交流変圧器から SST へ、直流漏れ電流検出を再設計する必要がある理由

7 月、サングローパワーは EnerNeo シリーズ SST を発表し、130MW のフレームワーク調達契約を締結した。デルタエレクトロニクスは X LABS と MOU を締結し、100MW 規模の SST 機器に取り組む。国電南瑞傘下の中電普瑞は第 2 世代「瑞」シリーズ製品を発売し、AI データセンター、超急速充電ステーション、新エネルギー系統連系、スマートグリッドの 4 分野に対応する。

政策面では、2026 年 3 月に公表された『省エネルギー機器高品質発展実施方案（2026‑2028 年）』において、大容量ソリッドステートトランスフォーマーと柔軟直流変圧器の普及促進が掲げられ、SST の配電網、データセンターなどの分野への導入に政策的な後押しがなされている。江蘇省は 7 月に省レベルの行動計画を発出し、2028 年までにソリッドステートトランスフォーマー関連産業規模を 100 億元以上に拡大する目標を定めた。

AI データセンターは SST 商業化の重要な牽引役である。単体の AI サーバーチップの消費電力は 2kW 超に達し、次世代ラックの電力密度は数百 kW クラスに高まっている。

NVIDIA（エヌビディア）は、従来の多段交流給電から施設レベルの 800V 直流給電への移行を提唱している。SST は従来の給電経路における変圧、整流、電力調整などの機能を高度に集積できる。

ただし SST によって中圧開閉機器、低圧配電機器、UPS、保護機器が自動的に不要になるわけではない。集積度はトポロジー、蓄電システム、冗長化機構、保護措置によって決まる。

給電アーキテクチャの世代交代に伴い、見落とされがちな課題が生まれる。変換回路の変化により、残留電流の構成と故障メカニズムが変わるのである。業界では効率、電力密度、SiC デバイスの選定に注目が集まる一方、安全監視系に関する議論は遅れている。

従来の商用周波変圧器は受動的な電磁機器であり、鉄心と絶縁材により一次側‑二次側を絶縁し、漏電経路は単純である。SST は多段の電力電子システムで、代表的な構成は前段 AFE 整流、中周波絶縁型 DC/DC 変換、後段インバータであり、中圧交流、高圧直流、低圧直流の 3 種類の電圧レベルが共存する。

複数の電圧レベルが混在するため、残留電流の構成は一般機器よりはるかに複雑になる。対地絶縁または高抵抗接地方式を採用する直流システムでは、片極対地絶縁故障が発生しても過電流保護が動作するほどの大きな故障電流は即座に流れないが、絶縁状態は劣化する。もう一方の導体で 2 つ目の絶縁故障が発生すると、故障ループ条件が大きく変化し、リスクが急増する。したがって短絡後の過電流保護に頼るのではなく、最初の絶縁不良段階で検知・警報を出力する必要がある。この要求は IT など絶縁運転方式の直流システムでは特に重要となる。なお SST 直流側の接地方式は用途やシステム構成に応じて選択され、すべての SST が IT システムを採用するわけではない。

また SiC デバイスはシステムに大きな変化をもたらす。中周波変圧器の小型化のため、スイッチング周波数は数十 kHz から数百 kHz に設定され、SiC‑MOSFET の電圧変化率 dU/dt は非常に大きい。変位電流の式\(I=C・dU/dt\)からわかるように、大きな dU/dt がパワーモジュール基板の対地寄生容量、変圧器巻線層間容量、バスバーの分布容量などに作用すると、高周波変位電流が発生する。商用周波残留電流、直流残留電流、各種電流が重なり合い、交流、脈動直流、平滑直流、高周波コモンモード成分を含む複合型残留電流が生成される。

