JP2013232463A - 静止誘導電器 - Google Patents

Abstract

【課題】
コイル間スペーサーの本来の役割を果たすことは勿論、巻線振動の減衰性及びコイル間の絶縁特性に優れていること。
【解決手段】
本発明の静止誘導電器は、上記課題を解決するために、脚部とヨーク部からなる鉄心と、該鉄心の脚部に巻回され、上下ヨーク部間に配置された巻線部と、該巻線部のコイル間に配置され、該コイルを支持する絶縁性のコイル間スペーサーとを備え、前記コイル間スペーサーは、第１のコイル間スペーサーと、前記コイルと接する第２のコイル間スペーサーとで形成され、かつ、前記第１のコイル間スペーサーの密度と比誘電率が、前記第２のコイル間スペーサーのそれより低いことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は静止誘導電器に係り、特に、変圧器やリアクトル等の如く、鉄心に巻回される巻線部を構成するコイル間に配置されてコイルを支持するコイル間スペーサーを備えているものに好適な静止誘導電器に関する。

従来、変圧器やリアクトル等の静止誘導電器においては、脚部とヨーク部からなる鉄心と、この鉄心の脚部を巻回し上下ヨーク部間に配置された巻線部とから概略構成され、巻線部のコイル間には、コイルを支持する絶縁性のコイル間スペーサーが配置されている。

上述のコイル間スペーサーには、主にコイルを支持し、コイル間の絶縁距離を確保する目的で、セルロースを主成分としたクラフトパルプ、或いはアラミド繊維を原料とし、繊維を抄紙、積層、圧縮し、板状にしたプレスボード或いはアラミドボードを単層、又は２乃至３層重ねたものが用いられている。

例えば、特許文献１には、コイル導体間に間隔片（コイル間スペーサー）を設けて巻線部を形成してなる変圧器やリアクトル等の静止誘導電器において、巻線部の少なくとも軸方向中央部付近に、樹脂積層板等の圧縮弾性率の高い硬質の間隔片を用いることが開示されている。

一方、特許文献２には、変圧器やリアクトル等の油入誘導電器の円板巻線コイル間の間隔片について記載され、少なくともコイルに接する部分の間隔片を、平角線の絶縁被覆材であるクラフト紙より誘電率の低い、クラフト紙とプラスチック紙とからなる合成絶縁紙で形成することが開示されている。

ところで、２００１年に国際電気標準会議（ＩＥＣ）において、変圧器の通電時の騒音が規格化された。このため、静止誘導電器の低騒音化に対する関心が高まっている。

変圧器の通常運転時、巻線には電磁機械力が発生し、巻線軸方向に振動することが知られているが、この振動が、変圧器のタンクや放熱器に伝わり、外部に騒音として放射される。この騒音は鉄心励磁騒音に比べて、一般の設計では無視しうるほど小さい。

しかし、鉄心の励磁騒音を極度に低くした特別の設計では、巻線の振動騒音は無視することができなくなり、巻線の振動を低減する必要がある。

図９に、従来の変圧器における巻線部を示す。該図に示す如く、変圧器は、上部ヨーク３Ａ及び下部ヨーク３Ｂと共に鉄心を構成する鉄心脚２の周りを外側巻線４が、外側巻線４の内周側に内側巻線５が巻回されると共に、この外側巻線４は絶縁筒７Ａに、内側巻線５は絶縁筒７Ｂにより覆われ、その全体が図示しない絶縁油により油含浸されて概略構成されている。

また、外側巻線４及び内側巻線５の上下端は、強化木１６を介して図示しない鉄心締付金具により上部ヨーク３Ａ及び下部ヨーク３Ｂに押し付けられると共に、上下軸方向に受ける電磁機械力に耐えるように構成されている。外側巻線４及び内側巻線５を構成するコイル８は、図示しない導体が絶縁物で被覆されており、各々のコイル８間には、コイル間スペーサー１０が配置されてコイル８を支持している。

