JP3148044B2

JP3148044B2 - ガス冷却静止電気機器

Info

Publication number: JP3148044B2
Application number: JP12641193A
Authority: JP
Inventors: 豊鈴木; 克敏戸田; 明堀田; 修坂倉; 良正豊嶋; 英夫広瀬; 浩史村松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 2001-03-19
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JPH06338422A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、巻線や鉄心を収納する
容器、そして容器の外部に設けられた冷却器や送風器の
間に絶縁性ガスを循環させ、容器内部の巻線や鉄心を冷
却するガス冷却静止電気機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、スペースの有効利用を図るための
コンパクト化や軽量化、あるいは、防災上の理由から、
変電所などに使用される静止電気機器の冷却絶縁体とし
て、これまで多く使用されている可燃性の油に代え、火
災の虞れの少ない絶縁ガスの採用が図られている。

【０００３】冷却絶縁体として絶縁ガスを用いた静止電
気機器は、防災上の観点から、電力密度の高い都市部の
変電所や地下変電所、あるいは、不特定多数の人が出入
りする建物、例えば病院、空港、ホテル、デパートの受
変電設備に使用される。

【０００４】ところで、これまでの静止電気機器は、容
量が比較的小さい場合はＨ種絶縁の静止電気機器が、ま
た、数MVA 〜数十MVA の容量の場合は主としてＳＦ_６ガ
スを用いたガス冷却の静止電気機器が、それ以上の容量
の場合には、冷却媒体にパーフロロカーボン液などを用
いたガス絶縁・液冷却の静止電気機器が用いられる。し
かし、静止電気機器の絶縁や冷却は、絶縁ガスとパーフ
ロロカーボン液のようにガスと液体を併用するよりも、
絶縁ガスのみを使った方が構造が単純になり、また、コ
ストも安く、安全性も高くなる。そのため、より大きな
容量の静止電気機器に対し、ガスのみで冷却・絶縁した
いという要望がある。

【０００５】ここで、従来のガス冷却静止電気機器につ
いて、変圧器を例にとって図９で説明する。

【０００６】図９において、容器１は接地されており、
容器１内には、鉄心２やその周囲に巻かれた巻線３が設
置されている。また、巻線３の中間部外周と容器１内面
との間には、容器１の内部空間を上部室４と下部室５に
分ける仕切り板６が設けられている。そして、容器１の
外部に冷却器７が設置され、冷却器７は容器１の上部室
４と下部室５にそれぞれガス配管９で連結されている。

【０００７】上記した構成において、冷却器７で冷却さ
れた絶縁性ガスＧは、ガス送風器８によってガス配管９
から容器１の下部室５に送り込まれる。下部室５に送ら
れた絶縁性ガスＧは仕切板６により遮られ、鉄心２や巻
線３の側に進路を変える。その後、鉄心２や巻線３を冷
却しながら上昇する。このとき絶縁性ガスＧは鉄心２や
巻線３から熱を吸収し、次第に温度を上げ、容器１の上
部室４からガス配管９を通って冷却器７に戻る。

【０００８】上記したガス冷却静止電気機器によれば、
容器１内部で発生する熱は、冷却媒体である絶縁性ガス
Ｇによって冷却器７に運ばれ、外部に放出される。この
ように、絶縁性ガスＧが循環するガス循環回路に冷却器
７を含むものを、以下通常ガス循環回路１０と呼ぶ。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のガス冷却静止電
気機器に使用されている通常ガス循環回路１０を、更に
大容量の静止電気機器に適用しようとすると、電気機器
の発生損失が大きいために十分な冷却効果が得られず、
巻線や鉄心の温度が高くなってしまう。

【００１０】一方、巻線や鉄心など発熱を伴う静止電気
機器は、JEC-204(1978) に規定されているように、電気
機器に使われている材料をその許容最高温度以下に冷却
しなければならない。

【００１１】ここで、静止電気機器を構成する鉄心２や
巻線３の温度分布などについて、図７で説明する。図７
では、横軸は温度、そして、縦軸は電気機器の高さを示
している。

【００１２】点線Ａはガス温度の一例を示し、ガス温度
は、鉄心２や巻線３の発熱部を下から上へ通る間に温度
が上昇するために、上部の方が下部に比べ高くなってい
る。また、点線Ｂは鉄心２や巻線３の温度を示し、同じ
高さで比較すると周囲のガスの温度点線Ａより高くなっ
ている。

