JPH10223442A - 変電機器冷却システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】変電機器の排熱を低減して、水冷式変圧器の冷
却塔の容量やサイズを低減し、送風機等の運転電力も抑
制する。 【解決手段】水冷式変圧器１の冷却器２、冷却塔３を含
む従来の冷却系統に、熱交換器６を設け、第２の冷却系
統を付設する。第２の冷却系統は、冷凍装置１２と蓄熱
水槽２６を有している。夜間に冷凍装置１２を運転し、
凝縮器１４側の循環水が熱交換器６に供給され、蒸発器
１５側の冷媒の蒸発潜熱を利用して、冷却した低温冷水
を受水槽１９に送水して貯蔵する。昼間の高負荷帯に切
替弁２４を閉じ、切替弁２５を開いて、低温冷水を熱交
換器６に供給し、冷却塔３の熱負荷を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は変電機器の冷却シス
テムに係わり、特に、冷却塔の容量減と省エネルギを実
現した変電機器冷却システム及び運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ビル塔の地下変電所では、屋内地下に設
置される変圧器やリアクトル等の変電機器の水冷式冷却
器に、屋上等に設置された密閉式冷却塔から循環水配管
系によって冷却水を循環している。冷却システムの運転
には、冷却塔に取付けられている送風機や注水器、循環
水配管系の循環水ポンプ等を起動し、変電機器からの排
熱を冷却塔から直接、大気に放出する。

【０００３】最近、水冷式変圧器の循環水配管系に熱交
換器を設置して排熱を取り出し、変電所内あるいは隣接
ビルの冷暖房や給湯に利用する方式が注目されている。
廃熱の利用形態としては、熱交換器から温水を取り出し
てユーザに送水し、補助ボイラ等で追い焚きして給湯を
行う直接利用方式、熱交換器からの温水を熱源水槽に貯
水する温水蓄熱方式、ヒートポンプを介して冷水や氷を
生成する冷水蓄熱方式などが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、変圧器
冷却システムの排熱を冷却系外へ引き出して有効利用す
る方法は、冷却塔が負担する熱負荷を低減できるので一
石二鳥である。しかし、有効利用に供給する排熱量は変
電所の負荷変動に影響されて、ユーザの熱需要とのバラ
ンスを欠きやすく、安定な供給に問題が有る。このた
め、少数の変電所以外では実用に供されていない。

【０００５】また、変電機器からの排熱を大気放出する
冷却塔は、その表面で水と湿り空気の熱交換により放熱
するので、変電機器やその冷却器に比べて大きく、変電
所の定格容量の増大に伴って大型化し、据付のスペース
の確保が問題になる。冷却塔のコンパクト化や、その送
風機等の補助動力を削減するためには、冷却塔の放熱量
負担を低減する必要がある。

【０００６】さらに、近年、都市のビル冷暖房システム
からの大気への廃熱によって、ヒートアイランド現象が
発生しており、都市の自然環境保全の上で問題化してい
る。ビルの電力需要は増大の一途であり、ビル地下変電
所の排熱量の抑制は、近い将来の課題になるものと思わ
れる。

【０００７】本発明の目的は、このような従来技術の状
況に鑑み、冷却塔が負担する熱負荷を低減してそのコン
パクト化と省エネを可能にする、水冷式変電機器の冷却
システム及びその運転方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、変電機器に
設けた水冷式の冷却器、大気中に熱放散する冷却塔、前
記冷却器と前記冷却塔を循環水用配管によって接続して
なる第１の冷却系統を備える水冷式変電機器の冷却シス
テムにおいて、前記循環水用配管に熱交換器を設け、該
熱交換器に冷凍装置と蓄熱水槽を切り替え可能に接続し
てなる第２の冷却系統を付設したことにより達成され
る。

【０００９】前記冷凍装置は圧縮機、凝縮器及び蒸発器
を有し、冷媒を相変化しながら巡回するように構成され
ると共に、前記凝縮器に第１の流路切替手段を介して前
記熱交換器に接続する第２の循環水用配管を備え、前記
蓄熱水槽は送水槽と受水槽を有し、前記送水槽から前記
蒸発器を経由して前記受水槽に至る経路を第２の流路切
替手段を含んで接続する蓄熱水配管を備えると共に、前
記第１及び第２の流路切替手段の切り替えに応じて、前
記送水槽及び受水槽を前記熱交換器と直接接続できる構
成としたことを特徴とする。

