JP5787635B2 - 静止誘導器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、静止誘導器及びその製造方法に関し、特に油入変圧器のコイル群の絶縁構造に関するものである。

従来、外鉄形変圧器、内鉄形変圧器、リアクトル等の静止誘導器においては、複数のコイル板と絶縁性材料からなる間隔片（スペーサ）を交互に配置し、コイル群を形成している。コイル板相互間には、冷却媒体である油の流路が形成されている。コイル板は通常、巻線層（コイル層）と、その両面に配置された絶縁層から構成されている。コイル群を製造する際には、コイル板の絶縁層上に複数のスペーサを配置し、さらにその上に別のコイル板の絶縁層を配置して絶縁構造を形成している。

このような絶縁構造の先行例として、特許文献１では、図７に示すように、巻線層４１と間隔片４３との間にプレスボード、パルプモールドあるいは紙のような絶縁材料からなるＵ形のすね当て状の部分４４が備え付けられ、このすね当て状の部分４４で冷却溝４６に突出した渦流発生片４５を支えるようにした変圧器が提示されている。

また、特許文献２では、図８（ａ）に示すように、巻線層５１の外周に、円形の孔５４を多数設けた絶縁紙５３を介して絶縁スペーサ５２を取り付け、軸方向の冷却ダクトを形成した円筒巻線構造が提示されている。この例では、孔５４の周辺を、図８（ｂ）に示す突出部５５のように突出させることにより、油の乱流化を促進し、巻線層５１から冷却ダクト５６への効率的な放熱を図っている。

特開昭５２−５９８１２号公報 実開昭６１−７５１１０号公報

従来の静止誘導器において、その絶縁構造に用いられているスペーサは、コイル板の絶縁層上に接着剤等により貼り付けられていた。このような構造では、絶縁層とスペーサの接合部に電界が集中し（局所的高電界部を形成）、放電起点となるため、その結果、静止誘導器の高耐電圧化及び小型化を妨げる要因となっていた。

上記特許文献１及び特許文献２においては、絶縁層とスペーサの接合部に発生する局所電界については特に記載されていないが、図７及び図８の構造から推測すると、いずれも巻線層とスペーサの接合部に角部が存在しており、これらの接合部において局所電界が発生するものと考えられる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コイル板表面の絶縁層とスペーサの接合部に電界が集中して放電起点となることを抑制し、高耐電圧化及び小型化を図ることが可能な静止誘導器とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る静止誘導器は、コイル層の両面に絶縁層を有するコイル板と絶縁性材料からなるスペーサが交互に配置されたコイル群を備え、コイル板相互間に冷却媒体の流路を有する静止誘導器であって、スペーサは、絶縁層上に配置された誘電体層を介して絶縁層に接合されており、誘電体層は、その層の厚さがスペーサとの接合部の周辺領域から接合部に向かって連続的に減少する曲面部を有し、この曲面部とスペーサとの間に接合部を底部とする溝が設けられ、溝の深さ寸法を誘電体層の表面から底部までの距離とし、深さ寸法に垂直な溝の幅寸法を誘電体層の厚さが減少し始める位置からスペーサまでの距離としたとき、深さ寸法と幅寸法は、スペーサとの接合部において溝が無い場合に比べ２０％以上の電界緩和率が得られる値に設定されているものである。

