JP2019087630A - 油入変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の放熱性能を確保するとともに、容器の小型化・軽量化を両立できる油入変圧器を提供する。【解決手段】鉄心と、前記鉄心に巻き回されたコイルと、前記鉄心および前記コイルを収容する容器と、前記容器の上部を塞ぐ蓋とを有し、前記容器には絶縁油が収納された油入変圧器であって、前記蓋の上面と下面を貫通し、若しくは、前記蓋の下面に前記絶縁油よりも熱伝導率が高い伝熱部材が設けられ、前記伝熱部材は、前記絶縁油が接触するように配置されているものである。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、油入変圧器、特に油入変圧器の放熱構造に関する。

一般に油入電気機器、例えば油入変圧器の容器には、絶縁媒体として絶縁油が入っている。その絶縁油は電気機器の通電熱で温度上昇することによって膨張し、容器の内圧が上昇するので、容器は変形しないように充分な強度を必要とする。また、熱伝導が低い絶縁油の温度上昇を抑制できる放熱性能が要求される。

この種の容器の従来技術としては、特開昭５３−３５１２２号公報（特許文献１）に示される公知技術がある。この公知技術は、図７と図８に示すように、放熱リブとしてのひれ状張出部２の上下端部を、内方に絞り込んで密着した面接合部３を形成する。そして、上記面接合部３に沿って上記張出部２の上下端部を溶接し、その溶接線を一軸のみとする一方、前記張出部２の板場に凸状または凹状の補強用ビード４を形成し、上記補強用ビード４により張出部２の機械的強度の増大を図るようにしている。

特開昭５３−３５１２２号公報

特許文献１の従来例では、放熱リブとしてのひれ状張出部２は、容器内で絶縁油の温度上昇によって内圧が高くなった場合、補強用ビード４により張出部２の横方向および縦方向に対しての強度向上を図っている。

しかし、放熱リブに補強用ビード４を設けて強度向上を図っている分、放熱リブの面接合部３への負荷が大きくなり、より高度な接合方法が必要とされ、コストアップにつながる課題がある。

一般に油入変圧器において、図９に示すように、絶縁油６は、内部のコイル７の導体の通電によって熱せられると、矢印の経路で対流すると考えられ、放熱面積を大きくするために放熱リブ２を大きく設けている。すなわち、絶縁油６は、鉄心９に設けたコイル７の導体によって熱せられると、その上方に上昇し、そこから放熱リブ２の内部側に流れ、放熱リブ２の放熱作用によって冷却されることにより、放熱リブ２の外周側から下降してコイル７側に戻る循環が期待される。図９に示すように循環を問題なく行わせるためには、コイル７と放熱リブ２との間の距離を大きく設ける必要があり、容器が大型化する課題がある。一方、容器内部の絶縁性能を確保するために絶縁油を浸す絶縁距離は小さい。これは、コイル７の外周はすでに絶縁紙で保護されているため、絶縁油を絶縁紙に浸透させて確実に絶縁を担保しているからである。そこで、図１０に示すように、コイル７と放熱リブ２との間の距離を絶縁性能が確保できる距離まで小さくすると大幅な小型化ができるが、絶縁油６の対流による放熱効果は小さくなってしまうという課題がある。

本発明は、所望の放熱性能を確保するとともに、容器の小型化・軽量化を両立できる油入変圧器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための、本発明の「油入変圧器」の一例を挙げるならば、
鉄心と、前記鉄心に巻き回されたコイルと、前記鉄心および前記コイルを収容する容器と、前記容器の上部を塞ぐ蓋とを有し、前記容器には絶縁油が収容された油入変圧器であって、前記蓋の上面と下面を貫通し、若しくは、前記蓋の下面に前記絶縁油よりも熱伝導率が高い伝熱部材が設けられ、前記伝熱部材は、前記絶縁油が接触するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、容器に放熱リブを設ける必要がなくなるので、容器の小型化・軽量化を実現できる。

