JP2014203973A - 静止誘導電器 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線の静電リング近傍の絶縁性を向上させ、小型で信頼性の高い静止誘導電器を提供する。【解決手段】絶縁油１が充填された容器内に巻線が収納され、巻線の端部に静電リング６と、静電リング６と当接するスペーサ９が配置される静止誘導電器において、静電リング６は、周囲を絶縁リング７で覆われており、絶縁リング７は、絶縁リング７を構成する面のうち、スペーサ９が当接する面の厚さが、その他の面の厚さよりも厚く形成されている。スペーサ９が当接する面の厚さは、その他の面の厚さに対する比率が１〜３であってもよい。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、巻線の静電リングの絶縁構成を改善させた静止誘導電器に関する。

近年、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する直流送電が多方面で使用されている。例えば、国内の一部の地域では、交流系統を連携する±２５０ｋＶ直流送電が実施され、また海外では±８００ｋＶの直流送電が実施されている。

直流送電においては、交流を直流に、または直流を交流にするために交直変換所が設置される。交直変換所は、交流電圧を変換器用変圧器およびサイリスタバルブを通して直流電圧に変換し、直流リアクトルを介して直流線路へ送電する。

このような変換器用変圧器や直流リアクトルの絶縁方法としては、油絶縁方式が多用されている。油絶縁方式では、絶縁油と固体絶縁物であるプレスボード等の紙材の複合絶縁構成を採用している。複合絶縁構成では、巻線周囲の絶縁油やプレスボードの配置を工夫することで、巻線の絶縁を強化している。その一例としては、巻線の端部に設けられた静電リングの近傍など、電界が強くなる箇所に絶縁物を配置することがある。

図１１は、従来の静止誘導電器における静電リングと絶縁物であるアンブルプレスボードの配置例の一つを示している。図１１から明らかな通り、この配置例では、周囲を絶縁紙２１で被覆され、断面角部が円弧状に加工された方形の静電リング２０と、この静電リング２０の周囲に配置されたアングルプレスボード２２によって、楔形のギャップＧが生じている。静止誘導電器の容器内は絶縁油で満たされているため、このギャップＧにおいて楔形の油ギャップが生じることとなる。楔形の油ギャップは、絶縁油の抵抗率が低くなり、その周囲にある絶縁物の電圧分担が高くなるため、電界の集中が生じていた。

実開平３−０２１８３２号公報 特開平１０−３２１４４２号公報

また、楔形のギャップを埋めるように、電圧分担用の絶縁物を設け、ギャップに加わる直流電圧を分担させる場合もあった。しかし、このように構成すると、絶縁構成は複雑になる。また、電圧分担用の絶縁物は、プレスボード等の絶縁物や絶縁油よりも抵抗率が低い接着剤を用いる場合が多く、絶縁上の弱点となることがあった。また、巻線通電時の振動によって、絶縁物、静電リング、電圧分担用の絶縁物を組み合わせた境界面に、隙間が形成され、電界の集中が生じる可能性もあった。

そこで、絶縁物を静電リングの角の円弧形状の直前までの長さにして絶縁物を配置することで、楔状の油ギャップが生じないようにしていた。しかし、絶縁物、静電リングの絶縁紙、絶縁油という、絶縁抵抗の値が異なる３つの部材により境界点が形成されれば、電界が変歪し絶縁上の弱点となることがあった。

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。その目的は、静電リング近傍の絶縁性を向上させた信頼性の高い静止誘導電器を提供することにある。

上記のような目的を達成するための実施形態の静止誘導電器は、絶縁油が充填された容器内に巻線が収納され、前記巻線の端部に静電リングと、前記静電リングと当接するスペーサが配置される静止誘導電器において、前記静電リングは、周囲を絶縁リングで覆われており、前記絶縁リングは、前記絶縁リングを構成する面のうち、前記スペーサが当接する面の厚さが、その他の面の厚さよりも厚く形成されていることを特徴とする。

