JPH06275444A - ガス絶縁変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、巻線内での冷媒の流速アンバランス
を小さくすると共に、冷却で決まる寸法により変圧器の
中身が大きくなってしまうことのないガス絶縁変圧器を
提供することにある。 【構成】本発明は、鉄心および鉄心に巻回される巻線
が、ＳＦ₆ のような絶縁ガスの冷媒で冷却されるガス絶
縁変圧器において、垂直冷却ダクトの冷媒の流れをせき
止め、冷媒が水平冷却ダクト内に強制的に流れるように
するガス仕切板を内部に有するジグザグフロー冷却巻線
を一相当り一個以上設け、また仕切板を設けず冷媒が主
に前記垂直冷却ダクトを流れる垂直ダクトフロー冷却巻
線を一相当たり一個以上設けているので、巻線内での冷
媒の流速バランスを小さくすると共に、冷却で決まる寸
法により変圧器の中身が大きくなることのない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばＳＦ₆ のような絶
縁性のガスを変圧器の絶縁・冷却媒体に用いるガス絶縁
変圧器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のジグザグフロー巻線を図３を参照
して説明する。同図に示すように、ジグザグフロー巻線
は、銅やアルミニウムの導体１と、この導体１の被覆絶
縁２と、水平ダクト８を確保するスペーサ３と、垂直ダ
クト９を構成するダクトピース４と、絶縁筒５および仕
切板６から構成されている。巻線は円板状に導体１を巻
いたコイル１０をスペーサ３を介して積み上げた形にな
っており、複数個のコイル１０毎に仕切板６を設置して
冷媒７を水平ダクト８に強制的に流れるようにしてい
る。

【０００３】図４は仕切板６の取付位置を分かり易く示
すための巻線の垂直断面図である。この図には記載して
いないが、向かって左側に鉄心があり内周側となる。ま
た、下部から巻線に送られた冷媒７は垂直ダクト９を上
昇するが、仕切板６で進路を妨げられるので水平方向に
流れる。冷媒７がはじめに流れ込む垂直ダクト９は巻線
の内周側、外周側のどちらか一方である。例えば内周側
垂直ダクト９に導入された冷媒７は一番目の仕切板６に
より水平方向に流れを変え内周側から外周側に流れる。
外周側垂直ダクト９で他の水平方向流と合流２２し、次
の仕切板６は外周側の冷媒７を仕切るように取り付けら
れているため、水平方向の流れは外周側から内周側へ向
かう。このように水平方向の冷媒７の流れが向きを変え
ながら巻線内を上昇して行くため、これをジグザグフロ
ー巻線と称する。

【０００４】また、２枚の仕切板６で挟まれたブロック
を一つのパス１３と呼ぶと、ジグザグフローでは通常仕
切板６間のパス１３の各水平ダクト８の流速が上部ほど
速いというアンバランスを生じるため、冷却効率を上げ
るためにはこのアンバランスをできるだけ小さくするこ
とが重要である。

【０００５】一方、図５に示した巻線断面では仕切板６
を取り付けておらず、冷媒７は巻線の下部で、内周側、
外周側両方に導入され、水平方向にはほとんど流れない
まま上昇する。このような巻線を垂直ダクトフローと称
する。垂直ダクトフロー冷却では、巻線で発生した熱は
導体１および被覆絶縁物２を伝導して垂直ダクト９に伝
えられ冷媒７で冷却される。また水平ダクト８に放熱さ
れた熱は水平ダクト８の冷媒７に生じる自然対流により
徐々に垂直ダクト９の冷媒７に伝えられ冷却される。し
かし、垂直ダクトフロー冷却では水平ダクト８内の冷媒
７の流速がジグザグフロー冷却よりも遅いため、コイル
１０の半径方向の幅が所定の幅Ｂより大きい巻線では半
径方向中央部の巻線温度が高くなり過ぎるため採用でき
ないことがある。

【０００６】このような２種類の巻線は油入変圧器でも
使用されており、容量が大きく、巻線の発熱量やサイズ
の大きい巻線にはジグザグフローが使用されるのが一般
的である。前述したパス１３内の流速アンバランスを解
決するための提案はたくさん出されている。

