JP5559314B2 - 水中用乾式分配変換器 - Google Patents

Description

本発明は、特に地下又は水中の分配設備又は内部設備もしくは外部設備で用いるように設計された、固体絶縁の単相又は三相の分配電気変換器に関する。

最新技術分野で公知のように、変換器は電力の分配に用いられ、生成場所から消費領域に運ぶのに適している電流及び電圧への電力の変換を可能とする。何十、何百又は何千キロメートルの長距離にわたる電力の伝送において、電気ケーブルの電気抵抗によって生じる電力損失を低減するために、変換器により電圧を上げるのが一般的な方法である。電力の伝送は消費場所の近くまで高電圧下で行われ、また変換器によってその電圧は利用者の装置に適した値に減少される。かかる電圧レベルの減少は、電力消費の中心近くに設置される変換器を用いて幾つかの段階で行われる。これらの変換器の物理的な設置は、柱に固定して空中にしてもよいし、敷地の内部設備内もしくは外部設備内にしてもよいし、または地下設備内にしてもよい。

都会では、地下の分配ネットワークを介して電力の分配を行うのが一般的な方法である。地下ネットワークを介した電力の分配においては、変換器は地下室に設置される。地下ネットワーク用の分配変換器は独自の特性を持つ。その特性は、例えば、ブラジルにおいてＡＢＮＴ規格のＮＢＲ９３６９、地下の変換器の電気的特性及び機械的特性−標準化により定義されている。地下ネットワーク用の分配変換器のための他の国際的な規格は、例えば「ＡＮＳＩ Ｃ５７．１２．２４−２０００、地下タイプ変換器 三相分配変換器、２５００ｋＶＡ以下、高電圧３４５００ＧｒｄＹ／１９９２０ボルト以下、低電圧４８０ボルト以下（必要条件）についての規格」である。地下ネットワークに設置された変換器は水中用とすべきである。

変換器は、構造的なタイプに従って、乾式変換器と絶縁液体に浸された変換器に分類される。変換器の多数を占めている、水中用変換器は、絶縁液体に浸される。ここで、その絶縁液体をその化学成分にかかわらずオイルと定義する。ブラジルの規格でカバーされる水中用変換器は、２００ｋＶＡから２５００ｋＶＡの割合の電力範囲を有する。

一般に変換器は、高電圧巻線、低電圧巻線、磁気の流れの循環用の鉄のコア、巻線間の結合部及び結合端子を備える。これらの部品は全て金属製のタンク内部に格納され、オイル中に浸される。そのタンクを介して内部部品を外部結合端子とつなぐためにブッシングが用いられる。

物理法則に従い、変換器の変換関係は巻線間のらせんの関係により与えられる。らせんは、コアの外周を取り囲む、コアの周りの導電物質により形成される。絶縁液体をもつ変換器において、コアの周りのらせんを形成する物質は、巻線導体、巻線の絶縁物質及び絶縁オイルである。

絶縁液体内の変換器は、変換器の能動部品及び絶縁オイルを収容するタンクを有する。オイルは、オイルに浸透している他の物質とともに、変換器の電圧を受ける部品とタンクの間の電気絶縁素子の機能を果たす。また、オイルは、巻線及びコアに生じた熱をタンクの冷却面及びラジエーターの冷却面に伝え、運ぶ冷却素子の機能を果たす。

電圧を受ける部品の間で必要な絶縁を得るために、絶縁物質は、適切な間隔、厚さ及び形で用いられ、適合した製造工程で作られる。その実行方法及び電圧を受ける部品に用いられる物質のタイプは、絶縁すべき上記のポイントで想定される電界強度に依存する。

これらのオイル内の変換器は、世界中で広く用いられているが、次に記載する問題を有する。

その化学的条件で用いられる絶縁オイルは、利用可能な幾つかのタイプがあるが、多かれ少なかれ汚染物質であり、土壌に浸透することも地下水を汚染することもないように適切に扱われるべきである。

