JP2001525607A - 変圧器 - Google Patents
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Abstract
Description
関するものである。
(1000MVA)以上の定格出力と、3〜4kVから超高圧送電電圧、例えば
400〜800kVまたはこれ以上の定格電圧とを有する変圧器を意味する。
著、「The J & P Transformer Book, A Practical Technology of the Power Tr
ansformer」バターワース出版、第11版、1990に記載されている。内部電 気絶縁および関連する問題は、例えばH.P.Moser著、「Transformerboa
rd, Die Verwendung von Transformerboard in Grossleistungstransformatoren
」H.Weidman A.G.出版、Rapperswil mit Gesamtherstellung: B
irkauser AG, バーゼル、スイスの中に記載されている。
の電気エネルギーの授受のためにもっぱら変圧器が使用される。1MVA領域か
ら1000MVA領域までの電力用変圧器および今日使用される最高送電電圧ま
での電圧に適用される変圧器が製造可能である。
素鋼板から成る一般に配向された積層シート構造を含む。鉄心はヨークによって
相互に連結された複数の脚を有し、これが1つまたは複数の鉄心窓を形成する。
このような鉄心を有する変圧器は、通常、内鉄型変圧器と呼ばれる。鉄心脚の周
りに複数の巻線が備えられる。電力変圧器においては、これらの巻線はほとんど
常に同心的に配置され、鉄心脚の長さ方向に沿って分布される。
この構造は複数の横断面正方形の巻線とこれらの巻線の周りに配置された断面正
方形の脚部とを有する。
蔽するため、外部ケーシングが備えられることが多く、またこれは変圧器から出
る外部磁界を低減させる。
。通常の油冷式および空冷式変圧器は外部ケースの中に収納され、このケースは
種々の大きな要求に応えなければならない。従って断路器や、回路遮断器、ブッ
シング等を備えたこのような変圧器の構造は複雑になる。また冷却と絶縁のため
の油の使用は変圧器の機能を複雑にし、また環境上の問題を生じる。
格電圧用の、油絶縁および油冷却を行わない、いわゆる「乾式」変圧器は図1に
示すような導体から成る巻線を有する。この導体は多数の非絶縁(オプションと
してある程度絶縁された)導体素線5から成る中心導電手段を含む。この導電手
段の周りに、内側半導電性ケーシング6が配置され、このケーシング6は少なく
とも一部の非絶縁導体素線5と接触する。この半導電性ケーシング6は押出しソ
リッド絶縁層7の形のケーブルの主絶縁体によって包囲される。この絶縁層7は
外側半導電性ケーシング8によって包囲される。ケーブルの導電領域は80ない
し3000mm2の範囲内にあり、またケーブルの外径は20ないし250mm
の範囲内にある。
実際上、カーボンブラックまたは金属粒子を混合したベースポリマーによって形
成され、1ないし105Ω・cm、好ましくは10ないし500Ω・cmの範囲
内の容積抵抗率を有する。ケーシング6および8(および絶縁層7)の適当なベ
ースポリマーは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
ト重合ポリエチレン、エチレン・アクリル酸ブチル共重合体、エチレン・アクリ
ル酸エチル共重合体、エチレン・プロペン・ゴム、低密度のポリエチレン、ポリ
ブチレン、ポリメチル・ペンテン、およびエチレン・アクリル酸共重合体を含む
。
的に連結される。同様に、外側半導電性ケーシング8は絶縁層7に対して、その
間の界面全体に沿って剛性的に連結される。ケーシング6,8および絶縁層7は
ソリッド絶縁システムを成し、望ましくは導体素線5の周りに一体的に押出し成
形される。
その全表面において電位を均等化するのに十分である。従って絶縁層7の外周全
体に電界が均等に分布され、局所的電界増強と部分放電のリスクが最小限に成さ
れる。
またはその他の制御された電位にあり、このケーシング8の導電性によってこの
値に均等化される。同時に半導電性ケーシング8は電界を閉じ込めるのに十分な
抵抗性を有する。この抵抗性の故に、導電性ポリマーケーシング8をアースまた
