JP3653581B2 - 変圧器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄心とその周囲に互いに同心上に配置された低圧巻線，高圧巻線とをタンクに内に配置した変圧器に係り、特に鉄製のタンクを用いるのに好適な変圧器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、送電系統の大容量化にニーズに対応して、送電系統全体の見直しが求められている。特に、大都市においては電力需要が年々増加していることから、その電力需要に対しては、大都市内部の各所に変電所を設け、各変電所により分散供給する方向へと系統の変更が開始されつつある。
【０００３】
このように大都市内部に変電所を新たに設ける場合、土地利用効率の観点から、これまで山間地に設置してきた変電所のような広大な敷地を与えることができたが、例えばビル，公園等の地下の狭い場所に設置することが求められる。従って、今後需要の急増する都市型変電所は、地下変電所となり、そのため、装置的には次に述べるような要求が課せられる。
【０００４】
まず、第一点目は小型化である。その理由は、地下変電所としてはすでに過密化した都市の一区画に収まるよう、また設置手順を考慮した大きさでなくてはならない。
【０００５】
第二点目は不燃化である。その理由は、絶縁破壊などによる変圧器の出火の可能性は、従来に比べ、人口密集地では重大な事故を招く。
【０００６】
しかし、これら二つの要件は変圧器の設計に伴って相反するものとなる。即ち、まず、装置小型化の要求は必然的に構造物の近接をもたらす。その結果、これまで互いに離れて設置していた巻線と、鉄心の締め金具及びタンク等の導電性磁性体構造物とが近接するようになると、巻線間隙から漏洩する磁束によって渦電流が発生しやすくなる。これにより、構造物の発熱が増大する。
【０００７】
一方、不燃化の要求では、これまで油による絶縁・冷却から、不燃性ガスによる絶縁・冷却に切り替えることが要求されるが、不燃性ガスにすると、熱容量の違いから冷却能力が低下する。
【０００８】
このように、二つの要件は、発熱の増大と冷却能力の低下とを同時にもたらすと云う不都合を抱える。従って、地下変電所用の変圧器にあっては、そのような不都合を解決すべき新しい概念が要請される。
【０００９】
一般に、電力用変圧器の多くは、巻線の内部に鉄心を設けた内鉄型で、巻線として、低圧巻線，高圧巻線が一つの鉄心の周囲に同心上に配置されたものを採用している。
【００１０】
また、地上に設置される油絶縁・冷却タイプの変圧器にあっては、三相の同心巻線が三相三脚もしは三相五脚の鉄心に設置され、これを一つの長型タンクに収めるものが主流である。その際、三相をひとつのタンクに収める場合、各相が発生する渦電流は夫々１２０度ずつ位相が異なるために全体としては相殺することができ、そのため、各巻線に近接する局部を除いて大域的な電流経路は発生しない。
【００１１】
しかし、地下に設置しようとするガス絶縁・冷却タイプの変圧器にあっては、１０気圧程度の高圧ガスを封入するため、単相ごとに円筒形の高圧タンクに収める必要がある。但し、この場合、単相を一つのタンクに収めると、発生する渦電流を相殺する成分がないので、巻線に近接する局部だけでなく、タンクにその周囲に亘るという大域的な経路の渦電流が発生することとなる。また、超大容量タンクの変圧器の場合にも、複数の巻線を単相で駆動し、これを一つのタンクに収めるため、同様の問題が起こる。
【００１２】
ガス絶縁・冷却タイプの変圧器及び超大容量タイプの変圧器は最近の開発のものであり、渦電流に対しては今日のところ充分な知見が得られず、また大域的な経路の渦電流の発生も認識されていなかった。本発明者等はコンピュータシミュレーションにより変圧器及びタンク系について三次元的に渦電流を解析したところ、大域的な経路にわたり渦電流が発生してしまうと云う知見を得た。
【００１３】
従来、第一の従来技術としては、特開平１−８９４０９号公報に示されるように、磁束が侵入する部位に銅板などの低抵抗部材を設けて該部材上に渦電流を発生させ、鉄製の高抵抗部材に磁束が侵入するのを抑制することにより、渦電流による損失を低減するものがある。また、第二の従来技術としては、特開昭６３−１１７４１２号公報，同６２−７３７０３号公報，同６２−３７９１９号公報に示されるように、磁束が侵入する部位に渦電流が発生しにくい積層鋼板を設けて、磁束がタンクに侵入しないようにしたものがある。
【００１４】
また、第三の従来技術としては、特開平２−１８９１２号公報に示されるように、タンク自身をアルミ等の良導体で形成し、渦電流が発生しても損失を少なくするものがある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記に示す従来技術ものを地下変電所の変圧器に利用した場合、以下に述べる問題がある。
即ち、第一，第二の従来技術では、磁束が直接侵入する部位の渦電流を局所的に抑制するのには効果があるものの、上述の如き、大域的な経路にわたり発生する渦電流に対しては効果を期待することができない。
【００１６】
また、第三の従来技術では、タンクをアルミで製作しているので、タンクそのものが鉄製に比較して柔らかくなり、そのため、内蔵する巻線及び鉄心の重量のみならずタンク自身の自重等により、タンクが運搬時に変形してしまう問題がある。この問題を解消しようとして強度を上げるため、タンク肉厚を増加させることが容易に考えられるが、そのようにした場合、鉄より高価なアルミを大量に使用することになるので、コスト増を招く問題がある。
【００１７】
さらに、タンクをアルミのような非磁性体で形成すると、巻線間から発生した漏洩磁束がタンク外部にまで漏れてしまい、別の磁性体構造物に新たな渦電流損失を発生させる。そのため、地下変電所のように複数のタンクが近接配置されるようなところには適さない問題がある。
【００１８】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、単相ごとにタンクに収めるガス絶縁・冷却タイプのものであっても、また大容量タイプのものであっても、タンクの周囲に亘る大域的な経路にわたり発生する渦電流を確実に低減することができる変圧器を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、鉄心と、該鉄心の周囲に互いに同心上に配置された低圧巻線，高圧巻線とを鉄製のタンクに収容した変圧器において、タンクの周壁と前記両巻線の外周との間に、鉄製のタンクより低抵抗導体で形成され、かつ前記両巻線間の巻線間隙からの漏洩磁束と反対方向の磁界を発生させるシールド電流を、周囲に亘って発生し得るシールド手段を設置したことに特徴を有するものである。
【００２０】
本発明では、低圧巻線と高圧巻線間の巻線間隙から漏洩磁束が発生すると、シールド手段が鉄製のタンクより低抵抗導体からなる非磁性材で形成されていることから、その漏洩磁束によってシールド手段に起電力が作用し、そのため、シールド手段にその周りに沿うように渦電流が発生する。
【００２１】
この場合、シールド手段のシールド電流は、低圧巻線及び高圧巻線間の巻線間隙から発生する漏洩磁束と反対方向に磁界を発生させるので、タンクの周壁の内側に渦電流が発生するのを確実に抑制させることができる。即ち、シールド手段自体に渦電流を発生させ、タンクにその周囲に亘るという大域的な渦電流の発生を極力低減する。
【００２２】
その結果、第一，第二の従来技術に比較し、シールド手段により、タンクの周囲のように大域的な経路にわたり発生する渦電流に対して極めて有効となり、タンクの発熱を可及的に抑えることができ、従って、低圧巻線，高圧巻線の巻線と鉄製のタンクとを近接させることができるので、変圧器の小型化を実現できる。しかも、タンクが鉄製の磁性材であるので、アルミ製のタンクを用いる第三の従来技術に比較し、タンクが鉄製の安価なものであるばかりでなく、タンクの強度を維持でき、また運搬時にタンクが変形するのも防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１乃至図２３により説明する。図１及び図２は本発明による変圧器の第一の実施例を示している。
図１に示す実施例の変圧器は、鉄心１の周囲に低圧巻線２と高圧巻線３とが同心上に配置されて内鉄型を形成し、これら鉄心１，低圧巻線２，高圧巻線３により変圧器本体が構成されている。
【００２４】
鉄心１は鋼板を所望枚数積層しており、詳細に図示していないものの、通常では縦方向に三つの脚を有する三脚形状をなしている。そして、低圧巻線２，高圧巻線３は、鉄心１の三脚のうち、中央部の脚に対し同心上に配置されて１相三脚構造をなしている。またタンク４は鉄等の磁性材で形成されており、前記変圧器本体を収容した内部に１０気圧程度の高圧ガスが封入されてガス絶縁・冷却構造をなしている。
【００２５】
このような構成の変圧器は、電圧を印加した場合、図２に示すように、低圧巻線２と高圧巻線３間の巻線間隙５から磁束６が漏洩し、その漏洩した磁束（漏洩磁束）６の一部が、磁性材であるタンク４の周壁４１に吸引され、その周壁４１内を貫通して再び低圧巻線２と高圧巻線３間の巻線間隙５に戻る閉ループを形成する。このとき、タンク４の周壁４１において、その周壁４１の内部領域では、等量の磁束が矢印の如く往復するだけであり、周壁４１が囲む正味の鎖交磁束は存在しない。
しかし、タンク４の周壁４１において、その周壁４１の内側では巻線間隙５を通過する磁束６が正味の鎖交磁束として存在するため、これを打ち消す方向に矢印の如く渦電流７′が発生し、この渦電流７′はタンク周壁４１の周囲に亘る大域的な渦電流となることから、渦電流損をもたらすことになる。
【００２６】
そこで、実施例では、図１に示すように、タンク４内において、タンク４と高圧巻線３との間にシールド手段８が配置されている。該シールド手段８は、本例ではタンク４の周壁４１と高圧巻線３の外周との間に配置され、しかもそれら４１，３に対応して筒状に形成されている。またシールド手段８の材質としては、銅，アルミ等の低抵抗導体からなり、本例では安価な銅板を用いている。
【００２７】
このシールド手段８は、図３に示すように、タンク４の周壁４１に固定された取付け治具９に取付けられている。具体的に述べると、取付け治具９は、タンク４の周壁４１と接する座９１と、その座９１の内側に突設され、かつ溝９３を形成した保持部９２とを有し、ステンレスなどのような非磁性材で構成されている。そして、タンク周壁４１に対し取付け治具９の座９１をボルト１０により固定し、取付け治具９の保持部９２に絶縁スペーサ１１を介しシールド手段８を保持することにより、該シールド手段８をタンク周壁４１と高圧巻線３の外周との間に設置している。この場合、絶縁スペーサ１１としては電気的絶縁機能を果たすため、セラミック或いは絶縁性のゴム等で構成される。ボルト１０は通常の鉄製のものでもよいが、取付け治具９と同材質のものでもよい。
