JP2015225894A - モールド形静止誘導機器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より高電圧への適用を可能とするとともに大容量化にも適したモールド形静止誘導機器を提供する。
【解決手段】本実施形態のモールド形静止誘導機器は、表面が樹脂または樹脂を含んだ絶縁材にて覆われた巻線と、内部に前記巻線を収納し、大気圧を上回る圧力の空気を封入する密閉容器と、この密閉容器内の空気を冷却する熱交換器と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、モールド形静止誘導機器およびその製造方法に関する。

電力系統や受変電に用いられる静止誘導機器である変圧器は、１：絶縁油や液体シリコーンなどを用いる液冷変圧器、２：絶縁や冷却をＳＦ_６などの不活性ガスに依拠するガス絶縁変圧器、３：鉄心と巻線が空気中で使用される乾式変圧器に大別される。変圧器の準拠規格であるＩＥＣ（国際電気標準会議）やＪＥＣ（電気学会の電気規格調査会）などでは、乾式変圧器の一種で巻線の全表面が樹脂または樹脂を含んだ絶縁材で覆われた変圧器をモールド変圧器と規定している。

近年、変圧器は環境適合性や不燃・難燃性という要求が高まり、地球温暖化ガスの一種であるＳＦ_６などの不活性ガスを使用するガス絶縁変圧器や現地での処理に手間を要する液冷変圧器に代えて、乾式変圧器の需要が高まっている。中でもモールド変圧器は絶縁機能を巻線に施した樹脂層にも依存させることで他の乾式変圧器よりも絶縁性能の向上を図ることができるため、特別高圧以上の分野でも使用が広まっている。

しかし、従来のモールド変圧器においては、高圧巻線と低圧巻線間や鉄心など大地電位にある部材と巻線との間の絶縁には樹脂層に加えて空気も関与することから、国内では３３ｋＶクラス、欧米など海外でも特例を除けば７７ｋＶクラスが適用の限界であった。

また、大気圧の空気は、例えばＳＦ_６ガスなどに比べて粘性が高く密度が低いため、冷却性能上の制約があり、変圧器容量は１５ＭＶＡ程度以下に限られていた。

特開２００３−１４２３１８号公報 特開平１０−１８９３４８号公報

そこで、より高電圧への適用を可能とするとともに大容量化にも適したモールド形静止誘導機器およびその製造方法を提供することを目的とする。

本実施形態のモールド形静止誘導機器は、表面が樹脂または樹脂を含んだ絶縁材にて覆われた巻線と、内部に前記巻線を収納し、大気圧を上回る圧力の空気を封入する密閉容器と、この密閉容器内の空気を冷却する熱交換器と、を備える。

第１実施形態によるモールド変圧器の概略構成を示す縦断面図 モールド変圧器中身の横断面図 モールド変圧器中身および仕切板の横断面図 第２実施形態による図１相当図 送風機を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は破断側面図 第３実施形態における送風機付近の縦断面図

以下、複数の実施形態によるモールド形静止誘導機器について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について図１から図３を参照して説明する。図１は、モールド形静止誘導機器であるモールド変圧器１の概略構成が示されている。このモールド変圧器１は、モールド形静止誘導機器中身を構成するモールド変圧器中身２と、このモールド変圧器中身２を収納した密閉容器３と、この密閉容器３の外側の側面（図中左右）に設けられた熱交換器４と、を備えている。このうち、モールド変圧器中身２は、表面が樹脂または樹脂を含んだ絶縁材にて覆われた巻線５と、鉄心６を組み合わせて構成されている。巻線５は、鉄心６の外周に装着された低圧巻線５ａと、この低圧巻線５ａの外周に配置された高圧巻線５ｂを備えている。このモールド変圧器中身２の断面図を図２に示す。低圧巻線５ａと高圧巻線５ｂとの間は、波型のスペーサ５ｃを設けることで所定の空隙５ｄを確保するとともに、必要とされる絶縁強度を確保している。ここでのスペーサ５ｃは波型ダクトの例を示しているが、空隙５ｄを確保する構成であればよい。

