JP2012119640A - 静止誘導電器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の実施形態における課題は、高い絶縁性能が求められる箇所では絶縁性能を悪化させることなく、低い絶縁性能が求められる箇所では巻線の冷却性能を向上させた静止誘導電器巻線を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の実施形態における静止誘導電器は、鉄心を中心として巻き回され、筒型に形成された巻線と、前記巻線の側面に隣接し、絶縁物にて筒型に形成された第１の絶縁筒と、前記第１の絶縁筒に接続し、前記巻線の端部を覆い、絶縁物にて形成された第１のコーナリング絶縁物と、前記巻線の端部近傍の側面に隣接し、絶縁物にて筒型に形成された第２の絶縁筒と、前記第２の絶縁筒に接続し、前記巻線の端部を覆い、絶縁物にて形成された第２のコーナリング絶縁物と、を備え、前記第１の絶縁筒と前記第２の絶縁筒との隙間には冷媒が流入する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、静止誘導電器に関する。

変圧器やリアクトルなどの静止誘導電器に使用される巻線は、運転時における発熱量が大きい。このため、巻線周辺に冷却路を形成し、この冷却路にSF6ガスなどの気体冷媒や、絶縁油、パーフロロカーボンなどの液体冷媒を流して巻線の冷却を行っている。また、最近では環境低負荷を考慮してN2ガス、CO2ガス、空気、CF3Iガスなどの温暖化係数の小さい気体冷媒や、天然エステル油、あるいは難燃性を考慮してシリコン油など、様々な冷媒も使われ始めている。

具体的な巻線構造としては、図６、図７に示すものが一般的である。まず、図６は変圧器の鉄心を中心とした巻線の垂直断面図であり、中心軸を対称に対向側にも同様の構成を持つので図示していない。ここで、中心軸の始点を下側、中心軸の終点を上側と呼び、上下軸の始点を内周側、上下軸の終点を外周側と呼んでいる。図７は図６のＸ-Ｘ部における水平断面図である。

鉄心脚１の回りに低圧巻線２と高圧巻線３が同心円状に巻かれており、それぞれに所定の電圧が課電されている（以下、低圧巻線２および高圧巻線３の両方を合わせて巻線と呼ぶ）。また、低圧巻線２および高圧巻線３は、複数のセクションにて構成されており、高圧巻線３はセクションＡ〜Ｏとしている。また、巻線上下にはヨーク鉄心４があり、鉄心脚１およびヨーク鉄心４はアースに接地されているため、夫々の対地電圧は０である。

したがって、鉄心脚１と低圧巻線２の間には低圧巻線２の電圧がかかり、低圧巻線２と高圧巻線３の間には両者の差の電圧がかかり、また、低圧巻線２とヨーク鉄心４の間、および、高圧巻線３とヨーク鉄心４の間にはそれぞれの巻線の電圧がかかることになる。このため、絶縁構造としては、低圧巻線や高圧巻線の端部には静電リング５を設けて電界集中を回避するとともに、低圧巻線２や高圧巻線３の周囲には絶縁筒６およびコーナリング絶縁物７からなる固体絶縁物を配置して絶縁性能を高めている。

この場合、巻線と絶縁筒６との隙間が広すぎると絶縁性能が悪化することがわかっており、隙間が１２ｍｍ以下になるように配置するのが一般的である。ここで、巻線と絶縁筒６との隙間と絶縁性能の関係を図８に示す。電圧クラスにより必要な隙間は異なるが、電力用変圧器において必要とされる絶縁性能を確保するためには、上記隙間を概略１２ｍｍ以下にすれば良いことがわかる。

さらに、図９は巻線にかかる電圧がさらに高い場合の巻線断面図の例である。絶縁筒６およびコーナリング絶縁物７からなる固体絶縁物を複数層配置した多重絶縁バーリア構造として、絶縁性能をさらに高めている。

また、巻線上部のコーナリング絶縁物７の間に絶縁スペーサ８が周方向に等間隔に設置され、コーナリング絶縁物７の間隔を一定に保つとともに、巻線締付板９により、低圧巻線２と高圧巻線３が上下に締付けて固定されている。