はその他の制御された電位に対して、その長さ方向に沿って一定間隔で接続する
ことが望ましい。
た鉄心は任意の設計とすることができる。図2は三相積層鉄心変圧器を示す。鉄
心は通常設計とし、3本の鉄心脚9,10,11とこれらを接合するヨーク12
,13とから成る。
置の3つの巻線層14,15,16が備えられている。最内側巻線層14は一次
巻線を成し、他の2巻線層15,16は二次巻線を形成する。図面の簡略化のた
め、巻線の接続部などの詳細は省略されている。巻線層相互間には、周方向数箇
所に間隔バー17,18が配置されている。これらのバー17,18は絶縁材料
から成り、冷却および機械的保持などのために巻線層14,15,16の間に一
定の間隔を限定し、または電気的接続材料から成って、巻線層14,15,16
の接地システムの一部を成すことができる。
電磁力に耐えることができるようにされなければならない。電力変圧器において
はこれらの力が非常に大きいので、これらのコイルは十分なエラーマージンを生
じるように配分され、また均衡されなければならない。この理由からコイルは正
規動作における性能を最適化するように設計することができない。
点を軽減することにある。
製造することにより、高圧巻線と低圧巻線は短絡電磁力を最小限に成すように任
意の方法で容易に交錯させることができる。このような巻線の交錯はケーシング
またはその他の電界閉じ込め手段なしでは不可能であろうし、従って先行技術の
油充填型電力変圧器においては不可能と考えられる。なぜならば、後者の場合に
は巻線の絶縁が高圧巻線と低圧巻線との間に存在する電界に耐えられないからで
ある。
鉄心質量を最適化するように変圧器鉄心を設計することが可能である。
に分割され、これらのサブターンは並列に接続されて、高圧巻線層の数と低圧巻
線層の総数との差違を低減させることによって高圧巻線層と低圧巻線層との交錯
をできるだけ均等にする。好ましくは、低圧巻線の各ターンが分割されて、低圧
巻線層の総数が高圧巻線層の数に等しくなるような数の、並列に接続されたサブ
ターンを得る。そこで低圧巻線層によって発生された磁界が高圧巻線層から生じ
る磁界を相殺するように、高圧巻線層と低圧巻線層とを均一に交錯させることが
できる。
の巻線の断面において碁盤縞模様に対称的に配置される。これは低圧巻線と高圧
巻線から出る磁界の相互相殺を図るための最適配置であり、従ってコイルの短絡
電磁力を低下させる最適配置である。
質的に同等の熱膨張係数を有する。このようにして、巻線に対する熱損傷が防止
される。
明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
巻線層26が2組の高圧巻線層28の層間に配置されている。この実施形態にお
いては、変圧比は1:2である。
あるので、それぞれ低圧巻線と高圧巻線中の電流から生じる力は相互に部分的に
相殺する。このように電流誘導力の作用を低減させる可能性は、特に短絡の場合
に非常に重要である。
からなる成層体27が巻線層26,28の間に配置されている。
くは低電圧ターンの合計数が高電圧ターンの数に等しくなるようにすることによ
って、短絡電磁力の相殺を図ることができる。従って例えば変圧比が1:3であ
れば、低圧巻線層は3つのサブターンに分割される。この場合、低圧巻線と高圧
巻線とをより均等な断面パターンに混合させることが可能となる。巻線の最適構
造を図4に示す。この場合、低圧巻線層30および高圧巻線層32が碁盤目パタ
ーンに対称的に配置されている。この実施形態において、それぞれ低圧巻線層3
0および高圧巻線層32からの磁界が実質的に相殺され、短絡電磁力はほとんど
完全に相殺される。
計はオリジナル巻線ターン中の電流強さに等しいのであるから、これに対応して
各サブターンの導電断面積を減少させることができる。従って、巻線ターンを分
割する場合、他の条件を同一として、より導電性の高い材料(一般に銅)を必要
としなくなる。
導体42を担持し、第2ドラム44が低圧導体46を担持する。導体42,46
はそれぞれドラム40,44から繰り出され、変圧器ドラム48上に巻き付けら
れる。このようにして高圧導体と低圧導体が容易に交錯される。相異なる巻線層
の間に継目を備えることができる。
される。広範囲のインピーダンスを選択することができる。
ような電圧から生じ得る電気的負荷および熱的負荷を処理することができる。例