オイルで満たされたタンク内部に変圧器の能動部品が入ると、内部障害、過充電または外部障害にも起因した結果として、タンクの内部圧力が増大する。内部圧力の上昇は、火災から又は火災なしでタンクの爆発を引き起こし、財産及び人の損害の危険性を伴う。その危険性を低減するために、オイル内の変換器は規格に従って安全なデバイスを有さなければならない。これにより危険性を低減することはできるが、除去することはできない。

このタイプの変換器は、継続的なメンテナンスが必要であり、オイルの水位とオイルの現在の状態を確認する定期的な検査を必要とする。例えば、その確認中におけるオイルの水位の減少の形跡は、漏れの発生を意味する。かかる許容レベルを超えたオイルの水位の減少は、電気絶縁を損ない、その結果として変換器の絶縁を損なう。想定外のオイルの特性の任意の変化は、オイルの劣化、汚染、湿気の混入又は変換器の動作の狂いを意味し、その活動を損なう。

オイル内の水中用変換器は、高価であり、複雑な建設工程を有し、変換器の爆発に耐性があり、且つ変換器のオイルの封じ込め用のシステムをもつ、特殊な施工に係る地下室に設置される。

乾式変換器は、タンク内部に閉じ込められたオイルを持たず、変換器のオイルの漏れ又は爆発の発生による、爆発の危険性も環境汚染の危険性も被らない。

例えば、ブラジルの規格「ＮＢＲ１０２９５ 乾式電力変換器」又は例えば「ＩＥＣ６０００７６ 電力変換器−パート２乾式タイプ」又は「ＩＥＥＥ Ｃ５７．１２．０１ 固体鋳造（Solid-Cast）及び／又は樹脂封入巻線を含む、乾式タイプ分配及び電力変換器のための一般要件についての規格」等の国際規格に記載されている乾式分配変換器は、保護下で設置されるべき乾式変換器である。

これらの変換器は、湿気に対する電気絶縁のサポート能力に限界があるならば、例えば雨又は雪等の悪天候の直接の作用から保護すべきである。乾式変換器における湿気の許容レベルは、例えば前述したＩＥＣ規格に規定され、この規格において「クラス」Ｃ１、Ｃ２及びＣ３に分類される。設置は、内部、ビル内側又は小個室内側にすべきである。

変換器の湿気及び周囲の空気の汚染に対する耐性は、変換器の構造モデル、用いられる物質、製造工程及び電気的距離により得られる。その電気的距離は、湿った環境又は汚染された環境における電気絶縁の特性を変換器に与える。

巻線の絶縁は、固体絶縁及び空気により形成される。従って、空気の特性は変換器の絶縁レベルの特定に関与する。空気は、湿気及び浮遊する（under suspension）固体粒子を含んでもよい。湿気及び浮遊する固体粒子の両方は絶縁特性を変える。その固体粒子は金属性でも金属性でなくてもよい。

メンテナンス及び洗浄の想定期間を考慮し、設置場所、湿気レベル及び浮遊する固体粒子の特性に応じて、乾式変換器が適合すべきクラスを選択することが可能である。

現在の乾式電力変換器は、保護された場所に設置される。それらは、通常、高電圧巻線、低電圧巻線及びコアを全て分離して有する。この巻線の間の分離と、巻線とコアの間の分離は、その部品を絶縁する働きをし、また冷却の機能を果たす。巻線の間のスペース又は巻線とコアの間のスペースは、冷却チャネルと呼ばれる。冷却は、巻線及びコアにおいて発生する損失を消散させ、使用される絶縁物質の熱クラスに従って、温度をそのプロジェクト及び規格で定められた温度に制限するために必要である。冷却チャネルと巻線及びコアの表面とを介した空気の循環により、部品における損失を周囲の空気に消散させることができる。温度レベルの範囲内で損失を消散させる能力により、変換器の電力の限度が定められる。

