JP2014007298A - 油入静止誘導電器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐雷インパルス性能に優れると共に、製造が容易で、絶縁紙の直流絶縁性能を含む絶縁性能と冷却効率とに優れた油入静止誘導電器を提供すること。
【解決手段】軸方向に沿い、各段間に絶縁油の水平流路11を形成して複数段を配置した円板巻線２と、複数段の前記円板巻線２の内周側及び外周側にそれぞれ同軸的に設置し、最内周側の巻線及び最外周側の巻線と筒壁面間で絶縁油の垂直流路を形成した内周絶縁筒12及び外周絶縁筒13と、前記円板巻線２の最内周側及び最外周側の少なくとも一方の巻線と、当該巻線と隣接する巻線との間に配置した、リング状のシールド導体10ａの周方向に沿って巻線間の絶縁油の垂直流路を確保する絶縁性の間隔片17を散在させ、前記シールド導体10ａ及び間隔片17を絶縁紙10ｂで巻回して被覆した絶縁性の間隔リング18とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば直流変換器用変圧器などの油入静止誘導電器に関する。

近年、大容量、長距離送電、及び異周波連携など、系統運用上多くの利点を有する直流送電が多方面で使用されている。このような直流送電においては、交流電流と直流電流とを変換するための交直変換所が設置される。交直変換所における主要素の１つに、交流系統と結合する直流変換器用変圧器がある。

図６に直流変換器用変圧器の内部構造の一例を示す。変換器用変圧器は、同心円状に配置された交流円板巻線１と直流円板巻線２とを備える。交流円板巻線１が交流線路に接続される一方で、直流円板巻線２は図示しないサイリスタを介して直流送電線に接続される。各巻線１，２の端部には、周囲を被覆した静電シールド３，４が電界緩和用に取付けられている。

直流変換器用変圧器においては油絶縁方式が多用されており、タンク内に充填された絶縁油５と、巻線１，２間、及びそれらの内外周に配置されたプレスボード絶縁筒６により巻線の絶縁が行われている。プレスボード絶縁筒６に対する、直流円板巻線２の静電シールド４の端部などの電界が大きい箇所には、巻線間絶縁強化用のアングルプレスボード７が延在して取付けられる。これらアングルプレスボード７には、所定箇所に挿入して相互の間隔を保持するように絶縁スペーサ２０が設けられる。

直流円板巻線２では、系統から雷サージの進入に対して巻線の電位分布が全長に渡って均等となるように、円板巻線の一部に、フローティング電位であるシールド巻線（以下「ＣＳＨ(Capacitance Shield)巻線」と称する）１０を巻回している。

同図では直流円板巻線２の上部２段（セクション）での巻線構造を詳細に示しており、図中の９が負荷電流を流す素線、１０が負荷電流を流さないＣＳＨ巻線である。ここでは１セクションで、素線９を８ターン巻回し、その外周側にＣＳＨ巻線１０を２ターン巻き込んだ円板コイルを軸方向に複数個積み重ねた構造の巻線を模式的に示している。

図７にＣＳＨ巻線１０の構造を示す。同図に示すようにＣＳＨ巻線１０は、シールド胴体１０ａに絶縁紙１０ｂを巻回して絶縁被覆を施したものである。

ところで変換器用変圧器は、運転開始、定常運転、急停止、極性反転などの運転状態があり、それら運転状態によって巻線の温度が大きく変動する。直流円板巻線２には交流電圧だけでなく、著しく高い直流電圧が重畳されるため、前記交流円板巻線１と直流円板巻線２との間、及び鉄心８と直流円板巻線２との間には直流電圧が印加されることとなる。

前記した油浸複合絶縁構成内での絶縁油５とプレスボード絶縁筒６との電界は、交流電圧の場合、それぞれの誘電率の逆比、すなわち約２：１となる。その一方で、直流電圧の場合はそれぞれの固有抵抗比による分担となる。この固有抵抗比は、絶縁物の置かれる温度や電界強度等の条件により大きく変化する。（例えば、非特許文献１）
図８（Ａ）は、絶縁油の体積抵抗率の温度・電界特性を示す。図８（Ｂ）は、プレスボード絶縁筒の体積抵抗率の温度・電界特性を示す。これら図８（Ａ），（Ｂ）で示すように、温度によりそれぞれの固有抵抗率が大幅に変化する。