【００２８】
上記の如く、タンク４内にシールド手段８を設置した変圧器を用いた場合、低圧巻線２と高圧巻線３間の巻線間隙５から漏洩磁束６が発生すると、シールド手段８が鉄製のタンク４より低抵抗導体からなる非磁性材で形成されていることから、その漏洩磁束６によってシールド手段８に起電力が作用し、そのため、図１に示す如くシールド手段８にその内周に沿うようにシールド電流７が発生する。
【００２９】
この場合、シールド手段８のシールド電流７は、低圧巻線２及び高圧巻線３間の巻線間隙５から発生する漏洩磁束６と反対方向に磁界を発生させるので、タンク４の周壁４１の内側に図２に示す如く渦電流７′が発生するのを確実に抑制させることができる。即ち、シールド手段８自体にシールド電流７を発生させ、タンク４にその周囲に亘るという大域的な渦電流７′の発生を極力低減する。
【００３０】
その結果、第一，第二の従来技術に比較し、シールド手段８により、タンク４の周囲のように大域的な経路にわたり発生する渦電流に対し極めて有効となり、タンク４の発熱を可及的に抑えることができ、従って、低圧巻線２，高圧巻線３の巻線と鉄製のタンクとを近接させることができるので、変圧器の小型化を実現できる。しかも、発熱が少なく、かつ小型化できるので、不燃ガスでも充分使用に耐えることができ、不燃化を実現し得る。
【００３１】
また、タンク４が鉄製の磁性材であるので、アルミ製のタンクを用いる第三の従来技術に比較し、タンク４が鉄製の安価なものであるばかりでなく、タンクの強度を維持でき、また運搬時にタンクが変形するのも防止することができる。
【００３２】
さらにシールド手段８として、銅板により筒状に形成しているので、シールド手段８を簡単かつ容易に製作することができる。このシールド手段８の大きさ（高さ）としては、タンク４の内壁の高さに沿うものでなく、漏洩磁束６によって形成される閉ループの範囲内に入り込める程度の高さであればよい。
【００３３】
なお、シールド手段８として銅を用いた場合、タンク４の材料である鉄に比較し、１／５０程度の電気抵抗であるため、渦電流は５０対１の割合でほとんどシールド手段８を流れることになり、そのため、鉄製のタンク４に流れようとする渦電流を抑制することができる。このようなシールド手段８を用いた場合のシールド電流の強さは、導体の抵抗率よりもむしろインダクタンスに支配され、ほぼ鎖交磁束を相殺する分だけ流れることとなる。図２に示す従来技術の如く、シールド手段を設けず、タンク４が鉄製となる場合、そのタンク４に流れる渦電流は、シールド手段を設けた場合に比較し、シールド手段に流れるシールド電流の１／３程度と考えられる。渦電流損は抵抗率の一乗，渦電流の二乗に比例する。タンクよりもシールド手段に渦電流を流す方が、渦電流損をほぼ１／１０程度に小さくできることになる。
【００３４】
また、シールド手段８をタンク周壁４１と高圧巻線３との間に設置するとき、上述の如く、タンク周壁４１に固定された非磁性材の取付け治具９にシールド手段８を保持するので、シールド手段８を的確に機能させることができる。なお、取付け治具９は、本例ではタンク周壁４１の全周に亘り接するように固定される例を示したが、その周壁４１に対し複数箇所で固定される形状に形成してもよいのは勿論である。
【００３５】
図４乃至図６は本発明による変圧器の種々の実施例を示している。
図４に示す実施例は、タンク４の周壁４１と高圧巻線３の外周との間に設けたシールド手段８として、適宜の高さを有する筒状の銅板８１を複数（図示では三個）用意し、それら筒状の銅板８１を高さ方向に沿って配設したものである。これら複数の筒状の銅板８１の設置に際しては、基本的に図１に示す第一の実施例と同様の構造であるので、ここではその説明を省略する。
【００３６】
図５及び図６に示す実施例は、シールド手段８として、銅線を環状に巻線することによって形成された環状のシールドコイル８２を複数本用意し、これら複数本のシールドコイル８２を、タンク４内の高さ方向に沿って適宜の間隔を隔てて配設したものである。
【００３７】
また、環状のシールドコイル８２は、タンク周壁４１に固定された取付け治具９に設置されている。この取付け治具９は、図６に示すように、タンク周壁４１と接する座９１と、碍子１２を保持し得る溝を設けた保持部９２とを有し、座９１をボルト１０により固定すると共に、保持部９２に保持した碍子１２に対し、前記環状のシールドコイル８２を締め具１３によって取付けている。従って、シールドコイル８２の設置も図１に示す実施例と基本的には同様である。
【００３８】
これら図４乃至図６に示す実施例によれば、筒状の銅板８１，シールドコイル８２を高さ方向に沿って複数配設したので、高圧巻線３の全体を一枚の銅板で覆うようにした第一の実施例に比較し、材料の使用量を低減することができるので、より低コストで済み、また複数にすることにより、設置時の作業性が良好となる効果もある。特に、図４に示す実施例によれば、筒状に形成された一枚のシールド手段８を用いる第一の実施例に比較し、小型に形成された複数の銅板８１を用いるので、製作が容易となる。
【００３９】
図７は本発明による変圧器の第四の実施例を示している。
図７に示す実施例は、６個の巻線を１相で駆動する超大容量変圧器に適用したものであり、低圧巻線２と高圧巻線３とからなる三個の巻線を有する鉄心１を一つのタンク４に収容している。そのため、３個の巻線を有する鉄心１の上・下部が鉄心締め金具１００により固定されている。
【００４０】
この超大容量変圧器においては、３個の巻線を一つのタンクに収容する超大容量のものであることから、タンクの大きさが鉄道輸送等の関係により寸法上の上限が規定され、またタンクと低圧巻線２，高圧巻線３からなる巻線とが近接することから、タンクに流れる渦電流が大きい。また、一つのタンク内の各巻線は１相で駆動するため、ガス冷却・絶縁変圧器と同様の問題が発生する。３個の巻線においては低圧巻線２，高圧巻線３間の巻線間隙５から磁束が漏洩し、その漏洩磁束の位置が図１の実施例にて述べたようにタンク４の内壁４１を通って再び巻線間隙５に戻る。この場合、３個の巻線間隙から漏洩する磁束は同相であるため、発生する渦電流は相殺することなく、互いに強め合ってタンク内壁上を巻線方向に一周する大域的な流れとなる。
【００４１】
そこで、実施例では図１の実施例の場合と同様、タンク４内においてタンク１と高圧巻線３との間にシールド手段８を設け、該シールド手段８により、巻線間隙５間に発生する漏洩磁束と反対方向の磁束を発生させるシールド電流を流すことにより、渦電流損を抑えたものであり、基本的には図１の実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【００４２】
またこの実施例の場合、シールド手段８として一枚の銅板で構成しているが、図４乃至図６に示す実施例の場合と同様、複数の銅板８１，複数のシールドコイル８２と同様に構成しても良いのは勿論である。
【００４３】
図８乃至図２１は長距離大容量送電用の変圧器に適用した種々の実施例を示している。
前述までの実施例では、地下変電所に設けるのに好適な変圧器について述べた。ところで、今日、発電所の建設においては遠隔地化する一方であり、長距離の大容量化送電が余儀なくされている。このような長距離大容量送電のために１０００ｋＶという超高圧を用いたＵＨＶ送電が計画され、現在このための機器が開発されている。このＵＨＶ用変圧器では大容量化に対応するため、図７に示した如くｕ，ｖ，ｗの各相を単相あたり６対の巻線で駆動し、３対ずつタンクに収納する形式が採用されている。また、ＵＨＶ送電と共に、５００ｋＶという高圧送電で我が国の主要幹線を担う系統変更が計画され、現在、このための機器も開発中である。５００ｋＶ用変圧器においても大容量化に対応するため、図１０に示す如くｕ，ｖ，ｗの各相を２対の巻線で駆動し、単相毎にタンクに収納する形式が採用されている。
【００４４】
ところが、上記ＵＨＶ用変圧器のように２対または３対の巻線がタンク内にある場合、互いに隣り合う巻線対は励磁方向が逆であるため、それら巻線対が隣接する部分では、巻線対に図１２に太線７１にて示す如く巻線間に相間渡り磁束が水平方向に発生する。この相間渡り磁束７１によって発生する起電力はこれと直角になるため、渦電流は上下に方向を変えて流れるのである。そして、タンク４の上部または下部に回った渦電流は、さらに反対側の側面で再び巻線方向に周回し、出発点に戻って大域的な一周経路を形成することとなる。
【００４５】
以下、低圧巻線２及び高圧巻線３からなる巻線を以降の説明では、巻線対と呼び、ここでは２対の巻線対２３ａ，２３ｂを用い、単相２巻線の変圧器の一般的な例を図１１及び図１２を用いて詳細に説明する。
まず、図１０及び図１１に示す一般的な単相２巻線の変圧器は、通常では図示の如きサイドヨーク１ａを有する４脚鉄心１、或いは図示しないが２脚を有する鉄心の各脚に同心上に配置されている。また、これら鉄心１と巻線対２３ａ，２３ｂと鉄心締め金具１００と図示しない絶縁・冷却油とが方形のタンク４に収容されている。
【００４６】
そして、各巻線対２３ａ，２３ｂの巻線間隙５からの漏れ磁束６の一部は、図１１に示すように、磁性体であるタンク４の周壁４１に吸引され、該周壁内を貫通して再び巻線間隙５に戻り、このとき、タンク４の周壁４１において、外壁面４１ａによって囲まれる内部領域では、等量の磁束が往復するのみで、外壁面４１ａが囲む正味の鎖交磁束は存在しないものの、内壁面４１ｂによって囲まれる内部領域では巻線間隙５を通過する磁束が正味の鎖交磁束として存在するため、これを打ち消す方向に渦電流７０が発生し、この渦電流７０が図１２に示す如く、各巻線対２３ａ，２３ｂの隣接部分から離れた部位でタンク４の側面を水平方向に流れる渦電流となる。この点は図２にて前述した場合と同様である。
【００４７】
しかしこの場合、各巻線対２３ａ，２３ｂが隣接する部分では、各巻線対の極性が互いに反転しているため、各巻線対同士を結ぶような相間渡り磁束７１が図１２に示すように発生し、しかも該相間渡り磁束７１が水平方向に発生するため、これによって誘導される大域的循環渦電流７０が各巻線対２３ａ，２３ｂの隣接部分では、垂直方向となってしまう。このため、単相２対の変圧器では、渦電流７０が各巻線対２３ａ，２３ｂの周囲においては水平方向となり、また各巻線対１ａ，１ｂ間の隣接部分においては垂直方向となる結果、図示に細い実線にて示したとおりの大域的循環渦電流７０となってしまう。従って、この大域的循環渦電流７０は、図１２に示す如く、タンク４において各巻線対２３ａ，２３ｂの周囲では水平方向に発生するが、両巻線対の隣接する部分では水平方向から垂直方向にへ向きを変え、タンク４の天井部及び底部を通って反対側の面に周り、再び水平方向に向きが戻る経路となる。
【００４８】
