JP6342883B2

JP6342883B2 - 油入変圧器

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Publication number: JP6342883B2
Application number: JP2015249622A
Authority: JP
Inventors: 美稀山崎; 学土肥; 丸山　英介; 英介丸山; 天兒　洋一; 洋一天兒; 諒介御子柴; 憲一相馬
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: TWI603348B; CN107924745A; JP2017117871A; CN107924745B; WO2017110124A1; TW201724132A

Description

本発明は、油入変圧器、特に油入変圧器の放熱構造に関するものである。

一般に油入電気機器、例えば油入変圧器のタンクには、変圧器の絶縁媒体として絶縁油が入っている。その絶縁油は変圧器の通電熱で温度上昇することによって膨張し、タンクの内圧が上昇するので、タンクは変形しないように充分な強度を必要とする。また、熱伝導が低い絶縁油の温度上昇を抑制できる放熱性能が要求される。

この種のタンクの従来技術としては、特開昭５３−３５１２２号公報（特許文献１）に示される公知技術がある。この公知技術は、図５と図６に示すように、放熱リブとしてのひれ状張出部２の上下端部を、内方に絞り込んで密着した面接合部３を形成する。そして、上記面接合部３に沿って上記張出部２の上下端部を溶接し、その溶接線を一軸のみとする一方、前記張出部２の板場に凸状または凹状の補強用ビード４を形成し、上記補強用ビード４により張出部２の機械的強度の増大を図るようにしている。

また、従来技術の他の例としては、実開昭５６−６７７３２号公報（特許文献２）に示される公知技術がある。この公知技術は、図７に示すように、波形放熱器の放熱リプ２の両側面適当筒所に、外側から油道部内に向って、タンク高さ方向に沿って凹状溝部４を形成する。放熱リブ２にタンク高さ方向に沿って凹状溝部４を設けたことにより、内圧に対する機械的強度を高め、かつ、油の自然対流効率を高め、放熱効率の高いものが得られるようにしている。このように、上記に示す従来例では、補強用ビード４によりタンクの強度を増大し得るようにしている。

特開昭５３−３５１２２号公報実開昭５６−６７７３２号公報

図５、図６、図７に示す従来例では、放熱リブとしてのひれ状張出部２は、タンク内で絶縁油の温度上昇によって内圧が高くなった場合、補強用ビード４により張出部２の横方向および縦方向に対しての強度向上を図っている。

しかし、放熱リブに補強用ビード４を設けて強度向上を図っている分、放熱リブの面接合部３への負荷が大きくなり、より高度な接合方法が必要とされ、コストアップにつながる課題がある。

一般に油入変圧器において、絶縁油６は、内部のコイル７の導体の通電によって熱せられると、図８に示す矢印の経路で対流すると考えられ、放熱面積を大きくするために放熱リブ２を大きく設けている。すなわち、絶縁油６は、鉄心９に設けたコイル７の導体によって熱せられると、その上方に上昇し、そこから放熱リブ２の内部側に流れ、該放熱リブ２の放熱作用によって冷却されることにより、放熱リブ２の外周側から下降してコイル７側に戻る循環が期待される。図８に示すように循環を問題なく行わせるためには、コイル７と放熱リブ２との間の距離を大きく設ける必要があり、タンクが大型化する課題がある。一方、タンク内部の絶縁性能を確保するために絶縁油を浸す絶縁距離は小さい。これは、コイル７の外周はすでに絶縁紙で保護されているため、絶縁油を絶縁紙に浸透させて確実に絶縁を担保しているからである。そこで、図９に示すように、コイル７と放熱リブ２との間の距離を絶縁性能が確保できる距離まで小さくすると大幅な小型化ができるが、絶縁油６の対流による放熱効果は小さくなってしまうという課題がある。

本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、放熱リブを設けて絶縁油の対流による放熱ではなく、断熱壁である絶縁油層を薄くすることにより所望の放熱性能を達成すると同時に、タンクの小型化とタンクの強度が両立できる油入変圧器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための、本発明の油入変圧器の一例を挙げるならば、鉄心とコイルとを組み立てた鉄心−コイル組立体をタンク内に収納し、絶縁油を入れてなる油入変圧器であって、前記鉄心−コイル組立体は、鉄心の複数の脚部にそれぞれ取り付けた複数のコイルを備え、前記複数のコイルが近接する部位に面するタンク面に、前記複数のコイルの軸方向に延び、前記複数のコイルが近接する部位に向かって凹む凹部を設け、前記複数のコイルが近接する部位と前記タンク面との距離を短縮し、前記タンクの表面の少なくとも前記コイルに対向する部分に、縦横に複数の凸部または凹部を有するものである。

