JPH0265108A - 極低温変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば、電力用変圧器の巻線導体内に、低温
の絶縁性冷却媒体を流入させて直接冷却手段を講じた極
低温変圧器の改良に関する。

〔従来の技術〕

変圧器においては、巻線導体あるいは巻線相互間に冷却
用の流路を設け、この流路に絶縁油を自然対流若しくは
、強制循環させて巻線の冷却を行なっていることは周知
である。前記の絶縁油による冷却手段においては、巻線
の温度を所要の設計値に維持することが主目的であり、
巻線導体を常温以下に冷却して電流容量の増大をはかる
ことは困難である。一方、電力の効率的使用をはかるＥ
から変圧器は益々大容量化がはかられている。この大容
量化を決定する主要因は、電流容量を決定するジュール
熱（銅損）と運転電圧を決定する電気絶縁であるが、一
般に、電流容量を増大させるには、巻線導体を太＜　（
ＩｇＩ面積を大きく）するか、冷却させることが考えら
れる。しかし、導体を太くすることは巻線が大径となっ
て変圧器自体が大形化するため不経済であり、又、導体
を極低温に冷却することは、電気抵抗が温度の低下とと
もに減少し非常に好都合である反面、絶縁油はマイナス
約３０゛Ｃで凝固しはじめるため実用に供することがで
きない。

このため、最近では絶縁油に代えて低温の絶縁性冷却媒
体を用いた極低温変圧器の開発が種々行われている。極
低温変圧器は低温の絶縁性冷却媒体によって巻線を冷却
し、電気抵抗を大幅に低下させて損失の低減をはかるよ
うにしたもので、例えば、前記油入変圧器と同じ損失が
許容できるとすれば、同一寸法においては、通電電流の
増大、即ち、電流容量の大幅な増大をはかることが可能
となる。

前記低温の絶縁性冷却媒体を、例えば、−Ｓによく知ら
れている液体窒素を用いた場合について説明すると、液
体窒素温度（マイナス１９６°Ｃ＝７７Ｋ）においては
、銅の抵抗率が常温時に比べ約１７．程度となる。この
ことは、同じ巻線抵抗）１失を考えるなら、電流容量が
常温の［倍となることを意味する。又、液体窒素自体の
絶縁耐力は絶縁油の約１．５倍と良好である。このため
、本件発明者等は従来の変圧器巻線をそのまま液体窒素
に浸漬して冷却し、前記巻線の通電試験を行なったとこ
ろ、常温時における定格電流の少なくとも約５倍程度ま
では安定して通電できることが判明した。このため、同
一電流容量における巻線の導体使用量が低減できるほか
、鉄心の断面積が巻線のターン数に逆比例して鉄心の小
形化がはかれる等、巻線を液体窒素に浸漬した場合、油
入変圧器に比べて極めて大きな電流容量を有する変圧器
の製作が可能となる。

〔発明が解決しようとする課題］ 然るに、前記のように巻線を含む変圧器本体を液体窒素
に浸漬して極低温変圧器を構成した場合、次に示すよう
な問題がある。

（１）　　通電電流が比較的小さいときは、巻線から発
生したジュール熱は液体窒素の蒸発によって取除くこと
ができるものの、通電電流が一定値より大きくなると、
前記ジュール熱を確実に除去することが困難となって巻
線温度が次第に上昇し、液体窒素の蒸発が激しくなり、
気泡が発生しこの気泡により液体窒素の冷却性能を低下
させるおそれがある。

（２）　　液体窒素内に気泡が発生すると冷却性能が低
下するばかりでなく、巻線の高電界部に多量の気泡が溜
り、巻線の絶縁性能に悪影響を及ぼすおそれがある。

（３）　　液体窒素内に気泡が発生するのを抑制するた
めに、例えば、変圧器容器内の液体窒素を過冷却するこ
とが考えられるが、これを実現するには容器の機械的強
度を強くして、容器自体に液体窒素の加圧、減圧手段を
付設したり、あるいは冷却パイプを配管しなければなら
ない等容器の構造が複雑化する問題がある。

（４）　　更に、変圧器本体を液体窒素に浸漬する場合
、鉄心も当然ながら冷却の対象となる。しかし、鉄心を
冷却するならば、大きな熱容量を冷却しなければならず
、冷媒損失が大きく、又、冷却時間も長くなる。例えば
、１　ｋｇの鉄を常温から７７Ｋに冷却するには約０．
４２強の液体窒素が必要といわれており、これが大容量
の変圧器においては、更に、多量の冷媒を必要とすると
ともに、冷却に長時間を要し、しかも、変圧器の運転中
は鉄損による冷媒損失も生じる等の問題がある。

