JP3665945B2

JP3665945B2 - 絶縁変圧器

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Publication number: JP3665945B2
Application number: JP29756297A
Authority: JP
Inventors: 勲遠山
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2017-10-29
Also published as: JPH11135335A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子やイオンを数１００ｋＶの直流高電圧で加速する装置に用いる絶縁変圧器に関するもので、電子銃やイオン源を大地から絶縁して加速電圧にあたる高電位点に置き、大地電位点から電力供給する目的で使用する絶縁変圧器に関するものである。
すなわち、絶縁変圧器の１次、２次各々のコイルはＡＣ２００Ｖの低電圧で所定容量のものであるが、２次コイルの端子と１次コイルの端子、鉄心間に常時数１００ｋＶの直流高電圧が加わった状態で使用する絶縁変圧器の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の絶縁変圧器の内部構造図である。変圧器２を収納した金属ケース１に絶縁油６を充填し、該金属ケースに低圧側電力供給用端子３、高圧側電力引出用ブッシング４、並びに接地端子５が設けられている。
高圧側電力引出用ブッシング４は碍管７とフランジ８、９より構成され、碍管７は使用電圧に充分耐えられるだけの絶縁沿面距離を有したセラミックまたはレジンよりなり、該碍管の両端にはセメント等の接着剤により金属製の高圧側フランジ８と低圧側フランジ９とが固着され、低圧側フランジ９は金属ケース１の天板に設けられた取付用フランジ１１にネジ等で取付けられるとともに、碍管７と取付用フランジ１１の間はパッキング１０を介して気密が保たれている。また、高圧側フランジ８には金属製の天板１２がネジ等で取付けられるとともに、天板１２と碍管７の間はパッキング１３を介して気密が保たれている。さらに、天板１２の上面には絶縁された２次電圧を引出すための高電位側引出端子１４と該端子の外傷防止と電界緩和を兼ねたトップカバー１５が取付けられ、天板１２の下面には中心導体となる金属導管１６が溶接、ろう付けまたはネジ等により取付けられ、その金属導管１６の内部には変圧器２の２次リード線２９が通り、金属導管１６自身は２次リード線２９のシールド効果を果たしている。金属導管１６の外層には対金属ケースの取付用フランジ１１間との絶縁電圧に耐えるよう絶縁紙または絶縁フイルムを巻回してなる絶縁層１７が設けられている。
【０００３】
変圧器２は、１次コイル２２と鉄心２０間の絶縁を確保するとともに巻心となるボビン２１上に１次コイル２２と２次コイル２６が巻かれ、両コイル間には使用電圧に耐え得る厚みの絶縁層２４を設けている。さらに、１次コイル２２と２次コイル２６間の誘導障害を防止するため、１次コイル２２と２次コイル２６が対面する箇所に１ターン短絡とならぬよう銅箔２３、２５（以下、シールド板という）を挿入しており、１次コイル側の低圧側シールド板２３は電気的に接地されるよう低圧シールド線２８を設け接地端子５に繋がれている。２次コイル側の高圧側シールド板２５にも高圧シールド線３０を設け、高圧側電力引出用ブッシング４の金属導管１６に電気的に繋がれている。また、１次コイル２２の両端の１次リード線２７は大地電位である低圧側電力供給用端子３に電気的に繋がれ、２次コイル２６の両端の２次リード線２９は高圧側電力引出用ブッシング４の金属導管１６の内部を通り、該金属導管の上部開孔部より、２次リード線２９は引出されて、天板１２に設けられた高電位側引出端子１４に繋がれている。
【０００４】