図１０に、図９に示した従来の変圧器における巻線力学モデル図を示す。該図に示す如く、図１０では、図示しない締付金具で押し付けられている巻線を構成する強化木１６、コイル間スペーサー１０は、それぞればね定数と粘性減衰係数を有している。コイル間スペーサー１０のばね定数は、コイル間スペーサー材料の密度に依存する。一方，粘性減衰はコイル間スペーサー材料の内部粘性や含浸されている絶縁油の粘性抵抗に起因すると考えられ、コイル間スペーサー１０の粘性減衰係数は、コイル間スペーサー材料の密度のほか絶縁油の粘度などにも依存すると考えられる。ここでは、ばね定数をばね１９、粘性減衰係数をダッシュポット２０で表している。

この時の運動方程式は、数１となる。

この式を解くと、電磁力により強制振動しているコイル８の振幅は、数２となる。

前記式において、基本的には振幅Ａ_０を小さくするようにコイル間スペーサー１０の材質、構成、諸定数を選定する必要がある。

特開平４−３１８９０５号公報 特開昭６２−１２２１１２号公報

しかしながら、特許文献１は、硬質の間隔片を用いることは、コイルの電磁力が大きい部分の振動を低減するという観点では有効であるが、コイル間の絶縁耐力向上という観点から、より一層の絶縁耐力向上のためには、巻線中央部分においても従来通りのクラフトパルプ、或いはアラミド繊維を原料としたプレスボード或いはアラミドボードを使用したコイル間スペーサーの構成が必要となる。

また、コイルとコイル間スペーサーの間には、くさび状のギャップが形成され、比誘電率の小さいくさび状のギャップに、電界が集中する。

一般に絶縁、冷却媒体となる液体又はガスの絶縁強度は、コイル間スペーサー及び巻線被覆等の固体絶縁物より低いため、この部分が破壊の出発点になり、電界集中が大きい程絶縁耐力は低下する。従って、この部分の電界強度を、低減しなければならない。

一方、特許文献２は、プレスボードの両側の面にクラフト紙とプラスチック紙とからなる合成絶縁紙を貼り付けたコイル間スペーサーにより、くさび状のギャップの電界強度を低減するという観点では有効である。

しかしながら、特許文献２では、コイル間スペーサーがプレスボードに絶縁紙を貼り付けて形成されるため、製造プロセスが増える可能性がある。更に、前記合成絶縁紙を構成するプラスチック紙が、絶縁媒体によって膨潤する可能性があり、プラスチック紙が膨潤すると、コイルの支持というコイル間スペーサー本来の役割を果たすことができない恐れがあり、あまり好ましくない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、コイル間スペーサーの本来の役割を果たすことは勿論、巻線振動の減衰性及びコイル間の絶縁特性に優れた静止誘導電器を提供することにある。

本発明の静止誘導電器は、上記目的を達成するために、脚部とヨーク部からなる鉄心と、該鉄心の脚部に巻回され、上下ヨーク部間に配置された巻線部と、該巻線部のコイル間に配置され、該コイルを支持する絶縁性のコイル間スペーサーとを備え、前記コイル間スペーサーは、第１のコイル間スペーサーと、前記コイルと接する第２のコイル間スペーサーとで形成され、かつ、前記第１のコイル間スペーサーの密度と比誘電率が、前記第２のコイル間スペーサーのそれより低いことを特徴とする。

また、前記第１のコイル間スペーサーは、前記コイルに接する前記第２のコイル間スペーサーに上下に挟まれていることを特徴とする。

また、この時の第１のコイル間スペーサーは、クラフト紙、アラミド紙等の絶縁紙から成り、前記第２のコイル間スペーサーは、プレスボード、アラミドボード等の絶縁ボードから成ることを特徴とする。

また、前記第１のコイル間スペーサーの密度は、１．００×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下で、かつ、記第２のコイル間スペーサーの密度は、１．３５×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下であることを特徴とする。

また、前記第１のコイル間スペーサー材料の比誘電率は、絶縁油が含浸された状態で、８０℃下で４．１以下であり、かつ、第２のコイル間スペーサーの比誘電率は、絶縁油が含浸された状態で、８０℃下で５．１以下であることを特徴とする。

