JP2022007345A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器における電流変化による誘導起電力を抑制し、系統短絡時にマイクロ秒オーダーでインピーダンスを制御し、系統短絡時の短絡電流を抑制する。
【解決手段】鉄心と、鉄心の外周側に設置された一次巻線と、鉄心の外周側に設置された二次巻線と、インピーダンス調整用の調整巻線と、を備えた変圧器であって、調整巻線は、鉄心と一次巻線との間、一次巻線と二次巻線との間、及び二次巻線の外周側のうち少なくとも一つの位置に設置され、一次巻線又は二次巻線に直列に接続され、径方向に二分割された構成を有し、径方向に二分割された調整巻線のうちの一方を開閉するスイッチング機構が設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、変圧器に関する。

変圧器におけるインピーダンスは、短絡インピーダンスやパーセントインピーダンスなどと呼ばれ、二次側で定格電流に達したときの一次電圧を定格一次電圧との百分率で表した値である。変圧器のインピーダンスは、電圧変動率や送電安定度の面では低い方がよいが、短絡電流低減のためには高い方がよい。

特許文献１には、交流電動機の起動電流の抑制及び系統電圧の安定化を図るため、一次巻線及び二次巻線を有する変圧器において、一次巻線と二次巻線の間及び一次巻線又は二次巻線に近接して、複数のタップを有する短絡インピーダンス調整用のインピーダンスコイルを設けた変圧器が開示されている。

特開２０１３－２５４８３５号公報

変圧器においては、系統短絡時に大きな短絡電流が流れることが問題となる。短絡電流の大きさは、変圧器のインピーダンスに依存する。インピーダンスは、通常運転時に小さく、系統短絡時に大きくなるようにすることが求められる。通常運転時にインピーダンスを小さくすることで、電圧変動率が小さくなり、系統の安定度を向上することができる。一方、短絡時にインピーダンスを大きくすることで、短絡電流を抑制することができる。

特許文献１に開示されている変圧器は、インピーダンス調整用の調整巻線を複数用意し、それらを変圧器の一次巻線又は二次巻線に直列結線し、結線を切り替えることにより、調整を行なっている。しかし、この変圧器は、交流電動機の起動電流を制御することを目的としており、直列結線の切換えには負荷時タップ切換器などを用いる必要がある。このため、系統短絡時の短絡電流抑制のために必要とされるマイクロ秒オーダーの制御は困難である。

調整巻線を一次巻線又は二次巻線に直列結線とした場合、回路を切り替える際、一次巻線又は二次巻線が完全に切断され、急激な電流変化により誘導起電力が発生し、一次側の回路が故障するおそれがある。

本発明の目的は、変圧器における電流変化による誘導起電力を抑制し、系統短絡時にマイクロ秒オーダーでインピーダンスを制御し、系統短絡時の短絡電流を抑制することにある。

本発明の変圧器は、鉄心と、鉄心の外周側に設置された一次巻線と、鉄心の外周側に設置された二次巻線と、インピーダンス調整用の調整巻線と、を備え、調整巻線は、鉄心と一次巻線との間、一次巻線と二次巻線との間、及び二次巻線の外周側のうち少なくとも一つの位置に設置され、一次巻線又は二次巻線に直列に接続され、径方向に二分割された構成を有し、径方向に二分割された調整巻線のうちの一方を開閉するスイッチング機構が設置されている。

本発明によれば、変圧器における電流変化による誘導起電力を抑制し、系統短絡時にマイクロ秒オーダーでインピーダンスを制御し、系統短絡時の短絡電流を抑制することができる。

実施例１の変圧器を示す部分概略断面図である。 図１のスイッチング機構５を閉とした場合におけるコイル電流の向き及び磁束分布を示す図である。 図１のスイッチング機構５を開とした場合におけるコイル電流の向き及び磁束分布を示す図である。 実施例１に係る調整巻線における循環電流を示す模式断面図である。 実施例２の変圧器を示す部分概略断面図である。 実施例３の変圧器を示す部分概略断面図である。 図６のスイッチング機構１２を閉とし、かつ、スイッチング機構１３を開とした場合におけるコイル電流の向き及び磁束分布を示す図である。 図６のスイッチング機構１２を開とし、かつ、スイッチング機構１３を閉とした場合におけるコイル電流の向き及び磁束分布を示す図である。 電力系統の全体を示す模式構成図である。