また、本発明に係る静止誘導器の製造方法は、コイル層の両面に絶縁層を有するコイル板と絶縁性材料からなるスペーサが交互に配置されたコイル群を備え、コイル板相互間に冷却媒体の流路を有する静止誘導器の製造方法であって、コイル板の絶縁層上のスペーサが配設される複数の箇所に、熱可塑性樹脂からなる誘電体層を配置する誘電体層形成工程と、それぞれの誘電体層上にスペーサを配設し、さらにこれら複数のスペーサ上に別のコイル板の絶縁層上に配置された誘電体層を対応させて位置決めし、２枚のコイル板で複数のスペーサを挟み込む位置決め工程と、位置決め工程に続いて２枚のコイル板を加熱し、誘電体層を軟化させた状態で２枚のコイル板に上下方向から圧力をかけ、２枚のコイル板それぞれの絶縁層に誘電体層を介してスペーサを接合するスペーサ接合工程を備え、スペーサ接合工程において、誘電体層に、その層の厚さがスペーサとの接合部の周辺領域から接合部に向かって連続的に減少する曲面部を形成することにより、この曲面部とスペーサとの間に接合部を底部とする溝を形成し、溝の深さ寸法を誘電体層の表面から底部までの距離とし、深さ寸法に垂直な溝の幅寸法を誘電体層の厚さが減少し始める位置からスペーサまでの距離としたとき、深さ寸法と幅寸法が、スペーサとの接合部において溝が無い場合に比べ２０％以上の電界緩和率が得られる値となるように、２枚のコイル板にかける圧力を決定するものである。

本発明に係る静止誘導器によれば、コイル板の絶縁層に誘電体層を介してスペーサを接合し、誘電体層の曲面部とスペーサとの間に溝を設けることにより、スペーサと絶縁層の接合部の局所電界が緩和され、接合部が放電起点となることを抑制することができるため、高耐電圧化及び小型化を図ることが可能である。

また、本発明に係る静止誘導器の製造方法によれば、スペーサ接合工程において、２枚のコイル板を加熱し誘電体層を軟化させた状態で、２枚のコイル板に上下方向から圧力をかけることにより、誘電体層に曲面部と溝が形成されるため、これら曲面部と溝を形成するための工程を別途行う必要がなく、高耐電圧化及び小型化を図ることが可能な静止誘導器を容易に製造することができる。

本発明の実施の形態１に係る外鉄形変圧器を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るコイルを説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るコイル板を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るコイルの部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態１に係るコイルの誘電体層に形成された溝の形状と電界緩和率の関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るコイルの部分拡大断面図である。 従来の変圧器の円筒巻線の絶縁構造を示す図である。 従来の変圧器の円筒巻線の絶縁構造を示す図である。

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る静止誘導器とその製造方法について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る静止誘導器である外鉄形変圧器の一部断面を示す斜視図、図２は外鉄形変圧器のコイルを説明する図である。外鉄形変圧器１００は、複数のコイル板が積層されたコイル１０と、飽和磁束密度及び透磁率の大きい材料（例えばケイ素鋼板）からなる鉄心２０がタンク壁３０に囲まれた構成となっている。

コイル１０は、図２（ａ）に示すように、コイル層の両面に絶縁層を有するコイル板１
ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ・・と、絶縁性材料からなるスペーサ（以下、絶縁スペーサと称す）が交互に配置され、図２（ｂ）に示すコイル群を形成したものである。なお、図１に示すコイル１０は、図２（ｂ）のコイル群を図中Ａで示す部分で切断した断面を示している。複数のコイル板１相互間には、絶縁物であり冷却媒体であるシリコーン油、鉱油等の油の流路を有している。

コイル板１に対する絶縁スペーサの配置は、油によるコイル冷却の効率と、短絡電磁力に耐え得る構造であるかを考慮して決定される。本実施の形態１では、図３に示すように、コイル板１表面に配置された絶縁層３上に、複数の絶縁スペーサ７が、誘電体層（図示せず）を介して接合される。なお、図３に示す絶縁スペーサ７の形状、大きさ、個数及び配置等は、これに限定されるものではない。

本実施の形態１に係る外鉄形変圧器１００におけるコイル板１と絶縁スペーサ７の接合部付近の構造について、図４を用いて説明する。図４において、下側のコイル板１ａは、コイル層２ａ、絶縁板からなる絶縁層３ａ、及び絶縁層３ａ上の絶縁スペーサ７が配設される箇所に配置された熱可塑性樹脂（例えばポリプロピレン）からなる誘電体層４ａを含んで構成される。なお、図示していないが、コイル層２ａの反対側の面（図４では下側）にも絶縁層が配置されている。

