JP2000195728A - 変圧器巻線内の重複共振の防止方法 - Google Patents
変圧器巻線内の重複共振の防止方法Info
- Publication number
- JP2000195728A JP2000195728A JP10372814A JP37281498A JP2000195728A JP 2000195728 A JP2000195728 A JP 2000195728A JP 10372814 A JP10372814 A JP 10372814A JP 37281498 A JP37281498 A JP 37281498A JP 2000195728 A JP2000195728 A JP 2000195728A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】これまで経験的に想定していた共振電圧以上の
過電圧が巻線間に発生し、絶縁破壊に至らしめる現象が
あった。 【解決手段】頻度は小さいながら、大きな共振過電圧の
発生条件を、等価回路定数計算プログラムで求めるかま
たは実測にて検出し、その発生条件を満足しないように
変圧器巻線の静電シールドを調整することで、上記の共
振過電圧の発生を防止する。
過電圧が巻線間に発生し、絶縁破壊に至らしめる現象が
あった。 【解決手段】頻度は小さいながら、大きな共振過電圧の
発生条件を、等価回路定数計算プログラムで求めるかま
たは実測にて検出し、その発生条件を満足しないように
変圧器巻線の静電シールドを調整することで、上記の共
振過電圧の発生を防止する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、配電，変電，送電
等の電力用変圧器に係わり、特にサージ電圧に対し絶縁
耐力の高い構造を有する変圧器に関する。
等の電力用変圧器に係わり、特にサージ電圧に対し絶縁
耐力の高い構造を有する変圧器に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、配電においてはサイリスタなどの
半導体を使用した機器が増加し、配電用変圧器に数ｋＨ
ｚ以上のサージ性の高周波が侵入する場合がある。また
送変電用変圧器にも電力系統の高電圧化，広域化に伴
い、自然雷や開閉機器に起因する振動性サージ（直流分
から数１０ＭＨｚに及ぶ広範囲な周波数成分を含む）の
侵入現象がある。振動性サージが変圧器内に侵入しその
周波数が巻線のインダクタンスとキャパシタンスとから
決まる共振周波数と一致すると共振現象が発生し、巻線
内に通常の電圧の幾倍かの過電圧が発生する。この現象
は変圧器巻線の部分共振として知られており、その際の
過電圧の通常電圧に対する倍率は応答倍率と称される。
半導体を使用した機器が増加し、配電用変圧器に数ｋＨ
ｚ以上のサージ性の高周波が侵入する場合がある。また
送変電用変圧器にも電力系統の高電圧化，広域化に伴
い、自然雷や開閉機器に起因する振動性サージ（直流分
から数１０ＭＨｚに及ぶ広範囲な周波数成分を含む）の
侵入現象がある。振動性サージが変圧器内に侵入しその
周波数が巻線のインダクタンスとキャパシタンスとから
決まる共振周波数と一致すると共振現象が発生し、巻線
内に通常の電圧の幾倍かの過電圧が発生する。この現象
は変圧器巻線の部分共振として知られており、その際の
過電圧の通常電圧に対する倍率は応答倍率と称される。
【０００３】一般的には、予めこの過電圧を考慮し、巻
線絶縁物の被覆を厚くしたり巻線の間隔を広く設定し、
絶縁破壊を防止している。しかし、希に特定の周波数で
当初の予想を遥かに越える共振過電圧が発生し、これが
原因で巻線内に絶縁破壊が生じることがある。
線絶縁物の被覆を厚くしたり巻線の間隔を広く設定し、
絶縁破壊を防止している。しかし、希に特定の周波数で
当初の予想を遥かに越える共振過電圧が発生し、これが
原因で巻線内に絶縁破壊が生じることがある。
【０００４】この防止策としては、図４に示すように保
護対象巻線の両端に酸化亜鉛素子を取り付けることが行
われている。しかし、酸化亜鉛素子を設置する空間の余
裕がない構造の変圧器も存在し、その場合の対策は困難
になる。
護対象巻線の両端に酸化亜鉛素子を取り付けることが行
われている。しかし、酸化亜鉛素子を設置する空間の余
裕がない構造の変圧器も存在し、その場合の対策は困難
になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の点に鑑
み、巻線の絶縁破壊に至らしめる共振過電圧の防止方法
を提供し、以って絶縁耐力の高い変圧器を実現すること
