JP5317930B2

JP5317930B2 - 静止誘導電器

Info

Publication number: JP5317930B2
Application number: JP2009255619A
Authority: JP
Inventors: 尚英松尾; 則行林; 正樹竹内; 孝平佐藤; 正尚桑原; 博之遠藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-11-09
Also published as: JP2011100904A

Description

本発明は変圧器やリアクトル等の静止誘導電器に係り、特に、静止誘導巻線に対してサージ保護対策を施している静止誘導電器に関する。

変圧器等の静止誘導電器において、故障や破損に至る原因のうち最も多いものは、雷等によって発生した過電圧（サージ）が侵入した結果、静止誘導電器を構成する静止誘導巻線内部に絶縁耐力以上の過電圧が過渡的に生じ、絶縁破壊に至るというものである。サージ侵入に対して静止誘導巻線内部に発生する過渡過電圧（電位振動）は、静止誘導巻線内部の全静電容量Ｋに対する巻線の全対地静電容量Ｃの比率の平方根で表されるα＝（（Ｃ／Ｋ）の平方根））の値が小さいほど、その最大値が小さくなるため、電位振動を抑制する方法としては、静止誘導巻線内部の静電容量を増やす方法が一般的に用いられる。

静止誘導電器の静止誘導巻線内部の静電容量を増やす手段としては、導電性シールド材を使用して電位の離れた巻線導体同士を静電結合させ、等価的に静電容量を増加させる方法がよく用いられる。

導電性シールド材による静止誘導巻線内部の静電容量増加方法としては、図５に示すように、磁性鉄心１と、この磁性鉄心１の外周に巻装された円筒型低圧巻線２と、この円筒型低圧巻線２の外周に隙間を介して複数層同心的に高圧巻線層３Ａ〜３Ｄを形成した円筒型高圧巻線３と、これらを一括収納する収納タンク４とを有する変圧器において、例えば、線路端３Ｔと接続している高圧巻線層３Ａの内周側に隙間を介して、線路端３Ｔと電気的に直接接続された導電性シールド材５を配置している。

尚、関連する技術として特許文献として特許文献１が存在する。

特開昭６３−２０９１１２号公報

上記背景技術に開示の変圧器においては、導電性シールド材５による円筒型高圧巻線３内部の静電容量が増加するので、過渡過電圧を抑制することができる。しかしながら、導電性シールド材５を配置した円筒型高圧巻線３の内径側に円筒型低圧巻線２が存在するので、高圧巻線層３Ａの線路端３Ｔと同電位となる導電性シールド材５と円筒型低圧巻線２との絶縁距離を確保しなければならず、その結果、円筒型高圧巻線３と円筒型低圧巻線２間の間隔が広くなり、その分、円筒型高圧巻線３の外径寸法が増大し、変圧器全体を大型化する問題点があった。

本発明の目的は、静止誘導巻線の外径寸法の増大を抑制しつつ、過渡過電圧を抑制することができる静止誘導電器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、磁性鉄心の周囲に装着された円筒型低圧巻線の外周に隙間を介し同心的に複数層形成した円筒型高圧巻線と、前記円筒型高圧巻線と電位差のある部材との間に前記磁性鉄心の周方向に不連続となる導電性シールド材を絶縁材によって支持して配置すると共に、この導電性シールド材を前記円筒型高圧巻線の長手方向全長に亘って対向させ、前記導電性シールド材と前記円筒型高圧巻線との間隔は、前記円筒型高圧巻線の各層間の間隔よりも狭く形成して静止誘導電器を構成したのである。

上記構成とすることで、導電性シールド材は、静止誘導電器内のいずれの導電性部位とも電気的に直接接続されておらず、導電性シールド材を配置している円筒型巻線と静電結合しているため、導電性シールド材の電位は、導電性シールド材と対向する範囲に位置する円筒型巻線の巻線導体電位の平均値となる。

その結果、導電性シールド材の電位は、円筒型巻線の線路電位よりも低くなり、導電性シールド材と対向する他巻線との絶縁距離を、導電性シールド材の電位が線路電位と同電位である場合に比べて小さくでき、円筒型巻線の外径寸法を縮小して静止誘導電器の小型化を図ることができる。

以上説明したように本発明によれば、静止誘導巻線の外径寸法の増大を抑制しつつ、導電性シールド材によって過渡過電圧を抑制することができる静止誘導電器を得ることができる。

