JP2015035528A - 油入静止誘導機器 - Google Patents

Abstract

【課題】直流絶縁性能を保ちつつ、効果的にリード導体を冷却することのできる油入静止誘導機器を提供する。【解決手段】本実施形態の油入静止誘導機器は、巻線２に接続されるリード導体７と、その外周に、所定の間隔を保って同心状に配置された複数の絶縁バリヤ１１ａ，１１ｂ、１２、１３と、絶縁バリヤ１１ａ，１１ｂ、１２、１３の間に配置され、絶縁バリヤ間に油流経路を形成する絶縁スペーサを有する。最内側絶縁バリヤ１１ａ，１１ｂは、複数の絶縁バリヤにおいて最も内側に配置され、径の異なる筒状の絶縁バリヤを接続して構成する。接続部分において、一方の端部を他方の端部の内側に挿入し、両端部間に流通可能な油隙を形成する。外側絶縁バリヤ１２、１３には、リード導体７の軸方向に位置をずらせて貫通孔１２ｋ、１３ｋが設けられ、この貫通孔１２ｋ、１３ｋから絶縁バリヤ間に外部の絶縁油が流入する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、高電圧直流送電用の油入変圧器やリアクトルなどの油入静止誘導機器に関する。

近年、大容量、長距離送電及び異周波連係など、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、交流を直流に或は直流を交流に変換するための交直変換所が設置される。交直変換所においての主要素の一つは、交流系統と直流系統を結合する直流変換器用変圧器である。

図５に変換器用変圧器内部の構造の一例を示す。図５の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及び直流円板巻線２を備えている。そのうち、交流円板巻線１は交流線路に接続され、直流円板巻線２はサイリスタを通って直流送電線に接続される。巻線１、２の端部には電界緩和用静電リング３、４が取り付けられている。

現在、直流変換器用変圧器において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。

上記油浸複合絶縁構成内での絶縁油とプレスボードとの電界は、交流電圧の場合それぞれの誘電率の逆比（約２：１）となるが、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。プレスボードは、絶縁油に対して体積抵抗率が低温の場合約１００倍、高温の場合約１０倍と高いので、プレスボードは絶縁油に比べ大きな直流電圧が分担し易くなる。

変換器用変圧器内部において交流と直流巻線は絶縁されている。また、巻線と端子間はリード導体７で接続されている。直流巻線２はリード導体７を介して図示してない直流ブッシングに直列接続される。

このリード導体は、高電圧に充電されているので、周囲との絶縁を確保するために、導体表面に絶縁紙８を巻き、周囲と絶縁距離を確保して、十分な絶縁耐力が得られるように構成されている。

一般に絶縁距離は機器電圧が高くなると、長い絶縁距離が必要になり、機器全体の寸法が大きくなる。ところが、一般に超高電圧（±５００ｋＶ）直流送電及びそれより高いクラス（±６００ｋＶ、±８００ｋＶ）用の油入変換器用変圧器及びリアクトルの場合には、輸送寸法制限の観点から寸法を極力小さくしなければならない。このため、絶縁性能を保ちつつ、機器全体の寸法を少しでも縮小できるように工夫されている。

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。しかし、絶縁紙の直流絶縁性能は温度の上昇に従って急激に低下し、例えば、８０℃場合の直流絶縁性能は常温の場合と比べ、約半分まで低下する。直流変換器用変圧器では、リード導体７が通電により発熱し、リード導体を覆う絶縁紙８の劣化を防止するため、これに対して適切な冷却を行っている。

一般に巻線全体を効率よく冷却するには、絶縁油５は巻線の下部から流入し、矢印のように巻線の上部に向かってジグザグに流れながら、巻線の熱量を吸収し徐々に油温が高くなる。そして温度の上昇した絶縁油は巻線上部から流出し、図示してない外部冷却器により冷却され、再び巻線の下部から流入する構成になっている。

このような構成においては図５の点線で囲った領域Ａに示す様に巻線を冷却して温度の上昇した絶縁油がリード導体絶縁部に流入するのを防止していたため、リード導体部分の絶縁耐力を確保し、運転中に効果的に冷却される構造が必要である。そのため、従来技術では、図中Ｂに示す部分に、巻線を通過しない比較的低温の絶縁油をリード導体部分に直接供給するための構成を設けている。

