JP3254914B2 - 変圧器巻線 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は変圧器巻線に係り、特
に、円板状巻線、またはヘリカル状巻線からなり、強制
循環冷却のＳＦ₆ ガス絶縁変圧器に好適な変圧器巻線に
関する。

【０００２】

【従来の技術】都市に設置する変圧器には防災上、不燃
化の要望が強く、また、大容量化，小形化の要求も強
い。不燃性の絶縁冷却媒体を用いた変圧器として、ＳＦ
₆ ガス絶縁変圧器があるが、ＳＦ₆ ガスは密度，比熱，
熱伝導率などの、冷却性能に関する物性値が液状絶縁冷
却媒体に比べ小さいために冷却性能が悪く、また、絶縁
耐力も小さい。このため、冷却媒体であるＳＦ₆ ガスの
体積流量を多く流す一方、変圧器巻線内の絶縁距離、即
ち、垂直ダクトや水平ダクトなどの絶縁冷却媒体を流す
寸法を大きくしている。

【０００３】変圧器巻線の構造として、鉄心の周りに素
線を円板状に巻いた円板巻線、あるいはら旋状に巻いた
ヘリカル巻線の場合は、巻線の半径方向の内側、及び外
側に、絶縁筒に沿って垂直スペーサを配置して垂直ダク
トを設け、また、円板状の巻線の軸方向には巻線各段間
に水平スペーサを挿入して水平ダクトを形成すると共
に、折流板を巻線の軸方向に複数枚挿入して折流区を形
成し、折流板の開口部が巻線の半径方向の内外に交互に
設けられ、冷却媒体は軸方向に流れるに従い、巻線内の
半径方向の流れの向きが折流区ごとに交互に変わるよう
になっている。

【０００４】このような構造で冷却媒体の体積流量が多
く、また、冷却媒体の流れる水平ダクトの断面積が大き
いと、折流区内の上方の水平ダクトへ冷却媒体が多く流
れ、下方部の水平ダクトには少なく流れる傾向になる。
このため、巻線の温度上昇分布に大きな差が生じ、巻線
の平均温度上昇に比べて巻線の最高温度上昇が高くなる
傾向がある。

【０００５】このようなことから、巻線内のガスの流れ
を改善するために、絶縁筒に沿った垂直ダクトの半径方
向の幅を大きくしたり（特開平4−168707号公報参照)、
また、垂直ダクトの他に巻線の半径方向の中央付近に、
軸方向に貫通する垂直ダクト（ガスダクト）を設けた
り、このダクトの半径方向の寸法や位置を巻線の段ごと
に異ならせる方法もある（例えば、特開昭52−43937号
公報，特開昭53−40820号公報，特開昭54−34025号公報
等）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この構造で
は、流れの抵抗の少ない絶縁筒に沿った垂直ダクト内を
ガスが多く流れ、巻線の半径方向の中央付近の垂直ダク
トや、水平ダクト内を流れるガスの流量は相対的に少な
くなり、巻線温度上昇低減の効果は小さい。また、垂直
ダクトの半径方向の幅を大きくしたり、前記ガスダクト
を設けると、巻線の半径方向の寸法が増大し、全体とし
て変圧器の体積が大きくなる。また、ガスダクトの半径
方向の位置を巻線の段ごとに異ならせると、冷却媒体の
流れに分岐合流箇所が多くなり、冷却媒体の圧力損失が
増大し、冷却媒体の流量が少なくなるか、ヘッドの大き
いブロワが必要となる。