本発明は、変圧器の短絡電流抑制に関する。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

まず、図１から図４までを用いて、実施例１について説明する。尚、図２及び図３において、図１と同一符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。以下、変圧器における軸方向とは、鉄心脚の中心軸と平行な方向をいい、径方向とは、鉄心脚の中心軸と垂直な方向をいう。また、内側とは、径方向において鉄心脚の中心軸に近い側をいい、外側とは、径方向において鉄心脚の中心軸から遠い側をいう。

図１は、本実施例の変圧器を示す部分概略断面図である。

本図において、変圧器１００は、鉄心脚１と、一次巻線２と、二次巻線３と、を備えている。

鉄心脚１（鉄心）の外周側には、一次巻線２及び二次巻線３が順に配置されている。二次巻線３は、一次巻線２の外周側に配置されている。一次巻線２と二次巻線３とは、鉄心脚１の中心軸を中心として同心状に配置されていることが望ましい。一次巻線２と二次巻線３との間には、４つに分割された調整巻線４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが配置されている。調整巻線４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、インピーダンス調整用であり、径方向には２つに分割されている。調整巻線４ａ、４ｂは、調整巻線４ｃ、４ｄの内側に配置されている。調整巻線４ａ、４ｂと調整巻線４ｃ、４ｄとは、鉄心脚１の中心軸を中心として同心状に配置されていることが望ましい。ここで、同心状とは、鉄心脚１が円柱形状である場合は鉄心脚１の中心軸を中心とする円環状であり、鉄心脚１が例えば四角柱形状である場合は鉄心脚１の中心軸を中心とする略四角形の断面形状を有する環状である。

さらに、調整巻線４ａと調整巻線４ｂとは、軸方向に分割されている。同様に、調整巻線４ｃと調整巻線４ｄとは、軸方向に分割されている。内側の調整巻線４ａ、４ｂと外側の調整巻線４ｃ、４ｄとは、交互に結線されている。言い換えると、上部（軸方向の一端部）の内側の調整巻線４ａから下部（軸方向の他端部）の外側の調整巻線４ｄまで直列結線された配線と、上部の外側の調整巻線４ｃから下部の内側の調整巻線４ｂまで直列結線された配線との二つの配線が構成されるように結線されている。

この二つの配線は、並列結線されている。具体的には、内側の調整巻線４ａと外側の調整巻線４ｃとが並列結線され、外側の調整巻線４ｄと内側の調整巻線４ｂとが並列結線されている。

なお、本明細書において、「外周側」とは、柱状又は筒状の部品の側面部から、当該部品の中心軸に向かう方向とは反対の方向、言い換えると、外方向に向かう領域をいう。この場合、当該部品の外周側に設置される部品は、当該部品に接するように配置されていなくてもよい。例えば、当該部品との間に空隙を設け空隙の外側の位置に当該部品の側面部を覆うように配置されていてもよい。また、当該部品とその外周側に設置される部品との間には、他の部品が設置されていてもよい。

よって、本図に示す例においては、鉄心脚１の外周側であって二次巻線３の内周側に、一次巻線２が設置されていても、設置されていなくても、二次巻線３は、鉄心脚１の外周側に設置されている、と言うこともできる。

本図においては、並列結線された調整巻線４ｃと一次巻線２との間にスイッチング機構５が設けられている。これにより、並列結線された調整巻線４ａ及び調整巻線４ｃのうち、調整巻線４ｃを開放することができるように構成されている。

一次巻線２の上方の端子と調整巻線４ｂ及び調整巻線４ｄの下方の端子とは、交流の電源に接続されている。

なお、調整巻線は、一次巻線２と直列結線しないで、二次巻線３と直列結線してもよい。具体的には、並列結線された調整巻線４ａ及び調整巻線４ｃと一次巻線２との間に接続配線を設けず、並列結線された調整巻線４ｂ及び調整巻線４ｄと二次巻線３との間に接続配線を設けてもよい。

