JP6825745B2 - 静止誘導電器 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム精錬等に使用される三次巻線を有する静止誘導電器に関する。

この種の単巻変圧器としては、例えば主脚と２つの側脚からなる単相３脚鉄心と、分割した分路巻線及び直列巻線を主脚及び一方側の側脚とに配置し、タップ巻線を直列巻線又は分路巻線に直列に接続し、三次巻線を主脚と分路巻線との間に配置するようにした単相単巻変圧器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この単巻変圧器では、三次巻線の遮断部の遮断容量を低減し、かつ短絡電流による電磁機械力も抑えるためには三次巻線と他の巻線とのインピーダンスを大きくする必要があり、この三次巻線と他の巻線とのインピーダンスを大きくするために、三次巻線のインピーダンスを大きくするようにしている。

特開平５−１５９９４８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された先行技術では、一次〜二次インピーダンスを小さくすることにより、相対的に三次巻線のインピーダンスを大きくするようにしているが、逆に三次巻線のインピーダンスを小さくしたいという要求には応えることはできない。
そこで、本発明は、上記先行技術の課題に着目してなされたものであり、三次巻線のインダクタンスを零近傍まで低下させることが可能な静止誘導電器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る静止誘導機器の一態様は、主脚鉄心に分路巻線、直列巻線及び三次巻線を配置した静止誘導電器であって、三次巻線を分割し、分割した三次巻線の一つを分路巻線及び直列巻線間に配置している。
また、本発明に係る三相三脚変圧器は、上記構成を有する静止誘導機器を備えている。

本発明に係る静止誘導機器の一態様によれば、三次巻線を分割し、分割した三次巻線の一つを分路巻線及び直列巻線間に配置することにより、三次巻線の分離インピーダンスを零近傍まで低減させことができる。
また、本発明に係る三相三脚変圧器の一態様は、三相の三次巻線の分離インピーダンスを低減させることができる。

本発明に係る静止誘導電器の構成図である。 図１のＵ相巻線の結線図である。 分離巻線変圧器の一相分を示す結線図である。 図２及び図３の磁束分布を示す図である。 図３のインピーダンス特性を示すグラフであって、（ａ）は一次−二次間インピーダンス、二次−三次間インピーダンス及び三次−一次間インピーダンスの特性を示し、（ｂ）は一次分離インピーダンス、二次分離インピーダンス及び三次分離インピーダンス特性示すグラフである。 図２のインピーダンス特性を示すグラフであって、（ａ）は一次−二次間インピーダンス、二次−三次間インピーダンス及び三次−一次間インピーダンスの特性を示し、（ｂ）は一次分離インピーダンス、二次分離インピーダンス及び三次分離インピーダンス特性示すグラフである。 本発明に係る静止誘導電器の第１変形例を示す結線図である。 本発明に係る静止誘導電器の第２変形例を示す結線図である。

次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る静止誘導電器について図面を参照して説明する。
本実施形態では静止誘導電器を三相三脚単巻変圧器で構成している。
三相三脚単巻変圧器１０は、図１に示すように、三脚鉄心１１と、この三脚鉄心１１のＵ相主脚鉄心１１Ｕ、Ｖ相主脚鉄心１１Ｖ及びＷ相主脚鉄心１１Ｗに夫々Ｕ相巻線１２Ｕ、Ｖ相巻線１２Ｖ及びＷ相巻線１２Ｗが巻回されている。
Ｕ相巻線１２Ｕ、Ｖ相巻線１２Ｖ及びＷ相巻線１２Ｗは、同一の構成を有するので、その構成をＵ相巻線１２Ｕを代表として以下に説明する。

