JP2015201560A - 油入変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジエータの巨大化防止による省スペース化、及び内部で発生した熱を効率よく外部に放熱することが可能な油入変圧器を提供する。【解決手段】油入変圧器１０は、変圧器タンク１１と、前記変圧器タンク内に配設された鉄芯１２及び当該鉄芯の外周面に巻回された巻線１３と、前記変圧器タンクの外壁面に油管１５を介して配設されたラジエータ１４と、前記変圧器タンク内に充填された絶縁油とを具える。また、前記油入変圧器の少なくとも一部と熱的に接触するようにして熱電変換素子１９が配設されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、油入変圧器に関する。

油入変圧器（以下、「変圧器」という場合がある）のタンク内には鉄芯と巻線とが設置されており、そこには大電流が流れるために常に熱が発生している。そこでこの熱は巻線周囲を流れる絶縁油を媒介してラジエータで変圧器外部に放熱される。大型の変圧器になると発生する熱量も多くなるのでラジエータなどの付随設備もまた大きくなってしまう。

発生した熱を適切に変圧器外部に放出することは変圧器を長期安定して稼働させるという観点から極めて重要な工程である。熱を外部に放出することができなくなった場合、もしくは少量の熱しか放出できなかった場合、最初に、発生した熱によって絶縁油の酸化反応が進行することになり、絶縁油が劣化してしまう。次に絶縁油を通じてスペーサなどの絶縁物である絶縁紙に熱が伝わり、絶縁紙の酸化反応も進行してしまう。酸化反応を起こすことによって紙を構成しているセルロースが分解し、絶縁性能の劣化が生じてしまうことになる。

また、ラジエータが巨大化すると、変圧器全体の必要スペースが大きくなってしまうなどの問題があった。したがって、上述のような問題を回避すべく、新たな構成の変圧器の開発が望まれていた。

特開２０１１−９１３４０号公報

本発明は、ラジエータの巨大化防止による省スペース化、及び内部で発生した熱を効率よく外部に放熱することが可能な油入変圧器を提供することを目的とする。

実施形態の油入変圧器は、変圧器タンクと、前記変圧器タンク内に配設された鉄芯及び当該鉄芯の外周面に巻回された巻線と、前記変圧器タンクの外壁面に油管を介して配設されたラジエータと、前記変圧器タンク内に充填された絶縁油とを具える。また、前記油入変圧器の少なくとも一部と熱的に接触するようにして熱電変換素子が配設されている。

第１の実施形態における油入変圧器の概略構成図である。 図１に示す油入変圧器における熱電変換素子の概略構成を示す図である 第２の実施形態における変圧器内部の温度検出装置の概略構成図である。 第３の実施形態における変圧器内部の温度検出装置の概略構成図である。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の油入変圧器（以下、「変圧器」という場合がある）の概略構成を示す図であり、図２は、図１に示す変圧器に熱電変換素子の概略構成を示す図である。

図１に示すように、本実施形態における油入変圧器１０は、変圧器タンク１１と、この変圧器タンク１１内に配設された鉄芯１２及び当該鉄芯１２の外周面に巻回された巻線１３と、変圧器タンク１１の外壁面において油管１５を介して配設されたラジエータ１４とを有している。ラジエータ１４は汎用のものから構成することができ、例えば、複数の撹拌翼が内部に配設されて、変圧器タンク１１内で発生した熱をこれら複数の攪拌翼を通じて外部に放熱できるようになっている。

また、変圧器タンク１１の上部には巻線１２に対して入力側端子あるいは出力側端子として機能するブッシング１６，１７が配設されており、さらにコンサベータ１８が配設されている。さらに、変圧器タンク１１内には、図示しない導入管（一般には変圧器タンク１１の下側）及び排出管（一般には変圧器タンク１１の上側）を介して絶縁油Ｌが供給及び排出されるようになっており、これによって変圧器タンク１１内に絶縁油Ｌが充填されるようになっている。

コンサベータ１８内には同じく絶縁油Ｌが充填されており、例えば外気温の上下等によって変圧器タンク１１内の絶縁油Ｌの量が変動する場合に、当該変動を抑制するように適宜コンサベータ１８から絶縁油Ｌを供給し、あるいは絶縁油Ｌを吸入するように機能する。

さらに、変圧器タンク１１の、鉄芯１２及び巻線１３の上方の内壁面には熱電変換素子１９が配設されている。

本実施形態の変圧器１０における熱電変換素子１９は、図２に示すように、互いに対をなすｐ型熱電半導体１９１及びｎ型熱電半導体１９２が互いに隣接するようにしてマトリックス状に配設されており、隣接するｐ型熱電半導体１９１及びｎ型熱電半導体１９２の高温側（高温熱源側）が高温側電極１９３によって電気的に直列に接続されており、隣接するｐ型熱電半導体１９１及びｎ型熱電半導体１９２の低温側（低温熱源側）が低温側電極１９４によって電気的に直列に接続されている。また、低温側電極１９４の末端にはリード線１９５が接続されている。