さらに、低圧巻線２および高圧巻線３の各セクションの間に水平冷却路１０、内側および外側に垂直冷却路１１を設け、さらに閉塞板１２ａを内側と外側に交互に設置して冷媒を下から上に、かつ、内周側から外周側あるいは外周側から内周側へ交互にジグザグに流して巻線の冷却を行っている。特に本従来例では、最上部の閉塞板１２ａより下側では冷媒は外周側から内周側へ流れ、上側では冷媒は内周側から外周側流れている。なお図７に示すように、水平冷却路１０は水平間隔片１３、垂直冷却路１１は垂直間隔片１４をそれぞれ等間隔に設置して冷媒の流れる隙間を確保している。

このような多重絶縁バーリア構造をもつ巻線において、固体絶縁物を狭い間隔で何重にも配置するため、垂直冷却路の流路幅が狭くなる。この場合、絶縁性能は良好になるが、冷却性能に関しては悪くなるのが一般的である。具体的には、ポンプあるいはブロアがなく、冷媒が自然循環して冷却するタイプの変圧器においては、流路が狭いために冷媒が流れにくく、上下の温度差が大きくなるため、巻線上部の温度が高くなってしまう問題点がある。

また、ポンプあるいはブロアにより冷媒を強制的に循環して冷却するタイプの変圧器においては、所定の流量に対して巻線内およびコーナリング絶縁物付近の流速が大きくなり圧力損失が増大するため、ポンプあるいはブロアの必要モータ定格が大きくなってしまう問題点がある。さらに、冷媒が絶縁油の場合は、流速が大きくなると絶縁物表面に電荷が溜まる流動帯電現象の発生の可能性が大きくなるため、絶縁上も流速を上げることは出来ない。

特開平９−９２５４９号公報

本発明の実施形態における課題は、高い絶縁性能が求められる箇所では絶縁性能を悪化させることなく、低い絶縁性能が求められる箇所では巻線の冷却性能を向上させた静止誘導電器を提供することを目的とする。

本発明の実施形態における静止誘導電器は、鉄心を中心として巻き回され、筒型に形成された巻線と、前記巻線の側面に隣接し、絶縁物にて筒型に形成された第１の絶縁筒と、前記第１の絶縁筒に接続し、前記巻線の端部を覆い、絶縁物にて形成された第１のコーナリング絶縁物と、前記巻線の端部近傍の側面に隣接し、絶縁物にて筒型に形成された第２の絶縁筒と、前記第２の絶縁筒に接続し、前記巻線の端部を覆い、絶縁物にて形成された第２のコーナリング絶縁物と、を備え、前記第１の絶縁筒と前記第２の絶縁筒との隙間には冷媒が流入する。

第１の実施形態の静止誘導電器の構成を示す図。 第１の実施形態の静止誘導電器の垂直間隔片１４ａ、１４ｂの構成を示す図。 第１の実施形態の静止誘導電器のＹ−Ｙ断面を示す図。 第１の実施形態の静止誘導電器のＺ−Ｚ断面を示す図。 第２の実施形態の静止誘導電器の構成を示す図。 従来の静止誘導電器の構成を示す図。 従来の静止誘導電器のＸ−Ｘ断面を示す図。 従来の静止誘導電器における垂直冷却路の幅と絶縁性能の関係を示すグラフ。 従来の静止誘導電器の構成を示す図。

以下、本発明に係る静止誘導電器巻線の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る静止誘導電器巻線の構成について図１乃至４を用いて説明する。

図１は変圧器の鉄心脚を中心とした静止誘導電器巻線の垂直断面図である。図１では、中心軸を対称に対向側にも同様の構成を持つので図示していない。ここで、中心軸の始点を下側、中心軸の終点を上側と呼び、上下軸の始点を内周側、上下軸の終点を外周側と呼んでいる。

鉄心脚１の回りに低圧巻線２と高圧巻線３が同心円状に巻かれ、低圧巻線２は複数のセクションａ〜ｏにて構成されており、高圧巻線３も同様にセクションＡ〜Ｏにて構成されている。１セクションの上下方向の厚さは、設置される電圧階級に応じて適宜変更可能であるが、８ｍｍ〜１２ｍｍとすることが多い。また、セクション間の隙間は、図示しない水平間隔片により確保され、３ｍｍ〜７ｍｍとすることが多い。