【０００７】特に、都市部に設置する変圧器には小型化
が強く要求されるため、巻線の小型化が必要となる。

【０００８】本発明は上述の点に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、水平ダクト内を流れる冷却媒
体流量分布を均一化して局部加熱を防止し、温度上昇分
布を均一化すると共に、巻線全体を小形化し、温度上昇
を低減することのできる変圧器巻線を提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、鉄心脚の周
りに絶縁筒を隔壁として円板状巻線あるいはヘリカル状
巻線全体の軸方向に、複数枚の折流板が内外交互に開口
部を有して挿入されて形成される複数の折流区の各折流
区における高さ方向の中央付近の巻線間に、前記巻線端
から絶縁冷却媒体の折流区への入り口側垂直ダクトには
み出させると共に、半径方向の幅を前記巻線の半径方向
の幅より狭くした分流板を配置し、かつ、該分流板は、
水平ダクトの上下に流路を構成するように前記水平スペ
ーサに挟み込まれて形成され、この分流板により前記絶
縁冷却媒体のある割合の流量を、前記分流板の下方の水
平ダクト内に強制的に分流させることにより達成され
る。

【００１０】

【作用】上記構成とすることにより、巻線の各折流区内
の各水平ダクトへの冷却媒体の流量分布は、前記分流板
の無い場合は折流区の上方の水平ダクトへ多く流れ、下
方の水平ダクトへは少なく流れ下方の巻線の温度上昇が
大きくなるが、折流区の高さ方向中央付近に入り口側垂
直ダクトにはみ出して分流板を設けることにより、冷却
媒体の流れの相当部分が、前記分流板に堰き止められ、
分流板の無い場合に比較し分流板の下方の水平ダクトへ
流れる冷却媒体の流量が多くなり、分流板より下方の巻
線の温度上昇は十分小さくなる。

【００１１】特に、従来の折流区内で最高の温度上昇を
示す折流区下方部の巻線の温度上昇の値は大きく低減で
き、絶縁物の信頼性向上や寿命の延長を図ることができ
る。また、分流板より上方の巻線内水平ダクトへの冷却
媒体の流量は少なくなり、巻線が冷却され過ぎるという
ことが無くなり、冷却媒体の流量を効果的に巻線冷却に
利用させることができる。

【００１２】さらに、一般に折流板の上方近辺の水平ダ
クトへ流れる冷却媒体の流量は少なく、折流板の下方近
辺の水平ダクトへ流れる冷却媒体の流量は多いが、同様
のことが分流板を挿入した場合でも発生する。しかし、
分流板の半径方向の幅が巻線の半径方向の幅に比べて短
くしてあるので、分流板を通過した後方ではその上下の
流れは合流し、分流板の直上の巻線は適度に冷却され、
大きな温度上昇を示さない。また、分流板によりその上
方へ流れる流量が、分流板の無い場合に比較し大きく減
少するため、冷却媒体の圧力損失は、分流板による抵抗
増加分以上に減少し、折流区当りの流動抵抗は減少す
る。

【００１３】このため、冷却媒体を循環させる同じブロ
ワの循環能力に対して冷却媒体の流量は増加し、巻線の
冷却性能は向上する。

【００１４】

【００１５】

【実施例】本発明の変圧器巻線の一実施例を図１、及び
図２により説明する。図１は、本発明による巻線部分断
面概略図、図２は本発明による巻線部分斜視図である。

【００１６】図１において、１は巻線、２は絶縁筒、３
は単位巻線で絶縁筒２内に円板状に巻かれている。４は
折流板で、巻線１の軸方向に複数個配置され、折流区を
形成する。この折流板４は半径方向に交互に折流区入口
５を有し、冷却媒体は、この入り口より当該折流区に入
る。ある折流区において巻線の内外両側には入口側垂直
ダクト６，出口側垂直ダクト７があり、また、折流区の
高さ方向中央付近の単位巻線間には、入口側垂直ダクト
６にはみだして分流板８がある。分流板８の半径方向幅
は巻線１の幅より狭く製作される。９は水平ダクトで、
分流板８のある部分では、分流板８の上下に狭い水平ダ
クト９′が形成される。この構成を部分拡大して斜視し
た図２により説明する。

【００１７】図２において、内外両側の絶縁筒２の間に
単位巻線３が円板状に巻かれている。単位巻線３が軸方
向に水平スペーサ１０を介して積層され、水平ダクト９
を形成する。入り口側垂直ダクト６は、この図の場合巻
線１の内側にあるが、垂直スペーサ１１により形成さ
れ、出口（外側）側垂直ダクト７は水平スペーサ１０
か、または図示していないが外側絶縁筒に付けられた垂
直スペーサにより形成される。分流板８は水平スペーサ
１０の厚さ方向の中央に位置させ、その上下に狭い水平
ダクト９′を作る。

