JP2013229531A - 静止誘導電器 - Google Patents

Abstract

【課題】流量のばらつきを容易に改善できる静止誘導電器を提供することを目的とする。
【解決手段】折流板が内径側垂直ダクトと外径側垂直ダクトのいずれか一方を開放し、かつ一折流区内での開放側は内径側と外径側が交互になるよう配置され、冷媒が水平ダクト及び垂直ダクトを上流側から下流側に流れる静止誘導電器において、垂直ダクトの幅は一つの折流区内で上流側の幅の方が下流側の幅よりも広いことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は変圧器やリアクトルなどの静止誘導電器に係り、特に、巻線を冷却する絶縁冷却媒体が巻線の周辺に配置されている折流板に案内されて巻線部を冷却する静止誘導電器に関する。

変圧器等の静止誘導電器においては、容量増加にともない、巻線の直流抵抗損失増加や漏れ磁束が巻線に錯交することで生じる損失の増加のため、巻線を冷却する必要がある。特に変圧器を大容量化、小型化する上で冷却の重要性が高くなる。

ここで、静止誘導電器の冷却に関する技術として例えば特許文献１または２に記載されたものがある。特許文献１では、巻線全体として下流側の巻線上部で冷却性能が低下するのに対し巻線上部の折流区の距離を小さくして平均流速を上げ、巻線上部の冷却性能を向上させている。

また、特許文献２では水平ダクトにおいてその断面積が巻線半径方向の上流から下流にかけて変わらない場合、絶縁冷却媒体流れの巻線半径方向下流側の方が冷却特性が悪くなることを防ぐため、水平スペーサを扇形にして巻線半径方向下流側流路断面積を狭め、流速を上げて冷却性能を向上させている。

特開平７−２６３２４８号公報 特開平７−１６１５３７号公報

冷却流路に折流区を持つ静止誘導電器では冷却性能ばらつきを持つため、この対策を合理的に実施できることが望ましい。特許文献１または２に記載された技術は、ひとつの冷却性能向上手段としては有効であるものの、折流区内水平ダクトの流量ばらつきに由来する冷却性能低下に対しては改善の余地が残されている。

そこで、本発明では流量のばらつきを容易に改善できる静止誘導電器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る静止誘導電器は、タンク内に鉄心と、該鉄心の周囲に巻回されて、所定の間隙を設けて垂直方向に積み重ねられる巻線とを備えた電器本体と、前記巻線の内径側を覆う内径側絶縁筒と、前記巻線の外径側を覆う外径側絶縁筒と、前記巻線の巻き回し層間に挿入された隣り合う水平スペーサ間に形成される水平ダクトと、前記巻線、前記内径側絶縁筒、前記水平スペーサの間に形成される内径側垂直ダクトと、前記巻線、前記外径側絶縁筒、前記水平スペーサの間に形成される外径側垂直ダクトと、前記巻線の巻き回し層間に挿入され、前記各垂直ダクトを所定の間隔を持って分割する折流板と、前記巻線内径側垂直ダクトと前記外径側垂直ダクトは前記水平ダクトによって連通され、前記折流板は隣り合う前記折流板との間で折流区を形成し、前記折流板は前記内径側垂直ダクトと前記外径側垂直ダクトのいずれか一方を開放し、かつ前記一折流区内での開放側は内径側と外径側が交互になるよう配置され、冷媒が前記水平ダクト及び前記垂直ダクトを上流側から下流側に流れる静止誘導電器において、前記垂直ダクトの幅は一つの折流区内で上流側の幅の方が下流側の幅よりも広いことを特徴とする。

