JP2013502080A - 流体充填変圧器用の固体絶縁体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

より高い温度でのかつ劣化に対する感受性を低下させた変圧器の作動を可能にする流体充填電力変圧器のための絶縁システム。絶縁システムは、固体結合剤によって互いに結合された複数の繊維を含む。固体結合剤は、例えば、繊維の周りのシースのためのものであり、又は繊維を互いに結合する分散した粒子の形態にあることができる。同じくそのような絶縁システムを製作する方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的に、電力変圧器に含まれる絶縁システムに関する。本発明は、一般的に、そのような絶縁システムを含む電力変圧器の製造方法にも関する。

現在利用可能な高電圧流体充填電力変圧器は、誘電性流体を含浸させたセルロースベースの絶縁材料を利用している。より具体的には、そのような絶縁システムは、ターン間、ディスク及びセクション間、層間、巻線間、並びに高電圧及び接地電位部品（例えば、鉄心、構造部材、及びタンク）の構成要素間に位置決めされたセルロースベースの材料を含む。

作動させるために、現在利用可能な変圧器は、典型的には、０．５重量％よりも少ない水分含量を有する絶縁材料を含む。しかし、セルロースは、本来、３重量％から６重量％の水分を吸収するので、一般的に、比較的費用のかかる真空加熱工程が実施されて初めてセルロースは電力変圧器での使用に適切になる。そのような加熱／真空工程に従っても、セルロースが老化すると（すなわち、経時劣化する）、酸が生じるように水分も最終的に生じ、そのことが老化の過程を加速する。

セルロースが老化する速度は温度に依存するので、現在利用可能な電力変圧器の通常作動温度は、１０５℃か又はそれよりも低い。同じ理由から、そのような変圧器の最大作動温度は、１２０℃か又はそれよりも低い。より多くの電力が移送されると、より高い電流に起因するより高い損失が、より高い温度を発生する。従って、セルロースベースの絶縁システムは、電力変圧器の作動効率を制限する。

少なくとも上述のことを考慮すれば、経年劣化に対して感受性がより低い高電圧流体充填電力変圧器を有することは望ましいと考えられる。より高い通常作動温度及び最大作動温度を有する高電圧流体充填電力変圧器を有することも、これが変圧器を格納するのに必要な物理的空間を縮小すると考えられるので望ましいであろう。

上述の必要性は、本発明の１つ又はそれよりも多くの実施形態によって大きく満たされる。１つのそのような実施形態により、電力変圧器を提供する。電力変圧器は、第１の電力変圧器構成要素と、第２の電力変圧器構成要素と、第１の電力変圧器構成要素と第２の変圧器構成要素の間に位置決めされた冷却流体とを含む。流体は、電力変圧器の作動中に第１の電力変圧器構成要素及び第２の変圧器構成要素を冷却するように選択される。電力変圧器は、第１の電力変圧器構成要素と第２の変圧器構成要素の間に位置決めされた固体複合構造体も含む。特に、電力変圧器の作動中に、冷却流体は、複合構造体と接触する。複合構造体自体は、第１の外側面を有する第１のベース繊維と、第２の外側面を有する第２のベース繊維とを含む。更に、複合構造体は、第１の外側面の少なくとも一部分及び第２の外側面の少なくとも一部分に接着し、それによって第１のベース繊維を第２のベース繊維に結合する固体結合剤材料も含む。

本発明の別の実施形態により、電力変圧器を製作する方法を提供する。本方法は、第１の溶融温度を有する結合剤材料を第２のベース繊維と第２の溶融温度を有する第１のベース繊維との間に配置する段階を含む。本方法は、結合剤材料、第１のベース繊維、及び第２のベース繊維を互いに圧縮する段階も含む。本方法は、更に、圧縮する段階中に結合剤材料、第１のベース繊維、及び第２のベース繊維を第１の溶融温度は超えるが第２の溶融温度は下回る温度まで加熱し、それによって複合構造体を形成する段階を含む。更に、本方法は、複合構造体を第１の電力変圧器構成要素と第２の電力変圧器構成要素の間に位置決めする段階も含む。本方法は、位置決めする段階に続いて複合構造体に冷却流体を含浸させる段階も含む。

