JP5404293B2

JP5404293B2 - ガス絶縁変圧器

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Publication number: JP5404293B2
Application number: JP2009234886A
Authority: JP
Inventors: 均小泉; 慎山田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: JP2011082414A

Description

本発明は、冷却媒体の流路構成に改善を加えたガス絶縁変圧器に関するものである。

ガス絶縁変圧器は、変圧器本体を収納したタンクの内部に、冷却及び絶縁の媒体として不燃性の絶縁ガスを封入したものであり、安全性やコンパクト性に優れている。そのため、近年、都市部の地下変電所などでは、絶縁油を封入した油入変圧器に代わり、ガス絶縁変圧器が増加している。

ガス絶縁変圧器は、絶縁性能に関しては油入変圧器と比較して遜色ないものの、冷却性能については、媒体の物質特性の違いから、油入変圧器よりも低くなることは否めない。冷却媒体となる絶縁ガスが、絶縁油より劣る冷却特性を有するため、この絶縁ガスで変圧器を冷却するには、変圧器から発生する熱量を減らす必要が生じる。しかし、発生熱量を減らせば、変圧器の大型化を招くことになるので、好ましくない。

変圧器の熱の発生源は、鉄心や巻線等で構成される変圧器本体であり、変圧器本体を効率良く冷却することが、冷却性能の向上につながる。そこで従来、冷却器を用いて絶縁ガスを冷却すると共に、ブロア（送風機）を使うことで冷却した絶縁ガスを変圧器のタンク内に強制対流させるガス絶縁変圧器が提案されている。

このような冷却器およびブロアを備えたガス絶縁変圧器の従来例について、図７、図８を参照して具体的に説明する。図７は従来のガス絶縁変圧器の断面図、図８は同じく平面図である。図７に示すように、ガス絶縁変圧器には断面が円形状となるタンク１が設けられている。タンク１内部の中央には鉄心２および鉄心２に巻回した巻線３からなる変圧器本体が収納されている。また、タンク１内部には冷却および絶縁媒体である絶縁ガス６が封入されている。

さらに、タンク１側面の上部および下部にはガス流出口７およびガス流入口部８が形成されており、これらガス流出口７およびガス流入口８に絶縁ガス６を流す配管９が接合されている。配管９には絶縁ガス６のガス流量が十分に確保できる断面積を持つものが用いられている。

配管９の途中には、絶縁ガス６をタンク１内に強制対流させるブロア４と、絶縁ガス６を冷却するための冷却器５が配置されている。また、タンク１内部において、巻線３の下面部付近にはタンク１を上下方向に仕切る仕切り板１０が水平に取り付けられている。

上記の構成を有するガス絶縁変圧器において、タンク１内の絶縁ガス６は、鉄心２および巻線３の熱を奪いつつ、タンク１内を上昇する。タンク１内の上部に達した絶縁ガス６は、ガス流出口７を経て、配管９に通り、配管９を下降して冷却器５に入る。

冷却器５内の絶縁ガス６は、空気や水等に熱交換されて温度が低下する。低温となった絶縁ガス６は、冷却器５から出て、ブロア４によって再びガス流入口８からタンク１内に流れ込み、鉄心２および巻線３の下部から流入する。このとき、絶縁ガス６はタンク１内の仕切り板１０によって遮断されながら、鉄心２および巻線３の下部に至る。

したがって、ガス流入口８側とガス流出口７側との間に差圧が生じることになり、鉄心２および巻線３に対して流れる絶縁ガス６のガス流速を確保することが可能となる。所定の流速を確保した絶縁ガス６は鉄心２および巻線３から熱を奪いながら上昇し、再びガス流出口７および配管９に通って冷却器５に入る。

以上のようにしてタンク１の内部を循環する絶縁ガス６の閉ループが構成され、低温の絶縁ガス６をタンク１内に強制対流させることができる。この結果、絶縁ガス６が絶縁油と同等相当の冷却特性を持つことが可能となり、ガス絶縁変圧器は高い冷却性能を確保することができる。

