JP2006032651A

JP2006032651A - 電気機器

Info

Publication number: JP2006032651A
Application number: JP2004209336A
Authority: JP
Inventors: Katsuzo Kondo; 克三近藤; Takehisa Miyamoto; 剛寿宮本; Toshiki Idemaru; 俊樹出丸
Original assignee: Toshiba Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】流動帯電現象による放電が発生しない状態で過負荷運転が可能な電気機器を提供する。
【解決手段】タンク内に鉄心および巻線が収容され、タンク内に絶縁媒体が充填された電気機器本体と、この電気機器本体の絶縁媒体を循環させることにより電気機器本体を冷却する冷却装置と、冷却装置を制御する冷却制御装置と、電気機器本体の絶縁媒体温度を検出する絶縁媒体温度検出手段とを備え、冷却制御装置には、流動帯電現象に起因する静電気放電が発生しない電気機器固有の無放電領域上限流量温度特性を記憶し、過負荷状態において、温度検出手段が検出した絶縁媒体温度が所定の値を越えたとき、電気機器内部と冷却装置の間を循環する絶縁媒体流量を定常状態の流量から、温度検出手段が検出した絶縁媒体温度に対応する無放電領域上限流量を超えない範囲の流量に増加させる絶縁媒体循環流量増加手段を絶縁媒体循環路に設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、絶縁油または絶縁ガスの絶縁媒体が充填された変圧器やリアクトル等の電気機器に関するものである。

変圧器やリアクトルの電気機器は、タンク内に鉄心および巻線が収容され、巻線部分は導体が絶縁紙等の固体絶縁物で絶縁された構成であり、タンク内には絶縁耐力の確保と巻線および鉄心の冷却を目的とした絶縁媒体である絶縁油が充填され、外部には絶縁油を循環させて冷却する冷却器を配置し、タンク内部と冷却器との間に強制的に絶縁媒体を循環させ、各部の温度が規定の範囲内に抑えられる構成となっている。

このような構成の電気機器の例えば絶縁媒体として絶縁油が充填された油入電気機器においては、巻線の表面を絶縁媒体が流れることにより、固体絶縁物と絶縁媒体との界面に流動帯電現象が発生し、固体絶縁物の表面に負電荷が蓄積し、その部位の直流電位が上昇し、電位が限界を超えると部分放電が発生し、これがトリガとなって、機器内部において交流絶縁破壊に至る危険性がある。
このような油入電気機器においては、流動帯電現象が発生しないように内部を循環する絶縁媒体の流速を低速に設定して流動帯電現象が発生しないように構成されている。

絶縁媒体が絶縁油の場合の流動帯電現象は、非特許文献１の第ＩＩＩ編〔流動帯電に関する保守管理〕に示されており、その７１頁の第２−１−１図の流動帯電メカニズムの概念図に示されているように、電荷移動、電荷分離、電荷緩和の３つの基本過程から成り立っている。
電荷移動過程においては、絶縁油（液体）と絶縁紙（固体絶縁物）とが接していると絶縁紙に正負イオンの内一方のイオン（負イオン）が選択的に吸着され、他方のイオン（正イオン）がその近傍の絶縁油内に分布して電気二重層を形成する。
電荷分離過程においては、電荷が移動した状態で、絶縁油が流動すると、絶縁紙近傍の絶縁油中に分布している正イオンは、負イオンから分離されて絶縁油とともに運び去られ、絶縁油中の正負イオンがアンバランス状態になる。
電荷緩和過程においては、絶縁紙に吸着されていた負イオンおよび流れ去った正イオンは互いに束縛から開放され、通電路もしくは絶縁油中において緩和し、帯電イオンは次第に電気的に中和し消滅する。

油入電気機器の内部における絶縁紙と絶縁油との間の帯電現象は、非特許文献１の７１頁の第２−１−２図に示されているように、絶縁紙（セルロース）表面に水酸基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）等の極性基が存在し、その中の酸素は電気陰性度が大きく水素の電子を引きつけて表面の水素が正に分極し、絶縁油中の負イオンを選択的に吸着することにより、絶縁紙が負、絶縁油が正に帯電する。

