JP2022118358A

JP2022118358A - 変圧器

Info

Publication number: JP2022118358A
Application number: JP2021014807A
Authority: JP
Inventors: 大成河村; Taisei Kawamura; 誠篠原; Makoto Shinohara; 拓弥岩崎; Takuya Iwasaki; 亮佑杉田; Ryosuke Sugita
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-08-15

Abstract

【課題】上部巻線を重点的に冷却することが可能な変圧器を提供する。【解決手段】巻線を冷却媒体の循環する上下方向に分割することにより上部巻線と下部巻線を構成し、上部巻線と下部巻線の間に形成された入口を介して冷却媒体を上部巻線に導入して上部巻線を重点的に冷却する。【選択図】図３

Description

本発明は、変圧器に関する。

配電用油入変圧器の巻線はタンク内部の絶縁油循環により冷却される。温度が高くなった絶縁油は密度が低くなり上部へ移動し、冷却された絶縁油は密度が高くなりタンク下部へ移動して巻線内に引き込まれ、巻線から熱を奪い上部に移動する。巻線はこの上下を循環する絶縁油の温度分布と同様な熱分布をもつ。また、巻線を冷却するために冷却ダクトを備えており、その数や配置により冷却が最適となるように配置される。

一方、この一連の冷却システムの中で、巻線上部と下部の温度は常に差があり、巻線上部は下部に比べ常に高い温度で運転され熱劣化が早く起こる。これに対し、巻線上部だけを冷却するには巻線全体に対して冷却ダクトを多く配置するのが現状の技術である。これに関連する技術として、例えば、特許文献１がある。特許文献１では、通油路を設け巻線を冷却する。

特開２００９－２２２４６９０号公報

特許文献１は、円筒の筒の半径方向に巻線を厚くしていくシリンドリカル巻線での実施は難しく、円の半径方向に巻線を厚くしていき、それを高さ方向に何層も積み重ねるディスク巻での適用例である。

特許文献１では、巻線上下の温度差を小さくし長期に渡る巻線の熱劣化を抑制することは難しく、上部巻線を重点的に冷却することは困難である。

本発明の目的は、上部巻線を重点的に冷却することが可能な変圧器を提供することにある。

本発明の一態様の変圧器は、鉄心と、前記鉄心に巻き回された巻線とが配置されたタンクを有し、前記タンク内は冷却媒体で満たされており、前記巻線内に前記冷却媒体を通過させて前記巻線を冷却する変圧器であって、前記巻線を前記冷却媒体の循環する上下方向に分割することにより上部巻線と下部巻線を構成し、前記上部巻線と前記下部巻線との間に形成された隙間を介して前記冷却媒体を前記上部巻線に導入して、前記上部巻線を重点的に冷却することを特徴とする。

本発明の一態様の変圧器は、鉄心と、前記鉄心に巻き回された巻線とを有する変圧器であって、前記巻線を上下方向に分割することにより上部巻線と下部巻線を構成し、前記下部巻線には、第１の冷却ダクトが配置されており、前記上部巻線には、第２の冷却ダクトが配置されており、前記第２の冷却ダクトの数量が前記第１の冷却ダクトの数量よりも多くなるように前記第２の冷却ダクトを前記上部巻線に配置したことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、変圧器の上部巻線を重点的に冷却することができる。

関連技術の変圧器の構成を示す斜視図である。関連技術の変圧器における絶縁油の流線を示すタンク内部の断面図である。実施例１の変圧器の構成を示す斜視図である。実施例１の変圧器における絶縁油の流線を示すタンク内部の断面図である。実施例２の変圧器における巻線の断面図であり、（ａ）は下部巻線であり、（ｂ）は上部巻線である。実施例３の変圧器における巻線の断面図であり、（ａ）は下部巻線であり、（ｂ）は上部巻線である。実施例４の変圧器における巻線の断面図であり、（ａ）は下部巻線であり、（ｂ）は上部巻線である。実施例３、４の変圧器における絶縁油の流線を示すタンク内部の断面図である。

最初に、図１及び図２を参照して、関連技術の変圧器について説明する。

図２に示すように、変圧器のタンク６内に、冷却媒体である絶縁油７が満たされている。タンク６内には、巻線５が内蔵されている。そして、冷却された絶縁油７は、流路８に示すようにタンク６内を流れる。また、図１に示すように、外鉄心１及び内鉄心２に巻線５が巻き回されている。

なお、一般的に、絶縁油７は上に位置するほど温度が上昇していくので、絶縁油７を冷却媒体に使用している変圧器の巻線５においては、巻線５の上端に最も熱くなる部分であるホットスポット（図２の斜線部）が存在する。

関連技術の変圧器は、絶縁油７が巻線５内を通り巻線５の全体を冷却する構造であり、巻線５のホットスポットを直接冷却することは困難である。この結果、巻線５のホットスポットの部分だけ巻線温度が高くなる。

