JP3936623B2

JP3936623B2 - 油入電気機器の冷却装置

Info

Publication number: JP3936623B2
Application number: JP2002149451A
Authority: JP
Inventors: 俊樹出丸
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: JP2003347126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、油入電気機器、例えば窒素ガス等を封入したガス封入式の油入変圧器の冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
油入電気機器は、通常本体タンク内に電気機器本体を収納し、絶縁と冷却の目的で絶縁油が充填されている。油入変圧器を例に従来の技術を説明する。図６は窒素ガス封入式の油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。図において、１は本体タンク、２は本体タンク１に収納された巻線、３は鉄心、４は鋼板を折り曲げて本体タンク１に一体に取り付けられた鉄心押え金、５は鉱油やシリコーン油などの絶縁油、６は絶縁油５の油面上に形成され絶縁油５の劣化防止のために窒素ガスなどが封入されたガス封入空間、７は本体タンク１の側面上部に設けた上部接続管、８は側面下部に設けた下部接続管、９は発熱部である巻線２や鉄心３などにより熱せられた絶縁油５を冷却するために上部接続管７と下部接続管８とに取り付けられた放熱器である。放熱器９は必要な冷却容量に応じ本体タンク１の側面に１個〜複数個並設されている。
【０００３】
次に動作について説明する。巻線２に電圧をかけ電流を流すと、巻線２および鉄心３は発熱し、この熱により熱せられた絶縁油５は上部接続管７に導かれ、放熱器９内を通過する間に外気によって冷却されて下降し下部接続管８を通って本体タンク１内に戻される。
【０００４】
絶縁油５の体積膨張率は、例えば鉱油は７〜８×１０^−４［１／℃］、シリコーン油（５０ｃＳｔ）は１０〜１１×１０^−４［１／℃］である。通常、油入変圧器は運転時に−２０℃〜８０℃程度の温度変化があるので、例えば鉱油の場合その体積が約７〜８％変化する。この絶縁油５の体積変化は油面高さの変化としてあらわれる。図６において、Ｈ１は最高温度油面高さ、Ｈ２は最低温度油面高さを示している。なお、最低温度油面高さＨ２の下限は、巻線２等の充電部高さに使用電圧から決まる油中絶縁距離を加えた寸法から決められる。
【０００５】
一般に、放熱器高さＨＲの中心と巻線高さの中心の差分ΔＨが大きい程、絶縁油の循環が良くなることが知られている。また当然放熱器９の冷却面積が大きいと冷却性能は向上することなどから、放熱器高さＨＲを大きくし、上部接続管７は本体タンク１の側面のできるだけ高い位置に取り付けるのが冷却上は好ましいが、絶縁油５の最低温度時でも上部接続管７内部に絶縁油５が流れる必要があるため、上部接続管７の高さは最低温度油面高さＨ２近傍より高くすることができない。一方、本体タンク１の高さは、最高温度油面高さＨ１にガスクッションとなるガス封入空間６の高さをプラスした高さが必要となる。つまり、本体タンク１の高さは、概略、上部接続管７の取付け高さに最高温度油面高さＨ１と最低温度油面高さＨ２の差分（Ｈ１−Ｈ２）とガス封入空間６の高さを加えた寸法となる。
【０００６】
最高油温度近傍でも十分な冷却性能を確保するためには、それに見合った冷却容量が必要である。冷却容量の増加手段としては、放熱器高さＨＲを高くしたり、放熱器９の幅方向寸法を増やしたり、放熱器９の並設本数を増やす方法等があるが、放熱器高さＨＲを高くすれば本体タンク１の高さが高くなり、幅方向寸法を増やせば変圧器幅ＷＴＲが大きくなるので、輸送寸法や据付寸法が大きくなる。
特に、シリコーン油は鉱油に比べ体積膨張率が約１．４倍も大きいため温度変化による体積の変化、つまり油面の変化が大きい上に、冷却性能は鉱油より劣るため、上述の影響の度合いが更に大きくなる。
【０００７】
図７は大容量変圧器の場合の一例である。図において１〜９，Ｈ１，Ｈ２，ＨＲ，ΔＨおよびＷＴＲは図６と同一または相当部分なので符号の説明は省略する。１０はコンサベータ、１１は本体タンク１とコンサベータ１０とを接続するコンサベータ接続管である。
【０００８】
