JP2013069717A - 変換器用変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁ボードまたは絶縁ボード同士の間隙に設けた開口部付近に直流電界が集中することを緩和して絶縁性能の向上を図る。
【解決手段】下部バリア２６と中間バリア２７との間には直方体状の下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂを設置する。中間バリア２７と上部バリア２５との間には同じく直方体状の上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂを設置する。下部絶縁ピースは中間バリアに設けた開口部２８の１組の対辺に沿って位置し、上部絶縁ピースは開口部２８の別の１組の対辺に沿って位置する。下部絶縁ピースによって挟まれた空間が開口部に絶縁油を流し込むための流入部１７ａとなる。上部ピースによって挟まれた空間が開口部から絶縁油を流し出すための流出部１７ｂとなる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流電圧が加わる部位の絶縁構成を改良した変換器用変圧器に関する。

直流送電は、大容量、長距離送電および異周波連係など、系統運用上多くのメリットを有している。そのため、直流送電は多方面で使用されている。例えば、国内の一部地域では交流系統を連携する±２５０ｋＶ直流送電が実施されている。さらに外国では、±８００ｋＶの直流送電が実施されようとしている。

直流送電を実施するためには、交流を直流に変換する交直変換所、あるいは直流を交流に変換する交直変換所が必要となる。例えば、図９に示した交直変換所では、交流線路１から交流電圧を取り込み、変換用変圧器２およびサイリスタバルブ３を用いて交流電圧を直流電圧に変換している。

さらに、交直変換所では、直流リアクトル４を介して直流電圧を直流線路５に送電している。なお、図９中の符号は、７がバルブホール、８が変圧器用避雷器、９が直流リアクトル用避雷器、１０がサイリスタバルブ３のアノード−カソード間避雷器である。

サイリスタバルブ３は現在のところ、運用実績や保守点検の面から空気絶縁方式を多用されている。これに対して、変換器用変圧器２は絶縁液である絶縁油と固体絶縁物である絶縁ボードによる複合絶縁方式が主流となっている（特許文献１など）。

絶縁油と絶縁ボードによる複合絶縁方式において、絶縁油の直流耐圧は絶縁ボードのそれに比べて約１桁小さい。絶縁物の電圧分担は絶縁物の体積抵抗率の大きさによって決まるので、変換器用変圧器２に直流電圧を印加した場合、絶縁油に比べて体積抵抗率の大きい絶縁ボードが直流電圧のほとんどを分担することになる。

絶縁ボードが直流電圧のほとんどを分担する例としては、次のような場合がある。変換器用変圧器２は交流巻線および直流巻線を有しているが、工場試験にて、直流巻線に直流電圧を印加する一方で、交流巻線を接地することがある。このとき、体積抵抗率の大きい絶縁ボードに大きな電界が加わるが、体積抵抗率の小さい絶縁油にはあまり電界が加わることはない。

このため、変換器用変圧器２には交流電圧に対する絶縁設計だけではなく、直流電圧に対する絶縁設計も要求される。特に、直流電圧に関しては絶縁ボードがこれを負担するため、絶縁ボードは直流電圧の絶縁構成において重要な役割を果たすことになる。

ここで、絶縁油および絶縁ボードを用いた複合絶縁方式の変換器用変圧器について、図１０を参照して具体的に説明する。図１０は変圧器巻線部の垂直方向の断面図である。
［概要］
図１０に示すように、変換器用変圧器２は交流線路１（図９に示す）に結合される交流巻線１１と、サイリスタバルブ３（図９に示す）に結合される直流巻線１２を備えている。交流巻線１１および直流巻線１２は変圧器タンク（図示せず）に同心円状に収納されている。

各巻線１１、１２の上端部には電界緩和用の静電シールド１３ａ、１３ｂが取り付けられている。さらに、巻線１１、１２上方にはプレスボード製のクランプリング１８が配置されている。巻線１１、１２はクランプリング１８によって上方向から押さえつけられることで変圧器タンク内に固定されている。

［絶縁油］
絶縁油１４は変圧器タンク内に充填されており、巻線１１、１２の冷却媒体としても利用される。特に、電力用の大型の油入り変圧器などでは巻線１１、１２を効率よく冷やすために、絶縁油１４を変圧器タンク内に循環させる構成になっている。

図１０中の矢印１９は絶縁油１４の流れる方向を示している。図１０中の符号１６ａ〜１６ｃは絶縁油１４を巻線１２の外部方向に流出させるための流出口である。これら流出口１６ａ〜１６ｃは、隣接する絶縁ボード１５同士が接続することなく、切れた状態にすることで形成されている。