このリード導体部分に直接低温の絶縁油を供給する構造としては、特許文献１及び特許文献２に記載の技術が知られている。

特開平９−５６０４９号公報 特開平９−２７０３３９号公報

特許文献１の技術は、リード導体の外周に間隙を置いて配置された絶縁バリヤの接続部分から絶縁油を間隙内に流通させることで、絶縁バリヤ内部のリード導体を冷却するものである。例えば、リード導体の外周に３枚の絶縁バリヤを配置する構成の場合、直径の違う６枚の絶縁バリヤを用意して、それらの先端を互いに挿入することで、絶縁バリヤの接続部に絶縁油が流通可能な油隙を形成する。この絶縁バリヤ端部を重ね合わせてその隙間を流路とする冷却構造を、通常、ラップ構造と呼ぶ。

しかし、特許文献１の技術では、絶縁バリヤの端部が絶縁油の流れに対するベンド部（屈曲部）となることから、６枚もの絶縁バリヤを使用した場合には、最外側の絶縁バリヤ端部から流入した絶縁油が最内側のリード導体に達するまでには、９０°の油流方向の変換が１１箇所にも達し、ベンド箇所の増加による流路損失が大きいという問題がある。

特許文献２の技術は、リード導体の外周に配置された絶縁バリヤに貫通孔を設けることで、絶縁バリヤ内部の間隙に絶縁油を流通させる。この技術は、特許文献１の技術に比較して油流方向の変換が少ないことから流路損失が少なく、冷却効率が良い。

しかし、特許文献２の技術では、絶縁バリヤに形成した貫通穴の角部で発生する絶縁油の等電位線集中が、絶縁破壊を引き起こす要因になる。それは、絶縁紙及びプレスボードの貫通方向の直流破壊電界は、絶縁油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とほぼ同等の破壊電界となる為である。この現象は、特にリード導体に最も近い最内側の絶縁バリヤの貫通穴の角部において著しく、その部分での直流絶縁性能が低下する問題がある。

本発明の実施形態の目的は、内側絶縁バリヤはラップ構造で流路を形成し、外側絶縁バリヤは貫通孔を設けて油流経路を形成することにより、直流絶縁性能を保ちつつ、効果的にリード導体を冷却することのできる油入静止誘導機器を提供することにある。

本実施形態の油入静止誘導機器は、次の構成を有することを特徴とする。
（１）巻線に接続されるリード導体。
（２）前記リード導体の外周に、所定の間隔を保って同心状に配置された複数の絶縁バリヤ。
（３）前記複数の絶縁バリヤの間に配置され、絶縁バリヤ間に油流経路を形成する絶縁スペーサ。
（４）前記複数の絶縁バリヤにおいて最も内側に配置され、径の異なる筒状の絶縁バリヤを接続して構成され、その接続部分において、一方の端部が他方の端部の内側に挿入され、両端部間に流通可能な油隙が形成された最内側絶縁バリヤ。
（５）前記複数の絶縁バリヤにおいて最内側絶縁バリヤよりも外側に配置され、リード導体の軸方向に位置をずらせて貫通孔が設けられ、この貫通孔から絶縁バリヤ間に外部の絶縁油が流れる油流経路が形成された外側絶縁バリヤ。

第１実施形態の油入静止誘導機器におけるリード導体の冷却部分を示す断面図である。 図１のＢ−Ｂ線の断面図である。 第１実施形態におけるリード導体の冷却部分を示す斜視図である。 図１の図１の直流電界解析を示すグラフ。 一般的な直流送電用油入静止誘導機器の内部構成を示す垂直断面図である。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態の油入静止誘導機器におけるリード導体の冷却部分の構成を図１及び図２に示す。

図１において、７はリード導体、８はリード導体７表面に巻回された絶縁紙、１１ａ、１１ｂ、１２及び１３は絶縁紙８の外周に間隙をおいて設けられた絶縁バリヤである。このうち、１１ａと１１ｂが最内側（第１層）の絶縁バリヤであり、１２が第２層の絶縁バリヤ、１３が最外側（第３層）の絶縁バリヤである。絶縁バリヤ１１ａと１１ｂは、相互に端部を挿入しラップできるように直径が違えてあり、ラップ部分以外においては、リード導体７に対して１層の絶縁バリヤとなっている。

１４ａ、１４ｂは、絶縁紙８と絶縁バリヤ１１ａ、１１ｂとの間に配置され、両者の間隙を所定の値に保持する絶縁スペーサであり、１４ｃは絶縁バリヤ１１ａと１１ｂのラップ部分に配置された絶縁スペーサである。

