(57)【要約】【課題】  高圧コイルの巻始め、巻終りのどちらから開閉サージのような急峻なサージが加わったときにも、最内層または最外層の過大な電圧に対し十分な絶縁強度をもつ計器用変圧器を提供する。【解決手段】  鉄心に巻回された低圧巻線２と、上記低圧巻線の外側に多層に巻回され、各層間に絶縁層を介在した構造からなる高圧巻線１とを備え、上記高圧巻線の内周側の第１層巻線と第２層巻線との間及び外周側の第１層巻線と第２層巻線との間の絶縁層５ａ、５ｂは、無機物で形成されたシートまたは有機物中に微小無機物をフィラーとして含有させたシートで構成され、上記以外の各層間の絶縁層５は、有機物で形成されたシートで構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心に巻回された低圧巻線と、上記低圧巻線の外側に多層に巻回され、各層間に絶縁層を介在した構造からなる高圧巻線とを備え、上記高圧巻線の内周側の第１層巻線と第２層巻線との間及び外周側の第１層巻線と第２層巻線との間の絶縁層は、無機物で形成されたシートまたは有機物中に微小無機物をフィラーとして含有させたシートで構成され、上記以外の各層間の絶縁層は、有機物で形成されたシートで構成されたことを特徴とする計器用変圧器。
【請求項２】
上記内周側の第１層巻線と第２層巻線の間及び外周側の第１層巻線と第２層巻線の間の絶縁層は、マイカシートで構成され、上記以外の層の巻線間の絶縁層はポリエチレン系シートで構成されたことを特徴とする請求項１記載の計器用変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、計測器やリレーに接続され、高電圧を正確に低電圧に変換する計器用変圧器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
計器用変圧器は、数百V以上の高電圧を、表示用メータやリレーなどの計器類を動作させるための低電圧に変換する変圧器である。計器用変圧器の高圧コイルは巻回幅のほぼ等しい多数のレヤーコイルを、層間にレヤー絶縁層を介在させた状態で同心的に積層した多層巻き構造とされている。多層巻きされた計器用変圧器の高圧コイルには、直径が１mm以下のマグネットワイヤをコイル導体として用い、各レヤーコイルの巻数を数100ターンのオーダーで巻回している。また、高圧コイルの層数は、一次電圧により異なるが、60層程度である。
【０００３】
多層巻きされた計器用変圧器の高圧コイルにおいては、コイルに電力系統からの雷サージ、開閉サージといった立ち上がりの急峻なサージ電圧がコイルの巻始め部に加わったときには、最内周層のレヤー絶縁層に過大な電圧が分担される。同様に、急峻なサージ電圧がコイルの巻終り部に加わったときには、最外周層のレヤー絶縁層に過大な電圧が分担される。
【０００４】
この急峻なサージ電圧が印加されたときに、最内周層または最外周層に過大な電圧が分担される現象は、サージ電圧に高周波成分が多く含まれ、この高周波成分に対しては巻線が静電容量のように振舞うために発生する。この最内周層または最外周層に加わる過大な電圧の波高値は、加わったサージの立ち上がりが速いほど大きくなる。このため、急峻なサージ電圧が加わったときにも耐える絶縁強度を得る目的で、通常は最内周層または最外周層の絶縁層の厚さを、それ以外の絶縁層の厚さよりも大きくしている。
【０００５】
一方、このような急峻なサージが加わったときの過大な電圧の発生を抑制する方法として、巻線の最内周側に巻回される絶縁シートの比誘電率を巻線外周側に巻回される絶縁シートの比誘電率よりも相対的に大きくし、絶縁層の各層部での静電容量を均等化して急峻なサージが加わったときの過大な電圧の発生を抑制する方法が知られている。（例えば特許文献１参照）。特許文献１の例では、箔型変圧器を対象としていて、この発明が対象としている巻線型計器用変圧器とは構造が異なるが、問題としている現象は同じである。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６０−５７６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された箔型変圧器においては、巻線の内周側の絶縁シートの比誘電率を他の層の絶縁シートの比誘電率よりも大きくすることにより、絶縁層の各層での静電容量を均等化して、急峻なサージが加わったときの過大な電圧の発生を抑制している。このような変圧器では、巻始め（最内周側）から急峻なサージが加わったときには最内周層に発生する過大な電圧に対しある程度の抑制効果を有している。
