JP4532050B2 - 地中冷却式配電変圧器システム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
１．（技術分野）
本発明は、変圧器が固体絶縁材料でキャスト（鋳造）された一次及び二次巻線と周りを取り囲んでいる土壌に熱損失を供給するために露出された鋼磁気コアとを有している変圧器で地中に直接埋設され、そして更に電源ケーブル及び給電ケーブルもまた、地中に埋設され、更に複数のこれらの変圧器は、消費者負荷社会全体に電力を供給するために地中に埋設された配電システムの一部を形成する地中冷却型配電変圧器システム及び方法に関する。
【０００２】
２．（背景技術）
配電変圧器は、熱キャリヤとしての役を果たすオイルが設けられた保護ケーシングに通常取付けられ、それにより巻線によって発生された熱がオイルと接触しているケーシングを通して発散される。オイル及びケーシングの使用は、問題のあることが示されておりかつまた 配電変圧器の物理的な大きさを増大し、地中にそれらを直接埋設することを難しくしている。地中に配電変圧器並びに家庭に供給するそれらのケーブルを埋設しそれにより電柱取付け形変圧器又はパッド取付け形変圧器を排除する試みがなされている。しかしながら、これらの埋設形変圧器は、地下に配置されたときに冷却することをやはり必要とし、従って変圧器は、ハウジングに取付けられかつ変圧器のオイル又はそれにハウジングが地中に埋設された冷却パイプのシステムによって冷却される。そのような配電変圧器構成の例は、米国特許３，２１２，５６３号及び４，００９，４１８号に開示されている。
【０００３】
固体又は乾式（ドライ）変圧器の出現により、変圧器の大きさは、かなり縮小されたが、しかしそのような変圧器の冷却は、変圧器構造内を循環する空気又は液体との、又は大気と接触する固体ヒート・シンクとの熱交換によって通常影響を及ぼされる。そのような固体又は乾式変圧器で遭遇する困難のあるものは、固体誘電材料を通る熱発散が乏しいということが示されかつ熱上昇の結果が固体誘電材料にひびを入れることができる（クラックできる）ホット・スポット又は高い熱勾配を生成できるということである。これは、変圧器の置換えを必要とする重大な故障へと導くことができる。また、これらの変圧器のほとんどは、電気ショック災害を取り除くために接地形筐体を必要とする。そのような筐体は、一般的に、変圧器自体よりも遥かに大きい寸法を有している金属ケージであり、それゆえに設置空間要件を難しくしている。
【０００４】
近年、米国特許５，６５６，９８４号公報を参照すると、改良された固体絶縁変圧器が開発されたが、しかしこれらも、また、周りを取り囲んでいるシェル又はハウシングへの変圧器全体のキャスティング（鋳造）を必要とする。そのようなものは、非常に大きなマンホールに通常取付けられそれにより熱を抽出するために変圧器の内側コイル及び鉄心を通して冷却液を循環する冷却装置を収容する。従って、そのような設置は、かなりかさばりかつ高価である。近年、変圧器がグラスファイバ及びビニルエステル樹脂によって完全に保護されるか又は変圧器がコンクリートでキャストされる配電変圧器も開発された。そのような変圧器は、マンホールに通常取付けられかつ冷却媒体のある形式を必要とする。
【０００５】
米国特許４，３４９，８０１号公報は、巻線が樹脂でキャストされかつ巻線鉄心もまた耐震構造の最適カプセル化による腐食及び機械的損傷から保護されそれにより密閉形変圧器を地中に埋設させる、単相変圧器を記述している。防水コネクタ・ソケットは、それに地下ケーブルを接続するために設けられている。この特許の図３は、そのような埋設形構造を示す。これらの変圧器は、製造するのに費用がかかり、かさばり、かつ過熱に関連付けられた問題が出現する。
【０００６】
米国特許４，２３６，１３４号公報は、電力分配用多相変圧器を教示しかつ変圧器は、キャスト樹脂の固体ブロック内に収容される。次いで、ブロックは、その周りに砂が配置されて地中に埋設され、トップ（最上部）を除きそれは土壌で充たされる。砂は、最小の熱除去を保証する。この設計は、変圧器が熱を発散するために地中に露出される出願人のシステムとは対照的である。
【０００７】
（発明の開示）
冷却剤の使用なしで地中に直接埋設することができる電力分配変圧器構造を提供することが本発明の特徴であり、それにより周辺の土壌は、変圧器巻線によって発生された熱を発散するために冷却媒体を供給する。
【０００８】