大容量変圧器になれば、本体タンク１は大きくなり、絶縁油５の量も多くなって、体積膨張量が大きくなる。そこで、タンク高さを輸送制限などに抑えるため、絶縁油５の膨張分は本体タンク１上方に設けたコンサベータ１０によって吸収させるものである。最低温度油面高さＨ２はコンサベータ１０の下面としているので、上部接続管７は本体タンク１の最上部近傍に設けている。輸送時はコンサベータ１０を解体して別送等の措置をとる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の油入変圧器は以上のように構成されていたので、その冷却構造に次のような問題点があった。
すなわち、上部接続管７は絶縁油５の最低温度時でも絶縁油５が放熱器９へ流入するように最低温度油面高さＨ２を基準に決定されていたので、冷却性能が最も必要な最高温度時においても放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分ΔＨは最低温度時と同じである。最高温度時に必要な冷却性能を得るためにΔＨを大きくしようとすれば放熱器高さＨＲを高くしなければならず、最低温度油面高さＨ２を必要以上に高く設定することになるので、絶縁油５が増加し、本体タンク１の高さが高くなる。高さを抑えれば放熱器９の幅方向寸法を広げて変圧器幅ＷＴＲ大きくするか、放熱器９の並設本数を多くする必要があり、いずれも油入変圧器のコンパクト化が図れないという問題点があった。
【００１０】
この発明は上記の間題点を解決するためになされたもので、高温での油面上昇時において、放熱器の冷却面積を拡大し、かつ放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分ΔＨを大きくし、冷却性能を向上させて、コンパクト化を図ることができる油入電気機器の冷却装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る油入電気器の冷却装置は、電気機器本体を収納し絶縁油を充填した本体タンクの側面に上部接続管と下部接続管を設け、この両接続管を介し本体タンクに連結した放熱器に絶縁油を循環させ冷却する油入電気機器の冷却装置において、上部接続管は、本体タンクの側面の絶縁油の最低温度油面高さ近傍の位置に設けた第１の上部接続管と、絶縁油の最高温度油面高さ近傍の位置に設けた第２の上部接続管とで構成され、放熱器は、第１の上部接続管と下部接続管とに接続した第１の放熱器と、上部を第２の上部接続管に接続し下部を第１の放熱器の上部に連通させて接続した第２の放熱器とで構成されているものである。
【００１２】
また、電気機器本体を収納し絶縁油を充填した本体タンクの上方に絶縁油の膨張を吸収するコンサベータを有し、本体タンクの側面に第１の上部接続管と下部接続管を設け、この両接続管を介し本体タンクに連結した第１の放熱器に絶縁油を循環させ冷却する油入電気機器の冷却装置において、コンサベータの最高温度油面高さ近傍の位置に第２の上部接続管を設け、上部を第２の上部接続管に接続し下部を第１の放熱器の上部に連通させて接続した第２の放熱器を備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。図において、１は本体タンク、２は本体タンク１に収納された巻線、３は鉄心、４は鋼板を折り曲げて本体タンク１に一体に取り付けられた鉄心押え金、５は鉱油やシリコーン油などの絶縁油、６は絶縁油５の油面上に形成され絶縁油５の劣化防止のために窒素ガスなどが封入されたガス封入空間、１２は本体タンク１の側面下部に設けた下部接続管、１３はＡ−Ａから見た開口部断面が長円または矩形状をした上部接続管で、その長手方向を上下方向あわせ本体タンク１の側面に設けている。開口部の上下方向の寸法と取り付け位置は後述する。１４は発熱部である巻線２や鉄心３などにより熱せられた絶縁油５を冷却するための放熱器で、上部接続管１３に適合する接続部１４ａと下部接続管１２に適合する接続部１４ｂを有し、両接続管１３，１２に取り付けられている。通常、放熱器１４は必要とする冷却容量に応じ本体タンク１の側面の一面または複数面に複数個並設されている。
Ｈ１は最高温度油面高さ、Ｈ２は最低温度油面高さを示す。また、ＨＲは放熱器高さ、ΔＨは放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分、ＷＴＲは変圧器幅である。
【００１４】
ここで、上部接続管１３の開口部の上下方向の寸法は絶縁油５の最高温度油面高さＨ１と最低温度油面高さＨ２の差分（Ｈ１−Ｈ２）とほぼ等しくし、本体タンク１への高さ方向の取付け位置は開口部の上面を最高温度油面高さＨ１の近傍としている。なお、最高温度油面高さＨ１のときには完全に絶縁油５が開口部に充満するよう、開口部上面がＨ１を超えない方が望ましい。
【００１５】
次に動作について説明する。巻線２に電圧をかけ電流を流すと、巻線２および鉄心３は発熱し、この熱により熱せられた絶縁油５は上部接続管１３に導かれ、放熱器１４内を通過する間に外気によって冷却されて下降し下部接続管１２を通って本体タンク１内に戻される。