第２層及び第３層の円筒状の絶縁バリヤ１２、１３には、内側絶縁バリヤ１１ａと１１ｂのラップに対応する部分以外の箇所（図１の破線及び矢印で示した部分）から、リード導体７の軸方向に位置をずらせて、貫通孔１２ｋ、１３ｋが設けられている。貫通孔１２ｋ、１３ｋの円周方向の配置は、絶縁油が貫通孔１２ｋ、１３ｋに効率的に流れるように、一例として図３のように、リード導体７の軸方向に沿って、絶縁スペーサ１４ｆを挟んで、所定の間隔で形成されている。

その結果、リード導体７の周囲には、図２に示すバリヤ間の流路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４と、図３に示す貫通孔１２ｋ、１３ｋ内の流路Ｓ５、Ｓ６が形成されている。この場合、絶縁バリヤ間の流路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の断面積と、各絶縁バリヤにおける貫通孔１２ｋ、１３ｋ部分の流路Ｓ５、Ｓ６の合計断面積が等しくなるように設定する。その理由は、貫通孔１２ｋ、１３ｋから絶縁バリヤ間に流入する油量に過不足がないようにするためである。

また、絶縁バリヤ間の間隔及び貫通孔の軸方向の寸法は、これら流路Ｓ１〜Ｓ６を流れる絶縁油によって冷却すべきリード導体７の熱量と、流路Ｓ１〜Ｓ６内を通過する絶縁油の流速などを考慮して設定する。

（１−２）作用
本実施形態において、絶縁油は、外側絶縁バリヤ１２、１３の貫通孔１２ｋ、１３ｋから内側絶縁バリヤ１１ａ、１１ｂの間に流れ、両者間の油隙を通ってリード導体７の軸方向に流通し、リード導体７を冷却する。

本実施形態における絶縁性能について説明する。本実施形態における絶縁バリヤ絶縁部分の直流等電位線分布を図４（ａ）に示す。図４（ａ）中、３０は直流等電位線である。この図４（ａ）中、最大直流沿面電界は、絶縁バリヤ１１ｂの端部の角部油側Ｄ点に発生する。この角部Ｄ点の直流電界値は、図４（ｂ）に示す最内側の絶縁バリヤ２０に設けた貫通孔２０ｋの角部Ｃの電界値に対して低減している。

すなわち、従来技術では、図４（ｂ）に示すように、最内側の絶縁バリヤ２０に設けた貫通孔２１ｋの角部Ｃの直流等電位線は、絶縁バリヤ２０の軸方向に、しかも貫通孔２１ｋの縁に沿って直線状に伸びるのに対して、図４（ａ）に示すように、絶縁バリヤ１１ｂのラップ部分に設けられた角部Ｄと対向する絶縁バリヤ１１ａの内面Ｅは、絶縁バリヤ１１ａ，１１ｂの間隙分離れている上に、角部Ｄと内面Ｅとが絶縁バリヤ１１ａの軸方向とは所定の角度を持つことから、直流等電位線が導体の軸方向に対して斜めになり、絶縁破壊が生じにくい。

その上、第２層及び第３層の絶縁バリヤ１２、１３は、最内側の絶縁バリヤ１１ａ、１１ｂに対して相対的にリード導体７と離れて、更に絶縁バリヤの軸方向に位置をずらせて貫通孔１２ｋ、１３ｋが設けられるため、貫通孔１２ｋ、１３ｋが隣接バリヤにより電気的に遮蔽される。これにより貫通孔部分の直流等電位線の間隔が緩くなり、直流電界値が小さくなる。

本実施形態と同じ３層の絶縁バリヤにおける従来技術では、油流方向の変換箇所が１１箇所であったのに対して、本実施形態では油流方向の変換箇所を７個に減らしているため流路損失が低減し、それに伴って冷却性能も向上する。具体的には、以下の通りである。

図１に示すように、本実施形態で、絶縁油は絶縁バリヤ１３の下部(1)番からリード導体(7)番まで矢印で示す様に流れて、当該流路における総損出はＨ＝λ（ｌ／ｄ）（Ｖ２／２ｇ）＋ζ１Ｖ１２／２ｇ＋ζ２Ｖ２２／２ｇ＋…＋ζ７Ｖ７２／２ｇにより計算されることができる。ここにλは流路の摩擦係数、ｌは(1)番から(7)番までの流路長さ、ｄは流路の内径、Ｖは各ベンド部の平均流速、ｇは重力の加速度、ζは各ベンド部の基本損失係数である。

