(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁筒と絶縁油との境界面における電界集中を抑制し、絶縁筒の絶縁破壊を抑制した変換器用変圧器を提供する。【解決手段】変換器用変圧器１０は、鉄心１１の周囲であって、当該鉄心より離隔して直流巻線１３及び交流巻線１４を同心円状に配置し、前記鉄心と前記直流巻線との間に第１の絶縁筒群１７を配設するとともに、前記直流巻線と前記交流巻線との間に第２の絶縁筒群１８を配設し、絶縁油２２が充填されてなる変換器用変圧器であって、前記第１の絶縁筒群は、前記直流巻線の前記鉄心の軸方向端部まで延在した延在部１７２Ａ、１７３Ａ、１７４Ａを有する。また、少なくとも前記延在部の抵抗率と前記絶縁油の抵抗率とを同一とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心の周囲であって、当該鉄心より離隔して直流巻線及び交流巻線を同心円状に配置し、前記鉄心と前記直流巻線との間に第１の絶縁筒群を配設するとともに、前記直流巻線と前記交流巻線との間に第２の絶縁筒群を配設し、絶縁油が充填されてなる変換器用変圧器であって、
前記第１の絶縁筒群は、前記直流巻線の前記鉄心の軸方向端部まで延在した延在部を有し、
少なくとも前記延在部の抵抗率と前記絶縁油の抵抗率とを同一としたことを特徴とする、変換器用変圧器。
【請求項２】
前記延在部は、熱硬化性樹脂からなる母材中に無機粒子が分散してなることを特徴とする、請求項１に記載の変換器用変圧器。
【請求項３】
前記第１の絶縁筒は、熱硬化性樹脂からなる母材中に無機粒子が分散してなることを特徴とする、請求項１に記載の変換器用変圧器。
【請求項４】
前記熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の変換器用変圧器。
【請求項５】
前記無機粒子は、半導体領域粒子からなる少なくとも一種であることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一に記載の変換器用変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、変換器用変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大容量、長距離送電及び異周波連係など、系統運用上多くの利点を有する直流送電が多方面で使用されている。このような直流送電においては、交流を直流にあるいは直流を交流に変換するための交直変換所が設置される。交直変換所においての主要素の一つは、交流系統と直流系統を結合する変換器用変圧器である。
【０００３】
現在、変換器用変圧器においては油絶縁方式が多用されており、タンク内に充填された絶縁油と、交流巻線及び直流巻線間及びその内外周に配置された絶縁筒により巻線の絶縁が行われている。
【０００４】
上記絶縁筒は例えばプレスボードに鉱油を含浸させた油浸紙から構成されており、上記油絶縁方式での絶縁油と絶縁筒とに作用する電界は、交流電圧の場合それぞれの誘電率の逆比（約２：１）となるが、直流電圧の場合はそれぞれの固有抵抗比による分担となる。常温２０±５℃の場合、絶縁筒の抵抗率は絶縁油の抵抗率に比べて３０〜１００倍大きい。この結果、絶縁油に比べ絶縁筒に大きな直流電界が加わり易くなる。
【０００５】
このため、直流電界が絶縁筒に集中するようになり、特に絶縁筒と絶縁油との境界面において直流等電位線が集中する。このような境界面で発生する電界集中は、絶縁筒の絶縁破壊を引き起こす要因になる。
【０００６】
従来の対策としては、主絶縁の位置や端部絶縁の位置に多量の絶縁紙を配置することにより境界部に集中しないように工夫したりしているが、この方法では油よりも誘電率の大きい油浸紙の占める割合が大きくなり、機器の大型化を招くことになる。
【０００７】