を目的とする。
み、巻線の絶縁破壊に至らしめる共振過電圧の防止方法
を提供し、以って絶縁耐力の高い変圧器を実現すること
を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明では、希に生じる
大きな共振過電圧の発生条件を、等価回路定数計算プロ
グラムを用いて計算するか、もしくは実測にて検出し、
その発生条件を満足しないように変圧器巻線の静電シー
ルドを調整することで、上記の共振過電圧の発生を防止
する。
大きな共振過電圧の発生条件を、等価回路定数計算プロ
グラムを用いて計算するか、もしくは実測にて検出し、
その発生条件を満足しないように変圧器巻線の静電シー
ルドを調整することで、上記の共振過電圧の発生を防止
する。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の原理を図１により
説明する。これは変圧器巻線の応答倍率の特性図であ
る。ここで図３に示すような主巻線１とタップ巻線２に
別れているタップ巻線２が別置の構成では、主巻線１と
タップ巻線２との誘導的及び静電的結合が弱く、また他
巻線３とは空間伝搬により伝わる移行電圧だけの結び付
きであるから、主巻線１とタップ巻線２との一対を取り
出せば、良い近似で図２の等価回路が成立する。ここで
Ｃ1，Ｌ1は主巻線１を１つのタンク回路で模擬した場合
のキャパシタンスとインダクタンスであり、同様な意味
でＣ2，Ｌ2はタップ巻線２のキャパシタンスとインダク
タンスである。またＲは巻線全体の抵抗を表わす。この
等価回路から主巻線１のキャパシタンスＣ1 とタップ巻
線２のインダクタンスＬ2 とで生じる共振周波数ｆ
1 と、主巻線１のインダクタンスＬ1 と巻線２のキャパ
シタンスＣ2 との間に発生する共振周波数ｆ2 との２つ
の直列共振周波数があることがわかる。これらを式で表
わせば以下の（１），（２）式になる。
説明する。これは変圧器巻線の応答倍率の特性図であ
る。ここで図３に示すような主巻線１とタップ巻線２に
別れているタップ巻線２が別置の構成では、主巻線１と
タップ巻線２との誘導的及び静電的結合が弱く、また他
巻線３とは空間伝搬により伝わる移行電圧だけの結び付
きであるから、主巻線１とタップ巻線２との一対を取り
出せば、良い近似で図２の等価回路が成立する。ここで
Ｃ1，Ｌ1は主巻線１を１つのタンク回路で模擬した場合
のキャパシタンスとインダクタンスであり、同様な意味
でＣ2，Ｌ2はタップ巻線２のキャパシタンスとインダク
タンスである。またＲは巻線全体の抵抗を表わす。この
等価回路から主巻線１のキャパシタンスＣ1 とタップ巻
線２のインダクタンスＬ2 とで生じる共振周波数ｆ
1 と、主巻線１のインダクタンスＬ1 と巻線２のキャパ
シタンスＣ2 との間に発生する共振周波数ｆ2 との２つ
の直列共振周波数があることがわかる。これらを式で表
わせば以下の（１），（２）式になる。
【０００８】
【数１】
【０００９】
【数２】
【００１０】通常はこれらの周波数ｆ1 とｆ2 とは互い
に異なるため、タップ巻線２の応答倍率Ｑは、図１
（ａ）のように各々の周波数に対し２つのピークを示
す。しかし、変圧器の巻線構成上、これら周波数ｆ1 と
ｆ2 とが極めて近い周波数になることがある。この時、
図１（ｂ）に示すように応答倍率Ｑは夫々の周波数に対
応したピークが１つに重なり、経験上予想していたより
大きな共振過電圧になる場合がある。なお、複数の共振
周波数が互いに近いため、応答倍率のピークが重なって
１つになる事を、ここでは「重複共振」と呼ぶ事にす
る。
に異なるため、タップ巻線２の応答倍率Ｑは、図１
（ａ）のように各々の周波数に対し２つのピークを示
す。しかし、変圧器の巻線構成上、これら周波数ｆ1 と
ｆ2 とが極めて近い周波数になることがある。この時、
図１（ｂ）に示すように応答倍率Ｑは夫々の周波数に対
応したピークが１つに重なり、経験上予想していたより
大きな共振過電圧になる場合がある。なお、複数の共振
周波数が互いに近いため、応答倍率のピークが重なって
１つになる事を、ここでは「重複共振」と呼ぶ事にす
る。
【００１１】以上を定式化しながら以下詳細に説明す
る。
る。
【００１２】ここでａ，ｂをそれぞれ主巻線１とタップ
巻線２間のキャパシタンスおよびインダクタンスの比例
定数とする。すなわちＣ1＝ａＣ2，Ｌ1＝ｂＬ2とおけ
ば、周波数ｆ1 に対応するタップ巻線２の応答倍率Ｑ1
は、図２の等価回路に基づく回路方程式を解いて
巻線２間のキャパシタンスおよびインダクタンスの比例