また、放熱リブを設けないので、容器の内圧上昇により放熱リブがたわむなどの恐れがなくなり、強度における信頼性が確保できる。

本発明の実施例１の油入変圧器の断面図である。 実施例１の油入変圧器の上面の説明図である。 実施例１の油入変圧器の容器の一例を示す斜視図である。 実施例１の油入変圧器の一例を示す断面図である。 実施例１の油入変圧器の、変形例の上面の説明図である。 実施例１の油入変圧器の、変形例の上面の説明図である。 実施例１の油入変圧器の、変形例の上面の説明図である。 実施例１の油入変圧器の、他の変形例の上面の説明図である。 従来の油入変圧器の容器の一例を示す斜視図である。 容器に取り付ける、従来の放熱リブを示す正面図である。 従来の油入変圧器内における油の対流を示す説明図である。 小型の油入変圧器内における油の対流を示す説明図である。 本発明の実施例２の油入変圧器の断面図である。 実施例２の油入変圧器の上面の説明図である。 本発明の実施例３の油入変圧器の断面図である。 実施例３の油入変圧器の上面の説明図である。 本発明の実施例４の単相柱上油入変圧器の断面図である。 実施例４の単相柱上油入変圧器の変形例の断面図である。 実施例４の単相柱上油入変圧器の伝熱解析による温度上昇分布図である。 従来の単相柱上油入変圧器の伝熱解析による温度上昇分布図である。 本発明の実施例５の単相柱上油入変圧器の断面図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図１Ａおよび図１Ｂに、本発明の実施例１の油入変圧器を示す。図１Ａは油入変圧器の断面図であり、図１Ｂは図１Ａの容器蓋を上面から見た図である。図１Ａは、Ｕ相１１、Ｖ相１２、Ｗ相１３からなる３相３脚構造の油入変圧器を示す。

本実施例の油入変圧器は、鉄心９と、鉄心９に巻き回されたコイル７（Ｕ相１１、Ｖ相１２、Ｗ相１３）と、鉄心９、コイル７および鉄心９またはコイル７の上部に配置される固定部材（図に示さず）を収容する容器１と、容器の上部に容器を塞ぐ蓋１５とを有している。容器１には、固定部材の上部よりも高い位置まで絶縁油６が収容されている。蓋１５には、上面と下面を貫通して板状の冷却フィン１６が設けられており、冷却フィン１６は絶縁油６よりも熱伝導率が高い伝熱部材で形成されている。冷却フィン１６には絶縁油６が接触し、伝熱部材の下端と固定部材との間には絶縁油６が配置されている。冷却フィン１６の材料としては、熱伝導率が高い材料であるアルミニウムや銅を用いることができるが、軽量化の点では純アルミニウムやアルミニウム合金が好ましい。冷却フィン１６は絶縁油中に入れられており、伝熱の点から、冷却フィン１６と絶縁油６との接触面積が大きい方が好ましい。

図１Ｂに示すように、冷却フィン１６は、高圧ブッシング１８，１９，２０および低圧ブッシング２１，２２，２３を避けて両側に配置されている。図１Ｂでは、冷却フィン１６は容器１の短辺に平行に複数設けられている。冷却フィン１６の高さは、ブッシングの高さと同等にすれば良いが、これに限られるものではない。

本実施例の油入変圧器では、コイル７は容器１の側面に近づけて設けられており、容器１内の絶縁油６の対流は少なく、冷却は主に伝熱部材である冷却フィン１６の熱伝導により行われる。そのため、冷却は、容器１内の冷却フィン１６の方向に依存することは少なく、冷却フィン１６をなるべく多く設ければよい。容器１の外の冷却フィン１６の設置方向は熱の分布による熱の流れを防げることなく、空気が対流する方向に設置すればよい。

油入変圧器を運転すると、コイル７や鉄心９が発熱し、絶縁油６の温度が上昇するが、伝熱部材である冷却フィン１６を通して容器１の外に伝熱され、冷却フィン１６から空気中に放熱される。また、容器１や容器の蓋１５は、通常、鋼板で形成されており、熱の一部は冷却フィン１６から容器の蓋１５にも伝熱され、蓋１５からも空気中に放熱される。