【００１０】前記受水槽は、製氷機能を有した氷蓄熱槽
によって代替可能である。また、前記熱交換器をバイパ
スする切り替え可能な流路を前記第１の冷却系統に設
け、第２の冷却系統の運転停止時に、バイパス流路によ
る冷却を行う。

【００１１】また、上記目的は、水冷式変電機器の冷却
システムが、該変電機器に設けた冷却器と接続し大気中
に熱放散する冷却塔を備える冷却系統に、熱交換器を介
して、冷凍装置と蓄熱水槽を切り替え可能に接続してな
る場合に、前記変電機器が低負荷となる低負荷時間帯
に、前記冷凍装置を運転して蒸発器側の冷媒の蒸発潜熱
により冷却した低温冷水を前記蓄熱水槽に貯蔵し、前記
変電機器が高負荷となる高負荷時間帯に、前記冷凍装置
の運転を停止し、前記蓄熱水槽に貯蔵した低温冷水を前
記熱交換器に供給することにより達成される。

【００１２】前記低負荷時間帯には深夜の時間帯、前記
高負荷時間帯には昼間のピーク負荷時間帯をそれぞれ含
む。また、前記低負荷時間帯と前記高負荷時間帯の狭間
の時間帯には、統前記冷凍装置及び蓄熱水槽に関わる前
記第２の冷却系の運転を停止する。

【００１３】本発明によれば、低負荷となる夜間には冷
凍装置の圧縮機を運転し、凝縮器と蒸発器の作用により
冷媒の相変化と循環を行う。冷凍装置の運転中、凝縮器
側は熱交換器と閉回路を構成して循環水を循環する。夜
間は第１の冷却系統の循環水温度が低いので、冷凍機側
の凝縮効果も大きくなる。この間、蒸発器側は蓄熱水槽
の送水槽から蓄熱水（高温）を通過させ、冷媒の蒸発潜
熱を奪って冷却した低温水を受水槽に貯蔵する。一方、
高負荷となる昼間は、冷凍装置を停止し、熱交換器への
閉回路を遮断し、受水槽から熱交換器に直接冷水を供給
する。

【００１４】この結果、夜間の安価な余剰電力によって
貯蔵した冷水を利用して、昼間の高負荷帯における水冷
式変電機器の冷却を支援するので、貯蔵冷水によって循
環水温度の低下した分だけ、冷却塔が負担する熱負荷を
低減でき、冷却塔のコンパクト化を可能にする。また、
送風機等の補機の容量ないし運転時間を抑制して、省エ
ネルギを可能にする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。図１に、本発明の一実施例による水冷式変
圧器の冷却システムを示す。屋内の地下変電所などに設
置された変圧器１に、一体的ないし近接して配置された
水冷式冷却器２は、屋上等に設置された密閉型冷却塔３
からの冷却水と熱交換する。冷却器２と冷却塔３は循環
水用配管４で接続され、冷却水は循環水ポンプ５によっ
て矢印の方向に循環する。

【００１６】変圧器１の排熱による熱水（例えば６０
℃）は、冷却塔４に入り送風機８で冷却されて大気に熱
放散し、冷水（例えば５０℃）になって冷却器２に戻
る。通常は、冷却塔３の熱放散量を増すために注水も併
用される。ここでは、冷却塔４を含む上記の循環系統
を、変圧器１の第１の冷却系統と呼ぶことにする。

【００１７】本実施例では、さらに変圧器１の第２の冷
却系統を付加した構成に特徴がある。このため、循環水
用配管４に、熱水側の循環水と熱交換を行うための熱交
換器６を設けている。バイパス管７、切替弁９，１０，
１１は流路切替手段で、第２の冷却系統を利用すると
き、バイパス管７は閉鎖される。

