15. 高電圧・大電流の測定

2024年3月11日 2024年3月11日

tctyam

計器用変圧器は、電力系統の高電圧・大電流を、計器や保護継電器が扱える低電圧・小電流に変換するための機器である。

電圧計用変圧器（VT）

VT（Voltage Transformer）は、高電圧を計器や保護継電器が扱える低電圧に変換する。一般的に、一次側電圧は100V～765kV、二次側電圧は100Vや110Vに変圧するのが一般的である。原理は変圧器（トランス）と同じで、１次側と２次側の巻数比によって変圧比が決まる。ただし、$N_1 >N_2$である。図１に計器用変圧器の模式図を示す。

一次側電圧$V_1$、一次側巻き線数$N_1$、二次側電圧$V_2$、二次側巻き線数$N_2$とすると、変圧比は、$$\frac{V_1}{V_2} \approx \frac{N_1}{N_2} \;\;\;\;\;V_2 \approx \frac{N_2}{N_1}V_1$$ である。 $N_1 >N_2$なので、$V_2 < V_1$ となる。また、$$\frac{I_1}{I_2} \approx \frac{N_2}{N_1} \;\;\;\;\; I_2 \approx \frac{N_1}{N_2}I_1$$であり、$N_1 > N_2$なので、$I_2 > I_1$となる。このことから、二次側を短絡すると大電流が流れ危険である。

電流計用変圧器 (CT)

CT（Current Transformer）は、大電流を計器や保護継電器が扱える小電流に変換する。一般的に、一次側電流は5A～5000A、二次側電流は5Aや1Aである。電流測定用を計器用変流器とも呼ぶ。原理は変圧器（トランス）と同じであるが、１次側と２次側の巻数比がVTと逆になる。ここで、$N_1 <N_2$である。図２に計器用変流器の模式図を示す。

一次側電流$I_1$、一次側巻き線数$N_1$、二次側電流$I_2$、二次側巻き線数$N_2$とすると、変流比は、$$\frac{I_1}{I_2} \approx \frac{N_2}{N_1} \;\;\;\;\; I_2 \approx \frac{N1}{N2}I_1$$である。$N_1 < N_2$なので、$I_2 < I_1$となる。また、$V_2 > V_1$となる。このことから、二次側を開放すると高電圧が発生し危険である。
図３は、変流器の各種構成例で、図３右は、貫通型変流器で、一次側に測定対象の電線を直接貫通させて使用する。これにより、簡単に電流を測定できる。この方式は、一次側に電線を直接貫通させるだけで設置できるため、工事の手間が省けて設置が簡単、一次側と二次側が絶縁されているため、感電などの危険性が低く安全性が高い、巻線型変流器に比べて、小型・軽量といった利点がある。ただし、精度や周波数特性は劣る。電力系統や電気設備の監視・制御、電力計量など、さまざまな用途で使用されている。図４は貫通型変流器の製品例である。