乾式電力変換器において、コアの周りにらせんを形成し、その外周においてコアを取り囲む物質は、巻線導体、巻線の絶縁物質、環境空気及び巻線表面に堆積した物質である。例えば粉鉱（ore dust）又は塩分の環境などの、凝縮及び過度の汚染が起こると、巻線表面に堆積した物質又は大気中に浮遊した物質のセットは電気的に導電性となり、らせんが形成され、電流の循環と損失を引き起こす。

加えて、湿気及び固体粒子の存在により、空気の絶縁の役割が損なわれるようになる。このため、現在利用可能な乾式電力変換器は保護された場所に設置され、湿った環境又は汚染された環境に対する許容限度は、例えばＩＥＣ６００７６−１１の規格に準じたクラスで規定される。

また、現在の乾式電力変換器において、巻線の外部表面はグランドに対して特定の電位にあるので、巻線を取り囲む空気は絶縁の役割を持つ。巻線は動作している部品であり、このため、製造者の指示及び規格に準じた電気的距離に従って設置されるべきであり、エネルギーが与えられると触れることはできない。

外部設置用に、固体絶縁で完全に密閉された、電圧又は電流の測定用の乾式変換器がある。ブッシングタイプの端子を用いるか又は「プラグイン」ケーブルに接続可能な端子を用いるかに応じて、外部の空気は絶縁に関与し又は関与しないことが可能である。巻線は、接地された外部シールドを有してもよく、又は接地されていない外部シールドを有してもよい。これらの変換器の熱散逸は、それ自身の外部表面により実施される。

埋設して又は水中用に使用する乾式電力変換器がある。その変換器は、単相で５０ｋＶＡ又は三相で１００ｋＶＡまでの割合の、少ない個別電力用として、完全に密閉される。これらの変換器の熱散逸は、変換器の電力を制限する、それ自身の外部表面により実施される。

これらの測定変換器又は電力変換器は、それらが樹脂内に完全に密閉されると、巻線内及びコア内で発生した損失の熱散逸を制限し、このため、低電力用としてのみ製造される。それらは接地される外部シールドを備えてもよい。その外部シールドにより、それらはときには外部又は水中環境に設置できる。しかしながら、その電力は１００ｋＶＡの割合に制限される。
米国特許第4095205号にこの分野における一つの先行技術が開示されている。そのソリューションによれば、固体絶縁構造をもつ変換器が開示され、その絶縁構造は、その主たる外表面のそれぞれを紙の層で囲まれたポリエチレン・テレフタレートのフィルムを含む。しかしながら、このソリューションは、水中の状況で用いられ、かつ導電性のらせんを遮ることが可能な変換器を提供しない。

本発明の目的は、水中用に地下の分配ネットワークに設置する乾式電力変換器を提供することである。

本発明に係る乾式変換器は、その変換器を取り囲む環境に応じた電気絶縁システムを有する。本発明に係る乾式電力変換器は、熱冷却システムにより、数万ｋＶＡまでの電力用に製造することができる。

かかる目的は、コア柱の周りに同心円状に組み立てられた少なくとも一つの高電圧巻線及び少なくとも一つの低電圧巻線と、二つのコア柱の間のスペースと定められるコア窓とを備える水中用乾式分配変換器の提供により達成される。その低電圧巻線及び高電圧巻線は固体物質から電気的に絶縁される。その変換器は、少なくともその変換器のコア窓に組み立てられた少なくとも一つの電気絶縁シートを備え、その電気絶縁シートの組み立てをその変換器の長手方向に定める。

本発明の目的は、浸水する水により形成される、コアの周りのらせんの遮断を実施する絶縁システムを有することにより水中用とすることができる乾式変換器にある。

また、本発明の目的は、コア柱の周りに同心円状に組み立てられた少なくとも一つの高電圧巻線及び少なくとも一つの低電圧巻線を備え、変換器が浸水したときに、変換器の第１のサイドから変換器の第２のサイドへの、液体、特に水の通過及び導電性のらせんの形成を遮るように構成された少なくとも一つの電気絶縁シートを備える、水中用乾式分配変換器の提供により達成される。変換器の第１のサイド及び変換器の第２のサイドはその変換器の長手の軸に対して向かいあう方向に等しく分けられる。