絶縁油５は負荷状態や外気温度の変化によって膨張・収縮し油面が変化する。本実施の形態の上部接続管１３は開口部の寸法を最低温度油面高さＨ２から最高温度油面高さＨ１までの温度変化をカバーするよう上下方向に拡大したので、全温度範囲にわたって上部接続管１３に絶縁油５が流入し、温度上昇にしたがって実質の放熱器面積が増え、最高温度時は放熱器１４全体に絶縁油５が充満し、放熱器１４の機能をフルに発揮する。そして、放熱器高さＨＲは最高温度油面高さＨ１を基準に決定しているので、実質の放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分ΔＨは油面上昇にしたがって大きくなり、高温になるほど絶縁油５の循環がよくなる。
【００１６】
本実施の形態によれば、放熱器１４の高さＨＲを最高温度油面高さＨ１近傍まで高くできるので、放熱器１４の放熱面積を拡大することができ、かつ放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分△Ｈを従来例に比べ大きくできるため、冷却性能、効率が向上し、油入変圧器のコンパクト化を図ることができる。
また、最高温度油面高さＨ１近傍に達するまでは放熱器１４の上部はガス封入空間６の一部となっているので、本体タンク１側の高さを低減できる一方、絶縁油５と窒素ガスとの接触面積が増える分だけ冷却効率が向上する。
【００１７】
実施の形態２．
図２は実施の形態２による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。図において、１〜６，１２およびＨ１，Ｈ２，ＨＲ，ＷＴＲ，ΔＨは実施の形態１で示した図１と同一または相当部分なので符号の説明は省略する。１５は本体タンク１の側面上部に設けた第１の上部接続管で、その取付け高さは最低温度油面高さＨ２近傍としている。なお、最低温度のときでも絶縁油５が流入するよう開口部下面が最低温度油面高さＨ２より低い方が望ましい。１６は第１の接続管１５の上方に設けた第２の上部接続管で、その取付け高さは最高温度油面高さＨ１近傍としている。なお、最高温度のときには完全に開口部に絶縁油５が充満するよう開口部上面が最高温度油面高さＨ１より低い方が望ましい。１７は絶縁油５を冷却する放熱器で、上部に設けた接続部１７ａを第１の上部接続管１５に、接続部１７ｂを第２の上部接続管１６に接続し、下部に設けた接続部１７ｃを下部接続管１２に接続している。
【００１８】
次に動作について説明する。低負荷または周囲温度の低いとき、すなわち油面高さが低いときは第１の上部接続管１５を通って絶縁油５が放熱器１７に導かれ、高負荷または周囲温度が高くなると油面が上昇して第２の上部接続管１６にも絶縁油５が流入し放熱器高さＨＲ全体が冷却に寄与するようになる。すなわち高温になるに従い放熱器１７の放熱面積が拡大すると共に放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分ΔＨが大きくなり冷却効率が向上する。
【００１９】
本実施の形態によれば、低油面時と高油面時のそれぞれに適した放熱器の高さを有効に利用できるので、冷却性能、効率が向上し、それによって油入変圧器のコンパクト化を図ることができる。
また、低温での油面下降時には放熱器１７上部もガス封入空間６の一部となり、本体タンク１側の高さを低減できる一方、絶縁油５と窒素ガスとの接触面積が増える分だけ冷却効率が向上する。
【００２０】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。図において、１〜６，１２，１５，１６およびＨ１，Ｈ２，ＨＲ，ＷＴＲ，ΔＨは実施の形態２で示した図２と同一または相当部分なので符号の説明は省略する。１８は第１の放熱器で、上部には垂直方向に開口した連通口１８ａを備え、水平方向に開口した上部の接続部１８ｂを第１の上部接続管１５に、下部の接続部１８ｃを下部接続管１２にそれぞれ接続している。１９は第１の放熱器１８の上方に配置した第２の放熱器で、下部に垂直方向に開口した連通口１９ａを備え、これを第１の放熱器１８の連通口１８ａに接続し、上部に水平方向に設けた接続部１９ｂを第２の上部接続管１６に接続している。
【００２１】
次に動作について説明する。低負荷または周囲温度の低いとき、すなわち油面高さが低いときには、絶縁油５は第１の上部接続管１５を通って第１の放熱器１８に導かれ外気によって冷却されて下降し下部接続管１２を通って本体タンク１内に還流する。高負荷または周囲温度が高くなると油面が上昇して第２の上部接続管１６にも絶縁油５が流入し第２の放熱器１９が冷却機能を発揮する。このとき、放熱器高さＨＲは両放熱器高さの合計となるので、高温時には第２の放熱器１９によって放熱面積が拡大すると共に放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分ΔＨが大きくなり冷却効率が向上する。
