JP7176306B2

JP7176306B2 - 変圧器

Info

Publication number: JP7176306B2
Application number: JP2018167582A
Authority: JP
Inventors: 章富岡
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: JP2020043155A

Description

本発明は、変圧器に関し、特に、巻線から発生する漏れ磁束がタンク等に入射することをシールドで遮蔽することができる変圧器に関する。

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がタンク内に収容されて構成される。変圧器の運転時には、巻線からタンク内部に漏れ磁束が発生する。この漏れ磁束が鎖交するタンク壁では渦電流が生じ、タンク壁での局部過熱等の渦電流損失が発生する。このようなタンク壁での渦電流損失の発生を回避あるいは抑制すべく、特許文献１に開示されるように、タンク壁の内面と巻線との間に珪素鋼板を所定の厚みに積層した磁気シールドを設け、磁気シールドに漏れ磁束を誘導している。

特開平６－６９０５０号公報

特許文献１にあっては、磁気シールドによってタンク壁に入射する漏れ磁束の量を抑制しているが、磁気シールドにおいても漏れ磁束が入射して渦電流損失が発生している。特に、大容量変圧器や高インピーダンス変圧器などでは漏れ磁束が大きく、また、巻線とタンク壁との距離を小さくする場合には磁気シールドに印加される漏れ磁束が大きくなるので、磁気シールドで大きな渦電流が発生して損失が大きくなる。ここで、本発明者は、磁気シールド全体の固有抵抗を高くすることで、渦電流を小さくして渦電流損失を抑制することを検討したが、この場合、材料費が増大して製造コストが上昇する、という問題がある。そこで、本発明者は、製造コストの上昇を抑えることができ、且つ、シールドでの漏れ磁束による渦電流損失を低減できる構成を発明した。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、製造コストを抑制しつつ、シールドにおける損失を低減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た巻線と、前記鉄心及び前記巻線を収容するタンクと、前記タンクの内面に沿って設けられて該タンク側に向かう磁束を遮蔽するシールドとを備えた変圧器であって、前記シールドは、高抵抗珪素鋼板及び低抵抗珪素鋼板を含んで相対的に固有抵抗が異なる複数の珪素鋼板を積層して構成され、前記高抵抗珪素鋼板は前記低抵抗珪素鋼板よりも前記巻線に近い位置に配置され、前記低抵抗珪素鋼板は、前記高抵抗珪素鋼板と比べて磁束が流れる方向の長さが短く形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、高抵抗珪素鋼板及び低抵抗珪素鋼板の２種類の珪素鋼板を積層してシールドを形成したので、シールド全体としての固有抵抗を小さくすることができる。これにより、漏れ磁束が印加されることでシールドに渦電流が発生しても、その電流値を小さくすることができシールドでの損失を低減することができる。しかも、シールドに２種類の珪素鋼板を用いることで、高価に流通される高抵抗珪素鋼板の使用量を抑制でき、材料コストの上昇を抑えることができる。

本実施の形態に係る変圧器の概略構成を示す縦断面図である。本実施の形態のシールドを模式的に示す斜視図である。実施例及び比較例の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の一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、ガス絶縁変圧器に適用することもできる。

図１は、本実施の形態に係る変圧器の概略構成を示す縦断面図である。図１及び図２に示すように、変圧器１は、磁気回路を構成する鉄心１０と、電気回路を構成する巻線２０と、これら鉄心１０及び巻線２０を収容するタンク３０とを含んで構成されている。

鉄心１０は、電磁鋼板を積層及び接合した構成を例示でき、複数本の脚部１１（図１でが１本のみ図示）と、脚部１１の上下位置に接合される上ヨーク部１２及び下ヨーク部１３とを備えている。

脚部１１の周りに巻線２０がそれぞれ巻回されて配置されている。巻線２０は、外側巻線２１及び内側巻線２２が同心に配置されている。外側巻線２１及び内側巻線２２は、銅やアルミニウム等の導体を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２０の軸方向とは、円筒状となる巻線２０の中心軸位置が延在する方向であり、図１における上下方向となる。

