送電網の強化:科学者が耐震性のある変圧器ブッシングを開発

パワー エレクトロニクス インサイダー

W. E. Gundy and Associates (WEGAI) の Jon Bender が、このブッシングの研究に適用される電源変圧器の例の隣に立っている写真がここにあります。 (画像:INL)

私たちが当然と思っている送電網には、大型で高価な機器、特に変圧器が含まれています。故障した場合、交換には1年以上かかり、莫大な費用がかかる可能性があります。カリフォルニアや太平洋岸北西部など、人口が密集し、地震活動が活発な地域では、時間は贅沢ではありません。

地震中、大型の高電圧変圧器が最も脆弱になるのはブッシングです。ブッシングは、変圧器の内部巻線と外部電力線の間に電流を安全に導く中空の電気絶縁体です。ほとんどの場合、磁器で作られています。これは、導電性材料 (通常は銅やアルミニウム) を絶縁し、高電圧電流の漏れやスパーク、爆発の原因となるのを防ぐ機能があるためです。

ブッシングは、メインタンクから伸びる変圧器の砲塔にボルトで固定されています。アイダホ国立研究所 (INL) の研究者チームは、これらのつながりに注目しました。チームの目標は、デカップラーとして知られる機械的にシンプルで調整可能なアイソレータを開発することです。このアイソレータは、ブッシングの基部に取り付けて、ブッシングとタレットの共振周波数が一致しないように調整できます（その結果、磁器ブッシングの機械的応力が増幅されます）。

「共振周波数が鍵です」と、このプロジェクトの主任研究者であり、2025 年大統領科学者早期キャリア賞を受賞したビョルン ヴァーゲンスミス氏は述べています。

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に増幅されるときに発生します。音波がワイングラスや鏡を粉砕するとき、それが共鳴周波数です。土木工学の歴史の中で、おそらく最もよく知られている例は、1940 年のタコマ ナローズ橋の崩壊です。風速と風向きが橋の設計と材料と組み合わされて、共振周波数が発生し、橋の床板が激しく振動しました。このため、新しく建設された橋には「ギャロッピング ガーティ」というあだ名が付けられましたが、その後 4 か月後に橋は粉々に砕けピュージェット湾に落下しました。

地震が発生すると、地震波によって上下または前後に振動する地震動が発生し、それが大型の変圧器に伝わります。スチール製で絶縁油が充填された大きな電源変圧器タンクは、その柔軟性と密度により、その上に取り付けられた機器と動的に共振する可能性があります。タンクとそれに取り付けられたブッシュが同じ波長にある場合、地震による増幅された揺れによりブッシュに致命的な破損が生じる恐れがあります。

Vaagensmith 氏と彼の同僚、INL の Chandu Bolisetti 氏とボイシに本拠を置くエンジニアリング会社 WEGAI の Jon Bender 氏は、ブッシングの共振周波数を変圧器の共振周波数からずらすデカップリング装置を開発することで、この問題に取り組もうとしている。彼らが設計しているデカップラーは、ブッシングのベースに簡単に取り付けることができ、低コストで古い変圧器モデルに後付けすることができます。チームはこの設計に関する特許の取得を目指しています。

彼らのプロジェクトは当初、INL の研究所主導型研究開発プログラムを通じて資金提供されました。現在、これは米国エネルギー省電力局の変圧器回復力および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・エネルギー安全保障・緊急時対応局 (CESER) によって協力してサポートされています。 TRAC プログラムは、大型電力変圧器などのグリッド ハードウェア テクノロジーの課題に対処することで、グリッドの最新化を加速するために存在します。 CESER オフィスは、米国のエネルギー インフラを脅威や危険から保護し、強化することを目的としています。

Vaagensmith と彼の同僚は、プロジェクトの集大成として、共振周波数デカップラーを大規模にテストしたいと考えています。彼らは、50万ポンドの変圧器を確保することに成功し、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に持ち込むことを目指している。同大学の振動台は、この種の振動台としては米国最大で、サイズにおいては日本の他の振動台としか匹敵しない。これは初めての規模の試験であり、地震地帯における変圧器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協力しているため、チームには間違いを犯す機会がたくさんあります。それが実験の目的です。 「私たちは失敗したいと思っても失敗する可能性があります」とヴァーゲンスミス氏は語った。 「私たちはソリューションを試して、限界までテストすることができます。サンディエゴに行く前に、デカップラーの設計方法を確認したいと考えています。」

「人々はこれに興奮しています」とヴァーゲンスミス氏は語った。 「適切な地震変圧器の保護対策に関する長年の議論を解決し、ブッシング製造業者が設備の変更を必要としないソリューションを提案する機会が私たちにはあります。電力会社は満足し、送電網の回復力はさらに高まります。」

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