えば、本発明による電力変圧器は、好ましくは0.5MVA以上、好ましくは1
0MVA以上、さらに好ましくは30MVA以上、1000MVAまでの定格出
力を有し、また3ないし4kV以上、好ましくは36kV以上、さらに好ましく
は72.5kVから400〜800kVまたはこれ以上の超高圧送電電圧までの
定格電圧を有するものとすることができる。高い動作電圧においては、部分放電
すなわちPDが先行技術の絶縁システムにとって深刻な問題を成す。絶縁部の中
にキャビティすなわち気孔が存在すれば、内部コロナ放電が生じ、絶縁材料が徐
々に劣化し、場合によっては絶縁破壊を起こすに至る。本発明による変圧器を使
用する場合、半導電特性を有する絶縁システムの内側第1層がその包囲する中心
導電手段の導体と実質的に同一の電位にあり、また同様に半導電特性を有する絶
縁システムの外側第2層が制御された電位、例えばアース電位を有するので、電
気絶縁に対する電気負荷が低減される。このようにして、これらの内側層と外側
層との間の、ソリッドの電気絶縁層中の電界は、この中間層の厚さ全体にわたっ
てほぼ均等に分布する。類似の熱特性を有し欠陥の少ない材料を絶縁システムの
これらの層の中に使用することにより、与えられた動作電圧におけるPDの可能
性が低減される。従って本発明による変圧器の巻線は800kVまたはこれ以上
の非常に高い動作電圧に耐えるように設計することができる。
料またはシート状材料の、きつく巻き付けられて重なり合った層から電気絶縁シ
ステムを構成することも可能である。半導電性層と電気的絶縁層とをこのように
して形成することができる。カーボンブラックまたは金属粒子などの導電性粒子
を埋込んだ、例えばPP、PET、LDPEまたはHDPEのポリマー薄層から
成る内側半導電層および外側半導電層を有し、また半導電性層または半導電性部
分の間に絶縁層または絶縁部分を有する全合成フィルムから絶縁システムを構成
することができる。
hen minima)より小さい突き合わせ間隙を有して、液体の含浸を不必要とする。
また乾式巻線型多層薄層フィルムは、すぐれた熱特性を有する。
ものである。この場合、薄いセルローズ・ベース紙または合成紙あるいは不織材
料が導体の周りに重ね巻きに巻き付けられる。この場合、絶縁層の両側の半導電
性層は、絶縁材料の繊維から製造されたセルローズ紙または不織材料から成り、
導電性粒子をその中に埋込むことができる。絶縁層は同一のベース材料から構成
することができ、または他の材料を使用することができる。
ることにより、絶縁システムの他の例を得ることができる。この絶縁システムの
例は市販の、いわゆるポリプロピレン・ラミネート紙PPLPであるが、フィル
ム部分と繊維部分の二、三の他の組合わせも可能である。これらのシステムにお
いては、鉱油などの種々の含浸剤を使用することができる。
格電圧用の、油絶縁および油冷却を行わない、いわゆる「乾式」変圧器は図1に
示すような導体から成る巻線を有する。この導体は多数の非絶縁(オプションと
してある程度絶縁された)導体素線5から成る中心導電手段を含む。この導電手
段の周りに、内側半導電性ケーシング6が配置され、このケーシング6は少なく
とも一部の非絶縁導体素線5と接触する。この半導電性ケーシング6は押出しソ
リッド絶縁層7の形のケーブルの主絶縁体によって包囲される。この絶縁層7は
外側半導電性ケーシング8によって包囲される。ケーブルの導電領域は80ない
し3000mm2の範囲内にあり、またケーブルの外径は20ないし250mm
の範囲内にある。少なくとも2つの隣接層はほぼ同等の熱膨張係数を有する。
有しない導体から変圧器巻線を製造することにより、高圧巻線と低圧巻線は短絡
電磁力を最小限に成すように任意の方法で容易に交錯させることができる。この
ような巻線の交錯はケーシングまたはその他の電界閉じ込め手段なしでは不可能
であろうし、従って先行技術の油充填型電力変圧器においては不可能と考えられ
る。なぜならば、後者の場合には巻線の絶縁が高圧巻線と低圧巻線との間に存在
する電界に耐えられないからである。
Claims (22)
- 【請求項1】 少なくとも1つの高圧巻線と少なくとも1つの低圧巻線とを有する電力変圧器
において、前記各巻線は可撓性導体から成り、前記各可撓性導体は電界閉じ込め
手段を有するが磁気的には透過性であり、また前記巻線は高圧巻線ターンが低圧
巻線ターンと混在するように相互に交錯されていることを特徴とする電力変圧器
