送電網を強化：科学者たちが耐震性トランスフォーマーブッシングを開発

パワーエレクトロニクス INSIDER

W. E. Gundy and Associates（WEGAI）のJon Bender氏が、このブッシング研究に適用される電力トランスフォーマーの例の隣に立っています。（画像：INL）

私たちが当たり前のように利用している送電網には、大型で高価な設備が関わっており、最も顕著なのは電力トランスフォーマーです。もし1台が故障すれば、交換に1年以上と莫大なコストがかかります。カリフォルニアや太平洋岸北西部のような人口密集・地震活動が活発な地域では、時間は贅沢ではありません。

地震発生時、大型高圧電力トランスフォーマーで最も脆弱なのはブッシングです——トランスフォーマーの内部巻線と外部送電線の間で電流を安全に導く中空電気絶縁体。導電材料（通常は銅またはアルミニウム）を絶縁し、高圧電流の漏洩や火花、爆発を防ぐため、磁器で作られることが最も多いです。

ブッシングはトランスフォーマーのタレットにボルトで固定され、タレットはメインタンクから上方に延びています。これらの接続部分に、アイダホ国立研究所（INL）の研究チームが焦点を当てています。チームの目標は、ブッシングの根元に取り付け可能で、ブッシングとタレットの共振周波数が一致するのを防ぐ（磁器ブッシングへの機械的ストレス増幅を招く）機械的にシンプルで調整可能なアイソレータ（デカップラ）を開発することです。

「共振周波数が鍵です」と、プロジェクトの主任研究者で2025年大統領初期キャリア科学者エンジニア賞受賞者のBjorn Vaagensmith氏。

すべての物体には共振周波数があり、入力振動が物体内で最大限に増幅されるときに発生します。音波でワイングラスや鏡が割れるのは共振周波数が働いている例です。土木工学の歴史では、1940年のタコマナローズ橋崩壊が最もよく知られた例かもしれません。風速と方向が橋の設計と材料と組み合わさって共振周波数を生み、床版が激しく振動。「ギャロッピング・ガーティ」（飛び跳ねるガーティ）というニックネームで呼ばれた新しい橋は、4ヶ月で崩れピュージェット湾に落ちました。

地震では、地震波が上下または前後の振動地盤運動を引き起こし、それが大型電力トランスフォーマーに伝わります。鋼製で絶縁油で満たされた大型トランスフォーマータンクは、その柔軟性と密度により、上面に取り付けられた機器と動的に共振し得ます。タンクと取り付けられたブッシングが同じ波長になると、地震による増幅された揺れがブッシングに壊滅的故障レベルのストレスを与える危険があります。

Vaagensmith氏と同僚たち——INLのChandu Bolisetti氏とWEGAIのJon Bender氏（ボイシ拠点のエンジニアリング会社）——は、ブッシングの共振周波数をトランスフォーマーからずらすデカップリングデバイスを開発することでこの問題に取り組んでいます。彼らが設計するデカップラは、ブッシングの根元に容易に設置でき、古いトランスフォーマーモデルにも低コストでレトロフィット可能。チームは設計の特許取得を進めています。

プロジェクトは当初、INLの研究所主導研究開発プログラムで資金提供されました。現在は、米国エネルギー省電力局のトランスフォーマーレジリエンス・先進コンポーネント（TRAC）プログラムと、同省のサイバーセキュリティ・エネルギーセキュリティ・緊急対応局（CESER）によって共同で支援されています。TRACプログラムは、大型電力トランスフォーマーを含むグリッドハードウェア技術の課題に対処することでグリッド近代化を加速するために存在します。CESER局は、脅威とハザードに対する米国エネルギーインフラの確保と強化を目指しています。

プロジェクトの集大成として、Vaagensmith氏と同僚たちは大規模なテストを希望しています。50万ポンド（約227トン）のトランスフォーマーを確保し、2026年にカリフォルニア大学サンディエゴ校の地震シミュレータでテストする予定です。同大学のシェークテーブルは米国最大規模で、日本のものに匹敵するサイズです。この規模のテストは初めてで、地震帯におけるトランスフォーマーの安全要件に大きな影響を与える可能性があります。

バッファロー大学との協力で、チームには失敗する機会がたくさんあります。それが実験の目的です。「望むように失敗できます」とVaagensmith氏。「解決策を試し、限界までテストできます。サンディエゴに行く前にデカップラの設計方法を確実に知りたいのです。」

「人々はこれに興奮しています」とVaagensmith氏。「トランスフォーマーの適切な地震保護策についての長年の議論を解決し、ブッシングメーカーがリツーリング不要で採用できる解決策を提示する機会があります。電力会社も喜ぶでしょう、そしてグリッドはよりレジリエントになります。」

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