(57)【要約】【課題】  多重円筒巻線の転位位置を簡易な方法にて一つの巻線に対して一箇所特定し、当該特定した位置で転位させることにより、アンバランスな電流による負荷損失の増加を防止できる変圧器巻線の巻線構造を提供する。【解決手段】  電力用変圧器の変圧器巻線の等価回路をあらわす回路方程式において、各導体間のインピーダンスが同一となる転位位置にて前記各導体ｌ1〜ｌ3を転位させることにより、各導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流のアンバランスを確実に解消できるように構成した。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導体を巻線径方向に並べて巻回した導体層を複数有する多重円筒巻線であって、各導体に流れる電流のアンバランスが解消される転位位置を一つの巻線に一箇所備えて構成されることを特徴とする変圧器巻線。
【請求項２】
前記転位位置は、前記巻線の等価回路を表す回路方程式において、複数の導体各々のインピーダンスが同一となる位置に設定して構成したことを特徴とする請求項１記載の変圧器巻線。
【請求項３】
前記転位を行った導体層の軸方向の高さが他の導体層の軸方向の高さと同一となる巻回数で前記導体の転位を行った導体層を構成したことを特徴とする請求項１，２記載の変圧器巻線。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の導体を並列に巻回した多重円筒巻線構造をなす変圧器巻線の転位構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の導体を並列に巻回して変圧器の巻線を構成した場合、各導体のインピーダンスが異なることがある。このような場合、各導体には大きさの異なる負荷電流（以下、アンバランスな電流という）が流れ、その結果、発生する負荷損が、電流が各導体に均一に流れる場合よりも増大することになる。
【０００３】
前記負荷損を低減するためには、並列に巻回した前記導体を所定位置において互いに交差させて、各導体の位置を入れ替える、所謂、転位を行うという方法がある。つまり、前記導体を所定位置で転位させることにより、各導体のインピーダンスを等しくし、各導体に流れる電流値を等しくすることで負荷損を低減することができる。
【０００４】
電力用の変圧器に用いられている巻線は種々の構造があり、中でも多重円筒巻線は、導体層間の対向面積が大きく、巻線の直列静電容量が大きいため、雷インパルス電圧印加時の巻線の電位分布が良好である等の理由から、電力用変圧器の巻線として広く利用されている。
【０００５】
そして、前記多重円筒巻線において、前記転位を行う場合は、下記特許文献１記載の図６に示すように、導体層１１´，１２´，１３´，１４´，１５´の中央付近にて、導体の巻線径方向の配置の順番を逆にして導体の転位を行ったり、また、前記特許文献１記載の図６に示す転位方法の抱える問題点、すなわち、導体の転位回数が多いことに起因した作業性の悪さ、および、加工工数が増加するといった問題の招来を解決すべく、同特許文献１記載の図１〜図５に示す巻線構造が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−２１６５２号公報
【０００６】
前記特許文献１記載の図１〜図４に示す巻線構造によれば、導体の転位は、導体層の端部で行われており、また、前述した図６に示す巻線構造における同一巻回数の変圧器巻線と比較して、その転位回数を減少させていることから、作業性の向上および加工工数の減少を確実に実現することができる。
【０００７】
また、前記特許文献１記載の図５に示す巻線構造によれば、導体の転位こそ導体層の中央部で行われ、前記図６に示す巻線構造と同様であるが、転位回数について言えば、同一巻回数の変圧器巻線と比較して減少させることができ、作業性の向上と加工工数の減少を良好に達成することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
然るに、上記特許文献１記載の図１〜図５に示すいづれの従来技術においても、導体層毎に転位が必要となることは共通しており、図１，２に示す導体層が５層の構造においては、４回の転位が必要になる。
【０００９】
また、特許文献１記載の図３に示す巻線構造においては、その転位回数は２回必要であり、図４に示す巻線構造においては、２回の転位が必要となる。
【００１０】