本発明の実施例は、巻線５のホットスポットの冷却と巻線５の全体の冷却を同時に行えるような構成を採用する。

上記構成を採用することにより、巻線５のホットスポットを重点的に冷却することが可能になる。具体的には、巻線５のホットスポットの冷却と巻線５内に絶縁油７を通し巻線５の全体の冷却を同時に行う。
以下、図面を用いて実施例について説明する。

図３及び図４を参照して、実施例１の変圧器について説明する。

図３に示すように、実施例１の変圧器は、図１に示す変圧器の巻線５を絶縁油７の循環する上下方向に分割することにより上部巻線３と下部巻線４を構成する。そして、外鉄心１及び内鉄心２に上部巻線３と下部巻線４が巻き回されている。

図４に示すように、上部巻線３と下部巻線４との間に形成された隙間（空間）には、絶縁階級に応じた絶縁物１０が挿入される。絶縁物１０の材質としては、例えばプレスボードなどの絶縁物１０を配置して絶縁距離を確保する。そして、その空間で冷却を行う絶縁油７を上部巻線３に導入する入口を形成する。この絶縁距離は、例えば数ｍｍ程度の厚さのプレスボードを配置することにより達成する。

このようにして、実施例１では、上部巻線３と下部巻線４との間に形成された隙間である入口を介して、絶縁油７を上部巻線３に導入して、上部巻線３を重点的に冷却する。

図５を参照して、実施例２の変圧器について説明する。（ａ）は下部巻線４の断面図であり、（ｂ）は上部巻線３の断面図である。
実施例２の変圧器の構成は、図３及び図４に示す実施例１の変圧器の構成とほぼ同じなのでその説明は省略する。

巻線上下の差により熱劣化の傾向が異なるが、巻線上部を考慮して冷却ダクトを多く入れる場合、変圧器全体の容積が増大し効果的でなかった。実施例２では、巻線を上下に分割し、冷却ダクトの厚さと数量を上下で変更することで巻線上下の温度差を均一にする。

実施例２の変圧器では、冷却ダクトの数量と厚さが上部巻線３と下部巻線４とで異なるように配置した。

上部巻線３は、下部巻線４に使用する冷却ダクト１１に対して、例えば、厚さが半分の冷却ダクト１２を巻線の層に対して２倍配置する。これにより、巻線の外形を合わせることで、上部巻線３と下部巻線４の断面積を一致させる。これにより、上部巻線３と下部巻線４を並列接続で使用する設計時の上下不平衡による電気特性への影響を最小化する。

実施例２の変圧器では、図５（ａ）に示すように、下部巻線４には、冷却ダクト１１が配置されている。また、図５（ｂ）に示すように、上部巻線３には、冷却ダクト１２が配置されている。

下部巻線４の外形の断面積は、上部巻線３の外形の断面積と等しい。そして、上部巻線３の冷却ダクト１２の数量は、下部巻線４の冷却ダクト１１の数量よりも多い。さらに、上部巻線３の冷却ダクト１２の厚さは、下部巻線４の冷却ダクト１１の厚さよりも薄い。

図６を参照して、実施例３の変圧器について説明する。（ａ）は下部巻線４の断面図であり、（ｂ）は上部巻線３の断面図である。

実施例３の変圧器の構成は、図３に示す実施例１の変圧器の構成とほぼ同じなのでその説明は省略する。

実施例３の変圧器では、冷却ダクトの数量が上部巻線３と下部巻線４とで異なるように配置した。

図６（ａ）に示すように、下部巻線４では、窓内（図６の斜線部）の方向の長さはＡ_１であり、窓内を除く辺の長さはＢ_１である。また、図６（ｂ）に示すように、上部巻線３では、窓内方向の長さはＡ_２であり、窓内を除く辺の長さはＢ_２である。

ここで、下部巻線４の窓内方向の長さＡ_１は、上部巻線３の窓内方向の長さＡ_２と等しい。また、上部巻線３の窓内を除く辺の長さＢ_２は、下部巻線４の窓内を除く辺の長さＢ_１よりも大きい。

図６（ａ）に示すように、下部巻線４には、冷却ダクト１１が配置されている。また、図６（ｂ）に示すように、上部巻線３には、冷却ダクト１１が配置されている。ここで、上部巻線３の冷却ダクト１１の数は、下部巻線４の冷却ダクト１１の数よりも多く、上部巻線３の冷却ダクト１１の厚さは、下部巻線４の冷却ダクト１１の厚さと同じである。

上部巻線３に下部巻線４と同じ厚さの冷却ダクト１１を多く配置することにより、巻線（電線）が冷却の絶縁油７に触れる面積を増やす。窓内方向Ａ_１、Ａ_２は鉄心外形が大きくなるため、上部巻線３の窓内を除く２辺Ｂ_２において冷却ダクト１１を多く配置する。