【００１３】ところで、冷却器７や巻線３などに流れる
ガスの圧力損失（縦軸）は、図８の曲線Ｃに示すように
ガス流量（横軸）の１．６〜２乗に比例する。このた
め、冷却器７や巻線３に流れるガス流量を多くすると、
圧力損失が大きくなり、ガス送風器８に負担がかかり十
分な流量が流せなくなる。また、吐出圧力（縦軸）は、
曲線Ｄのようにガス流量（横軸）が多くなると低下す
る。

【００１４】そして、ガス送風器の負荷、即ち、冷却器
７や巻線３、鉄心２、ガス配管９などから構成されるガ
スの循環回路の圧力損失と吐出圧力とがバランスするガ
ス流量で運転される。なお、バランスする点は、図８の
場合２つの曲線Ｃ、Ｄの交点Ｉとなる。

【００１５】なお、ガス冷却静止電気機器が、冷却器７
やガス配管９、巻線３、鉄心２などから構成される場
合、圧力損失が最も大きいのは冷却器７で、全体の圧力
損失のほぼ半分を占める。

【００１６】したがって、ガスの循環回路内に冷却器７
が含まれると、冷却器７の圧力損失が大きいために、こ
のような循環回路をより大容量のガス冷却静止電気機器
に適用すると、巻線３や鉄心２に対し十分な冷却が行わ
れなくなる。

【００１７】巻線３や鉄心２の温度が高くならないよう
にするためには、冷たいガスを巻線３や鉄心２の下部に
流すこと、あるいは、図７の実線Ｆに示すように周囲ガ
スに対する巻線（または鉄心）の温度差を小さくした
り、図７の実線Ｅに示すようにガス温度の上下差を小さ
くしたりすることが考えられる。

【００１８】しかし、下部に冷たいガスを供給するため
には、冷却器７周囲の冷却媒体、例えば大気、冷却水な
どの温度をこれまで以上に低くするか、冷却器７の性能
を上げなければならない。

【００１９】しかし、冷却器７周囲の冷却媒体の温度
は、使用状態に応じて仕様や規格で決まるため、冷却媒
体の温度を下げることはできない。冷却器の性能を上げ
るためには、機器が大型化し、また、熱伝達の優れた材
料の使用が必要でコストが上昇する。

【００２０】周囲ガスに対する巻線（または鉄心）の温
度上昇や、ガス温度の上下差を小さくするためには、巻
線３や鉄心２に沿って流れるガスの流量を多くすればよ
い。しかし、ガスの流量を多くする場合、圧力損失の増
加が問題となる。圧力損失を増加させないために、ガス
循環回路１０を構成するガス道の寸法を広げること、あ
るいは、大きな圧力損失があってもガス流量を多くでき
る性能の優れたガス送風器の採用が考えられる。

【００２１】しかし、ガス道の寸法を広げる方法は、巻
線３や鉄心２などの内部のガス道の寸法が大きくなるた
め、機器本体が大型化する。これに伴いガス配管９や冷
却器７なども大型化する。

【００２２】また、ガスの流量を多くできる高性能のガ
ス送風器を用いる方法は、技術的に相反する面を克服し
なければならない。例えば、空調ダクトなどで用いられ
ている大流量の送風器は、小さな圧力損失系で用いら
れ、大きな圧力損失を含む場合には大流量を流せない。
このような技術的課題が仮に克服され、大きな圧力損失
がある場合でも、ガスの流量を多くできるガス送風器が
開発、実用化されたとしても、コンパクトなものにはな
りにくく、特殊な用途向けのものとなり、コストの上昇
が予想される。

【００２３】また、ガス流量を増やさずに、周囲ガスに
対する巻線（または鉄心）の温度上昇を小さくするに
は、巻線３や鉄心２などの発熱部の発生損失を減らした
り、または、熱が伝熱する面積を増やしたりすることが
考えられる。しかし、このような方法も機器本体の大型
化は避けられない。

【００２４】例えば、巻線３や鉄心２など発熱部の発生
損失を減らすためには、巻線の導体断面積を大きくし、
電流密度を下げればよい。しかし、導体の断面積を大き
くすると、使用する導体が多くなり、寸法も大きくな
る。その結果、大型化しコストも高くなる。また、鉄心
に対しては、鉄損が少なくなるように磁束密度を下げれ
ばよいが、そのためには使用する鉄が多くなり、機器も
大型化しコストも高くなる。

