JP3544465B2

JP3544465B2 - 単相単巻変圧器

Info

Publication number: JP3544465B2
Application number: JP35803097A
Authority: JP
Inventors: 正一山本; 憲一河村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH11186070A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単相負荷時タップ切換変圧器に関り、特に直列巻線、分路巻線、三次巻線、励磁巻線、タップ巻線を有し、タップ巻線は直列巻線及び分路巻線の相電圧を一定に保つため、直列巻線もしくは分路巻線と直列に接続される単相単巻変圧器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超々高圧の送電系統に使用する変圧器のうち、大容量のものは輸送上の問題から単相単巻変圧器を複数台組合せて三相構成するのが主流である。この変圧器のうち変電所用のものは、高圧巻線、中圧巻線の他に第３調波励磁電流を循環させるための三次巻線を備えている。三次巻線の遮断器の遮断容量を低減し、なおかつ短絡電流による電磁機械力も抑えるためには三次巻線と他巻線とのインピーダンスを大きくする必要がある。
【０００３】
一次〜三次および二次〜三次のインピーダンスを大きくとれる変圧器として、例えば、図７に示すように主脚に内側から三次巻線、タップ巻線、分路巻線、直列巻線を配置した単巻変圧器があげられる。
【０００４】
この構造では三次巻線と分路巻線との間にタップ巻線があるため、必然的に三次巻線と他巻線との主絶縁距離が大きくなり、三次巻線と他巻線とのインピーダンスは大きくなる。このため、巻線最外径が大きくなり、輸送寸法上の問題が生じる可能性がある。
【０００５】
また、電圧切換（タップ位置の変化）による負荷損増大の低減、三次巻線の実質容量の増大の低減を目的として、前述の図８の構造においてタップ巻線を主脚の三次〜分路巻線間に配置せず、励磁巻線と共に側脚に配置し、励磁巻線と分路巻線を並列に接続した図８に示す構造が特開昭６１−２１４４０９号公報に提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この構造において三次〜他巻線間のインピーダンスを大きくするためには、限流リアクトルを用いるか、三次巻線と分路巻線間の主絶縁距離を広げる必要があり、リアクトルを製作する場合の手間や機器の大形化の問題がいずれにしても生じてくる。
【０００７】
近年の変圧器の大容量化は一般的には変圧器寸法の増大を招く傾向にあるが、輸送制限を考慮した場合、巻線外径はできるだけ小さく抑え、それでいて上記のような性能（三次インピーダンスを大きくする等）を満足する変圧器の開発が望まれている。
【０００８】
本発明の目的は、変圧器の容量増加に対しても巻線直径を大きくすることなく、輸送制限を満足することができる単相単巻変圧器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、請求項１の単相単巻変圧器は、主脚と２つの側脚から成る単相３脚鉄心と、分割した分路巻線及び直列巻線を前記主脚及び一方側の側脚とに配置し、他方側の側脚に励磁巻線及びタップ巻線を配置し、前記タップ巻線を直列巻線もしくは分路巻線に直列に接続し、三次巻線を前記主脚鉄心と分路巻線との間に配置することにある。
【００１０】
請求項２の単相単巻変圧器は、主脚と２つの側脚から成る単相３脚鉄心と、分割した分路巻線及び直列巻線を前記主脚及び一方側の側脚とに配置し、他方側の側脚に励磁巻線及びタップ巻線を配置し、前記タップ巻線を直列巻線もしくは分路巻線に直列に接続し、三次巻線を前記主脚鉄心と分路巻線との間に配置し、一方側の側脚と主脚に配置した一方側の分路巻線及び直列巻線と他方側の分路巻線及び直列巻線との巻線巻回数を増減して、主脚及び側脚に巻回し巻線直径を任意の直径することにある。
【００１１】
請求項３の単相単巻変圧器は、主脚と２つの側脚からなる単相３脚鉄心と、分割した分路巻線及び直列巻線を前記主脚及び一方側の側脚とに配置し、他方側の側脚に励磁巻線及びタップ巻線を配置し、前記タップ巻線を直列巻線もしくは分路巻線に直列に接続し、前記一方側の側脚に配置する三次巻線のターン数を増加させることにある。
【００１２】
請求項４の単相単巻変圧器は、前記主脚の直列巻線と一方側の側脚の直列巻線を直列に接続し、前記主脚の分路巻線と一方側の側脚の分路巻線及び他方側の側脚の励磁巻線を並列に接続したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１記載にある。
【００１３】