さらに、特許文献１記載の図５に示す巻線構造によれば、変圧器巻線の１８ターン毎に１回の転位が必要となることに加え、複数の導体５２ａ、５２ｂを巻線径方向に並べて巻回する導体層の巻回作業において各導体層５２、５４、５６の中央付近で導体の転位を行う必要があるので、巻回作業を一時中断しなければならないことは特許文献１記載の図６に示す場合と同様であり、作業性の悪さと加工工数の増加という特許文献１記載の図６に示す巻線構造が抱えていた問題を良好に解決できるものとは言い難かった。
【００１１】
そこで、本発明は、前述した問題点を可能な限り解消して、変圧器巻線の巻回作業における作業性の改善と、加工工数の低減を実現することのできる変圧器巻線の巻線構造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】
【００１２】
請求項１記載の発明は、複数の導体を巻線径方向に並べて巻回した導体層を複数有する多重円筒巻線であって、各導体に流れる電流のアンバランスが解消される転位位置を一つの巻線に対して一箇所備えて変圧器巻線を構成した。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の変圧器巻線において、前記転位位置は、前記巻線の等価回路を表す回路方程式において、複数の導体各々のインピーダンスが同一となる位置に設定して構成した。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１，２記載の変圧器巻線において、前記転位を行った導体層の軸方向の高さを他の導体層の軸方向の高さと同一となる巻回数で構成した。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の発明によれば、各導体に流れる電流のアンバランスを解消するために導体の位置を巻線途中で入れ換える転位が一つの巻線に対して一箇所でよいので、導体の巻回作業時の加工工数を低減して、工期の短縮を図り、以って作業性を飛躍的に向上させることができ、非常に有効である。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、変圧器巻線の等価回路を表す回路方程式において、複数の導体各々のインピーダンスが互いに同一となるように転位位置を調節することによって、容易に最適な転位位置を特定することができる。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、転位を行った導体層の軸方向の高さが転位を行っていない他の導体層の軸方向の高さと同一となる巻回数で転位を行った導体層を構成したので、例えば、耐電圧試験時に巻線端部で電界が高くなる等の不具合が発生することを確実に防止することができ、さらに絶縁補強や絶縁距離を増加させるといった特別な措置を講じる必要性を排除することができ、非常に効果的である。
【実施例】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図１ないし図５により説明する。図１は本発明の変圧器巻線を示す部分側断面図であり、図１において、１は鉄心、２は鉄心１に巻回した低圧巻線であり、３は該低圧巻線２と同心状に前記鉄心１に巻回された高圧巻線を示している。
【００１９】
前記低圧巻線２は、絶縁被覆した１本の導体ｌ5を巻線軸方向に規定巻回数螺旋状に巻回することにより鉄心１に多重円筒巻して、４つの導体層２ａ〜２ｄからなる積層導体部を構成しており、一方、高圧巻線３は、３本の導体ｌ1〜ｌ3を巻線径方向に並べてこれを１組とし、該１組の導体を巻線の軸方向に規定巻回数螺旋状に巻回することによって、前記低圧巻線２の外周にこれと同心状に巻回される６つの導体層３ａ〜３ｆからなる主巻線３Ａと、該主巻線３Ａに接続される１本の導体ｌ4を巻線の軸方向に規定回数螺旋状に巻回して形成した２つの導体層３ｇ，３ｈを備えたタップ巻線３Ｂからなる積層導体部を構成している。
【００２０】
図２は図１に示す変圧器巻線の等価回路を示している。図２において、Ｌ5は低圧巻線２を構成する導体ｌ5の自己インダクタンスであり、Ｒ5は前記導体ｌ5の抵抗を、また、ｉ5は前記導体ｌ5に流れる電流を示している。
【００２１】
Ｌ1〜Ｌ3は、高圧巻線の主巻線３Ａを構成する巻線径方向に並列に並べた３本の導体ｌ1〜ｌ3の自己インダクタンスであり、Ｒ1〜Ｒ3は前記導体ｌ1〜ｌ3の抵抗を示している。
【００２２】
ｉ1〜ｉ3は、前記導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流であり、ｉ4はタップ巻線４を構成する導体ｌ4に流れる電流を示している。Ｌ4は前記導体ｌ4の自己インダクタンスを示しており、Ｒ4は当該導体ｌ4の抵抗を示している。
【００２３】
また、Ｖは高圧巻線３に電力を供給する交流電源であり、Ｍ15は高圧巻線３の導体ｌ1の低圧巻線２の導体ｌ5に対する相互インダクタンスである。Ｍ25は高圧巻線３の導体ｌ2の低圧巻線２の導体ｌ5に対する相互インダクタンスを、Ｍ35は高圧巻線３の導体ｌ3の低圧巻線２の導体ｌ5に対する相互インダクタンスを示している。