上側のコイル板１ｂも同様に、コイル層２ｂ、絶縁板からなる絶縁層３ｂ、及び絶縁層３ｂ上の絶縁スペーサ７が配設される箇所に配置された熱可塑性樹脂（例えばポリプロピレン）からなる誘電体層４ｂを含んで構成される。なお、図示していないが、コイル層２ｂの反対側の面（図４では上側）にも絶縁層が配置されている。コイル板１ａ、１ｂの絶縁層３ａ、３ｂには、誘電体層４ａ、４ｂを介して絶縁スペーサ７が接合される。絶縁スペーサ７は、コイル板１ａ、１ｂの間隔を一定に保持し、冷却媒体である油の流路を形成する。

誘電体層４ａ、４ｂは、その層の厚さが絶縁スペーサ７との接合部の周辺領域から接合部に向かって連続的に減少する曲面部５ａ、５ｂを有し、この曲面部５ａ、５ｂと絶縁スペーサ７との間に、接合部を底部とする溝６ａ、６ｂが設けられている（図４中、Ａ、Ｂで示す部分）。言い換えると、誘電体層４ａ、４ｂの中央部に窪みが形成されており、曲面部５ａ、５ｂは窪みの側面であり、この窪み内部に絶縁スペーサ７が接合されている。

曲面部５ａ、５ｂは、絶縁層３ａ、３ｂの表面に垂直な方向の断面形状が角部を持たない曲線からなる。角部を持たない形状とすることにより、絶縁スペーサ７との接合部の局所電界が緩和され、接合部が放電起点となることを抑制している。このように、スペーサ７との接合部に溝６ａ、６ｂを設けた外鉄形変圧器１００では、溝を設けていないものと比較して、接合部の局所電界を１０〜２０％低減することができる。

また、図４に示すように、溝６ａは、その深さ寸法を誘電体層４ａ表面から底部（接合部）までの距離ｓ１とし、この深さ寸法に垂直な溝の幅寸法を誘電体層４ａの厚さが減少し始める位置から絶縁スペーサ７までの距離ｓ２としたとき、これら深さ寸法と幅寸法が略等しくなるように形成される。さらに、深さ寸法と幅寸法の和が０．６ｍｍ以上、望ましくは１ｍｍ以上となるように形成される（溝６ｂについても同様）。

溝６ａ、６ｂの形状（大きさ）と電界緩和率の関係について、図５を用いて説明する。図５において、横軸は、溝６ａ、６ｂの深さ寸法と幅寸法の和（ｓ１ ａｎｄ ｓ２）、縦軸は電界緩和率（％）を示している。図５より、放電起点となりやすい接合部の局所電界を低減するためには、幅寸法と深さ寸法の和が０．６ｍｍ以上であることが望ましく、本実施の形態１では１ｍｍ以上を使用範囲とした。すなわち、ｓ１、ｓ2共に０．３ｍｍ
以上の溝を形成する必要がある。なお、誘電体層４ａ、４ｂとしてポリプロピレン（成形品）を用いる場合は、材料強度や取り扱いの容易さから通常１ｍｍ程度以上の厚さのものを用いるため、ｓ１、ｓ2共に０．３ｍｍ以上の溝６ａ、６ｂを形成することは容易であ
る。

次に、本実施の形態１における外鉄形変圧器１００のコイル１０の製造方法について、図４を用いて説明する。まず、下側のコイル板１ａの絶縁層３ａ上の絶縁スペーサ７が配設される複数の箇所に、熱可塑性樹脂からなる誘電体層４ａを配置する（誘電体層形成工程）。なお、ここでは熱可塑性樹脂として融点が１６５℃であるポリプロピレンを用いた例について説明する。

