JP2001509960A

JP2001509960A - 変圧器内の水平空冷

Info

Publication number: JP2001509960A
Application number: JP53279898A
Authority: JP
Inventors: キランデール，グンナール; レイヨン，マッツ
Original assignee: アーベーベーアクティエボラーグ
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2001-07-24
Also published as: SE9704415D0; EP1016099A1; AU5890798A; WO1998034239A1

Abstract

(57)【要約】高圧ケーブル（１１１）が巻付けられた変圧器鉄心を含む電源変圧器において、ケーブルが、内部半導電層（１１３）、この内部半導電層（１１３）をとり囲み固体材料からなる絶縁層（１１４）および絶縁層をとり囲む外部半導電層（１１５）によりとり囲まれている導電性心線を含んでなり、これらの層（１１３，１１４，１１５）は、互いに接着されており、また巻線には、ディスク形の冷却用ダクトを作り上げるべくこの巻線内で軸方向に各ケーブルの巻きを分離するように配置されたスペーサ（３）が具備されており、前記巻線には、変圧器鉄心の脚（２）に対して直角方向に巻線の全ての巻きを通して空気を強制送風するかまたは吸込むかのいずれかのために配置された少なくとも１つのファン（７）が具備されている、電源変圧器。

Description

【発明の詳細な説明】変圧器内の水平空冷技術分野本発明は、空冷式導線巻線型電源変圧器、及び導線巻線型電源変圧器を空気冷却する方法に関する。背景技術近代的電源変圧器は、通常油冷却されている。継鉄により接合されたある数の鉄心脚から成る鉄心及び（一次、二次、制御）巻線は、油が満たされた密閉された容器の中に浸漬されている。コイル及び鉄心中で生成された熱は、コイルと鉄心を通って内部を循環する油によって除去される。循環油は、外部ユニットまで搬送され、そこで冷却される。油循環は、油が周回するように圧送されている強制循環であってもよいし、或いは又、油中の温度差により作り出される自然循環であってもよい。循環油は、空冷又は水冷用の装置により外部で冷却される。外部空冷は、強制式であってもよいし、或いは又自然対流によるものであってもよい。熱搬送体としての役目の他に、油は同様に高圧用油冷式変圧器において絶縁機能も有している。乾式変圧器は、通常空冷される。今日の乾式変圧器は、低電力負荷で使用されることから、これらの変圧器は通常自然対流を通して冷却される。当該技術は、ＧＢ１，１４７，０４９に記述されているようなひだ付き巻線を用いて製造された軸方向冷却ダクト、ＥＰ８３１０７４１０．９に記述されているような注型樹脂の中に埋込まれた巻線を冷却するための軸方向ダクト、およびＳＥ７３０３９１９．０に記述されているようなピーク負荷での十字流（ｃｒｏｓｓ−ｃｕｒｒｅｎｔ）ファンの使用に関係する。冷却の必要性は、導線巻線型電源変圧器の場合の方が大きい。全巻線内での冷却要求を満たすには、強制対流が必要である。導線巻線を冷却するためには、自然対流では不充分である。冷却材への熱の輸送経路が短いことが重要であり、またこの熱が冷却材まで効率良く伝達されることが大切である。従って、全ての巻線が、充分な量の冷却材と直接接触していることが重要である。半導電熱分解グラスファイバの内部および外部層によって絶縁が提供されている導線がＵＳ５０３６１６５から知られている。同様に、例えば、半導電熱分解グラスファイバ層が、導線を形成する２本の平行なロッドと接触し、固定子スロット内の絶縁体が半導電熱分解グラスファイバの外部層によって取り囲まれているＵＳ５０６６８８１に記されているように、動力電気機械内の導線にかかる絶縁体を具備することも知られている。熱分解グラスファイバは、含浸処理の後でさえその抵抗率を保持することから適切なものとして記述されている。発明の目的本発明の目的は、請求の範囲に従った装置すなわち、本明細書で紹介されているタイプの高圧ケーブルを含むケーブル巻線型電源変圧器の空冷を可能にするような、序文で記述されたタイプの装置を提供することにある。本発明は、ケーブル層の冷却要求を満たすため適正に冷却材が分配されるケーブルの各層間の水平冷却用ダクトを製造することを目的としている。鉄心および巻線は、巻線内の水平ダクトを通して半径方向に流れる冷却空気によって冷却される。