JP2021197545A - 変圧器 - Google Patents
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Abstract
【課題】低圧ブッシングを接続する部分で発生する漂遊負荷損を低減して変圧過程中に発生する電力損失を最小化することができる変圧器を提供する。【解決手段】内部に装着された電力変換装置を囲むように配置される筐体と、筐体の一方の側に配置された高圧ブッシングから受けた電力が変圧され該変圧された電力を出力する一対の低圧ブッシングと、筐体上の低圧ブッシングの周囲に備えられる遮蔽部材とを含む。【選択図】 図1
Description
本発明は変圧器に関し、特に低圧ブッシングを接続する部分で発生する漂遊負荷損を低減することにより、変圧の過程で発生する電力損失を最小化することができる変圧器に関する。
一般に、変圧器は電磁誘導現象を用いて交流の電圧や電流の値を変化させる装置であり、トランスとも言われ、通常は電圧を所望値に変換するために使用されている。
変圧器の基本的な構造は、鉄心の両側にコイルを巻いて1次巻線と2次巻線に区分し、鉄心は磁束の通路として使われている。1次巻線に交流電源を接続すると電流が流れ、鉄心には交番磁束が発生する。
この磁束は2次巻線と結合し、交流電流の周波数に依存して交互に変化することにより2次巻線で電圧が発生し、1次及び2次巻線のコイルによって電圧を調節することができる。
ここで、変圧器は、電力を変換する過程で巻線の素材、種類、断面積などによってさまざまな電力変換による損失が発生する。これを大別すると、無負荷損と負荷損とに分類することができる。
無負荷損は、ヒステリシス損(hysteresis loss)と渦電流損(eddy current loss)とに分類される。ヒステリシス損は、変圧器の交番電流が鉄心に交番磁界を誘起するとき、磁界の交番が発生する慣性によって発生する電力である。
ここで、ヒステリシス損の大きさは、鉄心の材料、電流周波数、鉄心の磁束密度などに関係する。また、渦電流損は交番磁界によって鉄心に誘起される渦電流損によってジュール熱の形で消費されるエネルギーである。渦電流損の大きさは、鉄心の材料、周波数、磁束密度、鉄心の厚さなどに関係する。
また、負荷損は、銅損(Copper loss)と漂遊負荷損(Stray load loss)とに分類される。銅損は巻線の抵抗によって発生するジュール損(Joule loss)であり、漂遊負荷損は鉄心と巻線の漏洩磁束が筐体や外部導体などと結合して発生する渦電流損である。
しかし、このような変圧器の損失の中で漂遊負荷損は正確な発生原因や損失の削減対策が十分なされていないのが実情である。このため、漂遊負荷損失の原因の糾明と、損失を減らすための研究が行われている。
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、変圧器の筐体において、一対の低圧ブッシングを連結する部分で発生する漂遊負荷損を低減することができる変圧器を提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明は、内部に装着された電力変換設備を囲むように配置される筐体と、筐体の一方の側に配置された高圧ブッシングから受けた電力が変圧され該変圧された電力を出力する一対の低圧ブッシングと、筐体上の一対の低圧ブッシングの周囲に備えられる遮蔽部材とを含むことを特徴とする変圧器を提供する。
筐体は、一対の低圧ブッシングの周囲に切開された開口部を有し、遮蔽部材は、開口部を遮蔽するように開口部の形状に対応する非磁性材料で形成されている。
遮蔽部材は、ステンレススチール、アルミニウム、銅及び高マンガンスチールからなる非磁性材料群の中で少なくとも一つ又は複数を含むことができる。
遮蔽部材は一対の低圧ブッシングの全体を覆い、少なくとも3つ以上の頂点を有する多角形状、円形状、又は楕円形状で形成されていてもよい。
遮蔽部材は、一対の低圧ブッシングの内の一方の低圧ブッシングの周囲に形成された第1領域と、一対の低圧ブシングの内の他方の低圧ブシングの周囲において第1領域から離隔するように形成された第2領域と、を含むことができる。
遮蔽部材は、第1領域と第2領域を一体化するように接続する第3領域を含むことができる。
遮蔽部材は、第3領域が第1領域又は第2領域の幅より小さい幅を有するように形成されていてもよい。
変圧手段をさらに含み、変圧手段は、筐体の内部に設けられる鉄心と、鉄心の周囲に配置される少なくとも2つ以上のコイルと、コイル又は鉄心を囲むように設けられるクランプとを備えていてもよい。