【００２５】本発明は、冷却器の性能向上や数量を増加
させず、また、ガス送風器の性能を向上させずに、巻線
や鉄心などの発熱部の温度上昇を抑え、大容量の場合で
も効率的な冷却が行えるガス冷却静止電気機器を提供す
ることを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明は、鉄心及び巻線
を収納する容器と、前記容器内を上部室と下部室に仕切
る仕切り板と、前記鉄心及び巻線を冷却する絶縁性ガス
を冷却する冷却器と、前記絶縁性ガスを容器内に送り込
む第１送風器と、前記冷却器および前記第１送風器を前
記容器に連結し、通常ガス循環回路を形成する第１ガス
配管とを具備したガス冷却静止電気機器において、第２
送風器の一端を前記容器の上部室に、そして他端を前記
容器の下部室に、それぞれ第２ガス配管で連結し、冷却
器を経由しない内部ガス循環回路を設けている。

【００２７】また、前記通常ガス循環回路と前記内部ガ
ス循環回路を流れる絶縁性ガスを、互いに混合させるガ
ス共通循環回路を形成している。

【００２８】また、鉄心及び巻線を収納する容器と、前
記容器内を上部室と下部室に仕切る仕切り板と、前記鉄
心及び巻線を冷却する絶縁性ガスを冷却する冷却器と、
前記絶縁性ガスを容器内に送り込む第１送風器と、前記
冷却器および前記第１送風器を前記容器の下部室に連結
し、通常ガス循環回路を形成する第１ガス配管とを具備
したガス冷却静止電気機器において、第２送風器の一端
を前記容器の上部室に、そして他端を前記容器の下部室
に、それぞれ第２ガス配管で連結し、冷却器を経由しな
い内部ガス循環回路を設けている。

【００２９】また、鉄心及び巻線を収納する容器と、前
記容器内を上部室と下部室に仕切る仕切り板と、前記鉄
心及び巻線を冷却する絶縁性ガスを冷却する冷却器と、
前記絶縁性ガスを容器内に送り込む第１送風器と、前記
冷却器および前記第１送風器を前記容器の上部室に連結
し、通常ガス循環回路を形成する第１ガス配管とを具備
したガス冷却静止電気機器において、第２送風器の一端
を前記容器の上部室に、そして他端を前記容器の下部室
に、それぞれ第２ガス配管で連結し、冷却器を経由しな
い内部ガス循環回路を設けている。

【００３０】

【作用】上記の構成によれば、冷却器が含まれる通常ガ
ス循環回路の他に、冷却器が含まれない内部循環回路が
設けられている。内部循環回路には冷却器が含まれない
ため、大きな圧力損失を受けずに絶縁性ガスを流すこと
ができる。また、通常ガス循環回路と容器との連結部
分、例えば絶縁性ガスの取り込み口や吹き出し口を容器
の上部か、あるいは下部のみに連結することによって、
圧力損失の大きい鉄心や巻線部分を通る絶縁性ガスの経
路が短くなり圧力損失が少なくなる。

【００３１】従って、通常ガス循環回路と内部循環回路
とを併用する構成によれば、圧力損失を少なくできる。
この結果、圧力損失とガス送風器の吐出圧力とのバラン
ス点が、例えば図７のIIの位置に移動し、ガス流量を増
加できる。

【００３２】

【実施例】

（実施例１）本発明の第１の実施例について、図１を参
照して説明する。

【００３３】１は容器で、容器１内には、周囲に巻線３
が巻かれた鉄心２が設置されている。また、巻線３と容
器１内壁の間には、容器内を上部室４と下部室５とに分
ける仕切り板６が設けられている。仕切り板６は、ガス
配管９から下部室５に導入された絶縁性ガスを、鉄心２
や巻線３の方向に案内し、鉄心２や巻線３に対する冷却
効果が上がるようにしている。また、容器１は、冷却器
７や送風器８とガス配管９によって連結され、冷却器７
を含む通常ガス循環回路１０が構成されている。ま
た、容器１は、送風器２１とガス配管３１で連結され、
冷却器を持たない内部ガス循環回路１１が構成されてい
る。内部ガス循環回路１１を構成するガス配管３１は、
その一方は容器１の上部室４に、他方は下部室５に連結
されている。そして、絶縁性ガスは上部室４から内部ガ
ス循環回路１１に取り込まれ、送風器２１によって、容
器１の下部室５に送られる。下部室５に送られた絶縁性
ガスは、鉄心２や巻線３に沿って上昇し、上部室４から
送風器２１に戻る。

