JP6012481B2 - 静止誘導電器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば変圧器等の静止誘導電器に関し、特に騒音低減に有効な静止誘導電器に関する。

従来の変圧器やリアクトル等の静止誘導電器は、脚部とヨーク部からなる鉄心と、この鉄心の脚部に巻回され上下ヨーク部間に絶縁距離をとって同心状に配置される複数の巻線部によって概略構成され、更に、前記各巻線の内周側或いは外周側の絶縁空間には、複数の絶縁筒と、この絶縁筒間に巻線周方向に沿って所定の間隔を持って複数の絶縁性の直線スペーサーが配置され、絶縁筒と直線スペーサーで囲まれた空間で、絶縁保持と巻線冷却のための垂直方向の冷却通路が構成されている。尚、直線スペーサーには、後述する巻線部間に配置されているコイル間スペーサーのガイドレールとしての機能も持たせている。

また、上述した絶縁筒及び直線スペーサーには、通常、セルロースを主成分としたクラフトパルプ繊維或いはアラミド繊維を原料とし、繊維を抄紙、積層、圧縮して板状にしたプレスボード或いはアラミドボードが用いられている。更に、巻線部間に配置されているコイル間スペーサーには、主にコイルを支持し、コイル間絶縁距離を確保する目的で、セルロースを主成分としたクラフトパルプ或いはアラミド繊維を原料とし、繊維を抄紙、積層、圧縮して板状にしたプレスボード或いはアラミドボードを単層、または２〜３層重ねたものが用いられている。

このような構成の静止誘導電器の先行技術文献として、特許文献１が挙げられる。この特許文献１には、コイル導体間に間隔片を設けて巻線部を形成して成り、この巻線部の１つのセクションを構成する少なくとも２本の隣接するコイル導体を、熱収縮材で一体被覆した静止誘導電器が開示されている。

特開平８−９７０５２号公報

近年、２００１年の国際電気標準会議（ＩＥＣ）における変圧器通電時の騒音規格化を受けて、静止誘導電器の低騒音化に対する関心が高まっている。

低騒音化の要求に対して、上述した特許文献１は、巻線の１セクション中のコイルのうち、熱収縮材を用いるコイル部分に関しては、導体の絶縁物の被覆を厚く形成することで、巻線コイル間のくさび状ギャップを埋め、このくさび状ギャップの電界密度を低減するという観点で有効である。

しかしながら、熱収縮材を用いてコイル間のくさび状ギャップを埋める過程で、巻線コイルと直線スペーサー間のくさび状ギャップが熱収縮材の収縮により、巻線コイルと内側及び外側直線スペーサーの間に新たなギャップが生じる可能性があり、電界密度低減という観点では、当該コイル全周の被覆絶縁物を厚くしなければならず、製造プロセスが増える可能性がある。また、巻線コイルのセクションの製造プロセス上も熱収縮材にて被覆するコイル全周の被覆絶縁物を厚くしなければならず、製造プロセスが増える可能性がある。更に、コイル全周の被覆絶縁物を厚くしたコイルのうち、絶縁筒に隣接する巻線コイルに関しては、被覆絶縁物が厚くなったことにより、巻線コイルと絶縁筒間に形成されるギャップが短くなり、絶縁距離の確保という観点からあまり望ましくない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、コイル全周の被覆絶縁物を厚くすることなく、巻線振動減衰性及びコイル間の絶縁性に優れた静止誘導電器を提供することことにある。

本発明の静止誘導電器は、上記目的を達成するために、鉄心と、該鉄心の周囲に絶縁距離をとって同心状に配置された巻線と、該巻線の内外周に形成される絶縁空間に配置された複数の絶縁筒と、該絶縁筒間に前記巻線の周方向に沿って所定の間隔をもって配置された複数の直線スペーサーと、前記巻線の軸方向間に配置され、該巻線を支持するコイル間スペーサーと、前記直線スペーサーと絶縁筒との間の少なくとも１箇所に配置され、前記絶縁筒より密度が低い絶縁材とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、コイル全周の被覆絶縁物を厚くすることなく、巻線振動減衰性及びコイル間の絶縁性に優れた静止誘導電器を得ることができる。