放熱面積を多くする従来の容器構造では、図７および図９に示すように、直方体形状の容器１の内部に１相以上のコイル７を収納し、その周囲に絶縁油６を満たしている。そして、容器１の外側には全周に渡って放熱リブ２を一定間隔で設けている。コイル７を構成する一次コイル部、二次コイル部は通電による発熱源になるため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相間のコイルの接触部が導体部の中で最大の温度となる。さらに、相間のコイルの接触部では容器周囲または放熱リブとの距離が大きいため、放熱性能が低くなり、高温になりやすくなる。また、図１０に示される、コイル７と放熱リブ２との間の距離を小さくして小型化した油入変圧器においては、絶縁油６の対流が起きにくくなり放熱効果が小さくなってしまう。

本実施例では、図１Ａに示すように、鉄心９とコイル７とを組み立てた鉄心−コイル組立体には、鉄心９の複数の脚部にそれぞれ複数の相（Ｕ相１１，Ｖ相１２，Ｗ相１３）のコイル７が設けられている。図２Ａに油入変圧器の容器１の斜視図を示し、図２Ｂにコイル７などを収容した容器１の断面図を示す。図に示すように、コイル７の外周に設ける絶縁油６が一定の層厚になるように、複数の相のコイル７が近接する部位に面している容器１の面に凹部１ａなどを設けている。凹部１ａは、コイル７の軸方向に延び、複数の相のコイルが近接する部位に向かって凹んでいる。本実施例では、容器１の面をコイル７の外周面に沿って延びる曲面で形成し、コイル７の外周面の絶縁油６がほぼ一定の層厚となるようにしている。これによって、絶縁性能上の必要距離を確保しながら、容器周囲との距離を絶縁性能上の必要距離まで小さくできる。絶縁油６の熱伝導は、たとえば、0.12W/m・Kと熱伝導が小さいが、金属製の容器の熱伝導は例えば、80w/m・Kと比較的大きい。熱伝導性能が低い絶縁油の厚さを薄くし、熱伝導が比較的大きい容器までの距離を小さくすることで放熱性能を向上できる。

更に、本実施例において、例えばエンボス加工によって、容器１の表面に複数の凸部または凹部(ディンプル)を形成し、容器の表面積を広げるのが好ましい。容器の表面にディンプルを形成することにより、容器の表面積を増やして放熱性能を向上させることができる、また、ディンプルを形成することにより、容器の強度を向上させることができる。

本実施例は、鉄心９と、前記鉄心９に巻き回されたコイル７と、前記鉄心９、前記コイル７、および前記鉄心または前記コイルの上部に配置される固定部材とを収容する容器１と、前記容器１の上部に蓋１５とを有する変圧器であって、前記容器１には、前記固定部材の上部よりも高い位置まで絶縁油６が収容され、前記蓋１５の上部と下部を貫通し、前記絶縁油６よりも熱伝導率が高い伝熱部材（冷却フィン１６）が設けられ、前記伝熱部材には前記絶縁油６が接触し、前記伝熱部材の下端と前記固定部材との間には前記絶縁油６が配置されているものである。

本実施例によれば、放熱リブを設けることなく絶縁油の対流のための距離を低減することで大幅な小型化・軽量化を実現でき、また、絶縁油の層を薄くすることにより、熱源であるコイルからの放熱性を向上させることができる。また、既に設置が確立されているブッシングの貫通・密閉方法を利用して、ブッシング高さと同等の冷却フィン１６を蓋に貫通させ、油に接触させることにより、容器周囲の放熱リブを設けなくても放熱リブ同様の伝熱役割が期待できる。さらに、容器周囲の放熱リブを設けないので、容器の内圧上昇により放熱リブがたわむなどの恐れがなく、圧力上昇時に応力が集中する放熱リブの面接合部がないので、強度における信頼性が確保できる。

図３〜図５に、冷却フィン１６設置位置を変更した変形例を示す。図３〜図５は油入変圧器を蓋の上から見た図である。

図３の変形例は、ブッシング１８〜２３の両側に、容器１の長辺に沿って、複数の冷却フィン１６を設けたものである。図４の変形例は、ブッシング１８〜２３の両側に、容器１の辺に斜めに、複数の冷却フィン１６を設けたものである。図５の変形例は、ブッシング１８〜２３の両側に、ハの字状に、複数の冷却フィン１６を設けたものである。