【０００８】
しかし、計器用変圧器が３相電力系統の相間に接続された場合には、開閉サージなどの急峻なサージが巻始め、巻終りのどちらからでも侵入する可能性がある。そのため、特許文献１に開示された箔型変圧器においては、巻終り（最外周側）から急峻なサージが加わったときには、十分な抑制効果を有しないという問題点があった。
【０００９】
また、特許文献１の箔型変圧器においては、絶縁層の各層での静電容量を均等化して、急峻なサージが加わったときの過大な絶縁層層間電圧の発生を抑制している。この方法では、雷サージのような立ち上がり時間が１μs以上のサージに対しては、ある程度の絶縁層層間電圧の抑制効果が得られるが、開閉サージのような立ち上がり時間が数100ns以下のサージに対しては、絶縁層の各層での静電容量の均等化では、最内周層または最外周層に発生する過大な電圧の抑制効果が十分ではなく、この過大な電圧を最外周層・最内周層以外の層に発生する電圧と同レベルにするためには最内周層または最外周層の静電容量を、他層よりも積極的に大きくする必要があるが、例えば最外周層、最内周層以外の絶縁層を構成する絶縁シートの比誘電率に比べて、最外周層・最内周層の絶縁層を構成する絶縁シートの比誘電率を５倍以上にしてもなお、最内周層・最外周層には過大な電圧が加わり、さらに工業上入手可能な絶縁シートにこのような高誘電率のものは見当たらない。
従って、開閉サージのような立ち上がり時間が数100ns以下の急峻なサージに対しては十分な過電圧抑制効果を得ることは現実には不可能である。
【００１０】
さらに、開閉サージのような、立ち上がり時間が数100ns以下である極めて急峻なサージが計器用変圧器に印加され、サージ侵入端子側の端子近接層、すなわち巻始め側からサージが侵入したときには最内周の絶縁層層間、巻終り側からサージが侵入したときには最外周の絶縁層層間に発生するサージの波高値が、絶縁層層間の部分放電開始電圧を上回る場合がある。この場合、サージ侵入時に、最内周または最外周の絶縁層層間に、部分放電が発生する。
【００１１】
特許文献１の箔型変圧器では、巻線内周側の絶縁層の絶縁シートに比誘電率の大きなポリアミド系フィルムを、巻線外周側の絶縁層の絶縁シートに上記ポリアミド系フィルムよりも比誘電率の小さいポリエチレン系またはポリスチレン系あるいはポリエステル系のフィルムを用いているが、このような有機物の絶縁層では、部分放電耐力が弱く、部分放電に晒されると、比較的早期に劣化し、絶縁層としての効力をもたなくなる。このため、繰り返しサージが侵入すると、最内周または最外周の絶縁層の層間絶縁紙が絶縁破壊し、レアショートを生じるという問題点があった。
【００１２】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、高圧コイルの巻始め、巻終りのどちらから急峻なサージが加わったときにも、最内周層または最外周層の過大な電圧に対して十分な絶縁強度をもつ計器用変圧器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る計器用変圧器は、鉄心に巻回された低圧巻線と、上記低圧巻線の外側に巻回され多層巻線として構成されると共に、巻線の各層間に絶縁層を介在させた高圧巻線とを備え、上記高圧巻線の絶縁層は、内周側の第１層巻線と第２層巻線の間及び外周側の第１層巻線と第２層巻線の間の絶縁層を、無機物で形成されたシートまたは有機物中に微小無機物をフィラーとして含有させたシートで構成し、上記以外の層の巻線間の絶縁層を有機物で形成されたシートで構成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明に係る計器用変圧器は上記のように構成され、高圧巻線の最外周および最内周の絶縁層を、他層の絶縁層よりも部分放電耐力が強い無機シートで構成し、高圧巻線の巻始め、巻終りのどちらから開閉サージのような立ち上がり時間が数100ns以下の極めて急峻なサージが加わって、最内周層または最外周層で部分放電が発生しても、十分な部分放電耐力をもち、絶縁破壊に至ることを回避できるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図1は、実施の形態１による計器用変圧器のコイルの断面形状を模式的に表した図である。