本発明の更に別の実施形態により、別の電力変圧器を提供する。この他方の電力変圧器は、電力変圧器内で第１の機能を実行するための手段と、電力変圧器内で第２の機能を実行するための手段と、電力変圧器を冷却するための手段とを含む。冷却するための手段は、典型的には、電力変圧器の作動中に第１の機能を実行するための手段と第２の機能を実行するための手段の間に位置決めされる。更に、この他方の変圧器は、電力変圧器を絶縁するための手段も含み、絶縁するための手段は、第１の機能を実行するための手段と第２の機能を実行するための手段の間に位置決めされる。典型的には、冷却するための手段は、絶縁するための手段と接触する。絶縁するための手段自体は、第１の外側面を有する構造体を提供するための第１の手段と、第２の外側面を有する構造体を提供するための第２の手段とを含む。絶縁するための手段は、第１の外側面の少なくとも一部分及び第２の外側面の少なくとも一部分に接着し、それによって構造体を提供するための第２の手段に構造体を提供するための第１の手段を結合する結合するための固体手段も含む。

本明細書における本発明の詳細説明をより良く理解することができるように、かつ当業技術に対する本発明の寄与をより良く認めることができるように本発明のある一定の実施形態を多少大まかに以上のように概説した。勿論、以下に説明し、かつ本明細書に添付の特許請求の範囲の主題を形成することになる本発明の付加的な実施形態が存在する。

この点に関して、本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に示すか又は図面に示す構成の詳細及び構成要素の配列にその用途が限定されないことは理解されるものとする。本発明は、説明する実施形態に加えた実施形態が可能であり、かつ様々な方法で実施及び実行することができる。また、本明細書及び要約書において使用する語句及び用語は、説明を目的とするものであり、限定と見なすべきではないことも理解されるものとする。

従って、当業者は、本発明の開示が基づく概念を本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、及びシステムの設計の基礎として容易に利用することができることを認めるであろう。従って、特許請求の範囲は、そのような同等の構成をそれらが本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り含むと見なされることが重要である。

本発明の実施形態による高電圧流体充填電力変圧器の断面の斜視図である。 図１に示す変圧器のための絶縁システムの一部として用いることができる本発明の実施形態による複合構造体の斜視図を含む図である。 同じく図１に示す変圧器のための絶縁システムの一部として用いることができる本発明の別の実施形態による複合構造体の斜視図を含む図である。 同じく図１に示す変圧器のための絶縁システムの一部として用いることができる本発明の更に別の実施形態による複合構造体の斜視図を含む図である。 本発明の実施形態による電力変圧器を製作する方法の段階を示す流れ図である。

ここで、全体を通して同じ参照番号は同じ部分を指す図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態による高電圧流体充填電力変圧器１０の断面の斜視図である。図１に示すように、変圧器１０は、様々な変圧器構成要素を含み、この変圧器構成要素の全てが、それらの間及び／又は周りに位置決めされた絶縁体を有することができる。より具体的に、変圧器１０は、変流器（ＣＴ）支持体１２と、支持ブロック１４と、ロッキングストリップ１６と、巻線シリンダ１８と、リード支持体２０と、ラジカルスペーサ２２と、末端ブロック２４とを含む。（明確にするために、絶縁体は図１には示していない）。

作動中、冷却流体（例として、例えば、ナフテン系鉱物油、イソパラフィンを含むパラフィン基鉱物油、合成エステル、及び天然エステル（例えば、ＦＲ３（登録商標））のような電気又は誘電絶縁流体）は、変圧器構成要素１２、１４、１６、１８、２０、２２、及び２４の間を流れ、かつ上述の絶縁体と接触し、典型的には、それを通る少なくとも一部の流れとも同様に接触する。（ここでも、明確にするために、冷却流体も図１には示していない）。冷却流体は、変圧器１０の作動中に変圧器１０内の構成要素を冷却するのみでなく、変圧器１０の作動中に変圧器１０内に見出される条件（例えば、温度レベル、電圧レベル、及び電流レベル等）に物理的に耐えるようにも選択される。更に、冷却流体は、変圧器構成要素に対してかつこれらの構成要素間に位置決めされた絶縁体に対して化学的に不活性であるように選択される。

図２は、図１に示す変圧器１０のための上述の絶縁システムの一部として用いることができる本発明の実施形態による複合構造体２６の斜視図を含む。図２に示す複合構造体２６は、１対のベース繊維３０を含み、その各々は、それに接着された固体結合剤材料３４のシースを有する外側面３２を有する。結合剤材料３４の２つのシースは、それら自体が互いに結合され、従って、２つのベース繊維３０を互いに結合している。

より小さい寸法及びより大きい寸法も本発明の範囲にあるが、図２に示す各ベース繊維３０の直径は、典型的にはミクロン台であり、各ベース繊維３０の長さは、典型的にはミリメートル台又はセンチメートル台である。従って、何千もの又は更に何百万ものそのようなベース繊維３０が互いに結合されて、上述の絶縁システムが形成される。絶縁システムは、形成された状態で、次に図１に示す変圧器１０の様々な構成要素間に位置決めされる。結合剤材料３４は、連続マトリックスを形成しないので、上述の冷却流体は含浸が可能であり、少なくともある程度は複合構造体２６を通って流れることができる。