実施例では、前記大域的循環渦電流７０を抑制するため、図８に示すように、各巻線対２３ａ，２３ｂとタンク４の周壁４１との間に、一周シールド手段１５が配置されたものである。即ち、この一周シールド手段１５は図８に示すように、タンク周壁４１と各巻線対２３ａ，２３ｂ及び鉄心１のサイドヨーク１ａとの間において、これら巻線対２３ａ，２３ｂの隣接する部分を除き、両巻線対及びサイドヨーク１ａの周囲を水平方向に沿って覆うように配置された水平シールド部１５ａと、各巻線対２３ａ，２３ｂの隣接する部分の周囲，及びそれに対応する鉄心１の上下部分，並びに鉄心締め金具１００を覆う隣接部分縦シールド部１５ｂとを有して形成されている。この場合、隣接部分縦シールド部１５ｂは、図８において、巻線対２３ａ，２３ｂの隣接部分の正面側及び背面側を上下方向に沿って覆うと共に、鉄心１及び鉄心締め金具１００の上下部を覆うように水平方向に沿って覆う形状をなしている。
【００４９】
なお、この一周シールド手段１５としては、前述した実施例と同様に銅，アルミ等の低抵抗導体からなり、本例では安価な銅線からなる環状のシールドコイル或いは銅板によって形成したのを複数用いている。
【００５０】
上記の如く構成した変圧器においては、図９に示すように、巻線対２３ａ，２３ｂの夫々の巻線間隙５から漏れ磁束６ａ，６ｂが発生すると共に、各巻線対２３ａ，２３ｂ間で相間渡り磁束７１が発生するので、大域的循環渦電流７０が発生しようとする。しかし、この場合、タンク周壁４１と、各巻線対２３ａ・２３ｂ，鉄心１，鉄心締め金具１００との間に一周シールド手段１５が配置され、漏れ磁束６ａ，６ｂに対し一周シールド手段１５の水平シールド部１５ａが鎖交すると共に、相間渡り磁束７１に対し一周シールド手段１５の隣接部分縦シールド部１５ｂが鎖交しているので、水平シールド部１５ａ上に太線矢印に示す如き互いに逆向きとなるシールド電流１６ａ，１６ｂが発生する。即ち、シールド電流１６ａ，１６ｂは、漏れ磁束６ａ，６ｂ及び相間渡り磁束７１の向きに応じ一周シールド手段１５の水平シールド部１５ａに互いに逆方向となり、漏れ磁束６ａ，６ｂを打ち消す方向の磁界を発生する結果、タンク４において２対の巻線対２３ａ，２３ｂによって大域的循環渦電流７０が発生するのを極力低減することができ、従って、図７に示す実施例に比較し、いっそう的確な漏れ抑制効果を果たすことができる。換言すれば、本来タンク４に発生すべき渦電流を、抵抗の小さい一周シールド手段１５が肩代わりすることとなる。
【００５１】
また、前記一周シールド手段１５は、図１２に示す大域的循環渦電流７０を低減するのみならず、漏れ磁束６ａ，６ｂがタンク４に侵入する部位で発生する、局所的循環渦電流７２をも低減することができる。その理由は、一周シールド手段１５は局所的循環渦電流７２の発生要因である、漏れ磁束６ａ，６ｂ自体を低減するからである。なお、この局所的循環渦電流７２は、図１１において、漏れ磁束６がタンク周壁４１に入り込むことによって局所的に水平方向に発生する渦電流である。
【００５２】
さらに、一周シールド手段１５は、鉄心締め金具１００に発生する渦電流をも低減することができる。即ち、図１１に示すように、巻線間隙５から発生した漏れ磁束６の一部６′は鉄心締め金具１００に吸引された後、タンク周壁４１の上部に入り、かつその周壁４１を通って鉄心締め金具１００を経た後、巻線間隙５に戻る経路をとることとなる。この経路の磁束６′は、巻線対２３ａ，２３ｂの高圧巻線３が発生する漏れ磁束であり、低圧巻線２とは鎖交しない。この場合、一周シールド手段１５は前記漏れ磁束６′と鎖交し、大域的循環渦電流７０の場合と同様に低減することができ、従って、鉄心締め金具１００に発生する渦電流をも低減できる。
【００５３】
なお、タンク４の周壁４１には、上記漏れ磁束６′の他、図示していないが、巻線間隙５から鉄心締め金具１００経て鉄心１内を通って戻る経路の磁束があるが、これは低圧巻線２が発生する漏れ磁束であり、高圧巻線３とは鎖交しないので、問題となることはない。
【００５４】
また実施例では、図８及び図９に示す一周シールド手段１５として、適宜の高さをもつ低抵抗導体を巻線対２３ａ，２３ｂの高さ方向に沿って複数設けた例を示したが、図１３に示す如く形状に形成してもよい。即ち、図１３に示す一周シールド手段１５は、水平シールド部１５ａと隣接部分縦シールド部１５ｂとが平板状の低抵抗導体により形成されている。この場合、一枚もので一体的に形成してもよいが、例えば図１４に示す如く、水平シールド部１５ａと隣接部分縦シールド部１５ｂとを夫々別個に形成し、それらの交点を溶接によって固定してもよい。
【００５５】
また、図１５に示すように構成してもよい。即ち、一周シールド手段１５のうち、水平シールド部が上下二つに分割されると共に、水平方向にも二つに分割して計四個に形成され、その各四個の水平シールド部１５ａ′に、各巻線対２３ａ，２３ｂの隣接する部分と対応する隣接部分縦シールド部１５ｂ′が夫々設けられ、これらがタンク４内に配置されることにより、結果的に一周シールド手段１５を形成している。このような分割構造の一周シールド手段１５を形成すれば、特に各巻線対２３ａ，２３ｂの配線を引出す場合、上下左右夫々の水平シールド部１５ａ′の間（或いは左右の隣接部分縦シールド部１５ｂ′の間）から引き出せるので、配線処理が容易となる。
【００５６】
なお、図８に示す実施例をモデル化し、コンピュータによる三次元動磁界解析により検討したところ、一周シールド手段１５の設置により、タンク４上の最大密度で約８６％、最大渦電流密度で約９５％の低減効果と云う試算結果が得られた。このことは、渦電流抑制効果が著しいものであることを証明している。
【００５７】
図１６に本発明の第６の実施例を述べる。この場合、三個の巻線対２３ａ，２３ｂ，２３ｃを有する変圧器に適用している。
【００５８】
まず、単相３巻線を有する変圧器について述べると、図１７に示すように、巻線対２３ａ〜２３ｃ，鉄心１，鉄心締め金具１００を有し、これらが図示しない絶縁・冷却用の油に封入されている。巻線対２３ａ〜２３ｃは通常、図示の如きサイドヨーク１ａを有する５脚鉄心１或いは図示しない３脚を有する鉄心の各脚に巻かれており、タンク４に収容されている。この変圧器の特徴は、各巻線対２３ａ〜２３ｃのうち、両側の巻線対２３ａ，２３ｃの励磁方向が互いに同じである一方、中央側の巻線対２３ｂが他の両側の巻線対２３ａ，２３ｃとは励磁方向が反転していることにある。
【００５９】
そのため、図１８に示すように、一方の巻線対２３ａと中央側の巻線対２３ｂ間では単相２巻線変圧器の場合と同様に相間渡り磁束７１が発生が発生することにより、タンク４の周壁４１では両巻線対２３ａ，２３ｂに対応し、前述した大域的循環渦電流７０が流れる。これに加え、中央側の巻線対２３ｂと他方の巻線対２３ｃ間でも相間渡り磁束７１ａ，７１ｂ（図１６参照）が発生することにより、これらの巻線対２３ｂ，２３ｃに対応し、大域的循環渦電流７０も流れる。この場合の大域的循環渦電流７０は、巻線対２３ａ，２３ｂ間の場合と非対称となる。さらに、タンク４周壁において中央側の巻線対２３ｂと両側の巻線対２３ａ，２３ｃとの隣接部分では、一方の巻線対２３ａと中央側の巻線対２３ｂとの隣接部分間の場合と同様、鉄心１及び鉄心締め金具１００の上部，下部から垂直方向に向き、また中央側巻線対２３ｂの正面側でほぼ水平な向きに変わって、再び中央側巻線対２３ｂと巻線対２３ｃとの隣接する部分で再び垂直方向に向きが変わる大域的循環渦電流７０′も発生することとなる。
【００６０】
そこで、本実施例においては、前記大域的循環渦電流７０，７０′を抑制するための一周シールド手段１５を有している。即ち、該一周シールド手段１５は図１６に示すように、タンク４内と各巻線対２３ａ〜２３ｃ及び鉄心１のサイドヨーク１ａとの間において、各巻線対２３ａ〜２３ｃ及び鉄心サイドヨーク１ａを覆う水平シールド部１５ａと、一端側の巻線対２３ａ，中央側の巻線対２３ｂ間の隣接する部分と中央側の巻線対２３，他端側の巻線対２３ｃ間の隣接する部分とを夫々覆う隣接部分縦シールド部１５ｂ，１５ｃとを有している。
【００６１】
そして、各巻線対２３ａ〜２３ｃの巻線間隙５から漏れ磁束６ａ〜６ｃが発生すると共に、互いに隣り合う巻線対２３ａ，２３ｂ間と２３ｂ，２３ｃ間とに相間渡り磁束７１ａ，７１ｂが発生したとき、これら漏れ磁束６ａ〜６ｃ及び相間渡り磁束７１ａ，７１ｂに対し、一周シールド手段１５の水平シールド部１５ａ及び隣接部分縦シールド部１５ｂ，１５ｃが交差しているので、一周シールド手段１５に矢印方向の向きとなるシールド電流１６ａ〜１６ｃが発生する。その結果、単相３巻線変圧器においても、単相２巻線変圧器の場合と同様、大域的循環渦電流７０，７０′のみならず局所的循環渦電流７２をも抑制することができる。
【００６２】
図１９及び図２０は本発明による変圧器の第七の実施例を示している。
この場合は、単相３巻線の変圧器に一周シールド手段１５を用いたものに適用している。即ち、本実施例の一周シールド手段１５は図１９に示すように、タンク周壁と、各巻線対２３ａ〜２３ｃ，鉄心１のサイドヨーク１ａとの間に、これらを水平方向に沿って覆うよう水平シールド部１５ａと、両側の巻線対２３ａ，２３ｃからの漏洩磁束によって発生するシールド電流１６ａ，１６ｃの向きに対し、中央側の巻線対２３ｂからの漏洩磁束によって発生するシールド電流の向きを同じにする閉ループ部１８とを有している。
【００６３】
該閉ループ部１８は、水平シールド部１５ａの途中位置において、中央側の巻線対２３ｂと対応する部分を積層鋼板１７に巻き付けることにより形成されている。この場合、図２０にて示すように、水平シールド部１５ａの途中位置が積層鋼板１７の下部に対し、外側から内側に周り込んで巻き付くと共に、その積層鋼板１７の内側において下部から斜め上方を経て、さらに積層鋼板の上部表面側に巻き付き、結果的に積層鋼板１７の表面側で二重のループ部１８ａ，１８ｂとなるように形成されている。なお、積層鋼板１７は、巻線対２３ｂの高さとほぼ同じ高さをなしており、厚み方向に複数の鋼板を積層して形成されている。
【００６４】
この変圧器において、各巻線対２３ａ〜２３ｃから漏れ磁束６ａ〜６ｃが発生するが、両側の巻線対２３ａ，２３ｃからの漏れ磁束６ａ，６ｃに対し一周シールド手段１５の水平シールド部１５ａが鎖交しているので、矢印の如くシールド電流１６ａ，１６ｃが流れる。この場合、一周シールド手段１５の途中位置（中央部分）には閉ループ部１８が設けられているので、中央側の巻線対２３ｂからの漏れ磁束６ｂに対しては、それと対向する積層鋼板１７に水平シールド部１５ｂが巻き付けられることによって形成され閉ループ部１８が鎖交することにより、該閉ループ部１８上に、両側の漏れ磁束６ａ，６ｃにより発生するシールド電流１６ａ，１６ｃの向きと同方向のシールド電流１６ｂが発生し、このシールド電流１６ｂとシールド電流１６ａ，１６ｃが重畳されることとなる。
【００６５】
