JP2007221047A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた除湿能力を継続的に発揮できる吸着剤を備えることにより、流体絶縁物から確実に水分を除去でき、長期に渡って流体絶縁物の維持管理が可能となる信頼性・安全性の高い変圧器を提供する。
【解決手段】絶縁油１０の循環を行う配管系統上に高分子系のフィルム材料４を介して吸着剤ケース６を着脱自在に取り付ける。この吸着剤ケース６内に吸着剤袋１２内に入れた水分吸湿用の吸着剤１７を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁油等の流体絶縁物を充填した変圧器に係り、特に、流体絶縁物中の水分を吸着するための吸着剤を備えた変圧器に改良を加えたものである。

一般的に、変圧器は絶縁油(トランス油)やパーフルオロカーボン液等の流体絶縁物を充たした容器内に、鉄心や巻線等の変圧器中身を収納することによって構成されている。そのため、変圧器の絶縁性能は流体絶縁物に大きく依存している。また、流体絶縁物は変圧器に対する絶縁性能以外にも、冷却性能に大きな役割を果たしている。

変圧器は電力系統の効率や安定運用のためには不可欠な電気機器であって、様々な工夫がなされている。例えば、鉄心や巻線等の中身の絶縁性能をさらに向上させるために、流体絶縁物と共に、固体絶縁物として絶縁紙やプレスボード等を用いて複合絶縁構成とした変圧器がある。さらに、流体絶縁物の劣化を防止する対策として、流体絶縁物が外気に触れないよう、窒素を容器に封入して流体面上を窒素で充たした方式の変圧器が提案されている。

ところで、機器内部で異常過熱や絶縁劣化が発生すると、流体絶縁物から発生した分解ガスや絶縁物の劣化生成物が流体絶縁物に溶け込み、流体絶縁物の化学的物性に変化が生じてくる。前述したように流体絶縁物は変圧器の絶縁性能及び冷却性能を大きく左右する要素なので、機器の性能を長期的に維持し保全する観点から、流体絶縁物の状態を正確に把握しておくことは不可欠であった。

ここで、流体絶縁物である絶縁油の劣化モードについて具体的に説明する。機器運転状態では、温度が変化して外気間で呼吸作用が働き、ブリーザ（吸湿呼吸器）不良やパッキン等シール部劣化或いは締結不良、外装タンクの腐食等による気密不良や油漏れ等により絶縁油に空気中の酸素や水分が混入する。

絶縁油中に混入した酸素や水分は、変圧器中身の鉄心や巻線に用いられている鉄や銅と接触し、運転中の温度上昇が加わると、絶縁油の酸化が促進されて、絶縁油の酸価(酸性有機物質の総量)が増大する。その結果、絶縁油と金属類が化合してスラッジが生成される。変圧器の内部に絶縁紙やプレスボード等の固体絶縁物を有する場合、これらの固体絶縁物や鉄心や放熱面等に前記スラッジが付着する。これにより、変圧器の冷却効果の低下を招き、温度上昇が著しくなって絶縁物の熱劣化が加速されることになる。

このような絶縁劣化状態で機器の運転を続けると、過電圧等によって部分放電が発生することがある。また、外部からのサージや外部短絡時の電気的又は機械的ストレスで絶縁破壊に至ることになる。さらに、絶縁物自体も劣化生成物の溶解によって吸水性を増すことになり、絶縁抵抗の低下やtanδの増加など絶縁性能がさらに低下するおそれがある。以上のように絶縁油の劣化は変圧器の性能低下を導くことになり、しかも変圧器は製造及び運転されて数十年経過した物も多いので、絶縁油の維持管理は深刻な問題となっていた。

