JP2008153665A - 変圧器用の絶縁系及び絶縁法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁心を含む変圧器を提供する。
【解決手段】 変圧器（１０）は、１以上の開口を有する複数の積層スタックを含む磁心（１４）を含む。変圧器（１０）はまた、１以上の開口（２０）を通って磁心（１４）を囲み且つ電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層（５４）で囲まれた導電性材料を含む巻線（３０）を含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は広義には電気機械及び機械巻線のための絶縁系に関し、具体的には、非線形誘電特性を有する絶縁系に関する。

発電機、電動機、アクチュエータ、変圧器などの電気機械及び装置は、様々な電気的、機械的、熱的及び環境的ストレスを絶えず受けている。かかるストレスは、それらを劣化させて、結果としてそれらの寿命を短縮する傾向がある。一例として、変圧器において、電源電力が切断された後、残留磁気により鋼製磁心に静磁界が保持される。電源電力が再印加されたとき、残留磁界により高い突入電流が生じ、これは残留磁気の効果が低減するまで、通常は印加された交流電流の数サイクル後まで続く。長い架空送電線に接続された変圧器内のヒューズのような過電流保護装置は、太陽風による地磁気擾乱に起因した誘導電流から変圧器を保護することができない。かかる誘導電流は鋼製磁心を飽和させて、変圧器保護装置の誤動作を引き起こすことがある。上記の装置における絶縁の劣化がそれらの装置の故障の主な因子であることが一般に認められている。

発電機、電動機及び変圧器のような電気機械のための絶縁系は、機械の性能を改善するために絶えず開発されている。電気絶縁に広く使用されている材料としては、ポリイミドフィルム、エポキシ−ガラス繊維複合材及びマイカテープが挙げられる。絶縁材料は一般に、雷サージ及びスイッチングサージのような電気機械についての様々な電気的厳しさに耐えることのできる機械的及び物理的特性を有する必要がある。さらに、絶縁系の望ましい特性として、極端な動作温度の変動に耐えること、及び長い設計寿命が挙げられる。

上記の絶縁材料は、それらのそれぞれの複合絶縁降伏強度に基づいてそれらの導電を防止するような、本質的に一定の誘電率を有する。しかし、動作温度、環境、電圧ストレス、熱サイクル、及び雷及びスイッチングからの電圧サージのような特定の因子が、長期間にわたって絶縁材料を劣化させ、従ってそれらの有効寿命又は運転寿命を短くする。
米国特許第４４８９２９８号明細書 米国特許第４８５９９７８号明細書 米国特許第６５３５１００号明細書 米国特許第６９３３８２４号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１７９５１５号明細書

従って、上述の問題を解決し且つ工業用途での現在の要求を満たす絶縁系を提供することが望ましい。

本発明の一つの態様では、変圧器を提供する。変圧器は、１以上の開口を有する複数の積層スタックを含む磁心を備える。変圧器は、上記１以上の開口を通して磁心の周囲に配設された導電性材料を含む複数の巻線であって、電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層で囲まれた導電性材料を含む複数の巻線も備えている。

本発明の別の態様では、変圧器において絶縁系を形成する方法を提供する。本方法は、巻線の少なくとも一部の周囲に、電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層を配設する段階を含む。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳しい説明及び特許請求の範囲を読むことによって一層良く理解されよう。図面では、図面全体を通じて同様な要素は同じ参照符号で表す。

以下に詳しく説明するように、本発明の実施形態は、誘電特性が非線形又は変化する材料を使用する絶縁系を含む。本書で用いる用語「非線形」とは、電圧に伴って誘電率が不均一に変化することを表す。本書に開示する絶縁系は、特に限定されないが、変圧器のような高電圧で動作する機械に用いることができる。絶縁系は、高い電気的ストレスを受ける機械絶縁の場所で非線形誘電体の誘電率を増大させて、機械に対して望ましい電気的保護を提供することができるような固有の適応特性を含む。電気的保護は、電気的ストレスを平滑化して局部的な電界強度を低減することにより得られる。