【０００７】ところで、これら従来の提案は主に油入変
圧器を対象にしたものであるが、冷媒７として例えばＳ
Ｆ₆ のような絶縁ガスを用いて変圧器を冷却するガス絶
縁変圧器では冷媒７の物性値の違いから新たな問題が生
じてくる。

【０００８】ここで、流速のアンバランスが起きる理由
を図４を参照して説明する。図４において、冷媒が流れ
る２つの経路１１と１２の考えると、経路１１の冷媒７
はパス１３の入口から垂直ダクト９を流れる間に水平ダ
クト８に徐々に冷媒７が分岐２１して行くため、流量を
減少させながら上部に達して水平ダクト８を流れた後出
口に達する。一方、経路１２の冷媒７はパス１３の入口
からすぐに水平ダクト８を流れ、次に垂直ダクト９内で
他の水平ダクト８から流れ込む冷媒７と合流２２しなが
ら出口に達する。流体がある経路を流れる場合、圧力損
失を生じるが、経路１１と１２において圧力損失は垂直
および水平ダクト８を流れるときの管摩擦抵抗による圧
力損失と分岐２１や合流２２による流れの変化にともな
う圧力損失の合計である。一般に圧力損失は次式で表さ
れる。

【０００９】 ｈ＝λ（ｌ／ｄ）（ｖ² ／２ｇ）＋ξ（ｖ² ／２ｇ） ここで、ｈ：圧力損失 ｌ：経路の長さ ｄ：経路の等価直径 ｖ：冷媒の流速 ｇ：重力加速度 λ：管摩擦係数 ξ：損失係数 このうち管摩擦係数λは次式で表される。 λ＝０．３１６／Ｒｅ^0.25 Ｒｅ＞２０００の時 λ＝６４／Ｒｅ Ｒｅ≦２０００の時 ここで、Ｒｅはレイノルズ数と呼ばれるもので、Ｒｅ＝
ｖ・ｄ／ν、νは動粘性係数である。（これらの式は日
本機械学会編、機械工学便覧による）

【００１０】損失係数ξは分岐２１や合流２２による損
失係数であり、分岐２１や合流２２の前後の流速や流量
および経路の断面積の比で決まる。経路１１と１２を比
べて仮に同流量が流れたとすると、圧力損失は経路１２
の方が大きい。これは圧力損失のうち管摩擦係数は同じ
であるが分岐２１と合流２２の損失係数を比較すると、
合流２２の方の圧力損失が大きいためである。実際には
パス１３の入口と出口間ですべての経路の圧力損失は同
じになるため、経路１２の方が流量が少なくなって圧力
損失が釣り合う形でバランスする。つまり、パス１３の
中では入口に近い側の水平ダクト８の流速ほど遅くな
る。

【００１１】上式で示したように、管摩擦係数λはνの
１あるいは０．２５乗に比例する。したがって、管摩擦
係数は冷媒の物性値により大きく変化する。一方、分岐
２１や合流２２による損失係数は構造によって決まり、
冷媒の物性値には影響されない。ＳＦ₆ ガスは油入変圧
器に使われる絶縁油に比べて動粘性係数が小さいため、
管擦察による圧力損失の割合が油入変圧器よりも小さ
く、圧力損失は主に分岐２１と合流２２の損失係数で決
まる。つまり、油入変圧器に比べて１パス１３内での水
平ダクト８の流速アンバランスが大きい。例えば図６は
ある巻線内での水平方向ダクト内のガスの流速分布およ
び巻線の温度分布を巻線全体の圧力損失をパラメータと
して計算した例である。

【００１２】また、パス１３の下部でほとんどガスが流
れない水平ダクト８ができてしまい、この部分では巻線
の温度が高くなる。このような問題を解決するため、動
粘性係数の小さい冷媒を使用する場合には、１パス１３
内の水平ダクト８の断面積の合計と垂直ダクト９の半径
方向の断面積との比をできるだけ小さくしてアンバラン
スを少なくすることが有効であることが文献にも示され
ている。（Mukaiyama,et al : DEVELOPMENT OF A PERFL
UOROCARBON LIQID IMMERSED PROTOTYPE LARGEPOWER TRA
NSFORMER WITH COMPRESSED SF6 GAS INSULATION, IEEE/
PES SUMMER MEETING PAPER, No.90 SM 465-5 PWRD)この
論文によれば、１パス１３内の水平ダクト８の断面積の
合計と垂直ダクト９の断面積の比が小さいほどアンバラ
ンスは小さくなる。