油入電気機器内において発生した流動帯電現象による電荷は、上記の３つの基本過程の起こりやすさと関連しており、３つの基本過程のすべてを含んで総合的に油入電気機器内の流動帯電性の大小を表す尺度として中性点巻線漏れ電流（以下巻線漏れ電流という）が挙げられる。すなわち、巻線漏れ電流が静電気放電の発生限界と関連するために油入電気機器内での静電気放電の危険性を判断する基準値として用いられる。非特許文献１の７３頁の第２−２−５図に静電気放電発生下限流量の温度特性が示されている。この図における流量は、放電が発生する下限流量を１ｐｕとして示したものであり、放電発生の下限流量および巻線漏れ電流は温度依存性がある。
このことは巻線漏れ電流を計測することにより、流動帯電現象による油入電気機器内の放電現象を予知することが可能であることを示すものである。
しかし、実際の油入電気機器において、巻線漏れ電流の測定を運転状態で測定することは、電流値が小さく、周囲のノイズが影響して測定することは困難であり油入電気機器を停止しなければ測定することができないという問題点がある。

実際の油入電気機器において、停止しなくても流動帯電性が把握できる方法として、絶縁油の帯電度を測定することが行われている。巻線漏れ電流と絶縁油の帯電度の関係は非特許文献１の７２〜７３頁の２−２−２〔中性点巻線漏れ電流と流動帯電との関係〕に示されている。

絶縁油の帯電度の測定方法は、非特許文献１の１３３頁の第ＩＩＩ編第７章〔測定技術〕の７−２−１〔帯電度測定方法〕に示されている。帯電度測定装置としては、国内外において各種が開発され、機器製造者毎に異なった評価方法が採られており、まだ統一された方法で行われていないが、その中で非特許文献１の１３３頁の第７−２−５図に示されたミニ静電テスタが比較的多くの機関で使用されている。このミニ静電テスタは、ジェット燃料の帯電度を測定するために考案されたものであり、油入電気機器に対しては静電気発生部のフィルタを紙フィルタに変えたものであり、油入電気機器（変圧器）における流動帯電を捉えることができるものであり、装置の製作が簡便な上、再現性に優れているので広く使用されている。

油入電気機器（変圧器）の流動帯電に影響する因子として、巻線に印加される交流電界の大きさや温度、絶縁油の体積抵抗率、誘電正接、油中水分量、絶縁油内に含まれる不純物の含有量などがあげられ、それらの要因と帯電度に対する影響は、非特許文献１の７４頁〜８６頁に説明されている。

油入電気機器において、絶縁油循環による冷却効果を損なうことなく、絶縁油と固体絶縁物の接触摩擦によって発生する流動帯電現象を防止した構成として、例えば特許文献１に示された送油式変圧器がある。
特許文献１の図１に示された油入電気機器（特許文献１では変圧器と呼称しているが、以下この明細書では油入電気機器と呼称する）は、コイルと鉄心からなる油入電気機器本体を収納し絶縁媒体として絶縁油を充填したタンクと、その外部に冷却器と油ポンプとで構成された複数台の冷却装置とを備え、絶縁油の循環路は、各冷却器の上部とタンクの上部との間は上部配管で連通し、各冷却器の下部は共通油道で互いに連通し、共通油道とタンク下部とを下部配管で連通し、共通油道とタンク上部との間の途中に流量調節弁を配置した側管を設けた構成であり、冷却器の油流が油入電気機器の負荷量に応じた油流となるように油ポンプの回転速度が制御され、油入電気機器に循環する絶縁油流量は、流量調節弁制御装置により、側管に設けられた流量調節弁の流体抵抗値が油入電気機器の内部で流動帯電現象が発生しない適性油量となるように制御される構成である。

このように構成したことにより、冷却装置の冷却能力が負荷に対応して確保され、油入電気機器本体には適正な油量が供給されるので、変圧器全体として、流動帯電現象による放電が発生することなく、負荷に応じた冷却能力が確保される。

また、特許文献１の図２の構成では、図１の構成に対して、共通油道とタンク下部との間の下部配管の途中に流量調節弁を配置した構成としている。

この構成は、負荷変動に応じて、冷却装置が冷却器制御装置によって、油ポンプの回転速度を制御して、冷却装置に流れる絶縁油量を制御し、流量調節弁制御装置により、流量調節弁の流体抵抗を制御して油入電気機器本体に適正な流量の絶縁油が流入する。

