JP6729160B2

JP6729160B2 - 変圧器

Info

Publication number: JP6729160B2
Application number: JP2016157844A
Authority: JP
Inventors: 章富岡
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-08-10
Also published as: JP2018026465A

Description

本発明は、変圧器に関し、特に、鉄心の周りにコイル状の巻線が配置された変圧器に関する。

変圧器は、電磁誘導を利用して交流電力の電圧を変換する機器であり、磁気回路を構成する鉄心と、電気回路を構成する巻線とを備えている。変圧器の巻線においては、短絡事故時に大電流が流れると過大な電磁機械力が作用し、この電磁機械力は巻線の軸方向と半径方向とに作用する。巻線の軸方向の機械力は、巻線の軸方向両端側から中央部に圧縮される向きで巻線自体に作用し、この機械力に耐えるために、所定の締付け力によって巻線を予め締付けておく方法が採用されている。

ところで、特許文献１の変圧器では、巻線のコイル間に絶縁性のスペーサが配置され、スペーサを介して各コイルが支持されるようになっている。上記のように、巻線に過大な電磁機械力が作用すると、各スペーサにも大きな機械力が巻線から加わって各スペーサが圧縮するように変形する。

特開２０１３−２３２４６３号公報

短絡事故時の過大な電磁機械力によってスペーサに作用する力は、その性質上、巻線の軸方向両端側から中央部に向かって次第に大きくなる。このため、同一寸法で同一材質のスペーサを各コイル間に用いると、各スペーサを弾性体として見た場合、巻線の軸方向中央部におけるスペーサの変形量（収縮量）が特に大きくなる、という問題がある。この結果、巻線全体としての軸方向での変位量が増大し、この変位量の増大に応じて、巻線に発生する機械力が大きくなる、という問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、過大な電磁機械力が作用したときに、巻線の変位量を小さくすることができる変圧器を提供することを目的の一つとする。

本発明における一態様の変圧器は、鉄心と、前記鉄心の周りに巻回されて配置された巻線と、前記巻線のコイル間に配置された複数のスペーサとを備えた変圧器であって、前記スペーサは、前記巻線の軸方向一端側から他端側に亘るそれぞれのコイル間に配置され、前記軸方向両端側の前記スペーサに対して中央部の前記スペーサの方が前記軸方向の厚みが小さく形成されていることを特徴とする。

本発明における一態様の変圧器は、鉄心と、前記鉄心の周りに巻回されて配置された巻線と、前記巻線のコイル間に配置された複数のスペーサとを備えた変圧器であって、前記スペーサは、前記巻線の軸方向一端側から他端側に亘るそれぞれのコイル間に配置され、前記軸方向両端側の前記スペーサに対して中央部の前記スペーサの方が、ヤング率が大きく設定され、前記軸方向から見た前記巻線の１周当たりにおける前記スペーサの配置面積は、前記軸方向両端側に対して中央部の方が大きいことを特徴とする。また、本発明における一態様の変圧器は、鉄心と、前記鉄心の周りに巻回されて配置された巻線と、前記巻線のコイル間に配置された複数のスペーサとを備えた変圧器であって、前記スペーサは、前記巻線の軸方向一端側から他端側に亘るそれぞれのコイル間に配置され、前記軸方向両端側の前記スペーサに対して中央部の前記スペーサの方が、ヤング率が大きく設定され、前記巻線のコイル間にて前記巻線の周方向に所定間隔を隔てて配置され、前記巻線の１周当たりにおける前記スペーサの配置数は、前記軸方向両端側に対して中央部の方が多いことを特徴とする。

このような構成によれば、スペーサの厚みやヤング率を上記のように設定したので、巻線の軸方向中央部に配設されたスペーサについて大きい圧縮力が作用しても、当該中央部のスペーサの変形量を小さくできる。また、巻線の軸方向両側のスペーサは、圧縮力当たりの変形量が相対的に大きくなるが、大電流による過大な電磁機械力が発生しても、スペーサに作用する圧縮力が相対的に小さくなって変形量の増大を抑制することができる。このようにスペーサの変形量を設定できるので、巻線全体として見たときに、巻線の軸方向の変位量を小さくすることが可能となる。これにより、大電流による過大な電磁機械力が巻線に作用しても、巻線に発生する機械力が大きくなることを防止することができる。