図４は、単相内鉄形の１脚巻線構造の絶縁変圧器であるが、単相両脚巻構造、３相３脚絶縁変圧器においても１脚当りの構造は類似であり、その等価回路で単相、３相各々の例を図５（ａ）、（ｂ）に示す。また図中の番号は図４で説明したものと同一である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような変圧器２では、１次コイル側の低圧側シールド板２３と２次コイル側の高圧側シールド板２５が対向電極となり、コンデンサが形成されることになる。
一般に絶縁変圧器の良否を決定する電圧降下分は１次と２次コイル間の結合度合により決まり、その値は各々のコイル間ギャップに比例して悪化したり、巻幅に比例して良くなる。従って、変圧器２においては、１次と２次コイル間の絶縁層２４の厚さを極力薄くし、コイルの巻幅は可能な限り広く取ろうとする。その結果、１次コイル上に設けた低圧側シールド板２３と２次コイル下に設けた高圧側シールド板２５の間には、大きなコンデンサが形成されることになる。
【０００６】
上記の理由から、これ迄は絶縁変圧器を直流高電圧の下で使用すると、コンデンサに大きなエネルギーが蓄えられ、使用する負荷側で地絡放電が生じた時、直接短絡となり大きな短絡電流が放出され、負荷側に大きなダメージを与えるという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の絶縁変圧器は、この様な負荷地絡時の電流を抑制し、さらには、その蓄積エネルギーを絶縁変圧器内で吸収しようとするものである。
【０００８】
すなわち、本発明の絶縁変圧器は、変圧器２を収納した金属ケース１と該金属ケースに絶縁油６を充填し、かつ該金属ケースに低圧側電力供給用端子３と高圧側電力引出用ブッシング４と接地端子５とを設けた絶縁変圧器において、
該高圧側電力引出用ブッシングの中央部に金属導管１６を配置し、さらに、鉄心３１と絶縁板３２とを交互に積み重ねて、複数個の鉄心３１を金属導管１６の外周に分割配置し、該鉄心３１が縦方向のギャップ１８を有することを特徴としている。
【０００９】
さらに、上記鉄心３１と金属導管１６との間および絶縁板３２の間に金属箔３３を介在させ、該金属箔３３が鉄心３１と絶縁板３２とを覆う断面コの字形であり、該金属箔３３のコの字形の開放端間に抵抗器３４を接続してなることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上記のように、金属導管の外周にギャップを有する鉄心を配することにより、負荷側での短絡（地絡）電流を抑制することができ、さらに、該鉄心に２次コイルとして作用する金属箔を設け、かつ抵抗器を接続することにより、放電時定数を短縮し、かつ放出するエネルギーを抵抗体に吸収させることができる。
【００１１】
【実施例１】
図１は本発明による絶縁変圧器の内部構造図である。図１において、高圧側電力引出用ブッシング４の金属導管１６と絶縁層１７の間に鉄心３１を絶縁板３２を介して多数貫通挿入している以外は、図４と同じ構成であり、記号も同じである。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の鉄心部の拡大図であり、図２（ａ）は、金属導管１６に多数の鉄心３１を絶縁板３２を介して貫通挿入している平面図で、（ｂ）はその断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線による断面部分の一部斜視図である。
図２の鉄心３１は、ケイ素鋼板やアモルファスコア等の高透磁率で飽和磁束密度が高く、かつ、高周波特性に優れたテープ状の極薄磁性材を円盤状に巻回して成形した後に切断して、ギャップ１８の間隔長をｘ／ｎ（ｍ／切断箇所数）としたもので、図２ではｎ＝２である。
【００１２】
絶縁変圧器を直流高電圧の絶縁用として使用する時には、１次と２次コイル間にて形成されているコンデンサには
【００１３】
【数１】

