JP3671778B2

JP3671778B2 - 変圧器

Info

Publication number: JP3671778B2
Application number: JP33237899A
Authority: JP
Inventors: 則行林; 康則大野; 直樹南; 敦瀧澤; 祐一梶原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: JP2001148314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変圧器に係り、特に、巻線を冷却する絶縁冷却媒体が巻線の周辺に配置されている折流板に案内されてジグザグに流通し、巻線部を冷却するようになした変圧器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市に設置される変圧器には、防災の関係から強い不燃化の要請があり、また、変圧器自体，大容量化、かつ、小型化の要望も強い。
【０００３】
従来から不燃性の絶縁冷却媒体を用いた変圧器として、ＳＦ₆ガスを用いた
ＳＦ₆ガス絶縁変圧器が知られている。このＳＦ₆ガスは、不燃性の点では優れているが、密度，比熱および熱伝導率などの冷却性能に関する物性値が液状冷却媒体に比べて小さいことから冷却性能が悪く、また、絶縁耐力も小さい嫌いがある。
【０００４】
このため、一般には、絶縁冷却媒体であるＳＦ₆ガスの体積流量を多く流す一方、変圧器巻線内の絶縁距離、すなわち垂直ダクトや水平ダクトなどの絶縁冷却媒体を流す寸法を大きくするようにしている。
【０００５】
変圧器巻線の従来構造の例として、鉄心脚の周りに素線を円板状に巻いた円板巻線、或いはら旋状に巻いたヘリカル巻線の場合を図３に示す。
【０００６】
該図に示すごとく、鉄心脚の外側には同心状に内側絶縁筒１と外側絶縁筒２が配置され、これらの内側絶縁筒１と外側絶縁筒２の間には巻線３が設置されている。巻線３の半径方向の内側、及び外側には絶縁筒１，２に沿って垂直スペーサ（図示せず）を配置して内側，外側垂直ダクト５，６を形成し、また、円板状の巻線３の積層方向には巻線３の各段間に水平スペーサ（図示せず）を挿入して水平ダクト７を形成している。さらに、巻線３間の所々に内側垂直ダクト５と外側垂直ダクト６を交互に閉塞する折流板８が設置されており、折流板８と折流板８の間に複数の巻線３を有する折流区９を形成している。折流板８は、各折流区９の巻線３の数がほぼ等しくなるように配置される。そして、下部絶縁リング１０と巻線部の間から巻線部に流入したＳＦ₆ガス１２は、上に向かって積層方向に流れるに従い巻線部内の半径方向の流れの向きが、折流区９ごとに交互に変わる、所謂、ジグザグの流れとなる。
【０００７】
通常、ＳＦ₆ガス１２は、巻線３の周囲を流れる時に巻線３から熱を奪って巻線３を冷却する。そのため、ＳＦ₆ガス１２の温度は、巻線部下部から上部に行くに従って巻線３から奪った熱によって上昇する。巻線３の温度は、折流区９入口のＳＦ₆ガス１２の温度に、折流区９の入口からの当該折流区９での局部的な温度上昇を足したものとなる。この局部的な温度上昇は、巻線３で発生した熱をＳＦ₆ガス１２に熱伝導や熱伝達で伝えるのに必要な温度差である。このため、上部の折流区９の巻線３ほど温度が高くなる傾向がある。
【０００８】
このようなことから、巻線内のＳＦ₆ガスの流れを改善するために、上部の折流区の折流板の設置間隔を小さくしたり（特開平7−263248 号公報参照）、上部の折流区では、水平ダクトから垂直ダクトに張り出させた流れ制御板（分流板，復流板）を用いて、流れを均一にするようにしたもの（特開平11−168014号公報参照）などもある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示したような各折流区の水平ダクトの高さがほぼ等しい巻線構造では、短絡時に発生する巻線部の軸方向電磁力は図４のような分布になる。巻線に働く軸方向圧縮力は、軸方向電磁力を積分したものであり、図５に示すように巻線部の中央で非常に大きい力になることがある。この短絡時に巻線に働く圧縮力を低減するためには、アンペアターン分布を調整する必要があり、図６に示すように、アンペアターン密度が巻線部の中央域で小さくなるように、水平ダクトの高さを巻線部の中央付近だけ高くする構造が提案されている。巻線部中央付近の水平ダクトの高さは、巻線部下部や上部の水平ダクトの高さの２倍以上になることもある。