本発明において、前記タンクの表面に複数の凸部または凹部を形成し、タンクの表面積を広げるのが好ましい。

本発明によれば、タンクに放熱リブを設けることなく絶縁油の対流のための距離を低減することで大幅な小型化・軽量化を実現でき、絶縁油の層を薄くすることにより、熱源であるコイルからの放熱性を向上させることができる。また、放熱リブを設けないので、タンクの内圧上昇により放熱リブがたわむなどの恐れがない。さらに、圧力上昇時に応力が集中する放熱リブの面接合部がないので、強度における信頼性が確保できる。

本発明の実施例１のタンク部斜視図である。本発明の実施例１の油入変圧器の横断面図である。本発明の実施例２のタンク部斜視図である。本発明の実施例２の油入変圧器の横断面図である。本発明の実施例３のタンク部斜視図である。本発明の実施例３の油入変圧器の横断面図である。本発明の実施例４の油入変圧器の横断面図である。従来の油入変圧器の一例を示す斜視図である。タンクに取り付ける、従来の放熱リブを示す正面図である。従来の放熱リブの他の例を示す正面図である。油入変圧器内における油の対流を示す説明図である。小型の油入変圧器内における油の対流を示す説明図である。図９のＡ−Ａ’線における、横断面図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図１Ａおよび図１Ｂに、本発明の実施例１の油入変圧器を示す。図１Ａは油入変圧器のタンクの斜視図であり、図１Ｂはタンク内部に鉄心−コイル組立体を収納した油入変圧器の横断面を上から見た図である。図は、Ｕ相１１、Ｖ相１２、Ｗ相１３からなる３相３脚構造の油入変圧器を示す。

本実施例のタンク１は、図１Ａに示すように、蓋を取付けるためのフランジ1ｃと、底板１ｄと、該底板１ｄ及びフランジ１ｃ間に配設される胴体部１ｅとを備え、これらにより鉄心とコイルとを組み立てた鉄心−コイル組立体８及びこれを絶縁するための絶縁油６を収容するように構成されている。前記胴体部1ｅは、シート状の簿板、例えば鋼板をプレス加工によって成形されたものである。

放熱面積を多くする従来のタンク構造は、図９および図１０に示すように、直方体形状のタンク１の内部に1相以上のコイル７を収納し、その周囲に絶縁油６を満たしている。そして、タンク１の外側には全周に渡って放熱リブ２を一定間隔で設けている。コイル７を構成する一次コイル部７a、二次コイル部７ｂは通電による発熱源になるため、Ｕ相１１、Ｖ相１２、Ｗ相１３の相間のコイルの接触部１１a、１２aが導体部の中で最大の温度となる。さらに、相間のコイルの接触部ではタンク周囲または放熱リブとの距離６aが大きいため、放熱性能が低くなり、高温になりやすくなる。また、図９に示される、コイル７と放熱リブ２との間の距離を小さくして小型化した油入変圧器においては、絶縁油６の対流が起きにくくなり放熱効果が小さくなってしまう。

本実施例では、図１Ｂに示すように、鉄心９とコイル７とを組み立てた鉄心−コイル組立体８は、鉄心９の複数の脚部にそれぞれ複数の相（Ｕ相１１，Ｖ相１２，Ｗ相１３）のコイル７が設けられている。そして、コイル７外周に設ける絶縁油６が一定の層厚になるように、複数の相のコイル７が近接する部位１１a、１２aに面しているタンクの面に凹部１ａを設けている。凹部１ａは、コイル７の軸方向に延び、複数の相のコイルが近接する部位に向かって凹んでいる。本実施例では、タンク１の面をコイル７の外周面に沿って延びる曲面で形成し、コイル７の外周面の絶縁油６がほぼ一定の層厚となるようにしている。これによって、絶縁性能上の必要距離６bを確保しながら、タンク周囲との距離６aを絶縁性能上の必要距離６bまで小さくできる。絶縁油の熱伝導は、たとえば、0.12W/m・Kと熱伝導が小さいが、金属製のタンクの熱伝導は例えば、80w/m・Kと比較的大きい。熱伝導性能が低い絶縁油の厚さを薄くし、熱伝導が比較的大きいタンクまでの距離を小さくすることで放熱性能が向上できる。なお、図において、符号１０は補強板を示す。