この構成においても、冷却装置の冷却能力が負荷に対応して確保され、油入電気機器本体には適正な油量が供給されるので、変圧器全体として、流動帯電現象による放電が発生することなく、負荷に応じた冷却能力が確保される。

また、特許文献１の図３の構成では、図２の構成に対して、流量調節弁と共通油道との間に流量計を配置した構成としている。

この構成では、負荷変動に応じて、冷却装置が冷却器制御装置によって、油ポンプの回転速度を制御して、冷却装置に流れる絶縁油量を制御し、流量計により油入電気機器に流入する流量を監視し、流量調節弁制御装置により、油入電機器機本体の循環油量が適正な流量となるように制御している。

電気協同研究・第５４巻・第５号・（その１）「油入変圧器の保守管理」特開２０００−２７７３４９号公報

絶縁油または絶縁ガスの絶縁媒体が充填された変圧器、リアクトルのような電気機器においては、電気機器本体の巻線部分の絶縁媒体流量は流動帯電現象が発生しない流量に抑えた構成となっており、電力系統の運用上、電気機器の寿命を犠牲にしても過負荷運転する場合がある。この場合、通常の絶縁媒体が充填された電気機器では、流動帯電現象が生じないように絶縁媒体の流速を低速に抑えた状態を維持する必要がある。絶縁媒体の流速を抑えた電気機器が過負荷状態になると、内部を循環する絶縁媒体の温度に対して巻線の温度が高くなるので、許容できる過負荷量が制限される問題点があった。

また、特許文献１に示された油入電気機器では、油入電気機器本体部分の絶縁媒体の循環流量を流動帯電が発生しない流量に抑え、冷却器部分の循環流量を多くすることにより冷却装置の冷却能力を高めて過負荷を可能にしているが、油入電気機器本体内の絶縁媒体流量を流動帯電現象が発生しない流量に抑えているので、上記の場合と同様に、過負荷運転時には、電気機器内部を循環する絶縁媒体の温度に対して巻線の温度が高くなり、冷却装置部分の絶縁媒体の循環流量を多くしても、許容できる過負荷量が制限される。
さらに、冷却器部分のみ絶縁媒体流量を多くするために電気機器部分をバイパスする側管を設け、冷却制御装置と流量調整弁を制御する流量調整弁制御装置が必要であり、電気機器の構成が複雑となる問題点があった。

この発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、電気機器内部の絶縁媒体の循環流量を過負荷に応じた流量としても、流動帯電現象による放電が発生しない状態で過負荷運転が可能な電気機器を提供することを目的とするものである。

この発明に係る電気機器は、タンク内に鉄心および固体絶縁物で絶縁された巻線が収容され、タンク内に絶縁媒体が充填された電気機器本体と、この電気機器本体に充填された絶縁媒体を循環させることにより電気機器本体を冷却する冷却装置と、冷却装置を制御する冷却制御装置と、電気機器本体の絶縁媒体温度を検出する温度検出手段とを備え、冷却制御装置には、固体絶縁物に対して絶縁媒体の流動によって発生する流動帯電現象に起因する静電気放電が発生しない電気機器固有の無放電領域上限流量温度特性を記憶しておき、過負荷状態において、温度検出手段が検出した絶縁媒体温度が所定の値を越えたとき、電気機器内部と冷却装置の間を循環する絶縁媒体流量を定常状態の流量から、温度検出手段が検出した絶縁媒体温度に対応する無放電領域上限流量を超えない範囲の流量に増加させる絶縁媒体循環流量増加手段を絶縁媒体循環路に設けたものである。

電気機器の過負荷運転時の絶縁媒体流量を、絶縁媒体温度に対応する無放電領域上限流量を越えない範囲で定常状態の流量から増加させることにより、電気機器の流動帯電現象による放電が発生することなく、過負荷運転が可能で、過負荷量も多くできる電気機器が得られる。

実施の形態１．
実施の形態１は、タンク内に鉄心と巻線が収容され、タンク内に絶縁媒体として絶縁油が充填された電気機器本体と、外部に配置された冷却装置とで構成され、電力系統に接続されて使用される変圧器等の電気機器において、流動帯電現象が発生しない状態を確保して過負荷量が大きくとれるように構成したものである。