【００３４】上記したガス冷却静止電気機器では、冷却
器７を含む通常ガス循環回路１０の他に、冷却器７を含
まない内部ガス循環回路１１を備えている。

【００３５】したがって、通常ガス循環回路１０だけの
場合に比べ、内部ガス循環回路１１の分だけ、循環する
ガス流量を増やすことができる。なお、内部ガス循環回
路１１は冷却器７を含んでいないため、内部ガス循環回
路１１は鉄心２や巻線３などの発熱を外部に放出できな
いものの、通常ガス循環回路１０に含まれる冷却器７を
利用して熱を放出できる。

【００３６】上記の構成によれば、鉄心２や巻線３を流
れるガスの流量や速度が増加するため、ガス温度の上下
差や、周囲ガスに対する巻線（または鉄心）の温度差を
抑えることができる。このため、巻線や鉄心の温度を下
げることができ、発熱部の発生損失が大きくなっても対
応できる。

【００３７】（実施例２）本発明の第２の実施例につい
て、図２を参照して説明する。なお、図２では図１と同
一部分には同一の符号を付し、図１と相違する部分を中
心に説明する。

【００３８】図２の場合も図１と同様に、冷却器７やガ
ス送風器８、ガス配管９で構成される通常ガス循環回路
１０と、送風器２１をガス配管３１で容器１に連結した
冷却器を含まない内部ガス循環回路１１が設けられてい
る。

【００３９】そして、内部ガス循環回路１１のガス配管
３１と容器１との連結部分のうち、一方の吹き出し口部
分は容器１の下部室５に連結している。そして、ガス配
管３１と容器１との連結部分の近くに、通常ガス循環回
路１０と容器１との連結部分が設けられ、両者の連結部
分にガス共通配管１２が形成されている。ガス共通配管
１２は、通常ガス循環回路１０の冷却器２で冷やされた
絶縁性ガスと、冷却器を経由しない内部ガス循環回路１
１から送られる絶縁性ガスを混合し、温度を均一化させ
て鉄心２や巻線３方向に送り込んでいる。

【００４０】なお、通常ガス循環回路１０から送られる
絶縁性ガスと、内部ガス循環回路１１から送られる絶縁
性ガスとを混合するガス共通配管は、図２のように容器
の下部室に設ける必要はなく、例えば図３の符号１２で
示すように内部ガス循環回路１１と通常ガス循環回路１
０のガス配管を部分的に共通にして構成することもでき
る。なお、矢印は絶縁性ガスの流れを示す。

【００４１】また、図４のように通常ガス循環回路１０
と内部ガス循環回路１１とを、それぞれ容器１の下部室
５へ連結することによっても、両循環回路の絶縁性ガス
を混合させる効果を得ることができる。なお、図３や図
４では、図１と同一部分には同一符号を付し、重複する
説明は省略する。

【００４２】（実施例３）本発明の第３の実施例につい
て、図５を参照して説明する。なお、図５においても図
１と同一部分には同一符号を付し重複する説明は省略す
る。

【００４３】この実施例の場合も、先の実施例と同様に
冷却器７を経由する通常ガス循環回路１０、および、冷
却器を経由しない内部ガス循環回路１１が設けられてい
る。そして、通常ガス循環回路１０と容器１とを連結す
る絶縁性ガスの取り込み口および吹き出し口は共に下部
室５に接続され、絶縁性ガスＧが上部室４部分の鉄心２
や巻線３を通ることによる圧力損失を少なくしている。
なお、内部ガス循環回路１１には、上部室４から通常ガ
ス循環回路１０の冷却器で冷やされた絶縁性ガスも循環
する。この構成により、容器１全体としてガス流量が増
加し、また、冷却効果も向上する。

【００４４】（実施例４）本発明の第４の実施例につい
て、図６を参照して説明する。図６においても図１や図
５と同一部分には同一符号を付し重複する説明は省略す
る。

【００４５】第３の実施例（図５）の場合は、通常ガス
循環回路１０の絶縁性ガスＧの取り込み口と吹き出し口
が、容器１の下部室５に連結されている。第４の実施例
では、通常ガス循環回路１０の取り込み口と吹き出し口
の両者は、容器の上部室４に連結されている。この構造
では、通常ガス循環回路１０を流れる絶縁性ガスＧが下
部室４の鉄心２や巻線３を通ることによる圧力損失を少
なくできる。