従来の AC 形残留電流保護器は正弦波交流成分しか検出できず、A 形は脈動直流に対応するが、平滑直流の検出には対応していない。SST 直流側で絶縁不良による平滑直流残留電流が発生した場合、従来の保護装置は動作しない可能性がある。高周波コモンモード電流の振幅と周波数スペクトラムはシステムの寄生パラメータ、PCB 配線、接地インピーダンスなどに依存するため、単一の検出手法で全周波数帯をカバーすることはできない。

つまり SST の残留電流検出では周波数帯と故障メカニズムごとに検討する必要がある。交流・脈動直流成分は従来の CT または A 形 RCD で検出可能、平滑直流成分には直流感応型の検出方式、高周波コモンモード電流にはシステムの EMI 設計、寄生パラメータ制御と専用の高周波検出手段を組み合わせる。全ての場面に対応できる単一の部品は存在しない。

SiC デバイスの採用は保護協調にも変化をもたらす。SiC パワーデバイスの短絡許容時間は従来のシリコン系 IGBT よりはるかに短いため、システムレベルの過電流・母線保護だけに頼って短絡検出・遮断を行うことはできない。デバイス駆動側に高速な短絡検出・遮断機能（DESAT 保護、ゲートドライバ高速保護など）を設け、システムの過電流保護、差動保護と連携させる必要がある。残留電流検出は多層保護システムにおいて絶縁不良の予警報と直流残留電流検出を担う機能であり、SiC の短絡保護を主目的としたものではない。

直流残留電流を検出する方式は複数存在する。変流器は電磁誘導の原理に基づくため交流成分しか検出できず直流には対応しない。オープンループホール素子方式は直流電流を測定できるが、ホール素子はゼロ点ドリフトが発生する。mA レベルの検出では温度変化によるドリフト量が真の漏れ電流と同程度になる可能性があり、アルゴリズムによる補償と定期的な校正が必要となる。シャント抵抗方式は精度が高いが電気的絶縁が確保できず、中高圧システムでは安全上の課題があり、主回路に直列接続するため追加の損失も発生する。

フラックスゲート技術は高透磁率の磁気コアを利用し、励振により周期的に磁気飽和を発生させて外部磁界を変調し、偶数次高調波信号として検出する。被測定電流の時間変化を必要とせず、平滑直流と低周波交流成分の両方を検出可能である。対称な磁気コア構造と変調・復調機構によりオフセットが抑圧されるため、ゼロ点安定性と温度ドリフト性能に優れる。ただし全温度域での精度は磁気コア材料、励振回路、校正手法に依存する。フラックスゲートセンサは磁気コアと絶縁材により一次側‑二次側の電気的絶縁を実現している。

この特性からフラックスゲート技術は直流残留電流検出に適している。SST 直流側の絶縁劣化は緩やかに進行し、残留電流は微小な値から徐々に増大するため、この期間にセンサは安定したゼロ点を維持する必要がある。SST 盤内は電力密度が高く温度差が大きいため、全温度範囲での性能が実機設計上重要となる。

例えば芯森電子の FR8V H04 シリーズはフラックスゲート技術を採用した残留電流検出器で、一次‑二次間が絶縁され、直流漏れ電流測定に用いられる。同シリーズの定格残留電流範囲は ±10mA～±400mA で、FR8V 0.01/0.02/0.05/0.07/0.1/0.2/0.4 H04 の 7 機種がラインナップされ、実測最大値は ±440mA に達する。定格残留電流における精度は ±1％、ゲイン誤差・直線性誤差はそれぞれ ±0.5％。ゼロ電圧温度ドリフト最大値は ±0.5mV/K、オフセット電圧 ±6mV、オフセット電圧温度ドリフト ±15mV、動作温度範囲は‑40℃～85℃である。絶縁仕様は一次‑二次間絶縁耐圧 5.04kV AC（50Hz、1 分間）、サージ耐圧 9.24kV（1.2/50μs）、電気的ギャップ 5mm、沿面距離 23mm。仕様書には 1000V 適用時の強化絶縁、1500V 適用時の基礎絶縁の事例が記載されており、実際の絶縁協調は機器規格と筐体設計に基づいて決定する必要がある。応答時間は定格値 90％到達時で 30ms であり、実際の保護動作時間にはコントローラのサンプリング、アルゴリズム判定、アクチュエータ動作時間が加算され、システムの保護設定値と合わせて総合的に判断する。