その結果、各巻線対２３ａ〜２３ｃからの漏れ磁束６ａ〜６ｃにより、一周シールド手段１５に重畳されたシールド電流１６が流れるので、タンクに発生する渦電流を抑制することができる。なお、積層鋼板１７には起電力が発生するが、積層方向には導通しないので、渦電流が発生することはほとんどない。また、一周シールド手段１５において積層鋼板１７部分の閉ループ部１８は、積層鋼板１７の外側に対し二重となるように形成し、ループ内磁束が誘導する起電力の方向が逆転し、機能しなくなるのに留意する必要がある。
【００６６】
また、上記積層鋼板１７を有する一周シールド手段１５は、一枚ものの銅板若しくはアルミ板により形成された例を示したが、例えば、図２１に示すように環状のシールドリングを複数用いて形成しても同様の効果を得ることができ、さらに図示していないが、適宜の高さをなす複数の筒状部材により形成してもよいのは勿論である。なお図示実施例では、単相３巻線の変圧器に閉ループ部１８を有するシールド手段１５を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、単相２巻線の場合、隣接する二つの巻線対のうち、何れか一方の巻線対と対応する位置に閉ループ部１８を設けると、上記と同様の作用効果を得ることができるので、単相２巻線の変圧器にも同様に適用することができる。
【００６７】
以上説明した一周シールド手段１５の材料として例えば銅を用いた場合、タンクに用いる鉄に比べ１／１０程度の電気抵抗であるため、渦電流は１０対１程度の割合で大部分この一周シールド手段１５上を流れるようになり、鉄製のタンクに流れる渦電流を１０分の１に抑制することができる。このような系において渦電流の強さは導体の抵抗率よりもむしろインダクタンスに支配され、ほぼ鎖交磁束を相殺する分だけ流れる。従って、一周シールド手段１５を設けない場合も、設ける場合も、全電流はあまり変わらない。渦電流損は抵抗率の一乗、渦電流の二乗に比例する。このことから一周シールド手段を設けた場合、全渦電流損を従来の１／１１程度にできることになる。
【００６８】
以上の内容を式で表現すると、次のようになる。なお、以下の式中、「＝」は概略等しいと意味である。
【００６９】
【数１】
電気抵抗Ｒの関係は Ｒシールド＝０．１×Ｒタンク
【００７０】
【数２】
誘導電流Ｉの関係は １０×Ｉタンク（シールドあり）＝Ｉシールド
【００７１】
【数３】
Ｉタンク（シールドなし）＝Ｉタンク（シールドあり）＋Ｉシールド
【００７２】
【数４】
Ｗ（シールドなし）＝Ｒタンク×（Ｉタンク（シールドなし））2
【００７３】
【数５】
Ｗ（シールドあり）＝Ｒタンク×（Ｉタンク（シールドあり））2＋Ｒシールド×（Ｉシールド）2
【００７４】
【数６】
比率は
なお、図８以降の実施例では、一周シールド手段１５を用いた例を示したが、次に、一周シールド手段１５の取付け例を図２２及び図２３により説明する。
【００７５】
まず、一周シールド手段１５は、タンク周壁４１と、鉄心１，そのサイドヨーク１ａ，巻線対２３ａ〜２３ｃ，鉄心締め金具１００との間の空間に、それらから数ｃｍ程度離して設置するのが望ましい。その理由は、一周シールド手段１５に流れるシールド電流は二次磁束を発生するため、タンク４に近づけ過ぎると、タンク４に二次電流を誘導するおそれがあるからである。従って、図２２及び図２３に示す夫々の取付け治具９は、一周シールド手段１５を離して設置するように構成されている。
【００７６】
即ち、図２２に示す取付け治具９は、一周シールド手段１５として、巻線対２３ａ〜２３ｃ全体を一枚の銅板、或いは複数の筒状からなる銅板で形成したものに適用したものであり、座９１と、溝９３を形成した保持部９２と、溝９３に装着される絶縁スペーサ１１と、ボルト１０とを有し、基本的には図３にて前述したものと同様である。
【００７７】
また、図２３に示す取付け治具９は、一周シールド手段１５として、環状のシールドコイルを複数用いて形成したものに適用したものであり、座９１と、保持部９２と、絶縁碍子１２と、締め具１３と、ボルト１０とを有し、基本的には図６にて前述したものと同様である。
【００７８】
上記図２２，図２３の何れの場合も、鉄等のような磁性体を用いると磁束を吸引し、渦電流による局部発熱が起こるので、ステンレスのような非磁性体或いはセラミック等の絶縁体で取付け治具９を構成することが好ましい。その場合、ステンレス或いはセラミックを用いる場合、鉄製のタンク４に対し溶接等で直付けすることが難しくなるため、ボルト１０を用いることにより、取付け作業性を容易にすることができ、しかもステンレス製のボルト１０で形成すれば、より効果的である。
【００７９】
また、ステンレスは非磁性体であるが導体であるため、一周シールド手段１５によって発生するシールド電流が作る渦電流の発生を避けるため、図２２の如き絶縁スペーサ１１、図２３の如き絶縁碍子１２を設けることが望ましい。但し、流動帯電などによる帯電を避けるため、一周シールド手段１５にはアースをとっておくことが必要である。
【００８０】
なお、これまで述べた図７以降の実施例においては、両側にサイドヨーク１ａを有する鉄心１に２個，３個の巻線対を設けた例を示したが、前述した如く、サイドヨークを設けず、単に２脚或いは３脚を有する鉄心を用いたものにも適用しても、同様の作用効果を得ることができる。
【００８１】
以上述べたように、本発明の請求項１記載の発明によれば、シールド手段を、複数の環状のシールドコイルをタンク周壁と両巻線の外周間においてタンク高さ方向に沿って適宜の間隔を隔てて配設して形成したため、低圧巻線、高圧巻線間の巻線間隙からの漏洩磁束と反対方向の磁界を発生させる渦電流を、周囲に亘って発生するように構成し、タンクの周囲のように大域的な経路にわたり発生する渦電流に対し極めて有効となり、タンクの発熱を可及的に抑えることができ、従って、低圧巻線，高圧巻線の巻線と鉄製のタンクとを近接させることができる結果、変圧器の小型化を実現でき、しかもタンクが鉄製の安価なものであるばかりでなく、タンクの強度を維持でき、また運搬時にタンクが変形するのも防止することができると云う効果がある。
【００８３】
そして、請求項３〜４によれば、一周シールド手段によりタンク周壁に発生する大域的循環渦電流を抑制するように構成したので、長距離大容量送電の変圧器でも、機器の発熱を抑え、損失を低減させることができ、渦電流に対する信頼性を高め得る効果がある。特に、請求項３によれば、各巻線対の巻線間隙からの漏洩磁束のみならず、隣接する巻線対間に発生する相間渡り磁束に対しても有効であるので、大容量であるが故に困難を伴っていた冷却系負荷を軽減することができる効果がある。また請求項３〜４によれば、各巻線対の巻線間隙からの漏洩磁束を容易に抑制でき、安価に製作し得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による変圧器の第一の実施例を示す説明用斜視図。
【図２】従来技術の変圧器を示す説明用斜視図。
【図３】図１の変圧器におけるシールド手段の取付け例を示す要部の説明図。
【図４】本発明による変圧器の第二の実施例を示す説明用斜視図。
【図５】本発明による変圧器の第三の実施例を示す説明用斜視図。
【図６】図５の変圧器におけるシールド手段の取付け例を示す要部の説明図。
【図７】本発明による変圧器を超大容量変圧器に適用した第四の実施例を示す説明用斜視図。
【図８】本発明による変圧器の第五の実施例を示す一周シールド手段を用いたときの説明用斜視図。
【図９】漏れ磁束と相間渡り磁束とシールド電流との関係を示す説明図。
【図１０】電力大容量２巻線変圧器の一般的な例を示す一部破断の説明用斜視図。
【図１１】図１０の変圧器の一部を縦断した説明図。
【図１２】同じく図１０の変圧器における漏れ磁束と渦電流との関係を示す説明用斜視図。
【図１３】一周シールド手段の他の例を示す説明斜視図。
【図１４】図１３に示す一周シールド手段を形成する場合の具体例を示す説明用斜視図。
【図１５】一周シールド手段のさらに他の例を示す説明用斜視図。
【図１６】本発明による変圧器の第六の実施例を示す一周シールド手段を用いたときの説明用斜視図。
【図１７】電力大容量３巻線変圧器の一般的な例を示す一部破断の説明用斜視図。
【図１８】同じく図１７の変圧器における漏れ磁束と渦電流との関係を示す説明用斜視図。
【図１９】本発明による変圧器の第七の実施例を示し、積層鋼板を有する一周シールド手段を用いた斜視図。
【図２０】漏れ磁束と積層鋼板を有する一周シールド手段との関係を示す説明用斜視図。
【図２１】積層鋼板を有する一周シールド手段の他の例を示す斜視図。
【図２２】筒状の一周シールド手段の取付け例を示す要部の説明図。
【図２３】同じく環状の一周シールド手段の取付け例を示す要部の説明図。
【符号の説明】
１…鉄心、２…低圧巻線、３…高圧巻線、４…タンク、４１…タンク周壁、５…巻線間隙、６，６ａ〜６ｃ…漏洩磁束、７…シールド手段に発生する渦電流、７′…タンクの周壁の内側に発生する渦電流、８…シールド手段、８１…複数の筒状の銅板、８２…複数のシールドコイル、１５…一周シールド手段、１５ａ…水平シールド部、１５ｂ…隣接部分縦シールド部、１６ａ〜１６ｃ…シールド電流、２３ａ〜２３ｃ…巻線対、７０…大域的循環渦電流、７１…相間渡り渦電流、７２…局所的循環渦電流。
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄心とその周囲に互いに同心上に配置された低圧巻線，高圧巻線とをタンクに内に配置した変圧器に係り、特に鉄製のタンクを用いるのに好適な変圧器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、送電系統の大容量化にニーズに対応して、送電系統全体の見直しが求められている。特に、大都市においては電力需要が年々増加していることから、その電力需要に対しては、大都市内部の各所に変電所を設け、各変電所により分散供給する方向へと系統の変更が開始されつつある。
【０００３】
このように大都市内部に変電所を新たに設ける場合、土地利用効率の観点から、これまで山間地に設置してきた変電所のような広大な敷地を与えることができたが、例えばビル，公園等の地下の狭い場所に設置することが求められる。従って、今後需要の急増する都市型変電所は、地下変電所となり、そのため、装置的には次に述べるような要求が課せられる。
【０００４】
まず、第一点目は小型化である。その理由は、地下変電所としてはすでに過密化した都市の一区画に収まるよう、また設置手順を考慮した大きさでなくてはならない。
【０００５】
第二点目は不燃化である。その理由は、絶縁破壊などによる変圧器の出火の可能性は、従来に比べ、人口密集地では重大な事故を招く。
【０００６】
