JP2001509955A - 電圧調整手段を持つ変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電圧調整手段を持つ変圧器（変成器）（１１）が開示される。この変圧器は、巻線を流れる電流に起因する電界をフレキシブルな導体内に閉じ込める電界閉じ込め手段を施されたフレキシブルな導体から形成される調整巻線（１５）を含む。この調整巻線（１５）のフレキシブルな導体の外側には実質的に電界は漏れないために、この調整巻線は電界の分布を考慮する必要なしに形成することができ、こうして、好ましい巻線設計を持つ変圧器を実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 電圧調整手段を持つ変圧器 技術分野 本発明は、数百ｋＶＡから１０００ＭＶＡを超えるまでの範囲の定格電力（ra ted power）、および３〜４ｋＶＡから非常に高い電圧、例えば、４００ｋＶ〜 ８００ｋＶ、あるいはそれ以上の範囲の定格電圧（rated voltage）を持つ発電 （power generation）、送電（transmission）、あるいは配電（distribution） システムに用いる電圧調整手段を持つ電力／調整変圧器（power-orregulating t ransformer）に関する。より詳細には、本発明は、電力／調整変圧器に用いる調 整巻線（regulating windings）に関する。 発明の背景 電力変圧器の主要なタスクは、電気的な“ギアボックス（gearbox）”として 動作し、電気エネルギーをある電気システム（electrical system）から別のシ ステムに流すことにある。変圧器によって相互接続されたこれらの電気システム は、通常は、電圧は異なるが、同一の周波数を有する。電力変圧器は、最も単純 な形態においては、単に２つのタイプの巻線、つまり、一次巻線と二次巻線から 構成されている。そして、その変圧比は固定され、つまり、調整することはでき ない。しかしながら、電気システムを効率的に運転するため、および、より本質 的な事として電気システムの安定性を確保するために、電気システムの間の有効 （active）及び無効（reactive）電力潮流（power flow）を制御可能とする必要 がある。従って、しばしば、一つあるいは複数の調整巻線（regulating winding ）を持つ調整手段が、電力変圧器（power transformer）内、あるいは、電力変 圧 器と直列に接続された別個の調整変圧器（regulating transformer）内に組み込 まれる。これらの調整変圧器は、しばしば、“ブースタ変圧器（booster transf ormers）”と呼ばれる。電気システムに対するフレキシブルな制御を達成するた めには、システム間の有効及び無効電力潮流を互いに独立的に制御できることが 望ましい。これを達成するためには、これらシステムの位相電圧の間の位相シフ トを可変な角度にて制御できる必要がある。 E.Wirth,J-F.Ravotは、論文“Regulation transformers in power systems-ne w concent and applications（電カシステムに用いる調整変圧器−新概念および 応用）”,ABB Review 4/1997,pp.12＝20において、一体化された調整手段を持つ 三相電力変圧器について開示する。この変圧器は、３個の鉄心レッグ（core leg s）を持ち、各レッグは、それぞれ、位相Ｕ、Ｖ、Ｗと対応する。各レッグの回 りには、一次巻線、二次巻線、同相制御巻線（in-phase control winding）、第 一の直交（quadrature）制御巻線、および第二の直交制御巻線が巻き付けられて いる。これらの同相制御巻線、第一の直交制御巻線、および第二の直交制御巻線 は、いずれも調整巻線である。各位相の同相制御巻線は、３個全ての位相に共通 の第一のタップ切替器を介して同一位相の二次巻線に直列に接続される。これに よって、各位相の二次電圧の振幅を調整すること、つまり、変圧器の一次側と二 次側の間の同相調整を達成することが可能となる。これも３個全ての位相に対し て共通の第二のタップ切替器を介して、位相Ｕの一次巻線が位相Ｖの第一の直交 制御巻線と位相Ｗの第二の直交制御巻線に直列に接続される。同様なやり方で、 位相Ｖの一次巻線が、位相ＷおよびＵの直交制御巻線に直列に接続され、位相Ｗ の一次巻線が、位相ＵおよびＶの直交制御巻線に直列に接続される。