(57)【要約】変圧器の一つの巻線を形成するように接続した互いに間隔を空けた所定数の巻線群（１６）を有し、間隔を空けた各巻線群（１６）は所定ターン数だけ巻回したソレノイドである高電圧変圧器用の巻線（１５）。巻線および巻線を含む変圧器の形成方法も開示する。
2005503035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧変圧器用の巻線の製造方法であって、
前記変圧器の一つの巻線を形成するように接続した、互いに間隔を空けた所定数の導線の巻線群を形成するステップと、
前記間隔を空けた各巻線群を、所定ターン数だけ巻回した導線からソレノイド型の巻線として巻回するステップとを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記間隔を空けた巻線群の数と前記各巻線群のターン数とを、前記変圧器の所与の動作電圧用の所定電圧ストレスを超えないように選択するステップをさらに含む方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、
前記巻線は高温超伝導線材から形成される方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１に記載の方法であって、
前記各巻線群を１本の連続した導線から形成するステップを含む方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１に記載の方法において、
前記導線の各ターンは複数の導線を含む方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１に記載の方法において、
前記巻線群は互いに間隔を空けて垂直方向に積層される方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、
前記各巻線群を垂直方向に連続して巻回するステップを含む方法。
【請求項８】
変圧器の一つの巻線を形成するように接続した、互いに間隔を空けた所定数の巻線群を有する高圧変圧器用の巻線であって、
前記間隔を空けた各巻線群は所定ターン数だけ巻回したソレノイドである巻線。
【請求項９】
請求項８に記載の巻線において、
前記間隔を空けた巻線群の数と前記各巻線群のターン数とは、前記変圧器の所与の動作電圧用の所定電圧ストレスを超えないように選択される巻線。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の巻線において、
前記巻線は高温超伝導線を使用する巻線。
【請求項１１】
請求項８から１０のいずれか１に記載の巻線において、
前記各巻線群は1本の連続した導線から形成される巻線。
【請求項１２】
請求項８から１１のいずれか１に記載の巻線において、
前記導線の各ターンは複数の導線を含む巻線。
【請求項１３】
請求項８から１２のいずれか１に記載の巻線において、
前記巻線群は互いに間隔を空けて垂直方向に積層される巻線。
【請求項１４】
請求項１３に記載の巻線において、
前記各巻線群は垂直方向に連続して巻回する巻線。
【請求項１５】
請求項８から１４のいずれか１に記載の巻線を含む変圧器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の変圧器において、前記変圧器は超伝導変圧器である変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧変圧器の巻線形成方法と、かかる方法によって得られる変圧器用巻線に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書中に記載するどの先行技術も、周知または当該技術分野に共通する一般的知識の一部を構成すると承認されたものであると考えるべきではない。
【０００３】
もっとも一般的な高圧変圧器（１３２ｋＶ：１１ｋＶまたはこれと同等のもの）用の変圧器コイルにおける従来型の巻線は、ディスク型の巻線を使用している。このような巻線では、巻回したケーブルはいくつかの絶縁導線（最大３２本、通常は４〜８本）からなる。導線は、ケーブル中の導線間の配電を均一にするように各導線が電力線に対して同一インピーダンスをもつように転位される。