密閉容器３内には、モールド変圧器中身２を収納した状態で、大気圧を上回る圧力の空気７が封入されている。この密閉容器３と左右の各熱交換器４は、それぞれ上部接続ダクト８および下部接続ダクト９により接続されている。上部接続ダクト８は密閉容器３の上部に接続され、下部接続ダクト９は密閉容器３の下部に接続されている。

密閉容器３内には、図１に示すように、下部接続ダクト９より上方かつ上部接続ダクト８より下方に位置させて、仕切板１０を設けている。この仕切板１０は、密閉容器３の内面に固定状態に設けられている。仕切板１０には、図３に示すように、巻線５の外周部に隣接する部位に当該巻線５の外周部に沿った円形の流通孔１０ａが形成されている。

上記構成において、モールド変圧器１の運転が始まると、モールド変圧器中身２が発熱し、これに伴い密閉容器３内の空気７の温度が上昇する。温度上昇した空気７は、図１に矢印で示すように、密閉容器３内を上昇した後、上部接続ダクト８を通して熱交換器４側に流れて冷却される。そして、熱交換器４にて冷却された空気７は、下部接続ダクト９を通して密閉容器３内に戻されるというように循環する。このように密閉容器３内の空気７が熱交換器４を通して循環することで、密閉容器３内の空気７が冷却され、ひいてはモールド変圧器中身２が冷却される。

この場合、密閉容器３内を循環する空気７の一部は、仕切板１０の流通孔１０ａと巻線５の外周部との間の隙間を通り、巻線５を外周部から冷却する。このとき、巻線５の外周部を流通する空気７は、巻線５に近い場所を流通するため、冷却効果を高めることが可能となる。また、巻線５においては、低圧巻線５ａと高圧巻線５ｂとの間に、スペーサ５ｃにより空隙５ｂが形成されているため、密閉容器３内を循環する空気７の一部は、その巻線５の空隙５ｃにも入り込み、巻線５を内部からも冷却する。これにより、巻線５の冷却効果を一層高めることが可能となる。

ここで、空気の絶縁耐力はその絶対圧力にほぼ比例するため、大気圧の空気に対してゲージ圧１気圧（絶対圧力２気圧）の空気はほぼ２倍の耐力を有する。また、気体は密度が高くなるほど熱運搬能力が増し、大気圧の空気に対してゲージ圧１気圧（絶対圧力２気圧）の空気は、流速を一定に保てば約２倍の冷却能力を有する。

上記した実施形態のモールド変圧器１によれば、モールド変圧器中身２を、大気圧を上回る圧力の空気７を密閉した密閉容器３内に収納することで、巻線５の高圧巻線５ｂと低圧巻線５ａ間や鉄心６などの大地電位にある部材と巻線５との間の絶縁に関与する空気７の絶縁耐圧を向上させることができる。

この場合、モールド変圧器中身２単独での絶縁耐圧を標準使用電圧（常規電圧）以上とし、大気圧を上回る圧力の空気７が密閉された密閉容器３内に収納する場合の全体の絶縁耐圧を規格等で定められた試験電圧（商用周波電圧、インパルス電圧等）以上とする。このように絶縁耐圧を設定することで、密閉容器３から空気が排出された場合でも定常時は比較的安全に運用することが可能となる。また、上記ではモールド変圧器中身２単独での絶縁耐圧を標準使用電圧以上としたが、大気圧の空気７が密閉された密閉容器３内に収納する場合の絶縁耐圧を標準使用電圧以上となるよう設定することでも同様の効果が得られる。

また、密閉容器３内の空気７の密度を上げかつその空気７を冷却するための熱交換器４を設けたため、冷却性能も向上させることができる。この構成の結果、絶縁機能や冷却機能を大気圧の空気に依存していた従来のモールド変圧器の電圧や容量の上限を超えて、高電圧化および大容量化したモールド変圧器１を提供することが可能となる。