これら直交 制御巻線と第二のタップ切替器の配列は、こうして直列に接続されたこれら直交 巻線間の電圧が常に一次巻線間の電圧に対して直交するように配列され、こうし て、いわゆる直交調整に対する要件が満たされる。こうして、各位相の一次電圧 の位相角を二次タップ切替器の介して調整することが可能となる。さらに変圧器 の二次側の同相調整を一次側の直交調整と組み合わせることで、各位相に対して 、変圧器間の電圧の位相をシフトし、こうして、変圧器の一次側と二次側の間の 有効及び無効電力潮流を独立に制御することが可能となる。 N.Mohanは、論文“MPTC:An ecomonical alternative to universal power flo w controllers（MPTC:汎用的な電力潮流コントローラに対する経済的な代替）” ,EPE 97 in Trondheim,pp.3.1027＝3.1032において、電力潮流を制御するための もう一つの調整システムを開示する。このシステムは、三相調整変圧器から成り 、この変圧器においては、一次電圧の一部が複数の二次巻線とサイリスタブリッ ジ配列を介して各位相電圧と直列に注入される。こうして、これら複数の二次巻 線が調整巻線として機能する。サイリスタブリッジ内のスイッチを制御すること で、これら複数の二次巻線上の電圧の線形結合を各位相電圧に加えることができ 、こうして、各位相電圧を可変角度だけ位相シフトすることができる。 上述のE.Wirth,J-F.Ravotによる三相変圧器の調整手段は、各相当たり３個、 全体で９個の調整巻線、および２個のタップ切替器から構成され、N.Mohanによ る調整変圧器の調整手段は、各相当たり１個の調整巻線および１個のサイリスタ ブリッジ、全体で、３個の調整巻線および３個のサイリスタブリッジから構成さ れる。このため、調整電圧によっては、調整巻線によって占拠されるスペースが 絶縁の要求に応えるためにかなり大きくなる。 発明の要約 調整巻線が、電力変圧器に組み込まれるか、調整変圧器に組み込まれるかに関 係なく、調整巻線によって占拠されるスペースを低減することは、技術面からも 、経済面からも好ましいことである。従って、本発明の目的は、調整巻線がコン パクトな設計を持つ変圧器を提供することにある。この目的は、本発明による複 数 の調整巻線の少なくとも一つが少なくとも部分的に電界閉じ込め手段（electric field containing means）を施されたフレキシブルな導体から形成される変圧 器によって達成される。 上述のような電界閉じ込め手段を施されたフレキシブルな導体の一例には、配 電に用いられるタイプのフレキシブルなケーブルがある。このタイプのケーブル は、導電性のコア、前記導電性のコアの回りに配置された第一の半導電性の層（ semiconducting layer）、前記第一の半導電性の層の回りに配置された固体絶縁 層、および前記固体絶縁層の回りに配置された第二の半導電性の層を含む。前記 第二の半導電性の層がアースされているという条件下においては、ケーブルは、 ケーブル自身の内側に導電性のコア内を流れる電流により発生する電界を閉じ込 める能力を持つ。こうして、電気ストレスがケーブルの固体絶縁層内に吸収され 、実質的に電界が前記第二の半導電性の層の外側に漏れることはない。このケー ブル内では、これら様々な層が互いにしっかりと張り付けられる。さらに、前記 固体絶縁層と半導電性の層は、ほぼ同一の膨張係数を持つ材料から形成される。 このため、このケーブルは、機械的および熱的なストレスに強く、これらの層が 互いに剥がれ、これら層の間に空洞が形成されるようなことはない。空洞が形成 されないことは、万一、電界ストレスが形成された空洞内のガスの誘電強度を超 えた場合は、空洞内に部分放電が発生するために、非常に重要な特徴である。第 一の半導電性の層と固体絶縁層が互いにしっかりと張り付けられることは、電界 ストレスがケーブルのこの部分で最も大きくなるために、特に重要である。上述 のケーブルと類似するタイプのケーブルが、PCT出願WO-97/45847号およびWO-97/ 45921号において開示されているため、これらについても参照されたい。 以下では、本発明を添付の図面を用いてより詳細に説明する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の原理を解説する本発明の第一の実施例を簡略的に示し； 図２は、本発明による変圧器において用いられるフレキシブルな導体の一例を 示し； 図３は、本発明の第二の実施例を簡略的に示す。 