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道路トンネルにおける機器の故障は、ほとんど常に照明回路から始まるわけではありません。故障の起点はファンです。据付エンジニアが、私たちに平易な言葉でその経過を説明してくれました。「最初のジェットファン群は正常に起動し、2番目の群も問題なく動作しますが、3番目の群が起動すると480 V母線電圧が低下し、ドライブが低電圧でトリップしてしまい、煙試験を開始する前にすでに換気が故障状態に陥ってしまう」とのことでした。 トンネル換気用トランスフォーマー は負荷一覧表に基づいて容量選定されていました。誰も起動時の挙動をモデル化していませんでした。
これがトンネル用電源の厄介な点です。ほとんどの時間帯では負荷は比較的小規模で、照明で数百kW、数台のファン、いくつかのポンプ程度です。しかし1日に数回、わずか数秒間だけ、負荷は決して小規模とは言えません。しかも、モーターの起動時にも耐え抜く必要がある同一の機器が、換気用ドライブにかかる VFD高調波 熱ストレスに耐え、さらに数メートル先で火災が発生している状況下でも継続して動作しなければなりません。
トンネル変電所に実際に負荷をかけるものとは？
トンネルは、1キロメートルにわたって延びるコンクリート構造物の中に設けられた小規模な工業施設である。換気設備が電力負荷の大部分を占めるが、それだけではない。また、各種負荷の動作特性は互いに全く異なる。これらを分類せずに単一のkVA値で仕様を確定してしまうことが、仕様誤りの最も一般的な原因である。
| 荷重 | 標準範囲 | 税金 | 容量設計への影響 |
| ジェットファン（軸流形、ドライブ給電式） | 22～250 kW | 段階的な起動・停止（年間数百回） | 始動時ロックローター電流および低圧母線における電圧低下 |
| トンネル換気ファン | 200～1,000 kW | 連続運転、煙排出用の正逆転可能 | 最大出力の単体モーター。通常、システム全体の最小容量設計基準となる |
| 煙遮断ダンパー用アクチュエータおよび制御装置 | 10 kW未満 | 非常時のみ使用。位置保持必須 | 負荷は小さいが、同一の分電盤およびUPS回路を共有 |
| LEDトンネル照明および非常照明 | 30～350 kW | 連続運転（定格負荷率100％） | 高調波成分が豊富。中性線電流が増加 |
| 排水用サムプポンプ | 15～110 kW | 断続的で湿気の多い環境 | 水柱に抵抗して起動；水分侵入のリスクあり |
| 変電所の換気および除湿装置 | 10～60 kW | 連続 | 変圧器自体が設置される周囲環境の温度を上昇させる |
| SCADA、CCTV、標識 | 20 kW未満 | 連続 | 火災発生時の耐障害運転要件 |
設計ガイドラインでは、すでにこれらを別個の専門分野として扱っている。 米国連邦道路局（FHWA）道路トンネル設計指針 (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm換気、照明、防火対策、耐震設計についてはそれぞれ専用のセクションを設けていますが、すべての負荷は単一の負荷スケジュールに集約され、通常は1台の変圧器がその合計負荷を担うことになります。
モーターの始動電流が設備容量の基準となる——定格運転時の負荷ではない
定格運転時の負荷は比較的簡単に算出できます。送風機、照明、ポンプの負荷を合計し、需要率を適用すれば、900kVAのトンネルに対して1,500kVAの変圧器は十分余裕があるように見えます。しかし、始動時の状況を確認してみてください。
標準的なNEMA Design B誘導モーターでは、直接始動（DOL）時に定格電流の約6倍の電流が流れます。たとえば、480Vで動作する250kWのジェットファンモーターの場合、定格電流は約300Aであり、停止状態（ロッキングローター）での始動電流は約1,800Aに達し、ファンが定速に達するまでの2～4秒間その値が維持されます。さらに、半秒後に第2群のモーターを始動させると、変圧器は通常の運転時には二度と見ることのないような負荷を一時的に負うことになります。この瞬間最大負荷こそが、変圧器の定格容量（銘板容量）を決定する数値です。