［絶縁ボード］
絶縁ボード１５は、巻線１１、１２周囲の絶縁油１４の油隙に複数挿入されている。これは絶縁油１４の体積を絶縁ボード１５によって区分するためである。絶縁油１４の体積抵抗率は絶縁ボード１５に比べて非常に小さい。したがって、絶縁油１４の破壊電界は絶縁油１４の体積に対して負の依存性がある。

そこで、複数の絶縁ボード１５により絶縁油１４の体積を細分化することで絶縁油１４の耐圧を高めている。図１０に示した例では、絶縁ボード１５として、垂直方向に伸びる垂直ボード１５ａと、水平方向に伸びる水平ボード１５ｂと、水平面と垂直面を有するＬ字のアングルボード１５ｃとを設置している。これらの絶縁ボード１５は全て、固体絶縁物製のプレスボードなどからなる。

垂直ボード１５ａと水平ボード１５ｂは互いに独立しているが、巻線１１、１２付近の垂直ボード１５ａはその上端部にアングルボード１５ｃの垂直面を接続している。これらのアングルボード１５ｃは静電シールド１３ａ、１３ｂおよび巻線１１、１２の上端部を取り囲むようになっている。つまり、アングルボード１５ｃの水平面が静電シールド１３ａ、１３ｂを重層的に覆っており、巻線１１、１２に対する絶縁を強化している。

特開平９−９６２３号公報

しかしながら、従来の変換器用変圧器には次のような課題が指摘されている。すなわち、変換器用変圧器が絶縁油と絶縁ボードによる複合絶縁方式を採用する場合、絶縁ボードの一部あるいは絶縁ボード同士の間隙に、絶縁油を流すための開口部を設けている。

絶縁油の直流耐圧は絶縁ボードのそれに比べて約１桁小さいので、開口穴付近では絶縁油自体または絶縁油と絶縁ボードの界面において絶縁破壊が起き易くなる。すなわち、絶縁油と絶縁ボードからなる複合絶縁構成では、絶縁油を流すために設けた開口穴が絶縁上の弱点となっていた。

このような絶縁上の弱点を克服するために、図１０に示した変換器用変圧器２ではプレスボード製の絶縁リング２０（点線にて示す）をアングルボード１５ｃの表面に設置してアングルボード１５ｃ同士を接続することが提案されている。

だが、絶縁油を流す開口穴は開けたままなので、絶縁上の弱点が無くなったわけではない。このため、従来の変換器用変圧器は、絶縁性能を確保するために絶縁寸法を大きくするほかない。その結果、変換器用変圧器が大形化するといった不具合を招いていた。

実施形態の変換器用変圧器は、上記課題を解決するために提案されたものであり、絶縁ボードまたは絶縁ボード同士の間隙に絶縁油を流すための開口部を設けたとしても、開口部付近に直流電界が集中することを緩和して絶縁性能の向上を図り、コンパクト化および高信頼性を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、実施形態の変換器用変圧器は、次の点を特徴とする。実施形態の変換器用変圧器は、
（ａ）絶縁油を充填したタンク内に直流巻線および交流巻線を収納する。
（ｂ）前記交流巻線と前記直流巻線間、及びこれらの巻線とタンク間に固体絶縁物からなる絶縁ボードを複数配置する。
（ｃ）前記絶縁ボードまたは前記絶縁ボード同士の間隙には前記絶縁油を流すための開口部を形成する。
（ｄ）前記開口部には固体絶縁物製の絶縁ピースを設置する。
（ｅ）前記絶縁ピースはその先端部が前記開口部に対向する前記絶縁ボードに向かって突出する。
（ｆ）前記絶縁ピースには前記絶縁油を流すための流通部を設ける。

第１の実施形態の斜視図。 第１の実施形態の一部分解斜視図。 第１の実施形態の構成を示す断面図。 第１の実施形態の直流等電位線分布を示す正面図。 第１の実施形態の直流等電位線分布を示す側面図。 第１の実施形態の作用効果を説明するための直流等電位線分布の正面図。 第２の実施形態の構成を示す断面図。 他の実施形態の断面図。 一般的な交直変換所の配置図。 従来の変換器用変圧器の構成を示す断面図。

