JP2001509959A - 変圧器の軸方向空気冷却 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高電圧ケーブルが巻き付けられている変圧器鉄心を含む電力変圧器（１）であって、上記高電圧ケーブルが、複数のストランド部分（１１２）を有する心線と、上記心線の周囲を囲んでいる内側半導電層（１１３）と、上記内側半導電層（１１３）の周囲を囲んでいる絶縁層（１１４）と、上記絶縁層（１１４）の周囲を囲んでいる外側半導電層（１１５）とによって構成されており、上記巻線が、軸方向円筒形冷却ダクト（３）を形成するように、半径方向に各ケーブル巻輪を分離させるために上記巻線内に配置されているスペーサ（４、１２）を備えている電力変圧器。

Description

【発明の詳細な説明】 変圧器の軸方向空気冷却 技術分野 本発明は、空気冷却式導体巻付け形電力変圧器(conductor-wound power trans former)、及び導体巻付け形電力変圧器を空気冷却する方法とに関する。 背景技術 現代の電力変圧器は、一般的に油冷である。継鉄部によって接合された幾つか の鉄心脚部から成る鉄心と、巻線（一次巻線、二次巻線、制御巻線）とが、油で 満たされている密閉容器の中に浸されている。コイルと鉄心の中で発生した熱が 、コイルと鉄心とを通して内部を循環する油によって除去される。油は循環して 外部ユニットに出て、そこで冷却される。油の循環は、油がポンプによって循環 させられる強制循環であってもよく、または、油内の温度差によって生じる自然 循環であってもよい。循環する油は、空気冷却または水冷のための装置によって 外部から冷却される。外部空気冷却は、強制冷却であっても、自然対流による冷 却であってもよい。さらに、油は熱の搬送体としての役割に加えて、高電圧のた めの油冷変圧器における絶縁機能を有する。 乾式変圧器は一般的に空冷式である。乾式変圧器は現在では低電力負荷で使用 されるので、こうした乾式変圧器は一般的に自然対流によって冷却される。この 技術は、英国特許第１，１４７，０４９号に記載されているようなひだ付き巻線 によって形成される軸方向冷却ダクト、欧州特許第８３１０７４１０．９号に記 載されている ような注型用樹脂内に埋め込まれた巻線を冷却するための軸方向ダクト、および 、スウェーデン特許第７３０３９１９−０号に記載されているようなピーク負荷 における逆流送風機の使用に関連する。 導体巻付け形電力変圧器に場合には、冷却要件がより大きい。巻線全てにおい て冷却要件を満たすためには、強制対流が必要である。自然対流は導体巻線を冷 却するためには不十分である。冷却材に対する熱の伝達経路が短いことと、熱が 冷却材に効率的に伝達されることとが重要である。したがって、巻線全てが十分 な量の冷却材と直接的に接触していることが重要である。 半導電性熱分解グラスファイバの内側層と外側層とに絶縁体に設けられている 導体が米国特許第５，０３６，１６５号から知られている。例えば米国特許第５ ，０６６，８８１号に記載されているように、絶縁体を発電機内の導体に備える ことも公知であり、この場合には半導電性熱分解グラスファイバ層が上記導体を 形成する２つの平行な棒と接触しており、固定子スロット内の絶縁体が、半導電 性熱分解グラスファイバの外側層によって囲まれている。この熱分解グラスファ イバ材料は、含浸処理後でさえその固有抵抗を保持するので、適切であると記述 されている。 本発明の目的 本発明の目的は、本請求範囲による装置を提供することであり、すなわち、上 記説明に示されているタイプの高電圧導体を含むケーブル巻付け形電力変圧器の 空気冷却を可能にする、上記導入部で説明されているタイプの装置を提供するこ とである。第１の実施形態では、本発明は様々な巻線の冷却要件を満たすため、 冷却材が適正に分配される巻線内の巻線の各巻輪の間に軸方向円筒形ダクトを形 成することを目的とする。この円筒形ダクトは、コイルを巻き付け る間にスペーサを挿入することによって形成される。