しかし、上述したガス絶縁変圧器では、タンク１の外部に配管９を設けているため、配管９の設置用スペースが必要となる。したがって、変電所でのガス絶縁変圧器の占有容積が大きくなり、変電所の設置面積を大きくする要因となっていた。

しかも、配管９はタンク１の上部から下部にわたって延びており、配管９の長さ寸法は全体としてかなり長い。このため、配管９の取付け作業は面倒であり、ガス絶縁変圧器の組立作業に多くの時間を要してしまい、製造コストの増大を招いた。これらの問題点を解消すべく、配管９として機能するガス流通路を、タンク１の内部に形成したガス絶縁変圧器が提案されている。

例えば、特許文献１記載のガス絶縁変圧器では、図９に示すように、タンク１の内壁面に近接する仕切り板１１が、タンク１上面部より垂直に設置されている。この仕切り板１１とタンク１の内壁面とで挟まれた空間によりガス流通路１４が形成される。また、仕切り板１１の下端部とタンク１底面部との間には下側の隙間１２が形成されている。

さらに、タンク１上面部において左縁部にはガス流出口７が、右縁部にはガス流入口８が、それぞれ開口されている。このうち、ガス流出口７の下方に、前記ガス流通路１４が連通されることになる。なお、特許文献１記載のガス絶縁変圧器では、冷却器４はタンク１の上面部の上方に配置されている。

以上のようなガス絶縁変圧器では、冷却器４にて冷却された絶縁ガス６は、ガス流入口８を通ってガス流通路１４を下降していき、タンク１底面部に達すると下側の隙間１２を通り抜けて、鉄心２および巻線３の下部へと流入する。つまり、タンク１内部のガス流通路１４が、図７、図８にて示した配管９の役割を果たすことになる。このため、タンク１外部に設置する配管９を省略することができ、製造コストの低減化ならびに変圧器のコンパクト化を実現することができる。

特開平７−２２６３２２号公報

しかしながら、従来のガス絶縁変圧器には次のような課題が指摘されていた。すなわち、前記特許文献１記載のガス絶縁変圧器や、図７および図８にて示した従来のガス絶縁変圧器では、絶縁ガス６は鉄心２及び巻線３の上部からタンク１上面部のガス流出口７に向かって流れるが、絶縁油と異なり絶縁ガス６は比重が小さく粘性が低い。

このため、鉄心２及び巻線３から熱を奪うことで高温となった絶縁ガス６が、ガス流出口７に集中して配管９に対し直線的に流れ込むことになる。その結果、ガス流出口７近辺に多量の高温ガスが集中的に当たり、ガス流出口７付近（図８、図９にて一点鎖線にて示した部分）の温度がタンク１の他の部分よりも局部的に高くなった。このような局部的な温度上昇がタンク１内に発生すると、変圧器の性能が不安定になるおそれがあり、早急な改善が待たれていた。

本発明は、前記の課題を解決するために提案されたものであって、その目的は、絶縁ガスの流通路をタンク内部に形成することでコストダウンとコンパクト化を図ったガス絶縁変圧器において、タンク内部のガス流通路に対し高温の絶縁ガスを均一に導入することによりタンクの局部的な温度上昇を防いで信頼性の向上に寄与するガス絶縁変圧器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、タンク内には、鉄心および鉄心に巻回した巻線からなる変圧器本体を収納すると共に冷却および絶縁媒体である絶縁ガスを封入し、前記タンク壁面には前記絶縁ガスを前記タンクの外部へ流出させるガス流出口と、前記絶縁ガスを前記タンクの内部へ流入させるガス流入口とを開口し、これらガス流出口およびガス流入口には前記絶縁ガスを流す配管を接合して、前記配管により前記絶縁ガスを取り込んで冷却する冷却器ならびに前記冷却器にて冷やした前記絶縁ガスを前記タンク内に送り込むブロアを備えたガス絶縁変圧器において、前記タンクの内壁面と前記変圧器本体との間には仕切り板を垂直に設置し、前記仕切り板の上部と前記タンク内壁面との間には前記絶縁ガスが通過する隙間を設け、前記タンクの内壁面と前記仕切り板とで挟まれた空間により前記絶縁ガスの流れるガス流通路を形成し、当該ガス流通路は前記変圧器本体から出た前記絶縁ガスを前記隙間から前記ガス流出口を経て前記配管に導入するように構成し、前記仕切り板の上部と前記タンク内壁面との間の前記隙間として、前記絶縁ガスが通過するガス通過口を前記タンクの長手方向に複数設け、前記複数のガス通過口のうち、前記配管近傍の前記ガス通過口は開口面積を小さくし、前記配管から遠い前記ガス通過口の開口面積を大きくしたことを特徴とするものである。