本発明によれば、本発明では流量のばらつきを容易に改善できる静止誘導電器を提供することが可能になる。

本発明の適用対象となる変圧器の構成概要と、巻線冷却流路の軸方向断面構造を示したものである。 図１の冷却媒体の流動経路を示したものである。 本発明の第一の実施例の巻線冷却流路構造を示したものである。 巻線冷却流路の一折流区内における一般的な流量配分、巻線温度上昇の傾向について示したものである。 本発明の第二の実施例の巻線冷却流路構造を示したものである。 本発明の第三の実施例で冷媒が巻線外径側から内径側へ流れる折流区の巻線冷却流路構造を示したものである。 本発明の第三の実施例で冷媒が巻線内径側から外径側へ流れる折流区の巻線冷却流路構造を示したものである。 本発明の第四の実施例で冷媒が巻線外径側から内径側へ流れる折流区の巻線冷却流路構造を示したものである。 本発明の第四の実施例で冷媒が巻線内径側から外径側へ流れる折流区の巻線冷却流路構造を示したものである。 絶縁紙の温度に対する寿命到達時間を示したものである。

本発明では、折流区内の水平ダクトの流量配分を均一化し、水平ダクトの冷却性能を均一化することで、機器の冷却設備を最小限に抑えることができ、長寿命化ができ、また合理的に大容量・小型化を実現することができる。例えば熱伝達率の偏りで生じる巻線と油の最大温度差に合わせて巻線の太さ（電気抵抗）を決めている場合、本発明により熱伝達率を均一化して巻線と油の最大温度差が１０％下がると、巻線の発熱量に１０％の余裕ができるため、巻線を５〜１０％細くして小型軽量化を図ることができる。

また、水平スペーサ形状を変更するだけで上記機能を達成できるので、最低限の機器変更で済む利点がある。また垂直ダクトの巻線円周方向幅は百mmを超えるオーダであり、製作公差に対し余裕を持たせることが可能である。

以下では、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の実施態様を限定する趣旨ではない。また、特に断らない限り巻線の発熱密度は均一であることを仮定する。

本実施例について図１ないし図４、図１０を用いて説明する。本実施例に係る静止誘導電器は図１、図２に示すように、タンク内に鉄心と、該鉄心の周囲に巻回されて、所定の間隙を設けて垂直方向に積み重ねられる巻線とを備えた電器本体を収納し、巻線１の巻き回し層間１０に挿入された隣り合う水平スペーサ２（図１、図２には図示しない）の間に、半径方向に構成される水平ダクト１１と、さらに巻線１・巻線１の内径側を覆う内径側絶縁筒５−１・巻線１と該絶縁筒５−１、５−２の間に挿入された垂直スペーサ３によって設けられた、垂直方向に連通する内径側の垂直ダクト１２と、巻線１・巻線１の外径側を覆う外径側絶縁筒５−２・巻線１と該絶縁筒５−１、５−２の間に挿入された垂直スペーサ３によって設けられた、垂直方向に連通する空間により外径側の垂直ダクト１２とを有し、巻線内径側の垂直ダクト１２と外径側の垂直ダクト１２は水平ダクト１１によって連通されている。垂直ダクトは所定の間隔を持って巻線１の巻き回し層間１０に挿入される折流板４によって分割され、折流板４は内径側垂直ダクトと外径側垂直ダクトのいずれか一方を開放し、かつ一折流区内での開放側は交互になるよう配置され、該巻線１周りの流路構造により冷媒が下述する様に、上流側から下流側巻線１内をジグザグに流通する。例外がダクト内を流通することで巻線１が冷却される。尚、本明細書中では、折流板４で区切られた区間を折流区７と呼ぶ。水平スペーサ２の水平ダクトから垂直ダクトに張り出している部分６には切り欠きが設けられ、この張り出し部６によって垂直スペーサ３が支持されている。

また、図２に示すように、隣り合う折流区７同士では上流側、下流側の開放側をそれぞれ逆にしており、折流板４と折流板４の間の隣り合う折流区７ごとに流れが内径側向き、外径側向きと交互に切り替わる、言わばジグザグの流れになる。

図３に本実施例に係る変圧器巻線の流路構造を示す。図３（ａ）は巻線外側側面から絶縁筒を除いた冷却流路を見たもので、図３（ｂ）は図３（ａ）をＡ−Ａ線断面で見た流路構造であり、図３（ｃ）は図３（ａ）についてＢ−Ｂ線から下面を見たものである。

