理解, 鉄心振動形態詳細把握重要, 変圧器鉄心振動測定, 振動挙動解析 9,22) 方法結果,3 章述, 十分鉄損騒音考慮設計, 製作変圧器, 使用条件鉄損騒音大影響及近年進歩適用拡大, 電力用変圧器鉄心磁束高調波直流成分重畳増, 鉄損

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ゆきのえ
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1 JFE 技報 No. 36 (2015 年 8 月 )p JFE スチールの変圧器特性解析技術 Evaluation and Analysis Techniques of Transformer Performances in JFE Steel 岡部誠司 OKABE Seiji JFE 研究所電磁鋼板研究部主任研究員 ( 副部長 ) 大村健 OMURA Takeshi JFE 研究所電磁鋼板研究部主任研究員 ( 副課長 ) 井上博貴 INOUE Hirotaka JFE 研究所電磁鋼板研究部主任研究員 ( 係長 ) 要旨 JFE, 変圧器用方向性電磁鋼板主用途変圧器鉄損騒音調査, 解析行本論文, 変圧器鉄損鉄心振動局所的測定技術述変圧器鉄損解析, 探針用局所磁気測定, 三相積鉄心磁束密度鉄損分布調査, 赤外線鉄損測定方法開発, 鉄心接合部近傍局所的鉄損増大可視化騒音解析, 振動計鉄心局所振動三次元的測定, 三相励磁鉄心振動挙動明, 変圧器励磁条件影響調査一, 直流偏磁条件鉄損騒音測定 Abstract: Iron losses and acoustic noise in transformers are analyzed using model transformers in JFE Steel. In this paper, techniques to measure local iron losses and vibrations in the model transformer core are described. Distributions of magnetic fluxes and iron losses in three-phase stacked cores are analyzed using stylus probes and a hall probe. In addition, development of iron loss measuring technique using infrared thermograph enabled to visualize iron loss increase near the joint in cores. Three dimensional measurement using laser vibrometer helped clarify the vibration behaviors of the cores under three phase excitation. As one of the investigations of effects of excitation conditions, iron loss and acoustic noise are measured under direct current (DC) biased excitation. 1. はじめに JFE 製造方向性電磁鋼板, 主電力用変圧器鉄心用, 変圧器特性直結重要素材近年世界的環境保全認識高, 対応規制強化, 変圧器対省化高 1) 変圧器効率大影響方向性電磁鋼板対, 鉄心生損失, 鉄損低減常求要求満, 研究開発進, 変圧器鉄損, 通常, 使用方向性電磁鋼板鉄損増加, 素材鉄損低減加, 変圧器適用際鉄損増加抑制重要開発課題 2),JFE, 変圧器用, 各種調査, 解析行 3) 素材測定時変圧器鉄損増大原因, 切断方向性電磁鋼板組合 2015 年 2 月 7 日受付製作鉄心, 複雑磁束局所的生影響大 2-5), 磁束回込回転磁束発生, 磁束部分的集中, 積層鋼板間磁束渡影響評価, 鉄心局所的磁束測定有用近年, 電磁界解析数値計算技術進歩, 方向性電磁鋼板磁気特性強異方性, 多数薄板積層体鉄心化, 多課題 6), 実験解析依然重要変圧器鉄心局所的磁束測定,JFE, 絶縁被膜方向性電磁鋼板非破壊測定探針法開発, 応用 3,7), 鉄損発生熱赤外線測定鉄損分布可視化方法開発 8) 技術測定結果,2 章述, 変圧器低鉄損化並, 低騒音化重要環境対応技術一 9) 鉄心変圧器騒音発生原因, 鋼板磁化伴微小伸縮, 磁歪, 鋼板間発生電磁力振動主考 2) 騒音生 Copyright 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved

