TWI603348B - Oil-immersed transformer - Google Patents

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TWI603348B TW105124976A TW105124976A TWI603348B TW I603348 B TWI603348 B TW I603348B TW 105124976 A TW105124976 A TW 105124976A TW 105124976 A TW105124976 A TW 105124976A TW I603348 B TWI603348 B TW I603348B
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Manabu Dohi
Eisuke Maruyama
Yoichi Amako
Ryousuke MIKOSHIBA
Kenichi Souma
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Description

油浸變壓器
本發明關於油浸變壓器，特別是油浸變壓器的散熱構造。
一般來說油浸電氣機器，譬如油浸變壓器的儲槽內，放入絕緣油作為變壓器的絕緣媒體。該絕緣油，將藉由「因變壓器的通電熱量所產生的溫度上升」而產生膨脹，由於儲槽的內壓上升，因此儲槽為了不產生變形而需要充分的強度。此外，「熱傳導低、能抑制絕緣油之溫度上升」的散熱性能也受到要求。
就這種儲槽的傳統技術而言，已知有日本特開昭53-35122號公報(專利文獻1)所揭示的習知技術。該習知技術，如第5圖與第6圖所示，將作為散熱肋片之鰭片狀伸出部2的上下端部，朝內側縮入而形成緊密接合的面接合部3。接著，沿著上述面接合部3焊接上述伸出部2的上下端部，除了使該焊接線形成單軸之外，在前述伸出部2的板面上形成凸狀或者凹狀的補強用卷邊4A，而藉由該上述補強用卷邊4A來圖謀伸出部2之機械性強 度的增大。
此外，就傳統技術的其他例子而言，已知有日本實開昭56-67732號公報(專利文獻2)所揭示的習知技術。該習知技術，如第7圖所示，在波浪形散熱器之散熱肋片2兩側的適當部位，從外側朝向油道部內，沿著儲槽的高度方向形成凹狀溝部4B。藉由在散熱肋片2沿著儲槽的高度方向設置凹裝溝部4B，可提高對內壓的機械性強度，並能提高油的自然對流效率，能獲得散熱效率高的裝置。如此一來，在以上所示的傳統例中，能藉由補強用卷邊4來增加儲槽的強度。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]：日本特開昭53-35122號公報
[專利文獻2]：日本實開昭56-67732號公報
在第5圖、第6圖、第7圖所示的傳統例中，作為散熱肋片的鳍狀伸出部2，在儲槽內因絕緣油的溫度上升而使內壓變高的場合中，是藉由補強用卷邊4而提高對伸出部2之橫向及縱向的強度。
然而，在散熱肋片設置補強用卷邊4來達到 強度提高的做法，對散熱肋片之面接合部3的負荷變大，需要更進階的接合方法，而存在著成本上揚的問題。