【００２２】
本実施の形態によれば、低油面時と高油面時のそれぞれに適した放熱器の高さを有効に利用できるので、冷却性能、効率が向上し、それによって油入変圧器のコンパクト化を図ることができる。
また、低温での油面下降時には第２の放熱器１９の上部はガス封入空間６の一部となり、本体タンク１側の高さを低減できる一方、絶縁油５と窒素ガスとの接触面積が増える分だけ冷却効率が向上する。
さらに、第２の放熱器１９はその部分を解体して輸送できるので、輸送制限の制約が緩和される。
【００２３】
実施の形態４．
図４は実施の形態４による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。図において、１〜６，１５，１６およびＷＴＲは実施の形態２で示した図２と同一または相当部分なので符号の説明は省略する。ただし、図２と異なり上部接続管１５と１６は本体タンク１の異なる側面に設けている。２０は第１の上部接続管１５に対応して本体タンク１の下部側面に設けた第１の下部接続管、２１は第２の上部接続管１６に対応して本体タンク１の下部側面に設けた第２の下部接続管、２２は第１の上部接続管１５と第１の下部接続管２０とに接続した第１の放熱器、２３は第２の上部接続管１６と第２の下部接続管２１とに接続した第２の放熱器である。また、ＨＲＬは第１の放熱器高さ、ＨＲＲは第２の放熱器高さ、ΔＨＬは第１の放熱器高さＨＲＬの中心と巻線高さの中心との差分、ΔＨＲは第２の放熱器高さＨＲＲの中心と巻線高さの中心との差分である。
【００２４】
次に動作について説明する。低負荷または周囲温度の低いときすなわち油面高さが低いときは、絶縁油５は第１の放熱器２２によって冷却される。高負荷または周囲温度が高くなると油面が上昇して第２の上部接続管１６にも絶縁油５が流入し第２の放熱器２３が冷却機能を発揮する。高温時に機能する第２の放熱器２３側のΔＨＲは第１の放熱器２２側のΔＨＬより大きいので、第２の放熱器２３は長さが長く放熱面積が増えることに加えて冷却効率も高い。
【００２５】
本実施の形態によれば、冷却能力をより必要とする高温時にはより冷却性能の優れた効率のよい放熱器を提供することができる。
また、低温時は第２の放熱器２３の上部はガス封入空間６の一部となり、本体タンク１側の高さを低減できる一方、絶縁油５と窒素ガスとの接触面積が増える分だけ冷却効率が向上する。
【００２６】
なお、図４では放熱器２２，２３を本体タンク１の左右の側面にそれぞれ設けた場合を示したが、他の側面でもよく、同一側面に混在させて設けてもよい。
【００２７】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。図において、１〜６，１２およびＨ１，Ｈ２，ＨＲ，ＷＴＲ，ΔＨは実施の形態３で示した図３と同一または相当部分なので説明は省略する。２４は絶縁油５の膨張分を吸収するコンサベータ、２５は本体タンク１とコンサベータ２４とを接続し絶縁油５の通路となるコンサベータ接続管である。２６は本体タンク１の上部に設けた第１の上部接続管、２７はコンサベータ２４の最高温度油面高さＨ１近傍の位置に設けた第２の上部接続管である。２８は第１の放熱器で、上部には垂直方向に開口した連通口２８ａを備え、水平方向に開口した上部の接続部２８ｂを第１の上部接続管２６に、下部の接続部２８ｃを下部接続管１２にそれぞれ接続している。２９は第１の放熱器２８の上方に配置した第２の放熱器で、下部に垂直方向に開口した連通口２９ａを備え、これを第１の放熱器２８の連通口２８ａに接続し、上部に水平方向に設けた接続部２９ｂを第２の上部接続管２７に接続している。
なお、最低温度油面高さＨ２はコンサベータ２４の下面としているので、第１の上部接続管２６は本体タンク１の最上部近傍に設けている。
【００２８】
次に動作について説明する。低負荷または周囲温度の低いとき、すなわち油面高さが低いときには、絶縁油５は第１の上部接続管２６を通って第１の放熱器２８に導かれ外気によって冷却されて下降し下部接続管１２を通って本体タンク１内に還流する。高負荷または周囲温度が高くなると油面が上昇して第２の上部接続管２７にも絶縁油５が流入し第２の放熱器２９が冷却機能を発揮する。このとき、放熱器高さＨＲは両放熱器高さの合計となるので、高温時には第２の放熱器２９によって放熱面積が拡大すると共に放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分ΔＨが大きくなり冷却効率が向上する。