続いて、それぞれの誘電体層４ａ上の中央部に絶縁スペーサ７を配設し、さらにこれら複数のスペーサ７上に別のコイル板１ｂの絶縁層３ｂ上に配置された誘電体層４ｂを対応させて位置決めし、２枚のコイル板１ａ、１ｂで複数のスペーサ７を挟み込む（位置決め工程）。

位置決め工程に続いて、２枚のコイル板１ａ、１ｂを加熱し、誘電体層４ａ、４ｂを軟化させた状態で２枚のコイル板１ａ、１ｂに上下方向から圧力をかけ、２枚のコイル板１ａ、１ｂそれぞれの絶縁層３ａ、３ｂに誘電体層４ａ、４ｂを介して絶縁スペーサ７を接合する（スペーサ接合工程）。

また、スペーサ接合工程は、誘電体層成形工程を兼ねており、誘電体層４ａ、４ｂを軟化させた状態で２枚のコイル板１ａ、１ｂに圧力をかけることにより、誘電体層４ａ、４ｂには、その層の厚さが絶縁スペーサ７との接合部の周辺領域から接合部に向かって連続的に減少する曲面部５ａ、５ｂが形成され、この曲面部５ａ、５ｂと絶縁スペーサ７との間に接合部を底部とする溝６ａ、６ｂが形成される。なお、２枚のコイル板１ａ、１ｂにかける圧力は、溝６ａ、６ｂの深さ寸法（ｓ１）と幅寸法（ｓ２）が略等しく、且つ深さ寸法と幅寸法の和が０．６ｍｍ以上となるように決定される。

スペーサ接合工程において、２枚のコイル板１ａ、１ｂを加熱する際の温度は、熱可塑性樹脂が軟化する温度以上であり、熱可塑性樹脂の融点より低い温度とする。融点が１６５℃であるポリプロピレンを用いた場合には、ポリプロピレンの温度を１５０℃程度まで上昇させるように加熱する。なお、外鉄形変圧器１００の運転時の油の最高温度は１１０℃付近であり、通常は５０℃〜７０℃程度であるため、運転時にポリプロピレン（誘電体層４ａ、４ｂ）の硬度に変化が生じることはなく、強度面において問題はない。

なお、本実施の形態１では、誘電体層４ａ、４ｂとしてポリプロピレンを用いた場合を例に挙げたが、前述の運転時の油の最高温度よりも高い温度で軟化する熱可塑性樹脂であれば、誘電体層４ａ、４ｂとして使用することができる。

以上のように、本実施の形態１によれば、コイル板１ａ、１ｂの絶縁層３ａ、３ｂに誘電体層４ａ、４ｂを介して絶縁スペーサ７を接合し、誘電体層４ａ、４ｂの曲面部５ａ、５ｂと絶縁スペーサ７との間に溝６ａ、６ｂを設けることにより、絶縁スペーサ７と絶縁層３ａ、３ｂの接合部の局所電界が緩和され、接合部が放電起点となることを抑制することができる。これにより、外鉄形変圧器１００の高耐電圧化及び小型化を図ることが可能である。

また、本実施の形態１における製造方法によれば、スペーサ接合工程において、２枚のコイル板１ａ、１ｂを加熱し、誘電体層４ａ、４ｂを軟化させた状態で２枚のコイル板１ａ、１ｂに上下方向から圧力をかけることにより、溝６ａ、６ｂが形成されるため、溝６
ａ、６ｂを形成するための工程を別途行う必要がなく、高耐電圧化及び小型化を図ることが可能な外鉄形変圧器１００を容易に製造することができる。

さらに、本実施の形態１における製造方法によって形成される曲面部５ａ、５ｂ（溝６ａ、６ｂ）は、角部を持たない形状となるため、意図的に掘削した溝や切り欠き部に比べて、放電の発生を抑制する効果が高いものとなる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る外鉄形変圧器及びコイル群の構成は、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態２に係る外鉄形変圧器におけるコイル板と絶縁スペーサの接合部付近の構造について、図６を用いて説明する。