また、絶縁筒の内部に当該絶縁筒本体の材質よりも導電率の小さい、すなわち抵抗率の高い合成樹脂等からなる絶縁体を配設し、当該絶縁体によって分担する電圧を大きくするように工夫したりしているが、上記絶縁体に対する電界集中を避けることはできず、逆に絶縁上の弱点になりがちである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−９２６６０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、変換器用変圧器において、絶縁筒と絶縁油との境界面における電界集中を抑制し、絶縁上の弱点を緩和することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態の変換器用変圧器は、鉄心の周囲であって、当該鉄心より離隔して直流巻線及び交流巻線を同心円状に配置し、前記鉄心と前記直流巻線との間に第１の絶縁筒群を配設するとともに、前記直流巻線と前記交流巻線との間に第２の絶縁筒群を配設し、絶縁油が充填されてなる変換器用変圧器であって、前記第１の絶縁筒群は、前記直流巻線の前記鉄心の軸方向端部まで延在した延在部を有する。また、少なくとも前記延在部の抵抗率と前記絶縁油の抵抗率とを同一とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態における変換器用変圧器の一部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、実施形態における変換器用変圧器の一部を拡大して示す断面図である。
図１に示す変換器用変圧器１０は、鉄心１１の周囲であって、鉄心１１より離隔して配設された直流巻線１３及び交流巻線１４を有している。直流巻線１３及び交流巻線１４は同心円状に配設され、交流巻線１４は直流巻線１３の外方において鉄心１１に巻回されている。また、鉄心１１の軸方向端部には、直流巻線１３及び交流巻線１４の端面１３Ａ及び１４Ａにおける電界集中を緩和するための電界集中緩和リング１５及び１６が、鉄心１１を巻回するようにして配設されている。
【００１３】
なお、図１に示すような態様の代わりに、直流巻線１３を交流巻線１４の外方において、鉄心１１に巻回するように配設してもよい。
【００１４】
さらに、鉄心１１と直流巻線１３との間には第１の絶縁筒群１７が配設されており、鉄心１１と直流巻線１３との電気的絶縁を取っている。また、直流巻線１３と交流巻線１４との間には第２の絶縁筒群１８が配設されており、直流巻線１３と交流巻線１４との電気的絶縁を取っている。
【００１５】
第１の絶縁筒群１７は絶縁筒１７１，１７２，１７３，１７４からなり、絶縁筒１７２，１７３，１７４の端部は屈曲して、直流巻線１３の、鉄心１１の軸方向端部にまで延在し、延在部１７２Ａ，１７３Ａ，１７４Ａを形成している。
【００１６】
第２の絶縁筒群１８は絶縁筒１８１，１８２，１８３、・・・１８８，１８９からなり、絶縁筒１８１，１８２，１８３の端部は屈曲して、直流巻線１３の鉄心１１の軸方向端部にまで延在し、延在部１８１Ａ，１８２Ａ，１８３Ａを形成している。
【００１７】
なお、本実施形態では、第１の絶縁筒群１７の延在部１７４Ａ等と第２の絶縁筒群１８の延在部１８１Ａ等とは互いに交差するようにして配設されているが、これらの配設態様は、直流巻線１３及び交流巻線１４の端面１３Ａ及び１４Ａの電気的絶縁を担保し、以下に説明する絶縁油を、変圧器１０の下部から上部に向けて誘導し、変圧器１０の上部から排出させて図示しない外部の冷却器に供給することができれば特に限定されるものではない。
【００１８】
電界集中緩和リング１５と第１の絶縁筒群１７の延在部１７４Ａとの間には、スペーサ１９Ａが配設されており、これらの間の距離を一定に保持するように構成されている。また、電界集中緩和リング１６と第２の絶縁筒群１８の延在部１８１Ａとの間には、スペーサ１９Ｂが配設されており、これらの間の距離を一定に保持するように構成されている。
【００１９】
第１の絶縁筒群１７の延在部１７１Ａ等及び第２の絶縁筒群１８の延在部１８１Ａ等と、鉄心１１のヨーク１２との間には、直流巻線１３及び交流巻線１４を固定するとともに、これら巻線とヨーク１２との電気的絶縁を採るための端部絶縁体２１が配設されている。