本実施例においては、図３（ｃ）から分かるように、水平スペーサ２形状が水平スペーサ２に設けられている張り出し部６の幅を他の部位よりも大きくし、内径側の垂直ダクト及び外径側の垂直ダクトの壁面となる張り出し部６の幅が太く（「エ」の字形に）なっている。さらに水平スペーサ２の張り出し部６幅は一折流区７内の上流から下流（＝図３（ａ）、（ｂ）で下側は冷媒の流れに対しては上流であり、上側は冷媒の流れに対しては下流である）に向かうにつれ大きくなっており、これにより垂直ダクト、及び水平ダクト出入口の巻線１円周方向幅は一つの折流区７内で、上流側の幅の方が下流側の幅よりも広くなっている。

巻線１を冷却する絶縁冷却媒体が巻線の周辺に配置されている折流板４に案内されてジグザグに流通し、巻線１を冷却する静止誘導電器において、一般に一折流区７内における水平ダクトを流れる冷媒の流量は、図４に示すように、折流区７の下流側水平ダクトで大きく、上流側水平ダクトで小さくなる。そのため、折流区内の上流に位置する巻線１では冷却性能が低下してしまう。冷却性能のばらつきは、最低限の冷却性能確保のために必要な冷却設備の増大を招いたり、静止誘導電器を構成する材料の一部だけが早く劣化することで機器全体の寿命短縮に繋がるなどの悪影響がある。具体的には機器を構成するプレスボートの様な絶縁構造物が劣化すると、寸法の縮小や強度低下といった症状が現れ、巻線締め付け力や短絡機械力の低下といった悪影響が起こる。図１０（出典：電気絶縁紙、コロナ社、ｐ３８７）に示すように材料の劣化は温度が高いほど進行が早く、上記の問題は機器内最高温度に依存するため、特に機器の大容量・小型化を進める場合発熱密度が大きくなり、冷却性能のばらつきによって過剰な冷却設備が必要になったり、耐熱性能の高い高価な材料を使用する必要が生じたりする。

これに対し、本実施例では、垂直ダクト１２の幅は一つの折流区７内で上流側の幅の方が下流側の幅よりも広くしたことで、流路では、折流区７上流側で内径側（外径側）垂直ダクトから水平ダクトを通り、外径側（内径側）垂直ダクトへ流れ出る流路抵抗の方が下流側より小さくなるため、上流側水平ダクトの方に冷却媒体が流れ易くなる。従って、折流区７上流側水平ダクトに流れ易く、下流側に流れにくくでき、水平ダクトの流量配分を均一化し、冷却性能ばらつきを抑えることができる。

尚、本実施例では下流側ほど水平スペーサ２の張り出し部６幅を大きくしたが、張り出し部６幅の垂直方向における変化の仕方としては段階的な変化に限定されるものではない。

図５に第二の実施例を示す。第二の実施例は、折流区内にある水平スペーサ２のうち、最も上流にある水平ダクトよりも下流の水平ダクトを構成する水平スペーサの一部のものの張り出し部６幅を大きくしており、これにより、水平ダクトの流量配分を均一化し、冷却性能ばらつきを抑えることができる。第一の実施例よりも流量配分の制御性が低くなる代わりに、水平スペーサ２形状の種類を減らすことができるため作業効率が良くなる。冷却性能ばらつきが、ある程度の範囲内で許容できる寿命設計をする場合に有効である。他の点については実施例１と同様であり、ここでの説明は省略する。

図６、図７に第三の実施例を示す。折流板４の配置の違いから、図６では巻線１外径側垂直ダクトから水平ダクトを通り巻線１内径垂直ダクトを通る流路構造になっており、図７では逆に巻線１内径側垂直ダクトから水平ダクトを通り巻線１外径側垂直ダクトを通る流路構造になっている。第三の実施例は、垂直ダクト１２の幅は一つの折流区７内で上流側に配置される折流板４の開放側に位置する側のみ上流側の幅の方が下流側の幅よりも広くなる様にしている。具体的には、いずれの図においても水平スペーサ２に設けられている張り出し部６のうち、水平ダクト入口側（図６で外径側、図７で内径側）の張り出し部（図６内６−１、図７内６−２）幅のみを大きくしている。垂直ダクト１２の幅は一つの折流区７内で上流側に配置される折流板４の開放側に位置する側のみ上流側の幅の方が下流側の幅よりも広くなる様に構成することで、水平ダクトの流量配分を均一化し、冷却性能ばらつきを抑えることが可能になる。第一の実施例に対して第二の実施例があるように、最も上流にある水平ダクト以外の水平ダクトを構成する、一部の水平スペーサ２で水平ダクト入口側張り出し部（図６内６−１、図７内６−２）幅を大きくすればよい。流れの向きに合うように水平スペーサ２の向きを考慮しながら製作することになるが、下流側垂直ダクトの流路抵抗が最小限になるため圧力損失が小さくなり、また水平ダクトの流量配分制御性も高く、設計もし易い利点がある。他の点については上記各実施例と同様であり、ここでの説明は省略する。