定数とする。すなわちＣ1＝ａＣ2，Ｌ1＝ｂＬ2とおけ
ば、周波数ｆ1 に対応するタップ巻線２の応答倍率Ｑ1
は、図２の等価回路に基づく回路方程式を解いて
【００１３】
【数３】
【００１４】となる。同様に周波数ｆ2 に対応するタッ
プ巻線２の応答倍率Ｑ2 は、
プ巻線２の応答倍率Ｑ2 は、
【００１５】
【数４】
【００１６】で表わせる。ここで応答倍率Ｑ1 とＱ2 と
の大小関係は変圧器の巻線構成で異なることはいうまで
もない。定数ａとｂとが等しい場合に周波数ｆ1 とｆ2
とが一致するから、ａ＝ｂの関係を（３）式あるいは
（４）式に代入すると、重複共振の場合の応答倍率Ｑ12
が得られる。
の大小関係は変圧器の巻線構成で異なることはいうまで
もない。定数ａとｂとが等しい場合に周波数ｆ1 とｆ2
とが一致するから、ａ＝ｂの関係を（３）式あるいは
（４）式に代入すると、重複共振の場合の応答倍率Ｑ12
が得られる。
【００１７】
【数５】
【００１８】応答倍率Ｑ12はこれまで近似的ではあるが
経験上使用してきたＣ1 とＬ2 とで生じる値
経験上使用してきたＣ1 とＬ2 とで生じる値
【００１９】倍、大きくなる。
【００２０】この状態は、主巻線１の巻数がタップ巻線
２の巻数より多い構造において、主巻線１に施す静電シ
ールドの効果が大きい場合に生じ易い。一般に巻線のイ
ンダクタンスは巻数の自乗に比例するのに対しキャパシ
タンスは単に巻数に比例するので、上記の構造の場合、
主巻線１での比Ｌ1／Ｃ1はタップ巻線２での比Ｌ2／Ｃ2
より大きくなる。主巻線１に静電シールドを施しＣ1 を
増加させ、これら２つ比の値の差違がなくなるとａ＝ｂ
の関係が成立する。このとき例えば主巻線１のインダク
タンスをタップ巻線２のインダクタンスの１.５ 倍だと
すればａ＝ｂ＝1.5となる。この場合の応答倍率は経験
的な応答倍率
２の巻数より多い構造において、主巻線１に施す静電シ
ールドの効果が大きい場合に生じ易い。一般に巻線のイ
ンダクタンスは巻数の自乗に比例するのに対しキャパシ
タンスは単に巻数に比例するので、上記の構造の場合、
主巻線１での比Ｌ1／Ｃ1はタップ巻線２での比Ｌ2／Ｃ2
より大きくなる。主巻線１に静電シールドを施しＣ1 を
増加させ、これら２つ比の値の差違がなくなるとａ＝ｂ
の関係が成立する。このとき例えば主巻線１のインダク
タンスをタップ巻線２のインダクタンスの１.５ 倍だと
すればａ＝ｂ＝1.5となる。この場合の応答倍率は経験
的な応答倍率
【００２１】倍とになり、それぞれ互いに独立に生じた
場合の共振電圧の３倍あるいは２倍の電圧がタップ巻線
２に発生することになる。従って、十分な絶縁強度の余
裕がないと、振動性の外部サージが侵入すれば、絶縁破
壊事故に至る恐れがある。
場合の共振電圧の３倍あるいは２倍の電圧がタップ巻線
２に発生することになる。従って、十分な絶縁強度の余
裕がないと、振動性の外部サージが侵入すれば、絶縁破
壊事故に至る恐れがある。
【００２２】別の場合として、主巻線１とタップ巻線２
との構造（寸法，巻数，静電シールド，鉄心やタンクと
の位置関係，導体や絶縁物の材質など）が似通ってお
り、鉄心に対し同一直径で上下に配置される場合、両巻
線の電気回路定数はほぼ同等であるから、定数ａやｂは
共に１に近い値を取る。これは、主巻線１とタップ巻線
２との間に生じる全ての直列共振と並列共振の周波数が
ほぼ同一となる特異な状態を意味する。外部から変圧器
内に侵入する振動性のサージ波形の周波数成分が、これ
ら共振周波数と一致すると、サージ侵入時の電磁力で巻
線が機械的に振動し、そのため巻線のキャパシタンスや
インダクタンスの値が僅かに変動するので、直列共振現
象と並列共振現象との頻繁な遷移が引き起こされる。こ
のためタップ巻線には大きな直列共振電流と高い並列共
振電圧とが交互に繰り返し印加され、この状態が持続す
れば最終的には巻線の絶縁破壊に至る。
との構造（寸法，巻数，静電シールド，鉄心やタンクと
の位置関係，導体や絶縁物の材質など）が似通ってお
り、鉄心に対し同一直径で上下に配置される場合、両巻
線の電気回路定数はほぼ同等であるから、定数ａやｂは
共に１に近い値を取る。これは、主巻線１とタップ巻線
２との間に生じる全ての直列共振と並列共振の周波数が
ほぼ同一となる特異な状態を意味する。外部から変圧器
内に侵入する振動性のサージ波形の周波数成分が、これ
ら共振周波数と一致すると、サージ侵入時の電磁力で巻
線が機械的に振動し、そのため巻線のキャパシタンスや
インダクタンスの値が僅かに変動するので、直列共振現
象と並列共振現象との頻繁な遷移が引き起こされる。こ
