JP3094723B2 - 高直列容量円板巻線 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、雷などの衝撃電圧に
対する絶縁耐力を向上させた変圧器の高電圧円板巻線の
一種である高直列容量円板巻線に関する。

【０００２】

【従来の技術】円板巻線は他の高圧巻線、たとえば、多
層円筒巻線などに比べて構造が簡単なことから外部短絡
による電磁力に対する機械的強度が大きいとか、製作が
容易であるとか、設計上の自由度が高いなどの重要な利
点があるために、超々高圧変圧器の高圧巻線にも使用さ
れている。その代わり、電位振動を抑制して衝撃電圧に
対する絶縁耐力の高い特殊な構成の円板巻線が採用され
る。このような高電圧に適した円板巻線として多く採用
されるものに高直列容量円板巻線と呼ばれている円板巻
線がある。

【０００３】円板巻線に衝撃電圧が印加されたときの巻
線内部に発生する電位振動の大きさは衝撃電圧が印加さ
れた直後の巻線内に生ずる初期電位分布の様相によって
おおよその判断が可能である。この初期電位分布は主に
円板巻線の対地静電容量としての並列容量Ｃと円板巻線
内の静電容量としての直列容量Ｋの比率から決まる分布
をする。その分布は印加端が印加電圧に等しく巻線内部
に侵入するほど減衰する分布をし、減衰の激しい分布の
場合、略指数関数状の減衰関数となる。この関数を数学
的に表現し変数を印加端から数えた円板コイルの個数ｎ
にすると、指数部の変数である円板コイルの個数ｎにか
かる係数は一般にαで表現され、このαは前述の並列容
量Ｃの直列容量Ｋに対する比（Ｃ／Ｋ）の平方根で表さ
れる。αが大きい初期電位分布が急激に減衰する分布と
なり、αが０の場合は平等分布となる。αが大きくまた
円板コイルの数が充分大きい場合には、印加端での円板
コイル間にかかる電圧は近似的に電位分布が一様な場合
のα倍になる。円板巻線の衝撃電圧による電位振動を抑
制するにはこのαの値を小さくすることが最も基本的な
対策であり、高直列容量円板巻線とはこのαを小さくす
るために、等価的な直列容量Ｋが大きくなるような導体
接続方式が採用された円板巻線の一種である。

【０００４】等価直列容量は、隣合う円板コイル間や導
体間などの幾何学的配置によって定まる静電容量に蓄積
される静電エネルギーの総和に一致する等価的な静電容
量として定義される。このような等価直列容量の定義に
基づく計算方法は蓄積エネルギー法と呼ばれることがあ
る。静電容量に蓄積される静電エネルギーは、周知のよ
うに、静電容量と電圧の二乗の積の２分の１である。し
たがって幾何学的配置から定まる静電容量が同じであっ
ても、接続方式を工夫してこの静電容量にかかる電圧を
大きくすることにより、等価直列容量を増大することが
できる。

【０００５】図２は従来の円板巻線の断面概略図でもあ
る導体接続構成図であり、図２ａは双成線輪形円板巻
線、図２ｂは高直列容量円板巻線の一種である編巻線輪
形円板巻線であり、双成線輪形円板巻線１００Ａが最も
広く使用される円板巻線の形であり、編巻線輪形円板巻
線１００Ｂは高直列容量円板巻線トシテ最も一般的なも
のである。

