巻線温度検出器：RTD、WTI、光ファイバーセンサの解説

巻線温度検出器は、変圧器、モーター、発電機などの巻線温度を把握するために使用します。この用語は単一の決まった装置を指すものではありません。機器によって、RTDなどの巻線温度センサ、変圧器の巻線温度指示計（WTI）、または選定した巻線位置に設置する光ファイバープローブを指す場合があります。

用途に応じて、巻線温度を物理的な点で直接測定するか、他の熱的・電気的な量から間接的に推定します。そのため、表示値が実測した点温度なのか推定値なのかを明確にする必要があります。

巻線温度検出器とは。

巻線は電気損失によって発熱します。導体を流れる電流が抵抗発熱を生み、その熱を機器の冷却構成で除去する必要があります。温度監視は、その結果として生じる巻線の熱状態を観測するために使います。

巻線温度検出器とは、この情報を得るための測定・監視構成です。実際には、埋込センサ、温度指示装置、熱模擬装置、直接測定用の光プローブなどが該当します。「検出器」がすべての用途で同じ機器を意味するとは限りません。仕様で検出器が要求される場合は、機器の種類と測定目的を併せて確認する必要があります。

巻線温度の検出器・センサ・表示計の違い

3つの用語は混同されがちですが、測定系の異なる段階を表します。

巻線温度検出器

これは最も広い用語であり、巻線温度を検出、取得、決定する測定・監視構成を指します。感温素子と計器の組み合わせの場合もあれば、他の入力から値を計算する装置の場合もあります。

巻線温度センサ

巻線温度センサは通常、実際の感温素子を指します。RTD、サーミスタ、熱電対、光ファイバープローブなどがあり、その位置の温度に応じた信号を生成します。

巻線温度計

巻線温度計は通常、巻線温度値を表示、模擬、計算または処理する計器です。油入変圧器のWTIは一般に、上部油温と負荷に応じた加熱効果または熱模擬を用いて巻線温度を表します。WTIのセンサが必ず巻線に直接取り付けられていると考えるのは正しくありません。

警報や制御出力も提供する指示計があるため、指示計は表示だけの装置ではありません。警報・制御出力は選定した指示計によります。

巻線温度を監視する理由

巻線温度は、電気負荷、損失、冷却性能、周囲条件、機器内部の局所的な熱条件に影響されます。監視することで、運転中にこれらが組み合わさってどのような状態になるかを把握できます。

この情報は、絶縁物の熱ストレスの把握、過熱傾向の検出、冷却性能の確認、負荷挙動の理解に活用できます。ただし、温度値だけで判定はできません。許容値と警報設定は機器設計、絶縁システム、適用仕様によって異なるため、一般的な数値ではなく、機器の資料に基づいて定める必要があります。

RTD巻線温度検出器

RTDは測温抵抗体を意味します。PT100やPT1000という一般的な名称は、基準温度における素子の公称抵抗値を示します。RTDは予測可能な電気抵抗の変化を利用して温度を測定し、接続した計器がそれを温度値に変換します。

RTDを巻線の位置に埋め込む、または設置すると、その付近の温度を測定します。巻線用RTD温度センサは、電動機や発電機の固定子巻線で一般的に使われ、乾式の電気機器や一部の変圧器構成でも使用されます。すべての変圧器巻線に使われているわけではないため、対象の変圧器にも搭載されていると決めつけてはいけません。

利点と選定上の検討事項

RTDの実用的な利点：

• 設置位置の直接測定。
• 十分に確立された産業技術
• 連続監視への適合性
• 多くの従来計器へ容易に統合

このセンサが電気式であることから、選定時の検討事項が生じます。RTDには導電性配線が必要なため、電気的絶縁、配線経路、設置スペース、電磁環境を考慮する必要があります。高電圧用途では、電気絶縁と配線要件を慎重に扱わなければなりません。これはRTDを使用できないという意味ではなく、多くの高電圧機器で実用されています。

変圧器巻線温度指示計（WTI）

油入変圧器で従来から一般的なWTI構成では、センサを導体巻線内に配置しないのが通常です。装置は上部油温を測定し、負荷電流などから求めた負荷依存の熱模擬を加えて、巻線温度や巻線ホットスポットの挙動を表します。

WTIの構造はすべて同じではなく、メーカーや変圧器設計によって詳細が異なります。ただし一般的には、実測入力とモデル上の仮定に基づいて計算または模擬した値を表示します。これは妥当で広く使われている方法であり、巻線内部にセンサを持たない変圧器の温度表示、警報、冷却制御に適しています。