発明の詳細な説明 図１は、本発明の原理を図解する目的で、本発明の第一の実施例による電圧制 御用の電圧調整手段を持つ単相変圧器１１を簡略的に示す。一次巻線１２と二次 巻線１３が変圧器鉄心１４の回りに巻き付けられる。調整手段は、鉄心１４の回 りに巻き付けられた調整巻線１５とタップ切替器１６から構成される。調整巻線 １５は、２つの調整巻線部分１５ａ、１５ｂに分割され、各部分は、タップ切替 器１６に接続される。二次巻線１３は、タップ切替器１６を介して調整手段１５ に直列に接続される。変圧器１１は２つの電気システム、つまり、一次電圧Ｕ_p に対応する電圧レベルを持つシステムと二次電圧Ｕ_sに対応する電圧レベルを持 つシステムとを相互接続する。タップ切替器１６および調整巻線部分１５ａ、１ ５ｂを介して二次電圧Ｕ_sの電圧レベルを離散的に調整することができ、こうし て、変圧比Ｕ_p／Ｕ_sを調整することができる。 従来の変圧器においては、通常、変圧器オイルが、巻線を互いに絶縁するため 、および変圧器鉄心からの絶縁のために用いられる。上述のように、PCT出願WO- 97/45847号においては、一次巻線と二次巻線が電界閉じ込め手段を施されたフレ キシブルな導体から形成される変圧器が開示されている。図２は、WO-97/45847 号において開示されているタイプのケーブルの形態を持つフレキシブルな導体の 一例を示す。ケーブル２１は、少なくとも一つの導体２２を持ち、この導体２２ の回りには、第一の半導電性の層２３が配置され、この第一の半導電性の層２３ の 外側には、ケーブルの主絶縁層が固体絶縁層２４の形態にて配置され、この固体 絶縁層２４の回りには、第二の半導電性の層２５が配置される。この第二の半導 電性の層２５がアースされているという条件下では、ケーブルはケーブル自身の 内側に、導体２２を流れる電流から発生する電界を閉じ込める能力を持つ。こう して、電気的なストレスがケーブルの固定絶縁層２４の内側に閉じ込められ、事 実上、第二の半導電性の層２５の外側に電界が漏れることはない。 電界閉じ込め手段（electric field containing means）を有するフレキシブ ルな導体、例えば、図２に示すタイプの導体が、図１に示す調整変圧器の調整巻 線に用いられる。調整巻線１５のフレキシブルな導体の外側には電界が漏れない ために、調整巻線は電界の分布を考慮する必要なしに形成することができ、こう して、技術的に好ましい設計が達成される。一次巻線１２および二次巻線１３も 、電界閉じ込め手段を施されたフレキシブルな導体から形成され、このため、絶 縁の目的で変圧器オイルを使用する必要がなくなる。加えて、タップ切替器１６ が、例えば、電子あるいは空気絶縁タイプである場合は、変圧器内でのオイルの 使用を完全に回避することができ、このことは、経済面からも、環境面からも好 ましい。 図３は、本発明の第二の実施例としての三相調整変圧器３１を簡略的に示す。 この三相調整変圧器は、変圧器の入力側と出力側との間の位相角調整能力を提供 する電圧調整手段を持つ。変圧器３１は、位相電圧Ｕ_A、Ｕ_B、Ｕ_Cを持つ第一の 電気システムを、位相電圧Ｕ_A、Ｕ_B、Ｕ_Cを持つ第二のシステムに接続する。変 圧器３１は、磁化可能な材料（磁性体）から成る鉄心レッグ３２ａ、３２ｂ、３ ２ｃを含む。各鉄心レッグの上には一次巻線３３と調整巻線３４が巻き付けられ る。通常は、各鉄心レッグの上のこれらの巻線は、一方が他方の外側になるよう に重ねて巻かれる。しかし、図３においては、説明の簡単のために、各鉄心レッ グ上のこれらの巻線は、互いに並べた状態で示される。各鉄心レッグ３２上の一 次巻線３３および調整巻線３４は、電界閉じ込め手段を施されたフレキシブルな 導体３５から形成される。この導体３５には、例えば、図２との関連で説明した タイプのケーブルが用いられる。調整巻線３４は、複数の調整巻線部分に分割さ れる。各調整巻線部分は、調整巻線部分を形成するのと同一のフレキシブルな導 体を介してスイッチングユニット３６に接続される。図３においては、説明の簡 単のために、この接続は、一つの鉄心レッグ３２ｃの調整巻線（部分）３４ｃに ついてのみ示されるが、ただし、他の２つの鉄心レッグ３２ａ、３２ｂの調整巻 線の調整巻線部分３４ａ、３４ｂも、同様なやり方で、スイッチングユニット３ ６に接続される。各調整巻線３４は、適当な数の調整巻線部分に分割される。