さらに、その変換器は、固体絶縁された巻線を有し、接地されたシールドを有してもよい。露出したコア及び金属部品は、適切な塗装システムにより腐食から保護される。

本発明は、図面に基づき、以下により詳細に説明される。

本発明の教示に従った、コアの周りの水のらせんの遮断を実施する絶縁システムにより構成される、水中用乾式変換器の平面図（コアの周りの水のらせんを遮るためのシステムの詳細）を示す。 本発明の目的に従った、電気絶縁シート又は絶縁システムの図を示す。 三相のコアの変換器の概略図及びコアの周りのらせんの電磁現象を説明する図を示す。 コアの周りの水のらせんの遮断を実施する、絶縁システム又は電気絶縁シートにより構成される、三相の水中用乾式変換器の側面図、コア、高電圧巻線、低電圧巻線及びコアの周りの水のらせんを遮るためのシステムを表す片側の側断面図を示す。 従来の、三相の水中用乾式変換器の透視図を示す。 本発明の目的に従った、電気絶縁シートを強調表示する三相の水中用乾式変換器の正面図を示す。 機械が浸水したときの、電気絶縁シートを強調表示する三相の水中用乾式変換器の第２の透視図を示す。

図１は、本発明の教示に従った絶縁システムにより構成される水中用乾式変換器の平面図を示す。

上記の分配変換器は、コア柱又はコア脚１．２、１．３の周りに同心円状に組み立てられた、少なくとも一つの高電圧巻線３及び少なくとも一つの低電圧巻線２を備える。

図１は、例えば三相のコア、三つの低電圧巻線２及び三つの高電圧巻線３により形成される三相変換器を示す。

三相変換器の場合、図１、４〜７に基づき、上記のコアは、上側コア及び下側コア部分１．１により形成され、コア中心柱１．２及びコアサイド柱１．３により形成されることに留意すべきである。この三相変換器の実施形態は、ここに提案される発明が適用される好ましい実施形態であることに言及すべきである。

また、内側巻線と呼ばれる低電圧巻線２と、外側巻線と呼ばれる高電圧巻線３は、二つのコア柱１．２と１．３の間のスペースとして定義されるコア窓２０の存在を表すこともできる固体物質から電気的に絶縁される。そうではなく、コア窓２０は、コア脚１．２、１．３の高さにおいて、中心柱又はコア脚１．２と、サイド柱又はコア脚１．３により形成されるスペースと定義される、ということができる。

各コア脚１．２及び１．３には、内側コイル２及び外側コイル３により形成されるコイルのセットが組み立てられる。

本発明の非常に革新的な特徴は、提案される分配変換器が少なくとも上記の変換器のコア窓２０に組み立てられた少なくとも一つの電気絶縁シート４を、電気絶縁シート４の組み立てをその変換器の長手方向３００に定めるように備えるという事実に関する。

図１、６及び７は、本発明の教示に従った、上記の電気絶縁シート４の組み立てをさらに詳細に示す。さらに図２は、本発明の目的に従った、低電圧巻線２及び高電圧巻線３の通路のチャネル１５を対象とする絶縁シート４の適切な構造面について説明する。

かかるチャネル１５は、絶縁シート４の構造を通り抜ける低電圧巻線２及び高電圧巻線３の通路を与える。

他方、図１、４に示されるように、電気絶縁シート４の組み立てにより、変換器の長手の軸３００に対して向かいあう方向に等しく分けられる、変換器の第１のサイド１００及び変換器の第２のサイド２００が定められるということができる。そして、電気絶縁壁４は、変換器が浸水したときに、変換器の第１のサイド１００を変換器の第２のサイド２００から電気的に絶縁するように構成される。図７は、上記の機械が浸水したときの、電気絶縁シート４を強調表示する三相の水中用乾式変換器の第２の透視図を示す。電気絶縁シート４は、巻線又はコイルによって占有されていないコア窓２０のスペースを包囲するということができる。

