変圧器試験：開放試験と短絡試験の手順と計算

開放試験（無負荷）と短絡試験（負荷）による変圧器試験

変圧器の等価回路には4つの主要パラメータがあります。

• 等価抵抗（R₀₁）
• 等価リアクタンス（X₀₁）
• 鉄損抵抗（R₀）
• 励磁リアクタンス（X₀）

開放試験と短絡試験は、これらの回路パラメータ、電圧調整率、効率を求めるために行われます。実際の負荷を接続せずに行うため、間接試験法と呼ばれます。実負荷試験（直接法）より正確で、消費電力も少なく経済的です。間接試験法として以下の2つがあります。

• 開放試験
• 短絡試験

開放試験（無負荷試験）

開放試験（別名無負荷試験）は、鉄損（コアロス）、無負荷電流（I₀）、無負荷等価回路パラメータ（R₀, X₀）を求めるために行います。一次巻線または二次巻線のどちらでも実施可能ですが、通常は低圧巻線側で行います。高圧側では実験室で高電圧を得るのが難しく、流れる電流が非常に小さいため正確な測定が困難だからです。

したがって、開放試験は低圧巻線側で実施します。単相変圧器の開放試験接続図は以下の通り。

図のように、一次巻線（低圧側）に定格電圧・周波数を印加（一般にオートトランスから単相給電）し、二次巻線を開放します。一次側に電圧計V₀、電流計I₀、電力計W₀を接続します。

二次側が開放なので二次電流はゼロ、負荷も接続されていません。したがって一次側には無負荷電流I₀のみが流れ、電流計で測定されます。

印加電圧は定格電圧なので、鉄心の磁束は正常値になります。この磁束は負荷に関わらず一定です。鉄損は電圧と周波数に依存するため、定格電圧・周波数を印加するこの試験での鉄損は、すべての負荷条件で同じ値になります。

一次電流は鉄損と一次側銅損を賄いますが、無負荷電流は定格電流の2〜5%と非常に小さいため、一次銅損は無視できます。一次電流は実質的に鉄損のために供給されます。

一次側に接続した電力計は供給電力を測定するため、変圧器鉄心での損失（鉄損）を示します。開放試験での各計器読み取り値は以下の通り。

• 電流計：無負荷電流 I₀
• 電圧計：定格電源電圧 V₁
• 電力計：鉄損（コアロス） P_i

観測記録表

定格電源電圧 V₁	無負荷電流 I₀	鉄損 Pi
…..	…..	…..

無負荷電流から無負荷回路パラメータ（R₀, X₀）を求めます。

無負荷電力 W₀ = V₁ I₀ cos φ₀ = 鉄損

無負荷電流の有効分（鉄損分）：

I_W = I₀ cos φ₀

無負荷電流の無効分（励磁分）：

I_M = I₀ sin φ₀

これらから無負荷抵抗とリアクタンスを求めます。

無負荷抵抗：

無負荷リアクタンス：

短絡試験（負荷試験）

短絡試験（別名負荷試験）は高圧側で行い、低圧側を短絡します。低圧側でも可能ですが、印加電圧は定格の5〜7%と非常に低く、測定誤差が大きくなります。一方、高圧側の5〜7%は実験室で容易に得られるため、高圧側で実施するのが一般的です。

短絡試験の概略図は以下の通り。

通常、低圧巻線を太い線で短絡します。場合によっては定格負荷電流を測るために電流計を挿入します。高圧側に電流計、電圧計、電力計を接続します。ここでは一次を高圧、二次を低圧としています。

高圧巻線に可変電源から低電圧を印加し、徐々に電圧を上げて一次側に定格電流が流れるようにします。一次に定格電流が流れると、変圧器作用で二次側にも定格電流が流れます。

高圧側の電流計は定格一次電流を、電圧計は定格電流時の印加電圧を測定します。この条件では印加電圧は定格の5〜10%程度で、鉄心磁束は非常に小さくなります。鉄損は磁束の2乗に比例するため、鉄損は無視できるレベルです。

一方、巻線電流は定格電流なので、試験中の銅損は正常な定格銅損となり、電力計は定格銅損を示します。二次側は短絡されているため二次電圧（出力電圧）はゼロです。したがって、一次電圧の全てが一次側換算総インピーダンスの電圧降下に消費されます。

短絡試験時の近似等価回路は以下の通り。

観測記録表

VSC (V)	ISC (A)	PC (W)
…..	…..	…..

短絡試験での各計器読み取り値：

• 電流計：定格一次電流（I_SC）
• 電圧計：印加電圧（V_SC）
• 電力計：定格銅損（P_C）

定格銅損：

W_SC = I²_SC R₀₁

一次側換算等価抵抗：

一次側換算等価インピーダンス：

一次側換算等価リアクタンス：

力率：