さらに、それぞれの巻線には所定の電圧が課電されている。ヨーク鉄心４があり、鉄心脚１およびヨーク鉄心４はアースに接地されているため、夫々の対地電圧は０である。したがって、鉄心脚１と低圧巻線２の間には低圧巻線２の電圧がかかり、低圧巻線２と高圧巻線３の間には両電圧の差の電圧がかかり、また、低圧巻線２とヨーク鉄心４の間、および、高圧巻線３とヨーク鉄心４の間にはそれぞれの巻線の電圧がかかることになる。

以下、低圧巻線２と高圧巻線３の構成について説明するが、両巻線は同様の構成をもつため、高圧巻線３の構成について符号を付して説明する。

高圧巻線３の端部には静電リング５を設けて電界集中を回避するとともに、高圧巻線３の周囲には固体絶縁物として絶縁筒６、６ａおよびコーナリング絶縁物７、７ａを配置して絶縁性能を高めている。高圧巻線３に隣接する絶縁筒６ａは、５つのセクションＡ〜Ｅを覆っていが、覆うセクション数は２〜１０であればよい。

高圧巻線３の上側では、コーナリング絶縁物７、７ａの間に絶縁スペーサ８が上下方向に設置され、コーナリング絶縁物７、７ａの間隔を一定に保つとともに、巻線締付板９により、低圧巻線２と高圧巻線３が締付けて固定されている。

さらに、高圧巻線３の各セクションの間に水平冷却路１０、内周側および外周側に垂直冷却路１１ｂを設け、さらに閉塞板１２ａを内側と外側に交互に設置して冷媒を下から上に、かつ、内周側から外周側あるいは外周側から内周側へ交互にジグザグに流して巻線の冷却を行っている。また、特に本実施形態では、最上部の閉塞板１２ａを設置することによって、閉塞板１２ａより下側では冷媒は外周側から内周側へ流れ、上側では冷媒は内周側から外周側流れている。

ここで、閉塞板１２ａよりも上部に、上部５セクション分の巻線を覆う長さの絶縁筒６ａとコーナリング絶縁物７ａからなる短型固体絶縁物を、内周側と外周側の垂直冷却路１１ｂ内に一つずつ設置している。つまり、垂直冷却路１１ｂは短型固定絶縁物により２つの垂直冷却路１１ａに分けられている。ここでは、高圧巻線３と絶縁筒６ａとの隙間（垂直冷却路１１ａ）、絶縁筒６ａと絶縁筒６との隙間（垂直冷却路１１ａ）は等しいか、あるいは前者のほうが狭くなるように設置しており、かつ、いずれも12mm以下にしている。

さらに垂直冷却路１１ａ、１１ｂの隙間を確保する垂直間隔片１４ａ、１４ｂの構成図を図２に示す。垂直間隔片１４ａは、垂直冷却路１１ｂ内では幅が広く、高圧巻線３および絶縁筒６に隣接しており、内周側の垂直冷却路１１ａ内では幅が狭く、高圧巻線３および絶縁筒６ａに隣接している。そのため、垂直間隔片１４ａにより垂直冷却路１１ａおよび垂直冷却路１１ｂは、隙間が確保されている。また、垂直間隔片１４ｂは外周側の垂直冷却路１１ａ内に設置され、垂直冷却路１１ａの隙間を確保している。

図３は図１のＹ-Ｙ断面図を示している。図３に示すように、低圧巻線２の内周側には絶縁筒６が３枚と絶縁筒６ａが１枚設置されており、中心には鉄心脚１が設けられている。また、絶縁筒６と絶縁筒６ａとの間には、１周につき８個の垂直間隔片１４ａが一定間隔にて設置されている。また、絶縁筒６ａと低圧巻線２との間には、１周につき８個の垂直間隔片１４ｂが一定間隔にて設置されている。ここで、垂直間隔片１４ｂは、低圧巻線２のセクション間の隙間を確保する水平間隔片１３に接続している。

同様に、高圧巻線３と低圧巻線２との間には、絶縁筒６が４枚と絶縁筒６ａが２枚設置されており、高圧巻線３の外周側には、絶縁筒６が１枚と絶縁筒６ａが１枚設置されている。また、垂直間隔片１４ａ、１４ｂ、水平間隔片１３が設置され、垂直冷却路１１ａおよび水平冷却路１０の隙間を確保している。