図８、図９に第四の実施例を示す。折流板４の配置の違いから、図８では巻線１外径側垂直ダクトから水平ダクトを通り巻線１内径垂直ダクトを通る流路構造になっており、図９では逆に巻線１内径側垂直ダクトから水平ダクトを通り巻線１外径側垂直ダクトを通る流路構造になっている。

上記各実施例では一般的に扱うために巻線１の発熱密度が均一であることを仮定したが、実用上は巻線１の巻き方や漏れ磁束の錯交などにより、各段の巻線１の発熱密度にもばらつきが生じる場合もある。この場合は発熱密度の高い場所ほど冷媒の流量が多くなるように任意に流量分布を調整できることが望ましい。係る要求の下では発熱密度の高い巻線１が面する水平ダクトに流れる冷媒流量を大きくすることが冷却に有効で、発熱密度が他の巻線よりも高い巻線が接する水平ダクトの幅を大きくすることがいずれの場合にも対応できる解となる。その解の一態様として、発熱密度が高い巻線１が折流区７内の上流側にある場合は、条件は異なるが対策としては、前記第一〜第三の実施例で説明した内容と同じ傾向となる（無論、更に流量に差を付けると言った対策を施すことが一層望ましいことは言うまでもない）。

以下では、逆に発熱密度が高い巻線１が折流区７内の下流側にあり、あえて下流側の水平ダクトの流量配分を大きくする必要がある場合におけるものである。この場合、垂直ダクトの幅は一つの折流区内で上流側に配置される折流板の開放側に位置する側のみ下流側の幅の方が上流側の幅よりも広くなる様に構成すれば良い。具体的には、水平スペーサ２に設けられている張り出し部６のうち、水平ダクト出口側（図８で内径側、図９で外径側）の張り出し部（図８内６−３、図９内６−４）幅をその折流区７の上流側で大きくすることでその箇所の流路抵抗を増やして下流側水平ダクトの流量配分を大きくすることが可能である。これにより、下流側の発熱密度増大に応じた冷却性能を確保することが可能になる。第一の実施例に対して第二の実施例があるように、最も下流にある水平ダクト以外の水平ダクトを構成する、一部の水平スペーサ２で水平ダクト入口側張り出し部（図８内６−３、図９内６−４）幅を大きくすればよい。

折流区７内の任意の巻線１で発熱密度が高い場合、前記第一〜第四の実施例の組み合わせにより該当巻線１に接する水平ダクトの流量配分を増やせて、かつ発熱密度が同じなら同じ流量、発熱密度が小さいなら少ない流量配分を与えることができるため、的確な冷却が可能である。他の点については上記各実施例と同様であり、ここでの説明は省略する。

尚、上記各実施例では一折流区の構造のみについて説明したが、実際の静止誘導電器では、垂直方向に複数の折流区を備えるものである。そして、構造によっては巻線１内の折流区７ごとに平均流速、流量配分や発熱密度は変わるため、各実施例で示した構造や、その組み合わせの適用は一つの折流区７に対し実施される場合でも良く、適用の仕方は折流区７ごとに異なってもよい。また、各実施例で示した構造は、組み合わせて適用することも排除されるものではない。

上記各実施例で説明した内容によれば、発熱密度がいずれの巻線間でおよそ一定の場合、及び密度に差が生ずる場合のいずれについても流量のばらつきを容易に改善し、冷却性能を向上させることができる。