本発明による静止誘導電器の第１の実施の形態を示す変圧器の概略縦断面図。第１の実施の形態の変形例を示す円筒型巻線の上端部近傍の拡大図。本発明による静止誘導電器の第２の実施の形態を示す変圧器の概略縦断面図。本発明による静止誘導電器の第１の実施の形態の作用を示す図３相当図。従来の変圧器を示す図１相当図。

以下本発明による静止誘導電器の第１の実施の形態を図１に示す変圧器に基づいて説明する。

変圧器は、磁性鉄心１と、この磁性鉄心１の外周に巻装された円筒型低圧巻線２と、この円筒型低圧巻線２の外周に間隔を介して配置され複数の円筒巻線層３Ａ〜３Ｄを同心的に配置した円筒型高圧巻線３と、これらを一括収納する収納タンク４とを備えている。

そして、前記円筒型低圧巻線２と円筒型高圧巻線３との間で、円筒型高圧巻線３の内径側に接近する位置に、筒状の導電性シールド材５を配置している。この導電性シールド材５は、前記磁性鉄心１の周方向に対して１ターンを形成しないような、云い代えれば、磁性鉄心１の周方向に不連続となる導電性シールド材５を図示しない絶縁材によって支持して配置している。即ち、導電性シールド材５に循環電流が流れないように、筒状の導電性シールド材５の周方向の少なくとも１箇所を切り欠いて分離させている。さらに、この導電性シールド材５は、円筒型高圧巻線３の長手方向（図１の場合、高さ方向）の全長に亘って対向するように配置している。

本実施の形態によれば、導電性シールド５が、円筒型高圧巻線３や変圧器のいずれの導電性部位とも電気的に直接接続されていないので、かつ、前記円筒型低圧巻線２と円筒型高圧巻線３との間で、円筒型高圧巻線３の内径側に接近する位置に、筒状の導電性シールド材５を配置しているので、導電性シールド５の電位は、静電結合している円筒型高圧巻線３の最内径側に位置する円筒巻線層３Ａ内の長手方向の巻線導体の平均電位と等しくなる。その結果、導電性シールド５の効果によって、円筒型高圧巻線３の過渡過電圧（電位振動）が抑制されるため、その電位分布は線路端３Ｔから接地端まで直線分布に近くなる。

導電性シールド５の電位が、静電結合している円筒型高圧巻線３の最内径側に位置する円筒巻線層３Ａ内の長手方向の巻線導体の平均電位と等しくなるので、当然、電位は線路端３Ｔの電位よりも低くなり、導電性シールド材５と対向する円筒型低圧巻線２との電位差は、導電性シールド材５が線路端３Ｔと電気的に直接接続されて線路端３Ｔと同電位となる場合に比べて小さくなる。その結果、導電性シールド材５と円筒型低圧巻線２の間に必要な絶縁距離を短くすることができる。

尚、導電性シールド材５と円筒巻線層３Ａとの間には、大きな静電結合を生じさせる必要があるため、両者は近接配置させる必要がある。さらに、円筒巻線層３Ａ，３Ｂ間にも静電結合が生じるが、それと同程度以上の静電結合を導電性シールド材５と円筒巻線層３Ａの間に生じさせるため、導電性シールド材５と円筒巻線層３Ａとの間の絶縁距離Ｗ１は、円筒巻線層３Ａ，３Ｂの間の絶縁距離Ｗ２以下にするのが適当である。また、導電性シールド材５の電位は円筒巻線層３Ａ内の長手方向（高さ方向）に隣接する巻線導体の電位の平均電位であり、導電性シールド材５と円筒巻線層３Ａの間の差電圧は、円筒巻線層３Ａ，３Ｂ間の差電圧の半分以下となるため、より好ましくは、絶縁距離Ｗ１は絶縁距離Ｗ２の半分程度が適切である。

ところで、導電性シールド材５の材料としては、シート状の薄板導体、箔状の導体、金属細線の編組線、絶縁物表面へ吹き付けまたは塗布された導電性塗料等が適当である。

さらに、第１の実施の形態においては、導電性シールド材５を円筒型高圧巻線３の長手方向に一体構造としているが、長手方向に複数に分割した構成であっても同様の効果が得られる。加えて、円筒状の導電性シールド材５を周方向に複数分割してもよく、これを長手方向に分割と組合わせてもよい。

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、導電性シールド材５と円筒型低圧巻線２との間に必要な絶縁距離を短くすることができ、その結果、高圧側円筒巻線１に発生する過電圧を抑制できるとともに、高圧側円筒巻線１と円筒型低圧巻線２との間の絶縁距離増加が抑制され、静止誘導電器の小型化が可能となる。