【０００４】
通常の動作条件下において、コイルにかかる電圧がコイルの上から下まで均等に分配され、任意の２枚のディスクが他のディスクよりも大きな電圧ストレスを受けなくするために、ディスク型巻線は使用される。このタイプの巻線の概略図を図１に示す。このタイプの巻線では、巻線の巻き（ターン）５が互いに重なりあい、一般的なソレノイド型の巻き方で形成されるシリンダー状ではなく軸方向に延びるディスク６を形成する。図示するように、コイルの一番上のディスク７の電圧はより高く、一番下のディスクの電圧は、スター形接続した三相変圧器では０ボルト、またはデルタ形接続の変圧器では線間電圧である。ディスク巻線は、ディスク積層の高さ分を交互に下る端部で、何らかの継手またはろう付けを必要とすることなく接続される。
【０００５】
通常、一次コイル（高電圧側）は上記のような方法で巻回し、二次コイルは電圧が低く（１１ｋＶ）同じ電気ストレスを受けないので、単層ソレノイド型に巻回する。ただし第２層が必要な場合は、１層目の上には設置できず、通常は層間電圧ストレスと冷却要件に見合うように、適切なプレスボードスペーサ（press board spacer）とオイルダクトを用いて十分な距離を置いて設置する。
【０００６】
ソレノイド型の巻線は、一般的には導線のターンが隣接するように巻回してヘリカル層（通常は円筒形）を形成するように巻回した導線から構成され、一層が完成すれば、希望数の層が形成されるまで第一層上に他層を往復するように巻回する。
【０００７】
変圧器は、その正常な動作電圧ストレスだけに適合するようには設計されていない。地域基準で定められた所定の検査条件での電圧ストレスに変圧器が耐えうるように、クリアランスが決定される。例えばオーストラリアの基準では、クリアランスおよびバリアは、交番電力負荷を与えるテスト（いわゆる電源周波数すなわちＡＣテスト）、および適切な雷衝撃テストにおける電圧ストレスの約２倍の電圧ストレスに耐えられるように設計しなければならない。１３２ｋＶの変圧器では、雷衝撃テストのピーク電圧は、顧客の指定により５５０ｋＶまたは６５０ｋＶである。
【０００８】
上記の理由により、コイルの一番上と一番下とで層間の電圧ストレスは高く、かつ一層あたりの巻数の層数倍に比例して増大することから、高圧の一次コイルをソレノイド型として巻回することは実用的とはいえない。最悪の場合、通常電圧ストレスが巻線の一番上の最初のターンと最終ターンとの間に発生して、コイルの環状厚み（コイルの外径と内径との差として規定される）に１３２ｋＶの通常電圧がフルにかかり、テストによってはテスト条件下でより一層大きくなる。このためディスク巻線を使用する。導線１０を垂直方向に往復して巻回し、垂直方向に延びる多数の層１１を形成するようなソレノイド型の巻線を、図２に示す。
【０００９】
ディスク巻線では、どのテストでも一番上の２枚のディスク間に最大電圧ストレスが生じるが、これら２枚のディスクには全ターンのうち一部でしかないので、ＬＩ間の電圧はわずか数キロボルトまたは数十キロボルト程度で、２３０ｋＶ（ＡＣテスト）または５５０ｋＶ（ＬＩ）がフルにかかることはない。
【００１０】
ディスク巻線は、変圧器コイルに適したきちんと整ったやりかたで１つの長さに巻回するために、ディスクおよび個々の銅製導線の取扱い上および物理上の大幅なねじれが必要である。例えば、第２のディスクの各々は、巻回後に裏返しとなるように（内ターンが外ターンとなり、外ターンが内ターンとなるように）巻回しなければならない。これは転位のためではなく、連続して巻回しやすくするためである。また、導線は一方のディスクから他方のディスクへ進むために導線の幅に平行な平面中でねじれが必要である。
【００１１】
上述の問題点は、高温超伝導線（ＨＴＳ）の分野ではより深刻な問題である。多くの場合、ＨＴＳ変圧器は、冷却費用に見合う重量とサイズを節約する点でのみ、超大規模変圧器に取って代わるものである。従って、ここでの議論は、一次電圧が１１０ｋＶ以上（１３２ｋＶ，２３０ｋＶ，３５０ｋＶ，５００ｋＶ等）の場合に限定するが、本発明は他の高圧巻線にも適用可能であることを理解されたい。
【００１２】
