変圧器

電磁誘導により交流電圧を昇圧・降圧する静止型電気機器で、送配電系統と電力インフラの中核設備

変圧器

概要

変圧器（變壓器、Transformer）は、電磁誘導現象を利用して交流の電圧と電流の大きさを変える静止型（回転部のない）電気機器である。発電所で生産された電力を超高圧に昇圧して長距離送電し、使用地点で再び低電圧に降圧する電力系統の中核設備であり、電力網全体の効率・安定性・経済性を左右する。1885年にハンガリーのガンツ（Ganz）社のジペルノフスキー（Zipernowsky）・デーリ（Déri）・ブラーティ（Bláthy）が交流並列接続方式の実用変圧器を開発したことが、現代電力システムの出発点と評価される。

主な内容

動作原理

1831年マイケル・ファラデーが確立した電磁誘導の法則が基本原理である。一次コイルに交流電流が流れると、鉄心を通じて時間とともに大きさと向きが変化する磁束が形成され、この磁束が二次コイルを貫くことで誘導起電力が発生する。理想的な変圧器では巻数比と電圧・電流の関係は V₁/V₂ = N₁/N₂ = I₂/I₁ と表され、入力電力と出力電力はほぼ等しい（V₁I₁ ≈ V₂I₂）。すなわち、電圧を上げればその分電流が減るという相補的関係が成り立つ。

構造と構成要素

鉄心（Core）: ケイ素鋼板を積層した磁気回路。渦電流損失を減らすため、0.23～0.35mm厚の方向性電磁鋼板を使用する。
巻線（Winding）: 電気銅またはアルミニウム導体。一次巻線と二次巻線の配置により同心巻線型・円板型などに区分される。
絶縁システム: 絶縁油（鉱油・植物性エステル）、絶縁紙、プレスボード。乾式はエポキシ樹脂を使用する。
付属装置: タンク、ブッシング、タップ切換器（OLTC）、放熱器・冷却ファン、ブッフホルツ継電器、吸湿器、圧力放出装置など。

種類

用途別: 昇圧用、降圧用、配電用、電力用（系統用）、産業用
相数別: 単相、三相（三相三角・星形結線）
絶縁方式別: 油入式（オイル）、乾式（モールド・VPI）、ガス絶縁（SF₆）
特殊目的: 計器用変圧器（PT）、変流器（CT）、絶縁変圧器、自動変圧器（オートトランス）、漏洩変圧器、整流器用変圧器
設置環境別: 屋内用、屋外用、地中配電用パッドマウント（Pad-mounted）

損失と効率

変圧器の損失は大きく二つある。無負荷損（鉄損）はヒステリシス損と渦電流損からなり、負荷と無関係に電圧と周波数に依存する。負荷損（銅損）は巻線抵抗による I²R 損失で、負荷率の二乗に比例する。大型電力用変圧器の効率は98～99.5%に達し、鉄損と銅損が等しくなる負荷点で最大効率を示す。このため実際の運転負荷率（通常40～60%）を考慮して鉄損と銅損の配分を設計する。

冷却方式

油入式は ONAN（自然油循環・自然風冷）、ONAF（強制風冷）、OFAF（強制油循環・強制風冷）、OFWF（水冷）などに区分され、乾式は AN/AF（自然・強制空冷）方式を使用する。大容量になるほど強制冷却段階を追加し、許容温度上昇限度を管理する。

電力系統における役割

送電損失は P_loss = I²R と表されるため、電圧を10倍に昇圧すると同じ電力で電流が1/10に減り、損失は1/100に減少する。これが154kV・345kV・765kVの超高圧送電とHVDC（超高圧直流送電）が採用される理由である。変圧器は発電所の昇圧変圧器 → 送電網 → 変電所の主変圧器 → 配電用変圧器 → 需要家へと続く電圧変換チェーンの各段階を担い、タップ切換器による電圧調整と系統連系機能も果たす。

試験と診断

巻線抵抗測定、絶縁抵抗・誘電正接（tanδ）試験、巻数比試験、部分放電（PD）測定、溶解ガス分析（DGA）、周波数応答分析（FRA）、ブッシング劣化診断、サーモグラフィカメラ点検などが活用される。近年ではオンラインモニタリングとAIによる異常兆候予測が標準化されつつある。

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