【０００６】これらの円板巻線１００Ａ，１００Ｂはい
ずれも導体が１本の場合のもので、それぞれの導体の断
面の中に記載した数値は上部の巻線端子５１から数えた
巻数である。図２ａの双成線輪形円板巻線１００Ａで
は、最外径側の導体が巻線端子５１に接続されるコイル
１１Ａとその次のコイル１２Ａとが一組となってコイル
群１Ａを形成し、その下のコイル群２Ａも同様で、この
ような２つのコイルを１群とした複数のコイル群によっ
て構成されていることから双成線輪という名称が付けら
れている。コイル群２Ａより下のコイル群の記載は省略
してある。双成線輪形円板巻線１００Ａの場合、図示の
ようにそれぞれの導体間の巻数差は全て１なので、導体
間の静電容量の蓄積エネルギーは小さい。コイル間の静
電容量の蓄積エネルギーはコイル１１Ａと１２Ａの間の
場合には、外径側の巻数が１の導体と１０の導体との巻
数差９が最大で内径側に行くほど小さくなって最内径側
の巻数が５の導体と６の導体の巻数差は単に１となる。
したがって、巻数差の二乗平均としての巻数差の平均値
を求める約５．７４となる。コイル１２Ａとコイル群２
Ａの上のコイルとの間も同じである。双成線輪形円板巻
線１００Ａではこのように、導体間の巻数差が小さいた
めに、一般的に巻数全体としての等価直列容量に占める
導体間静電容量の割合が小さく、コイル間の静電容量の
割合が大きいという特徴がある。

【０００７】図２ｂの編巻線輪形円板巻線１００Ｂで
は、最外径側の導体が巻線端子５１に接続されるコイル
１１Ｂとその次のコイル１２Ｂとが一組となってコイル
群１Ｂを形成し、その下のコイル群２Ｂも同様で、この
ような２つのコイルを１群とした複数のコイル群によっ
て構成されている点では双成線輪形円板巻線１００Ａと
同様であるが、３つ又は４つの円板コイルで１つのコイ
ル群を構成したもの又は１つのコイルだけでコイル群を
構成するような編巻線輪形円板巻線もあるので、２つの
円板コイルが１つのコイル群を構成することは編巻線輪
形円板巻線１００Ｂの一般的な構成ではない。この巻線
の場合もコイル群２Ｂより下のコイル群の記載は省略し
てある。編巻線輪形円板巻線１００Ｂの場合、コイル１
１Ｂの最外径側の導体の巻数１に対して隣の導体の巻数
は６なのでその差は５、更に隣の導体間の巻数差は４と
双成線輪形円板巻線１００Ａに比べると導体間の巻数差
が大きいという特徴があり、そのために蓄積エネルギー
が大きいことから等価的な直列容量が大きくなり、衝撃
電圧特性が改善される。このように導体間の静電容量が
等価直列容量の大きさに大きく影響するのでコイル間の
静電容量の影響は非常に小さいものとなるのが編巻線輪
形円板巻線１００Ｂの特徴の１つである。ただ、編巻線
輪形円板巻線１００Ｂの場合、コイル１１Ａ，１２Ａと
比べて明らかなように、コイル１１Ｂ、１２Ｂではコイ
ルの構造上の並列導体本数は２本となっている。巻回作
業時もこの構造上の並列導体本数で巻回される。そのた
めに、巻回作業に多くの時間を要するという問題があ
る。特に双成線輪形円板巻線１００Ａの場合、接続部を
実際に溶接などで接続するのではなく巻線の巻き始めか
ら導体を連続的に最後まで溶接接続部なしに巻回するい
わゆる連続巻きが可能であるのに対して、編巻線輪形円
板巻線１００Ｂの場合は、少なくとも外径側の１カ所で
溶接による導体の接続部が必要な準連続巻きであるとい
う欠点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、最も一
般的な双成線輪形円板巻線１００Ａは溶接による接続部
のない巻線であるために信頼性の高い巻線であるという
特長があるのに対して、編巻線輪形円板巻線１００Ｂの
場合には巻回時の並列導体数が２倍に増加することと溶
接による接続部があるために、巻回作業が多くの時間を
要するとともに信頼性が劣るという問題がある。

