JP2021508955A - 非液浸変圧器の絶縁 - Google Patents
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Abstract
非液浸変圧器と、変圧器内絶縁物の老化度を測定する方法とは、開示される。変圧器は、導電性コイル内の固体絶縁物と、固体絶縁物内の１つ以上の浮遊電極とを含む。導電性コイルの少なくとも一部と１つ以上の浮遊電極とは、各々１つ以上の容量性素子を形成することができる。容量性素子の電気パラメータ、例えば複素誘電率を測定し、電気パラメータ測定値に応じて老化度を計算する。
Description
本願は、２０１８年２月１５日に提出された欧州特許出願ＥＰ１８３８２０８７．７の利益を主張する。
発明の分野
本開示は、変圧器に関し、より具体的には、非液浸型変圧器、例えば乾式変圧器の電気絶縁に関する。
本開示は、変圧器に関し、より具体的には、非液浸型変圧器、例えば乾式変圧器の電気絶縁に関する。
背景
周知のように、変圧器は、ある電圧レベルの電気を、別の電圧レベル、例えばより高い電圧またはより低い電圧の電気に変換する。変圧器は、第１のコイルおよび第２のコイルを用いて、電圧の変換を達成する。第１のコイルおよび第２のコイルは各々、強磁性コアの周りに巻かれ、複数の巻数の導電体を含む。第１のコイルは、電圧源に接続され、第２のコイルは、負荷に接続される。二次コイルの巻数に対する一次コイルの巻数の比（「巻数比」）は、負荷の電圧に対する電源の電圧の比と同じである。
周知のように、変圧器は、ある電圧レベルの電気を、別の電圧レベル、例えばより高い電圧またはより低い電圧の電気に変換する。変圧器は、第１のコイルおよび第２のコイルを用いて、電圧の変換を達成する。第１のコイルおよび第２のコイルは各々、強磁性コアの周りに巻かれ、複数の巻数の導電体を含む。第１のコイルは、電圧源に接続され、第２のコイルは、負荷に接続される。二次コイルの巻数に対する一次コイルの巻数の比（「巻数比」）は、負荷の電圧に対する電源の電圧の比と同じである。
他の種類の変圧器も周知であり、多巻線型変圧器とも呼ばれる。このような変圧器は、所望の機能に応じて、直列または並列に接続されたもしくは各々独立した複数の巻線を使用する。
非液浸変圧器は、コイルを含み、コイルの巻線は、固体誘電材料、例えば、ポリエステルで互いに絶縁されている。
また、コイルの（例えば、ディスクまたは層を形成する）巻線グループ間および／またはコイルの外側に固体絶縁材料を配置してもよい。この目的のために、成型時に、前述の場所でコイルを例えばエポキシ樹脂に封入してもよく、または前述の場所で追加の固体絶縁材料、例えばエポキシ樹脂に予め含浸されたガラス繊維と共に製造してもよい。
時間が経つと、固体絶縁物、例えば、エポキシ樹脂およびポリエステルの誘電特性は、材料の老化によって変化する。変圧器の老化は、絶縁物の老化に直接に関連する。変圧器の老化状態は、主にコイル内部の固体絶縁物の状態に関連する。
ＵＳ２００８／２１１６１１は、少なくとも１つの低電圧巻線および少なくとも１つの高電圧巻線を含む樹脂注型変圧器を開示している。
ＵＳ４６６３６０３は、ガス冷却変圧器用の巻線システムを記載してる。巻線システムは、コアの周りに配置された巻線と、絶縁塊からなる少なくとも１つの絶縁トーラスとを含み、巻線と電極との間の電界強度を抑制するために、トーラスには、隣接する巻線に電気的に接続された電極が埋入されている。
ＣＮ２０２１５９５５９は、軸方向に三分割にした乾式整流変圧器を開示している。
ＣＮ２０６９６１６６１は、ワイヤセグメントを巻いた後、鋳込することによって得られた円形管状構造を採用した乾式自動変圧器を開示している。
ＣＮ２０６９６１６６１は、ワイヤセグメントを巻いた後、鋳込することによって得られた円形管状構造を採用した乾式自動変圧器を開示している。
概要
乾式変圧器のコイル内の固体絶縁物の老化度を評価するための非侵襲的な方法およびシステムが開示される。方法は、浮遊電極、すなわち、コイルの導電性素子と接触しない電極を介して、変圧器の少なくとも熱誘電臨界領域（すなわち、コイルの両極端）におけるターン間および／またはターン群（例えば、ディスクおよび層）内に導入された固体絶縁物の電気特性（例えば、周波数スペクトルにおける複素誘電率）の測定に関する。
