JP2001509964A - 機械的に支持された巻線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電力変圧器１またはリアクトルであって、同心の巻線を有する巻線コイル２として形成された巻線３を備え、巻線の少なくとも一部は外側の半導体層１１５によって構成される高電圧ケーブル１１１よりなり、巻線３は各々の巻線の間に同軸状に設けられるとともに巻線３を同軸状に固定する巻線分離スペース８，９を備える。

Description

【発明の詳細な説明】 機械的に支持された巻線技術分野 本発明は、空冷導体を巻いた電力変圧器の巻線またはリアクトルの巻線で、導 体の巻線間にスペーサを設けて、機械的に保持された巻線構造で空冷および接地 を可能にする巻線に関する。背景技術 今日の電力変圧器は、通常、空気冷却される。変圧器には、ヨークで接続され た数本の芯脚で構成された芯と、オイルを充填した密封タンクに浸漬したコイル （１次、２次、調整）を構成する巻線とを設ける。コイルおよび芯中で発生する 熱は、コイルおよび芯を通って内部を循環するオイルによって除去され、容器の 壁を介して周囲の空気に放出される。オイルの循環は、周囲にオイルを給送する ことによって強制的に実行するか、オイルの温度差によって自然に実行すること ができる。循環するオイルは空冷または水冷装置によって外部で冷却される。オ イルの外部空冷は、強制的および／または自然対流によって実行することができ る。オイルは、高圧用オイル冷却変圧器で熱の移送手段としての役割以外に、絶 縁機能も有する。 乾式変圧器は、通常、空気冷却される。これは通常、自然対流によって冷却さ れるが、それは今日の乾式変圧器が低い電力負荷で使用されるからである。積層 巻線によって作成された軸方向の冷却ダクトに関する今日のテクノロジーが、英 国特許第1.147.049号で開示され、注型樹脂に埋め込んだ巻線を冷却する軸方向 のダクトが、欧州特許第83107410.9号で開示され、あるいはピーク負荷での横流 ファンの仕様がＳＥ第7303919-0号で開示されている。 さらに、従来通りの電力変圧器には、短絡の力に対する巻線の安定性が確保さ れるよう、特殊なリングを設ける。その後、一連の板を直列に取り付け、これを バリア・シリンダに締め付ける。絶縁体全体を並べて下部スペーサ・リングに取 り付ける。巻線にプレストレスを加える圧縮リングを真のヨークと巻線との間に 配置する。その結果、短絡力は、積層を所定の位置に維持するクランプによって 、鉄芯のヨークで吸収しなければならない。 リアクトル内の無効電力の補償に巻線を使用する場合は、鉄芯がない。この場 合の巻線はコイルのみで形成される。 絶緑体に半導体熱分解グラスファイバの内外層を設けた導体が、米国特許第5 036 165号から知られている。ダイナモエレクトリック機械の導体に、例えば米 国特許第5 066 881号に記載されているような絶縁体を設け、半導体熱分解グラ スファイバ層が導体を形成する２本の平行な棒に接触し、固定子スロット内の絶 縁体を半導体熱分解グラスファイバの外部層で囲むことも知られている。熱分解 グラスファイバ材料が適切とされるのは、含浸処理の後にも抵抗率を保持するか らである。発明の目的 本発明の目的は、外部半導体層を有する高圧ケーブルを備えた、電力変圧器ま たはリアクトルの新タイプの巻線を提供することである。巻線にはスペーサを設 け、これは同心円の巻線の巻間に冷却ダクトを生成し、さらに軸方向に巻線にプ レストレスを与える手段を構成するよう配置される。巻線の短絡力の問題は、こ れによって解決され、したがってクランプは、例えば変圧器の力を既に吸収して いるが、軽量化し、小型化することができる。その結果、クランプの渦電流が減 少し、それによって全体的な渦電流の損失が減少する。 これにより、巻線は、変圧器の鉄芯に力を伝達せずに、短絡力などのストレス を吸収する、機械的にコンパクトで一体型の巻線ユニットの形態になる。 本発明のさらなる目的は、巻線の各巻間に、軸方向の円筒形ダクトを設け、巻 線の冷却要件に適合するため、冷却剤を正確に分配することである。円筒形ダク トは、コイルを巻く間に挿入されるスペーサによって生成される。冷却流はファ ンによって生成され、スペーサは、巻線の個々の冷却要件に適合する流れをダク ト中に生成するような寸法にする。 本発明の変圧器設計の別の利点は、巻線が現場で鉄芯の周囲に設置される前に 、 ケーブル工場でケーブル・ドラム上に装着されることであり、これは、このよう なタイプの変圧器の生産技術における大きな改良点である。発明の概要 本発明は、電力変圧器またはリアクトルの巻線に関する。巻線は、変圧器設計 の変圧器芯に巻き付けた高圧ケーブルを備える。