本実施例によれば、放熱リブを設けることなく絶縁油の対流のための距離を低減することで大幅な小型化・軽量化を実現でき、また、絶縁油の層を薄くすることにより、熱源であるコイルからの放熱性を向上させることができる。また、放熱リブを設けないので、タンクの内圧上昇により放熱リブがたわむなどの恐れがない。さらに、圧力上昇時に応力が集中する放熱リブの面接合部がないので、強度における信頼性が確保できる。

図２Ａおよび図２Ｂに、本発明の実施例２の油入変圧器を示す。図２Ａは油入変圧器のタンクの斜視図であり、図２Ｂはタンクに鉄心−コイル組立体を収納した油入変圧器の横断面を上から見た図である。

図に示すように、実施例２では、タンク周囲の放熱面積を多くするために、タンクの胴体部１ｅに複数の凸部（エンボス部）１ｂを形成している。各凸部（エンボス部）１ｂは、胴体部1ｅの周囲に適宜の間隔をもって、並列配列や千鳥配列などで配置される。そして、各凸部（エンボス部）１ｂは、例えば半球状に張り出して形成され、凸部の内部と胴体部１ｅの内部とが連続している。

図２Ａでは、タンクの底板１ｄの最外周より内側になるようにタンクの胴体部１ｅの表面に連続的な凸部（エンボス部）１ｂを設けて、高熱伝達の放熱面を形成している。図では、エンボス部１ｂを凸部としているが、凹部としても良い。

従来の放熱リブによる放熱構造に関して、例えば、図９のＡ−Ａ’の断面図である図１０に示す放熱リブの熱伝達率は、例えば、10⁴≦Gr_H・Pr≦10⁷の場合、次の式（１）による理論計算で求められる。

Gr_Hはグラスホフ数（Gr_H＝ｇβ｜Tw-Ta｜H³/v）、Prはプラントル数、Hはリブの高さ(m)、hは平均熱伝達率（W/m²℃）、kは熱伝導率（W/m℃）を示す。

本実施例である図２Ｂのエンボス部に相当する半球（直径d）の熱伝達率は、例えば、0≦Gr_H・Pr≦10⁷の場合、次の式（２）による理論式で求められる。

式（１）と式（２）で示すように、熱伝達率は放熱リブの高さHやエンボスの直径dに依存するが、通常のリブの高さ（例えば、１００ｍｍ）とエンボス（例えば、４０ｍｍ）ではエンボスの方が熱伝達率は高い(例えば、２０％高い)。

また、図８に示す放熱リブ構造におけるフィン効率は次の式（３）により理論的に求められることができる。

放熱リブの方のフィン効率は、例えば（リブ高さH＝１００ｍｍ、板厚t＝２ｍｍ）６４％となっている。つまり、放熱リブによる放熱面積はその６４％が放熱として効いていることを示す。つまり、リブの高さを大きくして放熱面積を大きくしても、全ての増加面積が放熱していることではない。本実施例の図２Ｂのエンボスタイプの凸凹は、リブの高さを大きくせずに放熱面積を増やす方法の一つである。

本実施例によれば、実施例１の作用効果に加えて、タンクの胴体部に凸部または凹部（エンボス部）を形成したので、放熱面積を広くでき、放熱性をより向上させることができる。また、凸部または凹部（エンボス部）を形成することにより、タンクの強度を向上することができる。

図３Ａおよび図３Ｂに、本発明の実施例３の油入変圧器を示す。図３Ａは油入変圧器のタンク部の斜視図であり、図３Ｂはタンク部に鉄心−コイル組立体を収納した油入変圧器の横断面を上から見た図である。

実施例１或いは実施例２では、タンクの形状を、コイルの外周部から一定の距離を保つように、曲面で形成したが、本実施例は、コイルの外周にほぼ沿うように、平面の組み合わせで形成したものである。すなわち、図３Ｂに示すように、複数の相のコイル７が近接する部位１１a、１２aに面しているタンクの面に、断面が三角形状の凹部１ａを設ける。これにより、絶縁性能上の必要距離６bを確保しながら、コイル７の外周面とタンクの面との距離６aを絶縁性能上の必要距離６bまで小さくすることができる。

本実施例において、図３Ｂに示すように、タンクの胴体部１ｅにエンボス部を設けることなく平面状にしても良いし、また、図３Ａに示すように、タンクの胴体部１ｅにエンボス部１ｂを設けても良い。