冷却材の流れが送風機によ って得られ、上記スペーサが個々の巻線の冷却要件を満たす、上記ダクト内を通 過する流れを与えるための寸法にされる。 本発明の要約 本発明は、軸方向円筒形ダクトを形成するために、巻線内において各々のケー ブル巻輪を半径方向に分離させるスペーサを巻線が備えるように構成された、ケ ーブルが巻き付けられている変圧器鉄心を含む電力変圧器に関する。 したがって、本発明の第１の実施形態は、重ね合わされて配置されている各々 の巻線の輪の間の軸方向円筒形冷却ダクトを含み、このダクトは、コイルを巻き 付ける間に挿入されるスペーサによって形成されている。円筒形ダクトは、鉄心 の脚部と、鉄心に最も近いケーブルの第１の層との間にも配置されている。この 実施形態は、さらに、軸方向円筒形ダクトの中を通して空気を搬送するための送 風機も含む。冷却要求が巻線毎に異っているので、個々の軸方向ダクトにおける 冷却要求を冷却材の流れが満たすように、このダクト内のスペーサは、可変的な 抵抗を与えて冷却材の流れを分散させるような寸法にされている。「空気」が冷 却材として取り上げられているが、他の気体冷却材、例えば、ヘリウム気体冷却 材も適している。 本発明による電力変圧器では、巻線が、例えばＸＬＰＥケーブルまたはＥＰＲ 絶縁体付きケーブルのような、配電のために現在使用されているタイプの固体押 出絶縁体を有するケーブルで構成されている。こうしたケーブルは、１つ以上の ストランド部分で構成されている内側導体と、この導体の周囲を囲む内側半導電 層と、この周 囲を囲む固体絶縁層と、この絶縁層の周囲を囲む外側半導電層とを含む。こうし たケーブルは可撓性であり、本発明による装置のための技術が、主として、アセ ンブリ中に曲げられるケーブルから巻線が形成されている巻線システムに基づい ているので、この可撓性は本発明において重要な特性である。ＸＬＰＥケーブル の可撓性は、一般的に、直径３０ｍｍのケーブルの場合には約２０ｃｍの曲率半 径に相当し、直径８０ｍｍのケーブルの場合には約６５ｃｍの曲率半径に相当す る。本出願においては、術語「可撓性である」は、ケーブル直径の４倍の大きさ 、好ましくはケーブル直径の８倍から１２倍の大きさの曲率半径に巻線が撓むこ とが可能であるということを表すために使用されている。 本発明における巻線は、この巻線が曲げられる時と、動作中に熱応力をこの巻 線が受ける時でさえ、その特性を保持するように構成されている。この関連にお いて、上記の各層が互いの接着を維持することが重要である。上記層の物理的特 性がここでは決定的に重要であり、特に、上記層の弾性と相対的な熱膨張係数と が特に重要である。ＸＰＬＥケーブルでは、例えば、上記絶縁層が架橋低密度ポ リエチレンから成り、上記半導電性層が、すすと金属粒子とが混入されたポリエ チレンから成る。温度変動の結果としての体積の変化が、ケーブル内における半 径の変化として完全に吸収され、一方、これらの材料の弾性に対して上記層の各 々の熱膨張係数の間に比較的僅かな差しかないので、上記各層の間の接着が失わ れることなしに半径方向膨張が生じることが可能である。 上記の材料組合せは単なる一例である。上記で特定した条件と、さらに、半導 電性であるという条件、すなわち、１０^-1−１０⁶Ωｃｍ、例えば、１−５００ Ωｃｍ、または、１０−２００Ωｃｍの範囲内での固有抵抗を有するという条件 とを満たす他の材料組合せ も、当然のことながら本発明の範囲内に含まれている。 上記絶縁層は、例えば、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレ ン（ＨＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン（ＰＢ）およびポリメ チルペンテン（ＰＭＰ）のような固体熱可塑性材料、架橋ポリエチレン（ＸＬＰ Ｅ）のような架橋材料、または、エチレンプロピレンゴム（ＥＲＰ）もしくはシ リコーンゴムのようなゴムから成ることが可能である。 