また、前記巻線部に設置された前記第１のコイル間スペーサーの総厚みは、前記第２のコイル間スペーサーの総厚みの１．５％〜１０％であることを特徴とする。

また、前記第１のコイル間スペーサーである前記絶縁紙の１枚当たりの厚みが５０〜１５０μｍであり、前記第２のコイル間スペーサーである絶縁ボードの１枚当たりの厚みが１．５〜１．６ｍｍであることを特徴とする。

また、前記第１及び第２のコイル間スペーサーは、クラフトパルプ、アラミド繊維のどちらか一方を含んでいること特徴とする。

本発明によれば、コイル間スペーサーの本来の役割を果たすことは勿論、巻線振動の減衰性及びコイル間の絶縁特性に優れた静止誘導電器を得ることができる。

本発明の静止誘導電器の実施例１である変圧器の巻線部付近の概略構成を一部破断して示す斜視図である。 本発明の静止誘導電器の実施例１である変圧器の巻線部付近を示す断面図である。 図２におけるＪ部分を示す拡大斜視図である。 図３におけるＫ部分を示す拡大断面図である。 本発明の実施例１における変圧器巻線の力学モデルを示す図である。 本発明の実施例１の変圧器に採用されるコイル間スペーサーの振動減衰特性を示す図である。 本発明の実施例１の変圧器に採用されるコイル間スペーサーの振動エネルギー吸収特性を示す図である。 本発明の実施例1における変圧器の騒音レベル評価時の状態を示す変圧器の平面図である。 従来構造における変圧器の巻線部付近を示す断面図である。 従来構造における変圧器巻線の力学モデルを示す図である。

以下、図示した実施例に基づいて、本発明の静止誘導電器について説明する。尚、符号は、従来と同一のものは同符号を使用する。

以下の実施例において、コイル間スペーサーの巻線振動の低減の指標となる振動減衰性は、以下の方法で測定した。即ち、プレスボード及び絶縁紙のヒステリシス評価は、ＧＡＢＯ社製ＥＰＬＥＸＯＲ４０００動的粘弾性装置にて行った。試料に１ＭＰａの初期荷重を加えた後、測定温度は８０℃、ひずみ０．００５で、種々の周波数での正弦波の変形を試料に加えた。

また、以下の実施例において、コイル間スペーサーの比誘電率は、以下の方法で測定した。即ち、測定端子取り出し口を有する密閉容器の中に、Φ６５ｍｍの平行平板電極、ガード電極を配置し、いずれも横河電機製のシェ−リングブリッジ、標準コンデンサ、検出器、５０Ｈｚ高圧電源を用い、シェーリングブリッジ法により測定した。

また、以下の実施例において、変圧器の騒音レベル測定は、以下の方法で測定した。即ち、音圧測定はＩＥＣ６０６５１に準拠し、ＩＳＯ３７４６の５．２に従い校正した小野測器社製積分平均サウンドレベルメーターＣｌａｓｓ１ ＬＡ−４４４０にて行った。

図１及び図２に、本発明の静止誘導電器の実施例１である油入変圧器を示す。

図１及び図２に示す如く、変圧器１の鉄心は、鉄心脚２と上部ヨーク３Ａ及び下部ヨーク３Ｂとからなり、鉄心脚２の周りを外側巻線４、内側巻線５が、また、場合により図示しないタップ巻線が巻回され、外側巻線４は絶縁筒７Ａ、内側巻線５は絶縁筒７Ｂにより覆われていると共に、これら全体がタンク１５に収納され、そのタンク１５の中は絶縁油で満たされている。更に、強化木１６を介して図示しない締付金具により上部ヨーク３Ａ及び下部ヨーク３Ｂに押し付けられると共に、上下軸方向に受ける圧縮電磁機械力に耐えるように構成されている。

そして、本実施例では、外側巻線４及び内側巻線５を構成するコイル８は、図示しない導体が絶縁物で被覆されており、各々のコイル８間には、第１のコイル間スペーサー１１Ａと第２のコイル間スペーサー１１Ｂから成ると共に、第１のコイル間スペーサー１１Ａの密度と比誘電率が、第２のコイル間スペーサー１１Ｂのそれより低いコイル間スペーサー１１が配置されてコイル８を支持している。

