JP2014504806A - 乾式配電変圧器 - Google Patents

Abstract

本発明は、芯柱（１．２、１．３）の周りに同心に取り付けられた１つの低圧巻線（２）および１つの高圧巻線（３）を少なくとも備える、乾式配電変圧器（１）に関する。この変圧器（１）は、少なくとも１つの低圧巻線（２）および／または１つの高圧巻線（３）に連結された少なくとも１つの冷却回路（７）を備える。かかる冷却回路（７）は、低圧巻線および高圧巻線（２、３）に対して電気的に絶縁されている。さらに、この冷却回路（７）は、その内部で冷却流体を循環させることが可能である。さらに、この冷却回路（７）は、芯柱（１．２、１．３）を部分的に取り囲むように構成された構成配置を備え、すなわち、この構成配置は、芯柱（１．２、１．３）を一周しないように構成される。この冷却回路（７）は、冷却ダクト（６）を備え、各冷却ダクト（６）は、芯柱（１．２、１．３）の断面を部分的に取り囲む断面を有する。

Description

本出願は、２０１１年２月２日出願のブラジル国特許出願第PI1100186-0の優先権を主張するものであり、その開示は参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、乾式配電変圧器に関する。より詳細には、本発明は、三相または単相の乾式配電変圧器に関し、この変圧器は、固体絶縁体を備え、好ましくは工業用配電設備、石油採掘プラットフォームまたは海事プラットフォームで使用するように設計されている。

従来技術から知られているように、電気エネルギー配電システムは、電流を生成位置から消費領域まで導通するのに適した電圧で電気エネルギーを供給することを可能とする変圧器を使用している。

特に、電気エネルギーを長距離に沿って伝送するのを可能とするために、変圧器を介して生成電圧を上げ、それによって導電ケーブルの電気抵抗によって生じる電力損失の影響を低減させることが一般に行われている。したがって、電気エネルギーの伝送は、消費領域付近まで高電圧で行われ、次いで消費領域で、この電圧はユーザの機器の個々に適した値まで低減され、こうした低減もやはり変圧器によって行われる。電圧レベルのかかる低減は、エネルギー消費センタ付近に配置された変圧器を用いることによって、様々な段階で実施され、物理的設備は、懸架する、支柱に固定する、内部設備または外部設備の地面に配置する、または地下設備に配置することもできる。

一般に、変圧器は、基本的に高圧巻線、低圧巻線、磁束が循環する鉄芯、巻線と接続端子との間の接続部によって構成される。損失の点で、巻線および鉄芯は温度上昇を呈し、許容される最大加熱は、材料および規則によって決まる。

通常、工業用設備、例えば石油掘削プラットフォームまたは船艦などでは、取付け空間が狭く、固体絶縁体を備えた乾式変圧器が使用されている。言い換えれば、こうしたタイプの設備では、活性部分が絶縁液に浸漬され、１つまたは複数の巻線が固体絶縁体に封入されている変圧器が使用される。使用に好ましい電圧は、高圧巻線で４，１６０Ｖ、１３，８００Ｖ程度、低圧巻線で２２０Ｖ、３８０Ｖ、６６０Ｖである。通常使用される電力は、３００ｋＶＡから数十ＭＶＡである。

固体絶縁体を備えたかかる変圧器は、空冷、すなわち自然循環、もしくは強制循環による空冷、または空気／水熱交換器によって冷却することができる。例えばBrazilian Norm NBR 10295などの規則では、自然循環または空気循環を用いた冷却が「ＡＮ」で示されており、ここでは巻線から空気への熱伝達が、空気によって自然に、または自発的な形で行われる。この場合、変圧器巻線から放散された熱によって加熱された空気が、より低温の周囲空気と入れ替わり、それによって自然な空気循環が生じる。

巻線によって熱が空気に伝達される容量は様々な要因に依存し、その中には空気温度、巻線温度、空気の相対湿度、大気圧、および変圧器の設置高度が含まれることに留意されたい。コイルによって熱が空気に伝達される容量を増大させる代替手段は、例えばファンを用いた強制換気または強制空気（上記規則では「ＡＦ」として識別される）によって行われる。