本発明の静止誘導電器の実施例１である変圧器の巻線部の一部を示す斜視図である。 図１の線分Ｘに沿った巻線の縦断面図である。 図２の径方向振動に関する力学モデル図である。 本発明の静止誘導電器の実施例２における巻線の縦断面図（図２に相当する）である。 本発明の静止誘導電器の実施例３における巻線の縦断面図（図２に相当する）である。 本発明の静止誘導電器の実施例４における巻線の縦断面図（図２に相当する）である。 図６の実施例４に採用されるプレスボードを示す視斜視図である。 従来構造の変圧器巻線を示す縦断面図である。 図８の従来構造における変圧器巻線の力学モデル図である。

以下、図面を用いて詳細に説明する。

静止誘導電器は、通常運転時、巻線には電磁機械力が発生し、巻線軸方向及び径方向に振動しているため、この振動がタンクや放熱器に伝わり、外部に騒音として放射される。この騒音は鉄心励磁騒音に比べて、一般の設計では小さく問題とはならない。しかし、鉄心の励磁騒音を低くした低騒音設計では、巻線の振動騒音が相対的に大きくなることから、巻線の振動を低減する必要がある。

図８に、従来構造の静止誘導電器の一例として変圧器巻線の概略構成を、図９に、その従来構造における変圧器巻線の力学モデルをそれぞれ示す。

図８に示す如く、変圧器巻線は、図示しない密封容器内に鉄心とその周囲に所定間隔をおいて内側絶縁筒１２及び外側絶縁筒１３が配置され、これら内側絶縁筒１２及び外側絶縁筒１３間に、絶縁物１１にて被覆された導体１７を巻回して巻線コイル１８のセクションが構成され、このセクションを鉄心軸方向に複数配置すると共に、その１つのセクションを構成し、絶縁物１１にて被覆された導体１７を熱収縮材２０で一体被覆して形成されている。

更に、巻線コイル１８のセクション間にはコイル間スペーサー１９が配置され、そのコイル間スペーサー１９の両端部は、内側絶縁筒１２及び外側絶縁筒１３との間で、巻線周方向に沿って所定の間隔を持って複数個配置されている内側直線スペーサー１４及び外側直線スペーサー１５で支持されている。

そして、図９のバネ及びダンパー要素５１は図８の内側絶縁筒１２に、図９のバネ及びダンパー要素５４は図８の内側直線スペーサー１４に、図９の質量５７は図８の巻線コイル１８に図９のバネ及びダンパー要素５５は図８の外側直線スペーサー１５に、図９のバネ及びダンパー要素５３は図８の外側絶縁筒１３に対応している。

この時の、バネ及びダンパー要素１つあたりの運動方程式は式（１）となる。

この式を解くと、電磁力により強制振動している巻線コイル１８の振幅は、式（２）となる。

振動と騒音の関係は、式（３）となる。

ここで、ＳＰＬは騒音の音圧レベル、ρは絶縁媒体の密度、ｃは絶縁媒体中の音速、ｖは巻線の振動速度、Ｐ_０は基準音圧である。

この式（３）の振動速度ｖは式（４）で表わされる。

ここで、２πｆは巻線振動の角周波数である。

よって、巻線の低騒音化のためには、（２）式において、基本的には振幅Ａ_０を小さくするようにコイル間スペーサー１９の材質、構成、諸定数を選定する必要がある。

図８に示すように、従来は、熱収縮材２０を用いて巻線コイル１８の１セクション中の各巻線コイル１８間でのくさび状ギャップ１６を埋めることで、巻線軸方向の振動を低減している。この方式は、巻線軸方向の振動由来の騒音を低減するという観点では有効である。

しかしながら、巻線振動には径方向成分もあることから、より一層の巻線由来の騒音低減のためには、巻線径方向の振動を低減するスペーサーの構成が必要となる。

他方、巻線間の内周側或いは外周側の絶縁空間では、巻線コイル１８と内側及び外側直線スペーサー１４、１５の間にくさび状ギャップ１６が形成され、比誘電率の小さいこのくさび状ギャップ１６部分に電界が集中する。