ここで図面について説明すると、図１は、容器１２を含む変圧器１０の斜視図である。変圧器１０は、図示の実施形態では、三相外鉄型変圧器である。別の実施形態では、変圧器１０は単相変圧器とすることができる。変圧器１０は磁心１４を含み、磁心１４は、１以上の開口２０を有するとともに互いに隣接して配設された第１の磁心部分１６及び第２の磁心部分１８を有する。特定の実施形態では、第１の磁心部分１６及び第２の磁心部分１８は各々３つの開口２０を含む。第１の磁心部分１６及び第２の磁心部分１８はまた複数の重畳した積層スタック２２を含むことができる。特定の実施形態では、積層スタック２２は、特に限定されないが、鋼のような金属で作られた積層スタックを含むことができる。変圧器１０はさらに、電気巻線相２４，２６及び２８を含むことができる。電気巻線相２４，２６及び２８の各々は、非線形誘電体層（図示せず）で絶縁され且つ互いに隣接して積み重ねられた複数の巻線３０を含むことができる。これらの巻線３０は、開口３２及び開口２０を通って第１の磁心部分１６及び第２の磁心部分１８を取り囲むことができる。

図２は、巻線３０を例示した、図１の変圧器１０の縦断面図である。巻線３０は、複数の巻回部３６、３８及び４０を形成するように螺旋状に巻装される導電性材料を含むことができる。特定の実施形態では、使用される導電性ワイヤは一般にマグネットワイヤである。マグネットワイヤは、ワニス被覆又は何らかの他の合成被覆を有する銅のワイヤである。非限定的な一例を挙げると、巻回部の数は、電力及び用途に応じて２〜３から数千まで変えることができる。

図３は、図２の巻線３０の断面図である。図２に述べたような巻回部３６、３８及び４０の各々は、外側ストランド４２、４４及び４６をそれぞれ含む。同様に、巻回部３６、３８及び４０は、内側ストランド４８、５０及び５２をそれぞれ含む。ストランド４２及び４８は各巻回部３６において一列のストランドを成すように配設して、複数の巻回部３６、３８及び４０が並列構成に配設されるようにする。非線形誘電体絶縁層５４を、外側ストランド４２、４４及び４６の各々の周囲に適用することができる。同様に、非線形誘電体絶縁層５４を、内側ストランド４８、５０及び５２の各々の周囲に適用することができる。さらに、非線形誘電体絶縁層５６を、巻回部３６、３８及び４０の間に適用することができる。現在考えられる実施形態では、非線形誘電体絶縁層５４及び５６の誘電率は電圧又は局部的電界に伴って増大する。

特定の実施形態では、非線形誘電体絶縁材として、ガラス布、エポキシバインダ、マイカ紙及び粒度約５ｎｍ以上の充填材の混合複合材が挙げられる。充填材は、非限定的な例を幾つか挙げると、ミクロン充填材及びナノ充填材である。上述の通り、かかる充填材として、ジルコン酸鉛、ハフニウム酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタン添加ジルコン酸錫酸チタン酸鉛、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムストロンチウム及びニオブ酸鉛マグネシウムが挙げられる。別の例では、非線形誘電体絶縁材として、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、及びポリフッ化ビニリデン共重合体が挙げられる。マイカは、非限定的な例を幾つか挙げると、白雲母（muscovite）、金雲母（phlogopite）、アナンダイト（anandite）、鉄雲母（annite）、黒雲母（）biotite）及びバイタイト（bityte）がある。ガラス布は様々な織り密度にすることができる。ガラス布は、非限定的な例を幾つか挙げると、表１に示す通りである。

表には、様々な織り密度、重量、厚さ及び強度を有するガラス布を列挙した。第１の例のガラス布は、縦糸番手６０及び重量３３ｇ／ｍ^２ を有する平織の１０７６ガラス型の布である。同様に、他の例として、１０７０、６０６０、１０８０、１０８、１６０９及び１２８０ガラス型が含まれている。ガラスは、絶縁系のための機械的支持体として作用すると共に、最終的な複合システムの熱伝導率を向上させる無機成分を複合材に付与する。マイカは、複合材のための一次絶縁体として作用する。エポキシバインダは、複合絶縁系の唯一の有機物であり、システムを一体に保持するための接着剤として作用する。さらに、非線形充填材が、絶縁系に非線形応答特性を与えると共に、複合材の熱伝導率を向上させる。外側ストランド４２、４４及び４６並びに内側ストランド４８、５０及び５２の縁部において電界ストレスを受けることがある。また、変圧器の運転中、巻回部３６、３８及び４０の角部で高度の電界ストレスが測定される。非線形誘電体絶縁層５４及び５６は、電界分布を一様にして、高い電気的ストレスを受ける領域を軽減する。