このように、実施例３の変圧器では、上部巻線３と下部巻線４の冷却ダクト数が異なり、上部巻線３の２辺の外形Ｂ_２が下部巻線４の外形Ｂ_１よりも大きくなる。

図８に示すように、外形が大きい外側の巻線（電線）は、下から導入される絶縁油７は上部巻線３と下部巻線４との間の隙間からでなく、絶縁油７の流線９を介して直接下側から導入される。なお、上部巻線３と下部巻線４を直列接続する場合は、上部巻線３と下部巻線４の外形が異なっても電気特性への影響は少ない。

なお、外周部にある巻線（電線）の冷却ダクト１１は、直接絶縁油７に冷却されやすいため数量を同じとし厚さを薄くしても良い。そして、上部巻線３と下部巻線４との間の隙間を経由して導入される内側の巻線（電線）は、冷却ダクト１１の厚さを同じとし数量を増やすことで冷えにくい内側を冷却するようにしても良い。

実施例３では、外形寸法の増大を抑制しながら冷却効果を維持することができる。窓内方向Ａ_１、Ａ_２については、上部巻線３の外形を下側巻線４の外形と合わせ、鉄心寸法の増大を抑制する。

図７を参照して、実施例４の変圧器について説明する。（ａ）は下部巻線４の断面図であり、（ｂ）は上部巻線３の断面図である。

実施例４の変圧器の構成は、図３に示す実施例１の変圧器の構成とほぼ同じなのでその説明は省略する。

実施例４の変圧器では、冷却ダクトの数量が上部巻線３と下部巻線４とで異なるように配置した。

図７（ａ）に示すように、下部巻線４では、窓内（図７の斜線部）の方向の長さはＡ_１であり、窓内を除く辺の長さはＢ_１である。また、図７（ｂ）に示すように、上部巻線３では、窓内方向の長さはＡ_２であり、窓内を除く辺の長さはＢ_２である。

ここで、上部巻線３の窓内方向の長さはＡ_２は、下部巻線４の窓内方向の長さＡ_１よりも大きい。また、上部巻線３の窓内を除く辺の長さはＢ_２は、下部巻線４の窓内を除く辺の長さはＢ_１よりも大きい。

図７（ａ）に示すように、下部巻線４には、冷却ダクト１１が配置されている。また、図７（ｂ）に示すように、上部巻線３には、冷却ダクト１１が配置されている。ここで、上部巻線３の冷却ダクト１１の数量は、下部巻線４の冷却ダクト１１の数量よりも多く、上部巻線３の冷却ダクト１１の厚さは、下部巻線４の冷却ダクト１１の厚さと同じである。

上部巻線３に下部巻線４と同じ厚さの冷却ダクト１１を多く配置することで巻線（電線）が冷却の絶縁油７に触れる面積を増やす。鉄心外形が大きい窓内方向Ａ_１、Ａ_２及び鉄心外形が大きい窓内を除く２辺Ｂ_１、Ｂ_２において、上部巻線３に冷却ダクト１１を多く配置する。

このように、実施例４では、上部巻線３と下部巻線４の冷却ダクト数が異なり、上部巻線３の２辺の外形Ａ_２が下部巻線４の外形Ａ_１よりも大きくなる。さらに、上部巻線３の２辺の外形Ｂ_２が下部巻線４の外形Ｂ_１よりも大きくなる。

図８に示すように、上部巻線３と下部巻線４との間の隙間に、上部巻線３に絶縁油７を導入し隙間を埋める冷却ダクト１３を配置する。具体的には、図７に示すように、下部巻線４の全周に渡り台紙に長方形などの絶縁材（図示せず）を貼り付けた冷却ダクト１３を配置する。

実施例４では、図８に示すように、外形が大きい外側の巻線（電線）では、下から導入される絶縁油７は上部巻線３と下部巻線４との間の隙間からでなく、冷却ダクト１３内を流れる絶縁油７の流線９を介して直接下側から導入される。
また、上部巻線３と下部巻線４を直列接続する場合は、上部巻線３と下部巻線４の外形が異なっても電気特性への影響が少ない。

上記実施例では、油入変圧器の巻線構造において、巻線を上下方向に分割し、その空間から絶縁油を導入し、巻線上下の冷却ダクトの配置により上部巻線を積極的に冷却する。このように、巻線を上下に分割し、冷却ダクトの厚さと数量を上下で変更することにより巻線上下の温度差を均一にすることができる。

さらに、上部巻線の温度を下げることで巻線の平均温度を下げて均一化を図ることで熱劣化の不平衡を解消する。また、上部の高い温度を下げることにより、タンクや絶縁油などの冷却機構全体を圧縮する。これにより、コンパクトな変圧器が提供可能になる。