空気は、水平ダクトの高さを変化させることにより、その冷却要求に従ってダクト内で分配される。発明の要約本発明は、冷却用ダクトを形成するように巻線内で軸方向に各々のケーブルの巻きを分離するスペーサが巻線に具備されるような形で配置された、ケーブル巻線型変圧器鉄心を含む電源変圧器に関する。かくして本発明は、図示された実施形態に見ることができるように、コイルの巻線中にさまざまな方法で配置されたスペーサを用いて作り出された半径方向のディスク状の冷却用ダクトを各ケーブル層の間すなわち軸方向の巻線の各巻きの間に含んでなる。実施形態はまた、ダクトを通して空気を輸送するための水平に作用するファンをも含んでなる。冷却材「空気」がヘリウムガスといったようなその他の気体冷却材であってもよいということを理解すべきである。本発明に基づく電源変圧器においては、巻線は、ＸＬＰＥケーブルまたはＥＰＲ絶縁体付きケーブルといったような、現在配電用に用いられているタイプの固体の押出し成形絶縁体をもつケーブルで構成されている。かかるケーブルは、単数または複数のより線部からなる内部導線、この導線をとり囲む内部半導電層、これをとり囲む固体絶縁層およびこの絶縁層をとり囲む外部半導電層を含んでなる。このようなケーブルは可とう性を有し、この可とう性は、本発明に基づくデバイスのための技術が、組立て中に湾曲されるケーブルにより巻線が形成される巻線システムに主として基づくものであることから、この状況下で重要な１つの特性である。ＸＬＰＥケーブルの可とう性は通常、直径３０mmのケーブルについては約２０cmの曲率半径、および直径８０mmのケーブルについては約６５cmの曲率半径に対応する。本願においては、「可とう性」という語は、およそケーブル直径の４倍、好ましくはケーブル直径の８〜１２倍の曲率半径までの可とう性を巻線がもつ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、それらが湾曲されたときおよびそれらが作動中に熱応力を受けたときでさえその特性を保持するように構成されている。この状況下で、各層が互いに対する付着力を保持することがきわめて重要である。層の材料特性、特にその弾性および相対的熱膨張率がここでは決定的要因である。例えば、ＸＬＰＥケーブルにおいて、絶縁層は、架橋低密度ポリエチレンからなり、半導電層は、すす及び金属粒子が内部に混合されたポリエチレンからなる。温度変動の結果としての体積変化は、ケーブル内の半径の変化として完全に吸収され、これらの材料の弾性との関係において層内の熱膨張率間の差異が比較的わずかであることから、半径方向の膨張は、層間の付着力を失なうことなく発生しうる。上述の材料組合せは、単なる一例としてみなされるべきものである。特定された条件と共に半導電であること、すなわち１０^-1〜１０⁶ohm−cm，例えば１〜５００ohm−cmまたは１０〜２００ohm−cmの範囲内の抵抗率をもつことという条件をも満たすその他の組合せも当然、本発明の範囲内に入る。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）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）といった固体熱可塑性材料、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）といった架橋材料または、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）またはシリコンゴムといったゴムで構成されていてよい。内部および外部半導電層は、同じベース材料でできていてよいが、すすまたは金属粉末といった導電性材料の粒子が内部に混合されている。これらの材料の機械的特性、特にその熱膨張率は、少なくとも本発明に基づいて必要な導電性を達成するの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比較的影響を受けない。かくして、絶縁層および半導電層は、実質的に同じ熱膨張率を有する。エチレン酢酸ビニル共重合体/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共重合体及びエチレンアクリル酸エチル共重合体もまた、半導電層のための適切な重合体を構成する。種々の層の中でベースとして異なるタイプの材料が使用される場合でさえも、それらの熱膨張率が実質的に同じであることが望ましい。このことは、上で列挙した材料の組合せの場合にあてはまる。以上に列挙した材料は、Ｅ係数がＥ＜５００Ｍｐａ好ましくはＥ＜２００Ｍｐａの比較的優れた弾性を有する。