タンク内に鉄心と固体絶縁物で絶縁された巻線とが収容され、タンク内に絶縁油が充填された電気機器本体と、外部に配置された冷却装置とで構成している。電気機器本体と冷却装置との間に絶縁油を循環させて冷却する電気機器の流動帯電現象については、上記の非特許文献１に詳細に示されている。
この構成における流動帯電現象は、巻線に施された固体絶縁物の表面を流れる絶縁油の流量が多くなることによって、負イオンが固体絶縁物に吸着され、正イオンは絶縁油中に分布し、絶縁油の流れによって負イオンから分離して運び去られ、油中正イオンの電荷は巻線上部のタンクやカバーに緩和し、ほとんど帯電していない状態で巻線内に戻る循環を繰り返し、巻線に入ってくる油中電荷によって緩和して重畳され巻線漏れ電流となる。この巻線漏れ電流を測定することにより流動帯電現象の状況が把握できる。

非特許文献１の第７４頁〜７５頁に流速の影響、油温の影響が示されている。流動帯電に影響する因子として流速または流量は、電荷分離および電荷緩和に大きく影響し、油温が上昇すると電荷発生量は増加するが、その一方で導電率が低下するので緩和時間が短くなり、漏れ電流はある温度でピークを示すことが、例えば内鉄形変圧器の場合の巻線中性点漏洩電流の温度特性として、非特許文献１の第７５頁の第２−３−４図に示されている。この図には各絶縁油流量に対して放電が発生する漏れ電流の下限値が示されている。
また、非特許文献１の第７５頁の第２−３−４図に示された温度特性のように、巻線漏れ電流温度特性から、流動帯電による放電が発生する下限流量の温度特性の、例えば非特許文献１の第７３頁の第２−２−５図のような「静電気放電発生下限流量の温度特性」を求めることができる。この図における流量は、放電が発生する下限流量を１ｐｕとして示したものである。この図には巻線漏れ電流の温度特性も示されている。
実際の電気機器の絶縁油流量は、放電が発生する下限流量以下に設定されている。

電力系統の負荷が増大して、供給する電気機器の容量よりも大きな負荷を供給する必要が生じると、電気機器の寿命を犠牲にして電力供給を続けることが行われている。この場合には、電気機器が過負荷状態であっても流動帯電現象による放電が生じないように、絶縁油流量は、通常の使用状態の流量で運転され、内部の最高点温度が過負荷時に許容される所定の温度の上限となる過負荷量で運転される。したがって、過負荷量はあまり大きくできないのが実態である。

上記の非特許文献１の第７３頁の第２−２−５図と同じような図１に示す静電気放電発生下限流量の温度特性を対象とする電気機器毎に求め、これを無放電領域上限流量とし、過負荷運転時には、無放電領域上限流量を越えない流量まで増加させても、過負荷運転時の流動帯電現象が発生しない状態が確保できる。

図２は実施の形態１の電気機器の構成を示す模式図である。この構成は、タンク１の内部に鉄心２および巻線３が収容された電気機器本体１０と、電気機器本体１０の外部に配置された冷却器５と、冷却器５の下部を下部配管７により循環ポンプ６を介してタンク１の下部に接続し、冷却器５の上部を上部配管８により過負荷時運転循環ポンプ９を介して接続した構成の冷却ユニットとし、図示はしていないが複数の冷却ユニットで冷却装置２０が構成されている。絶縁油の温度はタンク１の上部に備えられた温度検出手段１１により検出する。冷却制御装置２０は冷却制御装置１２により制御する。
過負荷時運転循環ポンプ９は、定常状態で運転されているときは、循環ポンプ６による流れで空転しており、過負荷になって循環ポンプ６に加えて、過負荷時運転循環ポンプ９が運転されると、流速が早くなり流量が増加する。
冷却制御装置１２には、予め調査された電気機器本体１０の無放電領域上限流量温度特性を記憶しておく。