2 理解, 鉄心振動形態詳細把握重要, 変圧器鉄心振動測定, 振動挙動解析 9,22) 方法結果,3 章述, 十分鉄損騒音考慮設計, 製作変圧器, 使用条件鉄損騒音大影響及近年進歩適用拡大, 電力用変圧器鉄心磁束高調波直流成分重畳増, 鉄損騒音増大問題場合 11) 現象影響評価, 鉄心材料違検討, 変圧器使調査行例,4 章, 直流偏磁可能変圧器製作鉄損騒音測定行結果述 12) 2. モデル変圧器の局所磁気特性の解析技術 2.1 探針法による局所磁束鉄損測定目的変圧器鉄心局所的磁束測定方法探法用, 鋼板穴必要上, 導線生鋼板間隙間磁束密度分布影響生懸念対, 最近非破壊測定, 探針用方法開発, 適用 7) JFE, 探針法変圧器鉄心局所磁束測定用方法開発, 磁束挙動解析用 3) 以下,3 相積鉄心変圧器測定適用技術, 測定結果例示測定装置探針, 素子用鉄心局所磁気特性測定原理図 1 示鉄心表面鋼板接触 2 本探針間生誘起電圧, 探針接触点下部挟断面部分 1/2 面積鎖交磁束誘起電圧等理論基, 鉄心局所磁束密度求 13) 探針間距離 5 mm, 空隙補償設置図 1 探針法とホール素子による局所磁気測定方法 Fig. 1 Method of local magnetic measurement using needle probes and a Hall probe 鋼板表面磁界強度, 感受部長約 1 mm 小型素子測定感受部中心鋼板表面距離約 0.5 mm 探針素子 90 回転, 鋼板表面 2 方向 (x,y 方向 ) 磁束密度磁界強度検出, 鉄心表面全面測定, 組込, 鉄心表面測定点連続的機構設磁束密度磁界強度信号用測定, 記録各測定点鉄損, 上記磁束密度 B 磁界強度 H 波形描面積次式 x 方向成分 W x, y 方向成分 W y 分計算, 和 2 次元局所鉄損 W 2d W 2d=( f/r) H db=w x+w y (1) W i=( f/r) H i db i(i:x,y) (2),f 励磁周波数,r 電磁鋼板密度示周回積分励磁周期 1 回分行変圧器 3 相 3 脚積鉄心, 幅 100 mm 脚構成外形一辺 500 mm 正方形, 積層厚約 16 mm, 鉄心重量約 22 kg 中央脚接合部 V 式, 接合方式 2 枚重 5 段鉄心励磁各脚 40 1 次巻線行, 内側巻 60 2 次巻線磁束検出鉄心全体鉄損, 各相 1 次電流 2 次電圧電力計用測定鉄心材料,0.30 mm 厚高配向性方向性電磁鋼板 30JGS 用単板磁気測定装置測定鉄損 W 17/ W/kg 測定結果図 2 鉄心半面磁束密度分布変化示脚, 磁束密度分布幅方向不均一認不均一磁束分布, 主方向性電磁鋼板圧延方向直交方向透磁率異方性生磁束回込起因, 局所的磁束密度波形生磁束密度波形, 鉄損増加磁歪振動高調波成分増大 2), 変圧器鉄損騒音解析上重要情報図 3 周辺鉄損分布示 T 接合部付近, 脚接合部付近非常大鉄損発生箇所認,, 回転磁束磁束集中影響考局所的鉄損増大, 使用方向性電磁鋼板磁気特性違, 接合方式影響, 機構解析本技術利用 JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 )