一般に絶縁・冷却媒体となる液体またはガスの絶縁強度は、コイル間スペーサー及び巻線被覆等の固体絶縁物より低いため、くさび状ギャップ部分が破壊の出発点になり、電界集中が大きい程、絶縁耐力は低下する。従って、このくさび状ギャップ部分の電界密度を低減しなければならない。

上述したように、上記特許文献１は、くさび状ギャップの電界密度を低減するという観点で有効であるが、コイル全周の被覆絶縁物を厚くしなければならず、製造プロセスが増える可能性がある。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の静止誘導電器を説明する。なお、符号は、従来と同一のものは同符号を使用する。

図１に、本発明の静止誘導電器の実施例１である変圧器の巻線部を示す。

該図に示す如く、変圧器の鉄心（図示せず）は、鉄心脚とヨークとから成り、その鉄心脚の周りに内側巻線２が巻回され、内側巻線２の周囲に絶縁空間をとって外側巻線３が巻回されている。絶縁空間部分には、プレスボード或いはアラミドボードから成る４個の直線スペーサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、プレスボード或いはアラミドボードから成る３個の絶縁筒２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び絶縁材であるクラフト紙製絶縁紙２４が配置されて構成され、その全体が図示しない絶縁媒体（例えば、絶縁油）により満たされている。

そして、本実施例では、上記絶縁材であるクラフト紙製絶縁紙２４が絶縁筒２２ｃと直線スペーサー２１ｃの径方向間に配置されて貼り付けられ、しかも、このクラフト紙製絶縁紙２４の密度は、絶縁筒２２ｃ及び直線スペーサー２１ｃより低く構成されている。なお、実施例１におけるクラフト紙製縁紙２４の配置は一例であり、上記クラフト紙製絶縁紙２４は、絶縁筒２２ａ、２２ｂ、２２ｃと直線スペーサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの間であれば、どこに配置されて貼り付けられていても構わない(例えば、クラフト紙製絶縁紙２４の貼り付け場所は、絶縁筒２２ｂと内側の直線スペーサー２１ｂの径方向間でも良い）。また、絶縁筒２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び直線スペーサー２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの配置数や位置は、図１以外に様々な構成を取り得ることは勿論である。

図２に、実施例１における変圧器巻線の図１の線分Ｘに沿った縦断面を示す。

該図に示す如く、導体１７が巻回されて形成される巻線コイル１８は、絶縁物１１で被覆されていて、コイル間スペーサー１９により上下から支持されている。コイル間スペーサー１９は直線スペーサー２１ｄに連結され、直線スペーサー２１ｄは絶縁筒２２ｃに貼り付けられている。

上述した如く、本実施例では、絶縁筒２２ｃと直線スペーサー２１ｃの径方向間に、絶縁筒２２ｃ及び直線スペーサー２１ｃよりも低密度であるクラフト紙製絶縁紙２４が挿入される形で貼り付けられており、絶縁筒２２ｃにはクラフト紙製絶縁紙２４が貼り付けられていて、クラフト紙製絶縁紙２４には直線スペーサー２１ｃが貼り付けられている。

本実施例におけるクラフト紙製絶縁紙２４の挿入による振動低減効果について、力学モデルを用いて説明する。

図３に、図２の径方向振動に関する力学モデル図を示す。なお、図３の質量６１は図２の巻線コイル１８に、図３のバネ及びダンパー要素６２は図２の直線スペーサー２１ｃに、図３のバネ及びダンパー要素６３は図２のクラフト紙製絶縁紙２４に、図３のバネ及びダンパー要素６４は図２の絶縁筒２２ｃに対応している。直線スペーサー２１ｃ、絶縁筒２２ｃ、クラフト紙製絶縁紙２４はそれぞればね定数、質量、粘性減衰を有している。また、ばね定数は材料の密度に起因し、他方、粘性減衰は材料の密度と絶縁媒体の粘性に起因する。ここでは、ばね定数をばね（Ｂ）、粘性減衰をダッシュポット（Ｄ）で表している。