また、上記した実施形態のモールド変圧器１は、絶縁耐圧試験を実施後に密閉容器３内の空気７を別の新鮮な空気７と置換して出荷するようにする。
モールド変圧器１のように絶縁機能の一部を空気に依存する絶縁システムを採用した機器においては、前記ＩＥＣやＪＥＣなどの規格で、例えば雷インパルス試験などの際に空気が局部的かつ限定的に絶縁破壊し部分放電を生じることが許容されている。空気での部分放電が発生すると、それに伴って生じたオゾンや発熱事象により近傍の絶縁物から極微量の分解ガスが発生することがある。絶縁媒体を密閉容器に封入した電気機器においては、電気機器から内部の絶縁媒体を抽出してそれに含まれるガスをガスクロマトグラフィーで分析することで、電気機器に生じた異常を検出したり電気機器の劣化状況を診断したりすることが可能になる。

本実施形態のモールド変圧器１によれば、上述したように絶縁耐圧試験を実施後に密閉容器３内の空気７を別の新鮮な空気７と置換して出荷するようにしたので、出荷先で前述した分析を行うことで、機器の異常を検出したり劣化状況を診断したりすることを一層精確に行うことが可能となる。

本実施形態においては、密閉容器３内に封入した気体は空気であることから、地球温暖化ガスの一種であるＳＦ_６ガスとは異なり、特段の回収作業を必要とせずに大気中へ放出することが可能であるため、空気の置換に要する作業は容易なものとなる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について図４および図５を参照して説明する。この第２実施形態のモールド変圧器１１においては、密閉容器３と熱交換器４とを接続する上部接続ダクト８および下部接続ダクト９のうち、下部接続ダクト９内に送風機１２を配設している。送風機１２は、図５に示すように、複数枚例えば３枚の送風羽根１３と、この送風羽根１３を回転駆動するファンモータ１４と、このファンモータ１４を支持するフレーム１５を備えている。

上記構成において、モールド変圧器１１の運転時に送風機１２を運転させると、送風羽根１３の送風作用により、密閉容器３内の空気７が熱交換器４を通して図４の矢印方向へ流れるように強制的に循環されるようになる。これにより、循環する循環空気の流速が向上するともに循環量が増加し、モールド変圧器中身２の特に巻線５の冷却性能や熱交換器４の冷却性能もそれに応じて向上させることができる。さらに、本実施形態においても、図４に示すように仕切板１０を設けることによって、一層冷却効率を向上させることができる。

また、本実施形態においては、送風機１２の送風羽根１３は、図５に示す送風位置状態と、図示はしないが流動抵抗低下位置状態とに向きが切り替え可能な構成となっている。送風羽根１３が図５に示す送風位置に位置した状態では、各送風羽根１３は、ほぼ正面を向き、かつ送風方向（図５（ｂ）の矢印Ｂ参照）に対してやや斜めに傾斜した状態となっている。この状態で送風羽根１３が回転された場合には、前述の送風作用を発揮し、前記密閉容器３内の空気を強制的に矢印方向に流動させる。

これに対して、送風羽根１３が流動抵抗低下位置状態に位置されたでは、各送風羽根１３は、その基端部を中心にして、図５（ｂ）の矢印Ｃ方向へ約９０度回転し、送風方向である矢印Ｂ方向とほぼ平行する状態となる。送風機１２の運転が停止した状態で、送風羽根１３が流動抵抗低下位置状態に切り替えられた場合には、下部接続ダクト９内に送風機１２が配設されていても、下部接続ダクト９内の送風羽根１３付近を自然流動する空気の流動抵抗を下げることが可能となる。

ちなみに、送風機１２が運転停止状態のときに、送風羽根１３が図５に示す送風位置状態にあると、送風羽根１３付近を自然流動する空気の流動抵抗が大きく、送風羽根１３が自然対流を阻害する要因となる。この点、送風機１２が運転停止状態のときに、送風羽根１３を前記流路抵抗低下位置状態に切り替えることで、前述したように送風羽根１３が自然対流を阻害することを極力防止することが可能になる。これにより、送風機１２の運転停止状態において、密閉容器３内の空気７の自然対流による自冷時の流動量を増やすことが可能となる。

送風羽根１３の流路抵抗低下位置状態としては、各送風羽根１３を、基端部を支点にして先端部が当該送風羽根１３の回転中心となるファンモータ１４の回転軸側に倒れるように前方または後方に回動させることも可能である。なお、送風羽根１３の送風位置状態と流動抵抗低下位置状態との切り替えは、作業者が外部からスイッチ操作あるいは手動操作で行うようにする。