クランプは、少なくとも2つ以上のコイルの上部又は下部に露出する鉄心の側面を覆う第1カバー部材と、第1カバー部材と接続され、少なくとも2つ以上のコイルの少なくとも一つの側面を覆うように配置される第2カバー部材とを含むことができる。
クランプは、ステンレススチール、アルミニウム、銅及び高マンガンスチールからなる群から選択される少なくとも1つ又は複数の非磁性材料含む素材から形成することができる。
本発明に係る変圧器によれば、変圧器の低圧ブッシングの周囲及び変圧手段の周囲で大部分の漂遊負荷損が発生することを確認することができ、漂遊負荷損の低減方案を模索することができ、また簡単な構造の改善によって漂遊負荷損を減少させることができる。
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて当該分野の通常の知識を有する者が容易に実施することができるように説明する。添付図面において、各構成に表記した図面符号は他の図面でも同じ構成を表記するときにはなるべく同じ図面符号を使うことに留意すべきである。また、本発明の説明において、関連した公知の機能又は公知の構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにする可能性があると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。そして、図面に提示するある特徴は説明の便宜上拡大又は縮小又は単純化したものであり、図面及びその構成要素が必ずしも適切な比率で示されてはいない。しかし、当業者であればこのような詳細事項を容易に理解することが可能であろう。
図1は本発明の実施形態に係る変圧器を示す正面図、図2は図1に示した変圧器の側面を示す側面図、図3は図1に示した変圧器の上面を示す平面図、図4は図1に示した変圧器の低圧ブッシング120と多様な実施形態による遮蔽部材130、230、330を示す参照図である。
変圧器100は電力系統に設けられ、発電所から電圧を受けて昇圧又は減圧し、需用家まで電力を送電する役割を担当する。特に、変圧器は、安定的な運用のために、外部要因によって揺れないように堅く固定して設置され、このような固定状態が堅固に維持されなければならない。
図1〜図4を参照すると、変圧器100は、1次コイル及び2次コイル(図示せず)からなるトランスコイル(図示せず)と、トランスコイルの円滑な相互誘導作用のための界磁鉄心のような電力変換装置(図示せず)と、電力変換装置を内部に収納する筐体110と、筐体110の一側に配置された高圧ブッシングと、低圧ブッシング120と、低圧ブッシング120の周囲に備えられる遮蔽部材130、230、330とを含む。また、図面に示していないが、油浸変圧器に適用された場合、筐体110上から外部に突出し、筐体110の内部に貯蔵された絶縁油(Oil)を放熱させる放熱部を含むことができる。
筐体110は、内部に収容空間111が形成され、収容空間111の内部に電力変換装置が設けられる。筐体110の外部には電力変換装置と連結された高圧又は低圧ブッシング120が配置されていてもよい。
ここで、図面に示していないが、筐体110と電力変換装置との間には、収容空間111の形状に対応し筐体110の剛性を補強することができる補強フレームやパネル(図示せず)が設けられていてもよい。
筐体110において、一般に高圧ブッシングは上部に配置され、低圧ブッシング120は側部に配置されている。ただし、高圧ブッシングと低圧ブッシング120の位置はこれに限定されない。また、道路の周囲に設置される柱上変圧器(Pole transformer)の場合、電柱(Pole)に設置され、高圧幹線から分岐線を介して高圧ブッシングに接続され、電力変換装置で変圧され、低圧ブッシング120を介して需要先に電圧が印加される。
変圧器は、主に高圧の配電線路に印加された電圧を家庭やオフィスなどで使用される電圧に変更するために使用され、高圧配電線路に印加される電圧は主に6,600Vであり、低圧配電電圧は220V(3相3線)が一般的である。
そして、大容量の変圧器の場合、電力を変換する過程で発生する熱を低減させることができるように放熱構造をさらに備えることがある。以下で、本発明に係る変圧器は定格容量100kVAの単相変圧器(定格電流7.58/434.8A、定格電圧13,200/230V)を一例として説明するが、他の容量を有する3相変圧器にも適用することができるというのは言うまでもない。
