JP4664181B2 - 電力用変圧器 - Google Patents

Description

本発明は、送受配電用設備に使用する電力用変圧器に係り、その目的は変圧器巻線の高周波共振を抑制するようにした電力用変圧器に関する。

従来から、鉄塔等への落雷によって変圧器巻線に雷サージ電圧（衝撃電圧）が印加されることはよく知られている。この雷サージ電圧には数ＭＨｚにわたる高い周波数成分が含まれることが知られており、送変電用の電力用変圧器においては、変圧器に印加される雷サージ電圧の高周波成分に起因する変圧器巻線の電位振動現象を考慮する必要がある。

つまり、前記電力用変圧器の変圧器巻線に雷サージ電圧が印加されると、前記変圧器巻線は電気回路的にインダクタンスとキャパシタンスを有するので、前記変圧器巻線内で電位振動が発生し、その結果、振動性の過電圧が発生する。

通常、非有効接地系に使用される受配電設備の電力用変圧器は、一次巻線を星形結線とし、その巻線の中性点は非接地としている。運転中、この変圧器巻線に三相同時に雷サージ電圧が印加されると、図８に示すように、電位振動現象により前記変圧器巻線の中性点における電位が印加電圧より高くなる場合がある。

この現象に対して、従来から、変圧器巻線の絶縁性能を確認する目的で、標準雷インパルス電圧を変圧器巻線に3相一括で印加する、所謂、非接地雷インパルス耐電圧試験を実施している。

前記変圧器巻線については、前記耐電圧試験に耐え得るよう、中性点の電位上昇の抑制と絶縁及びコストのバランスを考慮して設計される。従来は、中性点の電位上昇を低減するために、巻線の直列静電容量を大きくして前記電位振動を抑制する、所謂、インターリブド巻線を採用していた。

これは、図９に示すように、２本のコイル導体ａ、ｂを一対として並列巻きして単位円板コイルＡを形成し、この単位円板コイルＡを軸方向に複数段配置（Ａ，Ｂ…Ｎ）し、前記隣接する２つの単位円板コイルＡ、Ｂ…Ｎ同士を巻回数の離れた単コイル間を入り組ませた状態で静電的に接合するものであり、従前から変圧器巻線に侵入する雷サージ電圧に対する特性を改善するものとして種々の提案がなされている（特許文献１参照）。
実開昭６１−８１１１２号公報

また、インターリブド巻線を採用しない場合には、中性点の電位上昇が大きくなるため、前記巻線の絶縁強化や絶縁距離を増加させる等、製作コストが上昇する対策が必要となっていた。

然るに、前述した従来技術は、標準雷インパルス波形に対しては有効ではあるが、実際の種々異なった波形の雷サージ電圧には、効果が少ないことがある。例えば、運転中に変圧器巻線の高周波共振と同じ周波数成分を多く含んだ振動性の雷サージ電圧が印加された場合は、想定以上に電位が高くなり、十分な効果が得られない場合があった。

そこで、本発明は、複雑な雷サージ電圧が印加されて、前記高周波共振の現象が発生した場合においても、電位の上昇を確実に抑制することのできる雷サージ電圧特性に優れた変圧器巻線を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、非有効接地系に使用される受配電設備の電力用変圧器において、その変圧器の巻線を、星形結線された一次巻線および二次巻線と、付加インピーダンスを介して三角結線した三次巻線によって構成し、かつ、前記付加インピーダンスは、インダクタンスと抵抗の並列回路とし、前記インダクタンスは、商用電源周波数の第三調波に対しては低いインピーダンスとなるように設定し、抵抗は、変圧器巻線の高周波共振に対して共振を抑制する抵抗値に設定して構成した。

請求項１記載の発明によれば、一次巻線と二次巻線を星形結線とし、前記二次巻線に付加インピーダンスを介して三角結線した三次巻線によって変圧器巻線を構成し、当該三次巻線に付加インピーダンスを取り付けることによって、変圧器巻線の高周波共振を抑制することができる。

また、請求項１記載の発明によれば、前記三次巻線に接続する付加インピーダンスをインダクタンスと抵抗の並列回路として構成することにより、前記三次巻線に流れる第３調波電流に対して、付加インピーダンスのインダクタンスは低インピーダンスで、前記変圧器巻線の高周波共振周波数近傍では、付加インピーダンスのインダクタンスは高インピーダンスとなり、抵抗が共振制限（ダンピング）抵抗として働くことにより、前記変圧器巻線の高周波共振を抑制することが可能となる。

さらに、請求項１記載の発明によれば、変圧器巻線の高周波共振を抑制するように抵抗を設定して構成することにより、前記高周波共振と同じ周波数成分を多く含む振動性の雷サージ電圧が印加された場合でも、電位が高くなる共振現象を効果的に抑制することができるので、絶縁破壊を防止でき、変圧器の信頼性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図１ないし図７により説明する。本発明に係る電力用変圧器の変圧器巻線は、図１に示す三相内鉄形鉄心１に、該三相内鉄形鉄心１側から三次巻線Ｔ３、二次巻線Ｔ２、一次巻線Ｔ１の順に同心状に巻回されている。また、前記各々の巻線Ｔ１〜Ｔ３は、図２に示すように、一次巻線Ｔ１と二次巻線Ｔ２はともに星形結線され、一方、三次巻線Ｔ３は開放三角結線（オープンデルタ）に付加インピーダンスＺを接続し構成されている。