のためタップ巻線には大きな直列共振電流と高い並列共
振電圧とが交互に繰り返し印加され、この状態が持続す
れば最終的には巻線の絶縁破壊に至る。
【００２３】以上、ａ＝ｂ＝１.０ の場合に関し、１つ
の巻線における主巻線とタップ巻線の場合について述べ
たが、多巻線においても同様である。直列接続された複
数の巻線が同じ構造を有し、それらの共振周波数がほぼ
一致すると、サージ波形の周波数成分によっては、互い
の巻線間の接続箇所で大きな共振過電圧が発生する。こ
の他にも、多脚構造の変圧器において、各脚ごとの巻線
の構造や配置が互いに類似していれば、それぞれの共振
周波数は極めて近くなる。各脚の巻線が直列に接続さ
れ、各々の共振周波数がサージ波形の周波数成分と一致
すれば、亘り箇所で過大な共振電圧が発生する。
の巻線における主巻線とタップ巻線の場合について述べ
たが、多巻線においても同様である。直列接続された複
数の巻線が同じ構造を有し、それらの共振周波数がほぼ
一致すると、サージ波形の周波数成分によっては、互い
の巻線間の接続箇所で大きな共振過電圧が発生する。こ
の他にも、多脚構造の変圧器において、各脚ごとの巻線
の構造や配置が互いに類似していれば、それぞれの共振
周波数は極めて近くなる。各脚の巻線が直列に接続さ
れ、各々の共振周波数がサージ波形の周波数成分と一致
すれば、亘り箇所で過大な共振電圧が発生する。
【００２４】この重複共振現象を回避するには、図１
（ａ）に示したように、共振周波数ｆ1，ｆ2を分離すれ
ばよいのであるから、ａとｂとが異なる値をとればよ
い。巻線のインダクタンスは、変圧器の電気仕様という
別の要因で決定されるので、本件に関し調整できるのは
キャパシタンスである。以下その手順を述べる。
（ａ）に示したように、共振周波数ｆ1，ｆ2を分離すれ
ばよいのであるから、ａとｂとが異なる値をとればよ
い。巻線のインダクタンスは、変圧器の電気仕様という
別の要因で決定されるので、本件に関し調整できるのは
キャパシタンスである。以下その手順を述べる。
【００２５】予め、例えば特開9143428 号公報の中で述
べられているような変圧器の等価回路定数計算プログラ
ムを用い、巻線ごとのインダクタンスやキャパシタンス
を算出する。それらの定数を基にａとｂとを求める。直
列接続する巻線同士のそれらの値が近ければ、例えば高
電位側となる巻線に静電シールド（現在インターリーブ
巻線やＣＣシールド巻線などが広く知られ使用されてい
る）を施す。すでに、その巻線が静電シールドを有して
いる場合には、その効果を調整する。効果がより大きく
現れる構造に変更するには、静電シールドを施す巻線の
範囲を広げたり、インターリーブ巻線の採用時には隣り
合う各素線の電位差がさらに大きくなるように電流の流
れる順序の差の大きな素線同士を組み合わせる。またＣ
Ｃシールド巻線の使用の場合には巻き込むシールド導体
の回数を増したりすることで実現できる。効果を小さく
するには逆の作業を行えばよい。このように静電シール
ドの効果を増減させることで、２つの巻線が同一周波数
で共振するのを防止した構造にできる。
べられているような変圧器の等価回路定数計算プログラ
ムを用い、巻線ごとのインダクタンスやキャパシタンス
を算出する。それらの定数を基にａとｂとを求める。直
列接続する巻線同士のそれらの値が近ければ、例えば高
電位側となる巻線に静電シールド（現在インターリーブ
巻線やＣＣシールド巻線などが広く知られ使用されてい
る）を施す。すでに、その巻線が静電シールドを有して
いる場合には、その効果を調整する。効果がより大きく
現れる構造に変更するには、静電シールドを施す巻線の
範囲を広げたり、インターリーブ巻線の採用時には隣り
合う各素線の電位差がさらに大きくなるように電流の流
れる順序の差の大きな素線同士を組み合わせる。またＣ
Ｃシールド巻線の使用の場合には巻き込むシールド導体
の回数を増したりすることで実現できる。効果を小さく
するには逆の作業を行えばよい。このように静電シール
ドの効果を増減させることで、２つの巻線が同一周波数
で共振するのを防止した構造にできる。
【００２６】なお、上記の等価回路定数計算プログラム
を用いなくとも、実際に製作した巻線のインダクタンス
やキャパシタンスを市販のインピーダンスアナライザな
ど各種測定器で実測し、その結果に基づきａとｂとが異
なる巻線同士を直列接続する際に選別して組み合わせて
もよい。
を用いなくとも、実際に製作した巻線のインダクタンス
やキャパシタンスを市販のインピーダンスアナライザな
ど各種測定器で実測し、その結果に基づきａとｂとが異