【０００９】この発明は、このような問題を解決し、巻
回時の並列導体数が電気的な並列数と同じでよく、かつ
導体の溶接接続部の少ない準連続巻きが可能な高直列容
量円板巻線を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、電気的に直列接続される少なく
とも１本の導体が半径方向に巻回された複数の円板コイ
ルが軸方向に積み重ねられてなる高直列容量円板巻線に
おいて、隣接する４つの円板コイルを１つのコイル群と
して、これら４つのコイルを端から、順次、第１，第
２，第３、第４のコイルとそれぞれ称し、巻線の外径側
と内径側の一方の径側を第１の径側、他方の第２の径側
と称したとき、第１のコイルの第１の径側の導体が一方
の巻線端子又は隣接するコイル群に電気的に接続され、
第１のコイルの第２の径側の導体が第３のコイルの第２
の径側の導体に接続され、第３のコイルの第１の径側の
導体が第２のコイルの第１の径側の導体に接続され、第
２のコイルの第２の径側の導体が第４のコイルの第２の
径側の導体に接続され、第４のコイルの第１の径側の導
体が他方の巻線端子又はこのコイルに隣接するコイル群
の導体に接続されてなるものとし、また、高直列容量円
板巻線が、全て４つの円板コイルからなるコイル群から
構成されるものとし、又は、その一部が４つの円板コイ
ルがコイル群を形成するものとする。

【００１１】

【作用】この発明の構成において、隣接する４つの円板
コイルを１つのコイル群として、これら４つのコイルを
端から、順次、第１，第２，第３、第４のコイル、巻線
の外径側と内径側の一方の径側を第１の径側、他方を第
２の径側と称したとき、第１のコイルの第１の径側の導
体を一方の巻線端子又は隣接するコイル群に接続し、第
２の径側の導体を第３のコイルの第２の径側の導体に接
続し、第３のコイルの第１の径側の導体を第２のコイル
の第１の径側の導体に接続し、第２のコイルの第２の径
側の導体を第４のコイルの第２の径側の導体に接続し、
第４のコイルの第１の径側の導体を他方の巻線端子又は
このコイルに隣接するコイル群の導体に接続する導体接
続構成を採用することによって、双成線輪形円板巻線に
比べてコイル間の巻数差が増大して衝撃電圧が印加され
たときのこの間の静電容量による等価直列容量が増大す
る。

【００１２】また、高直列容量円板巻線を、全て４つの
円板コイルからなるコイル群で構成することでもよい
し、他の導体接続構成のコイル群と組み合わせて巻線の
一部だけにこの発明になるコイル群で構成する構成を採
用することもできる。

【００１３】

【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例を示す高直列容量円板巻線の断
面概略図でもある導体接続構成図である。この図におい
て、高直列容量円板巻線１００は４つのコイル１１，１
２，１３，１４からなるコイル群１、同様の構成になる
コイル群２及３からなり、コイル群２と３との間にも同
じ構成のコイル群が存在するが図示を省略してある。

【００１４】コイル１１，１２，１３，１４は５ターン
の円板巻線であり、それぞれが内径側同士、外径側同士
が接続されている点は前述のそれぞれ円板巻線１００Ａ
や編巻線輪形円板巻線１００Ｂと同様である。高直列容
量円板巻線１００は最も上のコイル１１の最内径側の導
体が上から３番目のコイル１３の最内径側の導体と接続
され、コイル１２の最外径側の導体が２番目のコイル１
２の最外径側の導体に接続され、コイル１２の最内径側
の導体が４番目のコイル１４の最内径側の導体と接続さ
れ、コイル１４の最外径側の導体が次のコイル群２の符
号を付さない最上のコイルの最外径側の導体に接続され
る。それぞれのコイル群２，３も同様である。

【００１５】コイル群２の最後の導体である巻数が３０
の導体の出口にＡの符号を付してあるがこの後図示しな
いコイル群に接続されて最後に最下のコイル群であるコ
イル３の符号Ａに接続されて全体として高直列容量円板
巻線１００が形成される。この高直列容量円板巻線１０
０の等価静電容量は編巻線輪形円板巻線１００Ｂに比べ
ては小さいが、双成線輪形円板巻線１００Ａに比べて大
きくなり衝撃電圧特性が改善される。以下にこの点につ
いて説明する。