遮蔽部材130、230、330は筐体110上の低圧ブッシング120の周囲に設けられてもよい。図4に示したように、遮蔽部材は様々な実施形態によって具現されることができる。
図4(a)は第1実施形態に係る遮蔽部材を示すものであり、遮蔽部材が、一対の低圧ブッシング120の間を連結するように配置される一例を示す。
ここで、筐体110には、一部が切開されてスリット(Slit)状の開口部が形成され、開口部を遮蔽するように遮蔽部材130が設けられる。遮蔽部材は筐体110の内部又は外部に配置されるか、筐体110のスリット状の開口部に溶接されていてもよい。
図4(b)は第2実施形態に係る遮蔽部材230を示すものであり、低圧ブッシング120の周囲の筐体110が切開されて開口部が形成され、低圧ブッシング120を囲むように開口部が四角形の遮蔽部材230で遮蔽される一例を示す。
したがって、筐体110の低圧ブッシング120の周囲の全部が遮蔽部材230で形成されることにより、筐体110と遮蔽部材230とが一体化した形状を提供することができる。もちろん、遮蔽部材230の形状は四角形に限定されず、低圧ブッシング120の周囲を取り囲むように円形、楕円形又は多角形の形状にすることもできる。
図4(c)は第3実施形態に係る遮蔽部材を示すものであり、一対の低圧ブッシング120のいずれか一方の低圧ブッシング120の周囲に形成された第1領域331と、他方の低圧ブッシング120の周囲に形成された第2領域332と、第1領域331と第2領域332を接続する第3領域333とを含む。
なお、図面では第1領域331と第2領域332のそれぞれが円形を有する場合を一例として示しているが、第1領域331と第2領域332のそれぞれは、3つ以上の頂点を有する多角形の形状を有していてもよいし、楕円形の形状を有していてもよい。
そして、第3領域333は、第1実施形態のスリット状の開口部を遮蔽する遮蔽部材130と類似した形状を有するが、第1実施形態の遮蔽部材との相違点は低圧ブッシング120の周囲に第1領域331及び第2領域332がさらに設けられたことにある。ここで、第3領域333の幅は第1領域331又は第2領域332の幅より小さく形成されていてもよい。
このような各実施形態の遮蔽部材130、230、330は開口部の形状に対応する形状を有することができ、ステンレススチール、アルミニウム、銅及び高マンガンスチールからなる群から選択される少なくとも1つ又は複数の非磁性材料を含んでいることが好ましい。もちろん、遮蔽部材130、230、330は、開口部の形状と異なり、開口部より大きい形状を有して接合されていてもよい。
前述した第1実施形態及び第2実施形態による遮蔽部材130、230の効果的な部分はそれぞれ図5及び図6を参照して詳細に説明する。ここで、第1実施形態及び第2実施形態による遮蔽部材130、230はいずれもステンレススチール(STS304)が適用されたものを例示的に説明する。
図5A及び図5Bは本発明の第1実施形態に係る変圧器の遮蔽部材130による漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。
図4(a)及び図5A及び図5Bを参照すると、第1実施形態に係る変圧器は、筐体110上にスリット状の開口部が形成され、遮蔽部材130がスリット状の開口部を遮蔽するように設けられる。
図5A及び図5Bを参照すると、互いに離隔した一対の低圧ブッシング120の周囲が、低圧ブッシング120から遠い領域に比べ、漂遊負荷損が比較的大きく発生することを確認することができる。参考として、図7A及び図7Bは遮蔽部材を備えていない一般的な変圧器の漂遊負荷損の数値解析を示す。図5Aに示す本発明の第1実施形態に係る変圧器は、一般的な変圧器に比べ、遮蔽部材130によって約85.9%程度の漂遊負荷損を減少させることができる。
上記の数値解析より、本発明の第1実施形態に係る変圧器は漂遊負荷損が1.49Wであるのに対し、一般的な変圧器は約10.56Wであることが示された。すなわち、一対の低圧ブッシング120の間の領域で相当量の漂遊負荷損が発生することが分かる。
図6A及び図6Bは本発明の第2実施形態に係る変圧器の遮蔽部材230による漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。
図4(b)及び図6A及び図6Bを参照すると、第2実施形態に係る変圧器は、筐体110上の一対の低圧ブッシング120の周囲が全て開口されて四角形の開口部が形成され、遮蔽部材230が四角形の開口部を遮蔽するように設けられている。