第１の実施形態の静止誘導電器の絶縁構成の一例を示す断面図である。 第１の実施形態の直流巻線の絶縁構成の一例を示す拡大断面図である。 第１の実施形態の静電リングの構成の一例を示す構造図である。 図２の点線の方形で囲まれた部分を拡大した断面図である。 従来の静止誘導電器の直流巻線の絶縁構成の一例を示す拡大断面図である。 従来の静止誘導電器における直流等電位線の分布図である。 図６の点線の円で囲まれた部分の近傍を拡大した直流等電位線の分布図である。 第１の実施形態の静止誘導電器における直流等電位線の分布図である。 図８の点線の円で囲まれた部分の近傍を拡大した直流等電位線の分布図である。 絶縁リングの厚さと電界値の関係を示すグラフである。 従来の静止誘導電器における、静電リング近傍の絶縁構成を示す断面図である。

［１．第１の実施形態］
［１．１ 静止誘導電器の概略構成］
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係る静止誘導電器の絶縁構成の断面図を示すものである。本実施形態では、静止誘導電器として変換器用変圧器を例として説明する。本実施形態の静止誘導電器は、鉄心Ｉの周囲かつ同心円上に、変圧器巻線が配置されている。この変圧器巻線は、絶縁油１が充填された容器内に収納され、内側の巻線が直流巻線２、外側の巻線が交流巻線３である。各巻線２、３は、導体４の周囲に絶縁紙５が巻かれたものである。

交流巻線３は、図示しない交流線路に結合されている。直流巻線２は、図示しないサイリスタバルブ群に接続されている。このような各巻線２、３の端部には、電界を緩和するために、周囲が絶縁物で被覆された静電リング６が配置されている。以下では説明の便宜上各巻線２、３において、静電リング６が配置される側を上と表現する。

静電リング６は、各巻線２、３の上方に、１つずつ設けることもできるが、絶縁性を強化するために、同心円上に径の異なる複数の静電リングを配置するなどして複数に分割することができる。静電リング６は、紙材などの固体絶縁物からなる絶縁リング７に周囲を覆われている。絶縁リング７としては、後述するプレスボード８と同じ絶縁物を用いることができる。

本実施形態では、図２および３に示す通り、直流巻線２の静電リング６を、内周側静電リング６ａおよび外周側静電リング６ｂに分割する。直流巻線２側では、内周側静電リング６ａおよび外周側静電リング６ｂは、それぞれ絶縁リング７ａ、７ｂに周囲を覆われている。絶縁リング７の具体的な構造については、後ほど詳細に説明する。

各巻線２、３およびその静電リング６の周囲には、紙材などの固体絶縁物からなるプレスボード８が空間を介して配置され、各巻線２、３が絶縁されている。すなわち、プレスボード８は、各巻線２、３の周囲に、各巻線２、３と同心円状にほぼ等間隔に配置された、複数のプレスボード８ａと、各巻線２、３の周囲と上方を取り囲む断面Ｌ字状の複数のアングルプレスボード８ｂから構成される。

複数のアングルプレスボード８ｂは、各巻線２、３の内周側と外周側のコーナー部分を空間を介して覆う断面Ｌ字状の部材であり、内周側と外周側からアングルプレスボード８ｂが、ひとつひとつ交互に空間を介して配置されている。内周側のアングルプレスボード８ｂは、各巻線２、３の内周側の面と平行に配置される面と、静電リング６の上面と平行に配置される面とを有する。外周側のアンブルプレスボード８ｂは、各巻線２、３の外周側の面と平行に配置される面と、静電リング６の上面と平行に配置される面とを有する。これら内周側と外周側のアンブルプレスボード８ｂが空間を介して交互に配置されている。なお、プレスボード８ａとアンブルプレスボード８ｂは、連結して用いることもできる。

静電リング６と、アンブルプレスボード８ｂとにより形成される空間には、紙などの固体絶縁物からなるスペーサ９が配置されている。スペーサ９は、静電リング６とアンブルプレスボード８ｂの間隔を一定に保つように配置されている。スペーサ９としては、プレスボード８と同じ絶縁物を用いることができる。