すなわち、Ｕ相巻線１２Ｕは、図２に示すように、主脚鉄心１１Ｕに、外側に向けて２分割した三次巻線ＬＴの一方の分割三次巻線ＬＴｂ、分路巻線ＬＣ、タップ巻線Ｌｔａｐ、三次巻線ＬＴの他方の分割三次巻線ＬＴａ、直列巻線ＬＳがその順に同軸的に配置されている。
各巻線の結線は、図２に示すように、三相交流のＵ相一次側端子Ｕが直列巻線ＬＳの一端に接続され、この直列巻線ＬＳの他端が分路巻線ＬＣの一端に接続され、この分路巻線ＬＣの他端がタップ巻線Ｌｔａｐを介してスター結線の中点Ｏに接続されている。そして、タップ巻線Ｌｔａｐには図示しないタップ選択器が設けられ、このタップ選択器で選択されたタップがＵ相二次側端子ｕに接続されている。

また、三次巻線ＬＴの分割三次巻線ＬＴａは一端が端子ａに接続され、分割三次巻線ＬＴａの他端が三次巻線ＬＴの分割三次巻線ＬＴｂの一端に接続され、分割三次巻線ＬＴｂの他端が端子ｂに接続されている。すなわち、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂが端子ａ及びｂ間に直列に接続されている。
Ｖ相及びＷ相についても主脚鉄心に上記Ｕ相と同様に、分割三次巻線ＬＴａ、分路巻線ＬＣ、タップ巻線Ｌｔａｐ、分割三次巻線ＬＴｂ及び直列巻線ＬＳの順に配置されている。
ただし、Ｖ相では端子ｂ及びｃ間に分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂが直列に接続され、Ｗ相では端子ｃ及びａ間に分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂが直列に接続されている。したがって、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の三次巻線ＬＴがデルタ結線されている。

本実施形態では、単巻変圧器において、三次巻線ＬＴを２分割した２つの分割三次巻線ＬＴａ及び分割三次巻線ＬＴｂを直列に接続した構成を有し、一方の分割三次巻線ＬＴａを分路巻線ＬＣ及び直列巻線ＬＳの間に配置し、他方の分割三次巻線ＬＴｂを分路巻線ＬＣ及び主脚鉄心１１の間に配置している。これによって、全体の三次巻線ＬＴの分離インピーダンス（％Ｚｔ）が略零となるように設定することができる。
このとき、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数は、三次巻線ＬＴ全体の巻き数を１００％したとき例えば５０％ずつとなるように設定することにより、三次巻線ＬＴの分離インピーダンス（％Ｚｔ）を略零に設定することができる。

このように、単巻変圧器において三次巻線ＬＴの分離インピーダンス（％Ｚｔ）を略零に設定することができる理由について、図３に示す分離巻線変圧器２０を参考にして説明する。
この分離巻線変圧器２０では、図３に示すように、主脚鉄心２１に一次巻線Ｌ１、三次巻線Ｌ３、二次巻線Ｌ２及びタップ巻線Ｌｔａｐの順に同軸的に配置されている。ここで、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とは分離されている。この分離巻線変圧器２０では、三次巻線Ｌ３を一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２の中間に配置することで三次巻線Ｌ３の分離インピーダンス（％Ｚ）を略零とすることができる。
すなわち、各巻線の分離インピーダンス（％Ｚ）は巻き数をｎとし、巻線間距離をＬとすると
％Ｚ∝ｎ２×Ｌ
で表され、分離インピーダンス（％Ｚ）は巻き数ｎの二乗と巻線間距離Ｌの積に比例する。