図６において、下側のコイル板１ｃは、コイル層２ｃ、絶縁板からなる絶縁層３ｃ、及び絶縁層３ｃに形成された嵌め込み部８ｃに配置された熱可塑性樹脂（例えばポリプロピレン）からなる誘電体層４ｃを含んで構成される。なお、図示していないが、コイル層２ｃの反対側の面（図６では下側）にも絶縁層が配置されている。

上側のコイル板１ｄも同様に、コイル層２ｄ、絶縁板からなる絶縁層３ｄ、及び絶縁層３ｄに形成された嵌め込み部８ｄ内に配置された熱可塑性樹脂（例えばポリプロピレン）からなる誘電体層４ｄを含んで構成される。なお、図示していないが、コイル層２ｄの反対側の面（図６では上側）にも絶縁層が配置されている。コイル板１ｃ、１ｄの絶縁層３ｃ、３ｄには、誘電体層４ｃ、４ｄを介して絶縁スペーサ７が接合される。

図６に示すように、絶縁層３ｃ、３ｄに設けられた嵌め込み部８ｃ、８ｄは、誘電体層４ｃ、４ｄの周辺領域の厚さと略等しい深さを有している。本実施の形態２では、これらの嵌め込み部８ｃ、８ｄ内に誘電体層４ｃ、４ｄを配置することにより、誘電体層４ｃ、４ｄが絶縁層３ｃ、３ｄ表面から突出しないようにしたものである。

本実施の形態２における外鉄形変圧器のコイルの製造方法は、誘電体層形成工程の前に、絶縁層３ｃ、３ｄに誘電体層４ｃ、４ｄの周辺領域の厚さと略等しい深さを有する嵌め込み部８ｃ、８ｄを形成する工程を行うものである。その後、誘電体層形成工程において、コイル板１ｃ、１ｄの絶縁層３ｃ、３ｄに設けられた嵌め込み部８ｃ、８ｄ内に、熱可塑性樹脂からなる誘電体層４ａを配置する。それ以降の工程については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、絶縁層３ｃ、３ｄに設けられた嵌め込み部８ｃ、８ｄ内に誘電体層４ｃ、４ｄを配置し、誘電体層４ｃ、４ｄが絶縁層３ｃ、３ｄ表面から突出しないようにしたので、誘電体層４ｃ、４ｄによる油流の乱れが抑制され、絶縁層３ｃ、３表面の帯電の影響を減じることができ、さらに信頼性の高い外鉄形変圧器が得られる。

なお、上記実施の形態１及び実施の形態２では、外鉄形変圧器を例に挙げて説明したが、コイル板相互間に冷却媒体の流路を有する他の静止誘導器、例えば内鉄形変圧器及びリアクトル等にも本発明は適用可能である。

本発明は、コイル板相互間に冷却媒体の流路を有する静止誘導器及びその製造方法として利用することができる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ コイル板、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ コイル層、
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 絶縁層（絶縁板）、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 誘電体層、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 曲面部、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 溝、７ 絶縁スペーサ、
８ｃ、８ｄ 嵌め込み部、１０ コイル、２０ 鉄心、３０ タンク壁、
４１、４２ 巻線層、４３ 間隔片、４４ Ｕ形すね当て状部分、４５ 渦流発生片、
４６ 冷却溝、５１ 巻線層、５２ 絶縁スペーサ、５３ 絶縁紙、５４ 孔、
５５ 孔周辺の突出部、５６ 冷却ダクト、１００ 外鉄形変圧器。

Claims (9)