本発明の別の特徴は、一次及び二次巻線が、比較的露出されたままでありかつ周辺の土に熱を発散すべく巻線によって発生された熱の伝導を供給する鋼磁気鉄心を伴う固体絶縁材料でキャストされる地中冷却型配電変圧器を提供することである。
【０００９】
本発明の別の特徴は、地中に埋設される地中冷却型配電変圧器を提供することでありかつ複数の消費者負荷に電力を給電すべく地下電力分配ネットワークを形成するために高電圧電源ケーブル並びに二次巻線の電力分配ケーブルもまた地中に埋設される。
【００１０】
本発明の別の特徴は、マンホール・エンクロージャに隣接する地中に埋設される地中冷却型配電変圧器を提供することであり変圧器への接続は、マンホールに取付けられかつマンホールに隣接する埋設形変圧器に直接接続された端子を通して供給される。
【００１１】
本発明の別の特徴は、固体絶縁材料でカプセル化されている変圧器の一次及び二次巻線と地中への熱発散を供給するために周辺の土に露出されている鉄心とを伴って地中に変圧器を埋設することによって配電変圧器を冷却する方法を提供することである。
【００１２】
本発明の別の特徴は、地中に直接埋設される配電変圧器を通して複数の消費者負荷に電力を分配する方法を提供することであり変圧器の一次及び二次巻線は、周辺の土に熱発散を供給すべく露出されているそれらの鉄心を伴って固体絶縁材料で絶縁される。
【００１３】
上記特徴によれば、広い形態から、本発明は、一次及び二次巻線がそれぞれその回りに巻かれた鉄心脚を定義している鋼磁気鉄心を有している配電変圧器を備えている地中冷却型配電変圧器システムを提供する。巻線のそれぞれは、固体絶縁材料によって絶縁されている。配電変圧器は、それにより周辺の土によって変圧器を冷却すべく地中に巻線によって発生された熱を発散するために地中に露出した鋼鉄心を伴って地中に所定の深さで埋設される。高電圧電源ケーブルは、一次巻線に接続されかつ地中に少なくとも部分的に広がる。電力分配ケーブルは、二次巻線に接続されかつ一つ以上の消費者負荷に電力を給電するために地中に部分的に広がる。
【００１４】
本発明の更なる広い形態によれば、前記システムで使用しかつカプセル化された巻線、給電及び分配電気的絶縁ケーブル、及び露出鉄心を有している直接埋設形配電変圧器が提供される。変圧器は、土と接触する鉄心を伴って所望の深さで地中に埋設され、それにより冷却媒体としての役割を果たす土に熱を発散する。
【００１５】
（発明を実施するための最良の形態）
添付した図面を参照して、本発明の好適な実施形態をここで記述する。
【００１６】
ここで図面、より特定的には図１を参照すると、マンホール・エンクロージャ１２に隣接してここに示されるように地面１１の下に直接埋設される本発明の地中冷却形配電変圧器が参照番号１０で一般的に示されている。また、図２に示すように、配電変圧器１０は、一次巻線１６及び二次巻線１７がその周りに巻かれる鉄心脚１４及び１５を定義する鋼磁気鉄心１３を有する。巻線１６及び１７のそれぞれは、この技術分野でよく知られた固体絶縁樹脂材料１８によって絶縁されている。鋼磁気鉄心１３は、露出したままである。
【００１７】
図２に示すように、電力分配（配電）変圧器１０は、周囲の土の温度が変圧器を冷却するために理想である約８℃である所定の深さ“ｄ”で地面１１の下（即ち地中）に埋設される。鋼鉄心１３が周囲の土１９に露出されるので鉄心１６及び１７によって発生された熱は、鉄心１３を通って伝えられかつ土１９に発散される。従って、周囲の土は、変圧器に対する冷却媒体を供給し、鉄心は、ヒート・シングとしての役割を果たす。
【００１８】
高電圧電源ケーブル２０は、一次巻線１６に接続されかつ電力分配ケーブル２１は、二次巻線１７に接続される。これらのケーブルの両方は、地面１１の下で少なくとも部分的に広がる（拡張する：伸長する）。電力分配ケーブルは、それによって電力を複数の消費者負荷、通常は４又は６つの住宅に給電（供給）するために地下又は地上端子に接続されうる。
【００１９】
ここに示すように、約２５ＫＶを通常キャリーする、高電圧電源ケーブルは、一次巻線並びに分配ケーブル２１に直接接続される。従って、変圧器にブッシングを供給する必要がなくそれゆえに費用節減（コスト・セービング）を結果としてもたらす。また、変圧器が周辺の土に直接露出されるので、ケーシング及び絶縁媒体を供給する必要もない。これは、そのような電力分配（配電）変圧器の構築における実質的な費用節減を結果としてもたらしかつハウシング及び冷却装置が存在しないので大きさが縮小される。
【００２０】
