【発明の詳細な説明】
軸方向空冷を組み合わせた変圧器
技術の分野
本発明は、電力変圧器に巻かれた空冷導体、及び電力変圧器に巻かれた導体を
空冷する手順に関する。
技術の背景
現在の電力変圧器は、通常、オイルで冷却される。変圧器はヨークに連結した
多数の鉄心脚を有する鉄心と、コイル（１次、２次、制御用）を構成する巻線と
を備え、それらはオイルで満たされた密封容器内に浸されている。コイル及び鉄
心で生じる熱はコイルと鉄心を通して内部を循環するオイルによって取り除かれ
、そして容器の壁を介して周囲の大気に放熱される。オイルの循環はオイルをポ
ンプで循環させるように強制的であってもよく、又はオイル中の温度差による自
然循環であってもよい。循環するオイルは空気又は水による冷却装置によって外
部から冷やされる。オイルの外部空気冷却では強制的であってもあるいは自然対
流によるものであってもよい。オイルはまたオイル冷却された高電圧変圧器内に
おける熱を伝達するものとしての役割の他に、絶縁機能を有する。
乾式変圧器は、通常、空冷である。今日の乾式変圧器が低電力負荷で使用され
るときには、通常、自然対流によって冷却される。ひだ付巻線によって作られた
軸方向の冷却ダクトに関する現在の技術は、GB 1,147,049に開示され、注型用樹
脂に埋められた巻線を冷却する軸方向ダクトは、EP 83107410.9に開示され、又
はピーク負荷時におけるクロスフローファン（cross flow fan）の利用は、SE 7
303919-0に開示されている。
冷却要件は電力変圧器にとって一層大きくなっている。強制対流は全ての巻線
に対して冷却要件を満たすために無くてはならない。自然対流は巻線導体を冷却
するためには不十分である。熱が冷却媒体に短い手段で輸送され、そして熱は冷
却媒体に効率的に輸送されることも重要である。全ての巻線が十分な量の冷却媒
体に直接接触することも重要である。
半導電性である熱分解（pyrolized）グラスファイバーの内側及び外側層を設
けた絶縁を有する導体は、US 5,036,165によって知られている。例えば、US 5,0
66,881に開示されているように、そのような絶縁を発電機の導体に備えることも
知られており、半導電性の熱分解グラスファイバー層は導体を形成する２つの並
行ロッドと接触し、そして固定子スロット内の絶縁体は半導電性の熱分解グラス
ファイバーの外側層で囲まれている。熱分解グラスファイバー材料は浸透処理の
後でもその固有抵抗を保持するから、適切なものであると説明されている。
本発明の目的
本発明の目的は、上記で導入部として述べたように、ケーブルで巻かれた電力
変圧器の空冷を可能にする構成を達成することである。
本発明の更なる目的は、冷却手段がケーブル層における冷却要件を満たすため
に適正に分配されるようにケーブルの各層の間で半径方向冷却ダクトを提供する
ことである。鉄心及び巻線の冷却は、鉄心脚に沿って軸方向に流れる冷却用空気
によって、巻線間の水平ダクトを通して終端板が半径方向に空気を導くことで達
成される。空気は水平ダクトの高さを変えることによってそれらの冷却要件に従
ってダクトに分配される。
放射状ダクトを形成するディスクはコイルを巻く間に巻線に挿入されるスペー
サによって作り出される。冷却の流れはファンによって発生し、スペーサは巻線
の個々の冷却要件を満たすダクトに流れを生じさせるような寸法になっている。
発明の要約
本発明は、ケーブルが巻かれた変圧器鉄心を有する電力変圧器に関し、巻線が
、ダクトを形成するディスクを作り出すために軸方向に各ケーブルターンを分離
するスペーサを備えるように構成されている。
本発明の第１の実施形態は、ケーブルの各層間に、つまり、コイルを巻く間に
スペーサによって軸方向に作られた各巻線ターンの間にある半径方向冷却ダクト
を含んでいる。この第１の実施形態は、ダクトを通して空気を送るためにファン
も含んでいる。そのスペーサは異なる圧力抵抗を生じるような寸法になっており
、それによって、ケーブルの各層について冷却要件を満たすように冷却流を分配
する。
本発明による電力変圧器において、巻線は固体による押し出された絶縁体を有
するケーブルで構成され、そのケーブルは、ＸＬＰＥケーブルまたはＥＰＲ絶縁
を有するケーブルのような電力配電に現在使われているタイプである。そのよう
なケーブルは、１本または多くの撚線で構成される内部導体、その導体を囲む内
側半導電層、これを囲む固体絶縁層、そしてその絶縁層を囲む外側半導電層を含
んでいる。本発明による装置のための技術が、主として巻線が組立の中でケーブ
ルを曲げることから形成されるという巻線システムに基づいていることから、こ
の様な状況においては、そのようなケー
ブルが可撓性であることは重要な性質である。通常、ＸＬＰＥケーブルは、直径
が３０mmのケーブルに対してほぼ２０cmの曲率の半径に、そして直径が３０mmの