【００１８】第２の冷却系統には、熱交換器６に冷水を
供給するために、冷凍装置１２と蓄熱水槽２６を切り替
え可能に設けている。蓄熱水槽２６に蓄積される低熱
（冷水）は、冷凍装置１２の運転によって供給される。

【００１９】冷凍装置１２は圧縮器１３、凝縮器１４及
び蒸発器１５を内蔵し、冷媒（例えば、Ｒ１３４）を相
変化させながら循環する。凝縮器１４と熱交換器６は凝
縮側配管１６で接続され、切替弁２４を開、切替弁２５
を閉したときに、循環水は送水ポンプ１７により実線矢
印のように循環する。蒸発器１５は、蓄熱用配管２０に
よって蓄熱水槽２６の送水槽１８及び受水槽１９と接続
され、蓄熱水は送水ポンプ２１により送水槽１８から受
水槽１９へと流れる。

【００２０】圧縮器１３を運転すると、冷媒は蒸発器１
５で気化、凝縮器１４で液化を繰り返しながら巡回す
る。蒸発器１５と熱交換する送水槽１８の蓄熱水は、冷
媒の蒸発潜熱（気化熱）によって低温化され、受水槽１
９に冷水として蓄積される。

【００２１】一方、蓄熱水槽２６は、直結配管２２、２
３を経由して凝縮側配管１６と接続され、切替弁２４を
閉じ、切替弁２５を開いたとき、受水槽１９の冷水が熱
交換器６の１次側を通って送水槽１８に至る、点線の循
環ループを構成する。

【００２２】次に、本実施例の構成による冷却システム
の動作を説明する。本冷却システムでは、制御装置３０
によって運転されて、夜間は冷凍装置１２を起動して低
熱を蓄積し、昼間は蓄熱水槽２６から冷水の供給を行
う。

【００２３】まず、夜間の余剰電力により、冷凍装置１
２の圧縮機１３を運転し、蒸発器１５によって気化され
た冷媒を、凝縮器１４によって液化する。凝縮器１４と
熱交換された循環水は熱交換器６の１次側を通って、水
冷式変圧器１の循環水と熱交換する。この間に、冷凍装
置１２の冷媒の蒸発潜熱を利用して、冷却した低温冷水
を受水槽１９に貯蔵する。

【００２４】一方、昼間は変圧器の放散熱量が大きく外
気温も高い。そこで、冷凍装置１２の運転を停止し、切
替弁２４と切替弁２５の開／閉を夜間とは反対にし、受
水槽１９の冷水を熱交換器６の１次側に供給する。熱交
換器６を通過した冷却水は、送水槽１８に溜められて、
夜間の運転に備える。

【００２５】図２のタイムチャートは、１日における変
圧器の負荷と各機器の動作を示す。変圧器１の負荷は朝
の６時頃に上昇を開始し、およそ１２時から１６時がピ
ーク帯となり、２４時頃から翌日の６時頃までが低負荷
帯となる。

【００２６】従って、冷凍装置１２は２４時〜６時のよ
うに、深夜の低負荷帯に運転する。ピーク帯を含むおよ
そ１０時〜１８時の高負荷帯は、切替弁２５を開き、送
水ポンプ１７を運転して、受水槽１９の冷水を熱交換器
６に供給する。低負荷帯と高負荷帯の中間には、第２の
冷却系統の運転を全て停止する期間を設けている。この
停止期間には、第１の冷却系統はバイパス管７を経由す
るようにしてもよい。

【００２７】以上のように、本実施形態は変圧器の排熱
を水冷システム系内で回収する。すなわち、水冷式変圧
器の従来の第１の冷却系統に、熱交換器を介して、冷凍
装置と蓄熱水槽を持つ第２の冷却系統を付設し、夜間電
力で冷凍装置を運転して蓄熱水槽に低温冷水を蓄え、昼
間に蓄熱水槽から熱交換器に冷水を供給する。

【００２８】これによれば、第１の冷却系統の冷却塔が
負担する熱負荷の低減が可能で、冷却塔の容量や据付面
積の低減が可能である。また、副次的な効果として、都
市部における大気への廃熱を低減する。