具体的に、図８（Ａ）で示す如く絶縁油５の抵抗率は、０．１［ｋＶ／ｍｍ］〜２［ｋＶ／ｍｍ］の低電界領域では電界に対して増加傾向を示し、さらに５［ｋＶ／ｍｍ］前後でピークとなり、それ以上の領域では指数関数的に減少する。

一方、図８（Ｂ）に示す如くプレスボード絶縁筒６の抵抗率は、数［ｋＶ／ｍｍ］以下の領域でほぼ一定値であるが、１０［ｋＶ／ｍｍ］前後から電界の上昇により減少する。

また、油温上昇に対する抵抗率の低下割合は、絶縁油５よりもプレスボード絶縁筒６の方が大きい。つまり、温度及び電界の変化に伴い、絶縁油５とプレスボード絶縁筒６の電界の比は、１：１０から１：１００のように変化することとなり、プレスボード絶縁筒６に電界が集中する傾向が見て取れる。

また直流変換器用変圧器では、巻線素線９が通電により発熱し、巻線を覆う絶縁紙が劣化するのを防止するため、適切に冷却する必要がある。

図９は、前記図６に示した従来の変換器用変圧器の直流円板巻線２の断面構成を示す。同図で、中心軸の周りを巻回された直流円板巻線２が水平油路１１を介して垂直方向に複数段積層される。この巻線２の内径側と外径側にそれぞれプレスボード絶縁筒６を構成する内絶縁筒１２と外絶縁筒１３が配置される。

直流円板巻線２と内絶縁筒１２との間に内側の垂直油路１４ａが、直流円板巻線２と外絶縁筒１３との間に外側の垂直油路１４ｂがそれぞれ形成される。

さらに、内絶縁筒１２及び外絶縁筒１３から水平油路１１に沿って直流円板巻線２の複数セクション毎、例えば図９では４，５セクション毎に、水平な絶縁板からなる閉塞部１５が交互に延在されることで、各油路での流入及び流出方向を制限している。

すなわち、直流円板巻線２を効率よく冷却するために、絶縁油は巻線の下部から流入し、巻線の上部に向かって図中に矢印の油流１６で示す如く、閉塞部１５で区切られた領域毎にジグザグに流れながら、巻線での発熱を吸収し、徐々に油温を増していく。そして、温度が上昇した絶縁油は、直流円板巻線２の上部から流出し、ここでは図示しない外部冷却器により冷却された後に、再び巻線の下部から流入して循環路を形成する。

直流電圧に対する直流絶縁性能は、同一絶縁寸法では、プレスボードと同じ材質であるセルロースからなる絶縁紙が絶縁油に対して約１０倍と高い。このため、絶縁紙の耐電圧性能により変換器用変圧器の直流絶縁強度が決定されることになる。しかしながら、絶縁紙の直流絶縁性能は温度の上昇に伴って急激に低下する。

図１０は、電気絶縁紙の直流絶縁性能の温度特性を示す図である。同図に示すように、例えば８０［℃］の場合の直流絶縁性能は、常温の場合と比べて約半分まで低下する。

前記変換器用変圧器の直流円板巻線２では、上部端部の数セクションで垂直油路１４ａ及び垂直油路１４ｂと接する部分が高電界となり、さらに温度が上昇した絶縁油にさらされるために絶縁紙自体の温度も高くなるため、これらの部分が直流耐電圧上での弱点部となる。

また、直流円板巻線２の雷サージに対する絶縁対策でも、一般的な交流用変圧器と同様に必要であり、その対策としてＣＳＨ巻線を使用する場合、巻線端部の直流絶縁と両立させる必要がある。

前述した従来の技術では、巻線の温度上昇を低減させるため、巻線内に垂直油路を追加する方法が考えられる。この方法の場合、巻線の垂直油路の断面積が増加し、絶縁油の耐交流絶縁性能を犠牲にすることなく冷却能力を高めることができる。（例えば、特許文献１）