【００１４】
のエネルギーが蓄積されており、高電圧側（負荷側）で地絡放電（短絡）が生じた時、放電電流路に浮遊する回路のインダクタンスＬと抵抗値Ｒで定まる短絡放電電流が流れ、負荷側に大きなダメージを与える。
その短絡放電等価回路は図６（ａ）に示すＣd −Ｌ−Ｒの直列放電回路で示され、短絡電流波形は図６（ｂ）に示す減衰正弦波電流となり、次式で近似的に表される。
【００１５】
【数２】

【００１６】
短絡電流Ｉ(ｔ)を軽減させるには回路のインダクタンスＬを増やして、尖頭電流値Ｉp を抑えることと、回路抵抗値Ｒを増やし減衰時定数τを小さくして、早く減衰させることが考えられるが、回路抵抗値Ｒを増やすことは絶縁変圧器本来の使命である定常時の損失を増やすことになり好ましくない。
本発明の絶縁変圧器は、インダクタンスＬを増やし、尖頭電流値Ｉp を抑えようとするもので、絶縁変圧器の一部である高圧側電力引出用ブッシング４の短絡電流路に対するインダクタンスを増やし、絶縁変圧器本来の使命である定常（交流）電流路には影響を及ぼさぬよう考えられたものである。
【００１７】
上記の通り、高圧側電力引出用ブッシング４の金属導管１６の外周に高透磁率の鉄心３１を配することにより、短絡電流路を形成する金属導管１６のインダクタンスを増やすことになるが、金属導管１６内に一括して挿入された変圧器２の２次リード線２９を流れる定常（交流）電流路は完全に金属導管１６内を往復しており、該金属導管外には磁束漏洩はなく、定常電流に対しては鉄心３１の影響は受けない。
負荷短絡時、絶縁変圧器のコンデンサに蓄えられたエネルギーＥn はコンデンサとインダクタンスＬの間を交互に移行し、減衰正弦波電流が流れるので、金属導管１６の外周に鉄心３１を配して短絡放電路のインダクタンスを集中定数としたとき、そのインダクタンスは全エネルギーを受入れられるだけの容量が必要である。
【００１８】
鉄心内に蓄えられるエネルギーは磁束密度Ｂm の関数として、次式で表されることは周知である。
【００１９】
【数３】

【００２０】
ここで、一例として、ＤＣ４００ｋＶ絶縁用の単相２００Ｖ、１ｋＶＡの絶縁変圧器を考えた場合、コンデンサの浮遊容量Ｃd がＣd ＝５００ｐＦあるとすると、そこに蓄えられたエネルギーＥn は（１）式より、Ｅn ＝４０Ｊとなる。
このエネルギーを比透磁率μ_S＝10,000の鉄心に飽和磁束密度に近いＢm ＝１．５Ｔで蓄えようとした時、必要な鉄心体積は（３）式よりＶcore＝０．４４７ｍ³となり、重量換算で約３．５トンとなり、従来の絶縁変圧器の数倍の重量となるので、もはや実用に供さない。その対策として、鉄心３１を直径方向に切断して、その切断部にギャップ１８を設けるものである。
この切断部のギャップ１８の材質が非磁性材であれば、比透磁率μ_S ＝１であり、そこに蓄えられるエネルギ−は、次式で表される。
【００２１】
【数４】