この弾性は、層中の材料についての熱膨張率の間のわずかな差でも弾性の半径方向に吸収されいかなるひびわれやその他の損傷も現れず層が互いから剥離しないようにするために充分なものである。層中の材料は弾性をもち、層間の付着力は少なくともそのうち最も弱い材料と同じ大きさのものである。２つの半導電層の導電率は、各層に沿って電位を実質的に均等にするのに充分なものである。外部半導電層の導電率は、ケーブル内に電界を内含させるのに充分大きいものの、層の長手方向に誘導された電流に起因する有意な損失を発生させないよう充分小さいものである。かくして、２つの半導電層の各々は基本的に１つの等電位表面を構成し、これらの層は実質的にその層間に電界を封じ込めることになる。当然のことながら、絶縁層内に単数または複数の付加的な半導電層を配置させることを妨げるものではない。図面の簡単な説明本発明についてここで、添付図面を参照しながらさらに詳細に記述する。図１ａは、ケーブル層間の水平ダクトを示す、本発明に基づく第１の実施形態における巻線コイルの斜視図である。図１ｂは、図１に対応するもので鉄心を含む図を示す。図２ａは、スペーサがそれに対し直角に流れる空気のための水平ダクトを構成している状態の、図１に基づく第１の実施形態の上から見た図である。図２ｂは、スペーサが流れの方向に対し平行に方向づけされている、図２ａに対応する第２の実施形態を示す。図２ｃは、４つの半径方向スペーサがダクトを形成している本発明の第３の実施形態の上から見た図を示し、ここで矢印は空気流の方向を表わしている。図２ｄは、ダクトを形成する８つの半径方向スペーサを有する本発明の第４の実施形態の上から見た図を示す。図３は、本発明に基づくファン配置を伴う、図２ｃに従った実施形態の半径方向断面を概略的に示す。図４は、本発明に基づく巻線コイルの中で用いられる高圧ケーブルを通る断面図を示す。発明の説明図１ａは、ケーブルと共に配置された巻線コイル１を示す。ケーブルはディスク巻線の形に巻付けられ、各々の新しい巻きは先行する巻付け層の半径方向外側に巻付けられる。巻線コイル１は、スペーサ３が各巻きの間に挿入された状態で巻付けられる。スペーサは、ケーブルの外部表面と突き合わさるように整形されたブロック３０の形をしている。これに対応する要領で、図１ｂは、変圧器鉄心の脚２の形で成層鉄心のまわりに配置された、ケーブル巻線コイル１を伴う変圧器の一部を示す。巻線コイル１は、巻線の各巻きの間に挿入された上述のとおりのスペーサ３と共に巻付けられている。図２は、４つの異なる形で設けられた、ビーム形スペーサである異なるタイプのスペーサが具備された巻線を示す。図２ａ〜ｄを見れば明らかであるように、スペーサは、空気流によって巻線コイルを通した水平冷却を可能にするべく、ディスク形の巻線の巻きの間に空間を得るように複数の異なる方法で配置することができる。図２ａは、スペーサ３が流れ方向に対し直角な方向で各々の巻線の巻きの間に設けられている、図１中に示されたものに対応する第１の実施形態を示す。スペーサは、図の中央にあるもののように、１つのスペーサを直径方向に、および/ 又は鉄心の各々の側の２つのスペーサのように各々の巻線の巻きの間で巻線を通る少なくとも１つの弦として配置されている。スペーサは、流れの方向に対し直角に方向づけされている。空気流は図中で矢印により表わされており直立した巻線コイルの場合には水平でスペーサに対して直角方向である。図２ｂは、図２ａのものと実質的に同一であるが、スペーサが代わって流れ方向に対し平行に方向づけされている、第２の実施形態を示す。空気流は、図中矢印で表されており、この実施形態においては、スペーサと実質的に平行である。図２ｃは、巻線の各々の巻きの間の鉄心から半径方向外向きに設置されたスペーサ３を有する第３の実施形態を示す。この実施形態は、変圧器鉄心の脚２のまわりに均等分布した少なくとも４つのスペーサ３が配置されている。この実施形態においては、同様に、空気流は、図中矢印により表されており、鉄心に対し垂直で、スペーサのうちの２つに対し平行で、かつその他２つのスペーサに対して直角に方向づけされている。図２ｄは、巻線の各々の巻きの間の鉄心から半径方向外向きに設置されたスペーサ３が具備された第４の実施形態を示す。この実施形態では、変圧器鉄心の脚２のまわりに８つのスペーサ３が均等分布させられている。この実施形態においても同様に、空気流は、図中矢印で表され、鉄心に向かって内部に直角方向に、スペーサのうちの２つと平行に、スペーサのもう２つと直角に、そして残りの４つのスペーサに対し部分的に平行に導かれる。