図４は図１のＺ-Ｚ断面図を示している。図４に示すように、低圧巻線２の内周側には絶縁筒６が３枚設置され、低圧巻線２と高圧巻線３との間には絶縁筒６が３枚設置され、高圧巻線３の外周側には絶縁筒６が１枚設置されている。絶縁筒６と低圧巻線２との間、絶縁筒と高圧巻線３との間には、夫々垂直間隔片１４ａが設置されており、この垂直間隔片１４ａが垂直冷却路１１ｂの隙間を確保している。また、この垂直間隔片１４ａは水平間隔片１３に接続している。

（作用）
このような構成とした静止誘導電器巻線の作用を説明する。

まず、絶縁性能であるが、絶縁が最も厳しい巻線上部においては、短型固体絶縁物が垂直冷却路内に追加配置されたため、従来構造である図６と比較して低圧巻線２と高圧巻線３との間は固体絶縁物が４層から６層に、低圧巻線と鉄心脚との間は３層から４層に、高圧巻線の外側は１層から２層にそれぞれ増えており、絶縁性能は向上していることがわかる。ここで、巻線と短型固体絶縁物との隙間を12mm以下にしているが、従来よりも狭くすることが容易に出来るため、さらに絶縁性能を向上させることも可能である。また、巻線中央部では絶縁筒との隙間が広がることになるが、絶縁があまり厳しくないため、問題となることはない。

さらに、冷却性能であるが、巻線上部において、絶縁筒６ａの内外周に冷却媒体が流れる垂直冷却路１１ａが２本あるため、１本の幅が従来と同程度とすると流路断面積は従来のおよそ２倍に広がっていることがわかる。

また、短型固体絶縁物のない巻線中央部の垂直冷却路１１ｂは上記断面積にさらに短型固体絶縁物の断面を加えた流路断面積に広がっていることになり、従来構造である図６の２倍以上に広がっていることになる。この場合、垂直冷却路を流れる冷却媒体の流速が小さくなるため、圧力損失が減少して冷却媒体が流れやすくなり、冷却性能が向上することになる。

また、本実施形態では短型絶縁物の厚さを薄くして、冷媒が巻線中央部から巻線上部に流れる際に流路断面積が急縮小にならないように、すなわち、圧力損失増大にならないようにしている。

（効果）
本実施形態によれば、絶縁性能を悪化させることなく冷却性能を大幅に向上させることが可能となる。

つまり、ポンプあるいはブロアがなく、冷媒が自然循環して冷却するタイプの変圧器においては、流路が広いために冷媒が流れやすく、上下の冷媒の温度差が小さくなるため、特に巻線上部の温度を低く抑えることが可能になる。

また、ポンプあるいはブロアにより冷媒を強制的に循環して冷却するタイプの変圧器においては、所定の流量に対してコーナリング絶縁物７、７ａ付近の流速が従来の半分程度に小さくなって圧力損失が減少するため、ポンプあるいはブロアの必要モータ定格を小さく出来る。

さらに、流速を従来並みにした場合は、流量を２倍程度流すことが出来るため、上下温度差を１／２程度に抑えることが可能になり、大幅な冷却性能の向上が見込まれる。特に、冷媒が絶縁油の場合は、流速をそのままで流量を増加させることが出来るため、流動帯電現象の発生の可能性を抑えたまま冷却性能を向上させることが可能となる。

また、短型絶縁物の厚さを薄くすることによって、冷媒が巻線中央部から巻線上部に流れる際に流路断面積が急縮小にならず、圧力損失増大を抑制することが可能となる。特に厚さを垂直間隔片１４ａの間隔の５〜３０％とすることによって、圧力損失を抑制することが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態における静止誘導電器巻線について説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、短型固定絶縁物を２層挿入している点である。第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、説明は省略する。

図５は、本実施形態の静止誘導電器巻線の構成を示す図である。低圧巻線２と高圧巻線３とは同様の構成を持つため、以下、高圧巻線３について説明する。

垂直冷却路１１ａ内の高圧巻線３に近い位置に絶縁筒６ａとコーナリング絶縁物７ａからなる短型固体絶縁物が、高圧巻線３から遠い位置に絶縁筒６ｂとコーナリング絶縁物７ｂからなる短型固体絶縁物が設置されており、この場合は前者のほうが絶縁筒の長さが短くなっている。

つまり、絶縁筒６ａは、絶縁の厳しい高圧巻線３のセクションＡ〜Ｄを覆い、絶縁筒６ｂは、次に絶縁の厳しい高圧巻線３のセクションＡ〜Ｇを覆っている。セクションＨより下部では隙間を広げることによって、垂直冷却路１１ａを広く構成している。