本発明のガス絶縁変圧器によれば、変圧器本体から流出した絶縁ガスが仕切り板上部とタンク内壁面との間の隙間を流れる際、ガス流に圧力損失が発生するので、絶縁ガスはガス流通路に均一に流れ込むことができ、これにより高温の絶縁ガスの集中に伴う局部的な温度上昇を回避することが可能となり、信頼性の向上が図れる。

本発明に係る第１の実施形態の正面断面図。図１の平面図。第１の実施形態の変形例の正面断面図。本発明に係る第２の実施形態の正面図。図４の平面図。本発明に係る第３の実施形態の正面断面図。従来のガス絶縁変圧器の正面断面図。図７の平面図。従来のガス絶縁変圧器の正面断面図。

以下、本発明の実施形態の一例について、図面を参照して説明する。下記の実施形態において、図７〜図９に示した従来例と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。下記の実施形態はいずれも、タンク１内に、鉄心２および巻線３で構成される変圧器本体を収納すると共に、冷却および絶縁媒体である絶縁ガス６を封入し、この絶縁ガス６をタンク１に強制対流させるブロア４と、絶縁ガス６を冷却する冷却器４とを備えたガス絶縁変圧器に適用したものである。

（１）第１の実施形態
[構成]
本発明に係る第１の実施形態について、図１および図２を用いて説明する。第１の実施形態では、タンク１の内壁面と巻線３の側面部との間に、垂直な仕切り板１１が設けられている。仕切り板１１は、タンク１内の全ての巻線３に対向するように、タンク１の長手方向にわたって横長に設けられている（図２参照）。仕切り板１１の下端部は水平な仕切り板１０上に固定されている。

仕切り板１１の上端部とタンク１の内壁面との間には、絶縁ガス６が通過するように隙間１３が設けられている。ここでは、図９に示した仕切り板１１の下側の隙間１２と区別するために上側の隙間１３と呼ぶ。タンク１の内壁面と仕切り板１１とで挟まれた空間により、絶縁ガス６の流れるガス流通路１５が形成される。ガス流通路１５は、鉄心２及び巻線３から出た絶縁ガス６を、上側の隙間１３からガス流出口７を経て配管９に導入するように構成されている。

なお、図７に示した従来例ではガス流出口７はタンク１の上部に設けたが、第１の実施形態におけるガス流出口７は、仕切り板１１の下端部近傍と向かい合うタンク１の内壁面に位置している。一方、ガス流入口部８は、図７に示した従来例と同じく、タンク１側面の下部に開口されている。したがって、ガス流出口７およびガス流入口部８は上下方向の距離は接近しており、両者を接合する配管９の長さ寸法は、短いものを使用可能である。

[絶縁ガスの流れ]
以上の構成を有する第１の実施形態では、次のようにして絶縁ガス６がタンク１および配管９を循環する。すなわち、鉄心２及び巻線３の熱を奪って高温になった絶縁ガス６は、鉄心２及び巻線３を上昇して各々の上部から流れ出る。鉄心２及び巻線３から流出した絶縁ガス６は、タンク１の内壁面と仕切り板１１上部との間の隙間１３に向かって水平方向に流れ、隙間１３を通り抜ける。

さらに、絶縁ガス６は隙間１３からガス流通路１５に流れ込み、ここを下降してガス流出口７を抜け、配管９へと入る。配管９に入った絶縁ガス６は、冷却器５にて冷やされ、ブロア４によって再びガス流入口８からタンク１内に流れ込み、鉄心２および巻線３の下部から流入する。