図１に示すように、配電変圧器１０が、ここに示すエンクロージャ１２のような、マンホール・エンクロージャに隣接して埋設されるときに、高電圧電源ケーブル２０は、マンホールに直接給電されかつを故障検出装置２３を通って高電圧端子２２に接続される。一次電源ケーブル２０’は、一次巻線１６を端子２２に相互接続し、かつ電流制限ヒューズ２４は、このケーブルに接続されるのが好ましい。また、高電圧ケーブル２０の別のセクションは、端子２２及びマンホールの外に接続されそれにより、設置により、更なるマンホールに給電（供給）するか又は別の配電変圧器に直接接続する。
【００２１】
図１に示すように、また、マンホールは、消費者負荷への１２０／２４０ボルト電源が供給される接続箱２５が設けられている。図３に示すように、接続箱は、複数の消費者負荷に電力を供給する。
【００２２】
図２を再び参照すると、鋼磁気鉄心１３は、地中に露出されるときに鉄心の酸化を抑制するように伝熱被覆２６が設けられうるということが示される。また、図１に示すように、接地棒２７は、埋設された変圧器１０に隣接する土に固定され、かつ鋼磁気鉄心は、ここに示すように、最適な導体２８によってこの接地棒に接続されうる。更に、図２に示すように、一次及び二次巻線は、両方ともに、周辺の土へのより良い熱伝導率を供給するためにその外側の絶縁された表面にカーボン塗料２９のような導電性塗料を設けられうる。マンホール・カバー３０は、設置及びサービス供給のためにマンホール・エンクロージャの内側へのアクセスを供給する。
【００２３】
図３を参照すると、本発明の地中冷却型配電変圧器システムが多くの効果（利点）を有するということが理解できる。図３に示すように、それにより消費者負荷の社会全体を給電するために完全地下直接埋設電力分配システムが設けられうる。ここに示すように、複数の変圧器１０は、地面１１の下に埋設されかつそれぞれは、複数の消費者負荷３１を給電する。変圧器の一次及び二次巻線は、変圧器の相互接続並びに変圧器への直接的な消費者負荷を供給するために最適な端子が設けられうる。代替的に地下又は地上接続箱は、最適な安全エンクロージャに設けられうる。しかしながら、分配システムが完全に地下にあるときには、地面は、また、地上の人々に分配システムの電気的絶縁及び安全を供給する。配線変圧器を位置決めするために最適指示手段が変圧器の直上の地表に固定されうる。冷却媒体を変圧器へ循環するために地下ブッシング又は冷却媒体又は動力装置を必要としないので、そのような設置に対してほとんど又はまったく保守を必要としないので非常に適しており、そのような直接埋設形変圧器及びケーブルの平均寿命は、少なくとも４０年であることが期待される。それゆえに、変圧器は、周辺の土の自然条件（状態）によってもたらされる冷却を自給する。爆発の場合には、土が衝撃を吸収しかつ破片プロジェクタイルを防ぐ。また、変圧器は、土壌を汚染しない。
【００２４】
本発明は、地中に埋設されたときに周辺の土に露出されたその鋼磁気鉄心１３及び固体絶縁材料でカプセル化されたその巻線１６及び１７を有する変圧器１０のプロビジョンを備えている配電変圧器を冷却する方法を提供するものとして纏めることができる。電源ケーブル及び電力分配ケーブルは、一次及び二次巻線にそれぞれ固定されかつまた地下に全体的に又は部分的に置かれる。変圧器は、変圧器を取り囲んでいる温度が変圧器を冷却するのに十分であるということが知られている所定の深さで埋設されかつこの温度は、約８℃が適当であるということが見出された。変圧器が埋設される深さは、その土の地質の成分及び地理的な場所のような他の要因により場所毎に変わる。また、変圧器は、これは必要ではないが、図１に示すように、マンホール・エンクロージャに隣接して埋設されうる。単一のマンホール・エンクロージャが本発明の一つ以上の埋設形配電変圧器１０に関連付けられうるということも考えられる。
【００２５】
当業者は、この開示が基づく概念が上述したものと同じ方法及びシステムを用いると同時に、他の地下分配ネットワークを設計するための基本として容易に利用されうるということを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マンホール・エンクロージャに隣接して地中に直接埋設された本発明の地中冷却型配電変圧器の設置を示す透視図である。
【図２】 周りを取り囲んでいる冷たい土に熱を発散するために地中に埋設された配電変圧器の略図である。
【図３】 複数の消費者負荷に給電している複数の直接的に埋設された配電変圧器で構成されている分配ネットワークを示す略図である。

Claims (13)