このように、液体窒素に変圧器本体を浸漬する方式は、
液体窒素の効果的な使用や、容器の構造等に多くの問題
があった。

本発明は前記の問題点に鑑み、変圧器容器の構造を特別
に複雑化することなく、しかも、必要最少限度の液体窒
素を用いて変圧器巻線の冷却を効果的に、かつ、経済的
に行うことができる実用性の高い極低温変圧器を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、内部に液体窒素を流通させることができる中
空導体により低圧巻線を巻回し、低圧巻線の外側には所
定の間隔をあけて丸線又は角線により高圧巻線を巻回し
て、低圧、高圧両巻線をモールド樹脂により一体的に成
形加工して変圧器巻線を設け、この巻線のモールド樹脂
層の最内周及び最外周には、それぞれ低圧巻線の中空導
体と連通ずる窒素ガスの排出通路を形成する。そして、
前記変圧器巻線を鉄心に組込んで変圧器の容器に収容し
、この状態で容器内の空間に発泡プラスチック等の断熱
材を充填して前記変圧器巻線を外部と熱的に遮断して外
部侵入熱を極力低減するように構成し、更に、この変圧
器の各低圧巻線は、その中空導体と連通可能に接続した
絶縁性冷却媒体として使用する液体窒素の導入管を、途
中に絶縁継手を介して液体窒素封入容器に連結させると
ともに、前記低圧巻線のモールド樹脂層に設けた排出通
路は、極低温に耐えることが可能な樹脂製の排出管を介
して窒素再液化装置に連結させて、液体窒素を常時前記
低圧巻線側に供給できるように構成し−たちのである。

〔作　　　用〕

本発明は、変圧器の低圧巻線側にのみ液体窒素を流通さ
せ、低圧巻線通電時における巻線の冷却を良好に行い、
同時に高圧巻線の冷却もモールド樹脂層を介した熱伝導
によって行うように構成されているので、変圧器巻線の
冷却に際して液体窒素を効果的に、しかも、経済的に使
用できるようしたことを特徴とする。

〔実　施　例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第４図により説明
する。

第１図及び第２図において、１は本発明による極低温変
圧器の全体構成を示すもので、鋼板製の変圧器容器２と
、この容器２内に、けい素鋼帯の積層によって設けた鉄
心３とこの鉄心３の脚部にそれぞれ嵌合した低圧巻線４
及び高圧巻線５を樹脂によりモールド成形した変圧器巻
線６よりなる変圧器本体７を収容して構成される。

次に前記変圧器巻線６の構造を第２図により詳述する。

第２図において、低圧巻線４は銅環良導電材よりなる中
空導体を所定回数巻回して設け、この低圧巻線４の外側
には図示しない絶縁性の間隔部材を介して丸線あるいは
角線からなる巻線導体を巻回して高圧巻線５を設け、前
記両コイル４゜５を例えば、エポキシ樹脂等熱硬化性の
樹脂によりモールド成形を行ない、第４図に示す変圧器
の巻線素体６ａを形成する。前記モールド成形に当って
は、第２図、第４図で示すように、巻線素体６ａの最内
周と最外周には、絶縁性冷却媒体として使用する液体窒
素の排ガスを排出する螺旋状の排出通路８ａ、８ｂを形
成するための溝部を成形金型により一体的に形成すると
ともに、低圧巻線４の巻始め端ａには金属製の導入管９
をろう付等により中空導体と連通可能に連結する。又、
前記低圧巻線４の巻終り端すと内側排出通路８ａの流入
端Ｃ及び前記内側排出通路８ａの排出端ｄと外側排出通
路８ｂの流入端ｅ並びに前記外側排出通路８ｂの排出端
ｆには、それぞれ耐極低温性、例えば、繊維強化プラス
チック（Ｆ　−Ｒ−Ｐ樹脂）製の排出管１０ａ〜１０ｃ
を連通可能に配置して高、低圧巻線４．５を樹脂により
一体的にモールド成形して前記巻線素体６ａを設ける。

このあと、巻線素体６ａの内、外周面に樹脂製の覆板１
１を貼着し、その外側を所定の肉厚で樹脂モールドする
ことによって、第２図に示すように、モールド樹脂層１
２を備えた変圧器巻線６を構成する。

次に、前記変圧器巻線６は鉄心３の脚部に嵌合してこの
鉄心３とにより変圧器本体７を形成し、容器２内にベー
ス１３を介して収容するとともに、低圧巻線４の中空導
体と連通可能に連結されて低圧巻線４のリード線も兼ね
る導入管９を、容器２の蓋体１４に取付けた低圧ブッシ
ング１５内を、絶縁物で囲繞した状態で貫通させて容器
２外に導出し、又、各変圧器巻線６の外側排出通路８ｂ
と連通ずる排出管１０ｃを、容器２の側壁から外部に導
出させて、前記蓋体１４を容器２に被着する。