[作用効果]
第１の実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、鉄心２及び巻線３から流出した絶縁ガス６は、仕切り板１１上方の隙間１３に向かって流れるが、隙間１３はタンク１長手方向に延びているので、広く分布した状態で隙間１３へと流入する（図２参照）。

このとき、隙間１３を流れる絶縁ガス６には圧力損失が発生する。したがって、絶縁ガス６は配管９に向かって直線的には流れにくくなり、ガス流通路１５を均一に流れていく。そのため、高温の絶縁ガス６がタンク１内壁面に集中して当たることがなく、タンク１の温度上昇は均一化される。これにより、タンク１の局部的な温度上昇の発生を防ぐことができる。

また、第１の実施形態においては、絶縁ガス６を下降させるガス流通路１５を、タンク１内部に設けたので、ガス流出口７の位置を従来と比べて下方にずらすことができる。このため、ガス流出口７とガス流入口８とを互いに接近した位置に設けることが可能となる。

したがって、ガス流出口７およびガス流入口８を接合する配管９の長さ寸法を大幅に短縮化することができる。その結果、配管９の所要資材量の削減や、変圧器の組立時間の短縮化を実現することができ、製造コストが低減化する。また、配管９の占有スペースも小さくて済むので、変圧器のコンパクト化を進めて変電所設置面積の縮小化に寄与することができる。

ところで、絶縁ガス６の流通路をタンク１内に設けた点で、前記特許文献１と本実施形態と同様であるが、流通路を流れる絶縁ガス６の温度は大きく異なる。すなわち、前記特許文献１では、冷却器４を出て低温となった絶縁ガスが、ガス流通路１４を下降していくため、ガス流通路１４を下降していく過程でタンク１内の温度によってせっかく冷やした絶縁ガス６が温まってしまう。したがって、下側の隙間１２を抜けて鉄心２及び巻線３の下部に流れ込む時点では、絶縁ガス６の温度が上がってしまい、絶縁ガス６の冷却特性が低下した。

これに対して、第１の実施形態では、冷却器５を出て低温となった絶縁ガス６がタンク１内部に即座に戻るので、鉄心２及び巻線３を冷やす前に絶縁ガス６の温度が高くならず、優れた冷却特性を維持することができる。そのため、変圧器本体を効率よく冷やすことができ、優れた冷却性能を得ることができる。

（２）第２の実施形態
[構成]
続いて、本発明に係る第２の実施形態について、図３および図４を用いて説明する。なお、第２の実施形態の基本的な構成は上記第１の実施形態と同一である。

第２の実施形態は仕切り板１１上方の隙間１３の形状に特徴がある。すなわち、図３および図４に示すように、仕切り板１１には上面部１１ａが設けられている。上面部１１ａにはタンク１の長手方向に並んで、３つのガス通過口１６ａ〜１６ｃが開口されている（図４参照）。

ガス通過口１６ａ〜１６ｃのうち、中央に位置するガス通過口１６ｂは開口面積が小さく設定されている。また、図４では上下となる両端のガス通過口１６ａ、１６ｃは開口面積が大きく設定されている。これらのガス通過口１６ａ〜１６ｃにより、仕切り板１１とタンク１内壁面との間に設けた隙間１３が構成されている。

[作用効果]
以上のような第２の実施形態では、配管９の真上に位置する中央のガス通過口１６ｂの開口面積が小さく、配管９から離れた両端のガス通過口１６ａ、１６ｃの開口面積が大きくなっている。このため、配管９とガス通過口１６ａ〜１６ｃとの距離に応じてガス通過口１６ａ〜１６ｃにおける圧力損失を調整することができる。

したがって、隙間１３を通過する絶縁ガス６のガス流量は、タンク１の長手方向にわたって均一化される。その結果、タンク１長手方向に配置した上側の隙間部分にほぼ均一に絶縁ガス６が分布、流入することが可能となる。これにより、タンク１内面に高温の絶縁ガス６があたることによるタンク１の局部的な温度上昇を、より確実に防ぐことができる。