【００１８】このような構成の巻線において、冷却媒体
は折流区入口５から当該折流区に入り、入口側垂直ダク
ト６を上昇し、分岐して各水平ダクト９を通過し、出口
側垂直ダクト７へ入り上下の単位巻線３を冷却する。こ
こで分流板の無い場合には冷却媒体の各水平ダクトへの
流量分布は、折流区の下方で少なく、上方で多く流れ
る。

【００１９】しかし、本発明では分流板８が入口側垂直
ダクト６にはみだして存在するので、冷却媒体の相当の
部分は、分流板８によりそれより下方の水平ダクトへ流
れるように分流され、分流板の無い場合に比較し、折流
区下方の巻線を多量の冷却媒体で冷却し、巻線の温度上
昇は低くなる。特に、折流区下部の巻線の温度上昇が、
分流板の無い場合に比較し大幅に低減できる。

【００２０】一方、分流板の上方の水平ダクトへは、分
流板の無い場合に比較し冷却媒体の流量は減少するが、
分流板の無い場合、多量の冷却媒体が流れ必要以上に巻
線を冷却していたのでその欠点が解除され、より均等に
巻線は冷却されることになる。

【００２１】このことを試験データにより示す。図３
は、巻線冷却特性試験装置概略系統図で、巻線モデル２
１を収納した巻線モデル容器２２，冷却器２３，ブロワ
２４，流量計２５，流量調整バルブ２６を配管２７，配
管２７′により冷却媒体が循環するように構成されてい
る。流量調整バルブ２６は冷却媒体の循環流量を自由に
変化できるように挿入してある。また、冷却媒体の運転
条件を測定するための圧力計２８，温度計２９が流量計
２５の上流側に取り付けられており、また、この系統内
の媒体を冷却媒体であるＳＦ₆ ガスに入れ替えるために
真空抜き用配管３０，ガス充填用配管３１が配管２７′
に取り付けられている。また、冷却器には冷却水入り口
３２と冷却水出口３３が取り付けられており、冷却媒体
を冷却水で冷却する。

【００２２】巻線モデル２１は、幅６mm，高さ１５mmの
銅線内にヒータと熱電対を埋込み、絶縁フィルムを巻い
て模擬導体とし、これを複数本並べて模擬単位巻線と
し、一対の折流板４′からなる折流区あたり１０段の模
擬単位巻線を高さ方向に水平スペーサを介して重ねて形
成されている。測定対象の折流区入り口には冷却媒体用
の温度計３４を挿入してある。図示してないが模擬垂直
スペーサ間の流路幅は８０mmである。

【００２３】巻線モデル２１内に分流板８′を挿入しな
い場合と挿入した場合の冷却特性試験を行った。試験方
法は模擬導体に埋め込まれたヒータに所定の電流を流し
て発熱させ、冷却媒体であるＳＦ₆ ガスを、ブロワ２４
により循環させ、流量調整バルブ２６により種々の流量
に設定して模擬導体の温度を測定した。

【００２４】図４は試験結果の一例を示す温度上昇特性
図で、試験条件は、冷却媒体圧力０.２ＭＰａ，流量３
５５ｌ／分，巻線表面の熱流束８７０Ｗ／ｍ²、また、
巻線モデルの寸法は、流路長（実変圧器では半径方向の
幅に相当）は８０mm，水平ダクト高さ４mm，垂直ダクト
幅２０mmである。図４の横軸は折流区入り口ガス温度か
らの各模擬単位巻線の平均温度上昇で、縦軸は巻線モデ
ルの下部折流板からの模擬単位巻線の高さ方向の番号で
ある。図４において白抜き円で示したのは分流板の無い
場合、黒円は分流板を挿入した場合の結果である。分流
板の垂直ダクトにはみ出した寸法は１５mm、模擬巻線内
の分流板長さは４０mmである。