巻線には、特に軸方向の円筒形 冷却ダクトを生成するため、巻線の長さに沿って軸方向に延在し、巻線の各ケー ブル巻を半径方向に分割する複数のスペーサを設ける。 本発明の実施形態によると、巻線は、外側に配置された各巻線の巻の間に軸方 向の円筒形冷却ダクトを配置し、ダクトは、芯を巻く間にスペーサによって生成 される。 実施形態によると、スペーサは、巻線を軸方向に互いに締め付けて、特に機械 的短絡力を吸収できる一体の巻線ユニットを形成するよう配置される。 さらに、スペーサには、巻線に生じるような振動を吸収するため、弾性層を配 置する。 本発明による電力変圧器では、巻線はＸＬＰＥケーブルのように、現在配電に 使用されているタイプの固体押出し絶縁体を有するケーブル、またはＥＰＡ絶縁 体を有するケーブルで構成することが好ましい。このようなケーブルは、１つ以 上の撚り線部品で構成された内部導体、導体を囲む内部半導体層、これを囲む固 体絶縁層および絶縁層を囲む外部半導体層を備える。このようなケーブルは可撓 性であり、これはこの状況では重要な特性である。というのは、本発明による装 置のテクノロジーが、主に、巻線が組立中に曲げられるケーブルから形成される 巻線システムをベースとするからである。ＸＬＰＥケーブルの可撓性は、通常、 直径３０ｍｍのケーブルの場合は約２０ｃｍの曲率半径に、直径８０ｍｍのケー ブルの場合は約６５ｃｍの曲率半径に相当する。本出願では、「可撓性」という 用語は、巻線がケーブル直径の４倍、好ましくはケーブル直径の８倍から１２倍 のオーダーで曲率半径まで撓むことができることを示す。 本発明の巻線は、使用中に曲げられ、熱応力がかかった場合でも、その特性を 維持するよう構築される。ケーブルの層が、この状況で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。ここでは層の材料特性、特にその弾性および 相対熱膨張率が非常に重要である。例えばＸＬＰＥケーブルでは、絶縁層が架橋 低密度ポリエチレンで構成され、半導体層が、煤および金属粒子を混合したポリ エチレンで構成される。温度変動の結果生じる体積の変化は、ケーブルの半径の 変化として完全に吸収され、これらの材料は弾性に対して層の熱膨張率の差が比 較的わずかであるので、層間の付着が失われることなく半径方向に膨張すること ができる。 上述した材料の組合せは、例証にすぎないと考えられる。規定された状態を満 たす他の組合せ、および半導性である、つまり抵抗率が１０^-1〜１０^-6Ωｃｍ、 例えば１〜５００Ωｃｍまたは１０〜２００Ωｃｍの範囲である状態も、当然、 本発明の範囲に入る。 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（Ｈ ＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリメチルペンタ ン（ＰＭＰ）などの固体熱可塑性材料、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＣ）などの架 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などのゴ ムで構成することができる。 内部および外部半導体層は、同じ基本的材料でもよいが、煤や金属粉などの導 電材料の粒子が混入される。 これらの材料の機械的性質、特にその熱膨張率は、煤または金属粉が混入され ているか否かには、少なくとも本発明により必要な導電性を達成するのに必要な 割合では、それほど影響されない。したがって、絶縁層および半導体層は、ほぼ 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、エチレン酢酸ブチル共重合体およびエチレンエチルアクリレート共重合体 も、半導体層の適切な重合体を構成することができる。種々の層のベースとして 異なるタイプの材料を使用する場合でも、その熱膨張率がほぼ同じであることが 望ましい。上に挙げた材料の組合せは、これに当てはまる。 上に挙げた材料は弾性が比較的良好で、弾性率がＥ＜５００ＭＰａ、好ましく は＜２００ＭＰａである。弾性率は、層の材料の熱膨張率にわずかな差があって も、ひび割れや他の損傷が現れず、層が互いから剥離しないよう、半径方向の弾 性率に吸収されるのに十分である。層の材料は弾性であり、層間の付着力は、少 なくとも最も弱い材料と同じ大きさである。 ２つの半導体層の導電性は、各層に沿って電位をほぼ等しくするのに十分であ る。外部半導体層の導電性は、ケーブル内に電界を含むのに十分なほど大きいが 、層の縦方向に誘導された電流によって有意の損失が生じることがないほど十分 に小さい。 したがって、２つの半導体層はそれぞれ、基本的に１つの等電位表面を備え、 これらの層はその間に電界をほぼ封じ込める。