ｐ型熱電半導体１９１及びｎ型熱電半導体１９２は熱伝導率が低く、高温側及び低温側で大きな温度差を得、熱電変換（ゼーベック効果）により大きな電位差を生成する材料から構成することが好ましく、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系，Ｐｂ−Ｔｅ系，Ｓｉ−Ｇｅ系，あるいはＭｇ−Ｓｉ系等の半導体材料から構成する。

高温側電極１９３及び低温側電極１９４は、耐熱性及び機械的強度に優れるとともに、比較的高い導電性を示すことが要求され、例えば、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉおよびこれらの合金あるいはステンレス鋼などから構成することができる。

リード線１９５は、電気的良導体、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕおよびこれらの合金等から構成することができる。リード線１９５は、低温側電極１９４の末端に接合材によって固定されている。

本実施形態では、図２に示すような熱電変換素子１９を高温側電極１９３あるいは低温側電極１９４が変圧器タンク１１の内壁面に接触するようにして、鉄芯１２及び巻線１３上部の内壁面上に配設している。鉄芯１２及び巻線１３は発熱源であって、その周囲の温度は高くなっており、特にその上部の温度は絶縁油Ｌの下方から上方への流れ（対流）も手伝って高くなっている。

したがって、当該箇所に熱電変換素子１９を配設することにより、高温側電極１９３及び低温側電極１９４間に温度差が発生し易くなり、当該温度差に起因した熱電変換（ゼーベック効果）によってｐ型熱電半導体１９１及びｎ型熱電半導体１９２間に電位差が生じ、当該電位差に起因した電流をリード線１９５から外部に取り出すことができるようになる。すなわち、変圧器１０での発熱を電気エネルギーに変換することができるので、従来、ラジエータ１４を介して外部に放熱していた熱エネルギーを電気エネルギーとして有効活用できるようになる。

また、変圧器１０で発熱した熱エネルギーを熱電変換素子１９において電気エネルギーに変換できるようになるので、ラジエータ１４から放熱すべき熱エネルギーの量を低減することができる。したがって、ラジエータ１４の大きさを低減することができ、変圧器１０全体の必要スペースを狭小化することができる。

なお、本実施形態の変圧器１０では、熱電変換素子１９を変圧器タンク１１の内壁面に接触させる際に、高温側電極１９３を接触させ、低温側電極１９４を変圧器タンク１１の鉄芯１２及び巻線１３に近接して配設することが好ましい。上述のように、変圧器タンク１１内では、鉄芯１２及び巻線１３の上部の温度が特に高くなるので、これら鉄芯１２及び巻線１３に近接させて熱電変換素子１９の高温側電極１９３を配設することにより、高温側電極１９３及び低温側電極１９４間でより大きな温度差を生じるようになる。

したがって、熱電変換（ゼーベック効果）によってｐ型熱電半導体１９１及びｎ型熱電半導体１９２間に大きな電位差が生じ、当該電位差に起因した大電流をリード線１９５から外部に取り出すことができるようになる。すなわち、変圧器１０での発熱を電気エネルギーとして効率的かつ効果的に変換することができるので、従来、ラジエータ１４を介して外部に放熱していた熱エネルギーを電気エネルギーとしてより有効活用できるようになる。

（第２の実施形態）
図３は、本実施形態の油入変圧器（以下、「変圧器」という場合がある）の概略構成を示す図である。本実施形態の変圧器２０は、第１の実施形態の変圧器１０において、熱電変換素子の配設位置が異なる点で相違し、他は第１の実施形態における変圧器１０と同様の構成を採っている。したがって、以下では当該相違点について説明する。

また、図１及び図２に示す構成要素と類似あるいは同一の構成要素に関しては同一の符号を用いている。

図３に示すように、本実施形態では、熱電変換素子１９を変圧器タンク１１とラジエータ１４との間に位置する油管１５の外壁面に配設されている。

変圧器２０で発生した熱のラジエータ１４からの放熱は、例えば、内部に配設された複数の撹拌翼を通じて外部に放熱できるようになっているが、この際、変圧器タンク１１内に充填された絶縁油Ｌは油管１５を通ってラジエータ１４に流れ、ラジエータ１４に流れ込んだ絶縁油Ｌが攪拌翼で撹拌された外部に放熱されるものである。

したがって、油管１５の外壁面に熱電変換素子１９を配設することにより、油管１５を流れる絶縁油Ｌがラジエータ１４に達する以前に熱電変換素子１９によってその熱エネルギーを電気エネルギーに変換できるようになるので、当該熱エネルギーの有効活用ができる。また、ラジエータ１４から放熱すべき熱エネルギーの量を低減することができるので、ラジエータ１４の大きさを低減することができ、変圧器２０全体の必要スペースを狭小化することができる。

なお、熱電変換素子１９における発電原理は第１の実施形態で述べた通りであるので、本実施形態では説明を省略する。

また、本実施形態の変圧器２０では、熱電変換素子１９を油管１５の外壁面に接触させる際に、高温側電極１９３を接触させることが好ましい。油管１５の周囲の温度は高くなるために、熱電変換素子１９の配設状態を工夫することにより、高温側電極１９３及び低温側電極１９４間で温度差を生じさせることができる。しかしながら、上述のように、熱電変換素子１９の高温側電極１９３を油管１５の外壁面に接触させることにより、高温側電極１９３及び低温側電極１９４間に大きな温度差を生ぜしめることができる。