3 図 2 探針法で測定した磁束密度分布 Fig. 2 Magnetic flux density distribution measured by stylus probe method 1 m 上方設置, 鉄心全体撮影鉄心表面他発熱物影響誤差生防, 鉄心赤外線最小限配線照明消無人防音内設置, 励磁測定外制御, 鉄心温度分布安定, 全体温度差 1 K 未満状態確認測定行鉄心次励磁, 温度測定行 (i) 励磁電圧前, 測定 (ii) 所定磁束密度, 一定比率一次電圧上昇 (iii) 所定磁束密度一定時間保持, 温度分布測定 (iv) 励磁電圧零下, 温度一定確認励磁 (iii) 各点温度上昇率 dt/dt, 次式鉄損求 W=C dt/dt (3) 2.2 サーモグラフィーによる局所鉄損測定目的探針法局所磁気測定, 鉄損, 磁界強度, 磁束密度同時測定有効手段, 鋼板重合接合部近傍, 鋼板層間渡磁束生面内渦電流生, 鋼板断面渦電流測定基磁束密度測定値誤差生 14), 接合部近傍鉄損解析, 別手法組合望他局所鉄損測定方法, 鋼板温度上昇率鉄損算出方法知 15) 特赤外線用温度計測, 熱電対温度計用方法比, 鉄心表面広範囲同時測定, 鉄損分布測定適, 温度分解能向上赤外線利用鉄損分布測定方法開発 8) 測定方法図 3 探針法で測定した鉄損分布 Fig. 3 Distribution of iron loss measured by stylus probe method 測定使用赤外線, 温度分解能 0.02 K, 最大画素数 ( ), 最大毎秒 380 動画撮影可能赤外線鉄心,W 鉄損,C 鋼板比熱変圧器 2.1 節述同構造, 鉄心表面広範囲測定,1 次,2 次巻線 20 減鉄心材料 0.23 mm 厚方向性電磁鋼板 23JGS 用測定結果図 4 本実験測定典型的温度測定結果示測定最大磁束密度 1.7 T, 周波数 50 Hz 磁束密度 1.7 T 保持状態, 一定温度上昇率, 励磁零下後温度低下, 抜熱影響小考写真 T 励磁状態鉄心温度分布画像示 T 接合部近傍非常大温度上昇図 4 赤外線サーモグラフィーによる温度変化の測定例 Fig. 4 Example of temperature change measured by infrared thermograph JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 )

4 写真 1 赤外線サーモグラフィーによる鉄心の温度分布画像 Photo 1 Temperature distribution of model transformer core measured by infrared thermograph 領域, 前章述探針法測定結果合致,U 脚, W 脚接合部大温度上昇見箇所下層鋼板突合部, 下層鋼板磁束渡磁束集中, 面内渦電流影響鉄損増大考,U 脚右側,V 脚両側,W 脚左側他箇所温度上昇, 箇所磁束波形大前述探針法測定確認測定局所鉄損鉄心全体合算求鉄損値 1.17 W/kg 電力計測定鉄損 1.19 W/kg, 赤外線測定有効精度持高分解能局所鉄損測定技術, 巻鉄心鉄損分布解析活用 3. モデル変圧器の局所振動測定 3.1 目的変圧器鉄心, 磁化伴生鋼板磁歪振動, 鋼板接合部電磁振動, 騒音発生源知 2), 変圧器騒音及鉄心材料影響解析, 鉄心振動挙動把握重要変圧器鉄心振動測定関報告, 多脚表面対垂直方向測定,, 最大振幅振動周波数成分議論 3,16) JFE, 変圧器鉄心上各所,3 軸方向振動測定方法開発, 構造振動挙動解析 9,22) 3.2 測定方法鉄心振動測定, 振動計用図 5 振動測定方法示表面反射貼付 5 mm 角鋼板表面貼付,3 軸方向振動測定鋼板締付, 鉄心上下板挟, 0.1 MPa 面圧板, 測定点穴開, 鋼板表面貼付鋼板面水平方向振動測定場合, 隣接穴間溝形成, 隣接穴挿入, 上入射光直角曲測定測定 20 mm 間隔行変圧器 2.1 節同構造, 鉄心材料 0.30 mm 厚高配向性方向性電磁鋼板 30JGS 用 3.3 結果と考察磁歪振動 1 周期 ( 励磁 2 分 1 周期 ), 鉄心半面変位図 6 示鋼板面垂直方向変位最大, 大磁歪鋼板積層厚掛値大鉄心積層鋼板締付構造, 本変圧器積層厚小, 鋼板面垂直方向曲対剛性, 他方向低, 磁歪起振力, 鋼板垂直方向曲変形生, 大振動発生考図 5 鉄心表面の局所振動測定方法 Fig. 5 Method to measure local vibration on model transformer core 鉄心振動部位別比較, 各脚接合部部分的大振動生, 接合部生 JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 )