この時、コイル８には第２のコイル間スペーサー１１Ｂが接触し、そのコイル８に接触するように配置された第２のコイル間スペーサー１１Ｂの間に第１のコイル間スペーサー１１Ａが設置される。即ち、第１のコイル間スペーサー１１Ａは、コイル８に接する第２のコイル間スペーサー１１Ｂで上下に挟まれている構造である。

この際、コイル８に第２のコイル間スペーサー１１Ｂが接触するように設置されることが重要であり、コイル８に接触する第２のコイル間スペーサー１１Ｂの間での第１のコイル間スペーサー１１Ａの設置と、コイル８に接触しない第２のコイル間スペーサー１１Ｂの設置順序は特に問わない。

図３に示す如く、外側巻線４及び内側巻線５を構成するコイル８は、導体がコイル被覆９で被覆されていて、第１のコイル間スペーサー１１Ａと第２のコイル間スペーサー１１Ｂとから成るコイル間スペーサー１１により支持されている。

送配電系統に短絡事故が発生すると、その系統に接続されている変圧器には過大な短絡電流が流れ、コイルないしコイル間スペーサーに大きな機械力が加わる。変圧器はこの短絡電流に対し、所定の時間、機械的、熱的に損傷を受けることなく耐えねばならない。

よって、コイル間スペーサー１１の本来の役割であるコイル８の支持が不安定にならないためには、巻線６に設置された第１のコイル間スペーサー１１Ａの総厚みは、第２のコイル間スペーサー材料１１Ｂの総厚みの１０％以下であることが望ましい。

また、第１のコイル間スペーサー１１Ａの総厚みが、第２のコイル間スペーサー１１Ｂの総厚みの１．５％以下だと微小な変位でも塑性変形してしまう嫌いがある。

より望ましくは、第１のコイル間スペーサー１１Ａである絶縁紙の１枚当たりの厚みが５０〜１５０μｍであり、第２のコイル間スペーサー１１Ｂである絶縁ボードの１枚当たりの厚みが１．５〜１．６ｍｍであると良い。これも、薄いと微小な変位でも塑性変形してしまう嫌いがあり、厚いとコイル８の支持が不安定になるからである。

また、図４に示す如く、変圧器１の巻線６にあっては、コイル８と第２のコイル間スペーサー１１Ｂの接する部分に、くさび状のギャップ１７が生じることがあるが、本実施例では、第１のコイル間スペーサー１１Ａが第２のコイル間スペーサー１１Ｂよりも低誘電率であるため、誘電率が低い方に電界が集中することから電界が分担され、くさび状のギャップ１７の電界強度を低減することができる。

この時の第１のコイル間スペーサー１１Ａの比誘電率は、絶縁油等の絶縁媒体よりも高く、第２のコイル間スペーサー１１Ｂよりも低い必要があり、本実施例では、第１のコイル間スペーサー１１Ａの比誘電率は、８０℃下で３．２以下であり、かつ、第２のコイル間スペーサー１１Ｂの比誘電率は、鉱油で含浸された状態で、８０℃下で５．１以下であることが望ましい。これは、第１及び第２のコイル間スペーサー１１Ａ、１１Ｂの比誘電率が、上記した数値以上だと、くさび状のギャップ１７の電界強度が高くなる嫌いがあるからである。

次に、図５に示す如く、第１のコイル間スペーサー１１Ａと第２のコイル間スペーサー１１Ｂで構成されるコイル間スペーサー１１は、それぞればね定数と粘性減衰係数を有している。コイル間スペーサー１１のばね定数は、第１のコイル間スペーサー１１Ａと第２コイル間スペーサー１１Ｂの密度に関係し、他方、粘性減衰係数は第１のコイル間スペーサー１１Ａと第２のコイル間スペーサー１１Ｂ材料の密度に関係し、例えば材料の内部粘性、絶縁油の粘性抵抗に起因する。尚、ここでは、ばね定数をばね１９、粘性減衰係数をダッシュポット２０で表している。