【００２２】
上記の例と同じく、４０Ｊのエネルギ−を最大磁束密度１．５Ｔで蓄えるに必要なギャップ体積は（４）式より、Ｖgap ＝ 0.447・10^-4 ｍ³（＝ 44.7 cc)となり実用に供する値である。
いま、ここで、鉄心３１の内半径が２０ｍｍ、外半径が４０ｍｍで複数個の鉄心の軸長総和が１ｍとした場合、必要なギャップ１８の間隔長ｘは２．２４ｍｍとなり、該鉄心を直径方向に２分割する場合にはギャップ１８は２ヵ所でき、１ヵ所あたり１．１２ｍｍにすればよく、十分実用に供する値である。一方、負荷短絡時には該鉄心の軸長総和が１ｍである軸長方向にはコンデンサに充電された４００ｋＶの電圧相当の振動電圧が加わり、この加電圧に耐えるよう、鉄心３１を軸方向に分断し、各鉄心３１間には絶縁板３２による絶縁層が設けられている。
【００２３】
上記の鉄心３１を用いた場合、高圧側電力引出用ブッシング４の金属導管１６のインダクタンスＬは約１１μＨとなり、４００ｋＶで負荷地絡時の短絡電流は（２）式で示され、尖頭電流値Ｉp ＝２６９７Ａとなる。一方、鉄心を用いない従来品では、短絡路の浮遊インダクタンスＬは高々１μＨ程度と見込むと短絡尖頭電流値Ｉp ＝８９４４Ａであり、本発明の効果として短絡時の尖頭電流を１／３.３に抑えることになる。なお、コンデンサに蓄えられていたエネルギーは（２）式で示す正弦波の減衰振動電流として回路抵抗に消費され、短絡放電路の抵抗成分は特定できないが、大半が放電部のアーク抵抗と仮定すると、蓄積エネルギーの大半は放電部に注入され、インダクタンスＬを増やしても放電部へのエネルギー注入量に関しては本発明での効果は現れない。
しかし、負荷が電子やイオンを加速する加速管のように高真空中での放電では、そのダメージは電流の尖頭値に依存するところが多く、本発明の効果は大である。
【００２４】
【実施例２】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の他の実施例の鉄心部の拡大図で、図３（ａ）は、図２の高圧側の電力引出用ブッシング４の金属導管１６と絶縁層１７の間にギャップ１８を有する鉄心３１を絶縁板３２を介して多数貫通挿入している構造において、該鉄心３１と金属導管１６との間および絶縁板３２の間に厚さ数１０μｍの銅箔等の金属箔３３を介在させ、断面Ｕ字形にせしめて鉄心を覆うとともに、該金属箔の開放端間に抵抗器３４を並列接続した平面図で、（ｂ）はその断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線による断面部分の一部斜視図である。
本発明は、鉄心３１に対して、金属導管１６が１ターン貫通の１次コイルとなり、銅箔等の金属箔３３が１ターンの２次コイルとなり、構成比が１：１の変流器を形成していることになる（以下、環状変流器という）。金属箔３３の開放端に当たる環状変流器の外周部には抵抗器３４が多数均等配分で並列接続されているが、該抵抗器は環状変流器の外周に２本の被覆絶縁された抵抗線を２層逆巻とした無誘導巻抵抗でもよく、必要とする抵抗値を有するものを挿入すればよい。
【００２５】
図７は、本発明による絶縁変圧器の実用時の短絡等価回路を示す。図７において、２次コイル３３として作用する金属箔３３を有する鉄心はｎ個（Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ3 、・・・・、Ｄn ）で、各々の２次回路に抵抗値ｒの抵抗が繋がれており、コンデンサに蓄えられた電荷が、負荷側Ｇで短絡時、１次電流Ｉ₁ である短絡電流が流れると同時に、各鉄心の金属箔３３にはトランス結合による２次電流Ｉ₂ が流れている。該環状変流器の結合度が１００％の場合、１次電流Ｉ₁ と２次電流Ｉ₂ は等しくなり、図８は図７の動作説明を簡略化するための２次を１次に換算した等価回路図である。ここにＬは各環状変流器の励磁インダクタンスの総和で、実施例１に記載したギャップ入り環状鉄心のインダクタンスＬに相当し、抵抗値Ｒの抵抗は各環状変流器の２次コイル３３に接続された抵抗値ｒの抵抗の総和（Ｒ＝ｎ・ｒ）である。
図８に示す等価回路でコンデンサに蓄えられた電荷が負荷側Ｇで短絡放電した時、コンデンサからの放電電流Ｉc は励磁インダクタンスＬと抵抗値Ｒの２次抵抗とに分流して、電流Ｉ_L と電流Ｉ_R として流れる。そのときの各々の電流は次式で算出される。
【００２６】
【数５】