【００１６】
図１に示すように、実施の形態１の計器用変成器は、磁束を通すための鉄心３に、低圧巻線２が巻回され、その外側に、巻回幅のほぼ等しい多数のレヤーコイル４と、各レヤーコイルの層間にレヤー絶縁層５を介在させた高圧巻線１が巻回されている。黒丸は各層のコイルの巻始めを示す。高圧巻線1の最内周層及び最外周層には、電圧入力用の端子V1、U1が設置され、外部の電気系統に接続されるようになっている。
【００１７】
高圧巻線１は、例えば図1の例では、最内周のレヤーコイルは左から右に、第２層は右から左に、第３層は左から右にといったように、奇数層は左から右に、偶数層は右から左に巻かれている。また、高圧巻線１を構成するレヤー絶縁層５のうち、最内周層の5a、最外周層の5bは、無機物で形成されたシートまたは、有機物中に微小無機物をフィラーとして含有させたシート、例えばマイカシートにより構成され、最内周層、最外周層以外のレヤー絶縁層は、有機物のシート、例えばポリエチレン系シート（PETシートなど）、ポリイミド系シートなどにより構成されている。ここで、フィラーとは、有機物内部に添加した微小無機粒子である。
【００１８】
このような構成の計器用変圧器に、鉄心内側の端子V1から急峻なサージが侵入すると、高圧コイルの巻始め部分と鉄心内側第２層の間に介在させたレヤー絶縁層の部分６に、大きな電圧が分担される。同様に、鉄心外側の端子U1から急峻なサージが侵入したときには、高圧コイルの巻終り層と鉄心外側第２層の間に介在させたレヤー絶縁層の部分７に、大きな電圧が分担される。
【００１９】
実際の計器用変圧器において、立ち上がりの急峻なパルス電圧を印加したときに、電圧印加端子に最近接の絶縁層層間に発生する電圧の分担比を取得した例を図２に示す。図２では、高圧コイルの巻始め部分、すなわち鉄心内側の高圧コイル端子に立ち上がり時間可変としたサージを印加したときの高圧コイルの巻始め部分の最内周層の電圧分担比を示している。
【００２０】
図２に示すように、立ち上がり時間が短い急峻なサージが印加されたときほど、電圧印加端子に最近接の絶縁層層間に発生する電圧の波高値は大きくなる。特に、200ns以下の立ち上がり時間のサージが印加されたときには、立ち上がり時間に対する相間電圧の影響が大きい。この例では立ち上がり時間が50nsのときに最大で侵入サージの約４０％の電圧が、絶縁層層間に印加されることが分かる。
【００２１】
この絶縁層層間の電圧分担比は、高圧コイルの構造により異なるが、上記試験に用いた計器用変圧器では、電圧印加端子に最近接のコイルのターン数を、他層のターン数の半分以下にした構成であるので、ターン数がどの層でも同じという構成の計器用変圧器では、絶縁層層間に４０％以上の電圧が印加されることになる。
【００２２】
また、実際の変圧器において、立ち上がりの急峻なパルス電圧を印加したときに、電圧印加端子に近い数層の絶縁層層間、即ち内側第１層から第３層までと、外側第１層から第３層までに発生する電圧の分担比を取得した例を、図３、図４に示す。図３は高圧コイルの最内周層側から、図４は高圧コイルの最外周層側からサージを印加したときの絶縁層層間に発生する電圧の分担比をそれぞれ示している。
【００２３】
これらの図から、印加サージの立ち上がり時間が小さいとき、内側の第１層と第２層、および外側の第１層と第２層に、他の層と比べて極めて大きな電圧が分担されることが分かる。この現象は、立ち上がり時間が短いほど顕著になり、特に立ち上がり時間が100ns以下で、内側の第１層と第２層、および外側の第１層と第２層の層間電圧分担比が他層に比べて極めて高くなることが分かる。開閉サージはこのような急峻な立ち上がり時間のサージになるので、このようなサージに対しても絶縁耐力をもつことが必要になる。
【００２４】
この急峻なサージが印加されたときに、サージ入力端子側の絶縁層の第１層と第２層に高い電圧が分担される現象は、以下のような原理で発生する。
【００２５】