上述した式（２）に示したコイル振動の振幅Ａ₀を鑑みると、本実施例のクラフト紙製絶縁紙２４を用いることにより、このクラフト紙製絶縁紙２４は、絶縁筒２２ｃ及び直線スペーサー２１ｃよりも密度が低いため、ばね定数ｋが小さくなるものの、絶縁空間部を構成する直線スペーサー２１ｃ及び絶縁筒２２ｃ全体での質量ｍは、従来構造に比べほとんど増加せず、粘性減衰ｃが大きくなる。粘性減衰ｃが大きくなることによって、式（２）で計算される巻線振動の振幅Ａ_ｏを低減することができる。

この時、クラフト紙製絶縁紙２４の厚みは、絶縁筒２２ｃより薄いことが望ましい。より望ましくは、クラフト紙製絶縁紙２４の１枚当たりの厚みが５０〜１５０μｍであり、絶縁筒２２ｃの素材であるプレスボード或いはアラミドボードの１枚当たりの厚みが５．０〜６．０ｍｍであると良い。

即ち、クラフト紙製絶縁紙２４の１枚当たりの厚みが５０μｍ以下だと、振幅Ａ_０の低減効果が小さくなり、１５０μｍ以上だと巻線コイル１８の設置上の寸法位置精度への影響が大きくなるため、コイル組立て上望ましくない。また、絶縁筒２２ｃの素材であるプレスボード或いはアラミドボードの１枚当たりの厚みが５．０ｍｍ以下だと、ボードのばね定数が低下して、絶縁筒２２ｃが径方向に変形し易くなるため、コイル支持の観点上望ましくなく、６．０ｍｍ以上だとコイル間の絶縁媒体に比べ比誘電率の高い固体絶縁物の距離が大きくなり、絶縁媒体への電界集中が高まるため、絶縁特性上望ましくない。

また、図２に示したくさび状ギャップ１６には、周囲の絶縁物よりも低誘電率である絶縁媒体が充填されるため、電界が集中する。そこで、クラフト紙製絶縁紙２４の比誘電率を直線スペーサー２１ｃ及び絶縁筒２２ｃよりも低くすることで、くさび状ギャップ１６から離れた位置の電圧分担が大きくなり、その結果、くさび状ギャップ１６の電界集中を低減することができる。この時の絶縁媒体中におけるクラフト紙製絶縁紙２４の比誘電率は、絶縁媒体よりも高く、直線スペーサー２１ｃ及び絶縁筒２２ｃよりも低い必要があり、変圧器の運転温度である８０℃下で２．１〜３．２であることが望ましい。

このような本実施例の構成とすることにより、コイル全周の被覆絶縁物を厚くすることなく、巻線振動減衰性及びコイル間の絶縁性に優れた静止誘導電器の１つである変圧器を得ることができる。

図４に、本発明の静止誘導電器の実施例２である変圧器の巻線部の図２に相当する図を示す。

該図に示す本実施例が実施例１と異なるのは、絶縁筒２２ｃと直線スペーサー２１ｃの径方向間に、絶縁材としてアラミド紙製絶縁紙２５を使用している点にある。その他の構成は図２と同じである。

このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができる。

図５に、本発明の静止誘導電器の実施例３である変圧器の巻線部の図２に相当する図を示す。

該図に示す本実施例では、絶縁筒２２Ｃの内側と外側の両側面に、絶縁材としてクラフト紙製絶縁紙２４或いはアラミド紙製絶縁紙２５を貼り付けている。この際、絶縁筒２２Ｃの内側と外側の両側面には、同種類の絶縁材を貼り付けても良いし、絶縁筒２２Ｃの一方の側面にはクラフト紙製絶縁紙２４を貼り付け、他方の側面にはアラミド紙製絶縁紙２５を貼り付けも良い。

このようにクラフト紙製絶縁紙２４或いはアラミド紙製絶縁紙２５を絶縁筒２２ｃの内側と外側の両側面に貼り付けることにより、上述した式（２）における粘性減衰ｃが大きくなり、振動がより低減され効果が顕著である。