ＨＴＳ導線は、変圧器コイルの巻回中に銅製導線が受けるのと同レベルの機械的取り扱いを受けることはできない。また、ＨＴＳの単体長さが１０００ｍ超のものは入手できず、すなわち完全に連続したＨＴＳ巻線は不可能であることを意味する。
【００１３】
高圧の一次ＨＴＳコイルを巻回し、同時に上述したような取り扱いを回避する一方法は、電気的に接続した二重パンケーキを直列したものを使用することである。パンケーキはディスク型巻線と類似している。そしてこの二重パンケーキは、抵抗性継手を用いて通常の導線または他のＨＴＳ導線と直列接続できる。各パンケーキ平面の側部に沿って下方向へ向かう接続をなくすためには単独パンケーキの代わりに二重パンケーキを使用しなければならない。二重パンケーキでは、接続を積層のすべて外側またはすべて内側にできるので、コイルの半径方向長さに沿って下方へ延びる、電束（flux）をひろってしまうクロスリード（cross leads）をなくすことができる。
【００１４】
だがこのタイプの構成の欠点は、大規模変圧器では接続の数がかなり多くなり、何百近くになることである。このような接続は散逸源となり損失を増大させ、かつ液体窒素の気泡源となる場合もあり、また、損失が集中するため、他の冷却方法での熱不安定性の原因となりうる。
【００１５】
高圧コイルを巻回する他の方法は、連続ソレノイド型の巻線の使用である。しかし上述したように、これはコイル頂部で短いクリープ距離（creep distance）に対して電圧ストレスを生じる。ＨＴＳ巻線の環状厚さが大幅に薄く電気ストレスが何倍にも増大することから、この問題はさらに複雑化してしまう。
【００１６】
巻線中の層間電圧については、層間絶縁がテスト要件に合致するのに十分高い絶縁破壊強さ（７７Ｋで  ８０kＶ／ｍｍ超  ９０ｋＶ／ｍｍ未満）をもつ固体絶縁体、好適にはカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）であるから、あまり問題とはならない。ただし、コイル頂部では、層間電圧ストレスは、固体絶縁体が存在しない、液体窒素または気体窒素中では、クリープ経路（creepage path）２０沿いに絶縁破壊しうる。気体窒素は、７７Ｋでは１０〜３０ｍｍについてのコロナ開始点がわずか５ｋＶであり、液体窒素で冷却されたコイルは、どれも液体上に気体部分を有する。
【００１７】
各層の一番上を超えて延びる固体層間絶縁体を追加することも可能だが、液体窒素は、比誘電率が低い（７７Ｋでカプトン（登録商標）の３．０〜３．６に対して１．４）ため、やはり大きなストレスをもちうる。
【００１８】
層間絶縁体は、完成した巻線が大規模になるほど非常に分厚いまたは長いものでなければならないと考えられる。
【００１９】
製造業者らは、一般的には雷衝撃（Lightning Impulse、以下ＬＩと記す）検査に合格するために大規模かつ高費用の予防措置をとっている。ソレノイド型の巻線の他の利点は、ＬＩが各ソレノイド内の層間で、より均一に配分されるため、シールド用巻線または介挿巻線の必要性を排除できることである。ディスク巻線では、シールド用巻線または介挿巻線がなければ、ＬＩは一番上の２枚のディスク間に非常に大きな応力を生じ、対応策がなければ故障しうる。しかし、かかる対応策は巻回に費用がかかり、かつ巻回を大幅に複雑化してしまう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の目的は、上述した先行技術の欠点のうち少なくとも１つを解決もしくは改善すること、またはこれに代わる有用な代替策を提供することである。
【００２１】
本発明の一の態様では、高圧変圧器用の巻線の製造方法を提供し、方法は、
変圧器の一つの巻線を形成するよう接続し、互いに間隔を空け、所定数の導線巻線群を形成するステップと、
間隔を空けた各巻線群を、所定ターン数だけ巻回し、導線からソレノイド型の巻線として巻回するステップとを含む。
【００２２】
本発明の他の態様では、高圧変圧器用の巻線を提供し、巻線は、変圧器の一つの巻線を形成するよう接続し、互いに間隔を空けた所定数の巻線群を有し、間隔を空けた各巻線群は、所定ターン数だけ巻回したソレノイドである。
【００２３】