本実施例の変圧器の作用は、次のとおりである。

図２は、図１のスイッチング機構５を閉とした場合におけるコイル電流の向き及び磁束分布を示す図である。

図３は、図１のスイッチング機構５を開とした場合におけるコイル電流の向き及び磁束分布を示す図である。

図２及び３に示す断面におけるコイル電流の向きは、黒丸を有する二重丸状の記号と、×印を有する丸状の記号とで表される。ここで、前者は図面に垂直な方向であって手前側に向かう電流を表し、後者は前者と反対方向に向かう電流を表している。

図２に示すように、調整巻線４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、一次巻線２と直列結線され、一次巻線２と同じ方向に電流が流れるように構成されている。二次巻線３の電流は、一次巻線２の電流に伴う磁束により発生するため、一次巻線２及び調整巻線４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの電流とは反対向きになっている。

図２及び３の下方のグラフは、コイルの径方向の位置に対応する磁束Ｈの分布を概略的に示したものである。

スイッチング機構５を閉としている場合における漏れ磁束の総量は、図２に示す台形６の面積（積分値）に比例する。台形６の高さＨは、巻線に流れる電流と巻数との積であるアンペアターンに比例する。台形６の下底Ｌ１は、一次巻線２の最も内側の位置から二次巻線３の最も外側の位置までの距離に比例する。台形６の上底Ｌ２は、調整巻線４ｃ、４ｄの最も外側の位置から二次巻線４の最も内側の位置までの距離に比例する。

スイッチング機構５を開とした場合における漏れ磁束の総量は、図３に示す台形７の面積に比例する。スイッチング機構５を開とすると、調整巻線４ｃ、４ｂには電流が流れず、その分の電流は４ａ、４ｄに流れるため、台形７（図３）の高さは台形６（図２）と変わらない。

スイッチング機構５を開とした場合、図３に示すように、電気的に考えた場合においては、調整巻線４ａ、４ｄの最も外側の位置から二次巻線３の最も内側の位置までの距離が長くなったとみなすことができる。その距離をＷとした場合、スイッチング機構５を開とした場合の台形７の上底は、ＷとＬ２との和で表される。

調整巻線のインピーダンスは、漏れ磁束の総量に比例する。よって、スイッチング機構５を閉とした場合のインピーダンスは、台形６の面積である（Ｌ１＋Ｌ２）×Ｈ×（１／２）に比例する。一方、スイッチング機構５を開とした場合のインピーダンスは、台形７の面積である（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｗ）×Ｈ×（１／２）に比例する。したがって、スイッチング機構５を閉状態から開状態に切り替えることで、インピーダンスを（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｗ）／（Ｌ１＋Ｌ２）倍に増加することができる。

まとめると、径方向に二分割され一次巻線又は二次巻線に並列に接続されている調整巻線は、当該並列接続のうちの一方を開閉可能とするスイッチング機構を有する。

つぎに、通常運転時に調整巻線において発生する循環電流とその対策について説明する。

調整巻線を設置した場合、通常運転時には、調整巻線に流れる電流により熱が発生し、変圧器の故障の原因となるおそれがある。このような熱の発生を抑制するため、次のような構成が望ましい。

図４は、本実施例に係る調整巻線における循環電流を示す模式断面図である。

本図においては、調整巻線及びスイッチング機構が図１と同様の構成となっている。この場合において、調整巻線による並列結線に鎖交した磁束による循環電流８、９は、それぞれ逆向きに流れるようになる。このため、循環電流８、９は、相殺されることになる。これにより、通常運転時における循環電流８、９を打ち消すことができる。

なお、本実施例においては、調整巻線の軸方向の分割数は、二分割としたが、偶数であれば循環電流を打ち消すことができるため、分割数は任意の偶数でよい。循環電流を打ち消すために、調整巻線は全て同じ巻数となるように分割するのが好ましいが、インピーダンス調整の効果を得るために関しては、必ずしもすべての巻数を同じとせずともよい。

まとめると、径方向に二分割された構成を有し、当該分割された調整巻線はそれぞれ、軸方向に偶数分割されていることが望ましい。また、偶数分割された調整巻線のうち軸方向に隣り合う内側の調整巻線と外側の調整巻線とが結線されていることが望ましい。

本実施例によれば、通常運転時には、スイッチング機構を閉とし、インピーダンスを小さくすることにより、電圧変動率を小さくすることができる。また、系統短絡時には、スイッチング機構を開とし、インピーダンスを大きくすることにより、短絡電流を抑制することができる。