具体的には、図２に示すように、直流巻線２では、絶縁リング７ａに覆われた静電リング６ａと、絶縁リング７ｂに覆われた静電リング６ｂそれぞれに、一端の面で当接するスペーサ９ａ、９ｂが設けられている。スペーサ９ａ、９ｂの他端の面は、アングルプレスボード８ｂにそれぞれ当接している。

各巻線２、３の上方および下方から巻線２、３を締め付けて固定するように、コイル締付板１０が配置されている。これらスペーサ９およびコイル締付板１０により、通電時の巻線２、３の振動や騒音が抑制されている。よって、スペーサ９の上下面の面積は可能な限り大きい方が上下方向へ締め付け力を伝達できる。例えば、スペーサ９ａのように、絶縁リング７ａの上面とほぼ同一の幅に形成されていることが好ましい。また、スペーサ９ｂのように、プレスボード８等その他の構成を加味した上で、絶縁リング７ｂに対して可能な限り大きな面積となるように形成されていることが好ましい。

等間隔に配置された各複数のプレスボード８の間には、容器内の絶縁油１が介在することになり、絶縁油１とプレスボード８のそれぞれに適用な電界が加わるようにしている。以上のように、本実施形態の静止誘導電器は、絶縁油１を介してプレスボード８を配置する複合絶縁構成によって、各巻線２、３は絶縁されている。

絶縁油１は、冷却器にて冷却された状態で、各巻線２、３の下方から流入され、静電リング６、プレスボード８、およびスペーサ９により形成された油道を経由して、各巻線２、３の上方に向かって流れる。図２に矢印にて示すように、油道はＺ字状に何箇所も折れ曲がっており、絶縁油１はこの油道を上方に進み、各巻線２、３端部の上部から流出している。流出した絶縁油１は、再び冷却器に導入され、静止誘導電器内を循環する。

各巻線２、３において、導体４が通電により発熱し周囲の絶縁紙５を劣化させることを防止する必要がある。そこで、冷却された絶縁油１が、各巻線２、３の熱を吸収して外部に流出することで、絶縁紙５の劣化を防止している。以上のように、本実施形態の静止誘導電器は、絶縁油１が各巻線２、３の周囲を循環する構成となっており、各巻線２、３は冷却されている。

［１.２ 絶縁リングの構成］
以上のように構成される静止誘導電器における絶縁リング７の構成について、図２および４を参照して説明する。図２に示す通り、絶縁リング７は、静電リング６の周囲を覆うとともに、上面においてスペーサ９と当接している。また、絶縁リング７は、側面においてプレスボード８と当接している。

内周側の静電リング６ａを覆う絶縁リング７ａは、上面においてスペーサ９ａと、内周側の側面においてプレスボード８ａと当接している。また、外周側の静電リング６ｂを覆う絶縁リング７ｂは、上面においてスペーサ９ｂと、外周側の側面においてプレスボード８ａと当接している。

絶縁リング７ａ、７ｂにおいて、プレスボード８ａと当接する側面には、切り欠き部１１が設けられている。プレスボード８ａと当接した際に、楔形のギャップを形成しないためである。プレスボード８ａと当接する側面の厚さは、切り欠き部１１を設けた際の機械的強度と絶縁性能を考慮した上で、適宜設定すれば良い。

図４は、図２の点線の方形で囲まれた部分を拡大した断面図である。図４に示す通り、絶縁リング７は、スペーサ９と当接している面の厚さが、その他の面より厚くなるように形成されている。図４は、内周側の絶縁リング７ａを示すが、外周側の絶縁リング７ｂも同様に形成されている。

絶縁リング７の上面の厚さをｈとし、外周側の面の厚さをｄとした場合、絶縁リング７は、ｈの厚さがｄの厚さより厚くなるように形成されている。図４の例では、ｈ／ｄ＝１．６となるように形成されている。外周面の厚さｄが薄すぎると、電界の集中が静電リング６と対向する部材に生じる。例えば、絶縁リング７ａの外周面の厚さｄを薄くすると、対向する絶縁リング７ｂに電界集中が生じる。