ケーブルに対してほぼ６５cmの曲率の半径に対応する可撓性を有している。本出
願において、“可撓性”なる用語は、ケーブルの直径の４倍、好ましくは８〜１
２倍のオーダーの曲率半径で巻線を曲げる柔らかさであることを示すために使わ
れている。
本発明における巻線は、曲げられるときでも、そして作動中に熱応力を受けて
もそれらの性質を保持するように構成されている。これに関連して、各層が互い
に接着を保持することは重要である。ここで、各層における材料の性質で、特に
それらの弾性及び相対的な熱膨張係数が重大である。例えば、ＸＬＰＥケーブル
において、絶縁層は、架橋された低密度のポリエチレンからなり、そして、半導
電層は、すすと金属の粒子を混入したポリエチレンからなる。熱変動に起因する
体積の変化はケーブル内の半径の変化に完全に吸収され、これらの材料の弾性に
関連して、各層の熱膨張係数間で比較的僅かな差であるため、半径方向の膨張は
、各層間の接着が失われることがなく起こる。
上述の材料の組み合わせは、単なる例としてのみ捉えられるべきものである。
明示された状態、そして半導電性の状態を満たす他の組み合わせ、つまり、１０-1
〜１０6ohm-cmの範囲の抵抗率、例えば１〜５００ohm-cm、または１０〜２０
０ohm-cmの範囲内の抵抗率を有するという条件を達成するため、他の組み合わせ
もまた当然発明の範囲内に入るものである。
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
タン（ＰＭＰ）のような固体の熱可塑性
材料、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）のような架橋材料、またはエチレンプロピ
レンゴム（ＥＰＲ）またはシリコンゴムのようなゴムからなってもよい。
内側及び外側の半導電層は、すすまたは金属粉体が混入されるような、導電性
材料の粒子を有する同じ基礎材料であってもよい。
それらの材料の物理的性質、特にそれらの熱膨張係数は、すすまたは金属粉体
が混入されているかどうかによって、少なくとも、本発明による必要な導電性を
得るために要求される比率では比較的影響が小さい。したがって、絶縁層と半導
電層は、実質的に同じ熱膨張係数を有している。
エチレン−ビニル−アセテート共重合体／ニトリルゴム、ブチル−グラフト−
ポリエチレン、エチレン−ブチル−アクリレート共重合体、及びエチレン−エチ
ル−アクリレート共重合体は、半導電層に適したポリマーを構成してもよい。異
なるタイプの材料が種々の層においてベースに使われるときでも、それらの熱膨
張係数が実質的に同じであることが望まれる。これは、上に列挙した材料の組み
合わせによる場合である。
上で列挙した材料は、Ｅ＜５００MPa、好ましくは、＜２００ＭPaであるよう
な係数Ｅを有する良好な弾性である。その弾性は熱膨張係数間の僅かに差異があ
っても各層の材料が弾性の半径方向において十分吸収するので、何の亀裂も、あ
るいは他の損傷も現れず、各層が相互に剥離することがない。各層の材料は弾性
であり、各層間の接着は少なくとも材料の最も弱い材料と同じ大きさになる。
２つの半導電層の導電率は、どの層に沿った電位も実質的に等しくするのに十
分なものである。外側半導電層の導電率は、ケーブル内での電界を含むのに十分
な大きさであるが、層の長さ方向に誘導される電流に起因する著しい損失を起こ
さないほど十分に小さなも
のである。
それ故、２つの半導電層のそれぞれは、実質的に一つの等電位面を構成し、こ
れらの層は、それらの間の電界を実質的に囲むことになる。もちろん、絶縁層に
一つまたはそれより多い半導電層を構成することを妨げるものは何もない。
図面の概略説明
本発明は、ここで、添付の図面を特に参照してより詳細に説明される：
図１は、本発明による第１の実施形態において、ケーブル層の間にある半径方
向ダクトを示すために、コイルの軸方向断面図を示し；
図２は、図１における実施形態が半径方向スペーサによって形成された水平な
半径方向ダクトを有することを上面図で示し；
図３は、図１における実施形態が本発明によるファン構成を有することを半径
方向断面図で概略的に示し；
図４は、本発明による高電圧ケーブルの概念図を示す。
本発明の説明
図１は、ディスク巻線と呼ばれる巻線２を有する３相電力変圧器の一部を軸方
向断面図で示し、その巻線は、軸方向に配置された各巻線ターンの間で半径方向
に広がるスペーサ４を配置することによって得られたディスク形状の冷却用ダク
ト３を有するコイルを構成する。その巻線は、さらに、下端板６で密封されてい
る。巻線コイルは、また、上側巻線ディスク７の上側端で、そして下側巻線ディ
スク８の下側端で密封されるようにしてもよい。図はさらに、変圧器の鉄心の一
部と、その脚９を構成する部分を示している。軸方向
の密封材として作用する下側巻線ディスク８の場合、端板６は鉄心の脚９と下側
巻線ディスク８との間の密封手段として使われている。