請求項５の単相単巻変圧器は、前記主脚の直列巻線と一方側の側脚の直列巻線を並列に接続し、前記主脚の分路巻線と一方側の側脚の分路巻線を直列に接続し、他方側の側脚の励磁巻線を二つの分路巻線と並列に接続したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１記載にある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について図１、図２により説明する。
【００１５】
図１は単相単巻変圧器の結線図である。この結線図で第１及び第２分路巻線５，７と第１及び第２直列巻線６，８とは分割されている。第１直列巻線６と第２直列巻線８を直列に接続し、第２直列巻線８に第１分路巻線５及び第２分路巻線７間に接続し、両分路巻線５，７間は並列に接続されている。第２分路巻線７には並列に励磁巻線９及びタップ巻線１０を接続し、励磁巻線９とタップ巻線１０との間に設けたタップ選択器１０Ｓを移動し、任意のタップ電圧を選択している。
【００１６】
この結線図による単相単巻変圧器の巻線配置を図２により説明する。単相３脚鉄心１００は主脚１と２つの第１及び第２側脚２，３から成なる。主脚１に内側から三次巻線４、第１分路巻線５、第１直列巻線６を配置している。第１側脚２に内側より第２分路巻線７、第２直列巻線８を配置している。第２側脚３に内側より励磁巻線９及びタップ巻線１０を配置している。
【００１７】
タップ巻線１０は両分路巻線５，７の線路に接続した中圧線路切換方式の変圧器である。ここで第１直列巻線６と第２直列巻線８は直列に接続しており、第１分路巻線５と第２分路巻線７は並列に接続している。励磁巻線９は両分路巻線５，７と並列に接続したものである。
【００１８】
また図３，図４の実施例は図１の実施例と巻線の個数、配置、タップ巻線の接続は同一であるが、第１直列巻線６と第２直列巻線８を並列に接続し、第１分路巻線５と第２分路巻線７を直列に接続したことが異なっている。
【００１９】
この構成において、三次インピーダンスを巻線外径を増加させることなく、（巻線間距離を広げることなく）大きくできる理由を図５（ａ）、（ｂ）により説明する。
【００２０】
図５（ａ）は主脚の内側から三次巻線、分路巻線、直列巻線を配置した従来の図７に相当する単巻変圧器の巻線配置を示している。タップ巻線は励磁巻線と共に側脚に配置されているが、ここでは考えないことにする。これ以後説明の便宜上、分路巻線（中圧巻線）を二次巻線、直列巻線（高圧巻線）を一次巻線とする。
【００２１】
一般に巻線間のインピーダンスは（式１）で示すように巻線の巻回数の２乗と巻線間距離との積に比例する。従って、図５（ａ）の変圧器の二次〜三次インピーダンス％Ｚｔｃと一次〜二次インピーダンス％Ｚｓｃはそれぞれ（式２）と（式３）で表される。
【００２２】
【数１】
％インピーダンス∝（巻回数）^２×巻線間距離 …（式１）
％Ｚｔｃ＝ｋｔｃ・ｎｔ^２×Δｔｃ …（式２）
％Ｚｓｃ＝ｋｓｃ・ｎｓ^２×Δｓｃ …（式３）
ここで、ｋｔｃ、ｋｓｃは比例定数、ｎｔ、ｎｓはそれぞれ三次巻線、直列巻線の巻回数、Δｔｃ、Δｓｃはそれぞれ三次〜分路巻線間及び一次〜二次巻線間の距離を示している。
【００２３】
図５（ｂ）は実施例１の単相単巻変圧器の巻線配置を示しており、主脚１には内側から三次巻線４、第１分路巻線５、第１直列巻線６を配置している。第１側脚２には内側より第２分路巻線７、第２直列巻線８を配置している。また、主脚１の第１直列巻線６と第１側脚２の第２直列巻線８を直列に接続し、主脚１の第１分路巻線５と第１側脚の第２分路巻線７を並列に接続している。ここで図５（ｂ）の変圧器は図５（ａ）の変圧器と同一仕様であることを前提としているため、三次巻線と主脚の分路巻線の巻回数、三次〜分路巻線間距離は図５（ａ）のそれと同じにする。
【００２４】
第１側脚２の第２分路巻線７の巻回数は、実際、主脚１と第１側脚２の断面積が異なるため、主脚１の第１分路巻線５のそれとは異なるが、考えやすくするため同じく巻回数ｎｃとする。また、主脚１及び第１側脚２の両直列巻線６，８の巻回数はそれぞれｎ’ｓ、ｎ’’ｓとし、主脚１及び第１側脚２の直列〜分路巻線間距離はそれぞれΔｓ’ｃ、Δｓ’’ｃとする。ここで、図５（ｂ）の変圧器の二次〜三次インピーダンス％Ｚ’ｔｃは（式４）で示すように、図５（ａ）の変圧器の二次〜三次インピーダンス％Ｚｔｃと同じになる。
【００２５】
【数２】
％Ｚ´ｔｃ＝ｋｔｃ・ｎｔ^２×Δｔｃ＝％Ｚｔｃ …（式４）
一方、一次〜二次インピーダンス％Ｚ’ｓｃは（式５）で示すように、主脚１及び第１側脚２の直列巻線と分路巻線間のインピーダンスの和で表せる。
【００２６】
【数３】
％Ｚ´ｓｃ＝ｋ´ｓｃ・ｎ´ｓ^２×Δｓ´ｃ＋ｋ´´ｓｃ・ｎ´´ｓ^２×Δｓ´´ｃ…（式５）
（条件）