そして、前記三次巻線Ｔ３には、図２に示す付加インピーダンスＺが、例えば、三次巻線Ｔ３のｕ相とｖ相間に接続されている。この付加インピーダンスＺは付加抵抗Ｒ₀と付加インダクタンスＬ₀の並列回路として構成され、前記抵抗Ｒ₀は、変圧器巻線の高周波共振に対して、共振を抑制するように選定される。

以下に、前記付加インダクタンスＬ₀と付加抵抗Ｒ₀を選定する場合の考え方について記載する。まず、図１に示す変圧器巻線に、前記付加インピーダンスＺが接続されていない場合の雷サージ電圧に対する等価回路を図３に示す。この場合は三相一括印加であるので、変圧器内部には零相電圧として、印加される事になる。

図３に示すように、前記付加インピーダンスＺが取り付けられていない場合の雷サージ電圧に対する等価回路は、一次巻線Ｔ１の等価インピーダンス、すなわち、一次巻線Ｔ１の等価漏れインダクタンスＬ₁₁と等価抵抗Ｒ₁₁、および、三次巻線Ｔ３の等価インピーダンス、すなわち、一次巻線Ｔ１と三次巻線Ｔ３の等価漏れインダクタンスＬ₁₃と等価抵抗Ｒ₁₃の並列回路と、一次二次巻線間と一次巻線タンク間の等価キャパシタンスＣを並列にした回路となる。

通常、前記等価漏れインダクタンスＬ₁₁と等価漏れインダクタンスＬ₁₃の関係はＬ₁₁＞Ｌ₁₃であり、一方、等価抵抗Ｒ₁₁と等価抵抗Ｒ₁₃の関係は、Ｒ₁₁＞Ｒ₁₃の関係にある。すなわち、図３に示す等価回路は、略、一次巻線Ｔ１と零相電圧に対して短絡回路を形成している三次巻線Ｔ３との等価漏れインダクタンスＬ₁₃と等価抵抗Ｒ₁₃および等価キャパシタンスＣで表すこともできる。そして、この等価回路の各定数に、実機測定結果から得られた値を適用し周波数特性を計算すると、図４に示すように１０ｋＨｚ近傍に共振点があり、中性点の電位が上昇する。なお、図４に示す共振の鋭さＱは入力に対する出力の比で応答倍率にも一致し、次式で与えられる。

前記［数１］からわかるように、高周波共振を抑制するためには、等価漏れインダクタンスＬ₁₃を小さくし、等価抵抗Ｒ₁₃と等価キャパシタンスＣを大きくすることにより実現できることがわかる。

ここで、前記電力用変圧器の三次巻線Ｔ３に着目し、高周波共振の抑制について検討する。前記三次巻線Ｔ３は前述したように三角結線であるので、例えば、図２に示すように、三次巻線Ｔ３のｕ相とｖ相の接続間に付加インピーダンスＺを接続することにより高周波共振の抑制が可能となる。

前記三次巻線Ｔ３の主目的は、前記電力系統に含まれる第三調波電流を流し、系統電圧の電圧歪を抑制することにあり、負荷をとるための端子を全く出すことなく、内蔵するだけの場合もある。

これは安定巻線と呼ばれているが、これに流れる第三調波電流は、５０Ｈｚ系統であれば１５０Ｈｚ、系統が６０Ｈｚであれば１８０Ｈｚの電流となる。そこで付加インピーダンスＺは、付加インダクタンスＬ₀が第三調波電流の周波数（１５０Ｈｚまたは１８０Ｈｚ）近傍においては、低インピーダンスに、高周波共振近傍（図４）では、高インピーダンスとなり、さらに前記付加抵抗Ｒ₀がダンピング抵抗として働くように設定して、前記三次巻線Ｔ３に接続することによって、前記高周波共振を抑制することができる。

これを検討するための等価回路を図５に示す。図５の等価回路には、一次巻線Ｔ１の等価漏れインダクタンスＬ₁₁と等価抵抗Ｒ₁₁、および、一次巻線Ｔ１と三次巻線Ｔ３の等価漏れインダクタンスＬ₁₃と等価抵抗Ｒ₁₃に直列に付加インピーダンスＺ（付加インダクタンスＬ₀と付加抵抗Ｒ₀の並列回路）を接続している。

三次巻線に付加インピーダンスを接続しない通常の場合と、接続した場合との等価回路で、高周波共振の抑制の原理について図３と図５で説明する。三次巻線に付加インピーダンスを接続しない場合の等価回路は、図３の通りである。この等価抵抗Ｒ₁₃と直列に付加抵抗Ｒ₀を接続することで、高周波共振を抑制することができる。しかし付加抵抗Ｒ₀は、第三調波に対して高インピーダンスであるため、付加抵抗Ｒ₀と並列に付加インダクタンスＬ₀を入れ、第三調波に対して低インピーダンスとすればよい。この原理に基づいた等価回路が図５となる。