タンク３０は、鉄心１０及び巻線２０の上下に位置する頂壁３１及び底壁３２と、頂壁３１及び底壁３２の外周間で上下方向に延出する複数の側壁３３と、を備えた鉄等の金属製の箱状に形成されている。本実施の形態の変圧器１は、タンク３０内に不図示の絶縁油が満たされる油入変圧器であり、鉄心１０及び巻線２０がタンク３０内にて絶縁油に含浸した状態となっている。

変圧器１にあっては、運転時に巻線２０から漏れ磁束が発生し、かかる漏れ磁束がタンク３０に向かって入射する方向に流れるが、漏れ磁束の入射によってタンク３０に発生する渦電流損失を回避或いは抑制する必要がある。そこで、変圧器１においては、タンク３０の側壁３３と巻線２０と間にシールド４０を備えた構成としている。シールド４０は、側壁３３の内面に沿って配置されている。シールド４０においても、タンク３０内にて絶縁油に含浸した状態となっている。

変圧器において、シールド４０は、巻線２０から発生した漏れ磁束をシールド４０自体に誘導してタンク３０側に向かう漏れ磁束を遮蔽するものである。従って、シールド４０においても漏れ磁束が印加され、かかる漏れ磁束によってシールド４０に発生する渦電流損失を回避或いは抑制する要請がある。そこで、本実施の形態では、シールド４０が図２に示すような構成を採用している。以下において、シールド４０の構成について説明する。

図２は、本実施の形態のシールドを模式的に示す斜視図である。図２に示すように、シールド４０は、相対的に固有抵抗が異なる高抵抗珪素鋼板４１及び低抵抗珪素鋼板４２を積層して構成される。言い換えると、高抵抗珪素鋼板４１は、低抵抗珪素鋼板４２より高い固有抵抗となるように構成され、それらが積層されることでシールド４０が形成されている。なお、高抵抗珪素鋼板４１及び低抵抗珪素鋼板４２は、それぞれタンク３０を形成する金属よりも高い固有抵抗を有している。

高抵抗珪素鋼板４１及び低抵抗珪素鋼板４２は、それぞれ複数枚積層されてシールド４０を形成する。高抵抗珪素鋼板４１及び低抵抗珪素鋼板４２は、無方向性珪素鋼板とされ、透磁率が数千～数万の範囲のものが用いられる。

シールド４０においては、高抵抗珪素鋼板４１が低抵抗珪素鋼板４２より巻線２０側に配置され、低抵抗珪素鋼板４２がタンク３０側に配置されている。高抵抗珪素鋼板４１は、低抵抗珪素鋼板４２と比べて積層方向の厚みが小さく形成されており、好ましくは、シールド４０全体の半分以下、より好ましくは１／４の以下の厚みに設定される。

高抵抗珪素鋼板４１及び低抵抗珪素鋼板４２の面内には、貫通穴４３が形成され、該貫通穴４３に各珪素鋼板４１、４２と電気的に短絡しないようにボルト等の締結具（不図示）を挿入して各珪素鋼板４１、４２が一体化される。それぞれの高抵抗珪素鋼板４１及び低抵抗珪素鋼板４２の積層間に、樹脂（不図示）を挟むと機械強度がより向上することとなり、また、樹脂に加えて板状部材を挟んでもよい。

シールド４０においては、巻線２０の軸方向が上下方向となるので、巻線２０から発生する漏れ磁束が上端側から入射されて下端に向かって通過した後、該下端から巻線２０の下端に入射するようになる。従って、各珪素鋼板４１、４２において漏れ磁束が流れる方向は上下方向となり、該方向にて各珪素鋼板４１、４２は同じ長さに形成されている。なお、巻線２０からの漏れ磁束は、シールド４０の上端からだけでなく上端より下方領域でも入射するようになり、シールド４０での漏れ磁束の積算量は、上下方向中間部で最大となり、中間部から上下両端に向かって次第に小さくなる。かかる積算量の変化に応じ、使用材料の削減を図るべく、低抵抗珪素鋼板４２が高抵抗珪素鋼板４１と比べて上下方向の長さが短く形成されるようにしてもよい。