１ 巻線
２ 水平スペーサ
３ 垂直スペーサ
４ 折流板
５ 絶縁筒
６ 水平スペーサ張り出し部
７ 折流区
１０ 巻き回し層間
１１ 水平ダクト
１２ 垂直ダクト

Claims (6)

1. タンク内に鉄心と、該鉄心の周囲に巻回されて、所定の間隙を設けて垂直方向に積み重ねられる巻線とを備えた電器本体と、
   前記巻線の内径側を覆う内径側絶縁筒と、前記巻線の外径側を覆う外径側絶縁筒と、
   前記巻線の巻き回し層間に挿入された隣り合う水平スペーサ間に形成される水平ダクトと、
   前記巻線、前記内径側絶縁筒、前記水平スペーサの間に形成される内径側垂直ダクトと、
   前記巻線、前記外径側絶縁筒、前記水平スペーサの間に形成される外径側垂直ダクトと、
   前記巻線の巻き回し層間に挿入され、前記各垂直ダクトを所定の間隔を持って分割する折流板と、
   前記巻線内径側垂直ダクトと前記外径側垂直ダクトは前記水平ダクトによって連通され、
   前記折流板は隣り合う前記折流板との間で折流区を形成し、
   前記折流板は前記内径側垂直ダクトと前記外径側垂直ダクトのいずれか一方を開放し、かつ前記一折流区内での開放側は内径側と外径側が交互になるよう配置され、
   冷媒が前記水平ダクト及び前記垂直ダクトを上流側から下流側に流れる静止誘導電器において、
   前記垂直ダクトの幅は一つの折流区内で上流側の幅の方が下流側の幅よりも広いことを特徴とする静止誘導電器。
2. 請求項１に記載の静止誘導電器であって、
   前記垂直ダクトの幅は一つの折流区内で上流側に配置される折流板の開放側に位置する側のみ上流側の幅の方が下流側の幅よりも広いことを特徴とする静止誘導電器。
3. 請求項１に記載の静止誘導電器であって、
   前記垂直ダクトの幅は一つの折流区内で上流側に配置される折流板の開放側に位置する側のみ下流側の幅の方が上流側の幅よりも広いことを特徴とする静止誘導電器。
4. 複数の折流区に対して複数の垂直ダクトの幅を備える静止誘導電器であって、
   複数の垂直ダクトの幅は請求項１ないし３のいずれかに記載の垂直ダクトの幅となっていることを特徴とする静止誘導電器。
5. タンク内に鉄心と、該鉄心の周囲に巻回されて、所定の間隙を設けて垂直方向に積み重ねられる巻線とを備えた電器本体と、
   前記巻線の内径側を覆う内径側絶縁筒と、前記巻線の外径側を覆う外径側絶縁筒と、
   前記巻線の巻き回し層間に挿入された隣り合う水平スペーサ間に形成される水平ダクトと、
   前記巻線、前記内径側絶縁筒、前記水平スペーサの間に形成される内径側垂直ダクトと、
   前記巻線、前記外径側絶縁筒、前記水平スペーサの間に形成される外径側垂直ダクトと、
   前記巻線の巻き回し層間に挿入され、前記各垂直ダクトを所定の間隔を持って分割する折流板と、
   前記巻線内径側垂直ダクトと前記外径側垂直ダクトは前記水平ダクトによって連通され、
   前記折流板は隣り合う前記折流板との間で折流区を形成し、
   前記折流板は前記内径側垂直ダクトと前記外径側垂直ダクトのいずれか一方を開放し、かつ前記一折流区内での開放側は内径側と外径側が交互になるよう配置され、
   冷媒が前記水平ダクト及び前記垂直ダクトを上流側から下流側に流れる静止誘導電器において、
   発熱密度が他の巻線よりも高い巻線が接する水平ダクトの幅を他の水平ダクトの幅よりも大きくすることを特徴とする静止誘導電器。
6. 請求項１ないし５のいずれか一つに記載の静止誘導電器であって、
   前記巻線から前記垂直ダクトに向かって張り出している水平スペーサ張り出し部の幅を調整することで、前記垂直ダクトの幅は調整されることを特徴とする静止誘導電器。