このため、一次巻線Ｌ１、二次巻線Ｌ２及び三次巻線Ｌ３の巻き数ｎを等しくし、且つ一次巻線Ｌ１及び三次巻線Ｌ３間の巻線間距離Ｌ１３と三次結線Ｌ３と二次巻線Ｌ２間の巻線間距離Ｌ３２とが等しく設定する。そして、一次巻線−三次巻線間インピーダンスを％Ｚ１３とし、三次巻線−二次巻線間インピーダンスを％Ｚ３２、二次巻線−一次巻線間インピーダンスを％Ｚ２１としたとき、％Ｚ１３＝％Ｚ３２＝１０％とすると、％Ｚ２１＝２０％となる。
この場合の全体の合計インピーダンス％ＺＴは、
％ＺＴ＝（％Ｚ１３＋％Ｚ３２＋％Ｚ２１）／２＝（１０＋１０＋２０）／２＝２０％となる。
したがって、三次分離インピーダンス％Ｚ３は合計インピーダンス％ＺＴから二次巻線−一次巻線間インピーダンス％Ｘ２１を減算した値となるので、％Ｚ３＝％ＺＴ−％Ｚ２１＝２０−２０＝０となる。

この分離巻線変圧器２０の漏れ磁束分布は、図４（ａ）に示すように、一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２間では上底が長い台形状となり、一次巻線Ｌ１及び三次巻線Ｌ３間及び三次巻線Ｌ３及び二次巻線Ｌ２間では上底が短い台形状となる。
したがって、分離巻線変圧器２０では、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２との間に三次巻線Ｌ３を配置するだけで、三次巻線Ｌ３のインピーダンス％Ｚ３を略零とすることができる。

このときの線間インピーダンスとタップ位置との関係は、図５（ａ）に示すように、一次巻線−二次巻線間インピーダン及び二次巻線−三次巻線間インピーダンスはともに最大タップ番号からタップ番号が減少するに応じてインピーダンスが減少するが、三次巻線−二次巻線間インピーダンスはタップ番号に関わらず略一定値となる。
この図５（ａ）の線間インピーダンス特性から一次巻線Ｌ１、二次巻線Ｌ２及び三次巻線Ｌ３のインピーダンスを分離すると、一次巻線Ｌ１の分離インピーダンスは１２％程度で一定となり、二次巻線Ｌ２の分離インピーダンスは最大タップ番号からタップ番号が低下する従って１２％から不規則に低下する。これに対して、三次巻線Ｌ３の分離インピーダンスはタップ番号に関わらず零に近い２％程度で一定に維持される。

しかしながら、単巻変圧器では、直列巻線ＬＳの一部と分路巻線ＬＣの一部とで一次巻線を形成するとともに、分路巻線ＬＣが二次巻線を構成する。言い換えると、一次巻線は直列巻線ＬＳの一部と分路巻線ＬＣの一部とで構成され、二次巻線は分路巻線ＬＣで構成される。
このため、分離巻線変圧器２０のように、分路巻線ＬＣと直列巻線ＬＳとの間に三次巻線ＬＴを配置しただけでは、三次巻線ＬＴの分離インピーダンス％Ｚ３を略零に設定することはできない。
したがって、本実施形態は、三次巻線ＬＴを２分割して分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂを形成し、一方の分割三次巻線ＬＴａを分路巻線ＬＣと直列巻線ＬＳとの間に配置し、他方の分割三次巻線ＬＴｂを分路巻線ＬＣと主脚鉄心１１との間に配置することにより、三次巻線ＬＴのインピーダンス％Ｚ３を略零に設定することができる。

この単巻変圧器では、漏れ磁束分布が図４（ｂ）に示すように、分離巻線変圧器の一次巻線−二次巻線間に対応する分路巻線ＬＣ及び直列巻線ＬＳ間で上底が広い台形状となるが、一次−三３次巻線間に対応する磁束分布は分割三次巻線ＬＴｂで負となり、分路巻線ＴＣ及び直列巻線ＬＳ間でタップ巻線Ｌｔａｐ及び直列巻線ＬＳ位置でピークとなる変動波形となり、二次−三次巻線間に対応する漏れ磁束分布は分割三次巻線ＬＴｂで負となり、分路巻線ＬＣ位置で正のピークとなり、その後減少して分割三次巻線ＬＴａで再度負となる変動波形となる。何れにしても不規則な漏れ磁束分布を呈する。