【００１０】
図６の巻線構造の短絡時に発生する軸方向電磁力と軸方向圧縮力の分布をそれぞれ図７と図８に示す。このような構造では、短絡時に巻線に働く圧縮力は、図８に示すように確かに低減しているが、巻線部中央付近の折流区では、水平ダクトの高さが高くなった分だけ流速が低下する。前述したように、巻線の温度は、折流区入口のＳＦ₆ガスの温度に、巻線で発生した熱をＳＦ₆ガスに熱伝導や熱伝達で伝えるのに必要な温度上昇を足したものである。熱伝達率は、流速が大きくなれば増大し、流速が小さくなれば減少するので、このような巻線構造では、巻線部中央付近の折流区の熱伝達率が小さくなり、冷却性能が低下する問題がある。
【００１１】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、各折流区において各水平ダクトの冷却に必要な流速を確保し、巻線における局部的に過大な温度上昇を避け、効果的な冷却が行われる巻線冷却構造を有する変圧器を提供するにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の折流区のうち巻線部の軸方向中央付近の４つの折流区における水平ダクト間隔、或いは巻線間隔を他の折流区の水平ダクト間隔、或いは巻線間隔より大きくし、かつ、巻線部中央付近の４つの折流区における前記折流板の設置間隔を他の設置間隔より小さくしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。尚、従来と同一構成のものは同符号を使用し、その説明は省略する。
【００１７】
図１には変圧器の巻線部の構造が断面で示されている。本実施例では、水平ダクト７の高さ（間隔、言い換えると巻線の間隔でもある）は、短絡時に巻線３に働く軸方向圧縮力が低減するように、巻線部中央付近では大きく、それ以外の下部や上部では小さくなっている。また、巻線３間の所々に内側垂直ダクト５と外側垂直ダクト６を交互に閉塞する折流板８が設置してあり、折流板８と折流板８の間に複数の巻線３を有する折流区９を形成する。そして、折流板８は、水平ダクト７の高さが大きい巻線部中央付近の折流区９では巻線３の数、即ち水平ダクト７の数が少なくなるように設置間隔が小さく、水平ダクト７の高さが小さい巻線部下部や上部の折流区９では巻線３の数、即ち水平ダクト７の数が多くなるように設置間隔が大きく配置されている。
【００１８】
巻線部の下から流入した絶縁冷却媒体（ＳＦ₆ガス）１２は、上に向かって積層方向に流れるに従い、巻線部内の半径方向の流れの向きが折流区９ごとに交互に変わる、所謂、ジグザグの流れとなる。この半径方向に水平ダクト７を流れるＳＦ₆ガス１２の流速は、折流区９全体としての水平ダクト７の合計流路断面積によって決まり、図１に示すような構成の変圧器においては、巻線部中央付近の水平ダクト７の高さが大きい折流区９では、水平ダクト７の数が少なく、また、水平ダクト７の高さが小さい巻線部下部や上部の折流区９では水平ダクト７の数が多いので、それぞれの折流区９の折流区９全体としての水平ダクト７の合計流路断面積はほぼ等しくなり、水平ダクト７を流れるＳＦ₆ガス１２の流速もほぼ等しくなる。ＳＦ₆ガス１２は巻線３の周囲、特に水平ダクト７を流れる時に、巻線３から熱を奪って巻線３を冷却する。巻線３の温度は、折流区９入口のSF₆ガス１２の温度に、折流区９入口からの当該折流区９での局部的な温度上昇を足したものとなる。この局部的な温度上昇は、巻線３で発生した熱をＳＦ₆ガス
１２に熱伝導や熱伝達で伝えるのに必要な温度上昇である。熱伝達率は、流速が大きくなれば増大し、流速が小さくなれば減少し、流速が等しければ、熱伝達率もほぼ等しくなる。この結果、すべての折流区９において、局部的に過大な巻線３の温度上昇のない効果的な冷却を行うことができる。