外周面の厚さｄが厚すぎると、油道の幅が狭くなるため絶縁油１の流動が妨げられる。厚い面と薄い面の差が大きすぎる場合、絶縁リング７の製造が困難になる。従って、絶縁リング７を構成する面の厚さｈおよびｄは、加工の容易さと絶縁性能を考慮したうえで、ｈの厚さがｄの厚さより厚くなるように形成される必要がある。具体的には、ｈ／ｄの比率が１〜３となるように形成することが好ましい。

図２および４の例では、絶縁リング７において、スペーサ９に当接する面の厚さと、プレスボード８に当接する面の厚さが略同一に形成されている。このように構成することで、静止誘導電器の加工が容易となる。この場合、スペーサ９に当接する面は、プレスボード８に当接する面を除くその他の面より厚く形成されることとなる。

［１．３ 作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用を、絶縁リング７を有さない従来技術と対比させて以下に説明する。図５に示す通り、従来の静止誘導電器では、静電リング６は絶縁紙２１に覆われている。また、絶縁紙２１に覆われた静電リング６は、アングルプレスボード２２を介して、上面にてスペーサ９に、また側面にてプレスボード８ａに当接している。このような従来の静止誘導電器では、直流巻線２に直流電圧が印加された場合、絶縁抵抗の大きい絶縁紙２１とアングルプレスボード２２の電界負担が大きくなる。

このような静止誘導電器の直流電位分布を解析した結果を、図６の直流等電位線Ｅを用いて説明する。直流等電位線Ｅは、絶縁油１を介して隣接する部材に乗り移っているが、図６において点線の円で囲んだ部分では、絶縁油１に加わる電界が高くなる。

図６の点線の円で囲んだ部分の近傍を拡大した等電位線の分布図を図７に示す。図７において、一点鎖線の円で囲んだ部分には、絶縁紙２１、アングルプレスボード２２、絶縁油１という、絶縁抵抗の値が異なる３つの部材により境界点が形成されており、電界集中が生じやすい。また、各部材の絶縁抵抗の値は、プレスボード＞絶縁紙＞絶縁油の関係である。プレスボードと絶縁紙は、絶縁油に比べて一桁以上抵抗率が高いため、通常であれば、絶縁紙２１とアングルプレスボード２２の電圧分担が高くなる。

しかし、直流電界の水平成分Ｆ１は絶縁紙２１の沿面方向と、垂直成分Ｆ２はアングルプレスボード２２の沿面方向と一致している。絶縁紙２１およびプレスボード２２の貫通方向の直流破壊電界は、絶縁油１の直流破壊電界値に比べ一桁大きいが、その沿面方向では、絶縁油１とほぼ同等となる。結果、境界点近傍の絶縁油１に電界集中が生じることで沿面方向の電界値が大きくなり、絶縁破壊を引き起こす可能性がある。

本実施形態の静止誘導電器の直流電位分布を解析した結果を、図８の直流等電位線Ｅを用いて説明する。直流等電位線Ｅは、絶縁油１を介して隣接する部材に乗り移っているが、図８において点線の円で囲んだ部分では、絶縁油１に加わる電界が低減されている。

図８の点線の円で囲んだ部分の近傍を拡大した等電位線の分布図を図９に示す。図９から明らかな通り、一点鎖線の円で囲んだ部分は、絶縁リング７a、スペーサ９ａ、絶縁油１によって、境界点が形成されている。上述の通り、絶縁リング７aとスペーサ９ａは、プレスボードという同じ材料を用いて形成されている。よって、境界点はプレスボードと絶縁油１という絶縁抵抗が異なる２つの部材により構成されており、電界集中が緩和される。

プレスボードは絶縁油に比べて一桁以上抵抗率が高いため、絶縁リング７ａの電圧分担が高くなる。ここで、電界強度は電圧を距離で除算することで求められる。従って、絶縁リング７のスペーサ９が当接する面が、その他の面より厚くなるように形成されている本実施形態の静止誘導電器では、電圧を除算する距離の値が大きくなり、絶縁リング７の上面の電界集中を緩和することができる。よって、境界点にかかる電界値がさらに小さくなるため、絶縁油１に加わる電界も低減される。