空気流は、図２ｃと同じであるが、さらに４つのスペーサのまわりにある。図３は、以上で示したスペーサを用いて冷却用ダクトが具備されているコイルを構成する巻線１の備わった３相電源変圧器の一部分を上から見た図である。冷却という面からすると、スペーサの形状および材料は、あまり意味をもたない。変圧器の機械的、磁気的および電気的な面から、スペーサの形状、数および材料が決定される。この図は同様に、変圧器の鉄心の一部をなすその継鉄５を示している。継鉄５は、断面で示され、変圧器鉄心の脚２に対応する層構造が備わっている。各々の巻線コイルはまた、冷却用空気が内側を流れるようになっているファンカウル（ｆａｎｃｏｗｌ）６によってとり囲まれている。ファンカウル６の一方の側で、巻線１には、それを通して冷却用空気を強制送風するかまたは吸込むように配置されたファン７が具備されている。ファンと反対の側では、ファンカウル６には、数多くのやり方で整形されうるものの好ましくは巻線コイルの長さ全体に沿って延びる開口部８が備わっている。この開口部８の幅は０．１φ〜０．６φであり、ここでφは、コイルの外径である。冷却要求は、巻線の巻き毎について異なり、このことはすなわち、水平ダクト内の冷却材の流れが異なることを意味している。冷却材の流れの適正な分配を達成するために、ダクトは、その中に異なる抵抗を与えかくしてダクトのニーズに応じて流れを分配するべく、軸方向に異なる寸法をもつ。わずかな冷却要求しかないダクトは、かくして、より大きな冷却要求をもつダクトに比べ小さい軸方向延長部分をもつ。矢印は、巻線コイルを通して空気を強制送風するファン７により実施される、図中の冷却用空気の流れを示す。ファンカウル６は、鉄心の脚に沿って軸方向に冷却用空気が流出できるように、巻線の最も外側の巻きに対し密封するよう内側に湾曲するかまたは図３に破線で示されているエンドプレート９に対しコイルの両端で、密封するように配置されている。図３の実施形態は、１つの巻線コイルあたり１つのファンを有する。図４は、本発明に基づく変圧器巻線として使用するための高圧ケーブル１１１の断面図を示す。高圧ケーブル１１１は、何本かの例えば円形断面をもつ銅（Ｃｕ）のより線１１２からなる。これらのより線１１２は高圧ケーブル１１１の中央に配置されている。より線１１２のまわりには第１の半導電層１１３がある。第１の半導電層１１３のまわりには、例えばＸＬＰＥ絶縁体といった絶縁層１１４がある。絶縁層１１４のまわりには、第２の半導電層１１５がある。かくして、本願中の「高圧ケーブル」という概念は、配電のためかかるケーブルを通常とり囲んでいる外部被覆を含んでいない。この高圧ケーブルは、２０〜２５０mmの範囲内の直径および４０〜３０００mm² の範囲内の導電性部域を有する。本発明は、図示された例に制限されるわけではない。本発明の範囲内でいくつかの修正が実施できる。例えば、各コイルについて１基のファンは必要でない。３つのコイル全てに充分な空気を供給する１基のファンを有する構成も実現可能である。同じく上述した通り、空気は、望ましい冷却を達成するべくコイルを通して吸込まれてもよいし又強制送風されてもよい。また、スペーサの数もその形状も固定されておらず、複数の異なるスペーサ変形形態が、適正な冷却を達成するために可能である。もう１つの修正は、変圧器内の負荷に応じて、冷却要求を変更させることができるように、温度センサを用いたファンの速度制御を配備することにある。さらに、上述の実施形態に示されているものと異なる数多くのやり方でケーシングを配置することもできる。最も外側のケーブル巻線は外側ケーシングとして使用でき、かくして自然対流により外側を冷却できる。同様に、エンドプレートとして最上位または最下位側のケーブル層を使用することも可能である。ケーブル層の最上位および最下位側はこのとき、自己対流を通して冷却されることになる。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，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，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．