しかし、これら二つの要件は変圧器の設計に伴って相反するものとなる。即ち、まず、装置小型化の要求は必然的に構造物の近接をもたらす。その結果、これまで互いに離れて設置していた巻線と、鉄心の締め金具及びタンク等の導電性磁性体構造物とが近接するようになると、巻線間隙から漏洩する磁束によって渦電流が発生しやすくなる。これにより、構造物の発熱が増大する。
【０００７】
一方、不燃化の要求では、これまで油による絶縁・冷却から、不燃性ガスによる絶縁・冷却に切り替えることが要求されるが、不燃性ガスにすると、熱容量の違いから冷却能力が低下する。
【０００８】
このように、二つの要件は、発熱の増大と冷却能力の低下とを同時にもたらすと云う不都合を抱える。従って、地下変電所用の変圧器にあっては、そのような不都合を解決すべき新しい概念が要請される。
【０００９】
一般に、電力用変圧器の多くは、巻線の内部に鉄心を設けた内鉄型で、巻線として、低圧巻線，高圧巻線が一つの鉄心の周囲に同心上に配置されたものを採用している。
【００１０】
また、地上に設置される油絶縁・冷却タイプの変圧器にあっては、三相の同心巻線が三相三脚もしは三相五脚の鉄心に設置され、これを一つの長型タンクに収めるものが主流である。その際、三相をひとつのタンクに収める場合、各相が発生する渦電流は夫々１２０度ずつ位相が異なるために全体としては相殺することができ、そのため、各巻線に近接する局部を除いて大域的な電流経路は発生しない。
【００１１】
しかし、地下に設置しようとするガス絶縁・冷却タイプの変圧器にあっては、１０気圧程度の高圧ガスを封入するため、単相ごとに円筒形の高圧タンクに収める必要がある。但し、この場合、単相を一つのタンクに収めると、発生する渦電流を相殺する成分がないので、巻線に近接する局部だけでなく、タンクにその周囲に亘るという大域的な経路の渦電流が発生することとなる。また、超大容量タンクの変圧器の場合にも、複数の巻線を単相で駆動し、これを一つのタンクに収めるため、同様の問題が起こる。
【００１２】
ガス絶縁・冷却タイプの変圧器及び超大容量タイプの変圧器は最近の開発のものであり、渦電流に対しては今日のところ充分な知見が得られず、また大域的な経路の渦電流の発生も認識されていなかった。本発明者等はコンピュータシミュレーションにより変圧器及びタンク系について三次元的に渦電流を解析したところ、大域的な経路にわたり渦電流が発生してしまうと云う知見を得た。
【００１３】
従来、第一の従来技術としては、特開平１−８９４０９号公報に示されるように、磁束が侵入する部位に銅板などの低抵抗部材を設けて該部材上に渦電流を発生させ、鉄製の高抵抗部材に磁束が侵入するのを抑制することにより、渦電流による損失を低減するものがある。また、第二の従来技術としては、特開昭６３−１１７４１２号公報，同６２−７３７０３号公報，同６２−３７９１９号公報に示されるように、磁束が侵入する部位に渦電流が発生しにくい積層鋼板を設けて、磁束がタンクに侵入しないようにしたものがある。
【００１４】
また、第三の従来技術としては、特開平２−１８９１２号公報に示されるように、タンク自身をアルミ等の良導体で形成し、渦電流が発生しても損失を少なくするものがある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記に示す従来技術ものを地下変電所の変圧器に利用した場合、以下に述べる問題がある。
即ち、第一，第二の従来技術では、磁束が直接侵入する部位の渦電流を局所的に抑制するのには効果があるものの、上述の如き、大域的な経路にわたり発生する渦電流に対しては効果を期待することができない。
【００１６】
また、第三の従来技術では、タンクをアルミで製作しているので、タンクそのものが鉄製に比較して柔らかくなり、そのため、内蔵する巻線及び鉄心の重量のみならずタンク自身の自重等により、タンクが運搬時に変形してしまう問題がある。この問題を解消しようとして強度を上げるため、タンク肉厚を増加させることが容易に考えられるが、そのようにした場合、鉄より高価なアルミを大量に使用することになるので、コスト増を招く問題がある。
【００１７】
さらに、タンクをアルミのような非磁性体で形成すると、巻線間から発生した漏洩磁束がタンク外部にまで漏れてしまい、別の磁性体構造物に新たな渦電流損失を発生させる。そのため、地下変電所のように複数のタンクが近接配置されるようなところには適さない問題がある。
【００１８】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、単相ごとにタンクに収めるガス絶縁・冷却タイプのものであっても、また大容量タイプのものであっても、タンクの周囲に亘る大域的な経路にわたり発生する渦電流を確実に低減することができる変圧器を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、鉄心と、該鉄心の周囲に互いに同心上に配置された低圧巻線，高圧巻線とを鉄製のタンクに収容した変圧器において、タンクの周壁と前記両巻線の外周との間に、鉄製のタンクより低抵抗導体で形成され、かつ前記両巻線間の巻線間隙からの漏洩磁束と反対方向の磁界を発生させるシールド電流を、周囲に亘って発生し得るシールド手段を設置したことに特徴を有するものである。
【００２０】
本発明では、低圧巻線と高圧巻線間の巻線間隙から漏洩磁束が発生すると、シールド手段が鉄製のタンクより低抵抗導体からなる非磁性材で形成されていることから、その漏洩磁束によってシールド手段に起電力が作用し、そのため、シールド手段にその周りに沿うように渦電流が発生する。
【００２１】
この場合、シールド手段のシールド電流は、低圧巻線及び高圧巻線間の巻線間隙から発生する漏洩磁束と反対方向に磁界を発生させるので、タンクの周壁の内側に渦電流が発生するのを確実に抑制させることができる。即ち、シールド手段自体に渦電流を発生させ、タンクにその周囲に亘るという大域的な渦電流の発生を極力低減する。
【００２２】
その結果、第一，第二の従来技術に比較し、シールド手段により、タンクの周囲のように大域的な経路にわたり発生する渦電流に対して極めて有効となり、タンクの発熱を可及的に抑えることができ、従って、低圧巻線，高圧巻線の巻線と鉄製のタンクとを近接させることができるので、変圧器の小型化を実現できる。しかも、タンクが鉄製の磁性材であるので、アルミ製のタンクを用いる第三の従来技術に比較し、タンクが鉄製の安価なものであるばかりでなく、タンクの強度を維持でき、また運搬時にタンクが変形するのも防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１乃至図２３により説明する。図１及び図２は本発明による変圧器の第一の実施例を示している。
図１に示す実施例の変圧器は、鉄心１の周囲に低圧巻線２と高圧巻線３とが同心上に配置されて内鉄型を形成し、これら鉄心１，低圧巻線２，高圧巻線３により変圧器本体が構成されている。
【００２４】
鉄心１は鋼板を所望枚数積層しており、詳細に図示していないものの、通常では縦方向に三つの脚を有する三脚形状をなしている。そして、低圧巻線２，高圧巻線３は、鉄心１の三脚のうち、中央部の脚に対し同心上に配置されて１相三脚構造をなしている。またタンク４は鉄等の磁性材で形成されており、前記変圧器本体を収容した内部に１０気圧程度の高圧ガスが封入されてガス絶縁・冷却構造をなしている。
【００２５】
このような構成の変圧器は、電圧を印加した場合、図２に示すように、低圧巻線２と高圧巻線３間の巻線間隙５から磁束６が漏洩し、その漏洩した磁束（漏洩磁束）６の一部が、磁性材であるタンク４の周壁４１に吸引され、その周壁４１内を貫通して再び低圧巻線２と高圧巻線３間の巻線間隙５に戻る閉ループを形成する。このとき、タンク４の周壁４１において、その周壁４１の内部領域では、等量の磁束が矢印の如く往復するだけであり、周壁４１が囲む正味の鎖交磁束は存在しない。
しかし、タンク４の周壁４１において、その周壁４１の内側では巻線間隙５を通過する磁束６が正味の鎖交磁束として存在するため、これを打ち消す方向に矢印の如く渦電流７′が発生し、この渦電流７′はタンク周壁４１の周囲に亘る大域的な渦電流となることから、渦電流損をもたらすことになる。
【００２６】
そこで、実施例では、図１に示すように、タンク４内において、タンク４と高圧巻線３との間にシールド手段８が配置されている。該シールド手段８は、本例ではタンク４の周壁４１と高圧巻線３の外周との間に配置され、しかもそれら４１，３に対応して筒状に形成されている。またシールド手段８の材質としては、銅，アルミ等の低抵抗導体からなり、本例では安価な銅板を用いている。
【００２７】
このシールド手段８は、図３に示すように、タンク４の周壁４１に固定された取付け治具９に取付けられている。具体的に述べると、取付け治具９は、タンク４の周壁４１と接する座９１と、その座９１の内側に突設され、かつ溝９３を形成した保持部９２とを有し、ステンレスなどのような非磁性材で構成されている。そして、タンク周壁４１に対し取付け治具９の座９１をボルト１０により固定し、取付け治具９の保持部９２に絶縁スペーサ１１を介しシールド手段８を保持することにより、該シールド手段８をタンク周壁４１と高圧巻線３の外周との間に設置している。この場合、絶縁スペーサ１１としては電気的絶縁機能を果たすため、セラミック或いは絶縁性のゴム等で構成される。ボルト１０は通常の鉄製のものでもよいが、取付け治具９と同材質のものでもよい。
【００２８】
上記の如く、タンク４内にシールド手段８を設置した変圧器を用いた場合、低圧巻線２と高圧巻線３間の巻線間隙５から漏洩磁束６が発生すると、シールド手段８が鉄製のタンク４より低抵抗導体からなる非磁性材で形成されていることから、その漏洩磁束６によってシールド手段８に起電力が作用し、そのため、図１に示す如くシールド手段８にその内周に沿うようにシールド電流７が発生する。
【００２９】
この場合、シールド手段８のシールド電流７は、低圧巻線２及び高圧巻線３間の巻線間隙５から発生する漏洩磁束６と反対方向に磁界を発生させるので、タンク４の周壁４１の内側に図２に示す如く渦電流７′が発生するのを確実に抑制させることができる。即ち、シールド手段８自体にシールド電流７を発生させ、タンク４にその周囲に亘るという大域的な渦電流７′の発生を極力低減する。
【００３０】
その結果、第一，第二の従来技術に比較し、シールド手段８により、タンク４の周囲のように大域的な経路にわたり発生する渦電流に対し極めて有効となり、タンク４の発熱を可及的に抑えることができ、従って、低圧巻線２，高圧巻線３の巻線と鉄製のタンクとを近接させることができるので、変圧器の小型化を実現できる。しかも、発熱が少なく、かつ小型化できるので、不燃ガスでも充分使用に耐えることができ、不燃化を実現し得る。
【００３１】
また、タンク４が鉄製の磁性材であるので、アルミ製のタンクを用いる第三の従来技術に比較し、タンク４が鉄製の安価なものであるばかりでなく、タンクの強度を維持でき、また運搬時にタンクが変形するのも防止することができる。