一般認為在油浸變壓器中，絕緣油6一旦因內部線圈7之導體的通電而受到加熱，將以第8圖所示之箭號的路徑形成對流，為了加大散熱面積，而將散熱肋片2設得更大。亦即，期待以下的循環：絕緣油6一旦因設在鐵心9之線圈7的導體而受到加熱，將上升至上方，並從該處流向散熱肋片2的內部側，藉由該散熱肋片2的散熱作用而冷卻，藉此從散熱肋片2的外周側下降而回到線圈7側。如第8圖所示，為了順利地執行循環，有必要將線圈7與散熱肋片2之間的距離設得更大，而存在著儲槽大型化的問題。另外，為了確保儲槽內部的絕緣性能，浸入絕緣油的絕緣距離要小。這是由於：因為線圈7的外周已經受到絕緣紙的保護，使絕緣油浸透絕緣紙便能確實地擔保絕緣。有鑑於此，如第9圖所示，雖然將「線圈7與散熱肋片2之間的距離」縮小成「可確保絕緣性能的距離」便能夠大幅地小型化，卻也存在「絕緣油6的對流所產生的散熱效果變小」的問題。
有鑑於前述傳統技術的問題點，本發明的目的在於提供：並非設置散熱肋片利用絕緣油對流的散熱，而是利用薄化「隔熱壁，也就是指絕緣油層」來達成所期望之散熱性能的同時，還能兼顧儲槽的小型化與儲槽強度的油浸變壓器。
列舉出一個用來解決上述課題之本發明的油浸變壓器，是將組合了鐵心與線圈的鐵心-線圈組合體收納於儲槽內，並置入絕緣油的油浸變壓器，前述鐵心-線圈組合體，具備分別安裝於鐵心之複數個腳部的複數個線圈，並在面向「前述複數個線圈接近之部位」的儲槽面上，設置朝向前述複數線圈的軸方向延伸，且朝向「前述複數個線圈接近之部位」凹陷的凹部，而縮短了「前述複數個線圈接近之部位」與前述儲槽面之間的距離。
在本發明中，最好是在前述儲槽的表面形成複數個凸部或者凹部，增加儲槽的表面積。
根據本發明，不會在儲槽設置散熱肋片，可藉由縮短絕緣油的對流距離而實現大幅的小型化、輕量化，並可藉由薄化絕緣油的層，提高來自於熱源，也就是指來自於線圈的散熱性。此外，由於未設置散熱肋片，因此不會有「因儲槽的內壓上升而使散熱肋片彎曲」之類的疑慮。不僅如此，由於沒有「壓力上升時應力集中之散熱肋片的面接合部」，因此能確保強度的信賴性。
1‧‧‧儲槽
1a‧‧‧儲槽的凹部
1b‧‧‧儲槽的壓花部
1c‧‧‧儲槽的凸緣
1d‧‧‧儲槽的底板
1e‧‧‧儲槽的本體部
2‧‧‧散熱肋片
3‧‧‧面接合部
4‧‧‧補強用卷邊
6‧‧‧絕緣油
6a‧‧‧相間(interphase)接觸部的絕緣距離
6b‧‧‧必要絕緣距離
7‧‧‧線圈
7a‧‧‧副線圈(secondary coil)
7b‧‧‧主線圈(primary coil)
8‧‧‧鐵心-線圈組合體
9‧‧‧鐵心(core)
10‧‧‧補強板
11‧‧‧U相
12‧‧‧V相
13‧‧‧W相
11a、12a‧‧‧相間接觸部
第1圖A：是顯示本發明中實施例1的儲槽部立體 圖。
第1圖B：是顯示本發明中實施例1之油浸變壓器的橫向剖面圖。
第2圖A：是顯示本發明中實施例2的儲槽部立體圖。
第2圖B：是顯示本發明中實施例2之油浸變壓器的橫向剖面圖。
第3圖A：是顯示本發明中實施例3的儲槽部立體圖。
第3圖B：是顯示本發明中實施例3之油浸變壓器的橫向剖面圖。
第4圖：是顯示本發明中實施例4之油浸變壓器的橫向剖面圖。
第5圖：是顯示傳統油浸變壓器之其中一例的立體圖。
第6圖：是顯示組裝於儲槽之傳統散熱肋片的前視圖。
第7圖：是顯示傳統散熱肋片之另一例的前視圖。
第8圖：是顯示油浸變壓器中，油之對流的說明圖。
第9圖：是顯示在小型的油浸變壓器中，油之對流的說明圖。
第10圖：是第9圖的A-A’線的橫向剖面圖。
以下，採用圖面說明本發明的實施例。而在用來說明實施例的各圖中，對於相同的構成要件標示相同的名稱、圖號，並省略該部分的重複說明。
[實施例1]