ここで（式６）で示すような、すなわち、主脚１及び第１側脚２の両直列巻線６，８の巻回数の和が図５（ａ）の変圧器の直列巻線の巻回数に等しい。即ち両直列巻線６，８は主脚１と第１側脚２に半々ずつに分割する。このため主脚１及び第１側脚２の直列〜分路巻線間距離は図５（ａ）の変圧器のそれと同一とするという条件を仮定すると、％Ｚ’ｓｃは（式７）で示めされる。
【００２７】
【数４】

（式７）では図５（ａ）の変圧器の一次〜二次インピーダンス％Ｚｓｃの半分になる。つまり、本発明の変圧器のニ次〜三次インピーダンスと一次〜ニ次のインピーダンスの比は従来変圧器のそれに比べて大きい。
【００２８】
即ち、従来変圧器と本発明変圧器の一次〜二次インピーダンスを同一に合わせた場合、本発明の変圧器の二次〜三次インピーダンスは従来変圧器の２倍に大きくなることを示している。
【００２９】
このため、三次巻線４のインピーダンスは図８のインピーダンスに比べて２倍になるから、三次巻線４を流れる短絡電流も半分になり、短絡電流による電磁機械力を半分にできる。
【００３０】
これらのインピーダンスを有する巻線は図６に示す変圧器のタンク２０に配置すると、主脚１に巻回された三次巻線４の直径を１０Ｗとすれば、第１分路巻線５及び第１直列巻線６と第２分路巻線７と第２直列巻線８とに分割しているから、各巻線直径５Ｗとなり、全巻線直径２０Ｗであるが、図８の分路巻線及び直列巻線は変圧器の主脚１にのみ巻回され側脚に分割されていないから、分路巻線及び直列巻線と三次巻線４の各巻線直径１０Ｗとなり、全巻線直径３０Ｗである。従って、図８の全巻線直径３０Ｗに対して、本発明の全巻線直径２０Ｗであるから、本発明では全巻線直径Ｗを縮小できるので、鉄道車両での運送時の輸送制限上の問題が解消できる。上述は実施例１を例にしたものであるが、実施例２においても同じことがいえる。
【００３１】
このように本発明の単相単巻変圧器は、三次インピーダンスの増大に有効なだけでなく、直列巻線及び分路巻線を主脚と側脚に分配していることから、変圧器の大容量化に対しても巻線最外径を大きくしなくてすむという利点がある。
【００３２】
図１、２の実施例は中圧の電圧切換の例であるが、本発明は高圧の電圧切換すなわちタップ巻線が直列巻線と直列に接続される場合にも適用できることは勿論である。
【００３３】
また主脚１を小型化するには一方側の側脚２と主脚１に配置した一方側の分路巻線５及び直列巻線６と他方側の分路巻線７及び直列巻線８との巻線巻回数を増減して、主脚１及び側脚２に巻回すれば、巻線直径Ｗを任意の直径することができる。たとえば分路巻線５及び直列巻線６の巻回数を各直径が４Ｗに成るように巻回し、また分路巻線７及び直列巻線８の巻回数を各直径が６Ｗに成るように巻回すれば、三次巻線４の直径が１０Ｗであるから、主脚１の全巻線の直径を１８Ｗにすることが出来る。
【００３４】
更に、第１側脚２と第２分路巻線７との間に三次巻線４を配置する場合には、主脚１の直径に比べて第１側脚２の直径が縮小した分、三次巻線４の巻回数を増加して、主脚１側の巻線直径を更に縮小出来る。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明のように本発明による単相単巻変圧器においては、直列巻線および分路巻線を従来不使用の側脚に分配、配置することにより、限流リアクトル無しに三次インピーダンスを大きくすることができ、変圧器の容量増加に対しても巻線直径を大きくすることなく、単相単巻変圧器の小形化が実現でき、輸送制限を満足することが出来るようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例として示した単相単巻変圧器の結線図。
【図２】図１の単相単巻変圧器の巻線配置図。
【図３】本発明の他の実施例として示した単相単巻変圧器の結線図。
【図４】図３の単相単巻変圧器の巻線配置図。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は従来及び図２の単巻変圧器の巻線配置図。
【図６】図２の単相単巻変圧器の巻線をタンクに配置した平面図。
【図７】従来の単巻変圧器の巻線配置図。
【図８】従来の単巻変圧器の巻線配置図。
【符号の説明】
１…主脚、２…第１側脚、３…第２側脚、４…三次巻線、５…第１分路巻線、６…第１直列巻線、７…第２分路巻線、８…第２直列巻線、９…励磁巻線、１０…タップ巻線。