FR8V H04 は直流残留電流検出を目的とし、帯域は DC までであり、高周波コモンモード電流を完全に測定することはできない。SiC の高周波スイッチングにより発生するより高い周波数帯の変位電流成分については、システムの EMI フィルタリング、寄生パラメータ制御など他の手段と併用して判定する必要がある。FR8V H04 は SST 安全システムにおける直流残留電流検出のセンサの一選択肢であり、SST の絶縁故障を全て解決するものではない。

SST 直流システムにおいて、絶縁監視装置（IMD）と残留電流センサはそれぞれ異なる側面を監視する。IMD はシステム全体の絶縁状態、すなわち「絶縁レベルが低下しているか」を判定する。一方残留電流センサは検出経路を実際に流れる残留電流、つまり「異常な電流が流れているか」を検出する。両者は相補的であり、IMD は絶縁劣化傾向の早期予警報を提供し、残留電流センサは故障電流のリアルタイム検出結果を出力する。FR8V H04 は IMD の代替にはならず、アーク保護、短絡保護、システムレベルの地絡故障保護を置き換えることもできない。

SST の安全監視システムは多層的に構築するべきである。デバイスレベルでは SiC ドライバ側の高速短絡保護、システムレベルでは過電流保護、差動保護、地絡故障保護、絶縁状態監視として IMD による常時監視、残留電流層ではフラックスゲートセンサによる直流成分のリアルタイム取得を実装する。各機能がそれぞれ役割を担い、絶縁劣化の予警報から故障の高速遮断まで一貫した保護チェーンを形成する。単一の部品で全ての安全課題を解決する万能なソリューションは存在しない。

SST はデータセンターと配電網の給電方式を変革しつつある。中圧交流から多段変換を経て中圧直流、さらに直接 800V へ、パワーデバイスは IGBT から SiC へ、絶縁方式は油入から乾式高周波化へ移行する。これに伴い残留電流検出も、「交流保護器のトリップ」に依存する単純な考え方から、「周波数帯・故障メカニズム別、多層協調」の新しい体系へ転換する必要がある。

2026 年の SST 産業は急成長により多くの企業が参入している。しかし効率、電力密度、受注規模を競う一方で、安全基盤が同時に整備されているかどうかが、機器がデータセンター、蓄電所、配電網で長期的に安定稼働できるかを左右する。ブルームバーグ NEF の予測によれば、2030 年の世界 SST 市場規模は 1200 億元に達する。市場拡大には機器の信頼性が前提であり、信頼性は残留電流検出をはじめとする安全監視システムの完成度に依存する。

漏れ電流検出は SST 安全監視システムの重要なセンシング部門の一つである。直流残留電流のリスクが大きいシステムにおいて mA レベルの直流成分を正確に検出できるかどうかが、故障予警報と保護戦略の信頼性・有効性に影響する。センサ単体の性能だけでなく、給電方式の変化に伴い安全監視の技術ロジックも変わる事実を踏まえ、アーキテクチャ設計段階から技術選択を慎重に行わなければならない。

本稿の政策情報は工業情報化部、国家発展改革委員会、財政部、国家エネルギー局が共同で発表した『省エネルギー機器高品質発展実施方案（2026‑2028 年）』および江蘇省『ソリッドステートトランスフォーマー産業イノベーション発展行動方案』の公開資料に基づく。産業情報は各社公表資料、FR8V H04 の仕様は製品仕様書による。SST 残留電流のメカニズム解析は電力電子工学の原理による導出であり、実際の保護設計はシステム個別の条件に応じて設定する必要がある。