これに応じて、Ｕ相巻線１２Ｕのインピーダンス分布は、図６（ａ）に示すように、一次巻線−二次巻線間インピーダンス及び二次巻線−三次巻線間インピーダンに夫々対応する巻線間インピーダンスはタップ番号が減少するにつれ鋸歯状波状に緩やかに増加し、三次巻線−維持巻線間インピーダンスは１５％程度で一定となる。
この図６（ａ）のインピーダンス分布から一次巻線に対応する分離インピーダンス（％Ｚ１）、二次巻線に対応する分離インピーダンス（％Ｚ２）及び三次巻線に対応する三次分流インピーダンス（％Ｚ３）を分離したインピーダンス分布は図６（ｂ）に示すように、一次巻線Ｌ１に対応する分離インピーダンス（％Ｚ１）はタップ番号が減少するにつれて緩やかに増加するが、二次巻線Ｌ２に対応する分離インピーダンス（％Ｚ２）は鋸歯状波状に変動しながら増加する。これらに対して、三次巻線Ｌ３に対応する三次巻線ＬＴの分離インピーダ（％Ｚｔ）は、最大タップ番号での２．５％からタップ番号が減少するにつれて緩やかに減少し、タップ番号が半分以下になると略零とすることができる。

この三次巻線ＬＴの分離インピーダンス％Ｚ３は、三次巻線ＬＴ全体の巻き数や分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの個々の巻き数によって調整することができる。
ここで、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数ｎａ及びｎｂは三次巻線ＬＴの分離インピーダンス（％Ｚｔ）を略零とする場合には、ｎａ＝ｎｂとして５０％ずつとすることにより分離インピーダンス（％Ｚ）を略零とする最小値に設定することができる。この理由は、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数を等しく設定することにより、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの外径が等しくなり、分割三次巻線ＬＴａとタップ巻線Ｌｔｑｐ及び直列巻線ＬＳとの距離が等しくなるとともに、分割三次巻線ＬＴｂと分路巻線ＬＣとの距離も等しくなる。

しかしながら、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数を異ならせると、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂに隣接する巻線との距離が変化することで三次巻線ＬＴの分離インピーダンスが最小値より大きな値となる。
しかしながら、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数を異ならせることにより、三次巻線ＬＴの三次分離インピーダンス（％Ｚｔ）を微調整することが可能となる。この場合分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数が極端に異なる場合にはバランスが崩れることから三次分離インピーダンス（％Ｚｔ）の低下に影響が及ぶ。このため、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数の変化範囲は、最大で６０％対４０％程度が好ましい。

このとき、各巻線の巻き数を変えずに各インピーダンスを微調整する場合には、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂのうちの何れか一方の巻き数を多くする。
また、三次巻線ＬＴの三次分離インピーダンス（％Ｚｔ）を略零に設定するためには、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数のみで決定する場合に限らず、三次巻線ＬＴの三次分離インピーダンスが負となるように巻き数を設定し、三次巻線ＬＴに限流リアクトルを接続することにより、三次分離インピーダンスを制御するようにしてもよい。

このように、第１の実施形態では、単巻変圧器で三次巻線ＬＴを２分割した分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの一方を、分路巻線ＬＣ及び直列巻線ＬＳ間に配置し、他方を分路巻線ＬＣと主脚鉄心１１との間に配置することで、三次巻線ＬＴ全体の三次インピーダンスを略零に設定することができる。
このとき、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂを直列に接続することにより、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数比を互い等しい５０％に設定する場合に限らず、異なる巻き数に設定する場合でも三次分離インピーダンスを調整することができ、三次分離インピーダンスの設定の自由度を大きくとることができる。

また、分路巻線ＬＣを内側とし、直列巻線ＬＳを外側に配置することにより、一次側の高電圧が印加される直列巻線ＬＳでは絶縁距離を長くする必要があるが、内側の絶縁距離のみを考慮すればよいので、単巻変圧器の外径を小型化することができる。
ちなみに、直列巻線ＬＳを内側に配置し、分路巻線ＬＣを外側に配置することもできる。この場合には、直列巻線ＬＳと分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂとの内側及び外側の絶縁距離を長くする必要が生じるので、単巻変圧器の外径が増加することになる。