乾式変圧器のコイル内の固体絶縁物の老化度を評価するための非侵襲的な方法およびシステムが開示される。方法は、浮遊電極、すなわち、コイルの導電性素子と接触しない電極を介して、変圧器の少なくとも熱誘電臨界領域（すなわち、コイルの両極端）におけるターン間および／またはターン群（例えば、ディスクおよび層）内に導入された固体絶縁物の電気特性（例えば、周波数スペクトルにおける複素誘電率）の測定に関する。
第１の態様において、非液浸変圧器が開示される。非液浸変圧器は、コアと、コアの周りに巻かれた導電性巻線を有するコイルと、コイル内の固体絶縁物と、固体絶縁物内の１つ以上の浮遊電極とを含む。導電性巻線の少なくとも一部と１つ以上の浮遊電極とは、各々１つ以上の容量性素子を形成し、変圧器は、１つ以上の浮遊電極に接続された端子と導電性巻線の一部に接続された端子との間に接続された静電容量測定装置を含む。これによって、非液体型変圧器のメンテナンスおよび修理並びに推定された老化率に基づいた寿命の予測を容易にすることができる。
浮遊電極を用いて容量性素子を形成することによって、固体絶縁物の誘電特性を経時的に測定することができる。
いくつかの例において、非液浸変圧器は、固体絶縁物内に分散して配置された複数の浮遊電極を含むことができ、各浮遊電極と導電性巻線の異なる部分とは、容量性素子を形成する。これによって、変圧器の異なる領域の老化を別々に測定することができる。
いくつかの例において、コイルは、フォイルコイルを含むことができる。浮遊電極は、フォイルの間に配置されてもよい。容量性素子は、浮遊電極とコイルのフォイルとの間に形成されてもよい。
いくつかの例において、コイルは、フォイルディスクコイルを含むことができる。浮遊電極は、ディスクコイルのディスクのフォイルターンの間に配置されてもよい。容量性素子は、浮遊電極と巻線のフォイルターンとの間に形成されてもよい。
いくつかの例において、導電性巻線は、ＣＴＣディスクコイルを含むことができ、ＣＴＣは、連続転位導体（continuously transposed conductor）を表す。浮遊電極は、ディスクコイルのディスクのＣＴＣターンの間に配置されてもよい。容量性素子は、浮遊電極と巻線のＣＴＣターンとの間に形成されてもよい。
いくつかの例において、導電性巻線は、ストラップディスクコイルを含むことができる。浮遊電極は、ストラップディスクのディスクのターン間に配置されてもよい。容量性素子は、浮遊電極と巻線のストラップターンとの間に形成されてもよい。
いくつかの例において、浮遊電極は、ディスクコイルのディスク間に配置された浮遊リングであってもよい。容量性素子は、浮遊リングと巻線のディスクとの間に形成されてもよい。
いくつかの例において、巻線は、層コイルを含むことができる。浮遊電極は、層コイルの層のターン間に配置されてもよい。ターンは、ストラップ型であってもよく、ＣＴＣ型でもよい。容量性素子は、浮遊電極と巻線のターンとの間に形成されてもよい。
いくつかの例において、導電性巻線は、層コイルを含むことができる。浮遊電極は、層コイルの層の間に配置されてもよい。容量性素子は、浮遊電極と巻線の層との間に形成されてもよい。
いくつかの例において、導電性巻線は、ランダムワイヤ型コイルを含むことができる。浮遊電極は、ランダムワイヤ型コイルのケーブルの間に配置されてもよい。容量性素子は、浮遊電極とランダムワイヤ型コイルのケーブルとの間に形成されていてもよい。
いくつかの例において、浮遊電極は、固体絶縁物の一部分に沿って配置されてもよい。例えば、浮遊電極は、巻線極端などの熱誘電臨界領域に配置されてもよい。
いくつかの例において、非液浸変圧器は、乾式変圧器であってもよい。
いくつかの例において、固体絶縁物は、ポリエステルフィルム、エポキシ樹脂、またはＮｏｍｅｘ（登録商標）などのメタアラミド材料のうちの１つであってもよい。
いくつかの例において、固体絶縁物は、ポリエステルフィルム、エポキシ樹脂、またはＮｏｍｅｘ（登録商標）などのメタアラミド材料のうちの１つであってもよい。
別の態様において、非液浸変圧器の固体絶縁物の少なくとも一部の老化度を評価する方法が開示される。非液浸変圧器は、本明細書の例に記載された容量性素子を含むことができる。方法は、容量性素子の電気パラメータを測定するステップと、電気パラメータ測定値に応じて老化度を計算するステップとを含み、測定された電気パラメータは、複素誘電率である。