上記内側半導電性層と上記外側半導電性層が、例えばすすや金属粉末が混入さ れているような導電性材料粒子を含む同一の基礎材料であることが可能である。 これらの材料の機械的特性、特に、これらの材料の熱膨張係数は、少なくとも 本発明によって必要である導電性を得るために必要とされる割合で、すすまたは 金属粉末が混入されているか否かによっては比較的僅かしか影響されない。した がって、上記絶縁層と上記半導電性層は実質的に同じ熱膨張係数を有する。 エチレン酢酸ビニルコポリマー／ニトリルゴム、ブチルグラフトポリエチレン 、エチレンアクリル酸ブチルコポリマー、および、エチレンアクリル酸エチルコ ポリマーも、上記半導性層に適したポリマーを構成することが可能である。様々 なタイプの材料が上記の個々の層のベースとして使用される場合でさえ、これら の材料の熱膨張率が実質的に同一であることが望ましい。このことは、上記の材 料の組合せにも当てはまる。 上記材料は、比較的優れた弾性を有し、すなわち、Ｅ＜５００ＭＰａ、好まし くはＥ＜２００ＭＰａの弾性係数を有する。この弾性は、上記各層の材料の熱膨 張係数の間の僅かな差がいずれも弾性の半径方向に吸収されるのに十分なもので あり、したがって、亀裂や他の損傷が出現せず、かつ、上記層の各々は互いに分 離されること がない。上記各層の材料は弾性があり、これらの層の間の接着が、少なくとも、 これらの層の材料の中の最も脆弱な材料と同じ大きさである。 上記の２つの半導電性層の電気伝導度は、各層に沿った電位を実質的に等化す るのに十分な大きさである。上記外側半導電性層の電気伝導度は、ケーブル内に 電場を収容するのに十分なだけ大きいが、その層の縦方向に誘導される電流に起 因する大きな損失を生じさせることはないように十分に小さい。 したがって、上記２つの半導電性層の各々が本質的に１つの等電位表面を構成 し、これらの層は、その層の間に電場を実質的に封じ込めるだろう。当然のこと ながら、上記絶縁層内に１つ以上の追加の半導電性層が配置されることを妨げる ものはない。 図面の簡単な説明 以下に、添付図面を参照してさらに詳細に本発明を説明する。 図１は、本発明による電力変圧器の実施形態の１つを斜視図の形で示す。 図２ａは、本発明による第１の実施形態における、冷却ダクト、スペーサ、及 び外側カバーを有する巻線の上面図を示す。 図２ｂは、コイル当たり１つの送風機が備えられている図２ａの実施形態の側 面図を示す。 図３は、巻線の間に軸方向ダクトを有する、図１の実施形態によるコイルの断 面図を示す。 図４は、本発明による高電圧ケーブルの断面図を示す。 本発明の説明 図１は、３つの巻線コイル２を有し、各巻線は軸方向同心冷却ダ クト３を形成するように軸方向スペーサ４によって半径方向に分離している巻線 輪の形に配置されている幾つかの巻線を有する、電力変圧器１に関する本発明の 実施形態を示す。この変圧器には、従来通りに鉄心が備えられている。 図２ａは、巻線の半径方向に配置された巻輪の各々の間に配置され、軸方向に 延びるスペーサ４によって形成されている冷却ダクト３を有するコイルを構成す る巻線２が備えられている三相電力変圧器１の上面図を示す。この図に示されて いる実施形態におけるスペーサ４の配置は、同心冷却ダクト３の各々に６つのス ペーサが得られるような配置である。冷却の観点から、スペーサの形状と材料は あまり重要ではない。変圧器の機械的、磁気的、及び電気的観点とが、スペーサ の形状と個数と材料とを決定する。さらに、この図は、その鉄心の一部を形成す る変圧器継鉄部５も示している。この継鉄部は、その縦方向の冷却管６が断面の 形で示されている。各巻線コイルは、さらに、冷却空気がその内側を流れるよう に構成されている送風機ダクト７によって周囲を囲まれている。冷却要件が巻線 毎に異っており、このことは、同心ダクト内の冷却流が異っていることを意味し ている。冷却材の適正な分配を実現するため、ダクト内に異った抵抗を与え、ダ クトの必要に応じて冷却流を分配するように、ダクトは様々な半径方向寸法を有 する。