このあと、蓋体１４の図示しない導入口から容器２内の
残存空間に発泡プラスチック等の断熱材１６を充填し、
容器２内と外部とを熱的に断熱施工する（なお、容器２
内は必要に応じて前記断熱材１６と真空断熱層とを併用
するようにしてもよい）。

又、第１図中において、１７は液体窒素封人容器で、内
部には液体窒素Ｎ２が所要の圧力で封入されており、低
圧ブッシング１５より導出した導入管９が、その配管途
中に絶縁継手１８を介して前記液体窒素封入容器１７内
に、液体窒素Ｎ２を低圧巻線４に供給できるように封入
されている。

１９は再液化熱交換器２０と冷凍機２１からなる窒素ガ
ス再液化装置で、容器２から導出した排出管１０ｃをパ
ルプ２２を介して熱交換器２０と接続し、変圧器の冷却
に使用した液体窒素Ｎ、の排ガスを再液化させて、移送
管２３により封入容器１７に再供給する。２４は液体窒
素Ｎ２の供給圧力を制御する圧力コントローラ、２５は
蓋体１４に取付けた高圧ブッシング、２６は低圧ブッシ
ング１５に取付けた端子板である。

次に、動作について説明する。

変圧器１の運転に際しては、あらかじめ、導入管９を通
して変圧器巻線６の低圧巻線４側に液体窒素Ｎｔが供給
されている。

この状態で変圧器巻線６に通電を行い変圧器を運転する
と、高、低圧巻線４，５に所要の電流が流れる。そして
、負荷の関係で変圧器巻線６に流れる電流値が増加する
に従い、高、低圧巻線４゜５を構成する巻線導体の温度
も徐々に上昇する。

しかし、中空導体からなる低圧巻線４には、液体窒素封
入容器１７内の液体窒素Ｎｔが導入管９を介して常時供
給されている関係上、通電により低圧巻線４に発生する
熱はすべて液体窒素Ｎ２に奪われ、前記低圧巻線４を液
体窒素（７７Ｋ）に近い温度で維持させて、その抵抗値
が増加するのを確実に阻止している。一方、高圧巻線５
に通電により生じた熱は、モールド樹脂層１２を熱伝導
し、前記低圧巻線４内を流通する液体窒素Ｎ２に吸収さ
れる。即ち、本発明においては、液体窒素Ｎ２によって
低圧巻線４を直接冷却し、高圧巻線５はモールド樹脂層
１２を介して間接冷却するものである。

低圧巻線４内を流通した液体窒素Ｎ２は、前記低圧巻線
４の巻終り端すから排出管１０ａを経て内側排出通路８
ａの流入端Ｃに至る間に大部分がガス化（低圧巻線４の
冷却作用により液体窒素温度が上昇する）し、そのまま
、変圧器巻線６の内周側に形成した内側排出通路８ａ内
に侵入して同通路８ａ内を順次流通する。前記内側排出
通路８ａを流通した排ガスは、その排出端ｄから排出管
１０ｂを介して巻線６の外周側に形成した外側排出通路
８ｂの流入端ｅから同通路８ｂ内を流通し、排出端ｆ→
排出管１０ｃ→窒素ガス再液化装置１９に供送され、同
装置１９により再度液化され、液体窒素封入容器１７に
回収されて、再び導入管９を通って変圧器巻線６に供給
される。

このように、本発明は、変圧器巻線６の低圧側には液体
窒素Ｎ２を直接流通させて低圧巻線４の強制冷却を行い
、更に、低圧巻線４の冷却で消費された液体窒素Ｎ２の
排ガスを、そのまま外部に排出せず、変圧器巻線６のモ
ールド樹脂層１２内に形成した内、外の排出通路８ａ、
８ｂを通過させることによって、変圧器巻線６は常時液
体窒素Ｎｔ　とその排ガスにより包囲された状態にあり
、通電によって発生する熱と、外部からの侵入熱を極力
抑えるようにして、常にマイナス約１９６°Ｃ〜マイナ
ス約１００°Ｃの範囲において強制冷却することが可能
となり、変圧器巻線の抵抗値を低減でき発生損失を大幅
に下げることができる。又、変圧器本体７と容器２との
間には、鉄心３と変圧器巻線６との間も含めて、断熱材
１６が密に充填されているので、容器２内に侵入する熱
及び鉄心３から生ずる熱が前記変圧器巻線６に向けて侵
入するのを確実に抑え変圧器巻線６が容器２内、外の熱
に影響されるのを確実に阻止する。