充填材を絶縁複合材の中に取り込むために幾つかの方法がある。非限定的な例を幾つか挙げると、充填材及びポリマーを押出して充填ポリマーシステムを形成する方法、充填材及びポリマーを溶媒で分散させ、次いで溶媒を蒸発させてフィルムを形成する方法、及びスクリーン印刷又はディップコーティング法を使用して、ガラス布の縦糸繊維と横糸繊維の交差部に充填材を取り込む方法がある。さらに、例えば、特に限定されないが、充填材及びガラスについてのの３−グリシドオキシプロピルトリメトキシシランのようなシラン処理が、ガラス布及び最終複合材構造に対する充填材の望ましい付着に重要であることが判った。充填材取込み方法の選択は絶縁複合材の最終構造に依存する。例えば、充填ポリマーフィルムでは、通常、押出又は溶媒分散を使用する。別の実施形態では、マイカ、ガラス布及びエポキシ樹脂のテープは、通常、ガラス布上へのスクリーン印刷又はディップコーティング法を使用する。

図４は、図２の巻線３０内の巻回部３６の角部６０にかかる電界ストレスの模範的な概略図である。角部６０は、図３に関して述べたような非線形誘電体絶縁層５６を含むことができる。角部６０は、運転中に最大の電界ストレスを受けることのある巻回部３６上の領域である。かかる電気的ストレスを低減することは望ましい。電気的ストレスを低減すると、変圧器の電圧定格を増大することができる。図３に関して述べたように、非線形誘電体絶縁層５６は角部６０における電界を一様に分布させて、電界の不均一な分布に起因して生じていたストレスを最小にするようにする。角部６０における電界ストレスの増大に伴って、非線形誘電体層５６は対応的に適応して、従来の一様な誘電強度材料を使用した場合に存在するものよりも一層一様な電界分布６２を角部６０付近に生じさせて、巻回部３６を潜在的な電気的損傷から保護するようにする。

本発明の別の例示の実施形態では、変圧器に絶縁を形成する方法７０を提供することができる。電圧又は電界の関数として変化する誘電率を有する絶縁層を、段階７２で巻線の少なくとも一部の周囲に配設することができる。特定の実施形態では、絶縁層は巻線の角部の周囲に配設することができる。別の実施形態では、絶縁層は巻線内の複数のストランドの間に配設することができる。別の実施形態では、絶縁層はマイカ、エポキシ樹脂、ガラス布及びセラミック充填材で作ることができる。さらに別の実施形態では、ガラス布及びセラミック充填材はシランで被覆することができる。現在考えられる実施形態では、セラミック充填材はスクリーン印刷又はディップコーティング法によりガラス布に付着させることができる。

以下に述べる実施例は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

図５は、電界強度の関数として、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムの誘電率を、充填材を含む場合と含まない場合と比較して示すグラフ９０である。Ｘ軸９２は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）を表す。Ｙ軸９４はＰＶＤＦフィルムの誘電率を表す。曲線９６は、充填材がない場合のＰＶＤＦフィルムの誘電率を表す。図に示すように、誘電率は電界強度に伴って大きく変化しない。曲線９８は、２０体積％のジルコン酸鉛ミクロン充填材を含むＰＶＤＦフィルムの誘電率を表す。同様に、曲線１００、１０２及び１０４は、２０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材を含む場合、４０体積％のジルコン酸鉛ミクロン充填材を含む場合、及び４０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材を含む場合のＰＶＤＦフィルムの誘電率をそれぞれ電界強度の関数として表す。図から明らかなように、４０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材の場合、誘電率は、電界強度の関数として約３０からピークの約８０まで大幅に増大する。従って、ＰＶＤＦフィルム中にナノ充填材を加えると、電界強度による誘電率の変化が増大して、電界ストレスの変動に対する絶縁系の適応性が向上する。

図６は、非線形誘電体絶縁層を有する図２の巻回部３６のような導体からの距離の関数として、図４の角部６０における電界分布を示すグラフ１１０である。Ｘ軸１１２は、巻回部３６から非誘電体絶縁層を通る距離（ｍｍ）を表す。Ｙ軸１１４は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）を表す。曲線１１６から判るように、電界は巻回部３６からの距離に対して１０ｋＶ／ｍｍで安定である。静電学では、誘電率と電界の積は、電位差と媒体の誘電特性とに左右される。もし誘電率が一定に保たれた場合、導電素子に隣接した表面上の局部的電界は、その比較的小さい面積に起因して非常に高くなるであろう。電界は次いで減少していって、接地電位にある絶縁材の最も外側の表面で最小値に達するであろう。しかし、誘電率が電界によって増大する場合、この補償効果により図示のように材料全体にわたって強制的に一様性が与えられるであろう。従って、非線形誘電体絶縁層は導体内に大体一様な電界分布を与えて、導体に対する電気的損傷の恐れを解消又は低減する。