本実施例によれば、実施例１の作用効果に加えて、タンクの胴体部を、平面の組み合わせで形成したので、製造が容易となる。

図４に、本発明の実施例４の油入変圧器を示す。図４は、タンク部に鉄心−コイル組立体を収納した油入変圧器の横断面を上から見た図である。

実施例１或いは実施例２は、本発明を３相３脚構造の油入変圧器に用いたものであるが、本実施例は、本発明を単相の変圧器に用いたものである。

単相の変圧器では、額縁状の鉄心９の２つの脚部にそれぞれコイル７が設けられている。コイル７を構成する一次コイル部７a、二次コイル部７ｂは通電による発熱源になるため、中央の２つのコイルの接触部が導体部の中で最大の温度となる。本実施例では、図に示すように、コイル外周に設ける絶縁油が一定の層厚になるように、鉄心−コイル組立体８の２つのコイル７が近接している部位に面しているタンクの面に凹部１ａを設けている。

図４では、タンクの形状をコイルの外周に沿うように曲面で形成しているが、図３Ｂに示すように、平面の組み合わせで形成しても良い。また、図４では、タンクの胴体部にエンボス部１ｂを形成しているが、図１と同様に、エンボス部を設けなくても良い。

本実施例によれば、単相の変圧器において、放熱リブを設けることなく絶縁油の対流のための距離を低減することで大幅な小型化・軽量化を実現でき、また、絶縁油の層を薄くすることにより、熱源であるコイルからの放熱性を向上させることができる。

本実施例は、実施例１〜４の油入変圧器のタンクの材質を改良したものである。一般に油入変圧器のタンクは鋼板（例えば、ＳＳ４００，ＳＰＣＣ）で形成される。本実施例では、鋼板に代えて、油入変圧器のタンクを高強度アルミニウム材（例えば、６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系：アルミマグネシウムシリコン合金）であるＡｌ６０６９、Ａｌ６０６１）で形成する。特に高強度のアルミニウム材は、より大きな耐力を有するアルミニウムである。高強度アルミニウム材は、熱処理状態や化学成分によらず、弾性率は約70GPaであることにより、広い弾性領域を有し、高圧サイクル試験時により大きなひずみを許容できることになる。したがって、耐圧性・疲労・腐食に優れ、熱伝導率はＳＳ４００の４倍、密度はＳＳ４００の約１／３であり、油入変圧器のタンクに適している。

本実施例によれば、油入変圧器のタンクの材料として高強度アルミニウム合金を用いたので、強度に優れ、放熱性能が良く、軽量な油入変圧器を提供できる。

１タンク
１ａタンクの凹部
１ｂタンクのエンボス部
１ｃタンクのフランジ
１ｄタンクの底板
１ｅタンクの胴体部
２放熱リブ
３面接合部
４補強用ビード
６絶縁油
６ａ相間接触部の絶縁距離
６ｂ必要絶縁距離
７コイル
７a 二次コイル
７ｂ一次コイル
８鉄心−コイル組立体
９鉄心（コア）
１０補強板
１１Ｕ相
１２Ｖ相
１３Ｗ相
１１a、１２a 相間接触部

Claims

鉄心とコイルとを組み立てた鉄心−コイル組立体をタンク内に収納し、絶縁油を入れてなる油入変圧器であって、
前記鉄心−コイル組立体は、鉄心の複数の脚部にそれぞれ取り付けた複数のコイルを備え、
前記複数のコイルが近接する部位に面するタンク面に、前記複数のコイルの軸方向に延び、前記複数のコイルが近接する部位に向かって凹む凹部を設け、前記複数のコイルが近接する部位と前記タンク面との距離を短縮し、
前記タンクの表面の少なくとも前記コイルに対向する部分に、縦横に複数の凸部または凹部を有することを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記タンク面を、前記複数のコイルの外周面に沿って延びる曲面で形成し、前記コイルの外周面の絶縁油が一定の層厚となるようにしたことを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記タンク面を、前記複数のコイルの外周面に沿う複数の平面の組み合わせで形成し、前記コイルの外周面とタンク面との距離が、直方体形状のタンクに比べて、短くなるようにしたことを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記複数の凸部または凹部は、前記タンクの胴体部に設けられていることを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記複数の凸部または凹部は、球面状の凸部または凹部であることを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記複数のコイルが近接する部位に向かって凹む凹部のうち、前記絶縁油とは反対側の面が空気に接していることを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記タンクの表面の複数の凸部または凹部は、並列配列もしくは千鳥配列で連続して配置されていることを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記鉄心−コイル組立体は、３相３脚構造であることを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記鉄心−コイル組立体は、単相構造であることを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記タンクの材料は、鋼板であることを特徴とする油入変圧器。
請求項１記載の油入変圧器において、
前記タンクの材料は、高強度アルミニウム材料であることを特徴とする油入変圧器。
請求項１１記載の油入変圧器において、
前記タンクの材料は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする油入変圧器。