インピーダンスの調整が並列結線の開放のみで実現できるため、直列結線を切り替える場合に比べて高速な制御が可能であり、系統短絡時の短絡電流抑制に求められるマイクロ秒オーダーで制御できる。

調整巻線内の並列結線は、内部で循環電流を打ち消すように交差させているため、単純に並列結線した場合に比べて損失が小さくなり、発熱量も小さくなる。

なお、スイッチング機構は、結線の閉状態と開状態との切り替えを高速で行う必要があるため、半導体素子を用いたスイッチを含むことが望ましい。すなわち、スイッチング機構は、半導体素子で構成されていることが望ましい。

次に、図５を用いて、実施例２について説明する。なお、図１において用いた符号と同一の符号については、同一の部品を示すので、再度の説明は省略する。

実施例１においては、調整巻線を一次巻線に直列結線したが、実施例２においては、二次巻線に調整巻線を結線する点で実施例１と異なる。

図５は、本実施例の変圧器を示す部分概略断面図である。

本図においては、調整巻線４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが二次巻線３に結線されている。調整巻線４ａ、４ｂが二次巻線３側に配置され、調整巻線４ｃ、４ｄが一次巻線２側に配置されている。そして、調整巻線４ａと調整巻線４ｃとが二次巻線３に並列結線されている。

本実施例によれば、一次巻線が低圧側となる変圧器の場合、高圧となる二次巻線に調整巻線を接続することで、一次巻線に調整巻線を接続する実施例１に比べ、調整巻線に流れる電流値が小さくなるため、スイッチング機構で遮断する電流値を小さくすることができる。よって、調整巻線及びスイッチング機構を小型化することができ、低コスト化することができる。

次に、図６から図８までを用いて、実施例３について説明する。なお、図１において用いた符号と同一の符号については、同一の部品を示すので、再度の説明は省略する。

本実施例においては、二組の調整巻線を用いる点で実施例１及び２と異なる。

図６は、本実施例の変圧器を示す部分概略断面図である。

本図においては、調整巻線１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを一次巻線２と二次巻線３の間に配置し、スイッチング機構１２を設けている。これは、実施例１（図１）の調整巻線４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及びスイッチング機構５と同様の配置である。

図６においては、さらに、鉄心脚１と一次巻線２との間に調整巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを配置している。調整巻線１１ａ、１１ｂは、調整巻線１１ｃ、１１ｄの内側に同心状となるように配置されている。さらに、調整巻線１１ａと調整巻線１１ｂとは、軸方向に分割されている。同様に、調整巻線１１ｃと調整巻線１１ｄとは、軸方向に分割されている。上部の内側の調整巻線１１ａから下部の外側の調整巻線１１ｄまで直列結線された配線と、上部の外側の調整巻線１１ｃから下部の内側の調整巻線１１ｂまで直列結線された配線との二つの配線が構成されるように結線されている。

この二つの配線は、並列結線されている。具体的には、内側の調整巻線１１ａと外側の調整巻線１１ｃとが並列結線され、外側の調整巻線１１ｄと内側の調整巻線１１ｂとが並列結線されている。並列結線された調整巻線１１ａと調整巻線１１ｃとの間には、スイッチング機構１３が設けられている。

本実施例の変圧器の作用は、次のとおりである。

図７は、図６のスイッチング機構１２を閉とし、かつ、スイッチング機構１３を開とした場合におけるコイル電流の向き及び磁束分布を示す図である。

図８は、図６のスイッチング機構１２を開とし、かつ、スイッチング機構１３を閉とした場合におけるコイル電流の向き及び磁束分布を示す図である。

図７においては、漏れ磁束の総量に比例する積分値を表す台形１４の下底は、調整巻線１１ａ、１１ｂの最も内側から二次巻線３の最も外側までの距離に対して、電気的に考えた場合の距離Ｗ２だけ短くなった距離Ｌ４とみなすことができる。台形１４の上底Ｌ３は、調整巻線１０ｃ、１０ｄの最も外側から二次巻線３の最も内側までの距離とみなすことができる。

一方、図８においては、電気的に考えた場合、調整巻線１０ｃ、１０ｄの最も外側から二次巻線３の最も内側までの距離が長くなったとみなすことができ、その距離をＷ１とした場合、台形１５の上底は、Ｗ１とＬ３との和で表される。また、台形１５の下底は、調整巻線１１ａ、１１ｂの最も内側から二次巻線３の最も外側までの距離Ｗ２＋Ｌ４とみなすことができる。