【００３２】
さらにシールド手段８として、銅板により筒状に形成しているので、シールド手段８を簡単かつ容易に製作することができる。このシールド手段８の大きさ（高さ）としては、タンク４の内壁の高さに沿うものでなく、漏洩磁束６によって形成される閉ループの範囲内に入り込める程度の高さであればよい。
【００３３】
なお、シールド手段８として銅を用いた場合、タンク４の材料である鉄に比較し、１／５０程度の電気抵抗であるため、渦電流は５０対１の割合でほとんどシールド手段８を流れることになり、そのため、鉄製のタンク４に流れようとする渦電流を抑制することができる。このようなシールド手段８を用いた場合のシールド電流の強さは、導体の抵抗率よりもむしろインダクタンスに支配され、ほぼ鎖交磁束を相殺する分だけ流れることとなる。図２に示す従来技術の如く、シールド手段を設けず、タンク４が鉄製となる場合、そのタンク４に流れる渦電流は、シールド手段を設けた場合に比較し、シールド手段に流れるシールド電流の１／３程度と考えられる。渦電流損は抵抗率の一乗，渦電流の二乗に比例する。タンクよりもシールド手段に渦電流を流す方が、渦電流損をほぼ１／１０程度に小さくできることになる。
【００３４】
また、シールド手段８をタンク周壁４１と高圧巻線３との間に設置するとき、上述の如く、タンク周壁４１に固定された非磁性材の取付け治具９にシールド手段８を保持するので、シールド手段８を的確に機能させることができる。なお、取付け治具９は、本例ではタンク周壁４１の全周に亘り接するように固定される例を示したが、その周壁４１に対し複数箇所で固定される形状に形成してもよいのは勿論である。
【００３５】
図４乃至図６は本発明による変圧器の種々の実施例を示している。
図４に示す実施例は、タンク４の周壁４１と高圧巻線３の外周との間に設けたシールド手段８として、適宜の高さを有する筒状の銅板８１を複数（図示では三個）用意し、それら筒状の銅板８１を高さ方向に沿って配設したものである。これら複数の筒状の銅板８１の設置に際しては、基本的に図１に示す第一の実施例と同様の構造であるので、ここではその説明を省略する。
【００３６】
図５及び図６に示す実施例は、シールド手段８として、銅線を環状に巻線することによって形成された環状のシールドコイル８２を複数本用意し、これら複数本のシールドコイル８２を、タンク４内の高さ方向に沿って適宜の間隔を隔てて配設したものである。
【００３７】
また、環状のシールドコイル８２は、タンク周壁４１に固定された取付け治具９に設置されている。この取付け治具９は、図６に示すように、タンク周壁４１と接する座９１と、碍子１２を保持し得る溝を設けた保持部９２とを有し、座９１をボルト１０により固定すると共に、保持部９２に保持した碍子１２に対し、前記環状のシールドコイル８２を締め具１３によって取付けている。従って、シールドコイル８２の設置も図１に示す実施例と基本的には同様である。
【００３８】
これら図４乃至図６に示す実施例によれば、筒状の銅板８１，シールドコイル８２を高さ方向に沿って複数配設したので、高圧巻線３の全体を一枚の銅板で覆うようにした第一の実施例に比較し、材料の使用量を低減することができるので、より低コストで済み、また複数にすることにより、設置時の作業性が良好となる効果もある。特に、図４に示す実施例によれば、筒状に形成された一枚のシールド手段８を用いる第一の実施例に比較し、小型に形成された複数の銅板８１を用いるので、製作が容易となる。
【００３９】
図７は本発明による変圧器の第四の実施例を示している。
図７に示す実施例は、６個の巻線を１相で駆動する超大容量変圧器に適用したものであり、低圧巻線２と高圧巻線３とからなる三個の巻線を有する鉄心１を一つのタンク４に収容している。そのため、３個の巻線を有する鉄心１の上・下部が鉄心締め金具１００により固定されている。
【００４０】
この超大容量変圧器においては、３個の巻線を一つのタンクに収容する超大容量のものであることから、タンクの大きさが鉄道輸送等の関係により寸法上の上限が規定され、またタンクと低圧巻線２，高圧巻線３からなる巻線とが近接することから、タンクに流れる渦電流が大きい。また、一つのタンク内の各巻線は１相で駆動するため、ガス冷却・絶縁変圧器と同様の問題が発生する。３個の巻線においては低圧巻線２，高圧巻線３間の巻線間隙５から磁束が漏洩し、その漏洩磁束の位置が図１の実施例にて述べたようにタンク４の内壁４１を通って再び巻線間隙５に戻る。この場合、３個の巻線間隙から漏洩する磁束は同相であるため、発生する渦電流は相殺することなく、互いに強め合ってタンク内壁上を巻線方向に一周する大域的な流れとなる。
【００４１】
そこで、実施例では図１の実施例の場合と同様、タンク４内においてタンク１と高圧巻線３との間にシールド手段８を設け、該シールド手段８により、巻線間隙５間に発生する漏洩磁束と反対方向の磁束を発生させるシールド電流を流すことにより、渦電流損を抑えたものであり、基本的には図１の実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【００４２】
またこの実施例の場合、シールド手段８として一枚の銅板で構成しているが、図４乃至図６に示す実施例の場合と同様、複数の銅板８１，複数のシールドコイル８２と同様に構成しても良いのは勿論である。
【００４３】
図８乃至図２１は長距離大容量送電用の変圧器に適用した種々の実施例を示している。
前述までの実施例では、地下変電所に設けるのに好適な変圧器について述べた。ところで、今日、発電所の建設においては遠隔地化する一方であり、長距離の大容量化送電が余儀なくされている。このような長距離大容量送電のために１０００ｋＶという超高圧を用いたＵＨＶ送電が計画され、現在このための機器が開発されている。このＵＨＶ用変圧器では大容量化に対応するため、図７に示した如くｕ，ｖ，ｗの各相を単相あたり６対の巻線で駆動し、３対ずつタンクに収納する形式が採用されている。また、ＵＨＶ送電と共に、５００ｋＶという高圧送電で我が国の主要幹線を担う系統変更が計画され、現在、このための機器も開発中である。５００ｋＶ用変圧器においても大容量化に対応するため、図１０に示す如くｕ，ｖ，ｗの各相を２対の巻線で駆動し、単相毎にタンクに収納する形式が採用されている。
【００４４】
ところが、上記ＵＨＶ用変圧器のように２対または３対の巻線がタンク内にある場合、互いに隣り合う巻線対は励磁方向が逆であるため、それら巻線対が隣接する部分では、巻線対に図１２に太線７１にて示す如く巻線間に相間渡り磁束が水平方向に発生する。この相間渡り磁束７１によって発生する起電力はこれと直角になるため、渦電流は上下に方向を変えて流れるのである。そして、タンク４の上部または下部に回った渦電流は、さらに反対側の側面で再び巻線方向に周回し、出発点に戻って大域的な一周経路を形成することとなる。
【００４５】
以下、低圧巻線２及び高圧巻線３からなる巻線を以降の説明では、巻線対と呼び、ここでは２対の巻線対２３ａ，２３ｂを用い、単相２巻線の変圧器の一般的な例を図１１及び図１２を用いて詳細に説明する。
まず、図１０及び図１１に示す一般的な単相２巻線の変圧器は、通常では図示の如きサイドヨーク１ａを有する４脚鉄心１、或いは図示しないが２脚を有する鉄心の各脚に同心上に配置されている。また、これら鉄心１と巻線対２３ａ，２３ｂと鉄心締め金具１００と図示しない絶縁・冷却油とが方形のタンク４に収容されている。
【００４６】
そして、各巻線対２３ａ，２３ｂの巻線間隙５からの漏れ磁束６の一部は、図１１に示すように、磁性体であるタンク４の周壁４１に吸引され、該周壁内を貫通して再び巻線間隙５に戻り、このとき、タンク４の周壁４１において、外壁面４１ａによって囲まれる内部領域では、等量の磁束が往復するのみで、外壁面４１ａが囲む正味の鎖交磁束は存在しないものの、内壁面４１ｂによって囲まれる内部領域では巻線間隙５を通過する磁束が正味の鎖交磁束として存在するため、これを打ち消す方向に渦電流７０が発生し、この渦電流７０が図１２に示す如く、各巻線対２３ａ，２３ｂの隣接部分から離れた部位でタンク４の側面を水平方向に流れる渦電流となる。この点は図２にて前述した場合と同様である。
【００４７】
しかしこの場合、各巻線対２３ａ，２３ｂが隣接する部分では、各巻線対の極性が互いに反転しているため、各巻線対同士を結ぶような相間渡り磁束７１が図１２に示すように発生し、しかも該相間渡り磁束７１が水平方向に発生するため、これによって誘導される大域的循環渦電流７０が各巻線対２３ａ，２３ｂの隣接部分では、垂直方向となってしまう。このため、単相２対の変圧器では、渦電流７０が各巻線対２３ａ，２３ｂの周囲においては水平方向となり、また各巻線対１ａ，１ｂ間の隣接部分においては垂直方向となる結果、図示に細い実線にて示したとおりの大域的循環渦電流７０となってしまう。従って、この大域的循環渦電流７０は、図１２に示す如く、タンク４において各巻線対２３ａ，２３ｂの周囲では水平方向に発生するが、両巻線対の隣接する部分では水平方向から垂直方向にへ向きを変え、タンク４の天井部及び底部を通って反対側の面に周り、再び水平方向に向きが戻る経路となる。
【００４８】
実施例では、前記大域的循環渦電流７０を抑制するため、図８に示すように、各巻線対２３ａ，２３ｂとタンク４の周壁４１との間に、一周シールド手段１５が配置されたものである。即ち、この一周シールド手段１５は図８に示すように、タンク周壁４１と各巻線対２３ａ，２３ｂ及び鉄心１のサイドヨーク１ａとの間において、これら巻線対２３ａ，２３ｂの隣接する部分を除き、両巻線対及びサイドヨーク１ａの周囲を水平方向に沿って覆うように配置された水平シールド部１５ａと、各巻線対２３ａ，２３ｂの隣接する部分の周囲，及びそれに対応する鉄心１の上下部分，並びに鉄心締め金具１００を覆う隣接部分縦シールド部１５ｂとを有して形成されている。この場合、隣接部分縦シールド部１５ｂは、図８において、巻線対２３ａ，２３ｂの隣接部分の正面側及び背面側を上下方向に沿って覆うと共に、鉄心１及び鉄心締め金具１００の上下部を覆うように水平方向に沿って覆う形状をなしている。
【００４９】
なお、この一周シールド手段１５としては、前述した実施例と同様に銅，アルミ等の低抵抗導体からなり、本例では安価な銅線からなる環状のシールドコイル或いは銅板によって形成したのを複数用いている。
【００５０】