【００２４】
Ｍ23は高圧巻線３の導体ｌ2の導体ｌ3に対する相互インダクタンスであり、Ｍ12は高圧巻線３の導体ｌ1の導体ｌ2に対する相互インダクタンスを、また、Ｍ13は高圧巻線３の導体ｌ1の導体ｌ3に対する相互インダクタンスを示している。
【００２５】
さらに、Ｍ14は高圧巻線３の導体ｌ1のタップ巻線３Ｂの導体ｌ4に対する相互インダクタンスを、Ｍ24は高圧巻線３の導体ｌ2のタップ巻線３Ｂの導体ｌ4に対する相互インダクタンスであり、Ｍ34は高圧巻線の導体ｌ3のタップ巻線３Ｂの導体ｌ4に対する相互インダクタンスを示している。
【００２６】
次に、本発明の変圧器巻線の転位位置について説明する。図１に示す変圧器巻線の転位位置を決定する場合、図２に示す等価回路の各導体ｌ1〜ｌ5に流れる電流は次式によって与えられる。
【００２７】
【数１】
2007157987.tif 000003
【００２８】
したがって、前記［数１］式によって高圧巻線３の導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3の値が同一となる位置で導体ｌ1〜ｌ3の転位を行えば、電流ｉ1〜ｉ3のアンバランスは解消され、負荷損の増加を防止することができる。
【００２９】
そこで、前記［数１］式によって導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3の値を算出する場合、まず最初に、各導体ｌ1〜ｌ5の１ターンごとの自己インダクタンスおよび相互インダクタンスを算出する。
【００３０】
前記自己，相互インダクタンスの算出は、当該インダクタンスが鉄心１の影響が少ない密結合のリーケージ（漏れ）であることから、空心コイルの自己，相互インダクタンスとして算定する。つまり、前記自己インダクタンスＬおよび相互インダクタンスＭは次式であらわされる。
【００３１】
【数２】
2007157987.tif 000004
【００３２】
なお、前記［数２］式で、μ0＝４π×１０-7（Ｈ／ｍ）であり、Ｎは各導体ｌ1〜ｌ5の巻数をあらわしている。また、Ｄ0〜Ｄ2，ａ〜ｃは図３に示す寸法を示している。ここで図３（ａ）は、前記導体ｌ1〜ｌ5の各導体の寸法をあらわしており、Ｄ0は各導体ｌ1〜ｌ5を鉄心１周りに巻回したときの巻回半径であり、ａは各導体ｌ1〜ｌ5の高さ寸法を、また、ｂは前記各導体ｌ1〜ｌ5の幅寸法をあらわしている。
【００３３】
一方、図３（ｂ）は各導体ｌ1〜ｌ5のうち２本の導体の位置関係を示す図であり、Ｄ1，Ｄ2は、２本の導体を鉄心１に巻回した際のそれぞれの巻回半径であり、ｃは２本の導体間の間隔を示している。
【００３４】
すなわち、図３に示す各導体ｌ1〜ｌ5のそれぞれの寸法（ａ〜ｃ，Ｄ0〜Ｄ2）および定数μ0と巻数Ｎを前記［数２］式に入力することによって、各導体ｌ1〜ｌ5の自己インダクタンスと相互インダクタンスを算出することができ、この計算結果の例では、１９３８×１９３８のインダクタンスマトリクスが作成される。
【００３５】
そして、転位位置の変更により、上記インダクタンスマトリクスの要素を入替え、その後、以下に示すように５×５のインピーダンス行列Ｚに変換される。
【００３６】
【数３】
2007157987.tif 000005
【００３７】
次に、前記［数１］式をこの変換した５×５のインピーダンス行列で計算することによって各導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3が計算される。したがって、前記各導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3のアンバランスを解消するためには、前記［数１］式で計算される電流ｉ1〜ｉ3のアンバランスが解消される転位位置を求めれば良く、これには転位位置を様々に調節して各導体ｌ1〜ｌ3間のインピーダンスが同一となる位置を探し出せば良いことになる。
【００３８】
このようにして、探し出した転位位置（例えば、図４に示す位置）は各導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3のアンバランスが解消される最適な位置であるので、負荷損の増加を確実に回避することが可能となる。
【００３９】
しかもその転位位置は一箇所に限定することができるので、変圧器巻線の巻回作業時における作業性の改善と、加工工数の低減に対して、非常に有効である。
【００４０】