この等価回路において、付加インダクタンスＬ₀と付加抵抗Ｒ₀をパラメータとして、高周波共振の共振の鋭さＱを計算した結果を図６に示す。この計算例では、抵抗Ｒ₀が１ｋΩ〜３ｋΩの間で共振の鋭さＱを低減させることができる。

そして、図６に示す計算結果に基づき、付加インダクタンスＬ₀と付加抵抗Ｒ₀を最適な値に設定した付加インピーダンスＺを三次巻線Ｔ３に接続することにより、図７に示すように、図３の等価回路の周波数特性に示す応答倍率と比較して、中性点の共振の鋭さＱを図４に示すように良好に低減でき、高周波共振を抑制することができる。

これにより、前記変圧器巻線の高周波共振を確実に抑制することができ、絶縁の性能に優れた変圧器巻線を得ることができる。

以上説明したように、本発明の電力用変圧器においては、一次巻線Ｔ１と二次巻線Ｔ２を星形結線とし、三次巻線Ｔ３を三角結線とした変圧器巻線において、前記三次巻線Ｔ３を開放三角結線とし、付加インピーダンスＺを接続することにより、高周波共振を抑制でき、この結果、変圧器巻線の中性点の電位上昇を確実に抑制することが可能となり、変圧器巻線の絶縁の高性能化に寄与することができる。

また、前記三次巻線Ｔ３に付加インピーダンスＺを接続することによって変圧器巻線の高周波共振を抑制できるので、前記中性点近傍の絶縁強化が不要になることに起因して、変圧器巻線自体の小型化を良好に図ることが可能となる。

なお、前記実施例においては、変圧器巻線の一次巻線Ｔ１と二次巻線Ｔ２を星形結線とし、三次巻線Ｔ３を開放三角結線として、当該三次巻線Ｔ３に付加インピーダンスＺを接続する場合について説明したが、本発明はこの構成に限定するものではなく、例えば、一次巻線Ｔ１を星形結線とし二次巻線Ｔ２を開放三角結線として、該二次巻線Ｔ２に付加インピーダンスＺを取り付けたり、一次巻線Ｔ１と二次巻線Ｔ２および三次巻線Ｔ３の互いの巻回位置を相互に変更することによって鉄心１に巻回して構成してもよいことは、勿論である。

また、三次巻線Ｔ３に接続するインピーダンスＺは、付加インダクタンスＬ₀と付加抵抗Ｒ₀の並列回路に代えて、付加抵抗Ｒ₀を単独で接続することによっても高周共振を抑制できる。

本発明によれば、変圧器巻線の高周波共振を抑制できる結果、高周波共振と同じ周波数成分を多く含んだ振動性の雷サージ電圧が印加され、想定以上に電位が高くなる共振現象を効果的に抑制することができ、絶縁性能に優れた変圧器の提供が可能となる。

本発明の電力用変圧器に係る変圧器巻線の縦断面図である。 前記変圧器巻線の結線図である。 付加インピーダンスを取り付けていない状態における前記変圧器巻線の等価回路図である。 前記付加インピーダンスを取り付けていない状態における変圧器巻線の周波数特性図である。 前記付加インピーダンスを取り付けた状態における前記変圧器巻線の等価回路図である。 前記等価回路において、付加インピーダンスと付加抵抗をパラメータとして応答倍率を計算した結果を示すグラフである。 前記付加インピーダンスを取り付けた状態における変圧器巻線の周波数特性図である。 従来の変圧器巻線の内部に侵入した衝撃電圧に対する電位分布図である。 従来の変圧器巻線に採用したインターリブド巻線を示す巻線巻回図である。

符号の説明

１ 変圧器鉄心
Ａ，Ｂ，Ｎ 単位円板コイル
ａ，ｂ コイル導体
Ｃ 等価キャパシタンス
Ｌ₀ 付加インダクタンス
Ｌ₁₁ 一次巻線Ｔ１の等価漏れインダクタンス
Ｌ₁₃ 一次巻線Ｔ１と三次巻線Ｔ３の等価漏れインダクタンス
Ｒ₀ 付加抵抗
Ｒ₁₁ 一次巻線Ｔ１の等価抵抗
Ｒ₁₃ 一次巻線Ｔ１と三次巻線Ｔ３の等価抵抗
Ｔ１ 一次巻線
Ｔ２ 二次巻線
Ｔ３ 三次巻線
Ｚ 付加インピーダンス

Claims (1)

1. 非有効接地系に使用される受配電設備の電力用変圧器において、その変圧器の巻線を、星形結線された一次巻線および二次巻線と、付加インピーダンスを介して三角結線した三次巻線によって構成し、かつ、前記付加インピーダンスは、インダクタンスと抵抗の並列回路とし、前記インダクタンスは、商用電源周波数の第三調波に対しては低いインピーダンスとなるように設定し、抵抗は、変圧器巻線の高周波共振に対して共振を抑制する抵抗値に設定して構成したことを特徴とする電力用変圧器。

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