特に、絶縁油中に存在する水分の管理は極めて重要な問題となっている。図５のグラフは絶縁油の吸湿量と絶縁破壊電圧の関係を示しているが、ここからも明らかなように、絶縁油吸湿量が３０〜４０ｐｐｍを超えると絶縁破壊電圧が急激に低下している。変圧器の絶縁油中の水分コントロールはIEEE Electrical Insulation Magazin January/February 2004 Vol,No1 Drying of Transformaer Insulation using Zeoliteによれば、絶縁油入り変圧器の水分管理を行うために、絶縁油中の水分を除去する吸着剤を種々用いた実験検証がなされており、市場のニーズがあることを示していると思われる。

ここで、図６を用いて、吸着剤を備えた変圧器の従来例について、具体的に説明する。変圧器の本体タンク１には、絶縁油１０が充たされており、鉄心や巻線などからなる変圧器中身２が収納されている。つまり、変圧器中身２は絶縁油１０に浸漬された状態下にある。また、本体タンク１は窒素９でブリーザ８よりの外被を遮断し覆うように構成されている。

さらに、本体タンク１には循環用モータ５にて絶縁油１０の循環を行う配管系統が接続されており、配管系統には配管バルブ３が複数設置されている。この配管系統の中間部にゼオライト系の吸着剤７が封入されている。なお、配管系統において、吸着剤７の下流側にはフィルタ１４が、上流側にはドレイン１５が、配置されている。

このような構成を有する変圧器によれば、絶縁油１０が配管系統を循環する際、吸着剤７を通過し、吸着剤７が絶縁油１０中の水分を吸湿する。そのため、絶縁油１０に混入した水分を除去することができ、絶縁油１０の絶縁性能及び冷却性能を保持して、変圧器の性能を維持することが可能である。

以上のような吸着剤を備えた従来例としては、特許文献１に記載した技術も提案されている。この技術は、絶縁油中に封入した吸着剤中の吸着成分を分析することで機器の予測保全を行うようにした点に特徴があり、絶縁油の脱気処理を行わないので脱気処理の条件により分解生成物の量が大幅に変動するといった不具合を回避できる。したがって、機器異常を的確に察知可能であるといった効果がある。
特開平８−２４１８１７号公報

しかしながら、上記図６に示した従来例には次のような問題点が指摘されていた。すなわち、吸着剤７を絶縁油１０の配管系統中に封入した変圧器では、吸着剤７が絶縁油１０に直接接触するため、吸着剤７には絶縁油１０中の水分だけではなく油分も吸着されることになる。このとき、吸着剤７は水分よりも先に油分を吸着するため、吸着剤７の除湿能力は短期間で失われることになった。

吸着剤７の除湿能力低下により、絶縁油１０から水分を除去しづらくなり、絶縁油１０を長期に渡り正常な状態に維持していくことは困難となっていた。吸着剤７の有効性は、従来の実験検証の結果からも確認されているが、その検証期間は数ヶ月と短いものであった。しかし実際の納められた機器は、数十年といったスパンで使用されており、長期の機器信頼性の検証が要請されていた。

また、複合絶縁構成の変圧器では、流体絶縁物中に存在する水分が本来意図しない形で、固体絶縁物に吸着される可能性がある。このため、流体絶縁物中の水分を優先的に吸湿し、固定絶縁物中の水分も流体絶縁物を媒体に吸湿する機能が求められている。さらに、機器メンテナンスの実施後、機器内部に残留してしまった極微妙の流体絶縁物中の水分の扱いについても留意する必要がある。この点からも、流体絶縁物中の水分を確実に除去することが期待されていた。

以上述べたように、流体絶縁物を充たした変圧器において、流体絶縁物中に吸着剤を風に有した場合、吸着剤の除湿能力が短期間で低下するため、安定して絶縁油を維持管理することは困難であった。本発明は、このような課題を解消するために提案されたものであり、その目的は、優れた除湿能力を継続的に発揮できる吸着剤を備えることにより、流体絶縁物から確実に水分を除去でき、長期に渡って流体絶縁物の維持管理が可能となる信頼性・安全性の高い変圧器を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、流体絶縁物を充たした容器内に、鉄心および巻線を含む変圧器中身を収納すると共に、前記流体絶縁物中の水分を吸湿するための吸着剤を備えた変圧器において、片面だけが前記流体絶縁物と接触するように高分子系のフィルム材料を設置し、前記フィルム材料の前記流体絶縁物と接触しない非接触面側に、前記吸着剤を封入したことを特徴としている。

