報告書番号

GD25012

タイトル（和文）

天然エステル入変圧器の火災安全性評価（その2）－天然エステルおよび鉱油中アークによる圧力上昇－

タイトル（英文）

Study on Fire Safety of Power Transformers Using Natural Ester, Part 2: Pressure Rise in a Closed Vessel due to Arc under Natural Ester Fluid and Mineral Oil

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背景
電力用変圧器の絶縁油として，鉱油ではなく，菜種油等の天然エステルが注目されている。これは，天然エステルの低い環境負荷や二酸化炭素排出量の削減効果に加えて，屋内設置の天然エステル入変圧器の消防設備の規制が緩和注1）されたことによるものである。この規制緩和によって，絶縁油単体では鉱油より高価な天然エステルであっても，消防設備などを含めた全体のコスト削減が可能と試算され，天然エステルの導入促進が期待される。当所は，これまで絶縁油単体の火災安全性の評価を行い，天然エステルは鉱油より優れることを示した[1]。次の段階では，電力流通設備の観点で変圧器の内部故障による kA 級の絶縁油中アーク放電を想定した圧力上昇を把握しておく必要がある注2）。

目的
簡易的な密閉容器内の天然エステル中アークによる圧力上昇の推移，変圧器の耐圧力に重要な圧力上昇最大値について，鉱油中アークの結果と比較する注3）。

主な成果
1. 圧力上昇の推移の比較
電流値をパラメータに，通電時間を10 ms（交流，50 Hz）一定として密閉容器内の天然エステル中でアークを発生させ，圧力上昇の推移を実験的に取得した（図1，表1）。天然エステルで得られた容器内空気相の圧力上昇の推移を鉱油と比較した結果，両波形は類似していることが分かった（図2）。

2. 圧力上昇最大値の比較
複数回の試験で得られた圧力上昇最大値を比較した。天然エステルと鉱油の圧力上昇最大値は電流波高値 約 2.2 ～ 8.7 kA の条件において，20 ～ 600 kPa 程度となり，同一の電流条件の場合には，同程度になることが分かった（図3）。

以上より，天然エステルと鉱油は，アークによる圧力上昇の観点では大きな差異がないことを明らかとした。

注1) 総務省消防庁，消防用設備等に係る執務資料の送付について（通知），消防予第 205 号（2023）
注2) JEAG5002-2020「変電所等における防火対策指針」では，実変圧器の火災実態調査結果から，故障時の内部アークによる圧力上昇でブッシング等から噴き出した高温の油が外部の酸素に触れて発火するメカニズムが想定されている。
注3) 本稿の鉱油中アークに関するデータや知見は，田所，他「密閉容器内の絶縁油中アークによる気泡挙動と圧力上昇現象の数値解析」，電気学会論文誌A，vol. 140，no. 4，pp. 230–240 (2020) 等で纏めたものを修正，再利用している。

関連報告書：
[1] GD25005「天然エステル入変圧器の火災安全性評価（その1）－天然エステルの燃焼特性－」（2026.02）

概要 （英文）

Natural ester fluid (NE) is gaining attention as an alternative to mineral oil (MO) for transformer insulation. This trend is driven by environmental benefits and regulatory relaxation on fire protection systems for indoor NE-filled transformers. This report presents the results of a study on pressure rise caused by arc discharges within insulating oils, which is a critical factor for transformer fire safety and tank design. Experiments were conducted using a simplified sealed vessel to compare NE and MO under identical conditions. High-speed imaging showed that the pressure rise is induced by rapid gas bubble formation and compression of the air phase. These observations were obtained from tests using MO, and the same phenomenon is expected in NE because both oils exhibited similar pressure rise profiles. Although NE showed higher arc voltage and energy, its gas generation per unit energy was lower than that of MO, resulting in similar maximum pressure rise values for both oils. These findings indicate that there is no significant difference in pressure-rise behavior between NE and MO. Based on these results, we plan to evaluate fire safety through short-circuit tests using scaled transformers filled with NE and MO.

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