他方、絶縁シート４は、分配変換器の左サイドと右サイドの間の固形の隔壁で構成されるということができる。図１は、ここに提案される目的、特に乾式変換器を数万ｋＶＡまでの電力用に製造できるように設計する目的に係るさらなる革新的な特徴を示す。かかる特徴は、低電圧巻線２と高電圧巻線３の間、上記の巻線とコア柱１．２、１．３の間及び巻線２、３の内部に存在するスペースとして定義される冷却チャネル２５の使用を目的とする。

水中用変換器における先行技術と比較した、本発明に係る変換器によって提案される効果は、保護用の小個室を必要とすることなく、浸水したときに５００ｋＶＡから２ＭＶＡまでの割合の電力下で機械が動作することを可能とする、上記の冷却チャネル２５の使用を含む。

また、想定される目的が達成されるように、電気絶縁壁４に関して、これは樹脂及びガラスファイバーで作られた絶縁物質により構成されることが好ましい。いずれにしても、類似した特性をもつ他の物質を、その機能を損なうことなく上記のシート４の構成に用いることもできる。

本発明の教示に従って、電気絶縁壁４は、シリコーン材料を用いる低電圧巻線２及び高電圧巻線３に対して遮断されることが好ましいことに言及すべきである。しかしながら、提案されるように、絶縁壁４上で巻線を遮断するために他の方法を用いることができる。

また、電気絶縁壁４は、厚さ4mmのシートにより形成されることが極めて好ましい。

電気絶縁シート４は、三相変換器及び単相変換器の両方に適用されることを強調すべきである。他方、既に述べたように、本発明は、三相分配変換器向けとすることが好ましい。他方、水中用乾式分配変換器は、変換器が浸水したときに、液体の通過及び導電性のらせんの形成を遮るように構成された少なくとも一つの電気絶縁シート４を備える形で、コア柱１．２、１．３の周りに同心円状に組み立てられた少なくとも一つの高電圧巻線３及び少なくとも一つの低電圧巻線２を備えるということができる。

この場合、上記の絶縁シート４は、変換器が浸水したときに、コア窓２０を介して導電性のらせんが変換器の第１のサイドから変換器の第２のサイドへ循環することを妨げる。そして変換器の第１のサイドと変換器の第２のサイドは、その変換器の長手の軸３００に対して向かいあう方向に等しく分けられる。

図３は、本発明で提案されるソリューションが適用されない場合、つまり電気絶縁シート４が用いられない場合のコアの周りの電流７の循環を示す。

同じ図３は、その巻線が交流電源と接続されたときにその変換器のコアに発生する磁気の流れ６を示す。

かかる磁気の流れ６は、変換器のコア１．１／１．２／１．３を循環し、コアの周りのらせんに電圧を誘起する。

らせんの形成のためには、コアの周りに導電体物質が存在している必要がある。他方、残留物をもつ汚れた水は導電体である。このように、ここに提案される目的に従った、電気絶縁シート４の設置は、コアの周りの水により形成されるらせんを遮断する。

シート４により形成される、かかる絶縁システムは、水によるらせんの形成を妨げるのに不可欠であり、また、その遮断により、そのコア１．１／１．２／１．３の周りの寄生電流７の循環と、変換器の電力の減少を促進する電力の損失を回避することができる。

従って、既に述べたように、本発明の目的に従って、電気絶縁シート４の使用により、変換器は、今日の最新技術分野で利用可能な変換器よりきわめて高い電力において動作することができる。

さらに、提案されたように、電力変換器の配置は、オイル内の水中用変換器と比較して、火災の場合に自動消化するほかに爆発せず、それにより、よりシンプルでより経済的に施工された地下室に設置することができ、人的危険性と材料費を最小化することができるという効果を有する。