【００１３】したがって、１パス１３内の流速アンバラ
ンスを少なくするため考えられる構造としては、（１）
１パス１３内のコイル数をできるだけ少なくする、
（２）水平ダクト８の隙間を小さくする、（３）垂直ダ
クト９の半径方向寸法を大きくする、という三つの方法
がある。例えば特開平４−３３３０４号公報ではこのう
ちの２番目の方法が提案されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前述したアンバランス
の低減法のうち、最初の方法（１）はパス１３の数が増
えるため、パス１３内のアンバランスは小さくできるが
巻線全体の圧力損失が大きくなり、限界がある。つま
り、図４のＡで示す仕切板６の開口部に１巻線の全流量
が集中し通過するが、この部分では流速が速くなるので
圧力損失が大きく、巻線全体の圧力損失はこの部分の数
で大きく左右される。巻線全体のコイル数が一定で１パ
ス１３のコイル数を減らすと仕切板６の数が増えること
になり、冷媒７が集中する箇所も増えるため、圧力損失
が大きくなる。圧力損失が大きいとその巻線のガス流量
が減ってしまう。

【００１５】次に、２番目の方法（２）についても、水
平ダクト８の隙間寸法は冷却だけではなく各コイル間の
絶縁からも決まり、特にガス絶縁変圧器では油入変圧器
など液体で絶縁する変圧器に比べ絶縁耐力が低いため、
特開平４−３３３０４号公報の図３に示すような０．８
ｍｍのような小さい間隔にはできない場合が多い。

【００１６】したがって、ガス絶縁変圧器の場合、３番
目の方法（３）が現実的である。垂直ダクト９の寸法は
通常絶縁で決まる巻線間の寸法にまでは拡大できる。Ｃ
…絶縁上必要な鉄心−巻線間寸法、Ｄ…冷却上必要な鉄
心−巻線間寸法。

【００１７】しかしながら、図８（ｂ）に示すように絶
縁階級の低い巻線では、絶縁上必要な鉄心と巻線間寸法
Ｃが小さいため、図８（ａ）に示すように冷却に必要な
垂直ダクト９を確保すると、それに伴い必要な鉄心と巻
線間寸法Ｄが大きくなり、変圧器中身の寸法まで大きく
なってしまうという問題が生じる。ここでいう必要な垂
直ダクト９の寸法とは、１パス内での流速アンバランス
により、図６に示したように流速の遅い水平ダクト８近
傍のコイル１０の温度が高くなり過ぎ、規格の値を越え
てしまうことがないようにするための寸法である。

【００１８】例えば絶縁階級２０号の最内側巻線におい
て水平ダクト間隙が４ｍｍ、１パス内の水平ダクト数が
１５本とすると、水平ダクト間隙の合計は６０ｍｍとな
る。水平ダクトの合計寸法と垂直ダクト寸法の比を２．
０以下とするためには垂直ダクト寸法を３０ｍｍ以上に
する必要がある。一方、絶縁上必要な鉄心と内側巻線間
の寸法が２０ｍｍとすると半径で１０ｍｍ巻線は大きく
なってしまう。内側巻線の径が大きくなるとそれにつれ
てその外側に配置する巻線の径も大きくなり、変圧器の
中身が大きく、重くなってしまう、という問題がある。

【００１９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、巻線内での冷媒の流速アンバランスを
小さくすると共に、冷却で決まる寸法により変圧器の中
身が大きくなってしまうことのないガス絶縁変圧器を提
供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、鉄心および鉄心に巻回される巻線が、Ｓ
Ｆ₆ のような絶縁ガスの冷媒で冷却され、半径方向にガ
スが流れる水平冷却ダクトおよび巻線の内外周側でそれ
ぞれ軸方向にガスが流れる垂直冷却ダクトの２方向の冷
却ダクトを有する巻線で構成されたガス絶縁変圧器にお
いて、前記垂直冷却ダクトの冷媒の流れをせき止め、冷
媒が前記水平冷却ダクト内に強制的に流れるようにする
ガス仕切板を内部に有するジグザグフロー冷却巻線を一
相当り一個以上設け、また仕切板を設けず冷媒が主に前
記垂直冷却ダクトを流れる垂直ダクトフロー冷却巻線を
一相当たり一個以上設けることを特徴とする。