したがって、冷却要件が低いダクトは、より高い冷却要件を有し、したが ってより大きな半径方向寸法を有するダクトよりも小さい半径方向距離を有する 。上記実施形態で説明されているケーブル巻付け形変圧器では、鉄心に最も近い 巻線である低電圧巻線の間の間隔は、高電圧巻線の間の間隔よりも大きい。 図２ｂは、対応する巻線と、鉄心を形成する３つの脚部８と一体になった対応 する継鉄部５とを備えた図２ａの電力変圧器の側面図 を示している。送風機ダクト７がコイルの一方の端部に位置しており、少なくと も１つの送風機１０がその中に装着されている送風機カウル（ｃｏｗｌ）９を形 成する。この図の実施形態は、軸方向円筒形冷却ダクト３内に空気流を発生させ るため、その個々のコイルに対して閉じられている３つの送風機を示している。 空気の半径方向の漏洩を防止しかつ空気を上記コイル内で軸方向に案内するため 、上記コイルが外側円筒形ケーシング１１内に収容されている。最外ケーブル巻 線の周囲のケーシング１１は、その最外ケーブル巻線の外側部分の冷却のための 外側ダクトを形成する。この実施形態では、各コイル毎に送風機が取り付けられ ていることも明らかである。各送風機１０によって、空気がコイルから抜き出さ れるかまたはコイルを強制的に通過させることが可能である。送風機１０に対し て反対側のコイル側の送風機ダクト７は、送風機の吸引作用または加圧作用に応 じて空気流が出入りするように完全に開かれている。送風機側の送風機ダクト７ には、対応する作用を有する開口が備えられている。 図３は、各半径方向巻線２の間に軸方向円筒形冷却ダクト３を有するコイルの 断面を示している。さらに、鉄心の脚部８と鉄心に最も近い巻線との間に軸方向 冷却ダクトを形成するように、スペーサが配置されている。冷却ダクトは、巻線 の間に配置されているスペーサによって形成されている（図２ａを参照されたい ）。スペーサが円形断面の周囲に配置されており、軸方向に延びている。スペー サが巻線の巻輪の間に配置されており、一方、コイルは巻かれている。この図の 矢印は、コイルの巻線の中を通過する空気流を示している。空気は、吸引作用ま たは加圧作用に応じて両方向に流れることが可能である。 図４は、本発明による変圧器巻線として使用するための高電圧ケ ーブル１１１の横断面図を示す。高電圧ケーブル１１１は、例えば円形の横断面 を有する、多数の銅（Ｃｕ）のストランド１１２を含む。これらのストランド１ １２は、高電圧ケーブル１１１の中央部に配置されている。ストランド１１２の 周囲には、第１の半導電層１１３が配置されている。この第１の半導電層１１３ の周囲には、例えばＸＬＰＥ絶縁体の絶縁層１１４が配置されている。絶縁層１ １４の周囲には、第２の半導電層１１５が配置されている。したがって、本出願 における概念の「高電圧ケーブル」は、こうした配電用ケーブルの周囲を囲むこ とが普通である外側シースを含まない。この高電圧ケーブルは、２０−２５０ｍ ｍの範囲内の直径と、４０−３０００ｍｍ²の範囲内の導電面積とを有する。 本発明は、上記実施形態には限定されない。本発明の範囲内で幾つかの変更が 加えることが可能である。例えば、送風機が各々のコイルに備えられることは必 ずしも必要ではない。１つの送風機が十分な空気を３つのコイル全てに供給する 構成が実現可能である。所要の冷却を得るために、空気をコイルの中を通過する 形で吸引しまたは押し出すことが可能である。同様に、スペーサの個数と形状は 固定されているわけではなく、かつ、幾つかの異なったスペーサの変型が適正な 冷却を得るために使用することが可能である。上記の第１の実施形態のスペーサ は軸方向に端から端まで全体に延びている必要はなく、様々な形で配置されるこ とが可能である。 別の変型は、変圧器の負荷に応じて様々な冷却要求を満たすことを可能にする ように、温度センサによって送風機の速度の制御を行うことである。 上記ケーシングは、さらに、上記実施形態で示したケーシングとは異った様々 な形に構成することも可能である。最外ケーブル巻線が外側ケーシングとして使 用することが可能であり、自然対流によ って外側を冷却することが可能である。