このように、上記実施例では、巻線上下の温度差を小さくし長期に渡る巻線の熱劣化を抑制することができる。また、変圧器自身を例えば耐熱クラスを上げるなどの高温化を図る場合に、巻線上部の温度を下げ極力安価な絶縁材を採用できるようにして変圧器をコンパクトにすることができる。

１外鉄心
２内鉄心
３上部巻線
４下部巻線
５巻線
６タンク
７絶縁油
８絶縁油の流線
９絶縁油の流線
１０絶縁物
１１冷却ダクト（下部巻線）
１２冷却ダクト（上部巻線）
１３冷却ダクト（外周）

Claims

鉄心と、前記鉄心に巻き回された巻線とが配置されたタンクを有し、前記タンク内は冷却媒体で満たされており、前記巻線内に前記冷却媒体を通過させて前記巻線を冷却する変圧器であって、
前記巻線を前記冷却媒体の循環する上下方向に分割することにより上部巻線と下部巻線を構成し、
前記上部巻線と前記下部巻線との間に形成された隙間を介して前記冷却媒体を前記上部巻線に導入して、前記上部巻線を重点的に冷却することを特徴とする変圧器。
前記上部巻線と前記下部巻線との間には、絶縁物が配置されており、
前記絶縁物は、所定の絶縁距離を確保することにより前記冷却媒体を前記上部巻線に導入する前記隙間を構成することを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
前記下部巻線には、第１の冷却ダクトが配置されており、
前記上部巻線には、第２の冷却ダクトが配置されており、
前記第２の冷却ダクトの数量が前記第１の冷却ダクトの数量よりも多くなるように前記第２の冷却ダクトを前記上部巻線に配置したことを特徴とする請求項１に記載の変圧器。
前記上部巻線の外形は、前記下部巻線の外形と同じであり、
前記第２の冷却ダクトの厚さは、前記第１の冷却ダクトの厚さよりも薄いことを特徴とする請求項３に記載の変圧器。
前記下部巻線と前記上部巻線を、断面水平方向の外形が互いに等しく、かつ断面垂直方向の外形が前記下部巻線よりも前記上部巻線の方が大きくなるように構成し、
前記断面垂直方向の外形を有する部分において、前記第２の冷却ダクトの数量が前記第１の冷却ダクトの数量よりも多くなるように前記第２の冷却ダクトを配置したことを特徴とする請求項３に記載の変圧器。
前記下部巻線と前記上部巻線を、断面水平方向及び断面垂直方向の外形が前記下部巻線よりも前記上部巻線の方が大きくなるように構成し、
前記断面水平方向の外形を有する部分及び前記断面垂直方向の外形を有する部分において、前記第２の冷却ダクトの数量が前記第１の冷却ダクトの数量よりも多くなるように前記第２の冷却ダクトを配置したことを特徴とする請求項３に記載の変圧器。
第３の冷却ダクトを更に配置し、
前記第３の冷却ダクトを介して前記上部巻線に前記冷却媒体を導入することを特徴とする請求項６に記載の変圧器。
鉄心と、前記鉄心に巻き回された巻線とを有する変圧器であって、
前記巻線を上下方向に分割することにより上部巻線と下部巻線を構成し、
前記下部巻線には、第１の冷却ダクトが配置されており、
前記上部巻線には、第２の冷却ダクトが配置されており、
前記第２の冷却ダクトの数量が前記第１の冷却ダクトの数量よりも多くなるように前記第２の冷却ダクトを前記上部巻線に配置したことを特徴とする変圧器。
前記上部巻線の外形は、前記下部巻線の外形と同じであり、
前記第２の冷却ダクトの厚さは、前記第１の冷却ダクトの厚さよりも薄いことを特徴とする請求項８に記載の変圧器。
前記下部巻線と前記上部巻線を、断面水平方向の外形が互いに等しく、かつ断面垂直方向の外形が前記下部巻線よりも前記上部巻線の方が大きくなるように構成し、
前記断面垂直方向の外形を有する部分において、前記第２の冷却ダクトの数量が前記第１の冷却ダクトの数量よりも多くなるように前記第２の冷却ダクトを配置したことを特徴とする請求項８に記載の変圧器。
前記下部巻線と前記上部巻線を、断面水平方向及び断面垂直方向の外形が前記下部巻線よりも前記上部巻線の方が大きくなるように構成し、
前記断面水平方向の外形を有する部分及び前記断面垂直方向の外形を有する部分において、前記第２の冷却ダクトの数量が前記第１の冷却ダクトの数量よりも多くなるように前記第２の冷却ダクトを配置したことを特徴とする請求項８に記載の変圧器。
第３の冷却ダクトを更に配置し、
前記第３の冷却ダクトを介して前記上部巻線に冷却媒体を導入することを特徴とする請求項８に記載の変圧器。