図３は、これも図１に示す変圧器１０のための絶縁システムの一部として用いることができる本発明の別の実施形態による複合構造体２８の斜視図を含む。図２に示す複合構造体２６が１つのみのベース繊維３０の周り及び長さに沿ってシースを形成する結合剤材料３４を有するのに対して、図３の複合構造体２８に示す結合剤材料３４は、複数のベース繊維３０の周り及び長さに沿ってシースを形成する。図２に示す複合構造体２６の１つの利点は、製作することが一般的に比較的簡単である点である。しかし、図３に示す複合構造体２８は、典型的には、より大きい機械的強度を有する。

図４は、これも図１に示す変圧器１０のための絶縁システムの一部として用いることができる本発明の更に別の実施形態による複合構造体３６の斜視図を含む。図２及び図３に示す複合構造体２６、２８に形成されたシースとは対照的に、図４に示す複合構造体３６内の結合剤材料３４は、２つ又はそれよりも多くのベース繊維３０に接合された粒子の形態にある。上述の複合構造体の全ては、変圧器冷却流体を実質的に完全にこの複合構造体に含浸させるが、図４に示す複合構造体３６は、典型的には、最も高い空隙率を含む。しかし、他の２つの複合構造体２６、２８は、典型的には、より高い機械的強度を有する。

本発明によるベース繊維３０は、本発明の１つ又はそれよりも多くの実施形態を実行する上で当業者に実際に役立つことが直ちに理解されることになるあらゆる材料から製造することができる。例えば、図２〜図４に示すベース繊維３０の一部は、短繊維材料（例を挙げれば、例えば、原綿、羊毛、麻、又は亜麻のような天然材料）を含む。しかし、図２〜図４に示すベース繊維３０は、比較的高融点の熱可塑性材料を含む。例えば、図示のベース繊維の一部は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、及びポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）のうちの１つ又はそれよりも多くを含む。

本発明のある一定の実施形態によれば、ベース繊維３０は、変圧器１０の最大作動温度で機械的及び化学的に安定な材料／複合物／合金から製造される。また、本発明のある一定の実施形態による電力変圧器を製作する方法に関する以下の説明中に明らかになる理由から、ベース繊維３０は、結合剤材料３４の溶融温度で機械的及び化学的に安定な材料／複合物／合金から製造される。

ベース繊維３０と同様に、結合剤材料３４は、本発明の１つ又はそれよりも多くの実施形態を実行する上で当業者に実際に役立つことが直ちに理解されることになるあらゆる材料とすることができる。しかし、図２〜図４に示す結合剤材料３４は、上述の冷却流体と接触する時に機械的及び化学的に安定なアモルファス熱可塑性材料及び結晶性熱可塑性材料のうちの少なくとも一方を含む。例えば、本発明のある一定の実施形態によれば、固体結合剤材料３４は、ポリエチレンテレフタレートのコポリマー（ＣｏＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、及び未延伸ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）のうちの少なくとも１つを含む。

本発明による変圧器における結合剤材料３４に対するベース繊維３０の相対重量百分率又は相対体積百分率には、特に制限は設けられていない。しかし、本発明のある一定の実施形態によれば、図１に示す変圧器１０のための絶縁体としての機能を果たす複合構造体における全固体結合剤材料３４に対する全ベース繊維３０の重量比は、約８：１から約１：１である。また、他の密度も本発明の範囲にあるが、図１に示す変圧器１０に含まれる固体複合構造体（例えば、複合構造体２６、２８、３６）は、約０．５ｇ／ｃｍ³から約１．１０ｇ／ｃｍ³の密度を有する。更に、本発明のある一定の実施形態によれば、固体結合剤材料３４及びベース繊維３０内の材料は、変圧器１０に用いられる冷却流体の誘電特性と実質的に類似の誘電特性を有するように選択される。

図５は、本発明の実施形態による電力変圧器（例えば、変圧器１０）を製作する方法の段階を示す流れ図３８である。図５に示すように、本方法の第１の段階４０は、第１の溶融温度を有する結合剤材料（例えば、結合剤材料３４）を第２のベース繊維（例えば、図２に示す下部ベース繊維３０）と第２の溶融温度を有する第１のベース繊維（例えば、図２に示す上部ベース繊維３０）との間に配置する段階を指定する。この配置する段階４０を実施する時に、結合剤材料は、例えば、繊維の周りで完全な又は部分的なシースの形態、又は繊維の間で粒子の形態を取ることができる。本発明のある一定の実施形態によれば、この配置する段階は、結合剤材料とベース繊維を共押し出しして、それによってベース繊維の一部の周囲にシースを形成することによって実施することができる。また、複数の繊維を結合剤材料と共に共押し出しして、図３に示すような構造を形成することができる。