平成２３年電気学会電力・エネルギー部門大会Ｎｏ．２３６「変圧器絶縁物の抵抗率と直流電界特性の検討」（平成２３年８月３０日）

特開平１０−２５６０４９号公報

前記特許文献１に記載された技術の場合、巻線内に仕切り絶縁筒を設け、巻線と仕切り絶縁筒の間の油道を保つために、間隔片を仕切り絶縁筒に貼り付けている。間隔片の固定は接着剤による固定方法が容易である。しかしながら、接着剤の抵抗率はプレスボードや絶縁油の抵抗率に比して低い場合があり、その場合は直流等電位線が油中に広がるために絶縁上の弱点となる可能性がある。

したがって、前記特許文献１に記載された技術は、特に変換器用変圧器への使用には適さないものと考えられる。加えて前記特許文献１に記載された技術では、水平スペーサを仕切り絶縁筒に通すために、予め仕切り絶縁筒の正確な位置に切欠きを設ける必要があり、製造コストが上昇するという不具合がある。

本発明の目的は前記実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、耐雷インパルス性能に優れると共に、製造が容易で、絶縁紙の直流絶縁性能を含む絶縁性能と冷却効率とに優れた油入静止誘導電器を提供することにある。

実施形態に係る油入静止誘導電器は、軸方向に沿い、各段間に絶縁油の水平流路を形成して複数段を配置した円板巻線と、複数段の前記円板巻線の内周側及び外周側にそれぞれ同軸的に設置し、最内周側の巻線及び最外周側の巻線と筒壁面間で絶縁油の垂直流路を形成した内周絶縁筒及び外周絶縁筒と、前記円板巻線の最内周側及び最外周側の少なくとも一方の巻線と、当該巻線と隣接する巻線との間に配置した、リング状のシールド導体の周方向に沿って巻線間の絶縁油の垂直流路を確保する絶縁性の間隔片を散在させ、前記シールド導体及び間隔片を絶縁紙で巻回して被覆した絶縁性の間隔リングと、前記円板巻線と前記内周絶縁筒及び外周絶縁筒とを含んで形成される流路に充填される冷却用の絶縁油とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、耐雷インパルス性能に優れると共に、製造が容易で、絶縁紙の直流絶縁性能を含む絶縁性能と冷却効率とに優れた直流静止誘導電器を提供できる。

一実施形態に係る直流変換器用変圧器の直流円板巻線の断面構成を示す図。 同実施形態に係る絶縁性間隔リング単体の構成を示す図。 同実施形態に係る絶縁性間隔リングのより詳細な配置例を示す図。 同実施形態に係る巻線での放熱面を示す図。 同実施形態に係る直流変換器用変圧器の直流円板巻線の他の断面構成例を示す図。 直流変換器用変圧器の内部構造の一例を示す図。 ＣＳＨ巻線の構造を示す図。 絶縁油とプレスボード絶縁筒それぞれの体積抵抗率の温度・電界特性を示す図。 変換器用変圧器の直流円板巻線の断面構成を示す図。 電気絶縁紙の直流絶縁性能の温度特性を示す図。

以下、図面を参照して一実施形態について詳細に説明する。

以下、一実施形態について図１乃至図４を参照して説明する。なお、基本的な直流変換器用変圧器の構成自体は、前記図６、図９等で説明した内容とほぼ同様であるものとして、同様の構成要素には同一符号を使用する。加えて、後述する本実施形態の他の構成例においても、同様の構成要素については同一の符号を使用する。

［構成］
図１は、同実施形態に係る直流変換器用変圧器の直流円板巻線の断面構成を示す図である。同図で、内絶縁筒１２に対して直流円板巻線２が巻回されており、この直流円板巻線２に所定の直流電圧が印加される。

冷却構造として、間隙を設けて同軸的に多段配置された直流円板巻線２の各段（セクション）間に水平油路１１が形成されると共に、内絶縁筒１２と直流円板巻線２との間に垂直油路１４ａが、外絶縁筒１３と直流円板巻線２との間に垂直油路１４ｂがそれぞれ形成され、全体として油流１６の流路が形成される。

さらに本実施形態では、閉塞部１５で区切られた上部４セクションの直流円板巻線２中、前記垂直油路１４ａ，１４ｂ側に接する最内周側、及び最外周側の両端の素線と、それぞれ隣接する素線との間に、絶縁性の間隔リング１８を挿入することで、垂直油路１４ｃを設ける。