【００１６】高直列容量円板巻線１００では導体間の巻
数差はいずれも１であり、この点は双成線輪形円板巻線
１００Ａと同じである。したがって、他の要素が同じで
ある限り両者の等価直列容量は同じである。一方、コイ
ル間の巻数差は、コイル１１と１２との間ては対向する
導体間の巻数差は全て１０になり、前述の双成線輪形円
板巻線１００Ａの場合の約５．７に対して大きくなる。
等価静電容量は前述のように巻数差の二乗に比例するか
ら、これらの比率は１００対３３となり高直列容量円板
巻線１００の方が約３倍大きい。また、コイル１２と１
３との間では、対向する導体の巻数差は左から９，７，
５，３，１となり双成線輪形円板巻線１００Ａのそれと
同じになる。したがって、この部分の等価静電容量は双
成線輪形円板巻線１００Ａのそれと同じである。

【００１７】総合すると、コイル間の静電容量による等
価直列容量は双成線輪形円板巻線１００Ａに対して高直
列容量円板巻線１００では（１＋３）／（１＋１）＝２
となり、一方、前述のように導体間の静電容量の割合は
小さいからこれを無視すると結果的に高直列容量円板巻
線１００の等価直列容量は双成線輪形円板巻線１００Ａ
の約２倍になり、前述の係数αはその平方根の逆数とし
て約０．７倍と小さくなり衝撃電圧特性が改善される。
それぞれのコイル間の最大巻数差はそれぞれ円板巻線１
００Ａが９、高直列容量円板巻線１００が１０と大差な
いのでコイル間にかかる衝撃電圧印加時の負担電圧の最
大値が約７０パーセントに低下し、その分衝撃電圧に対
する絶縁強度が増大することになる。

【００１８】コイル１１，１２，１３，１４はそれぞれ
１本の導体からなり、電気的な導体本数と巻回時の導体
本数は一致しているので、並列本数が増えることによる
巻回工数が増えることはない。また、内径側の接続部４
は双成線輪形円板巻線１００Ａの内径側の接続部と同様
に溶接による接続を要せず連続的に巻回が可能であり、
コイル群１と２との接続部、言い換えれば巻数が２０と
２１の導体間も同様である。巻数が１０と１１の導体間
の接続部は連続巻きが不可能で溶接による接続が必要で
ある。その数はコイル群ごとに１つなので、編巻線輪形
円板巻線１００Ｂに比べて２分の１の数となる。

【００１９】前述の高直列容量円板巻線１００では１つ
のコイルの巻数を５としたが勿論この値にこだわるもの
ではなく任意の巻数に対して前述の内容は矛盾なく適用
され。また、導体本数を１としたが、実際の変圧器の高
直列容量円板巻線では、容量に応じて並列導体本数は２
又はそれ以上のものか採用されるが、その場合でも前述
の説明に矛盾が生ずることはない。

【００２０】係数αの大きさは編巻線輪形円板巻線１０
０Ｂの方が小さくしたがって衝撃電圧特性が良いのが一
般であるが、編巻線輪形円板巻線１００Ｂの係数αは１
つのコイルの巻数に大きく依存し、その値が大きいほど
双成線輪形円板巻線１００Ａに対するαの低減効果が大
きい。一方、この発明による高直列容量円板巻線１００
の場合は、コイルの巻数は関係ない。

【００２１】変圧器の容量が大きく大電流であるために
導体断面積が大きくしたがって並列導体数が多いような
円板巻線の場合、当然１つのコイルの巻数は小さくな
る。このような円板巻線に編巻線輪形円板巻線１００Ｂ
が採用されると、巻回時の並列導体数が２倍になること
による巻回時の作業工数の増大、溶接箇所の増加などの
問題の影響が大きく、それに比べて衝撃電圧特性の改善
は大きくは期待できないことになる。一方、この発明に
よる高直列容量円板巻線１００の場合、全く逆の関係が
成立する。これから分かるようにこの発明は特に大容量
の変圧器の巻線に適した発明であると言える。