言うまでもなく、絶縁層内に１つ または複数の追加の半導体層を配置するのは差し支えない。図面の簡単な説明 次に、本発明について、特に添付図面類を参照しながら、さらに詳細に述べる 。 図１は、本発明による巻線の中心を軸方向に概略的に示す。 図２は、本発明によるスペーサを設けた巻線コイルの、図１による図Ａ−Ａを 示す。 図３ａは、本発明による上端板を通る部分図を示す。 図３ｂは、本発明による下端板を通る部分図を示す。 図４は、本発明による高圧ケーブルを通る図を示す。発明の説明 図１は、下端板４で始まり上方向に巻き付けられ、螺旋状に配置された巻線３ を有する巻線コイル２を設けた電力変圧器１の断面図を示す。巻線は、互いに接 続してもよいが、そうする必要はない。様々なケーブル直径の様々な巻線は、図 に示す実施形態の一部である。図に示すように、ケーブルの巻によってケーブル 直径が異なるため、コイルの各巻線の軸方向の位置にぴったり入れるため、各巻 線には軸方向のスペーサａ、ｂ、ｃを設ける。複数のスペーサ８、９を巻線の各 巻５、６、７間に挿入する。したがって、第１スペーサ８を同心円上に配置され た第１巻５と第２巻６との間に挿入する。第２スペーサ９を、第２巻６と、同様 に同心円上の第３巻７との間に挿入し、以下同様となる。巻線コイル２の各スペ ーサ８、９は下端板４にクランプされ、クランプ手段１０によって上端板１１に 締め付けられる。図１に示すように、第１スペーサ８は、例えば第２スペーサよ り太く、巻線の巻間に生成されるダクトが広くなる。巻線コイルは鉄芯とは関係 なく自立型の部品を構成し、発生する短絡力を全て補償するために、鉄芯で支持 する必要がない。巻線構造は、いわゆる窓で鉄芯と接触してもよいが、そうする 必要はない。巻線コイル２は鉄芯の脚部１２を囲み、脚部はその下端および上端 で、別の脚部（図示せず）と接触できるようヨーク１３に接続される。スペーサ ８、９は、断面が円筒形または長方形であり、少なくとも一方端にナットとねじ または楔構成の形態のクランプ手段を設ける。図２に示すように、スペーサ８、 ９は、鉄芯の脚部１２から半径方向外側に配置され、端板４、１１が「スポーク 」構成になる。好ましい実施形態では、巻線コイル２全体の周囲に１２の端板１ １が分布するが、端板の数は巻線のサイズに応じて８から１６の間で変化する。 このタイプの巻線コイルの各「スポーク」を通して、５つのスペーサが半径方向 に配置される。スペーサ８、９は、半径方向に配置された各巻線５、６、７間に 、追加の軸方向の円筒形冷却ダクト１３、１４を生成する。空気がダクトを通っ てファン（図示せず）によって圧縮されることから、巻線の巻が空気冷却される 。スペーサ８、９は、巻線コイル２の全体に配置され、軸方向である。コイルを 巻き付ける間に、スペーサを巻線の巻間に挿入する。 したがって、各巻線コイルは冷却ダクトに囲まれ、低温の空気が流れるように 配置される。冷却要件は巻線によって異なり、これは同心円ダクトに様々な冷却 流があることを示唆する。ダクトを正確に冷却するために、上述したように、後 者は様々な寸法に応じて半径方向に配置される。 第１スペーサ８は、ゴム層１６で被覆された金属または強化プラスチックであ り、作動中に巻線の振動を抑制するため、ばねとして作用する。クランプ手段は 、一つの実施形態では楔として設計され、第２の実施形態ではねじとボルトの機 構として設計される。巻線ユニットは、これにより巻線が別個のユニットとして 機械的に作用するようクランプされる。クランプ中に加えられる圧力は、巻線を 所定の位置に維持するのに十分であり、ケーブルのＸＬＰＥ絶縁体が耐えられる 値 を超えない。この実施形態では、変圧器ユニットはさらに適切な方法で鉄芯に固 定される。 図３ａは、開口１６を設けた上端板１１を示し、その数はスペーサ８の数に対 応する。スペーサ８は開口１６を通って延在し、前者は張力に耐えるナット１８ によって端板１１に軸方向に締め付けられる。スペーサが導電性である場合、そ の端部は接地手段２０に接続される。また、図３ａは、スペーサ８の芯２２が上 端で上部溶接ボルト３１に接続され、ボルトにはナット１８で上端板１１に締め 付けるためにねじ３２を設ける。 スペーサ８の芯は、図３ｂで示すように、下端３３で下部溶接ボルト３４に接 続され、ボルトには上記と同様の方法で、下端板４に締め付けるために、下部ナ ット３６用のねじ３５が設けられる。図では、巻線の巻は１〜８の数字で指定さ れ、巻線の最も内側の巻は数字１で指定され、巻線の最も外側の巻は数字８で指 定される。図で示すように、各スペーサ８には、好ましくはゴムである可撓性の 減衰手段４０を設ける。減衰手段４０の厚さは、巻線の巻によって直径の異なる ケーブルで形成できるという事実に応じて、巻線の巻間の距離に合わせて調節す る。