よって、コイル間スペーサー１１の密度が高ければ弾性が高く、粘性減衰性が低くなり、密度が低ければ弾性が低く、粘性減衰性が高くなる。

本実施例では、第１のコイル間スペーサー１１Ａの密度は、１．００×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下で、かつ、第２のコイル間スペーサー１１Ｂの密度は、１．３５×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下であることが望ましい。これは、第１のコイル間スペーサー１１Ａの密度が、１．００×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上だと絶縁特性が悪くなるし、振動低減の効果が少なく、また、第２のコイル間スペーサー１１Ｂの密度が、１．３５×１０^３ｋｇ／ｍ^３以上だと絶縁特性が悪くなるからである。

本実施例の構成において、背景技術で説明した式のコイル振動の振幅Ａ_０を鑑みると、第１のコイル間スペーサー１１Ａを用いた場合でも、巻線６は変圧器１に設置される時、軸方向に締付けられて設置されるため、第１のコイル間スペーサー１１Ａと第２のコイル間スペーサー１１Ｂが各々の弾性率に応じて圧縮され密度が高くなるため、コイル間スペーサー１１全体としては、弾性率はあまり変わらない。一方、巻線６が軸方向に締付けられた後も、第１のコイル間スペーサー１１Ａは、第２のコイル間スペーサー１１Ｂよりも低密度であるため、コイル間スペーサー１１全体としては、粘性減衰係数ｃが大きくなる。よって、巻線振動の振幅を低減することができる。

また、第１のコイル間スペーサー１１Ａと第２のコイル間スペーサー１１Ｂの誘電率の違いによって第１のコイル間スペーサー１１Ａに電界が分担されるため、コイル間スペーサー１１と隣接するコイル８のくさび状のギャップ１７の電界強度が低減される。一方、第１のコイル間スペーサー１１Ａを用いない従来構造では、コイル間スペーサー１１Ｂと隣接するコイル８のくさび状のギャップ１７の電界強度は低減されない。

図６に、本実施例のコイル間スペーサー１１におけるコイル間スペーサー１１の振動減衰特性を示す。測定周波数は、１０Ｈｚである。また、図中試料Ｎｏ．１は、厚さ１．６ｍｍのプレスボードを２枚重ねた時の実験結果であり、Ｎｏ．２は、厚さ１．６ｍｍのプレスボードの間に厚さ５０μｍのセルロース系絶縁紙であるクラフト紙を挟んだ時の実験結果である。図６は、一般にヒステリシスループと呼ばれており、曲線内の面積が振動の低減の指標であるコイル間スペーサー１１の粘性減衰性を表している。

該図から明らかな如く、Ｎｏ．２のヒステリシスループの面積が、Ｎｏ．1のヒステリシスループの面積より１６％程度大きくなっており、本実施例のコイル間スペーサー１１における振動の低減効果を確認できる。

図７に、本実施例のコイル間スペーサー１１におけるコイル間スペーサー１１の振動エネルギー吸収特性を示す。測定周波数は１０Ｈｚである。また、図中試料Ｎｏ．１は、厚さ１．６ｍｍのプレスボードを２枚重ねた時の実験結果であり、Ｎｏ．３は、厚さ１．６ｍｍプレスボードの間に厚さ５５μｍのアラミド系絶縁紙であるアラミド紙を挟んだ時の実験結果である。

該図から明らかな如く、Ｎｏ．３のヒステリシスループの面積が、Ｎｏ．1のヒステリシスループの面積より９％程度大きくなっており、本実施例のコイル間スペーサー１１における振動の低減効果を確認できる。

表１に、変圧器用絶縁材料の８０℃下での特性評価結果を示す。評価結果は、測定回数５回の平均値を示している。

表１より、絶縁紙はボード材よりも比誘電率が低く、その傾向は絶縁油の種類が変わっても同様であることが分かる。また、絶縁紙はボード材よりも密度が低い。

よって、第１のコイル間スペーサー１１Ａとしてアラミド紙或いはクラフト紙、第２のコイル間スペーサー１１Ｂとしてプレスボード或いはアラミドボードを用いることにより、巻線振動の低減及びくさび状のギャップ１７にかかる電界強度を低減できる。