図５に示す流れ図３８の段階４２は、結合剤材料、第１のベース繊維、及び第２のベース繊維を互いに圧縮する段階を指定する。次に、段階４４は、圧縮及び延伸段階中に結合剤材料、第１のベース繊維、及び第２のベース繊維を第１の溶融温度（すなわち、結合剤材料の溶融温度）は超えるが第２の溶融温度（すなわち、ベース繊維の溶融温度）は下回る温度まで加熱し、それによって複合構造体（例えば、図２〜図４に示す複合構造体２６、２８、２６のいずれか）を形成する段階を指定する。本発明のある一定の実施形態によれば、圧縮する段階４２及び加熱する段階４４は、約０．５ｇ／ｃｍ³から約１．１０ｇ／ｃｍ³の密度を有する複合構造体をもたらす。しかし、これらの段階４２、４４は、他の密度も本発明の範囲内であるように修正することができる。本発明のある一定の実施形態によれば、複合構造体の総合密度を増大させることに加えて、圧縮する段階４２では、複合構造体に含まれる繊維（例えば、ベース繊維３０）の一部を延伸させることができることにも注意すべきである。この延伸する段階は、時に複合構造体に結晶化度の増大をもたらし、これは、ある一定の事例では有益とすることができる。

複合構造体が形成された状態で、流れ図３８の段階４６に指定されているように、複合構造体は、第１の電力変圧器構成要素と第２の変圧器構成要素の間に位置決めされる。例えば、流れ図３８に記載の複合構造体は、図１に示す変流器（ＣＴ）支持体１２、支持ブロック１４、ロッキングストリップ１６、巻線シリンダ１８、リード支持体２０、ラジカルスペーサ２２、及び／又は末端ブロック２４のいずれか又は全ての間に配置することができる。従って、本発明のある一定の実施形態によれば、圧縮する段階４２及び加熱する段階４４は、電力変圧器１０内及び上に列記したその構成要素間に容易に挿入することができる形状を形成する方法で実施される。

位置決めする段階４６に続いて、段階４８は、複合構造体に冷却流体を含浸させる段階を指定する。上述のように、冷却流体は、例えば、電気又は誘電絶縁流体とすることができる。本発明のある一定の実施形態により複合材料が有することができる比較的開放的な構造体（例えば、図２及び図３に示す複合構造体２６、２８又は図４に示す複合構造体３６のいずれか）の理由により、含浸させる段階４８は、複合構造体に冷却液を実質的に完全に含浸させる工程を含むことができる。これは、絶縁システムの一部分が冷却流体にとって接近性がより低い構造体におけるよりも優れた誘電特性を提供する。

流れ図３８に含まれる最終段階は、段階５０であり、これは、結合剤材料と第１のベース繊維内の材料とを冷却流体の誘電特性と実質的に類似の誘電特性を有するように選択する段階を指定する。誘電的に適合する材料のそのような選択は、本発明による電力変圧器のより効率的な作動を可能にする。

本発明の１つ又はそれよりも多くの実施形態を実施する際に当業者によって直ちに認められるように、上述の装置及び方法は、いくつかの利点を提供する。例えば、上述の絶縁システムは、より高い温度で作動するようにそれらが含まれた電力変圧器を可能にすることができる。実際に、本発明のある一定の実施形態によれば、１５５℃から１８０℃の作動温度範囲が達成可能であるが、これらの温度範囲は、本発明全体を限定するものではない。より高い作動温度は、電力変圧器のサイズ要件を低減するので、特定用途に対して設計された本発明による変圧器は、現在利用可能な変圧器よりも小さくすることができ、それによって必要な材料がより少なくなり、変圧器を形成／製造する全体費用を低減する。

本発明によるある一定の電力変圧器の増強された絶縁及び冷却により、現在利用可能な変圧器よりも小さい物理的設置面積を有する変圧器からより大きいメガボルトアンペア（ＭＶＡ）（すなわち、電力）を提供することができる。また、上述の絶縁システムにおける新規な構成要素の構成のために、本発明によるある一定の変圧器は、熱的過負荷によって変圧器の信頼性が脅かされる可能性を低減する。更に、上述の絶縁システムの新規な構造は、それらが時間と共にそれらの圧縮特性を保持する機能を現在利用可能なシステムよりも大きくする（すなわち、クリープがより少なく、締め直す必要がない）。