図２は、この絶縁性の間隔リング１８の構成を示す。この間隔リング１８は、ベルト状のシールド導体１０ａに対し、絶縁性の角錐台形の間隔片１７を適宜間を空けて配置し、これらシールド導体１０ａ及び間隔片１７を絶縁紙１０ｂにより一体にして巻回することで、シールド導体１０ａに対する間隔片１７の固定と絶縁被覆とを行なうようにして構成する。

前記間隔片１７は、現状において加工性、絶縁性、及び製造コスト等の点から、プレスボードで構成することが最も望ましい。この絶縁性の間隔リング１８の構成では、接着剤の類の使用を不要としており、絶縁性の低下を招く虞を確実に排除できる。

図３は、前記絶縁性の間隔リング１８のより詳細な配置例を示す。同図は、直流円板巻線２の上部２セクション分の素線構造を示すものである。ここでは、１セクションが内絶縁筒１２側から順に素線番号「１」〜「８」の計８巻で構成されるものとした場合の絶縁性の間隔リング１８の配置について例示している。

間隔リング１８は、最内周に位置する素線番号「１」の巻線の外側とそれに隣接する素線番号「２」の巻線の内側との間、及び素線番号「７」の巻線の外側とそれに隣接する、最外周に位置する素線番号「８」の巻線の内側との間にそれぞれ配置される。これら間隔リング１８は、直流円板巻線２の径方向に沿ってセクション間に配置された水平スペーサ１９に上下から挟持されることで、軸（縦）方向にも固定される。

本実施形態では、前記図１でも示した如く、絶縁油が閉塞部１５で区切られた領域毎に下から上にジクザグに流れるが、上部の例えば４セクションでは、垂直油路１４ａ，１４ｂに加えて前記絶縁性の間隔リング１８により形成された垂直油路１４ｃにも流れる。

［作用］
まず絶縁性能について説明する。直流絶縁性能では、直流変換器用変圧器の上部端部の４セクションにおいて、内絶縁筒１２と垂直油路１４ａを介して位置する素線番号「１」の巻線、外絶縁筒１３と垂直油路１４ｂを介して位置する素線番号「８」の素線のそれぞれに対し、前記絶縁性の間隔リング１８を配置することで垂直油路１４ｃを設けるものとした。

これにより、特に高電界となるこれら巻線部での放熱面積が増加するため、素線表面の絶縁紙の温度を下げることができ、絶縁紙の直流絶縁性能を高めることができる。

次に雷インパルス絶縁性能について述べる。前記図６で示した従来の構成と同様に、ＣＳＨ巻線として機能する絶縁性の間隔リング１８を巻回することで、上部側の直列静電容量を下部側の同容量より大きくし、これにより雷サージ等の衝撃に対する電圧分布特性を改善できる。

最後に冷却性能について述べる。図４は、上部４セクションの素線番号「１」，「８」の巻線での放熱面（図４（Ｂ））を、前記図１０の同素線番号「１」，「８」の巻線での放熱面（図４（Ａ））と比較して示す図である。

同図に示すように、素線番号「１」，「８」の各巻線は、従来の放熱面の数３から、放熱面の数が４に増加する。例えば、素線の断面形状が仮に正方形だったとすると、放熱面積は４／３倍に増大する。そのため、絶縁油５と絶縁紙表面の温度差は、単純に計算して３／４倍に下げることが可能となる。

また、直流円板巻線２の巻回工程においては、絶縁性の間隔リング１８を巻き込むだけであるので、制作の面でも容易に実現可能となる。

なお前記実施形態では、１セクション当たりのターン数を「８」としているが、本発明はこれに限らず、それ以外のターン数でも同様に作用効果が得られる。

［効果］
以上詳述した如く本実施形態によれば、耐雷インパルス性能に優れると共に、製造が容易で、絶縁紙の直流絶縁性能を含む絶縁性能と冷却効率とに優れたものにできる。