変圧器鉄心を含んでなる電源変圧器において、鉄心にケーブルが巻付けられていて、該ケーブルは、可とう性をもつ高圧ケーブル（１１１）であり、内部半導電層（１１３）、この内部半導電層（１１３）をとり囲み、固体材料からなる絶縁層（１１４）および絶縁層をとり囲む外部半導電体層（１１５）によりとり囲まれている導電性心線を含んでなり、これらの層（１１３，１１４，１１５）は互いに接着されていて、また巻線には、ディスク形の冷却用ダクトを作り上げるべくこの巻線内で軸方向に各ケーブルの巻きを分離するように配置されたスペーサ（３）が具備されており、前記巻線には、変圧器鉄心の脚（２）に対して直角方向に該巻線の全ての巻きを通して空気を強制送風するかまたは吸込むかのいずれかのために配置された少なくとも１つのファン（７）が具備されていることを特徴とする電源変圧器。２．スペーサ（３）が、前記ケーブルの外部表面と突き合わさるように整形されたブロック（３０）の形をしていることを特徴とする請求項１に記載の電源変圧器。３．スペーサ（３）が、前記巻線の各巻きの間で前記変圧器鉄心の脚（２）から半径方向外向きに配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源変圧器。４．少なくとも４つのスペーサ（３）が前記変圧器鉄心の脚（２）のまわりに均等に分布させられていることを特徴とする請求項３に記載の電源変圧器。５．少なくとも８つのスペーサ（３）が前記変圧器鉄心の脚（２）のまわりに均等に分布させられていることを特徴とする請求項４に記載の電源変圧器。６．スペーサ（３）は直径方向に及び/又は前記巻線の各巻きの間に巻線を通る少なくとも１つの弦として配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電源変圧器。７．スペーサ（３）が、冷却用空気の流れと平行かまたはそれに対し直角に方向づけられていることを特徴とする請求項６に記載の電源変圧器。８．変圧器コイルには、巻線の最上位側にある巻きに対し密封するエンドプレート（９）および巻線の最下位側にある巻きに対し密封するエンドプレート（９）が具備されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電源変圧器。９．変圧器コイルの最上位側および最下位側のケーブル層が、密封用エンドプレートを形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電源変圧器。 10．変圧器巻線の周囲には、変圧器鉄心の脚（２）に対し垂直に巻線の全ての巻きを通して空気を強制送風するかまたは吸込むようにファン（７）が接続され配置されているとり囲み型ファンカウルが具備されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の電源変圧器。 11．作動中の温度変動によりひき起こされる層（１１３，１１４，１１５）の体積変化が材料の弾性により吸収されるような弾性および熱膨張率を有する材料で前記層（１１３，１１４，１１５）ができており、かくしてこれらの層は、作動中に発生する温度変動があったときに互いに対する付着力を保持することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電源変圧器。 12．前記層（１１３，１１４，１１５）中の材料が好ましくは、５００ＭＰａ未満好ましくは２００ＭＰａ未満の弾性係数を備え、高い弾性を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電源変圧器。 13．前記層（１１３，１１４，１１５）中の材料の熱膨張率が実質的に同一であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電源変圧器。 14．前記層（１１３，１１４，１１５）間の付着性が、最も弱い材料内と少なくとも同じ大きさのものであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電源変圧器。 15．各前記半導電層（１１３，１１５）が基本的に１つの等電位表面を構成することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電源変圧器。 16．少なくとも１つのファン（７）が、巻線の各巻きの間で変圧器鉄心の脚（２）に対して垂直に空気を強制送風するかまたは吸込むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のケーブル巻線型電源変圧器を空冷するための方法。 17．前記変圧器の巻線手順中に、各巻きの間にスペーサ（３）が挿入されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。 18．温度センサが、適切な空気流を生成するべくファン速度を制御することを特徴とする請求項１７に記載の方法。