変圧器損失の説明：無負荷損失と負荷損失

変圧器の運転中に発生する主なエネルギー損失は、無負荷損失と負荷損失の2種類です。以下では、これらの損失が変圧器内でどのように発生、分配、散逸されるかを詳しく説明します。

無負荷損失は、変圧器の一次巻線が無負荷状態でわずかな励磁電流しか流れていないときに発生します。このとき、銅損は無視できるほど小さく、損失の大部分は鉄心で発生し、鉄損と呼ばれます。鉄損は、ヒステリシス損失と渦電流損失から構成されます。ヒステリシス損失は、交流磁場の影響下で鉄心内の磁区が連続的に反転することによって生じ、エネルギーを消費して熱を発生させます。渦電流損失は、鉄心自体が導電性であるために発生します。変化する磁場にさらされると、磁力線に垂直な平面に起電力が発生し、閉じたループが形成されて電流（渦電流）が発生し、鉄心材料の抵抗によって熱が発生します。

無負荷損失は主にコアに集中します。これは、コアが磁気回路の主要構成要素であり、ヒステリシス損失と渦電流損失の両方がコア材料内で発生するためです。さらに、無負荷電流によって一次巻線にわずかな銅損が発生しますが、これは通常無視できる程度です。無負荷損失によって発生した熱は、主にコアから周囲環境への熱伝導と放射によって放散されます。コアは変圧器油または空気と接触しており、熱を油または空気に伝達します。この熱は、油または空気の流れの自然対流によって運ばれ、最終的に周囲環境に放散されます。

負荷損失には、基本銅損と付加損失が含まれます。基本銅損とは、負荷電流が巻線を通過する際に巻線抵抗によって生じる損失です。ジュールの法則によれば、電流が導体を流れると熱が発生し、電力損失は電流の二乗に比例します。付加損失には、巻線内の渦電流損失、循環電流損失、構造部品の迷走損失などが含まれ、これらは電流の二乗と周波数の二乗に比例します。

負荷損失は主に巻線と鉄心に分散されます。巻線を流れる負荷電流は銅損を発生させ、鉄心も負荷電流による漏洩磁束によって損失を受けますが、これは巻線の銅損に比べると比較的小さいです。さらに、負荷電流によって誘起される漏洩磁束は、巻線外部の金属構造部品にも迷走損失を発生させます。

負荷損失によって発生した熱は、巻線からの熱伝導によって変圧器油に一部伝達され、その後、油の自然対流または強制循環によって運び去られます。残りの部分は、鉄心や構造部品からの熱伝導と放射によって周囲環境に放散されます。大型変圧器では、放熱性を高め、変圧器の運転効率と信頼性を向上させるために、強制油循環冷却などの方法がしばしば採用されます。