いくつかの例において、測定された電気パラメータは、誘電率である。例えば、方法は、固体絶縁物の複素誘電率の変動を測定してもよい。周波数掃引に従って、好ましくはＤＣに近い部分範囲、例えば０Ｈｚ〜５Ｈｚにおいて、固体絶縁物の複素誘電率、好ましくはコイルの熱誘電臨界領域（最も老化した部分）に位置する固体絶縁物の複素誘電率を測定し、老化前の条件と比較することによって、変圧器の老化状態および残り寿命を予測することができる。
以下、添付の図面を参照して、本開示の非限定的な実施例を説明する。
実施例の詳細な説明
図１Ａは、一実施例に係る非液浸変圧器を示す概略図である。変圧器５０は、コア１５の周りに巻かれた巻線を有する高圧コイル５と低圧コイル１０とを備えてもよい。高圧コイル５は、ディスク７を含むディスクフォイル型コイルであってもよい。低電圧コイル１０は、フォイル１２を含むフォイル型コイルであってもよい。
図１Ａは、一実施例に係る非液浸変圧器を示す概略図である。変圧器５０は、コア１５の周りに巻かれた巻線を有する高圧コイル５と低圧コイル１０とを備えてもよい。高圧コイル５は、ディスク７を含むディスクフォイル型コイルであってもよい。低電圧コイル１０は、フォイル１２を含むフォイル型コイルであってもよい。
図１Ｂは、一実施例に係る非液浸変圧器１００のコイル１０５の概略部分図である。コイル１０５は、導電性巻線１１０を含むことができる。コイル１０５は、固体絶縁物１２０をさらに含むことができる。固体絶縁物１２０内には、１つ以上の浮遊電極１２５を配置することができる。導電性巻線１１０の少なくとも一部と１つ以上の浮遊電極１２５とは、１つ以上の容量性素子１３０を形成することができる。容量性素子１３０の電気パラメータは、静電容量測定装置１３５を用いて測定することができる。この電気パラメータは、複素誘電率であってもよい。複素誘電率は、周波数掃引に従って、特にＤＣに近い部分範囲、例えば０Ｈｚ〜５Ｈｚにおいて測定されてもよい。老化前の条件と比較することによって、変圧器の老化状態および残り寿命を予測することができる。
図２Ａは、別の実施例に係る非液浸変圧器２００のフォイルディスク型コイル２０５を示す斜視図である。コイル２０５は、複数のディスク２０７によって形成される導電性巻線を含むことができる。各ディスクは、ターン間絶縁物によって互いに隔離された複数のターン２１０を含むことができる。これらのターンは、フォイル型、ストラップ型、またはＣＴＣ型であってもよい。ターン間絶縁物は、ポリエステルであってもよい。１つ以上のターン間浮遊電極２２５は、ディスク２０７Ａのターンの間のターン間絶縁物に配置されてもよい。コイル２０５は、ディスク間固体絶縁物２２０をさらに含むことができる。ディスク間固体絶縁物は、エポキシ樹脂であってもよい。
さらに、ディスク２０７間のディスク間固体絶縁物内に、１つ以上のディスク間浮遊電極２４０を配置することができる。ディスク２０７Ａの少なくとも一部と１つ以上の浮遊電極２２５、２４０とは、１つ以上の容量性素子２３０を形成することができる。容量性素子の電気パラメータ、例えば、複素誘電率は、静電容量測定装置２３５を用いて測定することができる。容量性素子は、浮遊電極と、コイルの全ての導電性巻線とによって形成される。しかしながら、浮遊電極に近い巻線の一部（図２Ａの例では、ディスクの前方ターンおよび後方ターン）の静電容量寄与（９０％超または９９％に近い）は、巻線の残り部分の静電容量寄与（１０％未満または約１％）よりも著しく高い。すなわち、測定された電気パラメータ（例えば、複素誘電率）は、浮遊電極と最も近い導電性素子（例えば、ディスクのターン）との間の絶縁材料に対応するとも言える。
図２Ｂは、図２Ａのコイル２０５の一部を示す詳細図である。コイル２０５は、ディスク２０７Ａおよび２０７Ｂの形にした導電性巻線を含むことができる。ディスク２０７Ａは、ターン２１０と、ターン２１０の間のターン間絶縁物２２７とを含むことができる。浮遊電極２２５は、固体絶縁２２０内に配置され、巻線２１０の一部と共に容量性素子２３０を形成することができる。浮遊電極２４０は、ディスク２０７Ａおよび２０７Ｂと共に容量性素子を形成することができる。（浮遊端子２２５に接続された）端子２２５Ｔと（巻線２１０に接続された）端子２１０Ｔとの間に、静電容量測定装置２３５を接続することができる。これによって、ターン間絶縁物の老化を測定することができる。追加的または代替的に、（浮遊端子２４０に接続された）端子２４０Ｔと（巻線２１０に接続された）端子２１０Ｔとの間に、静電容量測定装置２３５を接続してもよい。これによって、ディスク間絶縁物の老化を測定することができる。