在第1圖A及第1圖B中，顯示本發明之實施例1的油浸變壓器。第1圖A是油浸變壓器之儲槽的立體圖，第1圖B是從上方觀視「已將鐵心-線圈組合體收納於儲槽內部之油浸變壓器的橫向剖面」的圖。圖中顯示由U相11、V相12、W相13所形成之3相3腳構造的油浸變壓器。
如第1圖A所示，本實施例的儲槽1具備：用來組裝蓋的凸緣1c、底板1d、被配設於該底板1d與凸緣1c之間的本體部1e，而構成由這些部分來收容「組合了鐵心與線圈的鐵心-線圈組合體8」及「對鐵心-線圈組合體8施以絕緣的絕緣油6」。前述本體部1e，是藉由對薄片狀的薄板，譬如鋼板施以衝壓加工所成形。
散熱面積多之傳統的儲槽構造，如第9圖及第10圖所示，在長方形的儲槽1內部收納1個以上的線圈7，並將絕緣油6填滿其周圍。接著，在儲槽1的外側，以一定間隔且遍及全周地設置散熱肋片2。由於構成線圈7的主線圈部7a、副線圈部7b成為因通電而形成的發熱來源，因此U相11、V相12、W相13的相間之線圈的接觸部11a、12a形成導體部之中的最大溫度。不僅如 此，相間之線圈的接觸部，由於與儲槽周圍或者散熱肋片之間的距離6a過大，使得散熱性能降低，容易形成高溫。此外，在第9圖所示之縮小「線圈7與散熱肋片2之間的距離」而形成小型化的油浸變壓器中，絕緣油6的對流不易形成而導致散熱效果下降。
在本實施例中，如第1圖B所示，組合了鐵心9與線圈7的鐵心-線圈組合體8，在鐵心9之複數個腳部分別設有複數相(U相11、V相12、W相13)的線圈7。然後，為了使設在線圈7外周的絕緣油6形成一定的層厚，在儲槽面向「複數相的線圈7接近的部位11a、12a」的面上設有凹部1a。凹部1a，朝線圈7的軸方向延伸，並朝向複數相的線圈接近的部位凹陷。在本實施例中，儲槽1的面是以「沿著線圈7之外周面延伸的曲面」所形成，線圈7之外周面的絕緣油6形成大致一定的層厚。據此，既能確保絕緣性能上的必要距離6b，又能將與儲槽周圍之間的距離6a縮小至絕緣性能上的必要距離6b。絕緣油的熱傳導，譬如0.12W/m*k時則熱傳導低，金屬製之儲槽的熱傳導，譬如80w/m*k時則較大。藉由將熱傳導性能低之絕緣油的厚度變薄，並縮小到「熱傳導較大之儲槽」為止的距離，可提高散熱性能。在圖面中，圖號10表示補強板。
根據本實施例，不設置散熱肋片，可藉由縮短絕緣油的對流距離而實現大幅的小型化、輕量化，此外，可藉由薄化絕緣油的層，提高來自於熱源，也就是指 來自於線圈的散熱性。此外，由於未設置散熱肋片，因此不會有「因儲槽的內壓上升而使散熱肋片彎曲」之類的疑慮。不僅如此，由於沒有「壓力上升時應力集中之散熱肋片的面接合部」，因此能確保強度的信賴性。
[實施例2]
在第2圖A及第2圖B中，顯示本發明之實施例2的油浸變壓器。第2圖A是油浸變壓器之儲槽的立體圖，第2圖B是從上方觀視「已將鐵心-線圈組合體收納於儲槽之油浸變壓器的橫向剖面」的圖。
如圖面所示，在實施例2中，為了增加儲槽周圍的散熱面積，在儲槽的本體部1e形成有複數個凸部(壓花部)1b。各凸部(壓花部)1b，是採用適當的間隔，且以並排排列或者交叉排列的方式配置於本體部1e的周圍。然後，各凸部(壓花部)1b，譬如伸出成半球狀地形成，凸部的內部與本體部1e的內部形成連接。
在第2圖A中，為了形成「較儲槽之底板1d的最外周」更內側，在儲槽之本體部1e的表面設置連續的凸部(壓花部)1b，而形成熱傳遞高的散熱面。在圖面中，雖然壓花部1b是形成凸部，但也可以形成凹部。