例えば、図１は、現時点で知られている、強制空冷「ＡＦ」を用いた乾式変圧器１´を示す。ファン１１´によって、変圧器の上部から熱気の排除が促進され、こうした熱気は熱交換器１２´に送られ、ここで冷却空気が変圧器１´の底部に戻される。冷却空気は、変圧器１´から熱を受け取り、頂部へと上昇してこのサイクルを繰り返す（図中の矢印は、空気が動く方向を示す）。しかし、この冷却技術は、変圧器１´での熱交換は、水に関して吸収力をそれほど有さない空気によって行われるという不利点を有する。その上、この技術の別の不利点は、熱交換器が変圧器付近に配置されることであり、これは石油プラットフォームまたは船艦などの空間が狭い設備では弱点となる。

あるいは、乾式変圧器はまた、巻線導管自体の内部で水を循環させて水冷することもできる。この種の変圧器の例が、特許文献１に示されている。

しかし、この冷却水は巻線導管と接触し、したがって同じ電圧を受けることを考慮すると、電気絶縁が必要となる。したがって、これまで知られている水冷乾式変圧器では、変圧器の他の部品との短絡を防止するために、冷却水に脱イオン化工程および処理を施して、電気的に絶縁するか、またはほとんど導電しないようにする（水の電気抵抗値を高める）必要がある。

加えて、冷却水脱イオン化機器は高価であり、かつ集中的な保守が必要であり、これは費用の大幅な増大を意味する。

加えて、現況技術による水冷乾式変圧器には、脱イオン化システムおよび水冷システムの最高電圧の下、変圧器巻線の中空導管を相互接続するための絶縁ダクトが必要となり、これには冷却水漏れの危険が常につきまとうため、やはり保守費が増大することになる。

さらに、巻線と、脱イオン化および水冷システムとの間で水を導通するダクトは、ダクトおよび水の抵抗が、短絡が防止されるほど十分に高くなるよう十分な空間が得られるまで、巻線とともに絶縁しなければならない。この実施形態では、ダクトと設置空間との間の連結部を取り付けるのに慎重な作業が必要となり、やはり費用が増大する。

任意選択で、例えば、特許事例、特許文献２および特許文献３に記載されているものなど、いくつかの技術が既に知られており、これらの特許事例には、コイル巻線とは分離された水回路によって冷却される乾式変圧器が記載されている。しかし、これらの従来技術文献に示される変圧器は、電磁損失が生じるような形で構成された冷却手段を備え、こうした電磁損失は、変圧器の効率を損なうので、当然ながら望ましくない。

中国特許出願公開第２０１３４０８７１．１号明細書 中国特許第２７８５１０６号明細書 国際公開第９８／３４２４１号パンフレット

本発明の目的は、変圧器の温度を安全かつ効率良く低減させることが可能な冷却流体を使用した冷却手段を有する、低コストの乾式配電変圧器を提供することにある。

さらに、本発明の目的はまた、電磁損失の増大を引き起こさずに、したがって動作効率を最適化しながら、それ自体の冷却を実現することが可能な乾式電源変圧器を提供することにある。

加えて、本発明の目的は、それ自体の自己冷却を実現することが可能な、コンパクトで低コストの変圧器を提供することにある。

本発明の１つまたは複数の目的は、芯柱（core column）の周りに同心に取り付けられた１つの低圧巻線および１つの高圧巻線を少なくとも備える、乾式配電変圧器を提供することによって達成される。前記変圧器は、少なくとも１つの低圧巻線および／または高圧巻線に連結された少なくとも１つの冷却回路を備える。かかる冷却回路は、低圧巻線および高圧巻線から電気的に絶縁されている。さらに、この冷却回路は、その内部で冷却流体を循環させることが可能である。加えて、この冷却回路は、芯柱を部分的に取り囲むように構成された構成配置（constructive arrangement）を備える。