【００２９】
本実施の形態によれば、低油面時と高油面時のそれぞれに適した放熱器の高さを有効に利用できるので、冷却性能、効率が向上し、それによって油入変圧器のコンパクト化を図ることができる。
また、低温時は第２の放熱器２９の上部はガス封入空間６の一部となり、本体タンク１側の高さを低減できる一方、絶縁油５と窒素ガスとの接触面積が増える分だけ冷却効率が上がる。
さらに、第２の放熱器とコンサベータを解体して輸送できるので、輸送制限の制約は大きく緩和される。
【００３０】
なお、上記実施の形態１〜５は外鉄形の油入変圧器を例にとって説明したが、内鉄形の油入変圧器でもよく、また変圧器以外にリアクトルや変成器等の他の油入電気機器の冷却装置に適用しても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、放熱器を接続する上部接続管を、本体タンクの側面の絶縁油の最低温度油面高さ近傍の位置に設けた第１の上部接続管と、絶縁油の最高温度油面高さ近傍の位置に設けた第２の上部接続管とで構成し、放熱器を、第１の上部接続管と下部接続管とに接続した第１の放熱器と、上部を第２の上部接続管に接続し下部を第１の放熱器の上部に連通させて接続した第２の放熱器とで構成したので、高油面高さ時には放熱器高さの中心と巻線高さの中心の差分を大きくでき、低油面時と高油面時のそれぞれに適した放熱器の高さを有効に利用できるので、冷却性能、効率が向上し、それによって油入変圧器のコンパクト化を図ることができる。さらに、第２の放熱器部分を解体できるので、輸送制限の制約は緩和される。
【００３２】
また、請求項２の発明によれば、コンサベータ付の油入電気機器において、本体タンクに設けた第１の放熱器に加えて、コンサベータの最高油面高さ近傍の位置に設けた第２の上部接続管と第１の放熱器の上部連通部とに第２の放熱器を設けたので、低油面時と高油面時のそれぞれに適した放熱器を有効に利用でき、冷却性能、効率が向上し、それによって油入変圧器のコンパクト化を図ることができるとともに、第２の放熱器とコンサベータを解体して輸送できるので、輸送制限の制約は大きく緩和される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。
【図３】この発明の実施の形態３による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。
【図４】この発明の実施の形態４による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。
【図５】この発明の実施の形態５による油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。
【図６】従来の油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。
【図７】従来のコンサベータ式の油入変圧器の冷却装置を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１本体タンク２巻線
３鉄心５絶縁油
１２下部接続管１３上部接続管
１４、１７放熱器１５第１の上部接続管
１６第２の上部接続管１８、２２、２８第１の放熱器
１８ａ、１９ａ、２８ａ、２９ａ連通口
１９２３、２９第２の放熱器２０第１の下部接続管
２１第２の下部接続管２４コンサベータ。

Claims

電気機器本体を収納し絶縁油を充填した本体タンクの側面に上部接続管と下部接続管を設け、この両接続管を介し上記本体タンクに連結した放熱器に上記絶縁油を循環させ冷却する油入電気機器の冷却装置において、上記上部接続管は、上記本体タンクの側面の上記絶縁油の最低温度油面高さ近傍の位置に設けた第１の上部接続管と、上記絶縁油の最高温度油面高さ近傍の位置に設けた第２の上部接続管とで構成され、上記放熱器は、上記第１の上部接続管と上記下部接続管とに接続した第１の放熱器と、上部を上記第２の上部接続管に接続し下部を上記第１の放熱器の上部に連通させて接続した第２の放熱器とで構成されていることを特徴とする油入電気機器の冷却装置。
電気機器本体を収納し絶縁油を充填した本体タンクの上方に上記絶縁油の膨張を吸収するコンサベータを有し、上記本体タンクの側面に第１の上部接続管と下部接続管を設け、この両接続管を介し上記本体タンクに連結した第１の放熱器に上記絶縁油を循環させ冷却する油入電気機器の冷却装置において、上記コンサベータの最高温度油面高さ近傍の位置に第２の上部接続管を設け、上部を上記第２の上部接続管に接続し下部を上記第１の放熱器の上部に連通させて接続した第２の放熱器を備えたことを特徴とする油入電気機器の冷却装置。