本実施形態において９０°の油流方向変換は７箇所があり、仮に各箇所に同様な平均流速が得られるような構成されるとすれば、(1)番から(7)番までの流路総損出はＨ＝（λｌ／ｄ＋７ζ）×Ｖ２／２ｇとなる。一般にベンド部による圧力損出が摩擦損出と比べ、とても大きい。ここで摩擦損出を無視すると、Ｈ＝（７ζ）×Ｖ２／２ｇとなり、従来のベンドが１１箇所の場合のＨ＝（１１ζ）×Ｖ２／２ｇに対して６３．６％に低減することが分かる。

（１−３）効果
一般に、±５００ｋＶ、±６００ｋＶ及び±８００ｋＶ用の油入直流変換器用変圧器及びリアクトルなどの静止誘導油入機器は、電圧が高くなり、リード導体７の直流絶縁性能を確保するため、リード導体の外周に配置する絶縁バリヤを厚くする必要がある。一方、交流絶縁性能も同時に確保するため、リード導体周りの油道が絶縁バリヤにより細分化されて耐交流絶縁性能を高める必要もある。

そのため、高電圧の直流変換器用変圧器などの静止誘導油入機器においては、リード導体の外周の絶縁バリヤの枚数が本実施形態の３枚より数多く必要取れることはしばしば行われる。本実施形態によれば、絶縁バリヤ数が増大したとしても、内側以外は貫通孔によって流路を形成できるので、ベンド箇所の増加による流路損失が大幅に増大することはない。

特に、絶縁バリヤに貫通孔を設ける構造は、ラップ部分に絶縁スペーサが間挿される構造と比べ、油流方向の変換箇所の数を減らせるので、絶縁バリヤの段数の増加に従い、本実施形態による圧力損失の低減効果が益々大きくなる。

本実施形態では、外側絶縁バリヤの貫通孔１２ｋ、１３ｋは、最内側絶縁バリヤの接続部（図１中、Ｌで示すラップ部分）以外の箇所に設けられているので、貫通孔１２ｋ、１３ｋから接続部に達するまでに絶縁バリヤの軸方向に移動する。その結果、リード導体７の広い面積で絶縁油を絶縁バリヤと接触させることができ、リード導体７を均等に冷却することができる。

（２）他の実施形態
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。例えば、パッファ形以外の油入静止誘導機器に対しても、本発明を適用することは可能である。また、前記各実施形態の複数を適宜組み合わせたものも、本発明に包含される。

例えば、ラップ構造を最内側のみに使用することなく、他の層（例えば、第２層と第３層）の絶縁バリヤに適用することも可能である。絶縁バリヤ数も、３層に限定されず、２層でも、４層以上でも良い。高電圧直流送電用の油入静止誘導機器に限らず、巻線からのリード導体を絶縁油で冷却する油入静止誘導機器全般に使用できる。

１…交流円板巻線
２…直流円板巻線
３，４…電界緩和用静電リング
５…絶縁油
６…プレスボード絶縁筒
７…リード導体
８…絶縁紙
１１ａ，１１ｂ…最内側（第１層）絶縁バリヤ
１２…第２層絶縁バリヤ
１２ｋ…貫通孔
１３…最外側（第３層）絶縁バリヤ
１３ｋ…貫通孔
１４ａ〜１４ｆ…絶縁スペーサ
Ｓ１〜Ｓ６…流路
２０…最内側絶縁バリヤ
２０ｋ…貫通孔
３０…直流等電位線

Claims (3)

1. 巻線に接続されるリード導体と、
   前記リード導体の外周に、所定の間隔を保って同心状に配置された複数の絶縁バリヤと、
   前記複数の絶縁バリヤの間に配置され、絶縁バリヤ間に油流経路を形成する絶縁スペーサと、
   前記複数の絶縁バリヤにおいて最も内側に配置され、径の異なる筒状の絶縁バリヤを接続して構成され、その接続部分において、一方の端部が他方の端部の内側に挿入され、両端部間に流通可能な油隙が形成された最内側絶縁バリヤと、
   前記複数の絶縁バリヤにおいて最内側絶縁バリヤよりも外側に配置され、リード導体の軸方向に位置をずらせて貫通孔が設けられ、この貫通孔から絶縁バリヤ間に外部の絶縁油が流れる油流経路が形成された外側絶縁バリヤと、
   を備えていることを特徴とする油入静止誘導機器。
2. 前記外側絶縁バリヤの貫通孔は、最内側絶縁バリヤの接続部以外の箇所に設けられていることを特徴とする請求項１記載の油入静止誘導機器。
3. 前記絶縁バリヤに設けられた貫通孔の流路合計断面積は、絶縁バリヤ間に形成される油流断面積と等しく設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の油入静止誘導機器。