【００２０】
また、変換器用変圧器１０内には絶縁油２２が充填され、上述した直流巻線１３及び交流巻線１４等は絶縁油２２に浸漬され、これらの絶縁状態をより確実なものとしている。
【００２１】
本実施形態では、第１の絶縁筒群１７及び第２の絶縁筒群１８を構成する絶縁筒１７１等及び１８１等の抵抗率を絶縁油２２の抵抗率と同一としている。この結果、直流巻線１３からの直流電界は、第１の絶縁筒群１７及び第２の絶縁筒群１８と絶縁油２２とでほぼ均等に分担することになるので、第１の絶縁筒群１７及び第２の絶縁筒群１８に大きな直流電界が加わることがない。したがって、直流電界が第１の絶縁筒群１７及び第２の絶縁筒群１８との境界面に集中するのを抑えることができ、第１の絶縁筒群１７及び第２の絶縁筒群１８の沿面絶縁破壊を抑制することができる。
【００２２】
本実施形態では、特に第１の絶縁筒群１７の延在部１７４Ａが電界集中緩和リング１５を介して直流巻線１３と最も近接しているので、当該部分１７４は上述したような電界集中による絶縁破壊を受けやすい。したがって、少なくとも延在部１７４Ａの抵抗率を絶縁油２２の抵抗率と同一にし、当該延在部１７４Ａにおける電界集中を抑制するようにすることが好ましい。
【００２３】
但し、以下に説明するように、第１の絶縁筒群１７の延在部１７４Ａのみの抵抗率を絶縁油２２の抵抗率と同一となるように材料設計することは困難であるので、一般には、上述のように、第１の絶縁筒群１７の抵抗率を絶縁油２２の抵抗率と同一となるようにする。
【００２４】
また、第２の絶縁筒群１８の延在部１８１Ａ等も電界集中緩和リング１５を介して直流巻線１３と近接しているので、当該部分１８１Ａも上述したような電界集中による絶縁破壊を受けやすい。したがって、少なくとも延在部１８１Ａの抵抗率を絶縁油２２の抵抗率と同一にし、当該延在部１８１Ａにおける電界集中を抑制するようにすることが好ましい。
【００２５】
但し、この場合においても、第２の絶縁筒群１８の延在部１８１Ａのみの抵抗率を絶縁油２２の抵抗率と同一となるように材料設計することは困難であるので、一般には、上述のように、第２の絶縁筒群１８（を構成する絶縁筒１８１〜１８９）の抵抗率を絶縁油２２の抵抗率と同一となるようにする。
【００２６】
なお、本実施形態における、抵抗率の同一とは、例えば絶縁油２２の抵抗率を”Ａ”とし、第１の絶縁筒群１７等の抵抗率を”Ｂ”とした場合において、Ａ／１０≦Ｂ≦ＡあるいはＡ≦Ｂ≦Ａ×１０のような場合を意味する。すなわち、絶縁油２２の抵抗率Ａを基準として、第１の絶縁筒群１７等の抵抗率Ｂの変動が１桁の範囲にあるものを同一と規定するものである。
【００２７】
絶縁油２２は鉱油等からなり、その抵抗率が１０１４〜１０１５Ω・ｃｍ（常温、０．１〜１０ｋV/ｍｍの電界範囲）であるので、第１の絶縁筒群１７等の抵抗率を上記抵抗率と一致させるには、例えば機械特性及び耐熱性に優れ、抵抗率が高い熱硬化性樹脂中に抵抗率が低い無機粒子を含有させることによって行う。
【００２８】
具体的には、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、臭素化ビスフェノールA型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ビスフェノールAF型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、フェノールーノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールーノボラック型エポキシ樹脂、トリスメタン型エポキシ樹脂、テトラフェニロールエタン型エポキシ樹脂などのグリシジルエステル型エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアネートやエピクロルヒドリンとガルボン酸との縮合によって得られるグリジジルエステル型エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアネートやエピクロルヒドリンとヒダントイン類との反応によって得られるヒダントイン型エポキシ樹脂のような複素環式エポキシ樹脂などに、半導体領域１０−５〜１０８Ω・ｃｍの無機粒子例え酸化亜鉛粒子、酸化鉄粒子、酸化クロム粒子及び酸化チタン粒子などを含有させる。
