圧力計、抵抗計、光ファイバー温度計の仕組みを理解する

の信頼性の高い動作 油入変圧器 変圧器の性能は、内部絶縁油の安定性と巻線温度に大きく依存します。過熱は、絶縁劣化の加速、性能低下、そして最終的には故障の主な原因となります。そのため、温度監視は変圧器の運転と保守において最も基本的かつ重要な側面の一つです。従来の機械式ダイヤルから最新のインテリジェント光ファイバーシステムに至るまで、温度計の開発の歴史は、受動的な監視から能動的な早期警告へと変圧器監視技術が進化してきた過程を示しています。

 

本稿では、油入変圧器で使用される一般的な温度計の種類を体系的に概説し、その動作原理と適用シナリオについて詳細な分析を提供する。

 

第1章：温度計の「系図」―3つの主要なタイプを詳しく見ていく

測定原理と設置場所に基づき、油入変圧器用温度計は主に以下の3つのカテゴリーに分類されます。これらを組み合わせることで、油面温度から巻線の高温箇所までを網羅する三次元監視ネットワークが構築されます。

 

1. 圧力式温度計（遠隔読み取り式温度計）

動作原理：これは、熱膨張・収縮と液体・気体の圧力伝達に基づいた古典的な機械式計測器です。システムは3つの部分から構成されています。

 

温度センサー（バルブ）：変圧器タンク上部の油中に挿入され、温度に敏感な媒体（液体、気体、または低沸点液体など）が充填されている。

 

毛細管：圧力計のバルブとヘッドを接続する、細長い金属管で、圧力を伝達する媒体が充填されている。

 

ゲージヘッド（指示計）：変圧器タンクの壁面または制御盤に取り付けられ、バルブから数メートル離れた場所に設置される場合がある。その中心はブルドン管と呼ばれる、湾曲した弾性金属管である。バルブが加熱されると、内部圧力の変化が毛細管を通してブルドン管に伝達され、ブルドン管が変形する。この変形によって、リンク機構を介して指針が動き、温度が表示される。

 

主な特徴：

 

完全に機械式で、外部電源を必要とせず、電磁干渉に対する耐性が非常に高く、信頼性が非常に高い。

 

ゲージヘッドは遠隔設置が可能で、現場での読み取りが容易になります。

 

通常、過熱警報および遮断機能のために、1～2個の調整可能な接点が装備されています。

 

精度と応答速度は電子式に比べて比較的遅く、毛細管は機械的な損傷を受けやすい。

 

代表的な用途：油入変圧器のほぼ標準装備である、油面温度の主要監視・警報装置。

 

2. 抵抗温度検出器（RTD、例：PT100）

動作原理：導体の抵抗が温度によって変化するという性質に基づいています。最も一般的な検出素子は白金抵抗温度計で、PT100は0℃で100オームの抵抗値を示します。その抵抗値は温度に対して正確かつ直線的に変化します。

 

システムコンポーネント：

 

白金RTDプローブ：変圧器上部の温度計ウェルに設置され、油に浸されている。

 

測定ブリッジとトランスミッター：多くの場合、インテリジェント制御ユニットに統合されています。高精度回路がPT100の抵抗値を測定し、標準的な4～20mAの電流信号またはデジタル信号に変換します。

 

主な特徴：

 

高い測定精度、長距離伝送可能な信号伝送能力、優れた耐ノイズ性。

 

出力は標準的な電気信号であり、SCADA（監視制御およびデータ収集）やDCS（分散制御システム）などの自動化プラットフォームと容易に統合でき、遠隔集中監視に利用できます。

 

圧力式温度計と併用されることが多く、油温の遠隔監視および記録のための冗長な手段、あるいはより高精度な手段として用いられる。

 

代表的な用途：油面温度の遠隔伝送およびデジタル監視に使用され、現代の自動化された無人変電所の基盤となる。

 

3. 光ファイバー巻線温度測定システム（最先端の直接式「ホットスポット」測定）

動作原理：これは現在、巻線温度監視において最も直接的かつ先進的な技術です。光ファイバーブラッググレーティングの物理原理に基づいています。

 

ファイバーブラッググレーティング（FBG）センサー：レーザーを用いて、特殊な光ファイバーの一部に屈折率の周期的な変化（グレーティング）を書き込みます。その重要な特性は、特定の波長（ブラッグ波長）の光が反射され、この反射波長がグレーティングの位置における温度（または歪み）の変化に比例して直線的に変化することです。

 

測定プロセス：変圧器製造時に、予測される最高温度箇所において、複数のFBGセンサーが埋​​め込まれた柔軟な光ファイバーケーブルを高電圧巻線の絶縁層間に直接埋め込みます。このシステムは広帯域の光を放射し、各グレーティングから反射される特定の波長を分析することで、巻線内の様々な箇所における絶対温度を正確かつリアルタイムに取得できます。

 

主な特徴：

 

巻線ホットスポット温度を直接測定することで、間接的な推定値ではなく、最も信頼性の高いデータが得られます。

 

本質的に安全：光ファイバーはシリカでできており、絶縁性、耐電圧性、電磁干渉耐性を備え、強い電磁場でも安定して動作します。

 

分散測定：1本の光ファイバーに数十個のセンシングポイントを配置できるため、巻線の完全な熱マップを作成できます。

 

変圧器の「動的定格」および寿命評価における重要な実現要因。

 

代表的な用途：大型で重要な変圧器（例：超高圧変圧器、変換変圧器）、負荷容量管理を必要とするスマート変電所。

 

第2章：重要概念の明確化 – 上部油温と巻線温度

これは非常に重要な概念であり、温度計の種類を選ぶ際の出発点となる。

 

油面温度：タンク上部の油の温度を測定します。変圧器全体の熱負荷を反映しますが、熱遅延があります。負荷が変化すると、巻線温度が最も速く変化し、続いて油温が変化します。圧力式温度計とRTD温度計がこの温度を測定します。

 

巻線ホットスポット温度：変圧器全体の中で最も高温になる箇所を指し、通常は低電圧巻線の上部に位置します。これは絶縁劣化速度と負荷容量を決定する最も重要なパラメータです。従来の方法では直接測定できず、代わりに「上部油温＋電流補正」を用いてシミュレーション／推定する巻線温度計（WTI）に頼っていました。光ファイバー測定は、これを直接かつ正確に測定できる唯一の技術です。