上記の如く構成した変圧器においては、図９に示すように、巻線対２３ａ，２３ｂの夫々の巻線間隙５から漏れ磁束６ａ，６ｂが発生すると共に、各巻線対２３ａ，２３ｂ間で相間渡り磁束７１が発生するので、大域的循環渦電流７０が発生しようとする。しかし、この場合、タンク周壁４１と、各巻線対２３ａ・２３ｂ，鉄心１，鉄心締め金具１００との間に一周シールド手段１５が配置され、漏れ磁束６ａ，６ｂに対し一周シールド手段１５の水平シールド部１５ａが鎖交すると共に、相間渡り磁束７１に対し一周シールド手段１５の隣接部分縦シールド部１５ｂが鎖交しているので、水平シールド部１５ａ上に太線矢印に示す如き互いに逆向きとなるシールド電流１６ａ，１６ｂが発生する。即ち、シールド電流１６ａ，１６ｂは、漏れ磁束６ａ，６ｂ及び相間渡り磁束７１の向きに応じ一周シールド手段１５の水平シールド部１５ａに互いに逆方向となり、漏れ磁束６ａ，６ｂを打ち消す方向の磁界を発生する結果、タンク４において２対の巻線対２３ａ，２３ｂによって大域的循環渦電流７０が発生するのを極力低減することができ、従って、図７に示す実施例に比較し、いっそう的確な漏れ抑制効果を果たすことができる。換言すれば、本来タンク４に発生すべき渦電流を、抵抗の小さい一周シールド手段１５が肩代わりすることとなる。
【００５１】
また、前記一周シールド手段１５は、図１２に示す大域的循環渦電流７０を低減するのみならず、漏れ磁束６ａ，６ｂがタンク４に侵入する部位で発生する、局所的循環渦電流７２をも低減することができる。その理由は、一周シールド手段１５は局所的循環渦電流７２の発生要因である、漏れ磁束６ａ，６ｂ自体を低減するからである。なお、この局所的循環渦電流７２は、図１１において、漏れ磁束６がタンク周壁４１に入り込むことによって局所的に水平方向に発生する渦電流である。
【００５２】
さらに、一周シールド手段１５は、鉄心締め金具１００に発生する渦電流をも低減することができる。即ち、図１１に示すように、巻線間隙５から発生した漏れ磁束６の一部６′は鉄心締め金具１００に吸引された後、タンク周壁４１の上部に入り、かつその周壁４１を通って鉄心締め金具１００を経た後、巻線間隙５に戻る経路をとることとなる。この経路の磁束６′は、巻線対２３ａ，２３ｂの高圧巻線３が発生する漏れ磁束であり、低圧巻線２とは鎖交しない。この場合、一周シールド手段１５は前記漏れ磁束６′と鎖交し、大域的循環渦電流７０の場合と同様に低減することができ、従って、鉄心締め金具１００に発生する渦電流をも低減できる。
【００５３】
なお、タンク４の周壁４１には、上記漏れ磁束６′の他、図示していないが、巻線間隙５から鉄心締め金具１００経て鉄心１内を通って戻る経路の磁束があるが、これは低圧巻線２が発生する漏れ磁束であり、高圧巻線３とは鎖交しないので、問題となることはない。
【００５４】
また実施例では、図８及び図９に示す一周シールド手段１５として、適宜の高さをもつ低抵抗導体を巻線対２３ａ，２３ｂの高さ方向に沿って複数設けた例を示したが、図１３に示す如く形状に形成してもよい。即ち、図１３に示す一周シールド手段１５は、水平シールド部１５ａと隣接部分縦シールド部１５ｂとが平板状の低抵抗導体により形成されている。この場合、一枚もので一体的に形成してもよいが、例えば図１４に示す如く、水平シールド部１５ａと隣接部分縦シールド部１５ｂとを夫々別個に形成し、それらの交点を溶接によって固定してもよい。
【００５５】
また、図１５に示すように構成してもよい。即ち、一周シールド手段１５のうち、水平シールド部が上下二つに分割されると共に、水平方向にも二つに分割して計四個に形成され、その各四個の水平シールド部１５ａ′に、各巻線対２３ａ，２３ｂの隣接する部分と対応する隣接部分縦シールド部１５ｂ′が夫々設けられ、これらがタンク４内に配置されることにより、結果的に一周シールド手段１５を形成している。このような分割構造の一周シールド手段１５を形成すれば、特に各巻線対２３ａ，２３ｂの配線を引出す場合、上下左右夫々の水平シールド部１５ａ′の間（或いは左右の隣接部分縦シールド部１５ｂ′の間）から引き出せるので、配線処理が容易となる。
【００５６】
なお、図８に示す実施例をモデル化し、コンピュータによる三次元動磁界解析により検討したところ、一周シールド手段１５の設置により、タンク４上の最大密度で約８６％、最大渦電流密度で約９５％の低減効果と云う試算結果が得られた。このことは、渦電流抑制効果が著しいものであることを証明している。
【００５７】
図１６に本発明の第６の実施例を述べる。この場合、三個の巻線対２３ａ，２３ｂ，２３ｃを有する変圧器に適用している。
【００５８】
まず、単相３巻線を有する変圧器について述べると、図１７に示すように、巻線対２３ａ〜２３ｃ，鉄心１，鉄心締め金具１００を有し、これらが図示しない絶縁・冷却用の油に封入されている。巻線対２３ａ〜２３ｃは通常、図示の如きサイドヨーク１ａを有する５脚鉄心１或いは図示しない３脚を有する鉄心の各脚に巻かれており、タンク４に収容されている。この変圧器の特徴は、各巻線対２３ａ〜２３ｃのうち、両側の巻線対２３ａ，２３ｃの励磁方向が互いに同じである一方、中央側の巻線対２３ｂが他の両側の巻線対２３ａ，２３ｃとは励磁方向が反転していることにある。
【００５９】
そのため、図１８に示すように、一方の巻線対２３ａと中央側の巻線対２３ｂ間では単相２巻線変圧器の場合と同様に相間渡り磁束７１が発生が発生することにより、タンク４の周壁４１では両巻線対２３ａ，２３ｂに対応し、前述した大域的循環渦電流７０が流れる。これに加え、中央側の巻線対２３ｂと他方の巻線対２３ｃ間でも相間渡り磁束７１ａ，７１ｂ（図１６参照）が発生することにより、これらの巻線対２３ｂ，２３ｃに対応し、大域的循環渦電流７０も流れる。この場合の大域的循環渦電流７０は、巻線対２３ａ，２３ｂ間の場合と非対称となる。さらに、タンク４周壁において中央側の巻線対２３ｂと両側の巻線対２３ａ，２３ｃとの隣接部分では、一方の巻線対２３ａと中央側の巻線対２３ｂとの隣接部分間の場合と同様、鉄心１及び鉄心締め金具１００の上部，下部から垂直方向に向き、また中央側巻線対２３ｂの正面側でほぼ水平な向きに変わって、再び中央側巻線対２３ｂと巻線対２３ｃとの隣接する部分で再び垂直方向に向きが変わる大域的循環渦電流７０′も発生することとなる。
【００６０】
そこで、本実施例においては、前記大域的循環渦電流７０，７０′を抑制するための一周シールド手段１５を有している。即ち、該一周シールド手段１５は図１６に示すように、タンク４内と各巻線対２３ａ〜２３ｃ及び鉄心１のサイドヨーク１ａとの間において、各巻線対２３ａ〜２３ｃ及び鉄心サイドヨーク１ａを覆う水平シールド部１５ａと、一端側の巻線対２３ａ，中央側の巻線対２３ｂ間の隣接する部分と中央側の巻線対２３，他端側の巻線対２３ｃ間の隣接する部分とを夫々覆う隣接部分縦シールド部１５ｂ，１５ｃとを有している。
【００６１】
そして、各巻線対２３ａ〜２３ｃの巻線間隙５から漏れ磁束６ａ〜６ｃが発生すると共に、互いに隣り合う巻線対２３ａ，２３ｂ間と２３ｂ，２３ｃ間とに相間渡り磁束７１ａ，７１ｂが発生したとき、これら漏れ磁束６ａ〜６ｃ及び相間渡り磁束７１ａ，７１ｂに対し、一周シールド手段１５の水平シールド部１５ａ及び隣接部分縦シールド部１５ｂ，１５ｃが交差しているので、一周シールド手段１５に矢印方向の向きとなるシールド電流１６ａ〜１６ｃが発生する。その結果、単相３巻線変圧器においても、単相２巻線変圧器の場合と同様、大域的循環渦電流７０，７０′のみならず局所的循環渦電流７２をも抑制することができる。
【００６２】
図１９及び図２０は本発明による変圧器の第七の実施例を示している。
この場合は、単相３巻線の変圧器に一周シールド手段１５を用いたものに適用している。即ち、本実施例の一周シールド手段１５は図１９に示すように、タンク周壁と、各巻線対２３ａ〜２３ｃ，鉄心１のサイドヨーク１ａとの間に、これらを水平方向に沿って覆うよう水平シールド部１５ａと、両側の巻線対２３ａ，２３ｃからの漏洩磁束によって発生するシールド電流１６ａ，１６ｃの向きに対し、中央側の巻線対２３ｂからの漏洩磁束によって発生するシールド電流の向きを同じにする閉ループ部１８とを有している。
【００６３】
該閉ループ部１８は、水平シールド部１５ａの途中位置において、中央側の巻線対２３ｂと対応する部分を積層鋼板１７に巻き付けることにより形成されている。この場合、図２０にて示すように、水平シールド部１５ａの途中位置が積層鋼板１７の下部に対し、外側から内側に周り込んで巻き付くと共に、その積層鋼板１７の内側において下部から斜め上方を経て、さらに積層鋼板の上部表面側に巻き付き、結果的に積層鋼板１７の表面側で二重のループ部１８ａ，１８ｂとなるように形成されている。なお、積層鋼板１７は、巻線対２３ｂの高さとほぼ同じ高さをなしており、厚み方向に複数の鋼板を積層して形成されている。
【００６４】
この変圧器において、各巻線対２３ａ〜２３ｃから漏れ磁束６ａ〜６ｃが発生するが、両側の巻線対２３ａ，２３ｃからの漏れ磁束６ａ，６ｃに対し一周シールド手段１５の水平シールド部１５ａが鎖交しているので、矢印の如くシールド電流１６ａ，１６ｃが流れる。この場合、一周シールド手段１５の途中位置（中央部分）には閉ループ部１８が設けられているので、中央側の巻線対２３ｂからの漏れ磁束６ｂに対しては、それと対向する積層鋼板１７に水平シールド部１５ｂが巻き付けられることによって形成され閉ループ部１８が鎖交することにより、該閉ループ部１８上に、両側の漏れ磁束６ａ，６ｃにより発生するシールド電流１６ａ，１６ｃの向きと同方向のシールド電流１６ｂが発生し、このシールド電流１６ｂとシールド電流１６ａ，１６ｃが重畳されることとなる。
【００６５】
その結果、各巻線対２３ａ〜２３ｃからの漏れ磁束６ａ〜６ｃにより、一周シールド手段１５に重畳されたシールド電流１６が流れるので、タンクに発生する渦電流を抑制することができる。なお、積層鋼板１７には起電力が発生するが、積層方向には導通しないので、渦電流が発生することはほとんどない。また、一周シールド手段１５において積層鋼板１７部分の閉ループ部１８は、積層鋼板１７の外側に対し二重となるように形成し、ループ内磁束が誘導する起電力の方向が逆転し、機能しなくなるのに留意する必要がある。
【００６６】
また、上記積層鋼板１７を有する一周シールド手段１５は、一枚ものの銅板若しくはアルミ板により形成された例を示したが、例えば、図２１に示すように環状のシールドリングを複数用いて形成しても同様の効果を得ることができ、さらに図示していないが、適宜の高さをなす複数の筒状部材により形成してもよいのは勿論である。なお図示実施例では、単相３巻線の変圧器に閉ループ部１８を有するシールド手段１５を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、単相２巻線の場合、隣接する二つの巻線対のうち、何れか一方の巻線対と対応する位置に閉ループ部１８を設けると、上記と同様の作用効果を得ることができるので、単相２巻線の変圧器にも同様に適用することができる。
【００６７】