図１０のグラフは、絶縁リング７のスペーサ９が当接する面の厚さをｈとし、その他の面の厚さをｄとした場合において、ｈ/ｄを変化させた場合の境界値における電界値の強度を計算したものである。このグラフからも明らかな通り、ｈ/ｄの比率の増加に伴って、境界値の電界が低減することが分かる。

［１．４ 効果］
以上のような本実施形態は、以下のような効果を有するため、静電リング近傍の絶縁性を向上させた信頼性の高い静止誘導電器を提供することが可能になる。
（１）従来のように、絶縁抵抗が異なる３つの部材により構成される境界点は、電界が集中し絶縁上の弱点となる。一方、本実施形態では、絶縁リング７（プレスボード）、スペーサ９（プレスボード）、絶縁油１によって、境界点が形成されているため、２つの部材で境界点が構成されることとなる。よって、電界集中を緩和することができる。

（２）絶縁リング７のスペーサ９が当接する面の厚さを厚くしているので、電界集中をさらに緩和することができる。特に、スペーサ９が当接する面の厚さは、巻線間の絶縁、タンク、鉄心ヨークと絶縁に直接寄与する絶縁皮膜であるため、この面の厚さを厚くすることで、効果的に電界集中を緩和することができる。

（３）加工の容易さと絶縁性能を考慮したうえで、ｈ/ｄの比率を１〜３とすることで、境界点での電圧分担を効果的に調節でき、電界集中を抑制することができる。

（４）静電リング６が複数に分割されている場合には、それぞれを絶縁リング７で被覆することにより、全ての静電リング６において同様の効果を得ることができる。特に、分割された静電リング６は、絶縁油１が介在する空間を広げることができるため、絶縁性を強化することができる。このような構成の静電リング６に絶縁リング７を適用することで、さらに電界集中を緩和することができる。

［他の実施形態］
（１）上記実施形態では、静電リングが分割され、それぞれが絶縁リングで覆われるように構成されているが、分割していない一つの静電リングを絶縁リングで覆うことでも、同様の効果を得ることができる。

（２）上記実施形態では、直流側巻線における構成例を説明したが、上記実施形態の構成は交流側巻線の静電リングにも適用することができる。また、直流側、交流側の両方に設けることもできる。

（３）上記実施形態における、プレスボード、アングルプレスボード、スペーサ等の配置は巻線絶縁構成の一例に過ぎず、適宜配置や形状等を変形することができる。その場合には、静電リングの絶縁リングにおいて、巻線間の絶縁、タンク、鉄心ヨークと絶縁に直接寄与する面の厚さをその他の面の厚さより厚くすることで、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

（４）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、発明の要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。

Ｉ…鉄心
Ｇ…ギャップ
１…絶縁油
２…直流巻線
３…交流巻線
４…導体
５…絶縁紙
６、６ａ、６ｂ…静電リング
７，７ａ、７ｂ…絶縁リング
８ａ…プレスボード
８ｂ…アングルプレスボード
９…スペーサ
１０…コイル締付板
１１…切り欠き部
２０…静電リング
２１…絶縁紙
２２…アングルプレスボード

Claims (3)

1. 絶縁油が充填された容器内に巻線が収納され、前記巻線の端部に静電リングと、前記静電リングと当接するスペーサが配置される静止誘導電器において、
   前記静電リングは、周囲を絶縁リングで覆われており、
   前記絶縁リングは、前記絶縁リングを構成する面のうち、前記スペーサが当接する面の厚さが、その他の面の厚さよりも厚く形成されていることを特徴とする静止誘導電器。
2. 前記スペーサが当接する面の厚さは、前記その他の面の厚さに対する比率が１〜３であることを特徴とする請求項１記載の静止誘導電器。
3. 前記静電リングが複数に分割され、
   前記複数に分割された静電リングのそれぞれが、周囲を前記絶縁リングで覆われていることを特徴とする請求項１又は２記載の静止誘導電器。

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