図８は、変圧器の騒音レベル評価時の状態を示すものであり、変圧器の鉄心と巻線部分のみで構成されたタンク無しの変圧器を用いて測定を行った。測定条件は、定格周波数５０Ｈｚに設定し、励磁率１００％で実施した。マイクロフォンの位置ｐの測定距離Ｄは３００ｍｍ、高さは鉄心高さの１／２とした。

表２に、図８で測定した騒音レベル評価結果を示す。非補正平均Ａ特性音圧レベルと平均Ａ特性背景音圧レベルの差が、３ｄＢ以上であり、環境補正値７ｄＢ以下であることを確認して測定を行った。

表２より、本発明の巻線構造を用いた変圧器の騒音レベルは、従来構造の変圧器よりも約６ｄＢ（Ａ）低いことが分かった。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…変圧器、２…鉄心脚、３Ａ…上部ヨーク、３Ｂ…下部ヨーク、４…外側巻線、５…内側巻線、６…巻線、７Ａ、７Ｂ…絶縁筒、８…コイル、９…コイル被覆、１０、１１…コイル間スペーサー、１１Ａ…第１のコイル間スペーサー、１１Ｂ…第２のコイル間スペーサー、１２…絶縁油、１５…タンク、１６…強化木、１７…くさび状のギャップ、１９…ばね、２０…ダッシュポット、２２Ａ…電界、２３Ａ…電界、２３Ｂ…電界。

Claims (9)

1. 脚部とヨーク部からなる鉄心と、該鉄心の脚部に巻回され、上下ヨーク部間に配置された巻線部と、該巻線部のコイル間に配置され、該コイルを支持する絶縁性のコイル間スペーサーとを備え、
   前記コイル間スペーサーは、第１のコイル間スペーサーと、前記コイルと接する第２のコイル間スペーサーとで形成され、かつ、前記第１のコイル間スペーサーの密度と比誘電率が、前記第２のコイル間スペーサーのそれより低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において、
   前記第１のコイル間スペーサーは、前記コイルに接する前記第２のコイル間スペーサーで上下に挟まれていることを特徴とする静止誘導電器。
3. 請求項１又は２に記載の前記静止誘導電器において、
   第１のコイル間スペーサーは絶縁紙から成り、前記第２のコイル間スペーサーは絶縁ボードから成ることを特徴とする静止誘導電器。
4. 請求項３に記載の前記静止誘導電器において、
   前記絶縁紙はクラフト紙、アラミド紙であり、前記絶縁ボードはプレスボード、アラミドボードあることを特徴とする静止誘導電器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の前記静止誘導電器において、
   前記第１のコイル間スペーサーの密度は、１．００×１０^３ｋｇ／ｍ^３以下で、かつ、前記第２のコイル間スペーサーの密度は、１．３５×１０^３ｋｇ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする静止誘導電器。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の前記静止誘導電器において、
   前記第１のコイル間スペーサー材料の比誘電率は、絶縁油が含浸された状態で、８０℃下で４．１以下であり、かつ、前記第２のコイル間スペーサーの比誘電率は、絶縁油が含浸された状態で、８０℃下で５．１以下であることを特徴とする静止誘導電器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の前記静止誘導電器において、
   前記巻線部に設置された前記第１のコイル間スペーサーの総厚みは、前記第２のコイル間スペーサーの総厚みの１．５％〜１０％であることを特徴とする静止誘導電器。
8. 請求項３又は４に記載の前記静止誘導電器において、
   前記第１のコイル間スペーサーである前記絶縁紙の１枚当たりの厚みが５０〜１５０μｍであり、前記第２のコイル間スペーサーである絶縁ボードの１枚当たりの厚みが１．５〜１．６ｍｍであることを特徴とする静止誘導電器。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の前記静止誘導電器において、
   前記第１及び第２のコイル間スペーサーは、クラフトパルプ、アラミド繊維のどちらか一方を含んでいること特徴とする静止誘導電器。

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