【００２２】高直列容量円板巻線１００をコイル群１や
２と同じ導体接続構成のコイル群で全て構成することも
可能であるが、その一部だけに適用することも可能であ
る。特に巻線端子５１と５２の一方又は両方が衝撃電圧
の印加端子の場合、これらの巻線端子５１，５２に直接
接続されるコイルを含めた近傍のコイルをコイル群１と
同じ導体接続構成のコイル群で構成し他は双成線輪形円
板巻線１００のコイル群１Ａと同じコイル群で構成する
ことで全体として絶縁強度を向上させる、又は、巻線端
子５１、５２に接続されるコイルを編巻線輪形円板巻線
１００Ｂのコイル群１Ｂと同じコイル群で構成し中央部
のコイルをコイル群１で構成する、などのコイル構成を
巻線の容量、電圧に応じて適宜採用することも可能であ
る。

【００２３】

【発明の効果】この発明は前述のように、隣接する４つ
の円板コイルで１つのコイル群を構成し、これらのコイ
ルに前述のような導体接続構成を採用することによっ
て、コイル間の巻数差が増大してこの間の静電容量の衝
撃電圧が印加されたときの等価直列容量が増大する。そ
の結果、衝撃電圧の巻線内の分布状態を決定する係数α
が小さくなって初期分布がより均一化されて、特に衝撃
電圧が印加される側の端子に近いコイル間の負担電圧が
小さくなってそのぶん絶縁強度が増大し変圧器の絶縁信
頼性が向上する。このような高直列容量円板巻線におい
て、１つのコイルの巻回時の並列導体数は電気的な並列
導体数と一致するので巻線の巻回作業の工数が増大する
ことはなく、普通の双成線輪形円板巻線と同等の工数の
高直列容量円板巻線になるという効果が得られる。ま
た、溶接による接続箇所も従来の高直列容量円板巻線と
しての編巻線輪形巻線に比べて２分の１と少なくなり、
この点からも作業工数の低減に資するとともに溶接部の
数の低減による信頼性向上に役立つという効果も得られ
る。また、高直列容量円板巻線の全部に前述のこの発明
の導体接続構成によるコイル群を採用してもよいし、他
の導体接続構成のコイル群と組み合わせて採用すること
もできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の高直列容量円板巻線の導体
接続構成図

【図２】従来の円板巻線の導体接続構成図で、図２ａは
双成線輪形円板巻線、図２ｂは編巻線輪形円板巻線のそ
れぞれ導体接続構成図

【符号の説明】

１００ 高直列容量円板巻線 １１ コイル １２ コイル １３ コイル １４ コイル １ コイル群 ２ コイル群 ３ コイル群 ４ 接続部 ５１ 巻線端子 ５２ 巻線端子

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気的に直列接続される少なくとも１本の
   導体が半径方向に巻回された複数の円板コイルが軸方向
   に積み重ねられてなる高直列容量円板巻線において、 隣接する４つの円板コイルを１つのコイル群として、こ
   れら４つのコイルを端から、順次、第１，第２，第３、
   第４のコイルとそれぞれ称し、巻線の外径側と内径側の
   一方の径側を第１の径側、他方の第２の径側と称したと
   き、第１のコイルの第１の径側の導体が一方の巻線端子
   又は隣接するコイル群に電気的に接続され、第１のコイ
   ルの第２の径側の導体が第３のコイルの第２の径側の導
   体に接続され、第３のコイルの第１の径側の導体が第２
   のコイルの第１の径側の導体に接続され、第２のコイル
   の第２の径側の導体が第４のコイルの第２の径側の導体
   に接続され、第４のコイルの第１の径側の導体が他方の
   巻線端子又はこのコイルに隣接するコイル群の導体に接
   続されてなることを特徴とする高直列容量円板巻線。
2. 【請求項２】請求項１記載の高直列容量円板巻線が、全
   て４つの円板コイルからなるコイル群から構成されるこ
   とを特徴とする高直列容量円板巻線。
3. 【請求項３】請求項１記載の高直列容量円板巻線の一部
   が、４つの円板コイルからなるコイル群から構成される
   ことを特徴とする高直列容量円板巻線。