以上より、図６におけるスイッチング機構１２を短絡状態、スイッチング機構１３を開放状態とした場合から、図６におけるスイッチング機構１２を開放状態、スイッチング機構１３を短絡状態とすることで、インピーダンスを（Ｌ３＋Ｌ４＋Ｗ１＋Ｗ２）／（Ｌ３＋Ｌ４）倍に増加することができる。

よって、本実施例においては、実施例１に比べて、インピーダンスの調整幅を増加することができる。

なお、本実施例において、スイッチング機構１３及びスイッチング機構１２の閉状態及び開状態の組み合わせを二例のみ示しているが、インピーダンス調整の効果を得るためにおいては、それぞれ任意に閉状態及び開状態を変更してよい。本実施例においては、一次巻線と鉄心脚との間、及び一次巻線と二次巻線との間に調整巻線を配置し、調整巻線を一次巻線と直列結線しているが、インピーダンス調整の効果を得るためにおいては、二次巻線の外側に調整巻線を配置してもよい。また、実施例２のように、調整巻線を二次巻線に結線してもよい。

まとめると、調整巻線は、鉄心と一次巻線との間、一次巻線と二次巻線との間、及び二次巻線の外周側のうち少なくとも一つの位置に設置され、一次巻線又は二次巻線に直列に接続されていることが望ましい。

図９は、電力系統の全体を示す模式構成図である。

本図において、電力システム２００は、太陽光発電所５１と風力発電所５２とが接続された電力系統５３を有する。そして、電力系統５３により電力が供給される変圧器１００が設けられている。

本図に示すように、電力系統５３に短絡が生じると、変圧器１００に大きな短絡電流が流れることが問題となる。

上述の実施例１～３によれば、電力系統５３の短絡が生じた場合に、マイクロ秒オーダーでインピーダンスの変更を可能とすることができ、変圧器１００に生じる短絡電流を抑制することができる。

１：鉄心脚、２：一次巻線、３：二次巻線、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ：調整巻線、５、１２、１３：スイッチング機構、６、７、１４、１５：台形、８、９：循環電流、５１：太陽光発電所、５２：風力発電所、５３：電力系統、１００：変圧器、２００：電力システム。

Claims (9)

1. 鉄心と、
   前記鉄心の外周側に設置された一次巻線と、
   前記鉄心の外周側に設置された二次巻線と、
   インピーダンス調整用の調整巻線と、を備え、
   前記調整巻線は、前記鉄心と前記一次巻線との間、前記一次巻線と前記二次巻線との間、及び前記二次巻線の外周側のうち少なくとも一つの位置に設置され、前記一次巻線又は前記二次巻線に直列に接続され、径方向に二分割された構成を有し、
   前記径方向に二分割された前記調整巻線のうちの一方を開閉するスイッチング機構が設置されている、変圧器。
2. 前記調整巻線は、前記一次巻線又は前記二次巻線に並列に接続されている、請求項１記載の変圧器。
3. 前記二次巻線は、前記一次巻線の外周側に設置されている、請求項１記載の変圧器。
4. 前記一次巻線と前記二次巻線とは、同心状に配置されている、請求項１記載の変圧器。
5. 当該分割された前記調整巻線はそれぞれ、軸方向に偶数分割され、
   当該偶数分割された前記調整巻線のうち前記軸方向に隣り合う内側の調整巻線と外側の調整巻線とが結線されている、請求項１記載の変圧器。
6. 前記径方向に二分割された前記調整巻線のうち、内側の調整巻線と外側の調整巻線とが同心状に配置されている、請求項１記載の変圧器。
7. 前記軸方向に偶数分割された前記調整巻線は、前記内側の調整巻線と前記外側の調整巻線とが交互に結線され、前記軸方向の一端部から他端部に向かって直列に接続されている、請求項５記載の変圧器。
8. 前記径方向に二分割され前記軸方向に偶数分割され直列に接続された前記調整巻線は、前記一次巻線又は前記二次巻線に並列に接続されている、請求項７記載の変圧器。
9. 前記スイッチング機構は、半導体素子で構成されている、請求項１記載の変圧器。

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