ここで、上記シールド４０についての効果を確認するため、条件が異なる実施例及び比較例にてシミュレーションを行った。実施例の変圧器では、シールド４０にて、高抵抗珪素鋼板４１として固有抵抗０．５９μΩｍの無方向性珪素鋼板（例えば、ＪＩＳ規格Ｃ２５５２種類記号５０Ａ２３０）を用いた。また、低抵抗珪素鋼板４２として固有抵抗０．２４μΩｍの無方向性珪素鋼板（例えば、ＪＩＳ規格Ｃ２５５２種類記号５０Ａ８００）を用いた。シールド４０の積層方向の厚さ全体を１００％としたときに、高抵抗珪素鋼板４１の厚さを約１６％、低抵抗珪素鋼板４２の厚さを約８４％とした。

一方、比較例の変圧器では、実施例に対し、シールド４０に高抵抗珪素鋼板４１を形成しない、つまり、シールド全てで低抵抗珪素鋼板４２と同じ固有抵抗０．２４μΩｍの無方向性珪素鋼板を用いて形成した。シールド以外は、実施例と比較例とで同一構成とした。実施例及び比較例の変圧器について、同一環境下にて、同一条件にて運転し、タンク及びシールドでの漏れ磁束によって発生した損失を測定するシミュレーションを行った。その結果を図３のグラフに示す。なお、図３の測定結果は、比較例の変圧器全体での測定結果を「１００％」とし、実施例の測定結果を比較例との比率で示す。図３のグラフ中、網点で表した部分がタンクでの損失であり、斜線で表した部分がシールドでの損失である。

実施例と比較例との対比において、変圧器全体の損失は、比較例に対して実施例が約７５％となり、高抵抗珪素鋼板４１を設けることでシールド４０での渦電流及び渦電流損失が抑制されていることが理解できる。これは、固有抵抗を大きくすることで渦電流を小さくでき、シールド４０での損失が抵抗と電流の２乗との積になることから、電流の減少によって損失の効果的な抑制を実現できたものである。なお、実施例と比較例とでタンクでの損失は概略同一となり、実施例のように高抵抗珪素鋼板４１を設けてもタンクに対する漏れ磁束の遮蔽性能が維持されることも理解できる。

このようにシールド４０を高抵抗珪素鋼板４１及び低抵抗珪素鋼板４２によって形成することで、シールド４０での渦電流損失を低減することができる。また、低抵抗珪素鋼板４２に比べて高価となる高抵抗珪素鋼板４１を使用するものの、その使用量を少なくして材料費削減を図り、製造コストを安価にすることができる。すなわち、本実施の形態では、シールド４０での損失の抑制と製造コストの削減とを同時に達成することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、向きなどについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、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、他の電力用静止器や電力変換装置に適用することも可能である。

また、上記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、鉄心１０や巻線２０、タンク３０の形状等について変更してもよい。

また、上記実施の形態では、シールド４０として、相対的に固有抵抗が異なる珪素鋼板として高抵抗珪素鋼板４１及び低抵抗珪素鋼板４２の２種を積層したが、固有抵抗が異なる３種以上の珪素鋼板を積層してもよい。この場合、巻線２０に近い位置ほど、固有抵抗を高くしたり、漏れ磁束が流れる方向の長さを長くしたり、積層方向の厚みを小さくしたりしてもよい。

また、シールド４０の厚さ方向の向きは、低抵抗珪素鋼板４２を巻線２０側、高抵抗珪素鋼板４１をタンク３０側に変更してもよい。

１変圧器
１０鉄心
２０巻線
３０タンク
４０シールド
４１高抵抗珪素鋼板
４２低抵抗珪素鋼板

Claims

鉄心と、前記鉄心の周りに巻回された巻線と、前記鉄心及び前記巻線を収容するタンクと、前記タンクの内面に沿って設けられて該タンク側に向かう磁束を遮蔽するシールドとを備えた変圧器であって、
前記シールドは、高抵抗珪素鋼板及び低抵抗珪素鋼板を含んで相対的に固有抵抗が異なる複数の珪素鋼板を積層して構成され、
前記高抵抗珪素鋼板は前記低抵抗珪素鋼板よりも前記巻線に近い位置に配置され、
前記低抵抗珪素鋼板は、前記高抵抗珪素鋼板と比べて磁束が流れる方向の長さが短く形成されていることを特徴とする変圧器。
前記高抵抗珪素鋼板及び前記低抵抗珪素鋼板は、それぞれ前記タンクより固有抵抗が高いことを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
前記高抵抗珪素鋼板は、前記低抵抗珪素鋼板と比べて積層方向の厚みが小さく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。