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．変圧器鉄心を含む電力変圧器（１）において、前記鉄心がケーブルで巻か れており、前記ケーブルが、複数のストランド部分（１１２）を有する心線と、 前記心線の周囲を囲んでいる内側半導電層（１１３）と、前記内側半導電層（１ １３）の周囲を囲んでいる絶縁層（１１４）と、前記絶縁層（１１４）の周囲を 囲んでいる外側半導電層（１１５）とによって構成されている高電圧ケーブル（ １１１）であり、前記巻線が、軸方向円筒形冷却ダクト（３）を形成するように 、前記巻線内において半径方向に各ケーブル巻輪を分離させるために配置されて いるスペーサ（４、１２）を備えていることとを特徴とする電力変圧器。 ２．前記スペーサ（４、１２）が前記巻線の各巻輪の間に軸方向に配置されて いることを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。 ３．少なくとも６つの前記スペーサ（４）が前記変圧器の脚部（８）の周囲に 均等に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変圧器。 ４．前記変圧器の巻線は、該巻線の最外巻輪の一方の端部を封止する送風機カ ウル（９）を備えており、かつ、前記変圧器鉄心（８）に対して軸方向に、空気 のような気体を前記巻線の全ての巻輪の中を強制的に通過させるか、または、空 気のような気体を前記巻線の全ての巻輪の中から抜き出すために、送風機（１０ ）が前記送風機カウルに接続配置されていることを特徴とする請求項１から３の いずれか１項に記載の電力変圧器。 ５．前記高電圧ケーブル（１１１）が、２０−２５０ｍｍの範囲内の直径と、 ４０−３０００ｍｍ²の範囲内の導電面積とを有することを特徴とする請求項１ から４のいずれか１項に記載の電力変圧 器。 ６．前記ケーブル（１１１）が可撓性であり、かつ、前記層が互いに接触して いることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変圧器。 ７．前記層は、動作中の温度変動によって引き起こされる前記層における体積 変化がその材料の弾性によって吸収されるような弾性と熱膨張係数とを有する材 料で作られており、したがって、前記層が、動作中に起こる温度変動時に互いの 接着を保持することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変 圧器。 ８．前記層の前記材料が高い弾性を有しており、好ましくは５００ＭＰａより 小さい、好ましくは２００ＭＰａより小さい弾性係数を有する請求項１から７の いずれか１項に記載の電力変圧器。 ９．前記層の前記材料の熱膨張係数が実質的に同一であることを特徴とする請 求項１から８のいずれか１項に記載の電力変圧器。 １０．前記層の間の接着が、前記材料の中の最も脆弱な材料における接着と少 なくとも同じ大きさであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記 載の電力変圧器。 １１．前記半導電層の各々が実質的に１つの等電位表面を構成することを特徴 とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の電力変圧器。 １２．少なくとも１つの送風機（１０）が、前記変圧器鉄心の前記脚部（８） の表面に沿って前記巻線の各巻輪の間を通して軸方向に空気を強制的に通過させ または引き抜くことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のケー ブル巻付け形電力変圧器を空気冷却するための方法。 １３．前記スペーサ（４）が前記変圧器の巻線作業中に前記巻線の巻輪の間に 挿入されることを特徴とする請求項１２に記載の方法 。 １４．適切な空気流を生じさせるために温度センサが前記送風機の速度を制御 することを特徴とする請求項１３に記載の方法。