5 影響考察, 磁歪特性異材料間比較, 締付力影響調査 4. 直流偏磁条件におけるモデル変圧器特性の解析 4.1 目的電磁鋼板磁化特性非線形, 交流磁化直流重畳磁化条件 ( 直流偏磁 ), 鉄損磁歪, 変圧器騒音大幅増加報告 11,17,18), 同測定装置低磁束密度高磁束密度偏磁量変調査報告少上, 変圧器騒音鉄損比測定例非常少, 本研究, 単相変圧器用, 交流磁束密度 0.5 T 1.8 T, 直流重畳磁界 200 A/m 広範囲変, 直流偏磁変圧器鉄損, 騒音及影響調査 12) 4.2 実験方法モデル変圧器図 7, 変圧器測定示変圧器, 単相, 交流励磁用 1 次巻線, 磁束密度測定用 2 次巻線, 直流磁界印加 3 次巻線 3 次巻線回路, 直流電源, 電流計, 交流重畳防止構成鉄心単相 2 脚積鉄心, 外形一辺 500 mm 正方形, 積層厚 15 mm, 重量約 18 kg 接合方式 2 枚重 5 段, 鉄心上下板挟, 平均 0.1 MPa 締付力固定鉄心材料 0.30 mm 厚高配向性方向性電磁鋼板 30JGH 用 Fig. 6 図 6 鉄心表面の振動挙動 Vibration behavior of model transformer core surface 電磁振動影響考次大振動生, 曲変形生図 6 左側 U 相右側 W 相, 振幅最大位相 3 分 1 周期, 相間位相差反映各脚面傾生図 2 示, 脚局所的磁束密度, 幅方向差, 磁化時間的面傾生考結果, 鉄心振動, 鉄心局所的磁化違, 鉄心構造起因機械的振動特性反映, 複雑挙動示磁歪基本周波数, 振幅最大 100 Hz 成分述, 高調波解析行, 騒音図 7 直流偏磁させたモデル変圧器測定方法の概要 Fig. 7 Schematic of model transformer measurement under direct current (DC) biased magnetization JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 )

6 4.2.2 測定方法鉄心励磁際磁束密度振幅値,2 次巻線誘起電圧平均値求直流偏磁量,3 次巻線直流電流値求鉄心実効磁路長 1.6 m 励磁以下方法制御,1 次巻線鉄心周波数 50 Hz 交流励磁, 一次電圧調整最大磁束密度所定値次,3 次巻線直流励磁電流印加, 直流重畳磁界重畳後, 一次電圧再度調整, 交流励磁最大磁束密度所定値修正本装置交流励磁用直流重畳用二励磁巻線用場合, 直流用 3 次巻線交流成分重畳, 影響鉄損増加問題, 3 次巻線直列 3.2 H 配置交流成分重畳抑制場合 3 次巻線開放場合鉄損増加, 励磁電流直流励磁系交流成分重畳分差引補正行 19) 騒音, 脚中央 2 所中央 2 所, 板上面 200 mm 離位置騒音測定, 平均値求図 9 直流偏磁量がモデル変圧器の鉄損に及ぼす影響 Fig. 9 Iron losses of model transformer under direct current (DC) biased magnetization 4.3 実験結果と考察図 8 直流偏磁場合場合比較示直流偏磁磁化力大偏, 伸長鉄損増大直流偏磁量鉄損関係図 9 示直流偏磁量増加従鉄損増加, 特 50 A/m 以下増加率大図 10 直流偏磁量対騒音変化示鉄損同様, 直流偏磁伴騒音大幅増加偏磁実質的 1.7 T 超磁化素材磁歪大増加加, 図 11 示励磁周波数奇数次高調波増加考直流偏磁場図 10 直流偏磁量がモデル変圧器の騒音に及ぼす影響 Fig. 10 Acoustic noise of model transformer under direct current (DC) biased magnetization Fig. 8 図 8 ヒステリシスカーブの比較 Comparison of hysteresis curves Fig. 11 図 11 騒音の高調波成分の比較 Comparison of spectrum of acoustic noise harmonics JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 )