したがって、熱電変換（ゼーベック効果）によってｐ型熱電半導体１９１及びｎ型熱電半導体１９２間に大きな電位差が生じ、当該電位差に起因した大電流をリード線１９５から外部に取り出すことができるようになる。すなわち、変圧器２０での発熱を電気エネルギーにより効率的かつ効果的に変換することができるので、従来、ラジエータ１４を介して外部に放熱していた熱エネルギーを電気エネルギーとしてより有効活用できるようになる。

なお、変圧器２０及び熱電変換素子１９のその他の特徴については第１の実施形態の場合と同様であるので、本実施形態では説明を省略する。

（第３の実施形態）
図４は、本実施形態の油入変圧器（以下、「変圧器」という場合がある）の概略構成を示す図である。本実施形態の変圧器３０は、第１の実施形態の変圧器１０において、熱電変換素子の配設位置が異なる点で相違し、他は第１の実施形態における変圧器１０と同様の構成を採っている。したがって、以下では当該相違点について説明する。

また、図１及び図２に示す構成要素と類似あるいは同一の構成要素に関しては同一の符号を用いている。

図４に示すように、本実施形態では、熱電変換素子１９を変圧器タンク１１の内壁面に配設されている。

変圧器３０の変圧器タンク１１内では、その内壁面は表面積が最も広く平坦であるので、熱電変換素子１９の配設が容易である。したがって、本実施形態によれば、変圧器タンク１１の内壁面の広範囲に熱電変換素子１９を配設することができるので、変圧器３０、すなわち鉄芯１２及び巻線１３で発生した熱エネルギーを効率的かつ効果的に電気エネルギーに変換できるようになるので、当該熱エネルギーの有効活用ができる。また、ラジエータ１４から放熱すべき熱エネルギーの量を低減することができるので、ラジエータ１４の大きさを低減することができ、変圧器３０全体の必要スペースを狭小化することができる。

なお、熱電変換素子１９における発電原理は第１の実施形態で述べた通りであるので、本実施形態では説明を省略する。

また、本実施形態の変圧器３０では、熱電変換素子１９を変圧器タンク１１の内壁面に配設する際に、低温側電極１９４を接触させ、高温側電極１９３を変圧器タンク１１の鉄芯１２及び巻線１３に近接して配設することが好ましい。変圧器タンク１１内では、鉄芯１２及び巻線１３の近傍の温度が特に高くなるので、これら鉄芯１２及び巻線１３に近接させて熱電変換素子１９の高温側電極１９３を配設することにより、高温側電極１９３及び低温側電極１９４間でより大きな温度差を生じるようになる。

したがって、熱電変換（ゼーベック効果）によってｐ型熱電半導体１９１及びｎ型熱電半導体１９２間に大きな電位差が生じ、当該電位差に起因した大電流をリード線１９５から外部に取り出すことができるようになる。すなわち、変圧器３０での発熱を電気エネルギーとして効率的かつ効果的に変換することができるので、従来、ラジエータ１４を介して外部に放熱していた熱エネルギーを電気エネルギーとしてより有効活用できるようになる。

なお、変圧器３０及び熱電変換素子１９のその他の特徴については第１の実施形態の場合と同様であるので、本実施形態では説明を省略する。

また、上述した第１の実施形態から第３の実施形態は、それぞれ単独で用いることもできるが、必要に応じて２以上を組み合わせて用いることもできる。

以上、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掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１０，２０，３０ 変圧器
１１ 変圧器タンク
１２ 鉄芯
１３ 巻線
１４ ラジエータ
１５ 油管
１６，１７ ブッシング
１８ コンサベータ
１９ 熱電変換素子

Claims (7)

1. 変圧器タンクと、
   前記変圧器タンク内に配設された鉄芯及び当該鉄芯の外周面に巻回された巻線と、
   前記変圧器タンクの外壁面に油管を介して配設されたラジエータと、
   前記変圧器タンク内に充填された絶縁油とを具えた油入変圧器であって、
   前記油入変圧器の少なくとも一部と熱的に接触するようにして熱電変換素子が配設されていることを特徴とする、油入変圧器。
2. 前記熱電変換素子は、前記変圧器タンクの、前記鉄芯及び前記巻線の上方に位置する内壁面にその電極面を接触させるようにして配設したことを特徴とする、請求項１に記載の油入変圧器。
3. 前記電極面は低温側電極面であることを特徴とする、請求項２に記載の油入変圧器。
4. 前記熱電変換素子は、前記油管の側面にその電極面を接触させるようにして配設したことを特徴とする、請求項１に記載の油入変圧器。
5. 前記電極面は高温側電極面であることを特徴とする、請求項４に記載の油入変圧器。
6. 前記熱電変換素子は、前記変圧器タンクの内側壁面にその電極面を接触させるようにして配設したことを特徴とする、請求項１に記載の油入変圧器。
7. 前記電極面は低温側電極面であることを特徴とする、請求項６に記載の油入変圧器。

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