【００２７】
高圧側電力引出用ブッシング４の中心金属導管１６のインダクタンスＬに流れる電流Ｉ_L は（５）式で示す２次の微分方程式となり、２次抵抗の値により振動減衰電流や非振動減衰電流になり、２次抵抗の値が（９）式で示される臨界抵抗値Ｒc より大きくなると電流Ｉ_L は振動系になる。環状変流器の２次回路の抵抗を流れる電流Ｉ_R は（６）式で示すように高圧側電力引出用ブッシング４の中心金属導管１６のインダクタンスＬに流れる電流Ｉ_L の微分波形に係数を掛けたものとなり、負荷側の短絡電流に相当するコンデンサを流れる電流Ｉc はインダクタンスＬに流れる電流Ｉ_L と抵抗値Ｒの抵抗に流れる電流Ｉ_R の和として（７）式で示される。
【００２８】
図９は、先の実施例１で示した鉄心３１に２次コイル２６を配して該２次コイルに抵抗値Ｒの抵抗を付加した場合、抵抗値Ｒにより短絡電流がどのように変化するかを表したものである。
図９では抵抗値を（９）式に基づく臨界抵抗値Ｒc の１、２、３、５、１０、１００倍の抵抗値で計算した結果を示しており、臨界抵抗値Ｒc の３〜５倍で最大電流値が最小となり、それより小さい抵抗値では非振動系に近づき通電時定数は短くなるが尖頭電流値は増加する。また、抵抗値が１００Ｒc の波形は、実施例１で示す２次コイルおよび抵抗を入れない場合に相当する。最適条件は負荷側のダメージの状況に応じて選ばなければならないが、何れの抵抗値であっても回路構成から明らかなように、コンデンサに蓄えられたエネルギーは全て抵抗成分である抵抗値Ｒの抵抗に吸収（消費）されるので、負荷側の放電部へのエネルギー注入が抑えられ、負荷側のダメージを大幅に減少することができ、その効果は絶大である。
【００２９】
【発明の効果】
金属導管の外周にギャップを有する鉄心を配することにより、負荷側での短絡（地絡）電流を抑制することができる。
さらに、該鉄心に２次コイルとして作用する金属箔を設け、かつ抵抗を接続することにより、放電時定数を短縮し、かつ放出するエネルギーを抵抗体に吸収させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による絶縁変圧器の内部構造図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の鉄心部を拡大した図面で、（ａ）は金属導管１６に鉄心３１を絶縁板３２を介して多数挿入している平面図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線による断面部分の一部斜視図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の他の実施例の鉄心部を拡大した図面で、図３（ａ）は、鉄心３１と金属導管１６との間および絶縁板３２の間に金属箔を介在させ、断面Ｕ字形にせしめて鉄心を覆うとともに、該金属箔の開放端間に抵抗器を並列接続した平面図で、（ｂ）はその断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’線による断面部分の一部斜視図である。
【図４】図４は、従来の絶縁変圧器の内部構造図である。
【図５】図５は、絶縁変圧器の等価回路の回路図で、（ａ）は単相の場合、（ｂ）は３相の場合である。
【図６】図６（ａ）は、短絡放電の等価回路図であり、（ｂ）は放電電流波形である。
【図７】図７は、本発明の絶縁変圧器の実用時の短絡放電回路図である。
【図８】図８は、本発明の絶縁変圧器の実用時の等価回路である。
【図９】図９（ａ）は第８図の回路を説明するための動作回路図であり、図９（ｂ）は、抵抗値変化に伴う放電電流波形である。
【符号の説明】
１金属ケース
２変圧器
３低圧側電力供給用端子
４高圧側電力引出用ブッシング
５接地端子
６絶縁油
７碍管
８高圧側フランジ
９低圧側フランジ
１０パッキング
１１取付用フランジ
１２天板
１３パッキング
１４高電位側引出端子
１５トップカバー
１６金属導管
１７絶縁層
１８ギャップ
２０鉄心
２１ボビン
２２１次コイル
２３低圧側シールド板
２４絶縁層
２５高圧側シールド板
２６２次コイル
２７１次リード線
２８低圧シールド線
２９２次リード線
３０高圧シールド線
３１鉄心
３２絶縁板
３３金属箔
３４抵抗器

Claims

変圧器（２）を収納した金属ケース（１）と該金属ケースに絶縁油（６）を充填し、かつ該金属ケースに低圧側電力供給用端子（３）と高圧側電力引出用ブッシング（４）と接地端子（５）とを設けた絶縁変圧器において、
該高圧側電力引出用ブッシングの中央部に金属導管（１６）を配置し、さらに、鉄心（３１）と絶縁板（３２）とを交互に積み重ねて、複数個の鉄心（３１）を金属導管（１６）の外周に分割配置し、該鉄心（３１）が縦方向のギャップ（１８）を有することを特徴とする絶縁変圧器。
上記鉄心（３１）と金属導管（１６）との間および絶縁板（３２）の間に金属箔（３３）を介在させ、該金属箔（３３）が鉄心（３１）と絶縁板（３２）とを覆う断面コの字形であり、該金属箔（３３）のコの字形の開放端間に抵抗器（３４）を接続してなることを特徴とする請求項１記載の絶縁変圧器。