以上説明した一周シールド手段１５の材料として例えば銅を用いた場合、タンクに用いる鉄に比べ１／１０程度の電気抵抗であるため、渦電流は１０対１程度の割合で大部分この一周シールド手段１５上を流れるようになり、鉄製のタンクに流れる渦電流を１０分の１に抑制することができる。このような系において渦電流の強さは導体の抵抗率よりもむしろインダクタンスに支配され、ほぼ鎖交磁束を相殺する分だけ流れる。従って、一周シールド手段１５を設けない場合も、設ける場合も、全電流はあまり変わらない。渦電流損は抵抗率の一乗、渦電流の二乗に比例する。このことから一周シールド手段を設けた場合、全渦電流損を従来の１／１１程度にできることになる。
【００６８】
以上の内容を式で表現すると、次のようになる。なお、以下の式中、「＝」は概略等しいと意味である。
【００６９】
【数１】
電気抵抗Ｒの関係は Ｒシールド＝０．１×Ｒタンク
【００７０】
【数２】
誘導電流Ｉの関係は １０×Ｉタンク（シールドあり）＝Ｉシールド
【００７１】
【数３】
Ｉタンク（シールドなし）＝Ｉタンク（シールドあり）＋Ｉシールド
【００７２】
【数４】
Ｗ（シールドなし）＝Ｒタンク×（Ｉタンク（シールドなし））2
【００７３】
【数５】
Ｗ（シールドあり）＝Ｒタンク×（Ｉタンク（シールドあり））2＋Ｒシールド×（Ｉシールド）2
【００７４】
【数６】
比率は
【００７５】
まず、一周シールド手段１５は、タンク周壁４１と、鉄心１，そのサイドヨーク１ａ，巻線対２３ａ〜２３ｃ，鉄心締め金具１００との間の空間に、それらから数ｃｍ程度離して設置するのが望ましい。その理由は、一周シールド手段１５に流れるシールド電流は二次磁束を発生するため、タンク４に近づけ過ぎると、タンク４に二次電流を誘導するおそれがあるからである。従って、図２２及び図２３に示す夫々の取付け治具９は、一周シールド手段１５を離して設置するように構成されている。
【００７６】
即ち、図２２に示す取付け治具９は、一周シールド手段１５として、巻線対２３ａ〜２３ｃ全体を一枚の銅板、或いは複数の筒状からなる銅板で形成したものに適用したものであり、座９１と、溝９３を形成した保持部９２と、溝９３に装着される絶縁スペーサ１１と、ボルト１０とを有し、基本的には図３にて前述したものと同様である。
【００７７】
また、図２３に示す取付け治具９は、一周シールド手段１５として、環状のシールドコイルを複数用いて形成したものに適用したものであり、座９１と、保持部９２と、絶縁碍子１２と、締め具１３と、ボルト１０とを有し、基本的には図６にて前述したものと同様である。
【００７８】
上記図２２，図２３の何れの場合も、鉄等のような磁性体を用いると磁束を吸引し、渦電流による局部発熱が起こるので、ステンレスのような非磁性体或いはセラミック等の絶縁体で取付け治具９を構成することが好ましい。その場合、ステンレス或いはセラミックを用いる場合、鉄製のタンク４に対し溶接等で直付けすることが難しくなるため、ボルト１０を用いることにより、取付け作業性を容易にすることができ、しかもステンレス製のボルト１０で形成すれば、より効果的である。
【００７９】
また、ステンレスは非磁性体であるが導体であるため、一周シールド手段１５によって発生するシールド電流が作る渦電流の発生を避けるため、図２２の如き絶縁スペーサ１１、図２３の如き絶縁碍子１２を設けることが望ましい。但し、流動帯電などによる帯電を避けるため、一周シールド手段１５にはアースをとっておくことが必要である。
【００８０】
なお、これまで述べた図７以降の実施例においては、両側にサイドヨーク１ａを有する鉄心１に２個，３個の巻線対を設けた例を示したが、前述した如く、サイドヨークを設けず、単に２脚或いは３脚を有する鉄心を用いたものにも適用しても、同様の作用効果を得ることができる。
【００８１】
以上述べたように、本発明の請求項１記載の発明によれば、シールド手段を、複数の環状のシールドコイルをタンク周壁と両巻線の外周間においてタンク高さ方向に沿って適宜の間隔を隔てて配設して形成したため、低圧巻線、高圧巻線間の巻線間隙からの漏洩磁束と反対方向の磁界を発生させる渦電流を、周囲に亘って発生するように構成し、タンクの周囲のように大域的な経路にわたり発生する渦電流に対し極めて有効となり、タンクの発熱を可及的に抑えることができ、従って、低圧巻線，高圧巻線の巻線と鉄製のタンクとを近接させることができる結果、変圧器の小型化を実現でき、しかもタンクが鉄製の安価なものであるばかりでなく、タンクの強度を維持でき、また運搬時にタンクが変形するのも防止することができると云う効果がある。
【００８３】
そして、請求項３〜４によれば、一周シールド手段によりタンク周壁に発生する大域的循環渦電流を抑制するように構成したので、長距離大容量送電の変圧器でも、機器の発熱を抑え、損失を低減させることができ、渦電流に対する信頼性を高め得る効果がある。特に、請求項３によれば、各巻線対の巻線間隙からの漏洩磁束のみならず、隣接する巻線対間に発生する相間渡り磁束に対しても有効であるので、大容量であるが故に困難を伴っていた冷却系負荷を軽減することができる効果がある。また請求項３〜４によれば、各巻線対の巻線間隙からの漏洩磁束を容易に抑制でき、安価に製作し得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による変圧器の第一の実施例を示す説明用斜視図。
【図２】従来技術の変圧器を示す説明用斜視図。
【図３】図１の変圧器におけるシールド手段の取付け例を示す要部の説明図。
【図４】本発明による変圧器の第二の実施例を示す説明用斜視図。
【図５】本発明による変圧器の第三の実施例を示す説明用斜視図。
【図６】図５の変圧器におけるシールド手段の取付け例を示す要部の説明図。
【図７】本発明による変圧器を超大容量変圧器に適用した第四の実施例を示す説明用斜視図。
【図８】本発明による変圧器の第五の実施例を示す一周シールド手段を用いたときの説明用斜視図。
【図９】漏れ磁束と相間渡り磁束とシールド電流との関係を示す説明図。
【図１０】電力大容量２巻線変圧器の一般的な例を示す一部破断の説明用斜視図。
【図１１】図１０の変圧器の一部を縦断した説明図。
【図１２】同じく図１０の変圧器における漏れ磁束と渦電流との関係を示す説明用斜視図。
【図１３】一周シールド手段の他の例を示す説明斜視図。
【図１４】図１３に示す一周シールド手段を形成する場合の具体例を示す説明用斜視図。
【図１５】一周シールド手段のさらに他の例を示す説明用斜視図。
【図１６】本発明による変圧器の第六の実施例を示す一周シールド手段を用いたときの説明用斜視図。
【図１７】電力大容量３巻線変圧器の一般的な例を示す一部破断の説明用斜視図。
【図１８】同じく図１７の変圧器における漏れ磁束と渦電流との関係を示す説明用斜視図。
【図１９】本発明による変圧器の第七の実施例を示し、積層鋼板を有する一周シールド手段を用いた斜視図。
【図２０】漏れ磁束と積層鋼板を有する一周シールド手段との関係を示す説明用斜視図。
【図２１】積層鋼板を有する一周シールド手段の他の例を示す斜視図。
【図２２】筒状の一周シールド手段の取付け例を示す要部の説明図。
【図２３】同じく環状の一周シールド手段の取付け例を示す要部の説明図。
【符号の説明】
１…鉄心、２…低圧巻線、３…高圧巻線、４…タンク、４１…タンク周壁、５…巻線間隙、６，６ａ〜６ｃ…漏洩磁束、７…シールド手段に発生する渦電流、７′…タンクの周壁の内側に発生する渦電流、８…シールド手段、８１…複数の筒状の銅板、８２…複数のシールドコイル、１５…一周シールド手段、１５ａ…水平シールド部、１５ｂ…隣接部分縦シールド部、１６ａ〜１６ｃ…シールド電流、２３ａ〜２３ｃ…巻線対、７０…大域的循環渦電流、７１…相間渡り渦電流、７２…局所的循環渦電流。
Claims (4)
- 鉄心と、該鉄心の周囲に互いに同心上に配置された低圧巻線，高圧巻線とを鉄製のタンクに収容した変圧器において、
前記タンクの周壁と前記両巻線の外周との間に、前記鉄製のタンクより低抵抗導体で形成され、かつ前記両巻線間の巻線間隙からの漏洩磁束と反対方向の磁界を発生させるシールド電流を周囲に亘って発生し得るシールド手段を設置し、該シールド手段は、複数本の環状のシールドコイルが、前記タンクの周壁と前記両巻線の外周との間に、タンクの高さ方向に沿って適宜の間隔を隔てて配設されて形成されていることを特徴とする変圧器。 - 鉄心と、該鉄心の周囲に互いに同心上に配置された低圧巻線，高圧巻線からなる複数の巻線対とを鉄製のタンクに収容した変圧器において、
前記タンクの周壁と前記複数の巻線対との間に、前記鉄製のタンクより低抵抗導体で形成され、かつ各巻線対の巻線間隙から発生する漏洩磁束と一方の巻線対及びこれに隣接する巻線対間に発生する相間渡り磁束との双方に鎖交し、かつこれら双方の磁束による大域的循環渦電流を抑制するシールド電流を発生し得る一周シールド手段を設置し、該一周シールド手段は、前記タンク周壁と各巻線対との間に、これら各巻線対を水平方向に沿って覆う水平シールド部と、各巻線対の互いに隣り合う部分の周囲及びそれに対応する前記鉄心の上下部分を覆う隣接部分縦シールド部とを有することを特徴とする変圧器。 - 鉄心と、該鉄心の周囲に互いに同心上に配置された低圧巻線，高圧巻線からなる少なくとも２個の巻線対とを鉄製のタンクに収容し、該２個の巻線対のうち、何れか一方の巻線対に対し他方の巻線対の励磁方向が互いに逆方向となる変圧器において、タンクの周壁と前記複数の巻線対との間に、鉄製のタンクより低抵抗導体で形成され、かつ各巻線対の巻線間隙から発生する漏洩磁束と鎖交し、かつその磁束によりタンク周壁に発生する大域的循環渦電流を抑制するシールド電流を発生し得る一周シールド手段を設置し、該一周シールド手段は、タンク周壁と各巻線対との間に、これら各巻線対を水平方向に沿って覆うように配置された水平シールド部と、何れか一方の巻線対からの漏洩磁束によって発生するシールド電流の向きを、他方の巻線対からの漏洩磁束によって発生するシールド電流の向きと同じにする閉ループ部とを有することを特徴とする変圧器。
- 鉄心と、該鉄心の周囲に互いに同心上に配置された低圧巻線，高圧巻線からなる３個の巻線対とを鉄製のタンクに収容し、該３個の巻線対のうち、両側の巻線対の励磁方向が互いに同じになると共に、両側の巻線対に対し中央側の巻線対の励磁方向が逆方向となる変圧器において、タンクの周壁と前記複数の巻線対との間に、鉄製のタンクより低抵抗導体で形成され、かつ各巻線対の巻線間隙から発生する漏洩磁束と鎖交し、かつその磁束によりタンク周壁に発生する大域的循環渦電流を抑制するシールド電流を発生し得る一周シールド手段を設置し、該一周シールド手段は、タンク周壁と各巻線対との間に、これら各巻線対を水平方向に沿って覆うように配置された水平シールド部と、両側の巻線対からの漏洩磁束によって発生するシールド電流の向きに対し、中央側の巻線対からの漏洩磁束によって発生するシールド電流の向きを同じにする閉ループ部とを有することを特徴とする変圧器。
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