1. コイル層の両面に絶縁層を有するコイル板と絶縁性材料からなるスペーサが交互に配置されたコイル群を備え、前記コイル板相互間に冷却媒体の流路を有する静止誘導器であって、
   前記スペーサは、前記絶縁層上に配置された誘電体層を介して前記絶縁層に接合されており、前記誘電体層は、その層の厚さが前記スペーサとの接合部の周辺領域から前記接合部に向かって連続的に減少する曲面部を有し、この曲面部と前記スペーサとの間に前記接合部を底部とする溝が設けられ、
   前記溝の深さ寸法を前記誘電体層の表面から前記底部までの距離とし、前記深さ寸法に垂直な前記溝の幅寸法を前記誘電体層の厚さが減少し始める位置から前記スペーサまでの距離としたとき、前記深さ寸法と前記幅寸法は、前記スペーサとの接合部において前記溝が無い場合に比べ２０％以上の電界緩和率が得られる値に設定されていることを特徴とする静止誘導器。
2. 前記絶縁層は、前記誘電体層の前記周辺領域の厚さと略等しい深さを有する嵌め込み部をさらに備え、前記誘電体層を前記嵌め込み部内に配置することにより、前記誘電体層が前記絶縁層の表面から突出しないようにしたことを特徴とする請求項１記載の静止誘導器。
3. 前記誘電体層の前記曲面部は、前記絶縁層の表面に垂直な方向の断面形状が角部を持たない曲線からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の静止誘導器。
4. 前記深さ寸法と前記幅寸法は、略等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の静止誘導器。
5. 前記深さ寸法と前記幅寸法の和が、０．６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項４記載の静止誘導器。
6. コイル層の両面に絶縁層を有するコイル板と絶縁性材料からなるスペーサが交互に配置されたコイル群を備え、前記コイル板相互間に冷却媒体の流路を有する静止誘導器の製造方法であって、
   前記コイル板の前記絶縁層上の前記スペーサが配設される複数の箇所に、熱可塑性樹脂からなる誘電体層を配置する誘電体層形成工程、
   それぞれの前記誘電体層上に前記スペーサを配設し、さらにこれら複数のスペーサ上に別の前記コイル板の前記絶縁層上に配置された前記誘電体層を対応させて位置決めし、これら２枚のコイル板で前記複数のスペーサを挟み込む位置決め工程、
   前記位置決め工程に続いて前記２枚のコイル板を加熱し、前記誘電体層を軟化させた状態で前記２枚のコイル板に上下方向から圧力をかけ、前記２枚のコイル板それぞれの前記絶縁層に前記誘電体層を介して前記スペーサを接合するスペーサ接合工程を備え、
   前記スペーサ接合工程において、前記誘電体層に、その層の厚さが前記スペーサとの接合部の周辺領域から前記接合部に向かって連続的に減少する曲面部を形成することにより、この曲面部と前記スペーサとの間に前記接合部を底部とする溝を形成し、前記溝の深さ寸法を前記誘電体層の表面から前記底部までの距離とし、前記深さ寸法に垂直な前記溝の幅寸法を前記誘電体層の厚さが減少し始める位置から前記スペーサまでの距離としたとき、前記深さ寸法と前記幅寸法が、前記スペーサとの接合部において前記溝が無い場合に比べ２０％以上の電界緩和率が得られる値となるように、前記２枚のコイル板にかける圧力を決定することを特徴とする静止誘導器の製造方法。
7. 前記誘電体層形成工程の前に、前記絶縁層に前記誘電体層の前記周辺領域の厚さと略等しい深さを有する嵌め込み部を形成する工程をさらに備え、前記誘電体層形成工程において、前記誘電体層を前記嵌め込み部内に配置することを特徴とする請求項６記載の静止誘導器の製造方法。
8. 前記スペーサ接合工程において、前記２枚のコイル板を加熱する際の温度は、前記熱可塑性樹脂が軟化する温度以上であり、前記熱可塑性樹脂の融点より低い温度とすることを特徴とする請求項６記載の静止誘導器の製造方法。
9. 前記スペーサ接合工程において、前記深さ寸法と前記幅寸法が略等しく、且つ前記深さ寸法と前記幅寸法の和が０．６ｍｍ以上となるように、前記２枚のコイル板にかける圧力を決定することを特徴とする請求項６記載の静止誘導器の製造方法。

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