本発明の変圧器によれば、スペーサの厚みやヤング率を調整したので、過大な電磁機械力が作用したときに、巻線の変位量を小さくすることができる。

第１の実施の形態に係る変圧器の概略構成を示す断面図である。図２Ａは、第１の実施の形態の巻線及びスペーサを模式的に示す部分断面図であり、図２Ｂは、比較例の巻線及びスペーサの図２Ａと同様の断面図である。巻線におけるスペーサの配置説明図である。巻線における積算した電磁力とスペーサの位置との関係を示すグラフである。第２の実施の形態の巻線及びスペーサの図２Ａと同様の断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る変圧器について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、本発明に係る変圧器を油入変圧器に適用する場合について説明する。しかしながら、本発明の適用対象は、油入変圧器に限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、乾式変圧器やガス絶縁変圧器に適用することもできる。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る変圧器の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、変圧器１は、上下に延在する鉄心２と、鉄心２の周りに巻回されて配置された巻線３と、鉄心２及び巻線３を支持するフレーム部４とを備えている。本実施の形態の変圧器１は、不図示のタンク内に絶縁油が満たされる油入変圧器であり、鉄心２、巻線３及びフレーム部４はタンク内にて絶縁油に含浸した状態となっている。

鉄心２は、鉄心材料を多層に積層した積層鉄心とする構成を例示でき、この構成を採った場合、図１では、鉄心２として上下方向に延在する脚部を図示している。

巻線３は、外側巻線３Ａ及び内側巻線３Ｂが同心に配置されている。外側巻線３Ａ及び内側巻線３Ｂは、銅やアルミニウム等の導体をシート状の絶縁物で被覆してから、コイル状に複数ループ巻回されて形成される。ここで、巻線３の軸方向とは、円筒状となる巻線３の中心軸位置が延在する方向であり、図１の巻線３では上下方向となる。

フレーム部４は、鉄心２の下端部に設けられた下部フレーム４１と、鉄心２の上端部に設けられた上部フレーム４２とを備えている。下部フレーム４１及び上部フレーム４２は、鉄心２の積層方向となる図１中左右方向から鉄心２を挟み込んで保持している。下部フレーム４１と上部フレーム４２とは図示しない連結板で連結されている。下部フレーム４１は、断面が主として一定のチャンネル状（コの字状）に形成されている。左右に位置する下部フレーム４１は、その下面においてフレーム連結板４３を介して連結されている。

下部フレーム４１の上には下部絶縁物４４が配置され、その上に巻線３、さらにその上に上部絶縁物４５が配置されている。そして、上部絶縁物４５の上部には、締付ボルト５の先端が接触しており、締付ボルト５は上部フレーム４２に取り付けられた受け板６に螺合するよう設けられる。従って、締付ボルト５をねじ込み操作して下方に進行させることで、上部絶縁物４５と、その下の巻線３及び下部絶縁物４４とを下方に押さえ付け、巻線３に対して軸方向（上下方向）の締付け力が作用するようになる。

図２Ａは、第１の実施の形態の巻線及びスペーサの部分断面図であり、図２Ｂは、比較例の巻線及びスペーサの部分断面図である。図２Ａに示すように、巻線３は、巻き数に応じた複数のコイルＣによって形成され、軸方向（上下方向）に隣接するコイルＣの間にスペーサ７が配置されている。本実施の形態では、全てのスペーサ７が同一の材質によって形成される。スペーサ７の材質は、絶縁材であれば特に限定されるものでないが、主にコイルＣを支持し、コイルＣ間の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、板状にしたプレスボード或いはアラミドボードを単層、又は２乃至３層重ねたものが用いられている。

図３は、巻線におけるスペーサを上から見た配置説明図である。スペーサ７は、巻線３のコイルＣ間にて巻線３の周方向に所定間隔を隔てて配置されている。巻線３の１周当たりにおけるスペーサ７の配置数は、図３では、等間隔（等角度）毎に１周当たり１８個のスペーサ７が配置されているが、巻線３の径寸法等によって１６個にする等変更してもよい。