【００２１】

【作用】本発明のガス絶縁変圧器によると、上記のよう
にジグザグフロー冷却巻線と垂直ダクトフロー冷却巻線
を巧みに配置しているので、巻線内での冷媒の流速バラ
ンスを小さくすると共に、冷却で決まる寸法により変圧
器の中身が大きくなることのない。

【００２２】絶縁階級の低い巻線を垂直ダクトフローと
する。この垂直ダクトフローは水平ダクトにはガスを強
制的に流す構造になっていないので水平ダクトでの流速
のアンバランスはなく、垂直ダクトを広げて水平ダクト
のガスの流速を調整する必要はない。このため、絶縁で
決まる巻線間寸法を冷却のために広げる必要がない。垂
直ダクトフローは水平方向の流れがないため、ガス温度
に対する巻線の温度上昇がジグザグフローに比べて大き
くなる。絶縁階級の低い巻線では導体の被覆絶縁が高電
圧の巻線に比べて薄く、１コイルの巻回数も少なくでき
る。一方、ジグザグフロー巻線は図７（ａ）に示すよう
に熱伝導により巻線の発生熱を垂直ダクトのガスに伝え
る際の温度差を、図７（ｂ）に示す垂直ダクトフロー巻
線より小さくできるため、巻線の温度上昇も抑えられ
る。ここで、Ｐは導体の最高温度点、Ｑは垂直ダクトに
面する被覆表面温度である。しかし、高圧巻線では垂直
ダクトフローでは巻線の温度が規格値を満足しない場合
でも低圧巻線は垂直ダクトフローにより冷却できること
がある。また、変電用変圧器の三次巻線は一次、二次巻
線の容量の１／３以下の容量とすることが一般的である
が、この場合、三次巻線の半径方向幅Ｂは一次および二
次巻線に比べ小さくなるため、垂直ダクトフローで冷却
できることが多い。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図について説明す
る。図１は、本発明の一実施例である１相当たりの一次
巻線、二次巻線、三次巻線およびタップ巻線の、４つの
巻線を有する変電用ガス絶縁変圧器の巻線断面図であ
る。この図では鉄心の脚およびヨークは図中の最も左側
および最上部、最下部の線で示している。実際の変圧器
では巻線を支える絶縁物の構造材など他の部品もある
が、冷却構造も分かりやすくするため、この図では省略
している。

【００２４】変電用変圧器では、普通一次巻線が高圧巻
線１５、二次巻線が中圧巻線１４、三次巻線が低圧巻線
１３になる。巻線配置は前述したように低圧巻線１３か
ら順に内側から配置される。タップ巻線１６は高圧巻線
１５の一部であるため、このような巻線配置の変圧器は
３巻線変圧器と呼ばれるが、三次（低圧）巻線の容量は
一次（高圧）および二次（中圧）巻線の容量の１／３以
下とすることが一般的であるため、巻線の半径方向の幅
Ｂも一次および二次巻線に比べおよそ１／３以下とな
る。また、一次、タップおよび二次巻線内にはガス仕切
板６を配置しジグザグフロー冷却する。一方、三次巻線
については仕切板６を設けず垂直ダクトフロー冷却とし
ている。

【００２５】次に、本実施例の作用について説明する。
タンク内の冷媒ガス７は下部のガス導入口から取り入れ
られ、水平の端部ダクトを通って各巻線に導入され、垂
直方向に向きを変えて巻線内に流れ、巻線上部で再び水
平方向に向きを変えて端部ダクトを通りタンク内に戻
る。ガス導入口から出口までのガス流の圧力損失は各巻
線とも同じになる。従って仕切板６がないことで巻線内
の圧力損失の少ない三次巻線１３には他の巻線に比べガ
スが流れ込み易くなる。巻線の温度上昇は巻線内でのガ
スの温度上昇とそのガスに対する巻線の温度上昇との総
和となるが、垂直ダクトフロー巻線はガスの流量を多く
できるので、ガスの温度上昇を少なくでき、ガスに対す
る巻線の温度上昇が大きくなるのをカバーできる。一次
巻線１５および二次巻線１４では垂直ダクトフロー巻線
にすると、このガスに対する巻線の温度上昇分をガスの
流量増加ではカバーできない場合でも、三次巻線１３は
容量が小さいため発生熱量が少ない、巻線の半径方向の
幅Ｂが小さい、絶縁階級が低いため導体１の被覆絶縁２
が薄く、巻線で発生した熱が半径方向に熱伝導し易いな
どの理由から冷却可能となる。