好 ましくは、各鉄心レッグ上の調整巻線部分は、１：３：９．．．３^N-1なる巻数 比を持つ。これら調整巻線部分は、スイッチングユニット３６内において電子ス イッチシステムに接続される。この電子スイッチシステムを介して、これら調整 巻線部分が適当な組合せにて直列に接続され、所望の位相電圧ｕ_A、ｕ_B、ｕ_Cが 得られる。この構成を用いた場合、位相電圧ｕ_A、ｕ_B、ｕ_Cを、位相電圧Ｕ_A、Ｕ_B 、Ｕ_Cに対して、最大、±６０°まで位相シフトすることができる。一連の位相 シフティング動作を次から次へと遂行することで、位相電圧ｕ_A、ｕ_B、ｕ_Cを、 全体として、３６０°シフトすることができる。位相シフティング動作を連続的 に遂行することで、２つの非同期な、例えば、同一の公称周波数を持つシステム 、あるいは、比較的小さな周波数差を持つシステムを連結することが可能となる 。 各調整巻線３４は、電界閉じ込め手段３５を施されたフレキシブルな導体から 形成され、さらに、各調整巻線内の電流は、これもフレキシブルな導体を用いて スイッチングデバイスに導かれるために、この変圧器の電圧調整手段は、電界の 分布を考慮する必要なく設計することができる。スイッチングユニット３６は、 調整巻線３４と近接してさらには物理的に接触して配置することができる。別の 実現として、スイッチングユニット３６を、調整巻線３４からさらには変圧器の 残りの部分から離して配置し、巻線３４を形成するのと同一のフレキシブルな導 体３５を用いて巻線３４をスイッチングユニット３６に接続することもできる。 一次巻線３３も電気閉じ込め手段を施されたフレキシブルな導体から形成される ために、この調整変圧器はオイルフリーにすることができ、このため、経済面か らも環境面からも好ましい。 上述の説明では電圧調整構成について、本発明による電力／調整変圧器を得る ために巻線に電界閉じ込め手段を施されたフレキシブルな導体をいかに用いられ るかを解説する目的で説明された。しかし、本発明の範囲から逸脱することなく 、電界閉じ込め手段を施されたフレキシブルな導体を用いる電圧調整手段を用い る他の電力／調整変圧器構成を実現することも可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 マッツ、レイヨン スウェーデン国ベステロウス、ハイブラー ガタン、５ (72)発明者 クリスチャン、サセ スウェーデン国ベステロウス、ドロットニ ングガタン、４ビー (72)発明者 ソーステン、シュッテ スウェーデン国ベステロウス、バンガタ ン、５ビー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも一つの調整巻線（１５、３４）を含む電圧調整手段を持つ変 圧器であって、前記調整巻線（１５、３４）のいずれかは、少なくとも一部に電 界閉じ込め手段を有するフレキシブルな導体（３５）を含むことを特徴とする変 圧器。 ２． 前記フレキシブルな導体（３５）はケーブル（２１）から成り、前記ケ ーブル（２１）は、導体（２２）、前記導体（２２）の回りに設けられ半導電性 の特性を持つ第一の層（２３）、前記第一の層（２３）の回りに設けられた固体 絶縁層（２４）および前記固体絶縁層（２４）の回りに設けられ半導電性の特性 を持つ第二の絶縁層（２５）を含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の電圧 調整手段を持つ変圧器。 ３． 前記電圧調整手段は位相シフティング能力を提供することを特徴とする 請求の範囲１または２に記載の電圧調整手段を持つ変圧器。 ４． 前記変圧器は電子タップ切替器を有することを特徴とする請求の範囲１ から３のいずれかに記載の電圧調整手段を持つ変圧器。 ５． 前記変圧器はメカニカル空気絶縁タップ切替器を有することを特徴とす る請求の範囲１から３のいずれかに記載の電圧調整手段を持つ変圧器。 ６． 前記変圧器はオイルが用いられていないことを特徴とする請求の範囲１ から５のいずれかに記載の電圧調整手段を持つ変圧器。 ７． 前記位相シフティングの範囲は３６０°に及ぶことを特徴とする請求の 範囲３に記載の電圧調整手段を持つ変圧器。 ８． 前記変圧器は同一の公称周波数を持つ２つの非同期な電気システムを接 続することを特徴とする請求の範囲７に記載の電圧調整手段を持つ変圧器。 ９． 前記変圧器は異なる公称周波数を持つ２つの電気システムを接続するこ とを特徴とする請求の範囲７に記載の電圧調整手段を持つ変圧器。