。 - 【請求項2】 前記低圧巻線は、対応する2つの隣接高圧巻線層の間に配置された低圧巻線層
として巻線されていることを特徴とする請求項1に記載の変圧器。 - 【請求項3】 前記巻線は、1つの高圧巻線層と、次の低圧巻線層と、次の2つの高圧巻線層
と、次の1つの低圧巻線層と、さらに次の2つの高圧巻線層と周期的に反復する
パターンで配置されていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載
の変圧器。 - 【請求項4】 低圧巻線ターンの少なくとも一部が複数のサブターンに分割され、これらのサ
ブターンは並列に接続されて、高圧巻線ターンの数と低圧巻線ターンの総数との
差違を低減させることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の変
圧器。 - 【請求項5】 前記各低圧巻線ターンは高圧巻線ターンに等しい数の並列接続サブターンに分
割されていることを特徴とする請求項4に記載の変圧器。 - 【請求項6】 前記高圧巻線ターンおよび低圧巻線ターンは、これらの巻線の断面において碁
盤縞パターンに対称的に配置されていることを特徴とする請求項5に記載の変圧
器。 - 【請求項7】 前記導体は、中心導電手段と、前記導電手段の周りに備えられた半導電特性の
第1層と、前記第1層の周りに備えられたソリッド絶縁層と、前記絶縁層の周り
に備えられた半導電特性の第2層としての電界閉じ込め手段とを含むことを特徴
とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の変圧器。 - 【請求項8】 前記第1層の電位は前記導体の電位にほぼ等しいことを特徴とする請求項7に
記載の変圧器。 - 【請求項9】 前記第2層は前記導体を包囲するほぼ等電位面を成すように配置されているこ
とを特徴とする請求項7または8に記載の変圧器。 - 【請求項10】 前記第2層は所定電位の点に接続されていることを特徴とする請求項9に記載
の変圧器。 - 【請求項11】 前記所定電位点はアース電位であることを特徴とする請求項10に記載の変圧
器。 - 【請求項12】 少なくとも2つの隣接層はほぼ同等の熱膨張係数を有することを特徴とする請
求項7ないし11のいずれか1項に記載の変圧器。 - 【請求項13】 前記中心導電手段は複数の導体素線を含み、前記導体素線の一部のみが相互に
電気的に接触することを特徴とする請求項7ないし11のいずれか1項に記載の
変圧器。 - 【請求項14】 前記3層はそれぞれ接続面全体に沿って隣接層に固着されていることを特徴
とする請求項7ないし13のいずれか1項に記載の変圧器。 - 【請求項15】 前記導体は金属シールドおよびシースを有することを特徴とする請求項7ない
し14のいずれか1項に記載の変圧器。 - 【請求項16】 前記中心導電手段の断面積は80ないし3000mm2であることを特徴とす
る請求項7ないし15のいずれか1項に記載の変圧器。 - 【請求項17】 前記導体の外径は20ないし250mmであることを特徴とする請求項1ない
し16のいずれか1項に記載の変圧器。 - 【請求項18】 巻線の間に磁性体からなる成層体(27)が配置されていることを特徴とする
請求項1ないし17のいずれか1項に記載の変圧器。 - 【請求項19】 前記電界閉じ込め手段は、高電圧用に、適当には10kV以上、特に36kV
以上、好ましくは72.5kVから400〜800kVまたはこれ以上の非常に
高い送電電圧用に設計されていることを特徴とする請求項1ないし18のいずれ
か1項に記載の変圧器。 - 【請求項20】 前記電界閉じ込め手段は0.5MVA以上、好ましくは30MVA以上、10
00MVAまでの電力範囲用に設計されていることを特徴とする請求項1ないし
19のいずれか1項に記載の変圧器。 - 【請求項21】 電界閉じ込め手段を有するが磁気的に透過性の高圧巻線および低圧巻線の可撓
性導体を、高圧巻線ターンが低圧巻線ターンと交錯するように同時に巻線するス
テップを含む電力変圧器の巻線方法。 - 【請求項22】 高圧巻線用導体と低圧巻線用導体とをそれぞれのドラムから同時に繰り出し、
変圧器ドラム上に巻線するステップを含むことを特徴とする請求項21に記載の
巻線方法。
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