WTIは変圧器巻線温度を直接測定するか

必ずしもそうではありません。従来の変圧器WTIは一般に、上部油温と負荷に基づく間接的・模擬的な巻線温度を提供します。有用な熱状態の指標ですが、巻線導体の位置にあるセンサの読み値ではありません。

両方式の詳しい比較は、次の記事をご覧ください。 変圧器WTIと光ファイバー温度センサの比較のため、ここでは繰り返しません。

光ファイバー巻線温度検出器

INNOの技術は、蛍光方式の光ファイバー点式測温です。プローブの感温先端部を選定した巻線位置に設置し、その先端で温度を測定します。光ファイバーが測定点と対応計測器の間で励起光と戻り光の信号を伝送し、計測器が信号を温度値に変換します。

油入変圧器では、 光ファイバー巻線温度センサ は、製造時にプローブを変圧器へ組み込むことで、選定した巻線位置を直接測温できます。

点式測温の適用範囲

測定原理には仕様段階で理解すべき明確な制約があります：

• 1本が所定の物理的1測定点に対応します。
• 複数プローブで、複数の独立巻線温度点を測定します。
• 光ファイバーは信号を伝送し、全長を測温しません。点式測温であり、分布型温度測定ではありません。
• 1本で巻線全体は監視しません。
• 未知のホットスポットを自動特定するシステムではありません。ホットスポットを監視する場合、選定済み、または特定済みの熱的に重要な巻線位置にプローブを配置します。

光ファイバープローブの特性

• 先端の直接点測定。
• 光学経路の電気的絶縁。
• 高い耐電磁干渉性
• 小型感温プローブ形状
• 複数の独立プローブによる多点監視

これらは検出方式の特性です。個々の巻線に適するかは、設計、アクセス可能な測定位置、機器外へファイバーを引き出す方法によって決まります。

巻線温度検出のRTD・WTI・光ファイバー比較

表では3方式の動作と主な用途を比較しています。中立的な比較であり、各項目は一般的な特性を示します。具体的な製品と設置条件で異なります。

巻線温度の直接・間接検出

直接測定では、選定した位置の温度をセンサで物理的に測定します。指定点に設置したRTDも光ファイバープローブも、その例です。測定値はその点の温度を示します。

間接方式では、上部油温、負荷電流、熱モデル、熱シミュレーションなどの別の量から巻線温度を求めます。従来の変圧器WTIが代表例です。指示値は、モデルに基づいて計算された巻線の状態を表します。

直接測定が、あらゆる用途で自動的により適切になるわけではありません。間接方式は簡単で実績があり、巻線内部にアクセスせずに利用できます。一方、直接方式は選定した位置での実測データを提供します。それぞれ異なる技術的目的があり、選択はプロジェクトで何を把握する必要があるかによって決まります。巻線温度は絶対温度としても、適切な基準温度に対する温度上昇としても評価できます。詳しくは、次の記事で説明しています。 変圧器温度上昇.

変圧器の巻線温度検出器

油入変圧器では、製造後に巻線内部へアクセスすることは困難です。そのため、内部の直接測定用プローブは通常、設計・製造時に計画する必要があります。WTIや上部油温測定は巻線へのアクセスを必要としないため、外部監視方式として広く使用されています。

変圧器に組み込んだ光ファイバープローブは、選定した巻線位置を直接測定できます。巻線やホットスポットの高温が続くと、絶縁物に熱ストレスがかかります。この関係は次の記事で説明しています： 変圧器劣化.

変圧器で利用できる測定方式は、次のページをご覧ください： 変圧器温度監視です。各方式とその適用方法は、次の記事で比較しています。 変圧器巻線温度の測定方法.

モータ・発電機の巻線温度検出器

モーターや発電機では、選定した埋込み位置で固定子巻線温度を監視するのが一般的です。軸受温度は別の目的で個別に監視します。軸受温度は巻線状態を表さないため、両者を混同しないでください。

RTDはモーターや発電機の固定子巻線監視に広く使用されています。電気的絶縁、強い電磁環境、高電圧条件、特殊な試験条件によって光学測温が有用な場合は、光ファイバーセンサを検討できます。その場合、 モーター巻線用光ファイバー温度プローブ は、選定した巻線位置に感温先端を配置して設置します。

この節では、モーターと発電機で巻線温度検出を実装する方法を説明します。モーターセンサ全種類の詳細比較は別のテーマです。用途全体の背景については、次をご覧ください。 モータ・発電機温度監視.