図６に、本発明の静止誘導電器の実施例４である変圧器の巻線部の図２に相当する図を示す。

該図に示す本実施例は、図５で説明した実施例３を更に改良したものである。即ち、本実施例の特徴は、図５に示す実施例３の構成に加え、プレスボード製のコイル間スペーサー１９と直線スペーサー２１ｄの径方向間に、絶縁材としてクラフト紙製絶縁紙２４或いはアラミド紙製絶縁紙２５を貼り付けている点にある。その他の構造は図５の実施例３と同様である。

図７に、図６におけるコイル間スペーサー１９の上面から見た状態を示す。該図の如く、クラフト紙製絶縁紙２４或いはアラミド紙製絶縁紙２５を、コイル間スペーサー１９と直線スペーサー２１ｄの径方向間に貼り付けることにより、上述した式（２）における粘性減衰ｃが大きくなり、振動がより低減され効果が顕著である。

以上説明した各実施例では、絶縁材としてクラフト紙或いはアラミド紙を振動減衰用の絶縁材として用いて説明したが、その他の絶縁材としてフッ素ゴム等も使用可能であり、また、これらを組み合せたものも使用できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

２…内側巻線、３…外側巻線、１１…絶縁物、１２…内側絶縁筒、１３…外側絶縁筒、１４…内側直線スペーサー、１５…外側直線スペーサー、１６…くさび状ギャップ、１７…導体、１８…巻線コイル、１９…コイル間スペーサー、２０…熱収縮材、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…直線スペーサー、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…絶縁筒、２４…クラフト紙製絶縁紙、２５…アラミド紙製絶縁紙、５１、５３、５４、５５、６２、６３、６４…バネ及びダンパー要素、５７、６１…質量。

Claims (10)

1. 鉄心と、該鉄心の周囲に絶縁距離をとって同心状に配置された巻線と、該巻線の内外周に形成される絶縁空間に配置された複数の絶縁筒と、該絶縁筒間に前記巻線の周方向に沿って所定の間隔をもって配置された複数の直線スペーサーと、前記巻線の軸方向間に配置され、該巻線を支持するコイル間スペーサーと、前記直線スペーサーと絶縁筒との間の少なくとも１箇所に配置され、前記絶縁筒より密度が低い絶縁材とを備えていることを特徴とする静止誘導電器。
2. 請求項１に記載の静止誘導電器において、
   前記絶縁材は、前記絶縁筒より厚みが薄いことを特徴とする静止誘導電器。
3. 請求項１又は２に記載の静止誘導電器において、
   前記絶縁筒の内側と外側の両側面に、前記絶縁材が配置されていることを特徴とする静止誘導電器。
4. 請求項３に記載の静止誘導電器において、
   前記直線スペーサーと前記コイル間スペーサーとの間に、前記絶縁材が配置されていることを特徴とする静止誘導電器。
5. 請求項４に記載の静止誘導電器において、
   前記絶縁材は、クラフト紙或いはアラミド紙から成る絶縁紙であることを特徴とする静止誘導電器。
6. 請求項５に記載の静止誘導電器において、
   前記絶縁筒は、プレスボード或いはアラミドボードから成る絶縁ボードであることを特徴とする静止誘導電器。
7. 請求項６に記載の静止誘導電器において、
   前記絶縁紙の１枚当たりの厚みが５０〜１５０μｍであり、前記絶縁ボードの１枚当たりの厚みが３．２〜８．０ｍｍであることを特徴とする静止誘導電器。
8. 請求項７に記載の静止誘導電器において、
   前記絶縁ボードの密度が１．３５ｇ／ｃｍ^３以下であり、かつ、前記絶縁紙の密度が０．８０〜１．００ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする静止誘導電器。
9. 請求項８に記載の静止誘導電器において、
   前記絶縁紙の比誘電率は、前記絶縁ボードの比誘電率より低誘電率であり、かつ、前記絶縁ボードの比誘電率が油で含浸された状態で、８０℃下で５．１以下であることを特徴とする静止誘導電器。
10. 請求項９に記載の静止誘導電器において、
    前記絶縁紙の比誘電率は、８０℃下で２．１〜３．２であることを特徴とする静止誘導電器。

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