このように構成することにより、従来の図９と比較して、低圧巻線２上部と高圧巻線３上部の間、低圧巻線２上部と鉄心脚１との間、高圧巻線３上部の外側の固体絶縁物の数はいずれも同じであり、絶縁性能は悪化していない。

さらにこの構造は上部の垂直冷却路１１ｂが３層になるため、これらの合計の幅を従来の３倍程度に広げることが可能になり、冷却性能をさらに大きく向上させることが出来る。なお、本実施形態においても短型絶縁物の厚さを薄くすることによって、冷媒が巻線中央部から巻線上部に流れる際に流路断面積が急縮小にならず、圧力損失増大を抑制することが可能となる。

（他の実施形態）
以上、巻線上部に本実施形態を適用した場合の効果を説明したが、巻線下部への適用効果も同様であり、また、巻線上下部の両方に適用すれば効果はさらに大きくなる。さらに、絶縁が最も厳しいのは高圧巻線と低圧巻線の間であるため、この間のみに本実施形態を適用することも考えられる。すなわち、低圧巻線２の外周側と高圧巻線３の内周側のみに適用し、低圧巻線２の内周側や高圧巻線３の外周側には適用しないことも考えられる。このような構成にすることによって、さらに短型絶縁物の厚さを薄くすることが可能であり、流路断面積を広げることが出来、冷却性能を向上させられる。また、本実施形態は、最上部の閉塞板を水平冷却路から外側絶縁筒まで延ばした外側向きの閉塞板で示しているが、水平冷却路から内側絶縁筒まで延ばした内側向きの閉塞板にした場合でもコーナー絶縁物の内外周の組合せを変えることで同様の作用・効果が実現でき、問題ない。

本発明に係る実施形態によれば、高い絶縁性能が求められる箇所では絶縁性能を悪化させることなく、低い絶縁性能が求められる箇所では巻線の冷却性能を向上させた静止誘導電器を提供することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…鉄心脚
２…低圧巻線
３…高圧巻線
４…鉄心ヨーク
５…静電リング
６、６ａ、６ｂ…絶縁筒
７、７ａ、７ｂ…コーナリング絶縁物
８…絶縁スペーサ
９…巻線締付板
１０…水平冷却路
１１ａ、１１ｂ…垂直冷却路
１２ａ…閉塞板
１３…水平間隔片
１４、１４ａ、１４ｂ…垂直間隔片

Claims (6)

1. 鉄心を中心として巻き回され、筒型に形成された巻線と、
   前記巻線の側面に隣接し、絶縁物にて筒型に形成された第１の絶縁筒と、
   前記第１の絶縁筒に接続し、前記巻線の端部を覆い、絶縁物にて形成された第１のコーナリング絶縁物と、
   前記巻線の端部近傍の側面に隣接し、絶縁物にて筒型に形成された第２の絶縁筒と、
   前記第２の絶縁筒に接続し、前記巻線の端部を覆い、絶縁物にて形成された第２のコーナリング絶縁物と、を備え、
   前記第１の絶縁筒と前記第２の絶縁筒との隙間には冷媒が流入する静止誘導電器。
2. 前記巻線は筒形状の開口方向に積層された複数のセクションから構成され、前記セクション同士は水平間隔片にて隙間が確保されており、
   前記第２の絶縁筒は、前記巻線の端部から２乃至１０セクションの側面に隣接する
   請求項１記載の静止誘導電器。
3. 前記第２の絶縁筒の厚さは、前記第１の絶縁筒の厚さより薄い
   請求項１または２記載の静止誘導電器。
4. 前記第２の絶縁筒の厚さは、前記第１の絶縁筒と前記巻線との隙間の５〜３０％の長さである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静止誘導電器。
5. 前記第１の絶縁筒と前記第２の絶縁筒との隙間は、１２ｍｍ以下である請求項１乃至４記載のいずれか１項に記載の静止誘導電器。
6. 前記第２の絶縁筒の前記巻線側に、前記第２の絶縁筒より開口方向に短く、前記巻線の端部近傍の側面に隣接し、絶縁物にて筒型に形成された第３の絶縁筒を備える請求項１乃至５記載のいずれか１項に記載の静止誘導電器。

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