關於傳統之散熱肋片的散熱構造，舉例來說，為第9圖之A-A’剖面圖的第10圖所示之散熱肋片的熱傳導率，在譬如為104≦GrH * Pr≦107的場合中，能以下述計算式(1)的理論計算(theoretic calculation)求 出。
GrH表示格拉斯霍夫數(Grashof number；GrH=g β | Tw-Ta | H3/v)，Pr表示卜朗特數(Prandtl number)、H表示肋片的高度(m)，h表示平均熱傳遞率(W/m2℃)，k表示熱傳導率(W/m℃)。
相當於「為本實施例的第2圖B之壓花部」的半球(直徑d)的熱傳遞率，在譬如0≦GrH*Pr≦107 場合中，能以下述計算式(2)的理論公式(theoretical formula)求出。
如同計算式(1)與計算式(2)所示，雖然熱傳遞率是依存於散熱肋片的高度H和壓花部的直徑d，但一般的肋片的高度(譬如100mm)與壓花(譬如40mm)中，壓花的熱傳遞率較高(譬如高20%)。
此外，第8圖所示之散熱肋片構造中的鰭片效率(fin efficiency)，理論上可由以下的計算式(3)所求出。
散熱肋片的鰭片效率，譬如成為(肋片高度H=100mm、板厚t=2mm)64%。換言之，散熱肋片的散熱面積表示其64%能有效散熱。亦即，即使加大肋片的高度而增加散熱面積，增加的面積也不會全部用來散熱。本實施例之第2圖B中壓花型的凹凸，是一種不增加肋片高度地增加散熱面積的方法。
根據本實施例，除了實施例1的作用效果之外，由於在儲槽的本體部形成凸部或凹部(壓花部)，因此能增加散熱面積，可更進一步提高散熱性。此外，藉由形成凸部或凹部(壓花部)，能提升儲槽的強度。
[實施例3]
在第3圖A及第3圖B中，顯示本發明之實施例3的油浸變壓器。第3圖A是油浸變壓器之儲槽的立體圖，第3圖B是從上方觀視「已將鐵心-線圈組合體收納於儲槽部之油浸變壓器的橫向剖面」的圖。
雖然在實施例1或實施例2中，儲槽的形狀，為了與線圈的外周部保持一定的距離而採用曲面形成。但是本實施例，則是大致沿著線圈的外周部，以平面的組合所形成。換言之，如第3圖B所示，在儲槽面向「 複數相之線圈7接近的部位11a、12a」的面上，設置剖面呈三角形狀的凹部1a。據此，既能確保絕緣性能上的必要距離6b，又能將線圈7的外周面與儲槽的面之間的距離6a縮小至絕緣性能上的必要距離6b。
在本實施例中，如第3圖B所示，也可以不將壓花部設於儲槽的本體部1e而形成平面狀，此外，亦可如第3圖A所示，將壓花部1b設於儲槽的本體部1e。
根據本實施例，除了實施例1的作用效果之外，由於在儲槽的本體部是由平面的組合所形成，因此製造變得容易。
[實施例4]
在第4圖中，顯示本發明之實施例4的油浸變壓器。第4圖是從上方觀視「已將鐵心-線圈組合體收納於儲槽部之油浸變壓器的橫向剖面」的圖。
實施例1或實施例2，是將本發明用於3相3腳構造的油浸變壓器，而本實施例則是將本發明用於單相的變壓器。
在單相的變壓器中，在額緣狀鐵心9的2個腳部分別設置線圈7。由於構成線圈7的主線圈部7a、副線圈部7b成為因通電而形成的發熱來源，因此中央的2個線圈的接觸部形成導體部之中的最大溫度。在本實施例中，如圖面所示，為了使設在線圈外周的絕緣油形成一定的層厚，在儲槽面向「鐵心-線圈組合體8之2個線圈7接 近的部位」的面上設有凹部1a。
雖然在第4圖中，儲槽的形狀為了沿著線圈的外周而採用曲面形成。但亦可如第3圖B所示，以平面的組合形成。此外，雖然在第4圖中，在儲槽的本體部形成壓花部1b，但亦可與第1圖相同，不設置壓花部。