次に、図２の電気機器の過負荷運転時の制御方法について説明する。
過負荷前の電気機器は負荷率１００％以下の状態から過負荷状態になった場合には、温度検出手段９が検出した絶縁媒体温度が負荷率１００％のときの油温を越え、過負荷時に許容される所定の油温に達した時点で検出油温に対応する無放電領域上限流量を越えない流量になるように、過負荷時運転循環ポンプ９の運転台数を決定して運転し、油温に対応した流量になるように制御する。

このように過負荷時に絶縁油温度の上昇を待って油温に対応する流量となるように過負荷時運転循環ポンプ９の台数を決定して運転することにより、電気機器内部での流動帯電現象が発生することなく、流量を増加させた過負荷運転が可能となる。
絶縁油温度に対応する無放電領域上限流量を越えない範囲で絶縁油流量を増加させると、電気機器内部の流動帯電現象の発生がなく、流速を変えないで過負荷運転する場合よりも、過負荷運転中の巻線温度と絶縁油温度との温度差が小さくなる。したがって、巻線の許容温度に対する冷却装置に通流する絶縁媒体温度が高くなり冷却効率がよくなる。したがって、電気機器の過負荷量を多くすることができる。

図２の構成では、過負荷時運転循環ポンプ９が上部配管８の部分に配置した構成であったが、図３に示すように、下部配管７の部分に配置しても流量を増加させる動作は同一であり、過負荷時運転循環ポンプ９の配置位置は上部配管８の部分、下部配管７の部分のいずれであってもよい。

また、図２および図３の構成における流量を増加させる手段は、過負荷時運転循環ポンプ９を運転することで対処しているが、過負荷時運転循環ポンプ９を設けないで、循環ポンプ６の回転数を上げて流量を増加させるようにしてもよい。この場合は循環ポンプ６の制御は可変電圧可変周波数電源装置を設け、電源装置の出力周波数を高くして運転することで油量を増加させることができる。

絶縁媒体を絶縁ガスとした電気機器についても同様の流動帯電現象があり、流動帯電現象を回避して過負荷運転する場合は、上記と同様に電気機器の無放電領域上限流量の温度特性を明確にし、絶縁媒体（絶縁ガス）の流速を絶縁媒体温度に応じて絶縁媒体流量を制御することで、流動帯電現象を回避して過負荷運転できる構成となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、冷却器５はユニット毎に循環ポンプ６、過負荷時運転循環ンプ９を設けた構成としていたが、実施の形態２は、冷却器台数が複数の場合に多く採用されているように、冷却器５の下部で共通油道１５により並列接続し、共通油道１５とタンク１の下部に循環ポンプ６を介して接続した構成である。

図４は実施の形態２の電気機器本体と冷却器の配置状態を示す平面図である。図４（ａ）は電気機器本体１０を横方向に切断した平面図であり、図４（ｂ）は電気機器本体部分を断面で示した側面図である。図４の構成は、変圧器本体１０が実施の形態１と同様に鉄心２と巻線３をタンク１に収容し、外部に冷却器５および予備冷却器５ｘを複数台設置し、冷却器５および予備冷却器５ｘの下部で共通油道１５により接続し、共通油道１５と電気機器本体１０の下部との間は複数の下部配管１７により複数の循環ポンプ１６および逆止弁１９を介して接続し、冷却器５、５ｘの上部は、冷却器５、５ｘ毎に上部配管１８によりタンク１上部に接続している。
この図４の構成では、冷却器５の４台が常時運転され、図に斜線を施した循環ポンプ１６は斜線で示した２台については、過負荷時に運転する過負荷時運転循環ポンプ１６ｘとする。冷却装置２０は、冷却制御装置１２により制御する。

この構成においても、実施の形態１と同様、予め調査された図１に示す対象電気機器固有の無放電領域上限流量温度特性を記憶しておく。

次に、図４の電気機器の過負荷運転時の制御方法について説明する。
過負荷前の電気機器は負荷率１００％以下の状態から過負荷状態になった場合には、温度検出手段１１が検出した温度が負荷率１００％の状態の温度を越え、過負荷時に許容される所定の温度に達した時点（図中のＴｍ点）から検出油温に対応する無放電領域上限流量を越えない範囲の絶縁油流量になるように、過負荷時運転循環ポンプ１６ｘの運転台数を決定して運転し、検出油温に対応する流量になるように制御する。過負荷量が大きい場合は、過負荷量に応じて予備冷却器５ｘも運転することで対応できる。