図6A及び図6Bを調べると、一対の低圧ブッシング120の周囲で遮蔽部材230によって漂遊負荷損が大きく減少したことを確認することができる。図7A及び図7Bと比較すると、第2実施形態による変圧器は、低圧ブッシング120の周囲の漂遊負荷損が0.17Wであるのに対し、一般的な変圧器は低圧ブッシング120の周囲の漂遊負荷損が約10.56Wであることが示された。
すなわち、一般的な変圧器に比べ、遮蔽部材230によって約98.4%程度の漂遊負荷損を減少させることができ、漂遊負荷損による損失を最小化することができるという有利な効果を奏することが示された。
さらに、図4(c)に示す第3実施形態に係る変圧器の遮蔽部材330の数値解析は添付されていないが、低圧ブッシングの周囲に最小限の遮蔽部材330が配置された構造を適用することにより、第2実施形態の遮蔽部材230と同等のレベルの漂遊負荷損低減の効果が得られることが期待される。
したがって、本発明による変圧器は、大部分の漂遊負荷損が低圧ブッシング120の周囲で発生することを確認することができ、漂遊負荷損低減の方案を容易に模索することができ、さらに簡単な構造の改造によって漂遊負荷損を最小化することができるという有利な効果を有することがわかる。
図8は図1に示した変圧器の内部に設けられた変圧手段を示す斜視図、図9は図8に示した変圧手段の正面を示す正面図、図10は本発明の変圧手段と従来の変圧手段による漂遊負荷損の数値解析を示す参照図、図11は本発明の変圧手段と従来の変圧手段の筐体及びクランプの素材による漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。
これらの図面を参照すると、本発明の変圧器の筐体110の内部に収容空間111(図1参照)が形成され、収容空間111の内部に電力変換装置が設けられる。電力変換装置は、図8に示したように、変圧手段410を含む。
変圧手段410は、鉄心420、コイル430及びクランプ440を含むことができる。変圧手段は内鉄型及び外鉄型のいずれも適用することができるが、本実施形態では内鉄型の構造を適用したものを一例として説明する。
したがって、鉄心420を中心に、絶縁されたコイル430が両側に配置され、両側のコイル430は互いに異なる巻線比を有していてもよい。図面に示していないが、電力変換装置はタップ転換器を含んでいてもよい。タップ転換器は巻線比を変換することができ、負荷又は無負荷状態で転換可能である。
このような変圧手段410の外部にはクランプ440が設けられる。クランプ440は変圧手段410を筐体110の内部に固定することができ、また変圧手段410の固定位置を堅固に支持する機能を提供することができる。また、クランプ440はコイル430や鉄心420を囲むように配置され、漏洩磁束の少なくとも一部を遮断することにより、漂遊負荷損を減少させることができる。
クランプ440は、コイル430の上部又は/及び下部において鉄心420が露出された側面部分を覆うように支持する少なくとも一つ又は複数の第1支持部材441と、コイル430の側面を覆うように配置される第2支持部材442とを含む。すなわち、第1支持部材441は、コイル430の上側部分及び下側部部分に露出する鉄心420の周囲において水平方向に配置され、第2支持部材442は、鉄心420の上側部分及び下側部分に配置される第1支持部材441を連結するように垂直方向に配置されていてもよい。
なお、水平方向と垂直方向は相対的な概念であり、設置方向、位置によって互いに替わることができる。また、第1支持部材441は、鉄心420の上面又は下面をさらに覆うように配置することができ、第2支持部材442はコイル430の全側面を覆うように配置することができる。
ここで、クランプ440は、前述した遮蔽部材と同様に、ステンレススチール、アルミニウム、銅及び高マンガンスチールからなる群から選択される少なくとも1つ又は複数の非磁性材料含む素材から形成することができる。クランプ440はこのような非磁性材料で形成される一つの層を貼り付け又はコーティングなどの方法によって形成されていてもよい。
図10を参照すると、図10(a)は従来の変圧手段を示し、図10(b)は本発明の変圧手段を示す。まず、従来の変圧手段は一般的な鉄(SS400)素材で形成されており、色相の変化が大きくて著しいのに対し、本発明の変圧手段は高マンガンスチールで形成されているので色相の変化がほとんどないことを確認することができる。
色相の変化は、それぞれの変圧手段で発生した漂遊負荷損を示すものであり、本発明の変圧手段が著しく漂遊負荷損が減少したことが分かる。数値的に見ると、従来の変圧手段の漂遊負荷損は6.446Wであり、本発明による変圧手段の漂遊負荷損は1.2156Wであり、本発明による変圧手段は約80%以上の漂遊負荷損を減少させることができる。