言い換えれば、冷却回路のこの構成配置は、芯柱の周りでコイルを形成するように構成される。

本発明の１つまたは複数の目的はまた、芯柱の周りに同心に取り付けられた１つの低圧巻線および１つの高圧巻線を少なくとも備える、乾式配電変圧器を提供することによって達成される。前記変圧器は、少なくとも１つの低圧巻線および／または高圧巻線に連結された少なくとも１つの冷却回路を備える。かかる冷却回路は、低圧巻線および高圧巻線から電気的に絶縁されている。さらに、この冷却回路は、その内部で冷却流体を循環させることが可能である。さらに、この冷却回路は、冷却ダクトを備え、各冷却ダクトは、芯柱の断面を部分的に取り囲む断面を有する。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。

従来技術から知られている、熱交換器を介した強制空冷および強制水冷手段を備えた乾式配電変圧器の斜視図である。 本発明の好適な実施形態にかかる乾式配電変圧器の斜視図である。 図２に示した乾式配電変圧器の概略側面図である。 冷却ダクトの構成配置を明示した、図２に示す乾式配電変圧器の概略上面図である。 冷却ダクトに連結された、図２に示す乾式配電変圧器の高圧巻線セクションの概略側面図である。 図２に示した乾式配電変圧器の冷却ダクトの第１の実施形態を示す図である。 図２に示した乾式配電変圧器の冷却ダクトの第２の実施形態を示す図である。 冷却ダクトに連結された、図２に示す乾式配電変圧器の高圧巻線セクションおよび低圧巻線セクションの概略側面図である。

図２は、好ましくは工業用配電設備、石油採掘プラットフォームまたはマリーナで使用するための、本発明の好適な実施形態にかかる乾式配電変圧器１の斜視図を示す。この理由で、変圧器１は、最高で数万ｋＶＡの電力を供給することが可能である。

最初に、本発明の技術は、三相変圧器および単相変圧器のどちらにも適用することができることを指摘しておきたい。

図３で認められるように、かかる乾式配電変圧器１は、芯柱１．２、１．３の周りに同心に取り付けられた１つの低圧巻線（またはコイル）および１つの高圧巻線（またはコイル）を少なくとも備え、低圧巻線および高圧巻線２、３は、固体材料によって互いに電気的に絶縁されている。特に、本発明の好ましい実施形態では、図２、図３、および図４で分かるように、変圧器１は三相型のものであり、三相芯１．１、１．２、１．３と、３つの低圧巻線２と、３つの高圧巻線３と、を備える。より具体的には、前記芯は、芯柱１．１、中央芯柱１．２、および側方芯柱１．３の上側部分および下側部分を備える。

図５および図８で認められるように、外側巻線とも呼ばれる高圧巻線３は、第１の固体絶縁体４．１、例えばエポキシ樹脂によってグラウンドから絶縁されている。第１の固体絶縁体４．１の外側には、静電遮蔽５が常套手段として設けられ、場の基準を取るために接地される。内側巻線とも呼ばれる低圧巻線２は、第２の固体絶縁体４．２、例えばエポキシ樹脂によってグラウンドから絶縁されている。低圧巻線２は、絶縁の特性に従って、接地遮蔽、または非接地遮蔽を有することができる。

さらに、図８によれば、変圧器１は、低圧巻線２の端子２．１を備え、これらの端子は封入され、遮蔽されて、巻線の頂部に取り付けられている。好ましくは、かかる端子２．１は、差込み式の切離し可能なものである。

さらに、変圧器１は、その内部で冷却流体を循環させることが可能な少なくとも１つの冷却回路７を備え、この冷却回路７は少なくとも１つの低圧巻線２または高圧巻線３に連結されている。冷却回路７と、高圧巻線または低圧巻線２、３との間のこの連結は、それらの間での電気絶縁を保証するように行われ、すなわち冷却回路７は、低圧巻線および高圧巻線２、３に対して電気的に絶縁されていることに留意されたい。さらに、冷却回路７もやはり、好ましくは接地させる。

好ましくは、変圧器が石油採掘プラットフォームまたは船艦などの設備で使用される用途では、冷却流体は海水からなる。当然ながら、所望の用途に適する限り、他の種類の流体、例えば淡水、再利用水、または他の工業冷却機器で既に使用された水も使用することができ、冷却水の熱伝導率を高めるために、何らかの性質の電荷を添加することも含まれる。