好適には、間隔を空けた巻線群の数および各巻線群のターン数は、変圧器の所定の動作電圧についての所定の電圧ストレスを超えないように選択する。
【００２４】
好ましくは、巻線は高温超伝導線材を使用する。好適には、各巻線群は１本の連続した長さの導線、すなわち導線長にいかなる接続部もない導線から形成する。導線の各ターンは複数の導線から構成できる。
【００２５】
好ましくは、巻線群は垂直方向に間隔を空けて積層する。好適には、各巻線群は垂直方向に連続して巻回する。
【００２６】
本発明のもう一つの態様では、上記の第２の態様に従う巻線を含む変圧器を提供する。好適には、変圧器は超伝導変圧器である。
【００２７】
以下に、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図３を参照すると、変圧器巻線１５は、垂直方向に間隔を空けた多数の巻線群１６からなる。各巻線群１６は、導体１７から巻回方向ＷＤに沿ってソレノイド状に巻回する。この単純な図では、各層は３ターンからなり、６つの層が巻線群１６を形成している。
【００２９】
図３に示すハイブリッドディスク−ソレノイド巻線では、１つのソレノイド群の任意の２つの巻線間の電圧が、全積層中の巻線群の数ｎだけ減じられる。巻線の半径方向の長さは従来型のソレノイドとして巻いた場合と同じであるので、電圧ストレスも同じだけ減じられる。仮にｎ個のソレノイド群があれば、最初と最後のターン間のストレスは、従来の巻回技術を用いた場合に比べてｎ分の１に減じられる。ＬＩ検査電圧は複雑な形状で分布しているが、やはりｎに近い係数で減じられうる。
【００３０】
ソレノイド群の数は、ソレノイド巻回群のどこにも接続部のない入手可能な高温超伝導線（ＨＴＳ）の単位長さによって支配される。ソレノイド群間の距離はディスク巻線に対して決定され、電圧ストレスによって異なる。各ソレノイド群中により多くのターンが含まれるため、二重パンケーキの場合よりも接続部の数が大幅に低減される。
【００３１】
他の利点は、熱発散用に二面が利用できるため、各コイルの冷却率がよいことである。これが不要な場合は、選択肢として、ソレノイド群間に固体絶縁体を設置して、絶縁耐力を増大させてもよい。または、図３に示すように、ソレノイド群間に環２１からなる固体絶縁体のバリアを設置してもよい。
【００３２】
さらに、ｎ番目のソレノイドとｎ＋１番目のソレノイドとの間の間隔ａnを、以下の式１および式２のような制約により設計及び最適化し、これらソレノイド間の各コイル間の部分静電容量Ｃnによって全コイル長にかかる雷の衝撃（ＬＩ）分布が均一かつ高圧変圧器に有利となるようにできる。
ａn+1>ａn    式１
Ｃn+1>Ｃn    式２
【００３３】
さらに、各ソレノイドの巻線長さＷnは、コイル面にかかる絶縁体のＬＩクリープ強さ（LI creep strength）に見合うような長さである。
【００３４】
さらに、ＬＩの分布はパラメータｗn，ａn，Ｃnによって、かつこれら以外のパラメータによっても影響されるが、ｎ番目とｎ＋１番目のコイルとの間の電圧が該コイル間の絶縁体のＬＩ絶縁破壊強さに見合うように設計する。
【００３５】
さらに、ｎ番目とｎ＋１番目のコイルとの間の電圧は、該コイル間の絶縁体の電源周波数絶縁破壊強さに見合うような電圧である。
【００３６】
さらに、各ソレノイド群が故障または規格に合致しない場合、従来のソレノイド巻線では全コイルの取替えが必要だったが、個々のソレノイド群を取替えることができる。これにより製造上のリスクを低減する。
【００３７】
本発明の精神または範囲から逸脱することなく、上記以外の本発明の実施形態および実施例も可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来のディスク巻線の片側の概略断面図である。
【図２】従来のソレノイド巻線の片側の概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる巻線の片側の概略断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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