このように過負荷時に絶縁油温度の上昇を待って油温に対応する流量となるように過負荷時運転循環ポンプ１６ｘを運転することにより、電気機器内部での流動帯電現象が発生することなく、流量を増加させた過負荷運転が可能となる。
絶縁油流量を検出温度に対応する無放電領域上限流量を越えない範囲で増加させると、流速を変えないで過負荷運転する場合よりも、過負荷運転中の巻線温度と絶縁油温度との温度差が小さくなる。したがって、巻線の許容温度に対する冷却装置に通流する油温が高くなって冷却効率がよくなり、電気機器の過負荷量を多くすることができる。
また、通常運転されている冷却器５に加えて、予備冷却器５ｘも運転するとさらに過負荷量を大きくすることができる。

上記の絶縁油流量を増加させる手段は、過負荷時運転循環ポンプ１６ｘを運転することで対処しているが、過負荷時運転循環ポンプ１６ｘを設けないで、循環ポンプ１６の回転数を上げて流量を増加させるようにしてもよい。この場合は循環ポンプ６の制御は可変電圧可変周波数電源装置を設け、この電源装置の出力周波数を高くして運転することで流量を増加させることができる。また、出力周波数を増加させる流量によって選択することで細かな流量制御が可能となる。

上記と同様の絶縁媒体を絶縁ガスとした電気機器についても同様の流動帯電現象があり、流動帯電現象を回避して過負荷運転する場合は、上記と同様に電気機器の無放電領域上限流量温度特性を明確にし、絶縁媒体（絶縁ガス）の流速を絶縁媒体温度に応じて絶縁媒体流量を制御することで、流動帯電現象を回避して過負荷運転に対応できる構成となる。

電気機器の無放電領域上限流量温度特性を示す図である。実施の形態１の電気機器の構成を示す模式図である。実施の形態１の他の電気機器の構成を示す模式図である。実施の形態２の電気機器本体と冷却器の配置状態を示す模式図である。

符号の説明

１タンク、２鉄心、３巻線、５冷却器、６循環ポンプ、７下部配管、
８上部配管、９過負荷時運転循環ポンプ、１０電気機器本体、
１１温度検出手段、１２冷却制御装置、１５共通油道、１６循環ポンプ、
１６ｘ過負荷時運転循環ポンプ、２０冷却装置、３０冷却装置。

Claims

タンク内に鉄心および固体絶縁物で絶縁された巻線が収容され、上記タンク内に絶縁媒体が充填された電気機器本体と、該電気機器本体と絶縁媒体循環路により接続され、絶縁媒体を循環させることにより上記電気機器本体を冷却する冷却装置と、該冷却装置を制御する冷却制御装置と、上記電気機器本体の絶縁媒体温度を検出する温度検出手段とを備え、上記冷却制御装置には、上記固体絶縁物表面を上記絶縁媒体が流動することによる流動帯電現象に起因する静電気放電が発生しない上記電気機器固有の無放電領域上限流量温度特性を記憶しておき、過負荷状態において、上記温度検出手段が検出した上記絶縁媒体温度が所定の値を越えたとき、上記電気機器内部と上記冷却装置の間を循環する絶縁媒体流量を定常状態の流量から、上記温度検出手段が検出した上記絶縁媒体温度に対応する無放電領域上限流量を超えない範囲の流量に増加させる絶縁媒体循環流量増加手段を上記絶縁媒体循環路に設けたことを特徴とする電気機器。
上記絶縁媒体循環流量増加手段は、上記絶縁媒体循環路に直列に設けられた過負荷時運転循環ポンプであることを特徴とする請求項１記載の電気機器。
上記冷却装置は、並列配置した複数の冷却器下部を共通流路で連通し、この共通流路と上記電気機器タンク下部との間に定常状態で運転する循環ポンプ備えた複数の下部配管で接続した構成とし、上記絶縁媒体循環流量増加手段は、上記共通流路と上記電気機器タンクとの間に、上記下部配管と並列に設けられた過負荷時運転循環ポンプであることを特徴とする請求項１記載の電気機器。