始動が許容可能かどうかは、2つのパラメーターによって決まります。すなわち、変圧器の百分率インピーダンスとフィーダーのインピーダンスです。5.75％のインピーダンスを有する変圧器は、短絡電流を十分に抑制できますが、モーター端子における電圧低下（サグ）は大きくなります。一方、4％の変圧器では電圧サグが緩やかになりますが、その代わりに予想される短絡電流が上昇し、これに対応するため低圧遮断器の定格および母線の機械的強度（ブレーシング）をより高い水準で設計する必要があります。トンネル内の中間位置にあるファン室へ延びる700 mのフィーダーでは、ケーブルのインピーダンスが引き起こす電圧降下が、変圧器自身による電圧降下よりも大きくなることがあります。
実務経験： トンネル用設備の見積書を工場から発出する前に、必ず始動計算を行います。また、顧客から負荷一覧表のみが送付された場合には、返信として1つの質問をお送りします。「最大のモーターは何kWですか？どのように始動しますか？また、そのモーターまでのケーブル長は何mですか？」この1つの質問への回答が、これまでに多くのトンネルプロジェクトにおいて、仕様書上の変圧器定格を変更させる要因となりました。他のどの項目よりも頻繁に影響を与える、最も重要な情報です。
トンネル換気用変圧器の負荷条件は、VFDに起因する高調波により変化します
ピーク時以外の時間帯に30％の回転数で運転されるファンの場合、そのインバータ（可変周波数駆動装置）の導入費用は、節約された電力コストだけで回収できます。また、このインバータは、変圧器の二次側端子に現れる電流の特性も変化させます。
6パルス型インバータは、入力側で全高調波ひずみ率（THD）が通常25～45％程度となる非正弦波電流を引き込みます。IEEE 519規格では、69kV未満の母線における電圧ひずみ率を5％以下に制限しており、また系統の短絡電流が小さくなるにつれて、許容される電流ひずみ率の上限値も厳しくなります。トンネルはこの関係曲線の不利な領域に位置しています。つまり、長距離の給電線路、比較的弱い電源、そして1つの二次母線から複数台のインバータが給電されるという状況です。
その結果、トンネル換気用ファンを駆動する変圧器は、単に定格容量（kVA）のみに基づいて選定することはできません。高調波電流によって発生する渦電流損失および漏れ磁束による損失が追加され、巻線のホットスポット温度が、同じ皮相電力の正弦波負荷時よりも高くなります。そのため、 鋳造樹脂トランスフォーマー トンネル工事向け変圧器は、通常、Kファクタ定格、太めの中性線、または3次高調波を閉じ込めるデルタ結線とともに、設計負荷より余裕を持たせた巻線温度クラスで発注されます。
インバータ駆動専用トンネル盤の場合、当社の目安は次のとおりです。 VFD高調波 主に高調波が支配的となる場合：接続するインバータの定格容量を基準とし、高調波損失分の余裕を加えたうえで、最低限必要な巻線温度上昇クラスより一段高いクラスを指定します。この余裕分によるコスト増は見積書に明記されます。一方、選定を誤った場合のコストは、7年目に現れます。
技術選択を決めるのは防火安全であり、価格ではありません。
なぜほぼすべてのトンネル内変電所で不燃性のドライタイプ機器が採用されているのかと問えば、その答えは効率性ではなく、防火安全性にあります。 NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502は、道路トンネル・橋梁・その他の制限通行高速道路における火災防護および火災時の生命安全に関する要求事項を定めており、換気設備を火災発生時にも継続して稼働させることが必須である「重要な生命安全機能」と位置づけています。
その要件は、変圧器に直接影響を及ぼします。トンネル断面内に設置される油入式変圧器は、可燃性液体の存在、盛り土工事、専用の遮蔽室（バウルト）、および追加の防火区画を必要とします。このため、多くの設計者はこうした課題を回避し、 鋳造樹脂トランスフォーマー 掘削断面内または隣接する室内に設置するよう指定します。製品規格では、このような変圧器が満たすべき要件が明確に定められています： IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/）は乾式配電・電力用変圧器の一般要件を規定しており、IEC 60076-11は36 kVまでの乾式電力用変圧器を対象としています。
見落とされがちな点として、最も頻繁に見過ごされるのは「変圧器の性能は、それに接続されたフィーダー（供給線）次第である」という事実です。非常用換気回路が火災時に回路の健全性を維持することを要求される場合、ケーブルおよび接続部も同様の条件に耐えなければなりません。自己消火性のキャストレジン製変圧器に標準ケーブルを接続するという、一見妥当に思える組み合わせは、実際には高コストな矛盾を招く例としてよく見られます。