なる巻線同士を直列接続する際に選別して組み合わせて
もよい。
【００２７】以上、具体例として直列接続の２つの巻線
の場合について述べてきたが、２巻線以上を直列接続し
た場合も同様である。共振は部分的に生じるから隣り合
う２つの巻線間で本方法を用いればよい。すなわちｎ個
の巻線の場合の隣り合う２つの巻線の選び方は（ｎ−
１）通りあるから、それら全部についてキャパシタンス
比ａとインダクタンス比ｂとが異なるように各巻線に施
す静電シールドを調整すればよい。
の場合について述べてきたが、２巻線以上を直列接続し
た場合も同様である。共振は部分的に生じるから隣り合
う２つの巻線間で本方法を用いればよい。すなわちｎ個
の巻線の場合の隣り合う２つの巻線の選び方は（ｎ−
１）通りあるから、それら全部についてキャパシタンス
比ａとインダクタンス比ｂとが異なるように各巻線に施
す静電シールドを調整すればよい。
【００２８】勿論、上記手順を踏まなくても、製作した
変圧器が結果的に重複共振を起こさない巻線構造となる
場合もある。
変圧器が結果的に重複共振を起こさない巻線構造となる
場合もある。
【００２９】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、絶縁破
壊事故原因の１つである重複共振を起こさない巻線構造
の変圧器を確実に提供できる。
壊事故原因の１つである重複共振を起こさない巻線構造
の変圧器を確実に提供できる。
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の原理を説明するた
めの応答倍率の特性図である。
めの応答倍率の特性図である。
【図２】本発明の原理を説明するための変圧器巻線の等
価回路である。
価回路である。
【図３】本発明を説明するための変圧器巻線の構成図で
ある。
ある。
【図４】従来例を説明するための変圧器巻線の構成図で
ある。
ある。
１…主巻線、２…タップ巻線、３…他巻線、４…鉄心
脚、５…酸化亜鉛素子。
脚、５…酸化亜鉛素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 直樹 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 Ｆターム(参考） 5E058 BB15
Claims (1)
- 【請求項１】直列接続された複数の巻線を持つ変圧器に
おいて、その中で隣接する２つの巻線のキャパシタンス
比ａとインダクタンス比ｂとを検出し、それらの比の値
ａ，ｂが近い場合、その２つの巻線の少なくとも１つの
巻線に施す静電シールドの効果を、その２つの巻線の共
振周波数が２つの周波数に分離するまで増減させ、もっ
てその２つの巻線が同じ周波数で共振しない構造とする
ことを特徴とする変圧器巻線内の重複共振の防止方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10372814A JP2000195728A (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | 変圧器巻線内の重複共振の防止方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10372814A JP2000195728A (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | 変圧器巻線内の重複共振の防止方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000195728A true JP2000195728A (ja) | 2000-07-14 |
Family
ID=18501089
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10372814A Pending JP2000195728A (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | 変圧器巻線内の重複共振の防止方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000195728A (ja) |
-
1998
- 1998-12-28 JP JP10372814A patent/JP2000195728A/ja active Pending
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