JP2005032821A

JP2005032821A - 変圧器

Info

Publication number: JP2005032821A
Application number: JP2003193660A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Hamaguchi; 昌弘浜口; Hikoichi Kunii; 彦一国井; Yoshifumi Ikeda; 宜史池田; Tatsuya Higuchi; 達也樋口; Tsutomu Miyanishi; 努宮西
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products Manufacturing Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Industrial Products and Systems Corp
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-08
Also published as: JP4846194B2

Abstract

【課題】巻線間でのサ−ジの移行を抑制しつつ、コンパクトで、製作性の良い変圧器を提供するにある
【解決手段】外側巻線１と内側巻線２とが、鉄心３の周りに巻回されており、二つの巻線１，２の間には、抵抗導電体である移行電圧防止板４が挿入されている。移行電圧防止板４は、絶縁筒５の外周全域に抵抗導電膜６を塗布または吹きつけするなどして形成される。移行電圧防止板４に、渦電流が流れる場合でもその渦電流は、移行電圧防止板４が抵抗分を有するので、極めて小さくなる。従って、発生する熱損失もほとんどない。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方の巻線に雷サージ、パワーエレクトロニクス機器の高周波サージの侵入があっても、巻線間の移行電圧を低減し、他方の巻線に接続する機器をサージから保護する変圧器に関する。
【０００２】
【従来技術】
図１０は、従来の混触防止板を有する変圧器の巻線を示す。外側巻線（高圧側巻線）１０１と内側巻線（低圧側巻線）１０２は、鉄心１０３の周りに巻回されており、二つの巻線１０１，１０２間に混触防止板１０４が配置されている。混触防止板１０４は、金属により形成され、アースされている（図１０（ｂ）参照）。また、混触防止板１０４は鉄心１０３の磁束に対して１ターンを形成し短絡しないように、１ターン防止部１０５が形成されている。
【０００３】
さて、混触防止板１０４は、絶縁事故において、高圧側巻線１０１が低圧側巻線１０２へ接触することを防ぐ、いわゆる混触防止の役割を果たす。高圧側巻線１０１の絶縁事故時には、混触防止板１０４が低圧側巻線１０２より手前にあるので、アークは低圧側巻線１０２へは届かず、混触防止板１０４により地絡する。これにより、高圧側巻線１０１に絶縁事故が発生しても、低圧側巻線１０２の電位が高圧側巻線１０１の電位になるような事故の拡大が防止できる。
【０００４】
さて、近年パワーエレクトニクス機器の適用は拡大して来ている。電源においては、変換器、ＵＰＳ（ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ）などが用いられ、モータドライブとしては、インバータなどが用いられている。ところで、パワーエレクトロニクス機器の主回路を形成するのはＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を代表とした半導体スイッチング素子である。半導体スイッチング素子は、過電圧に対して耐力が少ない。これは、スイッチング素子のジャンクション部の電圧耐量が少ないことに起因し、半導体スイッチング素子を使用する上では、十分考慮が必要である。雷サージなどサージが侵入する場合は、半導体スイッチング素子の電圧耐量以下にサージを減衰させる必要がある。
【０００５】
サージの侵入先（この場合は高圧側とする）とパワーエレクトロニクス機器（この場合は低圧側とする）間に変圧器がある場合、変圧器に混触防止板１０４があると高圧側巻線１０１を金属でシールドするので、低圧側巻線１０２にはサージのコモンモードはほとんど移行しない。ノーマルモードについてもサージの周波数が高周波であるので、鉄心１０３へは鉄心外と同じ程度しか磁束が流れず、高圧側巻線１０１と低圧側巻線間１０２の結合が弱く、ノーマルモードサージの低圧側への移行は極めて小さくなる。