また、導電性シールド材５と、静止誘導電器内のいずれかの導電性部位とを電気的に直接接続する必要がないため、導電性シールド材５の配置作業が簡略化でき、生産性の向上を図ることができる。

次に、第１の実施の形態の変形例を図２に基づいて説明する。

本変形例において、円筒型高圧巻線３の内径側に位置する円筒巻線層３Ａと間隔を介して対向する導電性シールド材６の長手方向寸法（高さ方向寸法）の両端に、円筒巻線層３Ａの長手方向寸法（高さ方向寸法）を超えて延在する電界緩和部６Ｅを設けたのである。

即ち、円筒巻線層３Ａは絶縁層３ｂで被覆された巻線導体３ａが巻回されて形成しており、巻線導体３ａの断面を見ると、その断面角部は小曲率半径Ｒ１に形成されており、そこに電界が集中して絶縁層３ｂを劣化させ、強いては絶縁破壊させる虞があるために、周囲の構成部材（円筒型低圧巻線２や磁性鉄心１から延在する継鉄（図示せず））との間に所定の絶縁距離を確保していた。

このような問題を解消するために、導電性シールド材６の長手方向寸法（高さ方向寸法）の両端に、円筒巻線層３Ａの長手方向寸法（高さ方向寸法）を超えて延在し、巻線導体３ａの断面角部の小曲率半径Ｒ１よりも大きな曲率半径Ｒ２とする電界緩和部６Ｅを設け、この電界緩和部６Ｅで円筒巻線層３Ａの長手方向端部を間隔を介して覆ったのである。

このように構成することで、巻線導体３ａの断面角部に集中する電界を導電性シールド材６の電界緩和部６Ｅで緩和することができ、その結果、周囲の構成部材との絶縁距離を短縮することができ、変圧器の小型化を図ることができる。

本変形例によれば、第１の実施の形態と同様な効果を奏することができると共に、変圧器の小型化を図ることができる。
その結果、円筒型低圧巻線２との間の絶縁距離、ならびに円筒巻線層３Ａの上方に位置している鉄心ヨーク（図示していない）との間の絶縁距離を短くすることができる。

図３は、本発明による静止誘導電器の第２の実施の形態を示す変圧器であり、第１の実施の形態と異なる構成は、円筒型低圧巻線２が複数のシート導体２Ａ〜２Ｃで構成されている点である。

円筒型低圧巻線２をシート導体２Ａ〜２Ｃで構成した場合、変圧器稼動中に例えば最外周側のシート導体２Ａに渦電流Ｉａが流れる。この渦電流Ｉａによって円筒型高圧巻線３側に向かう磁束（磁束反発力Ｆａと記す）が生じ、この磁束反発力Ｆａによって円筒型低圧巻線２と円筒型高圧巻線３との間を通過する漏洩磁束Φの一部を円筒型高圧巻線３側に押し出して円筒型高圧巻線３の長手方向端部に鎖交させることになる。しかしながら、円筒型高圧巻線３の長手方向端部における巻線導体に対する漏洩磁束Φの鎖交量が多くなると、円筒型高圧巻線３の漂遊損が増加し、変圧器性能を低下させることになる。

しかしながら、本実施の形態においては、第１の実施の形態と同じように、円筒型高圧巻線３の内径側に導電性シールド材５が設置されているので、変圧器稼動中にシート導体２Ａの渦電流Ｉａとは逆向きの渦電流Ｉｂが導電性シールド材５に流れ、この渦電流Ｉｂによって円筒型低圧巻線２側に向かう磁束（磁束反発力Ｆｂと記す）を発生する。この導電性シールド材５による磁束反発力Ｆｂがシート導体２Ａによる磁束反発力Ｆａを低減あるいは相殺することで、磁束反発力Ｆａによる円筒型高圧巻線３の長手方向端部における漏洩磁束Φの鎖交量は低減され、円筒型高圧巻線３に発生する漂遊損を減少させて変圧器の性能を向上させることができる。ところで、導電性シールド材５が変圧器内のいずれの導電性部位とも電気的に直接接続されていないことで、導電性シールド材５端部に流れる渦電流Ｉｂは導電性シールド材５内部に限定されるため、渦電流Ｉｂによる漂遊損の増加は最小限に抑制される。