7 合, 磁化正負同磁歪生, 磁歪振動基本周波数 100 Hz, 直流偏磁磁化正負磁歪異,50 Hz 高調波成分大現考 20) 直流偏磁可能変圧器, 直流偏磁鉄損, 騒音増大鉄心材料差調査, 高配向性材料方鉄損増加生, 騒音優判明 21) 5. おわりに以上, 方向性電磁鋼板使用変圧器鉄損, 騒音特性解析変圧器実験技術紹介本論文積鉄心適用例述, 巻鉄心適用可能解析技術,JFE 製造方向性電磁鋼板有効変圧器利用技術調査,, 新開発方向性電磁鋼板特性解析活用参考文献 1) 変圧器環境適合性向上技術調査専門委員会編. 変圧器環境適合性向上技術現状動向. 電気学会技術報告.2005, no ) 電気学会磁性材料常置専門委員会編. 素鋼板進歩使用上諸問題. 電気学会技術報告.1979, II 部, no ) 石田昌義, 定廣健一, 岡部誠司. 川崎製鉄技報.2003, vol. 35, no. 1, p )Thomas, B. IEEE Trans. Magn. 1975, vol. 11, p )Fukuda, B.; Sato, K.; Shimizu, Y.; Ito, Y. J. Appl. Phys. 1984, vol. 55, p ) 高速大規模電磁界数値解析技術調査専門委員会編. 電磁界解析高速大規模数値計算技術. 電気学会技術報告.2006, no ) 千田邦浩, 石田昌義, 佐藤圭司, 小松原道郎, 山口俊尚. 電気学会論文誌 A. 1997, vol. 117, p ) 山口広, 今西大輔, 石田昌義, 井上博貴. 電気学会研究会資料.2011, MAG , p. 1. 9) 電気学会静止器騒音対策技術調査専門委員会編. 静止器騒音対策技術現状動向. 電気学会技術報告.1966, no ) 山口広, 石田昌義. 電気学会研究会資料.2010, MAG-10-93, p ) 高須伸夫, 宮脇文彦, 斎藤達, 藤原康夫. 電気学会論文誌 B. 1993, vol. 113, p ) 井上博貴, 上山哲平, 山口広, 岡部誠司, 石田昌義.J. Mag. Soc. Japan. 2012, vol. 36, p ) 山口俊尚, 今村正明, 千田邦浩, 石田昌義, 佐藤圭司, 本田厚人, 山本孝明. 電気学会論文誌 A. 1995, vol. 115, p ) 岡部誠司, 石田昌義, 黒沢光正. 日本応用磁気学会誌.1998, vol. 22, p ) 成田賢仁, 今村正明. 電気鉄板熱電的部分鉄損測定法. 電気学会論文誌 A. 1974, vol. 94, p ) 溝上雅人, 籔本政男, 岡崎靖雄. 電気学会論文誌 A. 1996, vol. 116, p ) 西水亮, 内山倫行, 斎藤達. 電気学会研究会資料. 1999, MAG-99-78, p ) 鈴木崇之, 高坂正明, 松山亮, 壹岐浩幸. 平成 12 年電気学会電力部門大会概要集.1999, no. 561, p ) 浅野剛良, 高田俊次, 佐々木堂, 岡崎靖雄. 電気学会研究会資料.1997, MAG , p ) 茂木尚, 藤倉昌浩, 溝上雅人, 籔本政男, 久保田猛. 日本応用磁気学会誌.2001, vol. 25, p )Inoue, H.; Okabe, S. J. Appl. Phys. 2014, vol. 115, issue 17, p. 17A ) 大村健, 山口広, 石垣雄亮, 岡部誠司, 戸田広朗. 電気学会論文誌 A. 2015, vol. 135, p 岡部誠司大村健井上博貴 JFE 技報 No. 36(2015 年 8 月 ) Copyright 2015 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. 禁無断転載

75 unit: mm Fig. Structure of model three-phase stacked transformer cores (a) Alternate-lap joint (b) Step-lap joint 3 4)

75 unit: mm Fig. Structure of model three-phase stacked transformer cores (a) Alternate-lap joint (b) Step-lap joint 3 4) 3 * 35 (3), 7 Analysis of Local Magnetic Properties and Acoustic Noise in Three-Phase Stacked Transformer Core Model Masayoshi Ishida Kenichi Sadahiro Seiji Okabe 3.7 T 5 Hz..4 3 Synopsis: Methods of local