［他の構成例］
図５は、一実施形態に係る直流変換器用変圧器の直流円板巻線の他の断面構成例を示す図である。同図では、閉塞部１５で区切られた上部４セクションの直流円板巻線２に対し、油流１６のより下流側に位置する、絶縁油５の前記垂直油路１４ｂ側に接する最外周側の素線番号「８」の素線と、これに隣接する素線番号「７」の素線との間にのみ、絶縁性の間隔リング１８を挿入して、垂直油路１４ｃを形成している。

加えて、素線番号「７」の素線と、その内側に位置する素線番号「６」の素線との間には、間隔片１７を有していないＣＳＨ巻線１０を挿入するものとしている。

直流変換器用変圧器の全体設計により、直流絶縁の点で直流円板巻線２の端部でも、特にタンク側、あるいは交流円板巻線１側の一方に直流絶縁上での弱点が偏る場合があるため、それに応じて最内周側と最外周側の一方にのみ絶縁性の間隔リング１８を配置する場合がある。

上記図５に示した構成では、最外周側の垂直油路１４ｂに面した素線番号「８」の素線と、これに隣接する素線番号「７」の素線との間にのみ、絶縁性の間隔リング１８を配置して、あらたな垂直油路１４ｃを形成すると共に、素線番号「７」の素線と素線番号「６」の素線との間にはＣＳＨ巻線１０を配置するものとした。

これにより、直流円板巻線２上部側の直列静電容量の大きさは、上記図１で示した構成に比して相対的により大きくすることができるため、雷サージ等の衝撃電圧に対する電位分布特性をさらに改善できる。

またこのような構成とすれば、製造時に間隔片１７を有さないＣＳＨ巻線１０と間隔片１７を含む絶縁性の間隔リング１８とを連続的に素線に挟み込むことで作業の利便性も図れる。

さらに、直流絶縁上の弱点となる端部素線の放熱面積が増大するため、絶縁紙の温度が下がり、直流絶縁性能が向上する。

なお、前記実施形態では、図３でも示したように直流円板巻線２各段の絶縁性の間隔リング１８の間隔片１７の位置を段の上下で揃えて配置する場合について説明したが、あえて上下方向で隣り合う各段の間隔リング１８における前記間隔片１７の位置をずらして配置しても良い。

このように垂直油路１４ｃでの油流１６を細分化、複雑化することにより、冷却効率をさらに向上して、絶縁紙の温度を下げ、直流絶縁性能を向上できる。

なお前記実施形態は直流変換器用変圧器に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、油入静止誘導電器であれば同様に適用可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。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。

１…交流円板巻線、２…直流円板巻線、３…（交流円板巻線用）静電シールド、４…（直流円板巻線用）静電シールド、５…絶縁油、６…プレスボード絶縁筒、７…アングルプレスボード、８…鉄心、９…素線、１０…ＣＳＨ巻線、１１…水平油路、１２…内絶縁筒、１３…外絶縁筒、１４ａ〜１４ｃ…垂直油路、１５…閉塞部、１６…油流、１７…間隔片、１８…絶縁性間隔リング、１９…水平スペーサ、２０…絶縁スペーサ、２１…コイル締付板。

Claims (4)

1. 軸方向に沿い、各段間に絶縁油の水平流路を形成して複数段を配置した円板巻線と、
   複数段の前記円板巻線の内周側及び外周側にそれぞれ同軸的に設置し、最内周側の巻線及び最外周側の巻線と筒壁面間で絶縁油の垂直流路を形成した内周絶縁筒及び外周絶縁筒と、
   前記円板巻線の最内周側及び最外周側の少なくとも一方の巻線と、当該巻線と隣接する巻線との間に配置した、リング状のシールド導体の周方向に沿って巻線間の絶縁油の垂直流路を確保する絶縁性の間隔片を散在させ、前記シールド導体及び間隔片を絶縁紙で巻回して被覆した絶縁性の間隔リングと
   を具備したことを特徴とする油入静止誘導電器。
2. 前記絶縁性の間隔リングは、前記絶縁油の流路下流側の周囲より高電界環境下となる円板巻線位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の油入静止誘導電器。
3. 前記絶縁性の間隔リングの間隔片はプレスボードで構成することを特徴とする請求項１記載の油入静止誘導電器。
4. 前記絶縁性の間隔リングは、上下方向で隣り合う各段の間隔リング間で前記間隔片をずらして配置することを特徴とする請求項１記載の油入静止誘導電器。

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