ONAN方式とONAF方式：油入変圧器の冷却方式完全ガイド

油入変圧器の 油浸式トランス 冷却方式を選定することは、性能、寿命、運用コストに直接影響を与える極めて重要な判断です。本ガイドでは、最も一般的な2つの冷却方式—— ONAN（油自然冷却・空気自然冷却） および ONAF（油自然冷却・空気強制冷却） ——について詳しく解説し、お客様が適切な選択を行えるようサポートします。

1. なぜ オイルインマージドトランス 冷却が必要ですか？

変圧器は電力システムの要であり、電圧を変換して効率的な送配電を実現します。しかし、この変換プロセスは100％効率的ではありません。運転中に発生する 鉄損（無負荷損失） および 銅損（負荷損） 著しい熱を発生させます。

この熱は単なる副産物ではなく、変圧器の寿命を制限する主な要因です。変圧器内部の絶縁システムは通常、油含浸セルロース紙で構成されており、温度が高くなるほど劣化が早まります。経験則として、 ホットスポット温度が6℃上昇するごとに、絶縁体の劣化速度は2倍になります 。過剰な熱は以下のような問題を引き起こします：

• 絶縁体の劣化加速および使用寿命の短縮
• 油の品質を低下させるスラッジや酸の生成
• 巻線のホットスポット形成および局所的な過熱のリスク増大
• 重大な故障（破損）による停電や経済的損失の可能性

電力用変圧器の安全な運転温度を維持し、信頼性を確保し、期待される25～30年の寿命を達成するためには、効果的な熱管理が不可欠です。

2. ONAN冷却方式 — オイル自然空冷

ONAN（油自然冷却・空気自然冷却） 配電用および小容量電力変圧器で最も単純かつ広く用いられる冷却方式です。熱伝達は完全に受動的であり、ファン、ポンプ、その他の可動部品を必要としません。

2.1 ONAN冷却の仕組み

冷却サイクルは 自然対流（サーモサイフォン効果） :

1. 発熱： によって駆動されます。巻線および鉄心は運転中に熱を発生します。
2. 油の上昇： 加熱された油は密度が低下し、タンク上部へと上昇します。
3. 熱散: 高温の油は外部ラジエーター（または冷却チューブ）内に流入し、ラジエーター壁面を通じて周囲の空気へ熱を放出します。
4. 冷却と循環： 冷却された油は密度が高くなり、タンク底部へと沈んで再び循環を繰り返します。

この方式は完全に 浮力駆動式 であり、冷却のための外部エネルギー供給は一切必要ありません。

2.2 ONAN冷却方式の利点

• 可動部品ゼロ： ファンやポンプが不要なため、機械的故障のリスクが実質的にありません。これにより、極めて高い信頼性と最も長い保守間隔が実現されます。
• 静かな動作: ファンによる騒音が発生しないため、ONAN変圧器は住宅地、病院、その他の騒音に配慮が必要な設置場所に最適です。騒音レベルは通常55dB以下です。
• 業界最低水準の総所有コスト： 補助電源の消費がなく、保守も年1回の油質試験程度で済み、強制冷却方式と比較して初期導入コストも低くなっています。
• 証明済みの信頼性： この技術は100年以上にわたる実績があり、その特性や運用方法は十分に確立されています。

2.3 ONAN冷却方式の欠点

• 冷却能力に制限がある： 受動冷却の効率が低いため、ONAN方式は非常に大容量の変圧器には不適です。実用上の容量上限は通常25～30MVA程度です。
• 高温気候下での性能が劣る： 周囲温度が30℃を超える環境では、ONAN変圧器は過熱を防ぐため、定格容量を20～30％低減（デレーティング）する必要があります。
• 装置の物理的サイズが大きい： 所定のMVA定格を達成するには、強制冷却方式と比較してONAN変圧器はより大型のラジエーターを必要とし、設置スペースもより多く占めます。

2.4 ONAN冷却方式の主な適用例

• 30MVAまでの配電用変圧器
• 騒音が問題となる農村部の変電所や住宅地
• 負荷が安定し、予測可能なベースロード用途
• 保守担当者がほとんど配置されていない施設

3. ONAF冷却方式 — オイル自然空冷強制通風

ONAF（油自然冷却・空気強制冷却） oNAN方式を基盤とし、ラジエーターに電動ファンを追加した方式です。オイルの循環は依然として対流による自然循環ですが、 強制空気流 ファンからの送風により、放熱効率が大幅に向上します。