有利なことに、上述した絶縁系及び方法は、変圧器におけるリップル電圧及び急激な電流サージを抑圧することができる。さらに、過渡電圧の抑圧により、変圧器の運転寿命をより長くすることができる。また、かかる絶縁系の使用は、変圧器の大きさを著しく増大させることなく、上述の様々な因子に対処するのに役立つ。

本発明の特定の特徴のみを例示し説明したが、当業者には種々の修正及び変更をなし得よう。従って、特許請求の範囲が本発明の真の精神および趣旨の範囲内にあるこの様な全ての修正及び変更を包含するものとして記載してある。

本発明に従って絶縁に非線形の又は変化する誘電体材料を用いる巻線を有する磁心を含む変圧器の概略図である。 巻線内の複数の巻回部を例示した、図１の変圧器の縦断面図である。 本発明に従って図２に用いられる非線形誘電体絶縁系の断面図である。 電気的ストレスを受ける図２の巻線の角部の概略図である。 本発明に従って電気機械内に及び巻線に使用することのできるようなポリフッ化ビニリデンフィルムの誘電率を、電界強度の関数として、充填材を含む場合と含まない場合と比較して示すグラフである。 図４の角部付近の電界強度を示すグラフである。

符号の説明

１０ 変圧器
１２ 容器
１４ 磁心
１６ 第１の磁心部分
１８ 第２の磁心部分
２０ 開口
２２ 積層スタック
２４ 巻線相
２６ 巻線相
２８ 巻線相
３０ 巻線
３２ 開口
３６ 巻回部
３８ 巻回部
４０ 巻回部
４２ 外側ストランド
４４ 外側ストランド
４６ 外側ストランド
４８ 内側ストランド
５０ 内側ストランド
５２ 内側ストランド
５４ 非線形誘電体絶縁層
５６ 非線形誘電体絶縁層
６０ 角部
６２ 電界分布
９０ ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムの誘電率を示すグラフ
９６ 充填材がない場合の曲線
９８ ２０体積％のジルコン酸鉛ミクロン充填材を含む場合の曲線
１００ ２０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材を含む場合の曲線
１０２ ４０体積％のジルコン酸鉛ミクロン充填材を含む場合の曲線
１０４ ４０体積％のジルコン酸鉛ナノ充填材を含む場合のの曲線
１１０ 角部における電界分布を示すグラフ
１１６ 曲線

Claims (10)

1. １以上の開口を有する複数の積層スタック（２２）を含む磁心（１４）と、
   上記１以上の開口を通して磁心（１４）の周囲に配設された導電性材料を含む複数の巻線（３０）であって、電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層（５４）で囲まれた導電性材料を含む複数の巻線（３０）と
   を備える変圧器（１０）。
2. 絶縁層（５４）が複数の巻線（３０）の間に配設されている、請求項１記載の変圧器（１０）。
3. 絶縁層（５４）が複数の巻線（３０）の各々における複数のストランドの間に配設されている、請求項１記載の変圧器（１０）。
4. 絶縁層（５４）が複数の巻線（３０）の各々の複数の角部（６０）に配設されている、請求項１記載の変圧器（１０）。
5. 絶縁層（５４）がポリマー複合材を含む、請求項１記載の変圧器（１０）。
6. 絶縁層（５４）が１種以上のナノ充填材を含む、請求項１記載の変圧器（１０）。
7. 変圧器に絶縁を形成する方法（７０）であって、
   巻線の少なくとも一部の周囲に、電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層を配設する段階を含んでなる方法（７０）。
8. 前記配設する段階が、巻線の角部の周囲に絶縁層を配設する段階を含む、請求項７記載の方法（７０）。
9. 前記配設する段階が、巻線内の複数のストランドの間に絶縁層を配設する段階を含む、請求項７記載の方法（７０）。
10. 各々３つの開口（２０）を有する２つの磁心部分を含む磁心（１４）と、
    開口（２０）を通して磁心（１４）の周囲に配設された導電性材料で作られた複数の巻線（３０）を備える３つの巻線相（２４）であって、電圧の関数として変化する誘電率を有する絶縁層（５４）で囲まれた導電性材料を含む複数の巻線（３０）を備える３つの巻線相（２４）と
    を備える三相変圧器（１０）。

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