残留磁束と同極性の電圧が位相差がなく印加された時最大となる。
　・励磁突入電流の大きさは最大で定格の$ \ 10 \ $倍以上となることがある。
　・励磁突入電流の継続時間は小容量で数秒程度，大容量では$ \ 10 \ $秒以上にもなる。
等があります。