JP2021197545A - 変圧器 - Google Patents

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。

本発明の実施形態に係る変圧器を示す正面図である。 図１示した変圧器の側面を示す側面図である。 図１示した変圧器の上面を示す平面図である。 図１に示した変圧器の低圧ブッシングと様々な実施形態による遮蔽部材を示す参照図である。 本発明の第１実施形態に係る変圧器の遮蔽部材による漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。 本発明の第１実施形態に係る変圧器の遮蔽部材による漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。 本発明の第２実施形態に係る変圧器の遮蔽部材による漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。 本発明の第２実施形態に係る変圧器の遮蔽部材による漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。 一般的な変圧器の低圧ブッシングの周囲で発生する漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。 一般的な変圧器の低圧ブッシングの周囲で発生する漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。 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である。 図８に示した変圧器の正面を示す正面図である。 本発明の変圧器と従来の変圧器の漂遊負荷損の数値解析を示す参照図である。 本発明の変圧器と従来の変圧器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。

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

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
    

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