なお、上記実施形態では、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂを直列に接続する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂを並列に接続することもできる。この場合には、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂの巻き数を等しくする必要があるとともに、三次電流が並列となるので、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂに流れる電流を直列とした場合の半分の値に設定し、インピーダンスを確保するために、巻き数を直列きした場合の倍の値に設定すればよい。しかしながら、分割三次巻線ＬＴａ及びＬＴｂを並列に接続する場合には、電流がアンバランスとならないように注意する必要がある。

また、上記実施形態では、図２で分割三次巻線ＬＴａの他端を直列巻線ＬＳの周囲を通り、分割三次巻線ＬＴａ、タップ巻線Ｌｔａｐ、及び分路巻線ＬＣの上部を通って分割三次巻線ＬＴｂまで配線する場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、分割三次巻線ＬＴｂの巻き方向を逆にすることにより、図２で点線図示のように分割三次巻線ＬＴａからタップ巻線Ｌｔａｐ、分路巻線ＬＣの下側を通って分割三次巻線ＬＴｂに配線することができる。

また、上記実施形態では、タップ巻線Ｌｔａｐを分路巻線ＬＣ及び分割三次巻線ＬＴａの間に配置する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図７に示すように、タップ巻線Ｌｔａｐを分路巻線ＬＣ及び分割三次巻線ＬＴｂの間に配置するようにしてもよい。また、図８に示すようにタップ巻線Ｌｔａｐを２分割して分路巻線ＬＣの内側及び外側に配置するようにしてもよい。この場合に、分割したタップ巻線Ｌｔａｐは直列接続又は並列接続の何れでもよいが、並列接続の場合には、電流がアンバランスとならないように注意する必要がある。

さらには、単相三脚変圧器では主脚鉄心以外に側脚鉄心を設けてこの側脚鉄心に励磁巻線とともにタップ巻線を配置するようにしてもよい。この場合、タップ巻線は１つでも分割するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、三相三脚変圧器に本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、三相五脚変圧器や単相三脚変圧器にも本発明を適用することができる。

１０…三相三脚単巻変圧器、１１…三相三脚鉄心、１１Ｕ…Ｕ相主脚鉄心、１１Ｖ…Ｖ相主脚鉄心、１１Ｗ…Ｗ相主脚鉄心、１２Ｕ…Ｕ相巻線、１２Ｖ…Ｖ相巻線、１２Ｗ…Ｗ相巻線、ＬＣ…分路巻線、ＬＳ…直列巻線、ＬＴ…三次巻線、ＬＴａ，ＬＴｂ…分割三次巻線、Ｌｔａｐ…タップ巻線

Claims (6)

1. 主脚鉄心に分路巻線、直列巻線及び三次巻線を配置した静止誘導電器であって、
   前記三次巻線を分割し、分割した三次巻線の一つを前記分路巻線及び前記直列巻線間に配置した静止誘導電器。
2. 前記三次巻線は２分割され、２分割された一方の三次巻線が前記分路巻線及び前記直列巻線間に配置され、他方の三次巻線が前記主脚鉄心及び前記分路巻線間に配置されている請求項１に記載の静止誘導電器。
3. 前記分割された三次巻線は直列に接続されている請求項１又は２に記載の静止誘導電器。
4. 前記分割された三次巻線は並列に接続されている請求項１又は２に記載の静止誘導電器。
5. 前記三次巻線の短絡インピーダンスが零に設定されている請求項１から４の何れか一項に記載の静止誘導電器。
6. 前記分路巻線の外周側及び内周側の少なくとも一方にタップ巻線を配置した請求項１から５の何れか一項に記載の静止誘導電器。

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