本発明の多くの特徴及び利点は、詳細な明細書から明らかであり、従って、特許請求の範囲によって本発明の真の精神及び範囲に入る本発明の全てのそのような特徴及び利点を包含するように意図されている。更に、当業者には、多くの修正及び変形が容易に想起されると考えられるので、本発明を図に示して説明した厳密な構成及び作動に限定することは望ましくなく、従って、本発明の範囲に入る全ての適切な修正及び均等物を用いることができる。

１０ 変圧器
１２ 変流器（ＣＴ）支持体
１４ 支持ブロック
１６ ロッキングストリップ
１８ 巻線シリンダ

Claims (19)

1. 電力変圧器であって、
   第１の電力変圧器構成要素と、
   第２の電力変圧器構成要素と、
   前記第１の電力変圧器構成要素と前記第２の変圧器構成要素の間に位置決めされ、電力変圧器の作動中に該第１の電力変圧器構成要素及び該第２の変圧器構成要素を冷却するように選択された冷却流体と、
   前記第１の電力変圧器構成要素と前記第２の変圧器構成要素の間に位置決めされ、前記冷却流体が接触し、かつ
   第１の外側面を有する第１のベース繊維、
   第２の外側面を有する第２のベース繊維、及び
   前記第１の外側面の少なくとも一部分及び前記第２の外側面の少なくとも一部分に接着し、それによって前記第１のベース繊維を前記第２のベース繊維に結合する固体結合剤材料、
   を含む固体複合構造体と、
   を含むことを特徴とする電力変圧器。
2. 前記第１のベース繊維は、高融点熱可塑性材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
3. 前記第１のベース繊維は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、及びポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
4. 前記第１のベース繊維は、変圧器の最大作動温度及び前記結合剤材料の溶融温度で安定であることを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
5. 前記結合剤材料は、前記第１のベース繊維の長さの周りにシースを形成することを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
6. 同じく前記シース内に含まれるその長さを有する第３のベース繊維を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の電力変圧器。
7. 前記固体複合構造体は、約０．５ｇ／ｃｍ³から約１．１０ｇ／ｃｍ³の密度を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
8. 前記第１のベース繊維は、短繊維材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
9. 前記固体結合剤材料は、前記冷却流体と接触した時に安定であるアモルファス熱可塑性材料及び結晶性熱可塑性材料のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
10. 前記固体結合剤材料は、ポリエチレンテレフタレートのコポリマー（ＣｏＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、及び未延伸ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
11. 前記固体結合剤材料と前記第１のベース繊維内の材料とは、前記冷却流体と実質的に類似の誘電特性を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
12. 前記固体結合剤材料は、前記第１のベース繊維と前記第２のベース繊維とに接合した粒子を形成することを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
13. 前記固体複合構造体は、前記冷却流体によって実質的に完全に含浸可能であることを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
14. 前記複合構造体における全固体結合剤材料に対する全ベース繊維の重量比が、約８：１から約１：１であることを特徴とする請求項１に記載の電力変圧器。
15. 電力変圧器を製作する方法であって、
    第１の溶融温度を有する結合剤材料を第２のベース繊維と第２の溶融温度を有する第１のベース繊維との間に配置する段階と、
    前記結合剤材料、前記第１のベース繊維、及び前記第２のベース繊維を互いに圧縮する段階と、
    前記圧縮する段階中に前記結合剤材料、前記第１のベース繊維、及び前記第２のベース繊維を前記第１の溶融温度は超えるが前記第２の溶融温度は下回る温度まで加熱し、それによって複合構造体を形成する段階と、
    前記複合構造体を第１の電力変圧器構成要素と第２の電力変圧器構成要素の間に位置決めする段階と、
    前記位置決めする段階に続いて前記複合構造体に冷却流体を含浸させる段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
16. 前記配置する段階は、前記結合剤材料及び前記第１のベース繊維を共押し出しして、それによって該第１のベース繊維の一部分の周囲にシースを形成する段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記圧縮する段階及び加熱する段階は、約０．５ｇ／ｃｍ³から約１．１０ｇ／ｃｍ³の密度を有する複合構造体をもたらすことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記含浸させる段階は、前記複合構造体に前記冷却液を実質的に完全に含浸させる段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 前記結合剤材料と前記第１のベース繊維内の材料とを前記冷却流体と実質的に類似の誘電特性を有するように選択する段階、
    を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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