【００２６】一方、垂直ダクトフローは水平ダクト８内
にガスを流さないため、たとえば三次巻線１３と鉄心間
寸法は絶縁で決まる寸法以上に広げる必要はない。

【００２７】以上述べたように、外側の巻線１４，１
５，１６にはガス仕切板６を巻線内に有するジグザグフ
ロー巻線を採用し、内側の低圧巻線１３にはガス仕切板
６のない垂直ダクトフロー巻線を採用することにより、
内側巻線のみならずその外側に配置される巻線の大きさ
を小さくすることができる。

【００２８】図２は本発明の他の実施例の巻線断面図で
ある。上記実施例は、タップ巻線１６を含み１相当たり
４個の巻線を有する変圧器の例であるが、本実施例では
高圧巻線１５を２分割して中圧巻線１４の内側および外
側に配置して二重同心配置の変圧器を構成している。二
重同心配置は同じ定格でも高圧巻線１５を分割しない場
合に比べ、変圧器中身を軽くできるため、輸送条件の厳
しい変圧器では採用される。この場合、巻線の数は１相
当たり５個となり、内側から、低圧巻線１３、高圧内側
巻線１７、中圧巻線１４、高圧外側巻線１８、タップ巻
線１６の順で配置される。この場合、高圧内側巻線１７
は、絶縁的には星形結線の中性点側になるため、発生す
る電圧は低く、容量も高圧巻線１５の容量の一部である
ため、変圧器の全容量に対し小さい。したがって、垂直
ダクトフロー巻線とすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
冷却上の理由から変圧器の中身を大きくすることなしに
適切な冷却特性を持つガス絶縁変圧器を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の巻線断面図。

【図２】本発明の他の実施例の巻線断面図。

【図３】ジグザグフロー巻線の冷却構造を説明するため
の斜視図。

【図４】ジグザグフロー巻線の冷却構造を示す巻線断面
図。

【図５】垂直ダクトフロー巻線の冷却構造を示す巻線断
面図。

【図６】ジグザグフロー巻線の各水平冷却ダクト内のガ
スの流速分布および巻線温度分布を示す図。

【図７】導体の被覆厚さの違いによるコイル温度分布の
違いを説明するための図。

【図８】内側巻線をジグザグフロー巻線としたときの違
いを説明するための巻線断面図。

【符号の説明】

１…導体、２…被覆絶縁、３…スペーサ、４…ダクトピ
ース、５…絶縁筒、６…仕切板、７…冷媒流、８…水平
ダクト、９…垂直ダクト、１０…コイル、１１，１２…
経路、１３…低圧巻線、１４…中圧巻線、１５…高圧巻
線、１６…タップ巻線、１７…高圧内側巻線、１８…高
圧外側巻線、２１…冷媒の分岐、２２…冷媒の合流。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄心および鉄心に巻回される巻線がＳＦ
   ₆ のような絶縁ガスの冷媒で冷却され、半径方向にガス
   が流れる水平冷却ダクトおよび巻線の内外周側でそれぞ
   れ軸方向にガスが流れる垂直冷却ダクトの２方向の冷却
   ダクトを有する巻線で構成されたガス絶縁変圧器におい
   て、前記垂直冷却ダクトの冷媒の流れをせき止め、冷媒
   が前記水平冷却ダクト内に強制的に流れるようにするガ
   ス仕切板を内部に有するジグザグフロー冷却巻線を一相
   当り一個以上設け、また仕切板を設けず冷媒が主に前記
   垂直冷却ダクトを流れる垂直ダクトフロー冷却巻線を一
   相当たり一個以上設けることを特徴とするガス絶縁変圧
   器。