さらに好ましくは、冷却流体は、冷却回路７の内部を強制的に循環させる。したがって、冷却流体は変圧器１の巻線から熱を吸収し、巻線付近にある冷却回路７の部品（ダクト）を循環した後、排出され、それによってより低温の冷却流体が流入することが可能となる。

冷却回路７は、図４で認められるように、芯柱１．２、１．３を部分的に取り囲むように構成された構成配置を備えることにさらに留意されたい。言い換えれば、冷却回路７は、芯柱１．２、１．３を一周しないように構成された構成配置を備え、それによって電磁損失を低減させることが可能となり、したがって動作効率の最適化を実現することができる。

第１に、図２、図３、図４、図５、および図８で分かるように、冷却回路７は、低圧巻線２および／または高圧巻線３を部分的に、または完全に取り囲む少なくとも１つの冷却ダクト６を備える。

図３、図４、図５、および図８によれば、冷却回路７は、低圧巻線２と高圧巻線３との間に設けられた空間に配置された複数の冷却ダクト６を備える。好ましくは、より高い冷却効力を実現するために、冷却ダクト６はまた、芯柱１．２、１．３と、低圧巻線および高圧巻線２、３との間にも配置される。

さらに好ましくは、冷却ダクト６は金属材料によって構成され、接地させなければならない。任意選択で、冷却ダクト６は、絶縁樹脂、または繊維ガラス材料によって構成することもでき、好ましくは接地させる。言い換えれば、冷却ダクトは、腐食から保護するため、水を使用するタイプに適した材料、例えばステンレス鋼もしくはネーバル黄銅、または導電し得る、もしくは導電し得ない他の材料によって構成される。

図４で分かるように、各冷却ダクト６は、芯柱１．２、１．３の断面を部分的に取り囲む断面を有する。この構成配置によって、芯柱１．２、１．３を一周することが防止される。

図６および図７によれば、冷却ダクト６は、入／出力ダクト６．１によって外部熱交換器６．２に動作可能に連結されている。かかる外部熱交換器６．２は、変圧器１から離れた便宜的な場所に配置することができる。

したがって、既知の技術とは異なり、本発明の冷却ダクト６は、巻線から絶縁され、接地され、一周しないように形成され、したがって５０ＭＶＡ程度の電力、および最高３４ｋＶ程度の電圧クラスで、海水または非処理水によって冷却しながらこの機械を動作させることが可能となる。このため、内部空間を水の導電処理のために割り当てる必要がないので、変圧器１を狭い空間に設置することが可能であり、その上、変圧器１用のキュービクルが必要でない。言い換えれば、本発明の変圧器１は、水脱イオン化システムが必要でないという利点を有し、これは費用削減、ならびに設備の材料および空間の節減を意味する。

本発明の変圧器１のさらなる利点は、この変圧器は、例えば、変圧器の運搬または動作中に漏れた場合の、地下水面などの環境を汚染するおそれのある絶縁油を使用していない点である。したがって、本発明で提案される変圧器の取付けは、漏れまたは爆発の場合の油保持システムが必要でないので、簡単かつ経済的に実施することができる。

さらに、本発明の変圧器１では、巻線から冷却手段への熱伝達は、熱伝導によって行われ、空気による冷却で使用される対流よりも高い熱効率を有する。

好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は他の実施可能な変形形態を包含するものであり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲の内容によってのみ限定され、特許請求の範囲には実施可能な均等物も含まれることを理解されたい。

１´ 乾式変圧器
１１´ ファン
１２´ 熱交換器
１ 乾式配電変圧器
１．１、１．２、１．３ 芯柱
２ 低圧巻線
２．１ 端子
３ 高圧巻線
４．１ 第１の固体絶縁体
４．２ 第２の固体絶縁体
５ 静電遮蔽
６ 冷却ダクト
６．１ 入／出力ダクト
６．２ 外部熱交換器
７ 冷却回路