巻線ユニットはさらに、芯のディスタンサー４２を下部ボルト３４にねじこ み、これをベース板４４を介してねじ継手で変圧器の真に固定することにより、 変圧器の芯にロックする。 図４は、本発明による巻線に使用する高圧ケーブル１１１を通した図である。 高圧ケーブル１１は、例えば銅（Ｃｕ）で円形断面の数本の撚り線１１２を備え る。この撚り線１１２は、高圧ケーブル１１１の中心に配置される。撚り線１１ ２の周囲には第１半導体層１１３が配置される。第１半導体層１１３の周囲には 、例えばＸＬＰＥ絶縁体などの絶縁層１１４が配置される。絶縁層１１４の周囲 には第２半導体層１１５が配置される。したがって、本出願の高圧ケーブルのコ ンセプトは、通常は配電のためにこのようなケーブルを囲む外部遮蔽スクリーン を備えない。高圧ケーブルは２０〜２５０ｍｍの範囲の直径および４０〜３００ ０ｍｍ²の範囲の導電面積を有する。 本発明は電力変圧器とリアクトルとの両方に適用することができる。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．同心円上に配置された巻線の巻を有する巻線コイル（２）として形成され た巻線（３）を備える電力変圧器（１）またはリアクトルで、少なくとも１ つの巻線の巻が、外部半導体層（１１５）を設けた高圧ケーブル（１１１） によって形成され、巻線（３）に、各巻線の巻間に軸方向に配置され、巻線 （３）を軸方向に合わせて保持するよう配置された巻線分離スペーサ（８、 ９）を設けることを特徴とする装置。 ２．スペーサ（８、９）が、ケージ状の構造内に同心円上に配置された巻線を 有する機械的巻線構造を形成するため、巻線コイル（２）の両側に半径方向 に延在する支持手段（４、１１）と協力するよう配置されることを特徴とす る、請求項１に記載の装置。 ３．支持手段（４、１１）が、スペーサ（８、９）が通る開口（１６）を設け た上端板（１１）として形成され、これによってスペーサ（８、９）が上端 板（１１）に軸方向に締め付けられるよう配置されることを特徴とする、請 求項２に記載の装置。 ４．上端板（１１）が巻線の最も内側の巻（５）から巻線の最も外側の巻まで 巻線コイル全体にわたって半径方向に延在することを特徴とする、請求項３ に記載の装置。 ５．幾つかの支持手段（４、１１）が、少なくとも巻線コイル（２）の一方側 全体にわたって半径方向に配置され、スポーク形の支持側を形成することを 特徴とする、請求項４に記載の装置。 ６．１つの支持手段（４、１１）が、スペーサ（８、９）をクランプする下端 板（４）として形成されるか、下端板（４）に、スペーサ（８、９）が通る 開口（１６）を設け、これによってスペーサが上端板（１１）に軸方向に締 め付けられるよう配置されることを特徴とする、請求項２から５のいずれか １項に記載の装置。 ７．複数の下端板（４）が、巻線コイル（２）の側全体に半径方向に配置され 、スポーク形の下部支持側を形成することを特徴とする、請求項６に記載の 装置。 ８．外部半導体層（１１５）が接地されることを特徴とする、請求項７に記載 の装置。 ９．巻線が可撓性であり、内部半導体層（１１３）に囲まれた導電性の芯と、 内部半導体層（１１３）を囲む固体材料の絶縁層（１１４）と、絶縁層（１ １４）を囲む外部半導体層（１１５）とで構成され、前記層（１１３、１１ ４、１１５）が互いに付着していることを特徴とする、請求項１から８のい ずれか１項に記載の装置。 １０．前記層（１１３、１１４、１１５）が、作動中の温度の変動によって生じ る層（１１３、１１４、１１５）の体積変化が材料の弾性によって吸収され 、したがって作動中に温度の変動が発生しても互いに対する付着性を保持す るような弾性率および熱膨張率を有することを特徴とする、請求項１から９ のいずれか１項に記載の装置。 １１．前記層（１１３、１１４、１５）の材料が、好ましくは５００ＭＰａ未満 の弾性率、好ましくは２００ＭＰａの弾性率という高い弾性率を有すること を特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。 １２．前記層（１１３、１１４、１１５）の材料の弾性率がほぼ同じであること を特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。 １３．層（１１３、１１４、１１５）間の付着力が、少なくとも最も弱い材料と 同じ大きさであることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記 載の装置。 １４．半導体層（１１３、１１５）がそれぞれ、基本的に一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１３のいずれか１項に記載の装置。