図２Ａに戻り、スペーサ７は、巻線３の軸方向となる上下方向一端側から他端側に亘るそれぞれのコイルＣ間に配置されており、断面図にて図示した場合には、コイルＣとスペーサ７とが交互に位置しつつ上下方向に並んで配置される。ここで、巻線３の軸方向（上下方向）における中間位置Ｐを白抜き矢印で示し、この中間位置Ｐから上下方向両側に向かって並ぶスペーサ７に対して順に符号７−ｎ（ｎは１〜５の自然数）を付す。かかる符号７−ｎは、巻線３の軸方向で対称になる位置、言い換えると、中間位置Ｐを対称軸として上下対称となる位置にそれぞれ配置されたスペーサに対してｎの値が同一になる。

巻線３に電流を流すと、図２の各コイルＣには磁場が誘起される。この磁場は巻線３の半径方向と軸方向に分けられ、半径方向の磁場が軸方向の電磁力となる。半径方向の磁場の分布にあっては、巻線３の軸方向における端部で最も大きくなることが知られている。従って、軸方向の電磁力は、巻線３の両端側のコイルＣで最も大きくなり、その力の方向は磁気中心方向となる図２の中間位置Ｐに向かう方向となる。各コイルＣの電磁力はスペーサ７を介して伝達するので、軸方向の電磁力は積算されることになり、中間位置Ｐ付近で最も大きくなる。

図４は、巻線における積算した電磁力とスペーサの位置との関係を示すグラフであり、縦軸が積算電磁力、横軸が図２Ａにおけるスペーサの位置である。図４のグラフから理解できるように、スペーサ７−１〜７−５に作用する積算した電磁力は、図２にて中間位置Ｐに最も近いスペーサ７−１が最大となり、中間位置Ｐから最も遠いスペーサ７−５が最小となる。なお、図４のグラフの数値及び数値を結ぶ線は一例に過ぎないものであり、数値を結ぶ線が概ね右上がりになる限りにおいて巻線３等の各種条件に応じて変更される。

このように、巻線３の軸方向位置に応じてスペーサ７に加わる力が変化することに着目し、本実施の形態では、軸方向両端側のスペーサ７に比べ、中央部のスペーサ７の方が軸方向の厚みを小さく形成している。具体的には、巻線３の軸方向中央部のスペーサ７−１、７−２と、軸方向両端側のスペーサ７−３〜７−５とで軸方向厚みを変えており、かかるスペーサ７−３〜７−５を厚み２ｔとした場合に、中央部のスペーサ７−１、７−２を半分の厚みとなる厚みｔとしている。また、巻線３の軸方向で対称になる位置にそれぞれ配置されたスペーサ７−ｎ（ｎは１〜５の自然数）同士は、軸方向の厚みが同一に形成される。従って、本実施の形態では、厚みｔのスペーサ７が４体、厚み２ｔのスペーサ７が６体となり、全てのスペーサ７の厚みの総和は１６ｔとなる。

上記のようにスペーサ７の厚みを変化させたことにより得られる効果を説明するため、図２Ｂに示す比較例の巻線１０３及びスペーサ１０７と対比する。比較例においては、上記実施の形態に対してスペーサ１０７の厚みを変更しており、全てのスペーサ１０７の軸方向厚みを１．６ｔとして同一に設定している。比較例において、厚み１．６ｔのスペーサ１０７が１０体となるので、全てのスペーサ１０７の厚みの総和は１６ｔとなり、第１の実施の形態におけるスペーサ７の厚みの総和と同一としている。従って、比較例の巻線１０３と第１の実施の形態の巻線３の軸方向長さは同一になり、巻線３、１０３の寸法上の仕様において、比較例の巻線１０３に代えて第１の実施の形態の巻線３を使用できる条件とする。

巻線３、１０３に所定の電流が流れて上述した積算電磁力が作用した場合、スペーサ７、１０７が弾性変形する。スペーサ７、１０７に印加される応力と歪の関係が線形と仮定すると、スペーサ７、１０７の変形量は以下の式によって計算することができる。
（第１の実施の形態のスペーサ７の変形量の総和）
(2×2t＋5×2t＋6.2×t＋6.8×t＋7×t)×2 = 68t
（比較例のスペーサ１０７の変形量の総和）
(2×1.6t＋5×1.6t＋6.2×1.6t＋6.8×1.6t＋7×1.6)×2 = 86.4t