図６に、冷却ピンを用いた他の変形例を示す。この変形例は、冷却フィン１６に代えて、容器の蓋１５を上下に貫通する複数の棒状（円柱状または角柱状）の冷却ピン３０を配置したものである。冷却フィン１５と同様に、絶縁油６の熱が冷却ピン３０を介して伝熱され、容器の外に放熱される。容器１の内側と外側で形状を変えて、内側では棒状の冷却ピンとし、外側では板状の冷却フィンとしても良い。

なお、本実施例に用いる蓋１５に貫通させて設置する冷却フィン１６や冷却ピン３０は、既設の油入変圧器にも取り付けることが可能で、取り付け後にブッシングと同様の密閉材を用いて周囲を覆えば良い。

図１１Ａおよび図１１Ｂに、本発明の実施例２の油入変圧器を示す。図１１Ａは油入変圧器の断面図であり、図１１Ｂは図１１Ａの容器蓋を上面から見た図である。図１１Ａは、Ｕ相１１、Ｖ相１２、Ｗ相１３からなる３相３脚構造の油入変圧器を示す。

本実施例の油入変圧器は、鉄心９と、鉄心９に巻き回されたコイル７（Ｕ相１１、Ｖ相１２、Ｗ相１３）と、鉄心９、コイル７、および鉄心９またはコイル７の上部に配置される固定部材（図に示さず）とを収容する容器１と、容器の上部に蓋１５とを有している。容器１には、固定部材の上部よりも高い位置まで絶縁油６が収容されている。蓋の下面には絶縁油６よりも熱伝導率が高い伝熱部材で形成された冷却フィン１６が設けられ、冷却フィン１６には絶縁油６が接触している。

容器１や容器の蓋１５は、通常、鋼板で形成されている。伝熱部材で形成された冷却フィン１６は容器の蓋１５に接触しており、絶縁油６の熱は冷却フィン１６を介して容器の蓋１５に伝熱され、蓋１５から空気中に放熱される。

本実施例においては、図９，１０に示される従来の油入変圧器と同様に、容器１の周囲に放熱リブ２が設けられている。放熱リブ２を設ける場合には、容器内の放熱フィン１６が絶縁油６の対流を妨げないように配置するのが好ましい。なお、容器の蓋１５から十分に放熱ができれば、放熱リブ２は設けないでもよい。

本実施例によれば、従来の油入変圧器と同様に、容器の周囲に放熱リブが設けられていて、据付面積は従来と同等でありながら、容器の蓋からも放熱することによって、放熱容量を向上することができ、通電容量を従来よりも大きくすることができる。

図１２Ａおよび図１２Ｂに、本発明の実施例３の油入変圧器を示す。図１２Ａは油入変圧器の断面図であり、図１２Ｂは図１２Ａの容器蓋を上面から見た図である。図１２Ａは、Ｕ相１１、Ｖ相１２、Ｗ相１３からなる３相３脚構造の油入変圧器を示す。

本実施例の油入変圧器は、鉄心９と、鉄心９に巻き回されたコイル７（Ｕ相１１、Ｖ相１２、Ｗ相１３）と、鉄心９、コイル７、および鉄心９またはコイル７の上部に配置される固定部材（図に示さず）とを収容する容器１と、容器の上部に蓋１５とを有している。容器１には、固定部材の上部よりも高い位置まで絶縁油６が収容されている。蓋１５の上面と下面を貫通して絶縁油６よりも熱伝導率が高い伝熱部材で形成されている冷却フィン１６が設けられ、冷却フィン１６は絶縁油６に接触している。

実施例１と同様に、絶縁油６の熱は伝熱部材で形成された冷却フィン１６を介して容器の外に伝熱され、空気中に放熱される。

本実施例においては、従来の油入変圧器と同様に、容器１の周囲に放熱リブ２が設けられており、放熱リブ２を介しても外部に放熱される。放熱リブ２を設ける場合には、容器内の放熱フィン１６が絶縁油６の対流を妨げないように配置するのが好ましい。