発明の実施するための形態

（１）第１の実施形態
［構成］
以下、第１の実施形態に係る変換器用変圧器の構成について、図１〜図３を参照して具体的に説明する。第１の実施形態に係る変換器用変圧器は、図１０にて示した従来例と同じく、絶縁油１４と絶縁ボード１５による複合絶縁方式を採用しており、絶縁ボード１５は静電シールド１３ａ、１３ｂおよび巻線１１、１２の上端部を取り囲むアングルボード１５ｃを含んでいる。

図３に示すように、上下方向に重なる３層のアングルボード１５ｃの水平部分を、上部バリア２５、下部バリア２６、中間バリア２７とする。このうち、中間バリア２７には絶縁油１４を流すための正方形状の開口部２８が形成されている。

また、下部バリア２６と中間バリア２７との間には直方体状の下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂが設置されている。さらに、中間バリア２７と上部バリア２５との間には同じく直方体状の上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂが設置されている。図１では、上部バリア２５（２点鎖線にて図示）、下部バリア２６、中間バリア２７のみを示している。また、図２では中間バリア２７を点線にて示し、これに設置された絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂを敢えて中間バリア２７から離した状態で示している。

絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂは開口部２８の周縁部に沿って設けられている。下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂは開口部２８の１組の対辺に沿って平行に設置され、上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂは開口部２８の別の１組の対辺に沿って平行に設置されている。

つまり、下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂの長手方向と上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂの長手方向とは直交しており、２組の絶縁ピースが中間バリア２７を挟んで井桁状になっている。絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂの長手方向の寸法は開口部２８の一辺の長さ寸法と同一である。

２枚の下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂによって挟まれた空間が開口部２８に対し絶縁油１４を流し込むための流入部１７ａとなっている。また、２枚の上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂによって挟まれた空間が開口部２８から絶縁油１４を流し出すための流出部１７ｂとなっている。

すなわち、絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂによって形成される流入部１７ａおよび流出部１７ｂが、絶縁油１４を流すための流通部となっている。下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂの長手方向と上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂの長手方向とは直交しているので、流入部１７ａおよび流出部１７ａを流れる絶縁油１４の流れ方向も互いに直交している。

下部バリア２６には開口部２８の開口面と対向して下部補強板３１が固定されている。この下部補強板３１により開口部２８に対向する部位の下部バリア２６が厚く設定される。下部補強板３１には下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂの下端部が接続される。

上部バリア２５には開口部２８の開口面と対向して上部補強板３２が固定されている。この上部補強板３２により開口部２８に対向する部位の上部バリア２５は厚く設定される。上部補強板３２には上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂの上端部が接続される。補強板３１、３２はこれを垂直方向から見た場合、開口部２８の開口面を覆う大きさに設定されている。なお、絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂおよび補強板３１、３２は全てプレスボード製である。

［絶縁油の流れる方向］
ここで、上部バリア２５、下部バリア２６および中間バリア２７を流れる絶縁油１４の流れる方向について説明する。まず、絶縁油１４は、下部バリア２６と中間バリア２７の間を流れ、下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂに挟まれた流入部１７ａから開口部２８に入る（矢印２０ａ）。

続いて、絶縁油１４は開口部２８を通り抜けて、上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂに挟まれた流出部１７ｂを通過し、中間バリア２７と上部バリア２５間に流れ出る（矢印２０ｂ）。流入部１７ａと流出部１７ａとは直交しているため、絶縁油１４は開口部２８を通り抜ける際、９０度捻るようにして流れることになる。

［作用効果］
以上の構成を有する第１の実施形態の作用効果について、図４〜図６を用いて説明する。図４および図５は、第１の実施形態における開口部２８付近の直流電界解析結果（等電位線分布）を示している。図４は開口部２８の正面部分の解析結果、図５は開口部２８の側面部分の解析結果である。

図４に示すように、中間バリア２７内を通る等電位線２４は、開口部２８において下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂを通って、下部バリア２６と下部補強板３１内に移っている。また、図５に示すように、中間バリア２７内を通る等電位線２４は、上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂを通って上部バリア２５と上部補強板３２内に移っている。

このように、等電位線２４が絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂを通過するので、絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂがない場合と比べて、絶縁油１４中の等電位線２４の間隔を粗くすることができる。したがって、開口部２８における絶縁油１４中の電界の増加が抑制されている。

本実施形態において等電位線２４の間隔が粗いことを説明するために、絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂを除いた場合の変換器用変圧器の直流等電位線分布について、図６を用いて説明する。直流電圧を印加した時、絶縁油１４よりも抵抗率の高いバリア２５、２６、２７が直流電圧を負担している。そのため、等電位線２４はバリア２５、２６、２７に集中する。