【００１９】
図２は、本発明のその他の実施例を示す断面図である。本実施例では、水平ダクト７の高さは、短絡時に巻線３に働く軸方向圧縮力が低減するように、巻線部中央付近では大きく、それ以外の下部や上部では小さくなっている。さらに、巻線３間の所々に内側垂直ダクト５と外側垂直ダクト６を交互に閉塞する折流板８が設置してあり、折流板８と折流板８の間に複数の巻線３を有する折流区９を形成する。そして、折流板８は、各折流区９の巻線３の数、即ち、水平ダクト７の数が等しくなるように配置されている。しかも、水平ダクト７の高さが大きい巻線部中央付近の折流区９には、水平ダクト７から垂直ダクト５，６内にその一部が張り出すように形成した案内板である分流板（第１の媒体流通構造物）１３と復流板（第２の媒体流通構造物）１４が設置してある。
【００２０】
図９は、分流板１３と復流板１４を有する折流区９の詳細を示す断面図で、折流板８ａが外側絶縁筒２に、折流板８ｂが内側絶縁筒１に接して配置され、内外（この図では左右）交互に開口部１５ａ，１５ｂが設けられて折流区９が形成されている。この図の場合、１つの折流区９には、１０段の巻線３が水平ダクト７を隔てて配置されている。巻線３の間に形成されている水平ダクト７のうち、下から５番目の水平ダクト７には、このダクトから内側垂直ダクト５に張り出して分流板１３が設けられ、また、下から７番目の水平ダクト７にも、外側垂直ダクト６に張り出して復流板１４が設けられている。
【００２１】
このような構成の折流区９において、ＳＦ₆ガスは流入出部１５ａから折流区９に入り、内側垂直ダクト５を上昇し、分流板１３のところをそのまま流れるものと、折流板８ａと分流板１３までの間の水平ダクト７を流れるものに分岐する。水平ダクト７を通過したＳＦ₆ガスは外側垂直ダクト６を上昇するが、復流板１４のところで、そのまま外側垂直ダクト６を流れるものと、水平ダクト７を内側垂直ダクト５に向かって(近隣の水平ダクト７での流れと逆方向に)流れるものに分岐する。分流板１３のところで、内側垂直ダクト５をそのまま流れたＳＦ₆ガスは、水平ダクト７を流れて外側垂直ダクト６を経て、次段の折流区９の流入出部１５ｂに至る。その結果、各水平ダクト７とも流れの滞留は起こらず、どの巻線３に注目しても、巻線３の冷却に十分な流速が得られる。この図では、折流区への流入口が左にあるが、流入口が右の場合には、左右が反対の構造になることは勿論であり、このものでも同様の効果が得られる。
【００２２】
図２に示すような構成の変圧器においては、折流区９全体としての水平ダクト７の合計流路断面積が大きくなり、水平ダクト７を流れるＳＦ₆ガス１２の流速が小さくなる巻線部中央付近の水平ダクト７の高さが大きい折流区９には、分流板１３と復流板１４が設置してあり、前述のように、各水平ダクト７の冷却に必要な流速が確保できるので、局部的に過大な巻線３の温度上昇のない効果的な冷却を行うことができる。また、水平ダクト７の高さが小さい巻線部下部や上部の折流区９では、折流区９全体としての水平ダクト７の合計流路断面積が小さいので、当然、各水平ダクト７の冷却に必要な流速が確保できる。この結果、巻線部すべての折流区９において、各水平ダクト７の冷却に必要な流速を確保し、巻線３における局部的に過大な温度上昇を避け、効果的な冷却が行われることになる。
【００２３】
ところで、巻線の温度は、折流区入口のＳＦ₆ガスの温度に、巻線で発生した熱をＳＦ₆ガスに熱伝導や熱伝達で伝えるのに必要な温度上昇を足したものとなる。このため、折流区入口のＳＦ₆ガスの温度が上昇するか、折流区の水平ダクトにおけるＳＦ₆ガスの流速が遅くて熱伝達率が低下すると、局部的に過大な巻線の温度上昇を生じる可能性がある。ＳＦ₆ガスは巻線の周囲を流れる時に、巻線から熱を奪って巻線を冷却するので、ＳＦ₆ガスの温度は、巻線部下部から上部に行くほど巻線から奪った熱によって高くなる。このことから、ＳＦ₆ガスの流速の遅い巻線部中央付近の折流区とともに巻線部上部の折流区も巻線が局部的に過大な温度上昇を起こすおそれがある。
【００２４】