根據本實施例，在單相的變壓器中，可不設置散熱肋片地藉由縮短絕緣油的對流距離而實現大幅的小型化、輕量化，此外，可藉由薄化絕緣油的層，提高來自於熱源，也就是指來自於線圈的散熱性。
[實施例5]
本實施例，改良了實施例1~4的油浸變壓器之儲槽的材質。通常，油浸變壓器的儲槽是由鋼板(譬如，SS400、SPCC)所形成。在本實施例中，是以高強度鋁材(譬如，6000系列(Al-Mg-Si系列：鋁-鎂-矽合金)的Al6069、Al6061)來取代鋼板，形成油浸變壓器的儲槽。特別的是，高強度的鋁材，是具有更大耐力的鋁。高強度鋁材，不受限於熱處理狀態和化學成分，藉由約70GPa的彈性率，具有更廣大的彈性範圍，可於高壓循環試驗時容許更大的應變(變形)。因此，具有良好的耐壓性、耐疲勞、耐腐蝕的特性，熱傳導率為SS400的4倍，密度為SS400的約1/3，適合油浸變壓器的儲槽。
根據本實施例，由於採用高強度鋁合金作為油浸變壓器之儲槽的材料，因此可提供：具有絕佳的強 度，散熱性能良好，且輕量的油浸變壓器。
1‧‧‧儲槽
1a‧‧‧儲槽的凹部
1c‧‧‧儲槽的凸緣
1d‧‧‧儲槽的底板
1e‧‧‧儲槽的本體部

Claims (10)

  1. 一種油浸變壓器，是將組裝了鐵心與線圈的鐵心-線圈組合體收納於儲槽內，並置入絕緣油而形成的油浸變壓器，其特徵為：前述鐵心-線圈組合體具備：分別組裝於鐵心之複數個腳部的複數個線圈，在面向前述複數個線圈接近之部位的儲槽面，設置：朝前述複數個線圈的軸方向延伸，具有面向前述複述個線圈的複述個主面，且在前述複述個主面之間，朝向前述複數個線圈接近的部位凹陷的凹部，前述凹部，具有絕緣性能上的必要距離，能縮短成：較前述複數個線圈接近的部位、與前述主面之間的距離更短。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的油浸變壓器，其中前述儲槽面，是以沿著前述複數個線圈之外周面延伸的曲面所形成，前述線圈之外周面的絕緣油形成一定的層厚。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載的油浸變壓器，其中前述儲槽面，是將沿著前述複數個線圈之外周面的複數個平面組合所形成，前述線圈的外周面與前述儲槽面之間的距離，相較於長方形的儲槽變得更短。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載的油浸變壓器，其中在前述儲槽的表面形成複數個凸部或者凹部，增加儲槽的表面積。
  5. 如申請專利範圍第4項所記載的油浸變壓器，其中在前述儲槽的表面的複數個凸部或者凹部，是以並排排列或者交叉排列形成連續配置。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載的油浸變壓器，其中前述鐵心-線圈組合體為3相3腳構造。
  7. 如申請專利範圍第1項所記載的油浸變壓器，其中前述鐵心-線圈組合體為單相構造。
  8. 如申請專利範圍第1項所記載的油浸變壓器，其中前述儲槽的材料為鋼板。
  9. 如申請專利範圍第1項所記載的油浸變壓器，其中前述儲槽的材料為高強度鋁材料。
  10. 如申請專利範圍第9項所記載的油浸變壓器，其中前述儲槽的材料為Al-Mg-Si系列合金。
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