本発明では、フィルム材料を介して吸着剤を封入するので、水分吸湿を行う吸着剤と流体絶縁物との間にフィルム材料が存在することになり、吸着剤が流体絶縁物に直接接触しない。このため、吸着剤は流体絶縁物を吸着することがなく、優れた除湿能力を長期間保持することが可能となる。これにより、流体絶縁物中に存在する水分を確実に除去することができる。

本発明の変圧器によれば、フィルム材料を設けて吸着剤と流体絶縁物の接触を避けることにより、吸着剤の除湿能力の低下を回避でき、流体絶縁物から長期に渡って水分を除去することが可能となり、流体絶縁物の維持管理を安定して実施でき、信頼性・安全性の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る代表的な実施形態について、図１を参照して具体的に説明する。本実施形態は図６の従来例と同じく絶縁油入りの変圧器である。そのため、図６に示した従来技術と同一部分に関しては同一符号を付して説明は省略する。

（本実施形態の全体構成）
図１に示すように、本実施形態の構成上の特徴は、絶縁油１０の循環を行う配管系統上に高分子系のフィルム材料４を介して吸着剤ケース６を着脱自在に取り付け、この吸着剤ケース６内に吸着剤袋１２内に入れた水分吸湿用の吸着剤１７を設けた点にある。なお、吸着剤袋１２は、吸着剤ケース６内に収納する位置にもよるが、電界がかかる部分に置かれる可能性も考えられる。空気が残留した場合には、絶縁油１０との誘電率の違いにより空気側で電界集中するので出来る限り避ける必要がある。

また、フィルム材料４から見て吸着剤ケース６の手前、つまり配管系統側には油道１６が設置され、その端部にガス検出器１１が配置されている。ガス検出器１１は、機器の異常時に絶縁油１０中に発生する異常時発生ガスを検出するための装置である。異常時発生ガスとは、メタンガス，エタンガス，エチレンガス，アセチレンガス，一酸化炭素，二酸化炭素などである（但し、一酸化炭素・二酸化炭素は、健全な変圧器でも運転前後に発生する）。

（フィルム材料４の構成）
高分子系のフィルム材料４は、耐油性の薄いフッ素樹脂シートからなる。フッ素系樹脂を含む通常のプラスチックフィルムの透湿度は、数十g/m²-24hr/25μm、９０％ＲＨ である。仮に透過度を２０として９０％ＲＨ雰囲気中に吸着剤１７を３００mm×３００mmの吸着剤袋１２内に封入して置いた場合の水分透過量を試算すると、２０×０．０９×２=３．６g /24hr/25μmの数値が得られるようになっている。

（吸着剤ケース６及び吸着剤１７の構成）
吸着剤ケース６は、開口部６ａが形成されており、この開口部６ａがフィルム材料４に対して着脱自在に取り付けられている。吸着剤ケース６を取り付けている部分は、そこから吸着剤ケース６を外した後は、別のカバーを仮に設置可能な締結構造となっている。また、吸着剤１７は粒子状のゼオライト系の吸着剤からなる。

（本実施形態の作用効果）
以上の構成を有する本実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、絶縁油１０内部に侵入した或いは内在する水分は、フィルム材料４を容易に通過する。フッ素系のフィルム材料４は耐油性だけでなく、水分の透過性にも優れており、水分の除去に適している。フィルム材料４を水分が透過することは、一般的に用いられている市販のシリカゲル等がフィルム系材料に封入されていることから容易に理解できることである。