また、等電位線２４は、中間バリア２７の開口部２８では絶縁油１４中に出て、開口部２８付近の上下のバリア２５、２６に乗り移る。これは、バリア２５、２６の方が、絶縁油１４よりも抵抗率が高く、電界が集中し易いためである。このような等電位線２４の乗り移りが生じる場所は、絶縁油１４中や、絶縁油１４と絶縁ボード１５との界面であり、これらの部位は他部位に比べて電界が高くなりやすい。

その結果、絶縁油１４中の等電位線２４が局所的に密になる。繰り返し述べるように絶縁油１４の直流耐圧は、絶縁ボード１５に比べて約１桁小さいため、開口部２８付近では絶縁油１４や絶縁油１４と絶縁ボード１５との界面にて絶縁破壊が起きやすく、これが絶縁上の弱点となる。

そこで本実施形態では、プレスボードからなる絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂによってバリア２５〜２７間を接続することで、絶縁油１４中に出た等電位線２４が上下のバリア２５、２６に乗り移ることを防いでいる。しかも、下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂと上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂとは互いに直交している。したがって、下部絶縁ピース２９ａ、２９ｂを通過する等電位線２４と、上部絶縁ピース３０ａ、３０ｂを通過する等電位線２４とは、９０度ずれており、垂直方向から見て重なることがない。

このため、絶縁油１４中の等電位線２４の間隔は粗くなり、絶縁油１４中や絶縁油１４と絶縁ボード１５界面の電界上昇を抑えることが可能となる。これにより、開口部２８付近でも絶縁破壊は起こり難く、優れた絶縁性能を確保することができる。

さらに本実施形態では、下部補強板３１と上部補強板３２を配置したことで、開口部２８に対向した部位についてはバリア２６、２９の厚さ寸法を増やしている。このため、仮に中間バリア２７の等電位線２４が開口部２８にて下部バリア２６および上部バリア２５に移ったとしても、移り先のバリア２６、２９内の直流電界は高くならない。したがって、バリア２６、２９内の電界上昇を抑制することができ、バリア２６、２９での絶縁破壊を確実に防止することが可能となる。

上記のような本実施形態によれば、直流巻線１２端部を取り囲むアングルボード１５ｃに絶縁油１４を流す開口部２８が設けられていても、開口部２８付近の絶縁油１４や絶縁ボード１５自体、更には絶縁油１４と絶縁ボード１５との界面に対する直流電界集中を緩和することが可能である。これにより、変換器用変圧器２の巻線耐圧が向上し、優れた絶縁信頼性を獲得することができる。さらには、変換器用変圧器２の絶縁寸法を縮小可能であり、変圧器のコンパクト化に寄与することができる。

（２）第２の実施形態
［構成］
次に、第２の実施形態について、図７を参照して説明する。第２の実施形態は、直流巻線１２とその静電シールド１３ｂは、３本の円筒形状のボード３４と３層のアングルボード３５ａ〜３５ｃによって多重に取り囲まれている。

アングルボード３５ａ〜３５ｃにはそれぞれ、絶縁油１４が流れる開口部３６ａ〜３６ｃが設けられている。開口部３６ａ〜３６ｃは、隣接するアングルボード３５ａ〜３５ｃの開口部３６ａ〜３６ｃの開口面同士が重ならないように形成されている。図７では、開口部３６ａ〜３６ｃは垂直方向にジグザク配置されている。ただし、直流巻線１２は円筒形状であるため、円周方向（図６の奥行き方向）にずらせて配置させることも可能である。

なお、開口部３６ａ〜３６ｃは第１の実施形態における開口部２８と同一の構成である。また、図７では省略しているが、絶縁ピース２９ａ、２９ｂ、３０ａ、３０ｂ並びに上下の補強板３１、３２については、上記第１の実施形態と同じく、第２の実施形態も備えている。

［作用効果］
以上の構成を有する第２の実施形態では、アングルボード３５ａ〜３５ｃにおける開口部３６ａ〜３６ｃの位置を垂直方向から見て重ねていない。このため、アングルボード３５ａ〜３５ｃの開口部３６ａ〜３６ｃから絶縁油１４に向かって等電位線２４が出たとしても、絶縁油１４中の電界を低く抑えることができ、優れた絶縁耐圧を確保することが可能である。

したがって、巻線１２上端部にアングルボード３５ａ〜３５ｃを多重に設置し、各アングルボード３５ａ〜３５ｃに絶縁油１４流出入用の開口部３６ａ〜３６ｃを設けた場合であっても、第１の実施形態と同様、開口部３６ａ〜３６ｃ付近の直流電界集中を緩和して絶縁性能の向上並びにコンパクト化を実現することができる。