上記の計算において、巻線３、１０３の軸方向中央部のスペーサ７、１０７においては、第１の実施の形態の方が比較例に比べて厚みが薄くなる分、変形量を小さくすることができる。中央部のスペーサ７、１０７は、作用する電磁力が大きくなるので、かかる厚みの変化によって変形量の差も大きくなる。一方、巻線３の軸方向両端側のスペーサ７、１０７は、第１の実施の形態の方が比較例に比べて厚みが厚くなる分、変形量が大きくなるものの、作用する電磁力が小さいので、厚みの変化による変形量の差も小さくなる。そして、巻線３、１０３全体として見た場合には、上記計算結果から分かるように、第１の実施の形態の方が比較例に比べて１０体のスペーサ７、１０７における変形量を小さくすることができる。具体例として、上記の対比においては、スペーサ７、１０７の変形量が比較例より第１の実施の形態の方が約２１％小さくなる。

このような第１の実施の形態によれば、巻線３の軸方向位置に応じてスペーサ７の厚みを上記のように変化させたので、短絡事故時に大電流が流れて過大な電磁力が作用しても、巻線３の変位量を小さくすることができる。この変位量を電流が最大となるのに要した時間で除した値は、巻線３の加速度と同義であり、この加速度に巻線３の重量を乗ずると機械力となる。従って、巻線３の変位量を小さくすることで、巻線３に発生する機械力を低減することができ、ひいては、締付ボルト５による締付け力を小さくして締付けのための構造の簡素化を図ることができ、小型軽量化や製造コストの低減を達成することができる。しかも、巻線３に対する締付け力の作用状態の変化を抑制でき、巻線３の位置を維持して磁気特性及び電気特性を良好に保つことができる。

また、巻線３の軸方向で対称になる位置にそれぞれ配置されたスペーサ７は、厚みが同一となるので、巻線３の中間位置Ｐ（図２Ａ参照）を挟む両側でスペーサ７の変形量を同一にすることができる。これにより、巻線３の軸方向にスペーサ７を並べて設置する際の作業性を良好にすることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について図５を参照して説明する。なお、以下の説明において、第２の実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いる場合があり、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。

図５は、第２の実施の形態の巻線及びスペーサの部分断面図である。図５に示すように、第２の実施の形態における変圧器１は、第１の実施の形態の変圧器１に対し、スペーサ７のヤング率を調整し、巻線３の軸方向両端側のスペーサ７に比べ、中央部のスペーサ７の方がヤング率を大きく設定したものである。具体的には、巻線３の軸方向中央部のスペーサ７−１、７−２のヤング率を２００［ＭＰａ］、軸方向両端側のスペーサ７−３〜７−５のヤング率を１００［ＭＰａ］としている。

また、図５においては、複数のスペーサ７が同一形状に形成され、従って、それぞれのスペーサ７のおける巻線３の軸方向厚さが同一に形成されている。このように複数のスペーサ７を同一形状とすることで、スペーサ７を一種類とすることができ、スペーサ７の管理や在庫負担の軽減を図ることができる。更に、巻線３の軸方向で対称になる位置にそれぞれ配置されたスペーサ７−ｎ（ｎは１〜５の自然数）同士は、ヤング率が同一に設定され、巻線３の軸方向にスペーサ７を並べて設置する際の作業性が良好となる。

第２の実施の形態におけるスペーサ７によれば、上述した過大な電磁力が巻線３に作用しても、巻線３の軸方向両端側のスペーサ７−３〜７−５に比べ、中央部のスペーサ７−１、７−２の方が変形し難くなる。言い換えると、作用する電磁力が相対的に大きい軸方向中央部のスペーサ７−１、７−２で変形量を小さくすることができる。一方、軸方向両端側のスペーサ７−３〜７−５では、作用する電磁力が相対的に小さいので、ヤング率が小さくても変形量が大きくなることを抑制することができる。従って、第１の実施の形態と同様に、１０体のスペーサ７における変形量を小さくでき、巻線３全体として見た場合、過大な電磁力が作用しても巻線３の変位量を小さくすることができる。

ここで、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記各実施の形態を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。例えば、第１の実施の形態のように巻線３の軸方向でスペーサ７の厚みを変えつつ、第２の実施の形態のように巻線３の軸方向でスペーサ７のヤング率を変更してもよい。