フィルム材料４を通過した水分は、吸着剤１７に吸着されるため、変圧器中身２の吸湿を防ぐことができる。また、吸着剤１７はフィルム材料４で絶縁油１０から遮断されているので、直接絶縁油１０に触れておらず、吸着剤１７に油分が吸着しない。したがって、吸着剤１７の除湿能力が損なわれる心配が無い。これにより、吸着剤１７は優れた除湿能力を長期間に渡って保持することができ、絶縁油１０中の水分を確実に除去することができる。

ところで、吸着剤１７は吸着水分飽和量に達した場合に、吸着剤１７の交換を余儀なくされる。また、吸着剤１７に吸着している水分に関しては、その量を測定して機器内部状態を診断する材料の一つとすることができるので、所望のタイミングで吸着剤１７を取り出すことが望まれる。

したがって、吸着剤１７の交換・点検作業には優れた作業性が要求されるが、本実施形態では、吸着剤ケース６が配管系統部分に対して着脱自在なので、吸着剤ケース６を取外して、内部に装着された吸着剤7を容易に取替えることができる。この時、吸着剤１７は粒子状なので詰め替え作業も簡単である。しかも、吸着剤ケース６を取外した部分は締結構造なので、ここに別のカバーを設置することにより安全性も確保することができる。

次に、吸着剤袋１２の作用効果について、これを使用しない場合と比べながら説明する。まず、金属製の試験容器(2000ｍｌ)を３個用意して、内部に脱気絶縁油10を入れる。さらに、試験容器内部に吸着剤１７をそのまま入れた場合と、吸着剤１７をフッ素樹脂シート袋に入れた場合と(ふっ素の１種類であるＦＥＰ-四ふっ化エチレン六ふっ化プロピレン-の袋内に約５０gのゼオライト系吸着材を入れ、減圧処理した後、口を熱融着したもの)、何も入れなかった場合の３ケースについて調査した。

この試験容器を水の張った箱内に納め、所定時間ごとに絶縁油１０の一部を抜き取り、水分量を測定した。測定結果の概要を図２のグラフに示す。このグラフから分かるように吸着剤１７を吸着剤袋１２内に入れた場合（図２では「袋入り吸着剤」のグラフ）、６０日が経過しても試料の水分は低レベルに維持されている。

これに対して、吸着剤を入れなかった場合（図２では「吸着剤なし」のグラフ）は、「袋入り吸着剤」と比べて、２０日を過ぎた時点で水分量は４倍以上となり、６０日が経過した時点では水分量は６倍以上に達する。また、袋を省いて吸着剤だけを入れた場合（図２では「吸着剤あり」のグラフ）と比べても、最初の数日間は「吸着剤あり」の方が「袋入り吸着剤」よりも水分レベルが低いものの、６０日が経過した時点では水分量は「袋入り吸着剤」の約５倍となる。このように吸着剤１７を吸着剤袋１２内に入れれば、長期に渡って吸着剤１７の効果が継続することが確認できた。

（他の実施形態）
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、例えば、吸着剤１7の材質としては、現在送変電機器一般に使用されている活性アルミナなどを利用可能である。また、高分子系のフィルム材料４が吸着剤ケース６の開口部６ａに無く、フィルム材料４を直接吸着剤袋１２として代用しても良い。すなわち、吸着剤１７を減圧下で吸着剤袋１２内に封入し、吸着剤袋１２の開口部を熱融着により密封した実施形態も包含する。

また、フィルム材料として、複数の筒状の中空糸モジュール１３を吸着剤ケース６の開口部６ａに具備することもできる。中空糸モジュール１３の配置構成としては、絶縁油１０側に迫り出してもよいし（図３参照）、吸着剤ケース６側に迫り出してもよい（図４参照）。