以上のことを考慮した実施例を図１０〜図１３に示す。図１０は複数の折流区９のうち、巻線部中央付近と巻線部上部の折流区９の巻線３の数、即ち、水平ダクト７の数がその他の折流区９より少なくなるように巻線部中央付近と巻線部上部の折流板８の設置間隔を小さくしたものであり、図１１は複数の折流区９のうち、巻線部中央付近と巻線部上部の折流区９に分流板と復流板を設置した構造の変圧器である。また、図１２と図１３は複数の折流区９のうち、巻線部中央付近と巻線部上部の折流区９のどちらか一方の折流区９の巻線３の数、即ち、水平ダクト７の数が他の折流区９より少なくなるように折流板８の設置間隔を小さくなし、もう一方の折流区９には分流板と復流板を設置するようになした変圧器である。
【００２５】
このような構造の変圧器であると、図１や図２で示した変圧器に比べて、巻線が局部的に過大な温度上昇を起こすおそれがある巻線部上部の折流区でより高速のＳＦ₆ガスの流れが確保でき、効果的な冷却が行える。
【００２６】
なお、以上の説明では、ガス絶縁変圧器を例に説明してきたが、本発明は発熱量の多い油入変圧器に適用しても同様な効果があることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、各折流区において各水平ダクトの冷却に必要な流速を確保し、巻線における局部的に過大な温度上昇を避け、効果的な冷却が行われる巻線冷却構造を有する変圧器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変圧器の一実施例を示す巻線部の断面図である。
【図２】本発明の他の一実施例を示す巻線部の断面図である。
【図３】従来の変圧器を示す巻線部の断面図である。
【図４】従来の変圧器の短絡時に発生する巻線部の軸方向電磁力を示す特性図である。
【図５】従来の変圧器の短絡時に巻線に働く圧縮力を示す特性図である。
【図６】従来の他の変圧器を示す巻線部の断面図である。
【図７】従来の他の変圧器の短絡時に発生する巻線部の軸方向電磁力を示す特性図である。
【図８】従来の他の変圧器の短絡時に巻線に働く圧縮力を示す特性図である。
【図９】本発明の一実施例の巻線部の細部を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の他の一実施例を示す巻線部の断面図である。
【図１１】本発明の他の一実施例を示す巻線部の断面図である。
【図１２】本発明の他の一実施例を示す巻線部の断面図である。
【図１３】本発明の他の一実施例を示す巻線部の断面図である。
【符号の説明】
１…内側絶縁筒、２…外側絶縁筒、３…巻線、５…内側垂直ダクト、６…外側垂直ダクト、７…水平ダクト、８…折流板、９…折流区、１０…下部絶縁リング、１１…上部絶縁リング、１２…ＳＦ₆ガス、１３…分流板、１４…復流板。

Claims

鉄心脚の周りに絶縁筒を隔壁として巻回され軸方向に積層された巻線と、この巻線の積層間に水平ダクトを形成する水平スペーサと、前記巻線の側部に垂直方向のダクトを形成する垂直スペーサと、前記垂直方向のダクト部に交互に開口部を有して配置され、前記巻線部に複数の折流区を形成する折流板とを備え、前記巻線を冷却する絶縁冷却媒体が、前記折流区を巻線の積層方向にジグザグに流通する変圧器において、
前記複数の折流区のうち巻線部の軸方向中央付近の４つの折流区における水平ダクト間隔を他の折流区の水平ダクト間隔より大きくし、かつ、巻線部中央付近の４つの折流区における前記折流板の設置間隔を他の設置間隔より小さくしたことを特徴とする変圧器。
鉄心脚の周りに絶縁筒を隔壁として巻回され軸方向に積層された巻線と、この巻線の積層間に水平ダクトを形成する水平スペーサと、前記巻線の側部に垂直方向のダクトを形成する垂直スペーサと、前記垂直方向のダクト部に交互に開口部を有して配置され、前記巻線部に複数の折流区を形成する折流板とを備え、前記巻線を冷却する絶縁冷却媒体が、前記折流区を巻線の積層方向にジグザグに流通する変圧器において、
前記複数の折流区のうち巻線部の軸方向中央付近の４つの折流区における巻線間隔を他の折流区の巻線間隔より大きくし、かつ、巻線部中央付近の４つの折流区における前記折流板の設置間隔を他の設置間隔より小さくしたことを特徴とする変圧器。