1. 配電変圧器を備えた地中冷却式配電変圧器システムであって、前記配電変圧器が、一次巻線及び二次巻線が周りに巻かれたコア脚を構成するスチール磁気コアを有し、前記巻線が固体絶縁材料で絶縁されている地中冷却式配電変圧器システムにおいて、
   前記配電変圧器は、前記スチール磁気コアが地中で露出し前記巻線が発生させた熱を地中に放散させるように、前記一次巻線に接続され少なくとも一部分が地中をとおる高電圧供給ケーブルと、前記二次巻線に接続され少なくとも一部分が地中をとおり一又二以上の使用者に電力を供給する電力分配ケーブルとともに、地中に所定深さに埋設されている、
   ことを特徴とする地中冷却式配電変圧器システム。
2. 前記高電圧電源ケーブル及び前記分配ケーブルは、前記一次及び二次巻線にそれぞれ直接接続される、
   請求項１に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
3. 前記配電変圧器は地中に埋設されたマンホール・エンクロージャに隣接して埋設され、
   前記マンホール・エンクロージャは、前記高電圧供給ケーブルが接続される高電圧端子と、前記一次巻線を前記高電圧端末に相互接続する一次電源ケーブルとを有する、
   請求項１に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
4. 前記高電圧供給ケーブルは、前記高電圧端子に接続され、かつ埋設された別の配電変圧器に直接又は前記埋設された別の配電変圧器に関連付けられた別のマンホール・エンクロージャの更なる高電圧分配端子を介して接続される、
   請求項３に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
5. 前記マンホール・エンクロージャは、前記一つまたは二以上の電力分配ケーブルが接続される接続箱を備えている、
   請求項３に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
6. 前記配電変圧器は、地中の温度がほぼ８℃である深さに埋設される、
   請求項１に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
7. 前記スチール磁気コアには、地中で露出されたときに前記スチールコアの酸化を抑制するような伝熱性被覆が設けられている、
   請求項１に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
8. 接地棒が、前記埋設された変圧器に隣接して地中に固定され、
   前記スチール磁気コアは、前記接地棒に接続される、
   請求項１に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
9. 前記絶縁材料は、その外側表面に導電性被覆を有する、
   請求項１に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
10. 前記導電性被覆は、カーボン塗料である、
    請求項９に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
11. 前記高電圧電源ケーブルは、２５ＫＶケーブルであり、前記分配ケーブルは、１２０／２４０ボルト・ケーブルである、
    請求項１に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
12. 複数の前記配電変圧器が、所定の場所で前記地中に埋設されかつ前記地中に埋設された一または二以上の高電圧電源ケーブルによって相互接続され、前記各変圧器は、前記地中に埋設された一または二以上の前記電力分配ケーブルによって前記複数の消費者負荷の対応するグループに電力を供給する、
    請求項１に記載の地中冷却式配電変圧器システム。
13. 一つ以上のマンホール・エンクロージャが更に供給され、前記変圧器のあるものは、前記マンホール・エンクロージャの一つに隣接して地中に埋設され、前記変圧器の前記一次巻線の前記電源ケーブルは、前記高電圧電源ケーブルが接続される前記マンホールの高電圧端子に接続され、前記分配ケーブルは、それを通して前記消費者負荷が埋設された電気的に絶縁されたケーブルによって給電される接続箱に接続される、
    請求項１２に記載の地中冷却式配電変圧器システム。

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