この第２実施形態のモールド変圧器１１においても、第１実施形態の場合と同様に、絶縁耐圧試験を実施後に密閉容器３内の空気７を別の新鮮な空気７と置換して出荷することが好ましい。

（第３実施形態）
次に第３実施形態について、図６を参照して説明する。この第３実施形態は、第２実施形態とは次の点が異なっている。すなわち、送風機１２を配設した下部接続ダクト９には、送風機１２の熱交換器４側および巻線５側に位置させて、当該下部接続ダクト９を開閉する開閉部材１６を設けている。この開閉部材１６は、例えば上下動可能なシャッター式で、図６に実線で示す開放位置では下部接続ダクト９を開放させて、当該下部接続ダクト９を流通する空気の流動を許容するが、図６に二点鎖線で示す閉鎖位置では、当該下部接続ダクト９を流通する空気の流動を阻止する。

このような構成とした場合、仮に送風機１２が故障した場合に、開閉部材１６を閉鎖位置にしておくことで、密閉容器３内の空気７を外部に漏らすことなく、送風機１２の交換が可能となる。ここでは、送風機１２の熱交換器４側および巻線５側の両方に開閉部材１６を設けた例を示しているが、少なくとも巻線５側に設けることによって、上述の効果が得られる。

なお、開閉部材１６としては、上下動するシャッター式に限られず、例えば軸を中心に回動されて下部接続ダクト９を開閉する円盤状の部材から構成してもよい。
（その他の実施形態）
モールド形静止誘導機器としては、モールド変圧器に限られず、モールド形リアクトルでもよい。

以上説明したように本実施形態のモールド形静止誘導機器によれば、より高電圧への適用を可能とするとともに大容量化にも適したモールド形静止誘導機器を提供することができる。

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。

図面中、１はモールド変圧器（モールド形静止誘導機器）、２はモールド変圧器中身（モールド形静止誘導機器中身）、３は密閉容器、４は熱交換器、５は巻線、５ａは低圧巻線、５ｂは高圧巻線、５ｃはスペーサ、５ｄは空隙、６は鉄心、７は空気、１０は仕切板、１０ａは流動孔、１１はモールド変圧器（モールド形静止誘導機器）、１２は送風機、１３は送風羽根、１４はファンモータ、１６は開閉部材を示す。

Claims (7)

1. 表面が樹脂または樹脂を含んだ絶縁材にて覆われた巻線と、
   内部に前記巻線を収納し、大気圧を上回る圧力の空気を封入する密閉容器と、
   この密閉容器内の空気を冷却する熱交換器と、を備えるモールド形静止誘導機器。
2. 前記巻線は低圧巻線と高圧巻線との間に空隙を形成するスペーサを有する請求項１記載のモールド形静止誘導機器。
3. 前記巻線の外周部と前記密閉容器の内面との間に仕切板が備えられ、この仕切板にあって前記巻線に隣接する箇所に位置し前記密閉容器内の空気を流通できる流通孔を設けた請求項１または２記載のモールド形静止誘導機器。
4. 前記巻線を備えたモールド形静止誘導機器中身を大気圧の空気が密閉された前記密閉容器内に収納する場合の絶縁耐圧を標準使用電圧以上とする請求項１から３のいずれか一項記載のモールド形静止誘導機器。
5. 前記密閉容器内の空気を循環させる送風機を備える請求項１から４のいずれか一項記載のモールド形静止誘導機器。
6. 前記送風機が有する送風羽根は、送風機の運転時に当該送風羽根の回転に伴い送風作用を発揮する送風位置状態と、送風機の運転停止時に当該送風羽根付近を自然流動する空気の流動抵抗を下げる流動抵抗低下位置状態とに向きが切り替え可能な構成である請求項５記載のモールド形静止誘導機器。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のモールド形静止誘導機器は、当該モールド形静止誘導機器の絶縁耐圧試験を実施後に前記密閉容器内の空気を別の新鮮な空気と置換した後、出荷するモールド形静止誘導機器の製造方法。

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