また、本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

また、本実施の形態では、本発明を変圧器に適用した構成について説明したが、上述した作用効果が得られるのであれば、他の電力用静止器に適用することも可能である。

なお、上記各実施の形態にて図示した内容は、説明用に模式的に表したものであり、上述した作用効果を発揮できれば、巻線３におけるコイルＣやスペーサ７の数量、スペーサ７の形状等について変更してもよい。更に、第１の実施の形態のスペーサ７の厚み、第２の実施の形態のスペーサ７のヤング率を３種以上として変化させるようにしてもよい。

また、巻線３に締付け力を加える構成は、図１に示す締付ボルト５等に限られるものでなく適宜変更してもよい。

また、巻線３の１周当たりにおけるスペーサ７の配置数は、巻線３の軸方向において均一としてもよいし、巻線３の軸方向両端側に対して中央部の方が多くなるようにしてもよい。例えば、巻線３の軸方向中央部のスペーサ７について、図３のように巻線３の１周当たりの個数を１８個とし、その個数を軸方向両端側のスペーサ７は１７個以下に設定してもよい。これによっても、巻線３の軸方向両端側のスペーサ７に比べて中央部のスペーサ７の方が変形し難くなり、巻線３全体として見て変位量を小さくすることができる。

また、巻線３の軸方向から見たときに、巻線３の１周当たりにおけるスペーサ７の配置面積は、巻線３の軸方向において均一としてもよいし、巻線３の軸方向両端側に対して中央部の方が大きくなるように調整してもよい。この調整としては、上記のようにスペーサ７の個数を変えたり、巻線３の軸方向中央部の方が両端側より大きいサイズのスペーサ７にしたりすることが例示できる。このように配置面積を調整した場合も、巻線３の軸方向両端側のスペーサ７に比べて中央部のスペーサ７の方が変形し難くなり、巻線３全体として見て変位量を小さくすることができる。

１変圧器
２鉄心
３巻線
７スペーサ
Ｃコイル

Claims

鉄心と、前記鉄心の周りに巻回されて配置された巻線と、前記巻線のコイル間に配置された複数のスペーサとを備えた変圧器であって、
前記スペーサは、前記巻線の軸方向一端側から他端側に亘るそれぞれのコイル間に配置され、前記軸方向両端側の前記スペーサに対して中央部の前記スペーサの方が前記軸方向の厚みが小さく形成されていることを特徴とする変圧器。
前記複数のスペーサは同一材質からなることを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
前記軸方向で対称になる位置にそれぞれ配置された前記スペーサは、前記軸方向の厚みが同一に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変圧器。
前記軸方向から見た前記巻線の１周当たりにおける前記スペーサの配置面積は、前記軸方向両端側に対して中央部の方が大きいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の変圧器。
鉄心と、前記鉄心の周りに巻回されて配置された巻線と、前記巻線のコイル間に配置された複数のスペーサとを備えた変圧器であって、
前記スペーサは、前記巻線の軸方向一端側から他端側に亘るそれぞれのコイル間に配置され、前記軸方向両端側の前記スペーサに対して中央部の前記スペーサの方が、ヤング率が大きく設定され、
前記軸方向から見た前記巻線の１周当たりにおける前記スペーサの配置面積は、前記軸方向両端側に対して中央部の方が大きいことを特徴とする変圧器。
前記スペーサは、前記巻線のコイル間にて前記巻線の周方向に所定間隔を隔てて配置され、
前記巻線の１周当たりにおける前記スペーサの配置数は、前記軸方向両端側に対して中央部の方が多いことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の変圧器。
鉄心と、前記鉄心の周りに巻回されて配置された巻線と、前記巻線のコイル間に配置された複数のスペーサとを備えた変圧器であって、
前記スペーサは、前記巻線の軸方向一端側から他端側に亘るそれぞれのコイル間に配置され、前記軸方向両端側の前記スペーサに対して中央部の前記スペーサの方が、ヤング率が大きく設定され、前記巻線のコイル間にて前記巻線の周方向に所定間隔を隔てて配置され、
前記巻線の１周当たりにおける前記スペーサの配置数は、前記軸方向両端側に対して中央部の方が多いことを特徴とする変圧器。