【００２５】図４から明らかなように、分流板の無い場
合に比べて分流板を挿入した場合には、模擬巻線モデル
の最高温度上昇が低下しており、また、全体の平均温度
上昇も１０.１℃から９.８℃に下がっており、分流板を
挿入した効果が、特に最高温度上昇に関して顕著である
ことが分かる。また、ガスの圧力を変えたり垂直ダクト
の幅を変えた試験の結果、流量調整バルブを全開にした
場合のガスの循環流量は、分流板の無い場合に対して１
〜７％増加しており、巻線内の圧力損失が小さくなる効
果が有る。圧力損失が低下する理由は、水平ダクトへの
流量配分が均等化され、特にガス流量が多く流れる部所
が無くなるためである。

【００２６】図５は本発明による内側垂直ダクト側には
み出す分流板の設置状況を示す一実施例の平面図であ
る。図５において、１は巻線、２は絶縁筒、６′は内側
垂直ダクト、１１は絶縁筒に取り付けられた垂直スペー
サ、８が分流板、１０は水平ダクトを形成させる水平ス
ペーサである。分流板８には垂直スペーサを囲うように
切欠き１２が周方向に複数設けられており、周方向の位
置決めが容易になる効果が有るとともに組立て工数も低
減できる。また、分流板の周方向端部には、隣りあう分
流板の端部と突きあって垂直スペーサを囲うように半分
の幅の切欠き12′が設けられる。分流板の半径方向の幅
は巻線１の幅より狭く、分流板の上下を通過した冷却媒
体は、その後流で合流し、上下の巻線を冷却することが
できる。

【００２７】図６は本発明による一実施例の外側垂直ダ
クト側にはみ出す分流板の形状を示す平面図である。図
６において、１は巻線、２は絶縁筒、７′は外側垂直ダ
クト、８は分流板で、分流板８の外側には絶縁筒に届く
ように支持部１３，１３′が周方向に複数設けられてい
る。支持部１３，１３′があるため、半径方向の外側へ
のずれを防止する効果が有る。

【００２８】図７は本発明による一実施例の内側垂直ダ
クトにはみ出す分流板を乗せる水平スペーサを示す部分
斜視図である。水平スペーサ１０は下側水平スペーサ１
０′の上に半径方向外側に支持板１４を貼り付けてあ
る。支持板１４により分流板の半径方向外側へのずれを
防止でき分流板の位置決めが容易となる。なお、分流板
の上下に狭い水平ダクトを形成するため、分流板及び支
持板１４の上に下側スペーサ１０′と同じ形状の上側ス
ペーサを重ねて分流板を挟むようにする。

【００２９】図８は本発明による一実施例の外側垂直ダ
クトにはみ出す分流板を乗せる水平スペーサを示す部分
斜視図である。水平スペーサ１０は下側スペーサ１０′
の上に半径方向内側に支持板１４′を貼り付けてある。
支持板１４′により分流板の半径方向内側へのずれを防
止でき分流板の位置決めが容易となる。

【００３０】図９は本発明による他の実施例の内側垂直
ダクトにはみ出す分流板の形状を示す平面図である。図
９において、分流板８には外側に伸びた支持部１３を設
け、外側端部が外側絶縁筒に接するように長くする。切
欠き１２は内側絶縁筒に付いた垂直スペーサを囲うよう
にする。この分流板を図７に示した下側水平スペーサ１
０′の上に乗せると、分流板の位置決めは容易になる。

【００３１】図１０は本発明による他の実施例の外側垂
直ダクトにはみ出す分流板の形状を示す平面図である。
図１０において、分流板８には切欠き１２を有する内側
に伸びた支持部１３″を設け、切欠き１２が内側絶縁筒
に付いた垂直スペーサを囲うようにする。図９に示した
場合と同様に、本実施例でも分流板の位置決めは容易に
なる。