【０００６】
このように、変圧器に混触防止板１０４があるとパワーエレクトロニクス機器に対して過電圧となるようなサージの移行を極端に小さくでき、信頼性を確保できる。
【０００７】
さて、近年パワーエレクトロニクス機器のスイッチング動作により発生する高周波サージが、電源ラインに伝播し、計器の誤作動など種々の不具合を発生することがあり、ノイズカット装置などを追加するなどして対策している。
【０００８】
これに対して影響を受ける機器との間に、変圧器が存在する場合、混触防止板１０４を設置することにより、影響を受ける機器への高周波サージの伝播を大きく低減できる。上述のサージとパワーエレクトロニクス機器より生じる高周波サージは、数１０ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数であるので、同じ原理でサージの移行を大きく低減できる。
【０００９】
ところで、パワーエレクトロニクス機器からは、多くの高調波電流と高周波電流が発生する。これらの電流が低圧側巻線１０２に流れ、それにより、高調波及び高周波磁束が発生し、これらが大きいと、混触防止板１０４は、金属からなるので大きな渦電流が流れ、過熱することがある。図１０の巻線においてスタック方向に巻線を分割すると、磁束の鉄心半径方向成分が大きくなり、これにより、混触防止板１０４の渦電流が更に大きくなり、混触防止板１０４をより過熱しやすくなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
混触防止板１０４の過熱に対する対策として、混触防止板１０４の周りの絶縁物を高耐熱性のものとしたり、また、冷却性を強化するため冷却スペースを大きく確保するなどしているため、変圧器が大きくなってしまう欠点があった。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的は、サージの移行を抑制しつつ、コンパクトで、製作性の良い変圧器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の変圧器は、巻線間に抵抗導電体を配置し、抵抗導電体を接地したことを特徴とする。
請求項２記載の変圧器は、抵抗導電体は、絶縁筒の周面に抵抗導電膜を施して構成され、この抵抗導電膜は、固有抵抗値０．０１〜１００Ω・ｍでかつ膜厚１０〜１００μｍであることを特徴とする。
このような構成によれば、抵抗導電体は、抵抗分を有しているので、渦電流が流れることを極力抑制するようになり、従って、耐熱性および冷却性についてそれほど考慮する必要がなくなって、コンパクトで、かつ、製作性を良くすることができる。
【００１３】
請求項３記載の変圧器は、抵抗導電体は、絶縁筒の周面に抵抗導電膜を施して構成され、前記抵抗導電膜は、１ターンの形成を阻止する分断部を有することを特徴とする。
このような構成によれば、抵抗導電膜の製作性を良好とし、鉄心の商用周波磁束に対して高抵抗ながら短絡することをなくすので、抵抗導電膜による損失を低減できる。
【００１４】
請求項４記載の変圧器は、抵抗導電体は、抵抗導電膜を施した複数の絶縁体を各抵抗導電膜が非接触となるようにして筒状に組み合わせて構成されていることを特徴とする。
このような構成によると、絶縁物の製作性と装着作業性が良好となり、鉄心の商用周波磁束に対して高抵抗ながら短絡することをなくすので、抵抗導電膜による損失を低減できる。
【００１５】
請求項５記載の変圧器は、抵抗導電体は、絶縁筒の内周面もしくは外周面に、抵抗導電膜を周方向の両端部に隙間を有して形成し、外周面もしくは内周面に、抵抗導電膜を前記隙間を補間するように形成したことを特徴とする。
このような構成によれば、抵抗導電膜の製作性を良好とし、鉄心の商用周波磁束に対して高抵抗ながら短絡することをなくすので、抵抗導電膜による損失を低減できる。
【００１６】
請求項６記載の変圧器は、抵抗導電体の端部にシ−ルドを施すことを特徴とする。
このような構成によれば、高圧側巻線のリードなどの電圧が高い構造物を抵抗導電膜に近接して配置でき、変圧器のコンパクト化が可能となる。
【００１７】
請求項７記載の変圧器は、抵抗導電体は、カーボンパウダーが充填された樹脂を絶縁物上に塗布もしくは吹き付けることにより抵抗導電膜が形成されてなることを特徴とする。