3.1 ONAF冷却の仕組み

5. オイルの自然循環： ONANと同様に、巻線で加熱されたオイルがサーモサイフォン効果によりラジエーターへ上昇します。
6. 強制空冷： ラジエーターバンクに取り付けられた電動ファンが、ラジエーター表面に空気を吹き付けることで、熱伝達係数および冷却速度を大きく高めます。
7. 自動制御: ファンは通常、負荷および内部温度の上昇に応じて温度センサーによって起動され、冷却が必要なくなった時点で自動停止し、エネルギー消費を最適化します。

これは 半主動冷却システム オイルポンプを必要とせずに追加の熱容量を提供します。

3.2 ONAF冷却の利点

• 冷却能力の向上： ONAFは、 oNAN比で25～40％の追加冷却能力を提供します 。これにより、変圧器は温度制限を超えることなく、より高い負荷に対応できます。
• 二重定格による柔軟性： ほとんどの電力用変圧器は、二重定格（例：40／50 MVA ONAN／ONAF）で仕様設定されています。定格負荷時は静かで低保守のONANモードで運転し、ピーク需要時に自動的にONAFモードに切り替わります。
• 容量向上： 容量増加率は変圧器の容量によって異なります。
  • 2500 kVA未満：ONAF方式で約15％の容量向上
  • 2500–10,000 kVA：約25％の容量向上
  • 10,000 kVA超：ONAF1方式で最大33％の容量向上、またはファンを2段階駆動するONAF2方式で67％の容量向上
• 負荷変動への対応に優れる： 1日のうちや季節ごとの負荷変動が大きい用途に最適です。

3.3 ONAF冷却方式の欠点

• 追加の保守管理： ファンにはベアリングやモーターなど可動部があり、定期的な点検および交換（通常7～10年ごと）が必要です。
• 高い運営コスト: ファン運転には補助電源（約1～3 kW/h）を消費し、純粋なONAN方式と比較して運用コストが高くなります。
• 騒音発生： ファンは55～65 dB(A)の騒音を発生します。産業施設内では許容範囲ですが、都市部や住宅地では問題となる場合があります。
• 外部電源への依存： ファンは安定した補助電源を必要とします。

3.4 ONAF冷却方式の代表的な適用例

• 中～大型の電力用変圧器（30～100 MVAクラス）
• 負荷変動が大きい郊外の変電所および産業施設
• 季節的または需要に応じた容量増強が求められる二重定格運用の設備
• 設置面積が制約される変圧器設計

4. ONAN方式とONAF方式の比較表

5. よくある質問 (FAQ)

質問1：油入変圧器はONANおよびONAFの両方の定格を有することができますか？ はい。これは 二重定格変圧器 と呼ばれ、送配電用変圧器では非常に一般的です。基本定格はONANです。負荷が増加すると、ファンが作動してより高いONAF定格を提供します（例：ONAN／ONAF 40／50 MVA）。

質問2：ONAFはONANに対してどの程度の余分な容量を提供しますか？

余分な容量は変圧器のサイズによって異なります。小形変圧器では最大15％、中形では25％、大形変圧器（10 MVA超）では33～67％です。

質問3：油入変圧器において、どちらの冷却方式がより信頼性が高いですか？

ONANの方が信頼性が高い 理由は、可動部品がなく機械的故障が発生しないからです。一方、ONAFはファンを追加するため、保守が必要であり、故障の可能性がありますが、ファン自体は容易に交換可能です。

Q4：ONANとONAFのどちらがコストが低いですか？

ONANは初期投資および運用コストが低い oNAFは初期費用が15～20％高くなり、さらにファン駆動電力や保守作業などの長期的な運用コストも上昇します。

Q5：ONANとONAFのどちらを選ぶべきか？

あなたの 負荷特性、周囲温度、騒音制限、保守能力 寒冷地で定常的なベース負荷を扱う場合は、ONANが最適です。一方、変動負荷で一時的なピーク出力が必要な場合は、二重定格（ONAN／ONAF）方式が最も柔軟性に優れます。

6. 結論

ONANとONAFの選択は、単に冷却方式コードを選ぶだけではありません。ご使用環境に応じて、変圧器の性能・信頼性・総所有コスト（TCO）を最適化することこそが本質です。住宅向けに静かで保守不要なONAN方式を求める場合でも、あるいは二重定格（ONAN／ONAF）方式による柔軟なピーク負荷対応を求める場合でも、適切なエンジニアリングパートナーの存在が不可欠です。

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