モジュール１３の中には高分子系分離膜が細い中空糸状の束になって納められている。中空糸では、内部を通る絶縁油１０の水分子だけ（気体の一部も通過する）が壁を浸透して外部に移動するため、中空糸を通ることで乾燥状態の絶縁油１０が得られることになる。ここで、中空糸膜の除湿原理を詳しく解説する。中空糸膜の内外を隔てて水蒸気分圧の異なる空気（湿潤空気と乾燥空気）が存在すると、水分子は水蒸気分圧の高い側から低い側へ膜内を移動し、水分子の透過が起こる。中空糸膜方式除湿装置はこの原理を応用したもので、中空糸膜を数百本束ねたものを除湿モジュールと呼ばれており、市販されているものもある。

湿潤状態の液体は、除湿モジュールの入口から中空糸の内側に供給され、出口から乾燥状態になって吐出される。膜材質は、本目的に適用するには耐油性が必要となり、フッ素系フィルムかポリイミドの中空糸で構成する必要がある。芳香族ポリイミド膜は水蒸気を透過しやすく、また有機化合物の蒸気を透過しにくいという性質があり、先に述べたフッ素系のフィルム材料と同様に活用することができる。

図３、図４に示した実施形態によれば、中空糸モジュール１３が絶縁油１０側に迫り出しているので絶縁油１０との接触面積を大きく取ることができる。したがって、効率よく絶縁油１０の水分を透過させることができ、吸着剤１７は水分だけを吸着することになる。すなわち、吸着剤１７を絶縁油１０と独立させて存在させることができ、吸着剤１７の除湿能力が低下することがなく、絶縁油１０を長期に渡って正常な状態で維持管理することが可能となる。

本発明に係る代表的な実施形態の構成図。 本実施形態の効果を説明するためのグラフ。 本発明に係る他の実施形態（中空糸モジュールが絶縁油側に迫り出した場合）の構成図。 本発明に係る他の実施形態（中空糸モジュールが吸着剤ケース側に迫り出した場合）の構成図。 絶縁油の吸湿量と絶縁破壊電圧の関係を示すグラフ。 従来の絶縁油入り変圧器の構成図。

符号の説明

１…変圧器の本体タンク
２…変圧器中身
３…配管バルブ
４…フィルム材料
５…循環用モータ
６…吸着剤ケース
７、１７…吸着剤
８…ブリーザ
９…窒素
１０…絶縁油
１１…ガス検出器
１２…吸着剤袋
１３…中空糸モジュール
１４…フィルタ
１５…ドレイン
１６…油道

Claims (7)

1. 流体絶縁物を充たした容器内に、鉄心および巻線を含む変圧器中身を収納すると共に、前記流体絶縁物中の水分を吸湿するための吸着剤を備えた変圧器において、
   片面だけが前記流体絶縁物と接触するように高分子系のフィルム材料を設置し、
   前記フィルム材料の前記流体絶縁物と接触しない非接触面側に、前記吸着剤を封入したことを特徴とする変圧器。
2. 前記フィルム材料はフッ素系の樹脂シートからなることを特徴とする請求項１記載の変圧器。
3. 前記吸着剤はゼオライト系の粒子からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の変圧器。
4. 前記吸着剤を減圧下で吸着剤袋中に封入し、
   前記吸着剤袋の内部に前記フィルム材料を熱融着によりシールしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の変圧器。
5. 前記吸着剤を収容する吸着剤ケースを設け、
   前記吸着剤ケースに開口部を形成し、
   前記フィルム材料を設置した部分に対し前記吸着剤ケースの開口部を着脱自在に取り付けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の変圧器。
6. 前記フィルム材料は中空糸状膜部材からなり、前記中空糸状膜部材は前記流体絶縁物側又は前記吸着剤ケース側に迫り出していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の変圧器。
7. 前記フィルム材料の前記流体絶縁物と接触する接触面側に、異常時に発生するガスを検出するためのガス検出器を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の変圧器。

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