Claims

主脚と２つの側脚から成る単相３脚鉄心と、前記主脚及び一方側の側脚へそれぞれ配置されている分割された分路巻線と、前記主脚及び一方側の側脚へそれぞれ配置されている分割された直列巻線と、他方側の側脚に配置された励磁巻線と、前記直列巻線もしくは分路巻線に直列に接続されたタップ巻線と、前記主脚鉄心と分路巻線との間に配置された三次巻線とを備えたことを特徴とする単相単巻変圧器。
主脚と２つの側脚から成る単相３脚鉄心と、前記主脚及び一方側の側脚へそれぞれ配置されている分割された分路巻線と、前記主脚及び一方側の側脚へそれぞれ配置されている分割された直列巻線と、他方側の側脚に配置された励磁巻線と、前記直列巻線もしくは分路巻線に直列に接続されたタップ巻線と、前記主脚鉄心と分路巻線との間に配置された三次巻線とを備え、一方側の側脚と主脚に配置した一方側の分路巻線及び直列巻線と他方側の分路巻線及び直列巻線との巻線巻回数を増減して、主脚及び側脚に巻回し巻線直径を任意の直径にすることを特徴とする単相単巻変圧器。
主脚と２つの側脚からなる単相３脚鉄心と、前記主脚及び一方側の側脚へそれぞれ配置されている分割された分路巻線と、前記主脚及び一方側の側脚へそれぞれ配置されている分割された直列巻線と、他方側の側脚に配置された励磁巻線と、前記直列巻線もしくは分路巻線に直列に接続されたタップ巻線と、前記一方側の側脚鉄心と前記分路巻線との間に配置された三次巻線とを備えたことを特徴とする単相単巻変圧器。
前記主脚の直列巻線と一方側の側脚の直列巻線を直列に接続し、前記主脚の分路巻線と一方側の側脚の分路巻線及び他方側の側脚の励磁巻線を並列に接続した請求項１ないし３のいずれか１記載の単相単巻変圧器。
前記主脚の直列巻線と一方側の側脚の直列巻線を並列に接続し、前記主脚の分路巻線と一方側の側脚の分路巻線を直列に接続し、他方側の側脚の励磁巻線を二つの分路巻線と並列に接続した請求項１ないし３のいずれか１記載の単相単巻変圧器。