本実施例によれば、従来の油入変圧器と同様に、容器の周囲に放熱リブが設けられていて、据付面積は従来と同等でありながら、容器の蓋からも放熱することによって、放熱容量を向上することができ、通電容量を従来よりも大きくすることができる。

図１３に、本発明の実施例４の単相柱上油入変圧器を示す。図１３は単相柱上油入変圧器の断面図である。本実施例の単相油入変圧器は、鉄心９と、鉄心９に巻き回されたコイル７と、鉄心９、コイル７、および鉄心９またはコイル７の上部に配置される固定部材（図に示さず）とを収容する容器１と、容器の上部に蓋１５とを有している。容器１には、固定部材の上部よりも高い位置まで絶縁油６が収容されている。蓋の上面と下面を貫通して絶縁油６よりも熱伝導率が高い伝熱部材で形成されている冷却フィン１６が設けられ、冷却フィン１６には絶縁油６が接触している。蓋１５の上面には、蓋の上面と下面を貫通する冷却フィン１６以外にも、多数の冷却フィンが設けられており、冷却フィン１６と蓋１５は接触している。

単相柱上油入変圧器においては、通常、蓋に端子を設けることなく、容器の側板に端子を設けている。そのために、鉄心９またはコイル７の上部に配置される固定部材（図に示さず）の上において、容器の中央部又は周囲部に端子のリード線などが存在し、蓋を貫通している冷却フィン１６が設置できない部分（中央部又は周囲部）が生じる。

図１３は、容器内周囲部に冷却フィン１６が設置できない部分がある場合を想定した構成で、容器の蓋を貫通する冷却フィン１６が中央部だけに設けられ、その他の蓋の周囲部に設けられている冷却フィン１６は蓋を貫通していない構造に形成されている。逆に、図１４は、容器内中央部に冷却フィン１６が設置できない部分がある場合を想定した構成で、容器の蓋を貫通する冷却フィン１６が周囲部だけに設けられ、その他の蓋の中央部に設けた冷却フィン１６は蓋を貫通していない構造に形成されている。

伝熱部材で形成された冷却フィン１６は容器の蓋１５に接触しており、絶縁油６の熱は、蓋を貫通する冷却フィン１６を介して空気中に放熱されるとともに、冷却フィン１６を介して容器の蓋１５に伝熱され、蓋１５を貫通しない冷却フィンからも空気中に放熱される。なお、複数の冷却フィン１６と容器の蓋１５とをアルミニウム等で一体形成することもできる。

図１５は、本実施例による、部分的に冷却フィン１６を絶縁油６中に設けて絶縁油６の熱を蓋１５に伝熱させるようにした油入変圧器について、有限要素解析により得られた温度分布結果を示している。比較のために図１６に、冷却フィン１６を設けない従来の油入変圧器について、有限要素解析により得られた温度分布結果を示している。図１５に示すように、冷却フィン１６を絶縁油６中に設けることにより、鉄心９，コイル７および絶縁油６の温度を下げることができる。

本実施例によれば、部分的に冷却フィン１６を絶縁油６中に設けて絶縁油６の熱を蓋に伝熱させ、蓋の外側に最大限に冷却フィンを設けることにより、放熱面積を増加させて放熱することで、油入変圧器の容器の小型化と放熱性能の向上を両立することができる。

図１７に、本発明の実施例５の単相柱上油入変圧器を示す。図１３の冷却フィンの構成に加えて、容器１の内側の周囲に容器１より熱伝導率が大きい材料による容器内側伝熱部材２４を設ける。例えば円筒状の容器の場合、容器1の内側にアルミニウムから成る円筒状の容器内側伝熱部材２４を密着して設ければ良い。なお、容器内側伝熱部材２４は、容器の全周ではなく、容器の一部に設けても良い。

絶縁油６の熱は、熱伝導率が大きい容器内側伝熱部材２４を介して容器１に伝えられ、容器１から空気中に放熱される。また、絶縁油の温度は容器１の底部で低く、上部で高くなっているが、容器１の内周に容器内側伝熱部材２４を設けることにより、容器の上部の絶縁油の温度を下げることができる。