（３）他の実施形態
本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、各構成部材の材料や寸法、形状などは適宜選択可能である。例えば、仕切り板１１の材料としては、その材質の特性が変圧器の内部で高温のガスを流すために必要な機械的強度、温度特性、電気特性を保持しているものであれば、絶縁材料であっても、金属材料であってもその材質は問わない。

また、図５に示すように、仕切り板１１および仕切り板１１の上側の隙間１３は、タンク１内において鉄心２及び巻線３の両側に設けてもよい。さらに、変圧器の構成は３相構成でもよいし、単相構成でもよく、適用する変圧器の相数は限定しない。

また、構成部材の配置場所に関しても適宜変更可能であり、具体的には、図６に示すようにガス流通路１５内部に冷却器５が配置されても構わない。このような実施形態によれば、冷却器５をタンク１内部に配置したことで、変圧器の据付面積が縮小することができる。また、変電所でのタンク１と冷却器５の接続作業を省略することが可能であり、変圧器全体の組立に要する時間を短縮してコストの低減化を図ることができる。

さらに、ガス流通路１５に巻線３間の接続リードを配置し、ガス流通路１５に流れる絶縁ガス６によって接続リードを積極的に冷却するようにした実施形態も包含する。変圧器運転中は接続リードに電流が流れるが、絶縁耐力を向上させるために接続リードに絶縁被覆を施すと、接続リードの温度上昇が大きくなり、絶縁被覆の過熱等の不具合が生じる。

そこで、接続リードをガス流通路１５内に配置し、ここを流れる絶縁ガス６により接続リードを積極的に冷却することで、接続リードの温度上昇を低く抑えることができる。しかも、接続リードの冷却効率が向上することから、接続リードの絶縁被覆を従来よりも厚くすることができ、絶縁寸法の短縮により変圧器のコンパクト化を図るといった効果も得られる。

１…タンク
２…鉄心
３…巻線
４…ブロア
５…冷却器
６…絶縁ガス
７…ガス流出口
８…ガス流入口
９…配管
１０、１１…仕切り板
１２…下側の隙間
１３…上側の隙間
１４、１５…ガス流通路
１６ａ〜１６ｃ…ガス通過口
２０…絶縁ガスの流れ

Claims

タンク内には、鉄心および鉄心に巻回した巻線からなる変圧器本体を収納すると共に冷却および絶縁媒体である絶縁ガスを封入し、前記タンク壁面には前記絶縁ガスを前記タンクの外部へ流出させるガス流出口と、前記絶縁ガスを前記タンクの内部へ流入させるガス流入口とを開口し、これらガス流出口およびガス流入口には前記絶縁ガスを流す配管を接合して、前記配管により前記絶縁ガスを取り込んで冷却する冷却器ならびに前記冷却器にて冷やした前記絶縁ガスを前記タンク内に送り込むブロアを備えたガス絶縁変圧器において、
前記タンクの内壁面と前記変圧器本体との間には仕切り板を垂直に設置し、
前記仕切り板の上部と前記タンク内壁面との間には前記絶縁ガスが通過する隙間を設け、
前記タンクの内壁面と前記仕切り板とで挟まれた空間により前記絶縁ガスの流れるガス流通路を形成し、
当該ガス流通路は前記変圧器本体から出た前記絶縁ガスを前記隙間から前記ガス流出口を経て前記配管に導入するように構成し、
前記仕切り板の上部と前記タンク内壁面との間の前記隙間として、前記絶縁ガスが通過するガス通過口を前記タンクの長手方向に複数設け、
前記複数のガス通過口のうち、前記配管近傍の前記ガス通過口は開口面積を小さくし、前記配管から遠い前記ガス通過口の開口面積を大きくしたことを特徴とするガス絶縁変圧器。
前記仕切り板を絶縁物から構成したことを特徴とする請求項１に記載のガス絶縁変圧器。
前記ガス流通路に前記冷却器を配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス絶縁変圧器。
前記ガス流通路に前記巻線間の接続リードを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス絶縁変圧器。