図２Ｃは、浮遊電極２２５によって形成された容量性素子の分析を概略的に示している。浮遊電極２２５と最も近いターン２１０Ａおよび２１０Ｂとの間には、メインキャパシタ２３０Ｍが形成される。浮遊電極２２５と、ディスク２０７Ａの他の導電性部分（ターン）またはディスク２０７Ｂの導電性部分（ターン）との間には、追加のキャパシタ（「寄生」キャパシタ）が形成されることができる。全てのキャパシタの複素誘電率（図２Ｃに示す全ての容量性素子の合計）は、浮遊電極と巻線との間で測定することができる。しかしながら、優位キャパシタがメインキャパシタ２３０Ｍであるため、各測定値は、ターン２１０Ａとターン２１０Ｂとの間のターン間絶縁物、例えばポリエステルの劣化を示す指標である。
浮遊電極は、（例えば、全ての種類の巻線内に配置される）ターン間型、（ディスク巻線内に配置される）ディスク間型、または（層巻線内に配置される）層間型であってもよい。ターン間型浮遊電極の場合、容量性要素のメインキャパシタ、すなわち、容量性要素の静電容量の少なくとも９０％は、導電性巻線（例えば、フォイルまたはＣＴＣ）の前の（前方）ターンおよび次の（後方）ターンによって形成される。ディスク間浮遊電極の場合、容量性素子のメインキャパシタは、コイルの前のディスクおよび次のディスクによって形成される。層間浮遊電極の場合、容量性素子のメインキャパシタは、コイルの前の層および次の層によって形成される。
図３は、一実施例に係る非液浸変圧器の層ストラップ型コイルまたは層ＣＴＣ型コイル３０５を示す斜視図である。コイル３０５は、複数の層３１０によって形成された導電性巻線を含むことができる。各層３１０は、複数のターン３１０Ａを含むことができる。これらのターンは、固体誘電体で互いに絶縁されたストラップ型またはＣＴＣ型であってもよい。コイル３０５は、固体絶縁物３２０をさらに含むことができる。固体絶縁物は、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維であってもよい。ターン３１０Ａ間の固体絶縁物内に、１つ以上の浮遊電極３２５を配置してもよい。さらに、層間の固体絶縁物内に、１つ以上の層間浮遊電極３４０を配置してもよい。層巻線３１０の少なくとも一部と１つ以上の浮遊電極３２５、３４０とは、１つ以上の容量性素子を形成することができる。容量性素子は、静電容量測定装置３３５を用いて測定されてもよい。
図４は、一実施例に係る非液浸変圧器のランダムワイヤ型コイル４０５を示す斜視図である。コイル４０５は、固体絶縁材料（例えば、ポリエステルまたはエナメル）で互いに隔離された複数の導体４１０を含むことができる。各導体は、環状ケーブルであってもよい。コイル３０５は、固体絶縁物４２０をさらに含むことができる。ケーブル間にポリエステル絶縁物を配置してもよい。固体絶縁物は、エポキシ樹脂であってもよい。導体４１０間の固体絶縁物４２０に１つ以上の浮遊電極４２５を配置してもよい。巻線４１０の少なくとも一部と１つ以上の浮遊電極４２５とは、１つ以上の容量性素子を形成することができる。容量性素子は、静電容量測定装置４３５を用いて測定されてもよい。
図５は、一実施例に係る乾式変圧器の固体絶縁物のうち、少なくとも一部の老化を評価する方法を示す流れ図である。ブロック５０５では、第１の時点において（例えば、変圧器を使用する前にまたは初回で使用する時に）、容量性素子の第１の電気パラメータ、例えば、複素誘電率を測定することができる。ブロック５１０では、第２の時点において（定期的に、または一定の使用回数の後に、または一定の期間の後に）、容量性素子の第２の電気パラメータ、例えば、複素誘電率を測定することができる。ブロック５１５では、第１および第２の複素誘電率の測定値に応じて、絶縁物および／または変圧器の老化度を計算することができる。コンピューティング装置は、１種類以上の絶縁材料の老化度に関連する電気パラメータ（例えば、複素誘電率）を記憶するメモリを備えてもよい。本明細書に開示されたように、１つ以上の浮遊電極を用いて電気パラメータを測定した後、コンピューティング装置は、測定値を同一または類似の絶縁材料の記憶値と比較することによって、絶縁材料の老化度を示す指標を提供することができる。