【００４６】例えば、通常ガス循環回路１０の冷却器７
で冷却され、送風器８で容器１の上部室４に送り込まれ
た絶縁性ガスＧは、上部室４内を上昇して冷却器７に戻
る。しかし、内部ガス循環回路１１の取り込み口が上部
室４に接続されているので、通常ガス循環回路１０で冷
却された絶縁性ガスＧは下部室５にも循環する。また、
上部室４には冷却されたガスが送り込まれてくるので、
ガス温度の上下差を小さくできる。

【００４７】上記した各実施例では、通常ガス循環回路
や内部ガス循環回路は、それぞれ１個を設けているが、
これらの循環回路は１個に限らず複数設けることもでき
る。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、圧力損失が大きい冷却
器を含まない内部ガス循環回路を設けているので、圧力
損失を増やすことなくガス流量を増やすことができる。

【００４９】したがって、冷却器の性能向上や数量を増
加せずに、また、ガス送風器の性能向上や大型化、さら
には、鉄心や巻線の大型化を行わずに、巻線や鉄心の温
度上昇を抑えることができ、効率的な冷却が行えるガス
冷却静止電気機器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す概略断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す概略断面図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す概略断面図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す概略断面図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す概略断面図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す概略断面図である。

【図７】従来技術を説明するための温度分布図である。

【図８】ガス送風器の圧力損失とガス流量との関係を示
す特性図である。

【図９】従来例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１…容器２…鉄心３…巻線４…上部室５…下部室６…仕切り板７…冷却器８…ガス送風器９…ガス配管１０…通常ガス循環回路１１…内部ガス循環回路１２…ガス共通配管２１…第２ガス送風器３１…第２ガス配管Ｇ…絶縁ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂倉修神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者豊嶋良正神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者広瀬英夫神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者村松浩史神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 27/08 H01F 27/02 H01F 27/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄心及び巻線を収納する容器と、前記容
器内を上部室と下部室に仕切る仕切り板と、前記鉄心及
び巻線を冷却する絶縁性ガスを冷却する冷却器と、前記
絶縁性ガスを容器内に送り込む第１送風器と、前記冷却
器および前記第１送風器を前記容器に連結し、通常ガス
循環回路を形成する第１ガス配管とを具備したガス冷却
静止電気機器において、第２送風器の一端を前記容器の
上部室に、そして他端を前記容器の下部室に、それぞれ
第２ガス配管で連結し、冷却器を経由しない内部ガス循
環回路を設けたことを特徴とするガス冷却静止電気機
器。
【請求項２】前記通常ガス循環回路と前記内部ガス循
環回路を流れる絶縁性ガスを、互いに混合させるガス共
通循環回路を形成したことを特徴とする請求項１記載の
ガス冷却静止電気機器。
【請求項３】鉄心及び巻線を収納する容器と、前記容
器内を上部室と下部室に仕切る仕切り板と、前記鉄心及
び巻線を冷却する絶縁性ガスを冷却する冷却器と、前記
絶縁性ガスを容器内に送り込む第１送風器と、前記冷却
器および前記第１送風器を前記容器の下部室に連結し、
通常ガス循環回路を形成する第１ガス配管とを具備した
ガス冷却静止電気機器において、第２送風器の一端を前
記容器の上部室に、そして他端を前記容器の下部室に、
それぞれ第２ガス配管で連結し、冷却器を経由しない内
部ガス循環回路を設けたことを特徴とするガス冷却静止
電気機器。
【請求項４】鉄心及び巻線を収納する容器と、前記容
器内を上部室と下部室に仕切る仕切り板と、前記鉄心及
び巻線を冷却する絶縁性ガスを冷却する冷却器と、前記
絶縁性ガスを容器内に送り込む第１送風器と、前記冷却
器および前記第１送風器を前記容器の上部室に連結し、
通常ガス循環回路を形成する第１ガス配管とを具備した
ガス冷却静止電気機器において、第２送風器の一端を前
記容器の上部室に、そして他端を前記容器の下部室に、
それぞれ第２ガス配管で連結し、冷却器を経由しない内
部ガス循環回路を設けたことを特徴とするガス冷却静止
電気機器。