（３）他の実施形態
なお、上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。例えば、絶縁油を流すための開口部絶縁ボードについては、形状や設置数、設置箇所などは適宜選択自由である。

具体的な他の実施形態としては、次のようなものがある。
［１］絶縁ピース
絶縁ピースは、開口部と向かい合う絶縁ボードに接する必要はなく、絶縁ボードとの間に僅かな隙間があってもよい。また、絶縁ピースの形状や材質、設置数や設置角度などに関して、いずれも適宜変更可能である。さらに、絶縁ピースに設けられる絶縁油の流通部についても、形状や設置数などは適宜選択可能である。

図８に示す実施形態では、中空で四角柱状の絶縁ピース３８が上部バリア２５と下部バリア２６との間に接続されている。絶縁ピース３８は下部バリア２６側に形成した開口部２８を囲むようにして取り付けられている。また、絶縁ピース３８において巻線１２から見て外方向に位置する面には絶縁油１４を流すための流通口３７が設けられている。このような実施形態によれば、２枚の絶縁ピースを取り付ける場合に比べて、取り付け作業が容易であり、製造コストの低減化が可能である。

［２］絶縁ボードの厚さ
開口部に対向する部位の絶縁ボードの厚さ寸法を厚くする構成としては、上記第１の実施形態のように補強板を設置するのではなく、該当部位をあらかじめ厚く設定した絶縁ボードを用いるようにしてもよい。

１…交流線路
２…変換器用変圧器
３…サイリスタバルブ群
４…直流リアクトル
５…直流線路
７…バルブホール
８…変圧器用避雷器
９…直流リアクトル用避雷器
１０…アノード−カソード間避雷器
１１…交流巻線
１２…直流巻線
１３ａ、１３ｂ…静電シールド
１４…絶縁油
１５…絶縁ボード
１５ａ…垂直ボード
１５ｂ…水平ボード
１５ｃ…アングルボード
１６ａ〜１６ｃ…絶縁油の流出口
１７ａ…流入部
１７ｂ…流出部
１８…クランプリング
１９、２０ａ、２０ｂ…絶縁油の流れ
２４…等電位線
２５…上部バリア
２６…下部バリア
２７…中間バリア
２８、３６ａ〜３６ｃ…開口部
２９ａ、２９ｂ…下部絶縁ピース
３０ａ、３０ｂ…上部絶縁ピース
３２…下部補強板
３３…上部補強板

Claims (6)

1. 絶縁油を充填したタンク内に直流巻線および交流巻線を収納し、前記交流巻線と前記直流巻線間、及びこれらの巻線とタンク間に固体絶縁物からなる絶縁ボードを複数配置し、前記絶縁ボードまたは前記絶縁ボード同士の間隙には前記絶縁油を流すための開口部を形成した変換器用変圧器において、
   前記開口部には固体絶縁物製の絶縁ピースを設置し、
   前記絶縁ピースはその先端部が前記開口部に対向する前記絶縁ボードに向かって突出しており、
   前記絶縁ピースには前記絶縁油を流すための流通部を設けることを特徴とする変換器用変圧器。
2. 前記絶縁ピースの先端部は前記開口部に対向する前記絶縁ボードに接することを特徴とする請求項１に記載の変換器用変圧器。
3. 前記絶縁ボードにおいて前記開口部に対し前記絶縁油が流れ込む側の面を流入面、前記開口部から前記絶縁油が流れ出す側の面を流出面として、前記流入面および前記流出面に前記絶縁ピースを設置し、
   これらの絶縁ピースは、前記流入面と前記流出面とで前記絶縁油の流れる方向が変わるように、前記流入面側と前記流出面側とで捻って設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の変換器用変圧器。
4. 前記開口部を四角形状として、前記流入面側の前記絶縁ピースを前記開口部の１組の対辺に設置し、前記流出面側の前記絶縁ピースを前記開口部の別の１組の対辺に設置したことを特徴とする請求項３項に記載の変換器用変圧器。
5. 前記開口部に対向する部位の前記絶縁ボードの厚さ寸法を厚くしたことを特徴する請求項１〜４のいずれか１項に記載の変換器用変圧器。
6. 前記絶縁ボードが複数積層するとき、前記開口部を通過する前記絶縁油が一直線状に流れないように、前記開口部の位置をずらしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の変換器用変圧器。

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