本発明に係る分配変換器のさらなる効果は、運搬中又は変換器の動作中に漏れが発生すると例えば地下水等の環境を汚染する絶縁オイルを使用しないという事実に関する。そのため、本発明でここに提案される水中用変換器の設置用の地下室は、漏れ又は爆発の場合に備えてオイルの封じ込め用のシステムを必要とせず、より経済的且つよりシンプルな方法で施工することができる。

好適な実施形態の例を説明したが、本発明の範囲が、添付の特許請求の範囲の内容によってのみ限定される他の可能な変形例、そこに含まれる潜在的な均等物を包含することが理解されるべきである。

Claims (9)

1. 変換器であって、
   コア柱（１．２、１．３）の周りに同心円状に組み立てられた少なくとも一つの高電圧巻線（３）及び少なくとも一つの低電圧巻線（２）と、
   二つの前記コア柱（１．２、１．３）の間のスペースとして定められるコア窓（２０）とを備え、
   前記低電圧巻線（２）及び前記高電圧巻線（３）は固体絶縁され、
   前記変換器は、少なくとも前記変換器のコア窓（２０）に組み立てられた少なくとも一つの、固形の電気絶縁シート（４）を備えることと、前記電気絶縁シート（４）の前記組み立てを前記変換器の長手方向（３００）と平行になるように定めることと、前記電気絶縁シート（４）は、前記変換器が浸水したときに、前記コア窓（２０）の全ての面に渡って、変換器の第１のサイド（１００）を変換器の第２のサイド（２００）から電気的に絶縁するように構成されることと、を特徴とする、水中用乾式分配変換器。
2. 前記電気絶縁シート（４）の前記組み立ては、前記変換器の前記長手の軸（３００）に対して向かい合う方向に等しく分けられた、前記変換器の第１のサイド（１００）及び前記変換器の第２のサイド（２００）を定めることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
3. 前記変換器は、前記低電圧巻線（２）と前記高電圧巻線（３）の間、前記低電圧巻線（２）及び前記高電圧巻線（３）と前記コア柱（１．２、１．３）の間、並びに前記低電圧巻線（２）及び前記高電圧巻線（３）の内部に存在するスペースとして定められる冷却チャネル（２５）を備えることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
4. 前記電気絶縁シート（４）は、樹脂及びガラスファイバーで作られた絶縁物質により構成されることを特徴とする請求項３に記載の変換器。
5. 前記電気絶縁シート（４）は、シリコーン材料を用いる前記低電圧巻線（２）及び前記高電圧巻線（３）に対して遮断されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の変換器。
6. 前記電気絶縁シート（４）は、厚さ4mmのシートにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
7. 前記変換器は、単相変換器又は三相変換器であることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
8. 変換器であって、
   コア柱（１．２、１．３）の周りに同心円状に組み立てられた少なくとも一つの高電圧巻線（３）及び少なくとも一つの低電圧巻線（２）と、
   二つの前記コア柱（１．２、１．３）の間のスペースとして定められるコア窓（２０）と、を備え、
   前記低電圧巻線（２）及び前記高電圧巻線（３）は固体絶縁され、
   前記変換器は、少なくとも前記変換器のコア窓（２０）に組み立てられた少なくとも一つの電気絶縁シート（４）であって、前記変換器が浸水したときに、変換器の第１のサイド（１００）から変換器の第２のサイド（２００）への液体の通過及び導電性のらせんの形成を完全に遮るように構成された電気絶縁シート（４）を備えることと、前記電気絶縁シート（４）の前記組み立てを前記変換器の長手方向（３００）と平行になるように定めることと、前記変換器の第１のサイド（１００）及び前記変換器の第２のサイド（２００）は、前記変換器の長手の軸（３００）に対して向かい合う方向に等しく分けられることと、を特徴とする、水中用乾式分配変換器。
9. 前記液体は、水であることを特徴とする請求項８に記載の変換器。

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