図11は筐体と変圧手段の材質による漂遊負荷損の影響を示す。図11(a)は従来の筐体と変圧手段を示し、図11(b)は本発明の筐体と変圧手段を示す。
まず、従来の筐体と変圧手段はいずれも一般的な鉄で形成され、本発明の筐体と変圧手段はいずれも高マンガンスチール材で形成されている。結果として、従来の構造は総漂遊負荷損が9.697Wであるのに対し、本発明の筐体と変圧手段は総漂遊負荷損が6.6373であり、従来に比べて約31.55%の漂遊負荷損が減少したことが分かる。
したがって、本発明のように、非磁性材料の中でも高マンガンスチールを変圧器に適用すれば、漂遊負荷損を減少させることができ、これによって効率が増大することができる効果がある。
以上、本発明の技術的思想を例示するために具体的な実施形態を示して説明したが、本発明は上記のような具体的な実施形態と同じ構成及び作用にのみ限られず、様々な変形が本発明の範囲を逸脱しない範疇内で実施されることができる。よって、そのような変形も本発明の範囲に属するものと見なすべきであり、本発明の範囲は後述する特許請求範囲によって決定されなければならない。
100 変圧器
110 筐体
120 低圧ブッシング
130、230、330 遮蔽部材
331 第1領域
332 第2領域
333 第3領域
410 変圧手段
420 鉄心
430 コイル
440 クランプ
441 第1支持部材
442 第2支持部材
110 筐体
120 低圧ブッシング
130、230、330 遮蔽部材
331 第1領域
332 第2領域
333 第3領域
410 変圧手段
420 鉄心
430 コイル
440 クランプ
441 第1支持部材
442 第2支持部材
Claims (10)
- 内部に装着された電力変換装置を囲むように配置される筐体と、
前記筐体の一方の側に配置された高圧ブッシングから受けた電力が変圧され該変圧された電力を出力する一対の低圧ブッシングと、
前記筐体の前記一対の低圧ブッシングの周囲に設けられる遮蔽部材と、を含むことを特徴とする、変圧器。 - 前記筐体は、前記一対の低圧ブッシングの周囲に切開された開口部を有し、
前記遮蔽部材は、前記開口部を遮蔽するように前記開口部の形状に対応する形状を有し、非磁性材料で形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の変圧器。 - 前記遮蔽部材は、ステンレススチール、アルミニウム、銅及び高マンガンスチールからなる群から選択される少なくとも1つ又は複数の非磁性材料を含むことを特徴とする、請求項2に記載の変圧器。
- 前記遮蔽部材は前記一対の低圧ブッシングの全体を覆い、少なくとも3つ以上の頂点を有する多角形状、円形状、又は楕円形状で形成されることを特徴とする、請求項2に記載の変圧器。
- 前記遮蔽部材は、前記一対の低圧ブッシングの内の一方の低圧ブッシングの周囲に形成された第1領域と、前記一対の低圧ブッシングの内の他方の低圧ブッシングの周囲において前記第1領域から離隔するように形成された第2領域とを含むことを特徴とする、請求項2に記載の変圧器。
- 前記遮蔽部材は、前記第1領域と第2領域を一体化するように接続する第3領域を含むことを特徴とする、請求項5に記載の変圧器。
- 前記遮蔽部材は、前記第3領域が前記第1領域又は第2領域の幅より小さい幅を有するように形成されることを特徴とする、請求項6に記載の変圧器。
- 変圧手段をさらに含み、
前記変圧手段は、
前記筐体の内部に設けられる鉄心と、
前記鉄心の周囲に配置される少なくとも2つ以上のコイルと、
前記コイル又は前記鉄心を囲むように設けられるクランプと、を含むことを特徴とする、請求項1に記載の変圧器。 - 前記クランプは、
前記少なくとも2つ以上のコイルの上部又は下部に露出する前記鉄心の側面を覆う第1カバー部材と、
前記第1カバー部材と接続され、前記少なくとも2つ以上のコイルの少なくとも一つの側面を覆うように配置される第2カバー部材とを含むことを特徴とする、請求項8に記載の変圧器。 - 前記クランプは、ステンレススチール、アルミニウム、銅及び高マンガンスチールからなる群から選択される少なくとも1つ又は複数の非磁性材料を含む素材で形成されることを特徴とする、請求項9に記載の変圧器。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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