トンネル環境は、機器に対して静かに、しかし確実に影響を及ぼします
トンネル内の空気は湿っており、粉塵を含み、わずかに腐食性があります。換気 shaft 内では相対湿度が85％を超えることが日常的であり、ブレーキやタイヤの粉塵が水平なすべての表面に付着します。また、沿岸部のトンネルでは塩化物も加わることになります。夏期には、変圧器が実際に設置されている場所で測定したシャフト周辺の環境温度は40～45℃に達することがあります（トンネル出入口での測定値ではなく）。
樹脂封止巻線は、巻線を布やテープで包んだ乾式変圧器よりもこの環境に適しています。なぜなら、 鋳造樹脂トランスフォーマー キャスト成形により巻線が湿気の侵入から完全に密封されるからです。ただし、仕様はあくまで実際の設置環境に準拠する必要があります。すなわち、結露防止用空間ヒーター、IP等級の端子箱、そして地域の平均気象データではなく、シャフト内の実測環境温度に基づいた設計用周囲温度の設定が必要です。
標高も重要です。標高1,500メートルでは、対流冷却に利用可能な空気密度が約9％低下するため、海抜ゼロメートルで温度上昇試験に合格した変圧器が、山岳地帯の設置場所で自動的に許容されるわけではありません。サプライヤーに対し、お客様の現場における周囲温度および標高に応じた出力降格率（デレーティング）を明記させ、汎用的なカーブではなく、具体的な計算根拠を提示してもらうよう依頼してください。当社でも、すべての案件で同様の確認を行っています。 トンネル換気用トランスフォーマー 当社は見積りを出します。
お見積り前に当社が確認する事項
トンネル用変圧器のご発注において、定格・価格・納期を決定する要因は以下の5項目です。お問い合わせ時にこれらが明確であれば、初回のお見積りでほぼ確実にご要望に沿った内容をお届けできます。
- 負荷スケジュール（最大出力のモーターを明記） そのモーターの始動方式と、変電所からのケーブル長を教えてください。他の仕様は、この情報から自然に導き出されます。
- ドライブの種類と台数 6パルス、12パルス、またはアクティブフロントエンド（AFE）方式のいずれか、および低圧母線における短絡電流値——これにより、高調波余裕率が決定されます。
- 連続したゴム製シール材が内側ドアの周囲全体を隙間なく覆っており、微細な粉塵や湿気の侵入、および変動する現場環境下における周囲からの結露から機器を確実かつ気密性の高い状態で保護します。 トンネルの配置に適用される、周辺環境、標高、湿度、および耐震区分を設計します。
- 火災対策計画。 トンネル内（トンネル断面内）、専用変電所内、または遠隔地に設置される機器——この選択により、乾式変圧器か油入変圧器かが決まります。
- 認証および効率目標。 UL、CSA、IECの試験報告書、および導入先国で求められる効率レベル。
ライアン・エレクトリック社は、北米、中東、東南アジアにおけるインフラおよび産業向けプロジェクト向けに、乾式および油入変圧器を製造しています。当社江蘇省工場の敷地面積は12万平方メートルで、生産・試験設備が180セット以上導入されています。取得済みの認証には、UL、CSA、IEEE、DEKRA、CNASが含まれます。2023年よりイートン社との合弁事業パートナーとして運営しており、これにより試験および品質関連文書は、従来の自己申告方式から第三者による監査プロセスへと移行しました。トンネル向け受注もデータセンター向け受注と同様に取り扱い、出荷時に通常試験データ、温度上昇記録、認証関連ファイルを同梱いたします。
負荷予測表（ロードスケジュール）を、単なるkVA値ではなく必ずご提出ください
その数値が決定要因となります トンネル換気用トランスフォーマー 負荷リストの最初の数字になることはめったにありません。当社のエンジニアに、負荷スケジュール、最大出力のモーター、ドライブ方式、現場条件をお知らせください。そうすれば、設計レビューで根拠を示せるよう、明確な定格値、高調波余裕率、および出力低下補正計算結果をお届けします。経験則に基づく名板仕様の選定とは異なります。
著者について： 本稿は、中国江蘇省に拠点を置くトランスフォーマー製造メーカー「ライアン・エレクトリック社」の技術チームが執筆しました。同社は2023年よりイートン社との合弁パートナーであり、北米、中東、東南アジアにおけるトンネル、地下鉄、データセンター、電力会社向けプロジェクトに、UL／CSA／IEC認証取得済みの乾式および油入式トランスフォーマーを供給しています。