【００２９】
上記エポキシ樹脂に対してこれらの無機粒子を所定量含有させることにより、これらエポキシ樹脂及び無機粒子からなる複合材料の抵抗率を絶縁油２２の抵抗率に一致させることができる。
【００３０】
なお、上述したエポキシ樹脂等の中への無機粒子の含有状態はパーコレーション理論によって説明することができる。
【００３１】
低抵抗の無機粒子がエポキシ樹脂などの母材中にある一定量添加されると、無機粒子は、空間内で凝集体を形成し始める。凝集体の大きさは無機粒子の量が増えるに従って急激に成長し、ある含有量（体積比率；パーコレーション閾値）になったときに空間を連続的につなぐパス（パーコレーションパス）が形成される。このときの空間は、パーコレーションパスと大小様々な大きさの凝集体とが混在する状態であり、エポキシ樹脂及び無機粒子からなる複合材料の抵抗率が急激に低下するようになる。このように抵抗率が急激に低下する点（無機粒子の含有量）を第１の転移点 ρ１とする。
【００３２】
一方、エポキシ樹脂などの母材中への無機粒子の充填量をさらに増やすと凝集体の更なる成長と共にパーコレーションパスが網目状に形成されるようになる。すると、エポキシ樹脂及び無機粒子からなる複合材料の抵抗率は急激な低下から緩やかな低下に移行するようになり、このような移行点、すなわち無機粒子の含有量（体積比率）を第２の転移点ρ２とする。
【００３３】
第１の転移点ρ１及び第２の転移点ρ２は工業的にも重要な指標であり、二つの転移点に挟まれた領域では無機粒子の変化に伴って抵抗率等を初めとする物性値が急激に変化するため、工業的には二つの転移点に挟まれた無機粒子の含有量範囲は避けてものづくりをすることが望まれる。
【００３４】
本実施形態においても、エポキシ樹脂及び無機粒子からなる複合材料の抵抗率を安定化させるとの観点から、エポキシ樹脂に対しては上記含有量範囲を除いた範囲の含有量の無機粒子を含有させることが好ましい。これによって、エポキシ樹脂及び無機粒子からなる複合材料、すなわち第１の絶縁筒１７等の抵抗率を絶縁油２２の抵抗率と確実かつ安定的に一致させることができるようになる。
【００３５】
例えば、市販のビスフェノールA型エポキシ樹脂（JER「828」）に平均粒径1μm酸化鉄粒子（（株）高純度化学研究所）を含有させる場合、パーコレーション理論における第１の転移点ρ１及び第２の転移点ρ２間の含有量（体積比率）は15%〜25%の範囲であるので、当該範囲を除いた含有量の酸化鉄をエポキシ樹脂中に含有させる。一例として、第１の転移点ρ１に至る以前の含有量である10%〜15%に設定することができる。
【００３６】
同様に、市販のビスフェノールA型エポキシ樹脂（JER「828」）に平均粒径10μm酸化クロム粒子（（株）高純度化学研究所）を含有させる場合、パーコレーション理論における第１の転移点ρ１及び第２の転移点ρ２間の含有量（体積比率）は2%〜4%の範囲であるので、当該範囲を除いた含有量の酸化クロムをエポキシ樹脂中に含有させる。一例として、第１の転移点ρ１に至る以前の含有量である1%〜2%に設定することができる。
【００３７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１０  変換器用変圧器
１１  鉄心
１２  ヨーク
１３  直流巻線
１４  交流巻線
１５，１６  電界集中緩和リング
１７  第１の絶縁筒
１８  第２の絶縁筒
１９Ａ，１９Ｂ  スペーサ
２１  端部絶縁体
２２  絶縁油
【図１】
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