本実施例によると、容器の内側に熱伝導率が大きい伝熱部材を設けることにより、絶縁油の熱を効率よく容器に伝熱して、容器から空気の自然対流により放熱させることができる。また、容器に密着して伝熱部材を設けることにより、油温度上昇による内圧の負荷に対し容器の強度を確保することができる。

１ 容器
２ 放熱リブ
３ 面接合部
４ 補強用ビード
６ 絶縁油
７ コイル
９ 鉄心（コア）
１１ Ｕ相コイル
１２ Ｖ相コイル
１３ Ｗ相コイル
１５ 蓋
１６ 冷却フィン
１８ Ｕ相高圧ブッシング
１９ Ｖ相高圧ブッシング
２０ Ｗ相高圧ブッシング
２１ Ｕ相低圧ブッシング
２２ Ｖ相低圧ブッシング
２３ Ｗ相低圧ブッシング
２４ 容器内側伝熱部材
３０ 冷却ピン

Claims (15)

1. 鉄心と、前記鉄心に巻き回されたコイルと、前記鉄心および前記コイルを収容する容器と、前記容器の上部を塞ぐ蓋とを有し、前記容器には絶縁油が収容された油入変圧器であって、
   前記蓋の上面と下面を貫通し、若しくは、前記蓋の下面に前記絶縁油よりも熱伝導率が高い伝熱部材が設けられ、
   前記伝熱部材は、前記絶縁油が接触するように配置されていることを特徴とする油入変圧器。
2. 請求項１記載の油入変圧器において、
   前記伝熱部材は、冷却フィンまたは冷却ピンであることを特徴とする油入変圧器。
3. 請求項１記載の油入変圧器において、
   前記伝熱部材は、前記蓋に接触するように設けられていることを特徴とする油入変圧器。
4. 請求項１記載の油入変圧器において、
   前記容器の周囲に、複数の放熱リブが設けられていることを特徴とする油入変圧器。
5. 請求項１記載の油入変圧器において、
   前記容器は、前記コイルの外周面に沿って延びる面で形成し、前記コイルの外周面と前記容器との絶縁油が一定の層厚となるようにしたことを特徴とする油入変圧器。
6. 請求項１記載の油入変圧器において、
   前記容器の表面に、複数の凸部または凹部を形成したことを特徴とする油入変圧器。
7. 請求項１記載の油入変圧器において、
   前記油入変圧器は、３相３脚構造であることを特徴とする油入変圧器。
8. 請求項７記載の油入変圧器において、
   前記蓋には、高圧用および低圧用ブッシングが設けられ、
   前記高圧用および低圧用ブッシングを避けて、複数の前記伝熱部材が配置されていることを特徴とする油入変圧器。
9. 請求項１記載の油入変圧器において、
   前記油入変圧器は、単相構造であることを特徴とする油入変圧器。
10. 請求項９記載の油入変圧器において、
    前記蓋には、下面の一部に前記伝熱部材が設けられ、上面の全面に複数の前記伝熱部材が設けられていることを特徴とする油入変圧器。
11. 請求項１記載の油入変圧器において、
    前記容器および前記蓋の材料は、鋼板であることを特徴とする油入変圧器。
12. 請求項１記載の油入変圧器において、
    前記伝熱部材の材料は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする油入変圧器。
13. 請求項２記載の油入変圧器において、
    前記蓋と、前記冷却フィンまたは前記冷却ピンとは、一体形成されていることを特徴とする油入変圧器。
14. 請求項１記載の油入変圧器において、
    前記容器の内側に、前記絶縁油よりも熱伝導率が高い容器内側伝熱部材が密着して設けられていることを特徴とする油入変圧器。
15. 鉄心と、前記鉄心に巻き回されたコイルと、前記鉄心、前記コイル、および前記鉄心または前記コイルの上部に配置される固定部材とを収容する容器と、前記容器の上部に蓋とを有する変圧器であって、
    前記容器には、前記固定部材の上部よりも高い位置まで絶縁油が収容され、
    前記蓋の上部と下部を貫通し、前記絶縁油よりも熱伝導率が高い伝熱部材が設けられ、
    前記伝熱部材には前記絶縁油が接触し、前記伝熱部材の下端と前記固定部材との間には前記絶縁油が配置されていることを特徴とする変圧器。

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