【００３２】図１１は本発明による他の実施例の巻線部
分断面概略図である。本実施例では、図１に示した場合
の一折流区内の分流板の数を複数枚にした場合で、この
場合も図１と同様に折流区下方部の巻線温度上昇を低減
できるとともに、更に巻線温度上昇分布を均一化できる
効果が有る。

【００３３】

【発明の効果】以上説明した本発明の変圧器巻線によれ
ば、折流区の高さ方向中央付近に設けられた分流板によ
り、その下方の水平ダクトへの冷却媒体流量が増加し、
分流板の無い場合に比較し折流区下方の巻線の温度上昇
は低減され、特に巻線の最高温度上昇が小さくなる。ま
た、巻線全体の平均温度上昇も低下するし、分流板を挿
入することにより、流量分布が均一化され折流区内の圧
力損失が小さくなり、冷却媒体の循環流量が増加し、巻
線の温度上昇はさらに低下できる効果が有る。

【００３４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変圧器巻線の一実施例を示す部分断面
図である。

【図２】本発明の変圧器巻線の一実施例を示す部分斜視
図である。

【図３】本発明の効果を確認するための巻線冷却特性試
験装置概略系統図である。

【図４】本発明による試験結果の一例を示す温度上昇特
性図である。

【図５】本発明による内側垂直ダクトにはみ出す分流板
の設置状況を示す平面図である。

【図６】本発明による外側垂直ダクトにはみ出す分流板
の形状を示す平面図である。

【図７】本発明による内側垂直ダクトにはみ出す分流板
を乗せる水平スペーサの斜視図である。

【図８】本発明による外側垂直ダクトにはみ出す分流板
を乗せる水平スペーサの斜視図である。

【図９】本発明による他の実施例の内側垂直ダクトには
み出す分流板形状の平面図である。

【図１０】本発明による他の実施例の外側垂直ダクトに
はみ出す分流板形状の平面図である。

【図１１】本発明による他の実施例の巻線部分断面概略
図である。

【符号の説明】

１…巻線、２…絶縁筒、３…単位巻線、４…折流板、５
…折流区入口、６…入口側垂直ダクト、７…出口側垂直
ダクト、８…分流板、９…水平ダクト、９′…狭い水平
ダクト、１０…水平スペーサ、１１…垂直スペーサ。

フロントページの続き (72)発明者 梅根 ▲巌▼ 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株 式会社 日立製作所 国分工場内 (56)参考文献 特開 昭52−28618（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−145026（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 27/28

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鉄心脚の周りに、絶縁筒を隔壁として円板
   状巻線あるいはヘリカル状巻線を水平スペーサにより一
   定の間隔を置いて軸方向に積層し、前記巻線と内外両側
   の絶縁筒の間に、軸方向の垂直スペーサを挿入して垂直
   ダクトを形成すると共に、巻線全体の軸方向に、複数枚
   の折流板を内外交互に開口部を設けて挿入し複数の折流
   区を形成し、該折流区を絶縁冷却媒体が軸方向にジグザ
   グに流れる変圧器巻線において、 前記各折流区における高さ方向の中央付近の巻線間に、
   前記巻線端から絶縁冷却媒体の折流区への入り口側垂直
   ダクトにはみ出させると共に、半径方向の幅を前記巻線
   の半径方向の幅より狭くした分流板を配置し、かつ、該
   分流板は、水平ダクトの上下に流路を構成するように前
   記水平スペーサに挟み込まれて形成され、この分流板に
   より前記絶縁冷却媒体のある割合の流量を、前記分流板
   の下方の水平ダクト内に強制的に分流させることを特徴
   とする変圧器巻線。
2. 【請求項２】前記分流板は、一折流区内に高さ方向の位
   置を変えて複数個配置されていることを特徴とする請求
   項１記載の変圧器巻線。
3. 【請求項３】前記分流板は、内径側垂直ダクトを構成す
   る垂直スペーサを囲うように切り欠きが設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の変圧器巻線。
4. 【請求項４】前記分流板は、その周方向長さが複数枚の
   水平スペーサに相当する長さであることを特徴とする請
   求項１記載の変圧器巻線。