この実施形態における巻線の冷却に係わる原理は、空気が鉄心に沿って軸方向
に強制的に送られ、その後、半径方向スペーサ４によって形成された冷却ダクト
３を形成する水平ディスクの中に半径方向に分配されるというものであって、そ
れは巻線コイルの下端が、巻線を通して空気流を半径方向外側に強制的に送るた
めに、封鎖するというものである。スペーサ４が２つの巻線ターンの間で観念的
に円形な断面の周囲に配置されている。そのスペーサはコイルを巻いている間に
挿入される。さらに、この実施形態では、ファンが各コイルのために取り付けら
れることが要求される。ここで、空気はコイルを通して吸い込まれ、または送り
込まれてもよい。
図２は、本発明の上面図を示しており、巻線２は、スポーク（spoke）形状に
半径方向に置かれ、ケーキ（cake）形状で半径方向の冷却ダクト１４を形成する
スペーサ４を備えている。図示された形態において、スペーサ４は冷却ダクト３
を形成するそれぞれのディスクに８つの半径方向スペーサ４を分けることによっ
て配置される。冷却ダクト３を形成する一つのディスクはケーキ形状の８つの半
径方向冷却ダクト１４を構成する。冷却ダクト３を形成する全てのディスクは脚
９の外周の周囲に形成された軸方向の冷却ダクト１５に連結される。さらに、ス
ペーサ４は半径方向に延びている。スペーサの形と材料は冷却の観点からはあま
り重要でない。機械的、磁気的及び電気的な性質がスペーサの外形、量及び材料
を決める。空気は、前述したように、鉄心の周囲に軸方向に供給される。
図３は、内部の軸方向冷却ダクト１５に連結されたファン１０の配置を示して
いる。そのファンは、上端板２０の内側に対し、また
は接触リング１７に上側巻線ディスク７に対して位置決めされるファンフード１
６によって接続される。軸方向冷却ダクト１５は鉄心の脚９と上端の巻線ディス
ク７との間で空間を構成する。巻線を通して空気を送り込むことによって、空気
は、最初に軸方向の冷却ダクト１５を通して送られ、そして冷却ダクト３を形成
するディスクを通して押し出される。空気がシステムを通して吸い込まれる場合
、空気は、冷却ダクト３を形成するディスクを通して吸い込まれ、その後集めら
れ、そして軸方向の冷却ダクト１５及びファン１０を通して送り出される。図３
に示された実施形態の変圧器は、さらに、巻線を載せる基板１８を備えており、
その基板１８は、空気が冷却ダクト３を形成するディスクに強制的に分配される
ように、コイルの端で鉄心の脚９に対する密封手段として作用する。変圧器のコ
イルも軸方向の空気流を封鎖する上端板２０によって制限される。
冷却ダクトは異なる冷却要件を有し、それ故、異なる圧力抵抗を作り出すため
に異なった寸法にされ、そのため、適正に冷却流を分配することができる。
図４は、本発明による変圧器巻線として使われる高電圧ケーブル１１１の横断
面図を示す。高電圧ケーブル１１１は例えば銅（Ｃｕ）の丸い断面を有する多数
の撚線１１２（strand）を含んでいる。これらの撚線１１２は高電圧ケーブル１
１１の中心に配置されている。撚線１１２の周囲には、第１の半導電層１１３が
配置されている。第１の半導電層１１３の周囲には、例えばＸＬＰＥ絶縁材によ
る絶縁層１１４が配置されている。絶縁層１１４の周囲には、第２の半導電層１
１５が配置されている。本出願における高電圧ケーブルの概念は、電力配電にお
ける通常のケーブルのように包囲している外側保護遮壁を含まない。高電圧ケー
ブルは、２０〜２５０mmの範囲の直径及び４０〜３０００mm2の範囲の導体面積
を有する。
本発明は示された例に限られること無く、本発明の枠組みの範囲内でいくつか
の変形が可能である。それ故、ファンは各コイルに必要としない。空気の必要量
を全ての３つのコイルに供給する１つのファンによる構成も可能である。その空
気は、要求される冷却を実現するためにコイルを通した吸い込みまたは送り込み
のどちらでもよい。同様に、スペーサは、適切な冷却を得るために決められるそ
れらの形状またはそれらの必要数のどちらの変化にも関わらない。最初の実施形
態で述べたスペーサは、巻線を半径方向に全てを覆う必要はないが、しかし、い
くつかのやり方で置かれてもよい。これについて半径方向の全体に拡張された第
２の実施形態で述べたように、それらはどちらも必要なく、いくつかの他の方法
で実現されてもよい。
他の変形は、変圧器の負荷に応じて冷却要件を変化できるようにするために、
温度検出器の助けでファンの可変速制御を構成することである。
マントルケースは、前述の実施形態にいくつかの他の方法で配置されてもよい
。上側及び下側の巻線ディスクは、密封材として作用する外側ケースとして使用
されてもよく、その外側は自然対流で冷却されるが、上側巻線部分は半径方向に
流れる空気によって冷却されてもよい。
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