このような構成によれば、工作性が良く、信頼性のある抵抗導電膜が得られる。
【００１８】
請求項８記載の変圧器は、抵抗導電膜の表面に、樹脂コーティングがされもしくは絶縁フィルムが重合されていることを特徴とする。
このような構成によれば、抵抗導電膜からの、カーボンパウダーの飛散を防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図５を参照しながら説明する。
図１に示すように、外側巻線１と内側巻線２とが、鉄心３の周りに巻回されており、二つの円筒状の巻線１，２の間には、抵抗導電体である移行電圧防止板４が挿入されている。外側巻線１は、一般的に高圧側巻線であり、電源系統からサージの侵入がある。内側巻線２は、一般的に低圧側巻線であり、パワーエレクトロニクス機器のサージの侵入がある。移行電圧防止板４は、図２のように、絶縁筒５の外周全域に抵抗導電膜６を塗布または吹きつけするなどして形成され、抵抗導電膜６は接地されている（図１（ｂ）参照）。この場合、絶縁筒５は、樹脂で円筒状に一体形成されたものでもよく、或いは、プレスボードを円筒状に曲成されたものでもよい。
【００２０】
抵抗導電膜６を製作する方法としては、金属粒子を樹脂に充填する方法など種々ある。しかしながら、その中で、変圧器に適用するためには、広い面積を効率よく製作することが求められ、絶縁物の変形に際しても割れない柔軟性をもち、また、高い信頼性が要求される。この実施例では、図３に示すように、微細なカーボンパウダー７を樹脂である例えばエポキシ樹脂８に充填、すなわち、均一に分散するようによく混ぜ合わせる。混ぜ合わせた液を塗布または吹き付けなどにより絶縁筒５に付着させ、乾燥させて抵抗導電膜６が構成される。
【００２１】
カーボンパウダー７は、一部が接触し、一部が離れた状態で存在する、しかし、混ぜ合わせが十分であると規定の固有抵抗値が得られる。この電気伝導のメカニズムは、カーボンパウダー７の接触の電気伝導とカーボンパウダー７間にエキシポ樹脂８があると樹脂層が極めて薄く、トンネル効果により電気伝導を生じさせ、その存在確率で固有抵抗値が決まると考えられている。
【００２２】
この抵抗導電膜６は、発明者の実験により、高温の寿命試験においても規定の抵抗値を保ち、剥がれなどを生じることがなく、高い信頼性をもつことが確認されている。
【００２３】
以下、本実施例の作用・効果について説明する。
ノーマルモードのサージが外側巻線１に印加される場合の概念的な集中定数の等価回路を図４に示めす。外側巻線１と移行電圧防止板４間の静電容量をＣｓ、移行電圧防止板４と内側巻線２間の静電容量をＣｕ、内側巻線２の対地間静電容量をＣｅ、移行電圧防止板４の対アース抵抗をＲとする。実際には、これらの諸量は分布定数として扱わなければならないが、説明を簡単にするために集中回路として扱う。
【００２４】
移行電圧防止板４がない場合は、サージの高周波成分に対してＣｓ，Ｃｕ，Ｃｅの各静電容量で決まるＣｅの分担電圧が、移行電圧となる。一方、移行電圧防止板４がある場合は、Ｒにより中段でサージ電流をアースにバイパスすることにより移行電圧防止板４上の分担電圧が、大きく低減される。このため、移行電圧が大幅に低減できる。
【００２５】
次に、移行電圧防止板４の商用周波の磁束に対する振る舞いを考えてみる。上述のようにパワーエレクトロニクス機器の発生する高調波、高周波電流は、場合により、鉄心３の半径方向の磁束も生じさせる。この磁束が移行電圧防止板４を貫通することにより、渦電流が磁束と鎖交するように流れる。しかし、この渦電流は、移行電圧防止板４が抵抗分を有するので、極めて小さくなる。従って、この高調波による損失もほとんどない。
【００２６】
このため、抵抗導電体である移行電圧防止板４は、従来の混色防止板１０４を用いた場合の様な発熱はなく、移行電圧防止板４の周辺に耐熱性の絶縁物を用いる必要がなく、冷却を強化するため冷却スペースを大きく確保するといった必要がなくなり、コンパクトで、製作性の良い変圧器が得られる。
【００２７】
しかして、移行電圧防止板４の構成としては、スペースを小さくするため、絶縁物上に抵抗導電膜を形成することが望ましい。そして、移行電圧防止板４に確実な抵抗値を得るための抵抗導電膜６の膜厚は、発明者の実験では、１０μｍ以上必要であり、また、剥がれや割れを発生させない上限の値としては、１００μｍであることが分かった。このように、信頼性の面から抵抗導電膜６の膜厚は、１０〜１００μｍの範囲であることが必要である。