本実施の形態によれば、前述の実施の形態と同様な効果を奏するほか、円筒型高圧巻線３に発生する漂遊損を低減して変圧器の効率向上が可能となる。

図４は、図１に示す第１の実施の形態における円筒型高圧巻線３に対する漏洩磁束Φの鎖交量が低減する効果を説明するものである。

即ち、円筒型低圧巻線２が円筒型高圧巻線３と同様に各巻線導体が絶縁されてディスク状に巻回されて形成されている場合、円筒型低圧巻線２には、漏洩磁束Φを円筒型高圧巻線３側に押し出す磁束反発力は発生しない。しかしながら、円筒型高圧巻線３の端部に鎖交する漏洩磁束Φは存在する。そこで第１の実施の形態によれば、上述の導電性シールド材５による磁束反発力Ｆｂによって鎖交する漏洩磁束Φを円筒型低圧巻線２側に押し戻すことで、漏洩磁束Φの円筒型高圧巻線３の端部への鎖交量を低減して漂遊損を減少させて変圧器の性能を向上させることができる。

以上の説明は静止誘導電器として磁性鉄心の周囲に、円筒型低圧巻線を装着し、その外周に円筒型高圧巻線を装着した変圧器について説明したが、これらに限定されるものではなく、円筒型低圧巻線と円筒型高圧巻線との間に円筒型中圧巻線を有する変圧器に対しても適用可能である。

さらに、以上の説明は、円筒型高圧巻線の内径側に導電性シールド材を配置したが、巻線の結線方式によっては、円筒型高圧巻線と収納タンクとの間に導電性シールド材を配置してもよく、また、円筒型高圧巻線の内径側と外径側の両方に導電性シールド材を配置してもよい。

以上に説明は静止誘導電器として変圧器を一例に説明したが、磁性鉄心に１つの静止誘導巻線を備えたリアクトルについても本発明を適用することができる。

１…磁性鉄心、２…円筒型低圧巻線、２Ａ〜２Ｃ…シート導体、３…円筒型高圧巻線、３Ａ〜３Ｄ…円筒巻線層、３ａ…巻線導体、３ｂ…絶縁層、３Ｔ…線路端、４…収納タンク、５，６…導電性シールド材、６Ｅ…電界緩和部。

Claims

磁性鉄心と、この磁性鉄心の周囲に装着された円筒型低圧巻線と、この円筒型低圧巻線の外周に隙間を介し同心的に複数層形成した円筒型高圧巻線と、これらを収納する収納タンクとを備えた静止誘導電器において、前記円筒型高圧巻線と電位差のある部材との間に前記磁性鉄心の周方向に不連続となる導電性シールド材を絶縁材によって支持して配置すると共に、この導電性シールド材を前記円筒型高圧巻線の長手方向全長に亘って対向させ、前記導電性シールド材と前記円筒型高圧巻線との間隔は、前記円筒型高圧巻線の各層間の間隔よりも狭く形成されていることを特徴とする静止誘導電器。
前記導電性シールド材は、前記円筒型低圧巻線と前記円筒型高圧巻線との間に設置されていることを特徴とする請求項１記載の静止誘導電器。
前記導電性シールド材は、前記円筒型高圧巻線と前記収納タンクとの間に設置されていることを特徴とする請求項１記載の静止誘導電器。
前記導電性シールド材は、前記円筒型高圧巻線の長さを超える範囲に延在されていることを特徴とする請求項請求項１〜３のいずれかに記載の静止誘導電器。
前記導電性シールド材の前記円筒型高圧巻線の長さを超えた部分は、前記円筒型高圧巻線の巻線導体角部の曲率半径よりも大きな曲率半径で巻線導体側に折り曲げて電界緩和部を形成していることを特徴とする請求項４記載の静止誘導電器。
前記導電性シールド材は、薄板状あるいは箔状の導電体、金属細線の編組線、あるいは基板に塗装された導電性塗料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の静止誘導電器。
前記円筒型低圧巻線は、シート状導体であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の静止誘導電器。
磁性鉄心と、この磁性鉄心の周囲に装着された円筒型低圧巻線と、この円筒型低圧巻線の外周に隙間を介し同心的に複数層形成した円筒型高圧巻線と、これらを収納する収納タンクとを備えた静止誘導電器において、前記円筒型高圧巻線の内周と前記円筒型低圧巻線の外周との間に前記磁性鉄心の周方向に不連続となる導電性シールド材を絶縁材によって支持して配置すると共に、この導電性シールド材を前記円筒型高圧巻線の長手方向全長に亘って対向させ、かつ、前記導電性シールド材と前記円筒型高圧巻線との間隔は、前記円筒型高圧巻線の各層間の間隔よりも狭く形成したことを特徴とする静止誘導電器。