AC電圧が高圧コイルに印加されたときには、周波数が50Hzまたは60Hzと低いため、コイルのインダクタンスLによるインピーダンスZL=jωLに比べて、コイルのターン間または層間の静電容量CによるインピーダンスZC=１/（jωC）が極めて大きく、高圧コイルの電圧分担は巻線のLのみで決まり、ターン数に応じた電圧分担になる。
【００２６】
一方、立ち上がりが急峻なサージ電圧が高圧コイルに印加されたときには、サージに含まれる周波数成分が高周波となるため、コイルのインダクタンスLによるインピーダンスZLとコイルのターン間または層間の静電容量CによるインピーダンスZCの大きさが同等になる。このような周波数では、高圧コイルの電圧分担は巻線のLのみでは決まらず、層間のCの影響を受ける。このような特性となるサージの立ち上がり時間は、計器用変圧器の容量などにより異なるが、概ね10μsである。
【００２７】
さらに立ち上がり時間が短くなると、コイルのインダクタンスLによるインピーダンスZL=jωLに比べて、コイルのターン間または層間の静電容量CによるインピーダンスZC=１/（jωC）が小さくなり、高圧コイルの電圧分担は、ターン間または層間のCにより決定される。このような周波数領域になると、最内周層または最外周層の電圧分担比は、他層の分担比に比べてさらに大きくなる。
【００２８】
上述したように、計器用変圧器の高圧コイルに、開閉サージのような極めて急峻なサージが侵入したときにも、十分な絶縁性能を得るためには、絶縁層に有機物、例えばPETシートを用いたときには、部分放電を発生させてはならないので、絶縁厚が非常に大きくなる。
【００２９】
一方、図３、図４から分かるように、開閉サージ侵入時に特に高い電圧が層間に発生するために部分放電が発生する危険がある、内側の第１層と第２層、および外側の第１層と第２層に、部分放電耐力をもつマイカシートなどの無機絶縁シートを用いた計器用変圧器とすることで、急峻なサージが高圧コイルの巻始め、巻終りのどちらから侵入してきたときでも、絶縁シートの厚さを極めて大きくすることなく上述した危険を回避でき、設計寿命下での絶縁破壊（内側または外側の第１層と第２層間のレアショート）を回避することが可能である。
【００３０】
なお、内側の第１層と第２層、および外側の第１層と第２層以外の層の層間電圧は、図３、図４から分かるように、立ち上がりの極めて急峻なサージが侵入した場合でも、分担比が小さく絶縁的に厳しくないため、有機物絶縁シート、例えば安価なPETシートを使用しても十分に絶縁性能を得ることが可能である。
【００３１】
なお、上述した実施の形態１では、部分放電耐力をもつ無機絶縁シートを、高圧コイルの内側の第１層と第２層、および外側の第１層と第２層に用いているが、高圧コイルの巻線構造などにより、急峻なサージが侵入したときに、最内周および最外周の１層のみが極めて大きな分担比となる場合には、高圧コイルの最内周の１層、および最外周の１層のみに無機絶縁シートを使用し、それ以外の絶縁層には有機絶縁シートを使用する構造でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態１による計器用変圧器の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の鉄心内側の高圧コイル端子部に急峻なサージ電圧を印加したときの、最内周の層間絶縁層に発生する電圧の分担比を示す図である。
【図３】実施の形態１の鉄心内側の高圧コイル端子部に急峻なサージ電圧を印加したときの、各相間絶縁層に発生する電圧の分担比を示す図である。
【図４】実施の形態１の鉄心外側の高圧コイル端子部に急峻なサージ電圧を印加したときの、各相間絶縁層に発生する電圧の分担比を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  高圧巻線、  ２  低圧巻線、  ３  鉄心、  ４  レヤーコイル、  ５  レヤー絶縁層、  ５a  内側の第１レヤー絶縁層、  ５ｂ  外側の第１レヤー絶縁層、  ５ｃ  内側の第２レヤー絶縁層、  ５ｄ  外側の第２レヤー絶縁層、  ６  最内周レヤー絶縁層の最大電圧印加部、  ７  最外周レヤー絶縁層の最大電圧印加部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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