【００２８】
一方、この範囲の膜厚において、抵抗導電膜６の固有抵抗を変化させたところ、図５のように、１００Ω・ｍ以上になると極端に電圧の移行率が上昇した。これは、図４の等価回路において、Ｒが大きくなって抵抗導電膜６の電位が上昇したためである。抵抗導電膜６を絶縁筒５の周方向に全面に形成させると、抵抗導電膜６が、鉄心３の磁束に対して１ターンを形成し、抵抗短絡する回路となる。これにより、抵抗導電膜６の周方向に商用周波の電流が流れる。この場合、発明者の実験では、抵抗導電膜６の固有抵抗値を０．０１Ω・ｍ以上にすれば、周方向に流れる商用周波の電流は無視できるだけ小さくなり、これにより、発生する損失も無視できることがわかった。
【００２９】
このように、抵抗導電膜６を膜厚１０〜１００μｍと固有抵抗を０．０１〜１００Ω・ｍの範囲にすることで、信頼性のある、抵抗導電膜６の周を一巡する電流による損失をなくすことが可能となる。
【００３０】
（第２の実施例）
以下、本発明の第２の実施例について、図６を参照しながら説明する。
第２の実施例では、前記第１の実施例の移行電圧防止板４の代わりに抵抗導電体である移行電圧防止板９を用いたものであり、それ以外の構成は、第１の実施例と同様である。
【００３１】
移行電圧防止板９は、図６に示すように、例えばプレスボード１０ａ，１１ａ上に抵抗導電膜特に高抵抗導電膜１０ｂ．１１ｂを形成した単位防止板１０，１１を各２個計４個周方向につないである。この場合、単位防止板１０，１０のプレスボード１０ａ，１０ａの端部は単位防止板１１，１１の高抵抗導電膜１１ｂ，１１ｂの端部と接触し、以って、高抵抗導電膜１０ｂ，１１ｂのいずれかが半径方向に必ず存在し、且つ、高抵抗導電膜１０ｂ，１１ｂが電気的に接触されない分断部が形成されるようになっている。尚、高抵抗導電膜１０ｂ，１１ｂは接地されている。
【００３２】
これにより、鉄心３（図１参照）周りに高抵抗導電膜１０ｂ，１１ｂが、１ターンを形成しないので、第１の実施例で記した抵抗導電膜６のような固有抵抗の下限値０．０１Ω・ｍの制限を受けることがない。また、移行電圧防止板９を形成する単位防止板１０，１１を、鉄心３を中心として周方向に分割し配置するので、製作性を良好に出来る。
【００３３】
（第３の実施例）
以下、本発明の第３の実施例について、図７を参照しながら説明する。
第３の実施例では、前記第１の実施例の移行電圧防止板４の代わりに抵抗導電体である移行電圧防止板１２を用いたものであり、それ以外の構成は、第１の実施例と同様である。
【００３４】
移行電圧防止板１２は、図７に示すように、円形状の絶縁筒１３を用い、その外周面に抵抗導電膜１４を形成したもので、抵抗導電膜１４は、周方向に１ターンを形成しないように、周方向が有端となる端部１４ａ，１４ａを有するものである。そして、絶縁筒１３の内周面には、抵抗導電膜１４は、半径方向に必ず存在するように、抵抗導電膜１４の端部１４ａ，１４ａ間の隙間を補間するように抵抗導電膜、特に、高抵抗導電膜１５が形成されている。この場合、高抵抗導電膜１５は、絶縁筒１３を介して抵抗導電膜１４の端部１４ａ，１４ａにオーバーラップするようになっている。
【００３５】
これにより、鉄心３周りに抵抗導電膜１４が、１ターンを形成しないので、第１の実施例で記した抵抗導電膜６のような固有抵抗の下限値０．０１Ω・ｍの制限を受けることがない。
【００３６】
（第４の実施の形態）
以下、本発明の第４の実施の形態について図８を参照しながら説明する。
第４の実施例では、下記構成以外は、前記第１の実施例と同様である。
外側巻線１へは、リード１６，１６により電力が供給されるので、移行電圧防止板４の上、下端部付近をリード１６，１６が通ることになる。
【００３７】
移行電圧防止板４は、極めて薄い抵抗導電膜６を有するので、その上、下端部には電界が集中する。そこで本実施例では、抵抗導電膜６の上、下端部にシールド１７，１７を施し、抵抗導電膜６の電界を緩和して絶縁強度を向上させる。シールド１７の構造としては、例えば、金属丸棒を円弧状に整形したものであり、機種や容量によって適切なものが選ばれ、リード１６を中心として周方向に所定の幅寸法を有する。シールド１７は、一端または両端を直接接地に落とす構造、また、一端または両端を抵抗導電膜４に接続することによっても目的を達せられる。
【００３８】
このように、外側巻線１のリード１６など電圧が高い構造物を移行電圧防止板４に近接して配置でき、変圧器のコンパクト化が可能となる。