本明細書は、いくつかの実施例のみを開示したが、他の代替物、変形物、使用および／または均等物が可能である。また、本開示は、記載された実施例の全ての可能な組み合わせを含む。したがって、本開示の範囲は、特定の実施例によって限定されることなく、以下の特許請求の範囲の適切な解釈によって確定されるべきである。特許請求の範囲の括弧に図面の参照符号を記載する場合、単に特許請求の範囲に対する理解をより明白にするものであり、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
Claims (15)
- 非液浸変圧器であって、
コアと、
前記コアの周りに巻かれた導電性巻線を有するコイルと、
前記コイル内の固体絶縁物と、
前記固体絶縁物内の１つ以上の浮遊電極とを含み、
前記導電性巻線の少なくとも一部と前記１つ以上の浮遊電極とは、各々１つ以上の容量性素子を形成し、
前記変圧器は、前記１つ以上の浮遊電極に接続された端子と前記導電性巻線の前記一部に接続された端子との間に接続された静電容量測定装置を含む、非液浸漬変圧器。 - 前記固体絶縁物内に分散して配置された複数の浮遊電極を含み、
各浮遊電極と前記導電性巻線の異なる部分とは、容量性素子を形成する、請求項１に記載の非液浸漬変圧器。 - 前記導電性巻線は、フォイルターンを含み、
前記浮遊電極は、前記フォイルターン間の前記固体絶縁物内に配置され、
前記容量性素子は、前記浮遊電極と前記巻線の前記フォイルとの間に形成される、請求項１または２に記載の非液浸漬変圧器。 - 前記導電性巻線は、フォイル、ストラップまたは連続転位導体によって形成されたディスクコイルを含む、請求項１または２に記載の非液浸漬変圧器。
- 前記浮遊電極は、前記ディスクコイルのディスクのターン間の固体絶縁物内に配置され、
前記容量性素子は、前記浮遊電極と前記導電性巻線の前記ターンとの間に形成される、請求項４に記載の非液浸漬変圧器。 - 前記浮遊電極は、前記ディスクコイルのディスク間に配置された浮遊リングであり、
前記容量性素子は、前記浮遊リングと前記導電性巻線の前記ディスクとの間に形成される、請求項４に記載の非液浸漬変圧器。 - 前記導電性巻線は、層を含む層ストラップ型コイルまたは層ＣＴＣ型コイルを含み、各層は、ターンを有し、１つ以上の容量性素子は、前記浮遊電極と前記導電性巻線の前記層との間におよび／または前記層の前記ターンの間に形成され、または、
前記導電性巻線は、環状ケーブルを含むランダムワイヤ型コイルまたはワイヤドロップ型コイルを含み、前記容量性素子は、前記浮遊電極と前記導電性巻線の前記環状ケーブルとの間に形成される、請求項１または２に記載の非液浸漬変圧器。 - 前記浮遊電極は、前記固体絶縁物の一部に沿って配置される、先行する請求項のいずれか一項に記載の非液浸変圧器。
- 前記変圧器は、乾式変圧器を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の非液浸変圧器。
- 前記固体絶縁物は、ポリエステルフィルム、エポキシ樹脂、エナメルまたはメタアラミド材料のうちの１つを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の非液浸変圧器。
- 請求項１から１０のいずれか一項に記載の容量性素子を含む乾式変圧器の固体絶縁物の少なくとも一部の老化度を評価する方法であって、前記方法は、
前記容量性素子の電気パラメータを測定するステップと、
前記電気パラメータ測定値に応じて老化度を計算するステップとを含み、
測定された前記電気パラメータは、複素誘電率である、方法。 - 測定された前記電気パラメータは、複素誘電率である、請求項１１に記載の方法。
- 第１の時点において、前記容量性素子の第１の複素誘電率を測定するステップと、
第２の時点において、前記容量性素子の第２の複素誘電率を測定するステップと、
前記第１および第２の複素誘電率の測定値に応じて老化度を計算するステップとをさらに含む、請求項１１または１２に記載の方法。 - 電気パラメータを測定するステップは、広い周波数範囲において複素誘電率を測定することを含む、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
- 電気パラメータを測定するステップは、０Ｈｚ〜５Ｈｚの低周波数範囲において複素誘電率を測定することを含む、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
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