任意選択で、例えば、特許事例、特許文献２および特許文献３に記載されているものなど、いくつかの技術が既に知られており、これらの特許事例には、コイル巻線とは分離された水回路によって冷却される乾式変圧器が記載されている。しかし、これらの従来技術文献に示される変圧器は、電磁損失が生じるような形で構成された冷却手段を備え、こうした電磁損失は、変圧器の効率を損なうので、当然ながら望ましくない。
加えて、特許事例、特許文献４には、巻線が成型樹脂に埋め込まれ、かつ芯の周りに円周方向に延びる主冷却水チャネルをさらに有する水冷変圧器が記載されている。この変圧器は、冷却回路が芯柱を一周するように構成された形で配設され、それによって変圧器に出力損失および電磁損失が生じるという弱点を有する。

中国特許出願公開第２０１３４０８７１．１号明細書 中国特許第２７８５１０６号明細書 国際公開第９８／３４２４１号パンフレット 独国特許第２０３２５０７号

図４で分かるように、各冷却ダクト６は、芯柱１．２、１．３の断面を部分的に取り囲む断面を有する。言い換えれば、この構成配置によって、芯柱１．２、１．３を一周することが防止される。

Claims (10)

1. 芯柱（１．２、１．３）の周りに同心に取り付けられた１つの低圧巻線（２）および１つの高圧巻線（３）と、
   少なくとも１つの低圧巻線（２）および／または１つの高圧巻線（３）に連結された冷却回路（７）であって、前記低圧巻線および前記高圧巻線（２、３）に対して電気的に絶縁され、その内部で冷却流体を循環させることが可能である冷却回路（７）と、
   を少なくとも備えた乾式配電変圧器（１）において、
   前記冷却回路（７）が、前記芯柱（１．２、１．３）を部分的に取り囲むように構成された構成配置を備えることを特徴とする変圧器。
2. 前記冷却回路（７）が、前記低圧巻線（２）および／または前記高圧巻線（３）を部分的に取り囲む少なくとも１つの冷却ダクト（６）を備えることを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
3. 前記冷却回路（７）が、前記低圧巻線および／または前記高圧巻線（３）を部分的に取り囲む少なくとも１つの冷却ダクト（６）を備えることを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
4. 前記冷却回路（７）が、前記低圧巻線（２）と前記高圧巻線（３）との間に設けられた空間、および／または前記芯柱（１．２、１．３）と前記低圧巻線および高圧巻線（２、３）との間に設けられた空間に配置された複数の冷却ダクト（６）を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の変圧器。
5. 前記冷却流体が、海水からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の変圧器。
6. 冷却ダクト（６）が、金属材料によって構成されることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の変圧器。
7. 冷却ダクト（６）が、樹脂または繊維ガラス絶縁材料によって構成されることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の変圧器。
8. 前記冷却流体が、前記冷却回路（７）の内部で強制的に循環することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の変圧器。
9. 芯柱（１．２、１．３）の周りに同心に取り付けられた１つの低圧巻線（２）および高圧巻線（３）と、
   少なくとも１つの低圧巻線（２）および／または高圧巻線（３）に連結された冷却回路（７）であって、その内部で冷却流体を循環させることが可能である冷却回路（７）と、
   を少なくとも備えた乾式配電変圧器（１）において、
   前記冷却回路（７）が、前記芯柱（１．２、１．３）を一周しないように構成された構成配置を備えることを特徴とする変圧器（１）。
10. 芯柱（１．２、１．３）の周りに同心に取り付けられた１つの低圧巻線（２）および高圧巻線（３）と、
    少なくとも１つの低圧巻線（２）および／または１つの高圧巻線（３）に連結された１つの冷却回路（７）であって、その内部で冷却流体を循環させることが可能である１つの冷却回路（７）と、
    を少なくとも備えた乾式配電変圧器（１）において、
    前記冷却回路（７）が冷却ダクト（６）を備え、前記冷却ダクト（６）が、前記芯柱（１．２、１．３）の断面を部分的に取り囲む断面を有することを特徴とする変圧器（１）。

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