【００３９】
（第５の実施例）
以下、本発明の第５の実施の形態について、図９を参照してしながら説明する。
前記第１の実施例の抵抗導電膜６を絶縁筒５の表面に塗布または吹きつけするなどして移行電圧防止板４を形成すると、場合により、抵抗導電膜６の表面のカーボンパウダー７が、一部が出てくる所謂染みでることがある。カーボンパウダー７は、微粒子であり、仮に変圧器内にわずかに存在しても絶縁破壊などの重大な事故を引き起こすことはない。しかし、変圧器が、定格以上の負荷で運転されるなど製作時には考慮しない運転状況となると、カーボンパウダー７の量が多くなり、寿命を決定する要因になりうる。
【００４０】
変圧器は、極めて高品質であることが要求される機器である。そこで、万一の場合でも、カーボンパウダー７の変圧器内部への拡散を防ぐために、抵抗導電膜６の表面に絶縁物を重ねる。例えば、図９のように抵抗導電膜６上に樹脂膜１８をコーティングするなどにより形成する。これにより、抵抗導電膜６からカーボンパウダー７の飛散を防止し、変圧器を更に高信頼性することができる。
【００４１】
（その他の実施例）
第５の実施例において抵抗導電膜６上に樹脂膜をコーティングする構成としたが、絶縁フィルムを重ね合わす構成としても良い。
抵抗導電体たる移行電圧防止板としては、絶縁体と抵抗導電膜との組み合わせにより構成したが、これに限らず、絶縁物を有しない抵抗導電体そのもので構成してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、巻線間に抵抗導電体を設けることにより、損失が少なく、コンパクトで製作性が良い変圧器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す全体の横断面図（ａ）およびＢ−Ｂ線に沿う断面図（ｂ）
【図２】移行電圧防止板の拡大断面図
【図３】抵抗導電膜の構造図
【図４】集中回路図
【図５】抵抗導電膜の固有抵抗−電圧移行率特性図
【図６】本発明の第２の実施例を示す移行電圧防止板の横断面図
【図７】本発明の第３の実施例を示す図６相当図
【図８】本発明の第４の実施例を示す全体の横断面図（ａ）およびＣ−Ｃ線に沿う断面図（ｂ）
【図９】本発明の第５の実施例を示す図２相当図
【図１０】従来技術を示す全体の横断面図（ａ）およびＡ−Ａ線に沿う断面図（ｂ）
【符号の説明】
１は外側巻線、２は内側巻線、３は鉄心、４は移行電圧防止板（抵抗導電体）、５は絶縁筒、６は抵抗導電膜、７はカーボンパウダー、８はエキシポ樹脂、９は移行電圧防止板（抵抗導電体）、１０は単位防止板、１０ａはプレスボード、１０ｂは高抵抗導電膜、１１は単位防止板、１１ａはプレスボード、１１ｂは高抵抗導電膜、１２は移行電圧防止板（抵抗導電体）、１３は絶縁筒、１４は抵抗導電膜、１５は高抵抗導電膜、１６はリード、１７はシールド、１８は樹脂膜である。

Claims

巻線間に抵抗導電体を配置し、抵抗導電体を接地したことを特徴とする変圧器。
抵抗導電体は、絶縁筒の周面に抵抗導電膜を施して構成され、この抵抗導電膜は、固有抵抗値０．０１〜１００Ω・ｍでかつ膜厚１０〜１００μｍであることを特徴とした請求項１記載の変圧器。
抵抗導電体は、絶縁筒の周面に抵抗導電膜を施して構成され、前記抵抗導電膜は、１ターンの形成を阻止する分断部を有することを特徴とする請求項１記載の変圧器。
抵抗導電体は、抵抗導電膜を施した複数の絶縁体を各抵抗導電膜が非接触となるようにして筒状に組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１または３記載の変圧器。
抵抗導電体は、絶縁筒の外周面もしくは内周面に、抵抗導電膜を周方向の両端部に隙間を有して形成し、内周面もしくは外周面に、抵抗導電膜を前記隙間を補間するように形成したことを特徴とする請求項１または３記載の変圧器。
抵抗導電体の端部にシ−ルドを施すことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の変圧器。
抵抗導電体は、カーボンパウダーが充填された樹脂を絶縁物上に塗布もしくは吹き付けることにより抵抗導電膜が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の変圧器。
抵抗導電膜の表面に、樹脂コーティングがされもしくは絶縁フィルムが重合されていることを特徴とする請求項７記載の変圧器。