【００２９】さらに、冷却塔に付属している送風機など
補機の抑制運転ができ、昼間の省エネ効果がある。特
に、ビルの地下変電所では、補機を含むビル内の全電源
を並列設置した変圧器でまかなうので、昼間の負荷ピー
ク時間帯における省エネは、ビルの最大定格負荷を低減
する効果がある。もちろん、冷凍装置の運転に電力を必
要とするが、変圧器負荷が小さい夜間の余剰電力を利用
するので、ピーク電力に影響を与えることがなく、電力
料金も安い。

【００３０】なお、本発明の実施例として、蓄熱水槽に
低温冷水を貯蔵する例を説明したが、氷蓄熱に置き換え
ることも可能である。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、従来からの冷却塔が負
担する熱負荷の低減が可能で、冷却塔の容量や据付面積
を低減できる効果がある。また、昼間の負荷ピーク時間
帯における省エネができ、ビル内変電所の最大定格負荷
を低減する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による水冷式変圧器の冷却シ
ステムを示す構成図。

【図２】実施例の冷却システムの運転方法を示すタイム
チャート。

【符号の説明】

１…水冷式変電器、２…冷却器、３…冷却塔、４…循環
水用配管、５…循環水ポンプ、６…熱交換器、７…バイ
パス管、８…送風機（補機）、９，１０，１１…切替
弁、１２…冷凍装置、１３…圧縮機、１４…凝縮器、１
５…蒸発器、１６…凝縮側配管、１７…送水ポンプ、１
８…送水槽、１９…受水槽、２０…蓄熱配管、２１…送
水ポンプ、２２，２３…直結配管、２４，２５…切替
弁、２６…蓄熱水槽、３０…制御装置。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変電機器に設けた水冷式の冷却器、大気
   中に熱放散する冷却塔、前記冷却器と前記冷却塔を循環
   水用配管によって接続してなる第１の冷却系統を備える
   水冷式変電機器の冷却システムにおいて、 前記循環水用配管に熱交換器を設け、該熱交換器に冷凍
   装置と蓄熱水槽を切り替え可能に接続してなる第２の冷
   却系統を付設したことを特徴とする変電機器冷却システ
   ム。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記冷凍装置は圧縮機、凝縮器及び蒸発器を有し、冷媒
   を相変化しながら巡回するように構成されると共に、前
   記凝縮器に第１の流路切替手段を介して前記熱交換器に
   接続する第２の循環水用配管を備え、 前記蓄熱水槽は送水槽と受水槽を有し、前記送水槽から
   前記蒸発器を経由して前記受水槽に至る経路を第２の流
   路切替手段を含んで接続する蓄熱水配管を備えると共
   に、前記第１及び第２の流路切替手段の切り替えに応じ
   て、前記送水槽及び受水槽を前記熱交換器と直接接続で
   きる構成としたことを特徴とする変電機器冷却システ
   ム。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記受水槽が、製氷機能を有した氷蓄熱槽によって代替
   された変電機器冷却システム。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３において、 前記熱交換器をバイパスする切り替え可能な流路を、前
   記第１の冷却系統に設けたことを特徴とする変電機器冷
   却システム。
5. 【請求項５】 水冷式変電機器の冷却システムが、該変
   電機器に設けた冷却器と接続し大気中に熱放散する冷却
   塔を備える冷却系統に、熱交換器を介して、冷凍装置と
   蓄熱水槽を切り替え可能に接続してなる場合に、 前記変電機器が低負荷となる低負荷時間帯に、前記冷凍
   装置を運転して蒸発器側の冷媒の蒸発潜熱により冷却し
   た低温冷水を前記蓄熱水槽に貯蔵し、 前記変電機器が高負荷となる高負荷時間帯に、前記冷凍
   装置の運転を停止し、前記蓄熱水槽に貯蔵した低温冷水
   を前記熱交換器に供給することを特徴とする変電機器冷
   却システムの運転方法。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記低負荷時間帯には深夜の時間帯、前記高負荷時間帯
   には昼間のピーク負荷時間帯をそれぞれ含み、前記低負
   荷時間帯と前記高負荷時間帯の狭間の時間帯には前記冷
   凍装置及び蓄熱水槽に関わる運転を停止することを特徴
   とする変電機器冷却システムの運転方法。