なお、変圧器巻線６のモールド樹脂層１２に排ガスの排
出通路８ａ、８ｂを形成する代りに、例えば第５図に示
すように、低圧巻線４と高圧巻線５を樹脂モールドして
変圧器巻線３０を設け、この変圧器巻線３０の内周面と
外周面とに、耐極低温性に優れた例えば、ふっ素糸樹脂
等からなる絶縁管３１．３２を螺旋状に周設し、この状
態で変圧器巻線３０を鉄心３に組込んで変圧器本体７を
形成し、この変圧器本体７を容器２に収容し、前記と同
様に発泡プラスチング等の断熱材１６を充填して、前記
絶縁管３１．３２を変圧器巻線３０と一体的に固化させ
、この絶縁管３１．３２を通じて液体窒素Ｎ２の排ガス
を変圧器巻線３０の内。

外周面に流通させて極低温変圧器を構成するようにして
も本発明は成立するものである。

又、排ガスの排出管１０ａ、１０ｂは必要に応して変圧
器巻線６．３０のモールド樹脂層内に埋設してもよい。

更に、本発明は通常の巻線導体を用いた例で説明したが
、巻線導体を超電導物質で製作したもの用いて変圧器巻
線を形成するようにしても勿論よい。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明したように構成されているので、次に
示すような効果を有する。

（１）　　本発明は、変圧器巻線を構成する低圧巻線側
には常時液体窒素を供給してこれを強制冷却し、低圧巻
線の冷却作用により大部分がガス化した液体窒素の排ガ
スは、変圧器巻線の内側と外側を強制的に流通させて外
部からの侵入熱を極力抑えるように構成されているので
、変圧器巻線を常時液体窒素温度に近い温度で維持させ
ることが可能となり、従来のように、変圧器本体を液体
窒素に浸漬した場合に比べ、巻線温度が上昇しても確実
に冷却効果を高めことができる。

（２）　　又、液体窒素は低圧巻線という限られた範囲
内を強制通流させるだけでよいので、従来のように気泡
の発生による変圧器巻線の絶縁低下は全くなく、しかも
、低圧巻線内を通過する間だけ液化状態を維持しておれ
ばよいため、特別に過冷却する必要も生じず、簡易な供
給システムによって変圧器捲線をその絶縁性能に悪影響
を与えることなく、円滑・良好に冷却することができる
。

（３）　　更に、本発明は、従来のように、変圧器本体
全体を冷却するもめとは全く異なり、冷却を必要とする
発熱部分のみを液体窒素及びその排ガスを利用して冷却
する構造を採用しているので、液体窒素を効果的に、か
つ、経済的に使用することができる。

（４）　　又、前記のように、冷却を必要とする部分の
みに液体窒素とその排ガスを循環させて冷却する構造と
なっており、即ち、高、低圧巻線を埋設した合成樹脂層
内を循環させることができるので、外部に漏えいするこ
とは全くなく、しかも、不燃性であることにより、極低
温変圧器の容器を、特別に気密化したり、あるいは機械
的強度を特別に強くする必要がないので、変圧器巻線の
抵抗値を低減して発生損失を大幅に小さ（できることと
相まって、極低温変圧器を簡素な構造で小形に、かつ、
経済的に製作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の極低温変圧器の概略構造を示す縦断面
図、第２図は本発明変圧器に使用する変圧器巻線の縦断
面図、第３図は変圧器巻線の横断面図、第４図は変圧器
巻線の製作途中を示す要部の斜視図、第５図は変圧器巻
線の他の実施例を示す縦断面図である。 ４・低圧巻線、５・高圧巻線 ６．３０・変圧器巻線、８ａ、８ｂ・排出通路９・導入
管、１０　ａ　〜１０　ｃ−排出管３１．３２・絶縁管 第２図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）中空導体を巻回した低圧巻線と、丸線あるいは角
   線を巻回した高圧巻線とを、前記低圧及び高圧巻線側に
   近接して液体窒素の排ガスが流通する排出通路を有する
   ようモールド成形して変圧器巻線を形成し、前記変圧器
   巻線の低圧巻線側に導入管を接続して液体窒素を低圧巻
   線内に供送可能となし、更に、前記低圧巻線と変圧器巻
   線内に形成された排出通路とを排出管により連通可能に
   接続し、液体窒素とその排ガスを変圧器巻線内に循環さ
   せて前記変圧器巻線を冷却するようにしたことを特徴と
   する極低温変圧器。
2. （２）中空導体を巻回した低圧巻線と、丸線等を巻回し
   た高圧巻線とを、モールド成形して変圧器巻線を形成し
   、前記変圧器巻線の低圧巻線には液体窒素供給用の導入
   管を接続し、更に、前記モールド成形した変圧器巻線の
   内，外周面に、前記低圧巻線の中空導体と連通する排ガ
   ス流通用の絶縁管を螺旋状に周設したことを特徴とする
   極低温変圧器。