巻線温度計と巻線温度検出器

一方の用語で検索していても、もう一方を意図していることは少なくありません。検出器は広い用語で、物理位置のセンサによる検出にも、ほかの量からの計算にも使われます。指示計は通常、巻線温度値の表示、指示、処理、模擬を重視した呼び方です。

変圧器におけるWTIは業界固有の意味を持ち、通常は前述の油温と負荷に基づく構成を指します。警報・制御機能を備えるものもあるため、すべての巻線温度計が表示だけを行うわけではありません。具体的な出力は製品によって異なり、ここでは扱いません。

巻線温度検出器をどこに設置するか

変圧器巻線

直接測定プローブには巻線内部の物理位置の選定が必要です。巻線にアクセスできる設計・製造段階で位置を合意します。プローブが報告するのは、自身の位置の温度だけです。

モーター・発電機の固定子巻線

埋込みセンサは巻線製造中に配置できます。位置は機械設計と監視目的によって決まります。

外部・間接構成

WTIや上部油温測定には、巻線に埋め込んだセンサが一切ない場合があります。油温を測定し、それを基に巻線温度を求めます。具体的な位置、層番号、距離は一般的な規則で固定されるものではなく、機器設計と技術資料に従って決めてください。

複数巻線温度点の監視

複数の独立した物理位置を監視するなら、複数の感温点が必要です。蛍光式光ファイバー点式測温では、1点に対してプローブ1本と、計測器の互換性のある有効チャネル1系統が対応します。

例えば、独立した3点には通常、プローブ3本と、互換性のある有効チャネルが少なくとも3系統必要です。これは例示であり、普遍的な設計規則ではありません。点数は機器と監視目的によって決まります。複数のプローブは複数の独立した点温度を測定するもので、分布温度プロファイルを形成するわけではありません。

巻線温度検出器の選び方

次の項目を順番に検討すると、選択肢を絞れます：

• 機器の種類： 変圧器、電動機、発電機。
• 測定目的： 温度データの利用目的。
• 直接測定・指示： 巻線での実測データが必要か、計算指示で十分か。
• 想定温度範囲： センサ・計測器の資料に照らして確認します。
• 電圧環境： 測定点での絶縁・電気的分離要件。
• 電磁環境： 強い場が配線・信号へ与える影響。
• 測定点数： 独立位置ごとに専用センサが必要です。
• 設置アクセス： 製造・保守中に巻線へアクセスできるか。
• 利用可能な空間： 目的位置にあるセンサ用空間。
• 配線・ファイバー経路： 機器からの接続引出し方法。
• 必要監視チャネル： 全点に対応する十分な互換チャネル。
• 統合要件： 既存監視・制御システムのインターフェース。
• 新設・後付け： 2つのどちらに当てはまるか。

新設機器と後付け設置の比較

新設の変圧器、電動機、発電機では、製造時に埋め込みセンサを計画できます。設計者と測定点を調整し、巻線にアクセスできる間にセンサを配置して、電線や光ファイバーの経路を構造に組み込めます。

既設機器では巻線内部へのアクセスが制限される場合があります。内部直接測定用の光ファイバーセンサを常に後付けできるとは限りません。物理的アクセス、機器設計、保守範囲によって実現性が変わるため、個別の技術検討が必要です。

巻線温度測定値の限界

「WTIは常に巻線を直接測る」

必ずしもそうではありません。従来の変圧器WTIは通常、上部油温と負荷から巻線温度を求めるため、導体のセンサから読み取るのではなく、計算・模擬した値です。

「検出器1つで巻線全体を測定する。」

点センサは設置位置だけを測定します。巻線を把握するには、適切な位置に十分な数のセンサが必要です。

「上部油温は巻線温度である。」

異なる測定量です。負荷時は通常、巻線が周囲の油より高温で、その差は負荷と冷却によって変化します。

「複数の光プローブはDTSである。」

同じではありません。複数プローブでも、複数の独立した点測定値を提供するだけで、ファイバー沿いの連続プロファイルは生成しません。

「同じ検出器構成がすべての変圧器・モーターに適する」

用途によって機器設計と測定目的が異なるため、個別に構成を選ぶ必要があります。

結論

巻線温度検出器は単一のセンサ技術ではありません。機器に応じて、RTDや光ファイバープローブで直接測定するか、変圧器WTIなどで間接的に表します。

RTDは設置位置で直接測定する、確立された電気式測定方式です。WTIは変圧器向けの熱状態指示・模擬方式です。光ファイバーセンサは、光学的に絶縁された経路で直接の点式測温を行います。どの方式も、あらゆる場合に最適というわけではありません。

適切な方式は、機器、測定点、電気環境、直接温度データか間接的な熱状態指示かという要件によって異なります。

巻線温度の直接測定が必要なプロジェクトでは、INNOが感温位置、プローブ構成、ファイバー経路、チャネル要件を検討します。

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