また、本発明の変圧器巻線の巻線構造によれば、転位させた導体層が転位を行うことによって他の導体層と、巻線軸方向の長さ（導体層の高さ）が異なることに起因して、例えば、耐電圧試験時において、巻線端部の電界が高くなる等の問題の発生を防止するために、転位させた導体層においては、その巻回数を減少させることによって、転位させた導体層の高さが他の転位させていない導体層と同一になるように構成している。
【００４１】
これにより、巻線端部の電界が高くなることに起因して発生する弊害に対して、例えば、絶縁補強や絶縁距離を増大させるといった特別な対策を講じる必要がなくなり、構造の簡素化が図れるとともに、外部短絡故障時においても、変圧器巻線に発生する電磁力の増大を良好に阻止することができる。
【００４２】
図５（ａ）は、以上のようにして特定した位置（図４参照）で導体を転位させた場合における各導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3の計算値を示すグラフであり、前記転位位置を調節することにより、導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3（正弦波形）の振幅が等しくなる位置を最適な転位位置として特定することができる。
【００４３】
一方、同図（ｂ）は、前記［数１］式を利用して特定した最適な転位位置で各導体を転位させた場合に、各導体ｌ1〜ｌ3に実際に流れる電流ｉ1〜ｉ3を測定した結果を示すグラフであり、図５（ａ）に示す計算値と比較して良く一致しており、このことから、前記転位位置の特定手法の正確性と有効性および妥当性を確認することができる。
【００４４】
つづいて、本発明の他の実施例について図６ないし図８を利用して説明する。図６に示す電力用変圧器の巻線構造は、低圧巻線４および高圧巻線５ともに複数本（本実施例では３本）の導体巻線径方向に並列に並べて１組とし、最初に、低圧巻線４を鉄心１に対して、巻線軸方向に規定巻回数螺旋状に巻回することにより、４つの導体層４ａ〜４ｄを構成し、つづいて、高圧巻線５を前記低圧巻線４の外側に、これと同心状に規定巻回数螺旋状に巻回することによって４つの導体層５ａ〜５ｄを構成している。
【００４５】
図７に図６の変圧器巻線の等価回路を示す。図７において、Ｌ４〜Ｌ６は低圧巻線４を構成する導体ｌ4〜ｌ6の各々の自己インダクタンスであり、Ｒ4〜Ｒ6は各導体ｌ4〜ｌ6の抵抗を示している。
【００４６】
また、ｉ4〜ｉ6は前記導体ｌ4〜ｌ6に流れる電流であり、Ｌ１〜Ｌ３は高圧巻線５を構成する導体ｌ1〜ｌ3の各々の自己インダクタンスを、Ｒ1〜Ｒ3は各導体ｌ1〜ｌ3の抵抗を示している。
【００４７】
ｉ1〜ｉ3は、前記導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流であり、Ｖは高圧巻線５に電力を供給する交流電源を示している。Ｍ46は低圧巻線４の導体ｌ4とｌ6間の相互インダクタンスであり、Ｍ56は低圧巻線４の導体ｌ5とｌ6間の相互インダクタンスを示している。
【００４８】
Ｍ45は低圧巻線４の導体ｌ4とｌ5間の相互インダクタンスであり、Ｍ13は高圧巻線５の導体ｌ1とｌ3間の相互インダクタンスを示している。Ｍ23は高圧巻線５の導体ｌ2とｌ3間の相互インダクタンスであり、Ｍ12は高圧巻線５の導体ｌ1とｌ2間の相互インダクタンスを示している。
【００４９】
また、Ｍ14，Ｍ15，Ｍ16は、高圧巻線５の導体ｌ1と低圧巻線４の導体ｌ4，ｌ5，ｌ6間の各々の相互インダクタンスであり、Ｍ24，Ｍ25，Ｍ26は高圧巻線５の導体ｌ2と低圧巻線４の導体ｌ4，ｌ5，ｌ6間のそれぞれの相互インダクタンスを、Ｍ34，Ｍ35，Ｍ36は高圧巻線５の導体ｌ3と低圧巻線４の導体ｌ4，ｌ5，ｌ6間の各々の相互インダクタンスを示している。
【００５０】
このように構成した変圧器巻線の導体ｌ1，ｌ2，ｌ3に流れる電流ｌ1〜ｌ3は、図１に示す変圧器巻線と同様に、前記［数１］式であらわされ、図６に示す変圧器巻線の転位は、各導体ｌ1〜ｌ6間のインピーダンスが同一となる位置で転位させることにより、前記導体ｌ1〜ｌ6に流れる電流のアンバランスが解消されて、負荷損の増大を防止することができる。
【００５１】
そして、前記転位位置の特定方法も図１に示す変圧器巻線の場合と同様、まず最初に、低圧巻線４の導体ｌ4〜ｌ6と高圧巻線５の導体ｌ1〜ｌ3の自己インダクタンスと相互インダクタンスを算出する。
【００５２】
前記自己インダクタンスと相互インダクタンスの算出は、前記［数２］式によって求められるものであり、前記［数２］式のμ0＝４π×１０-7［Ｈ／ｍ］、Ｎは各導体ｌ1〜ｌ5の巻回数を、また、ａ〜ｃおよびＤ0〜Ｄ2は図３に示す導体ｌ1〜ｌ5の寸法を代入して計算すれば良い。
【００５３】
以上の数値を前記［数２］式に代入して算出することにより、所定のインダクタンスマトリクスが作成されるので、つづいて、前記導体ｌ1〜ｌ5の転位位置を指定することにより、前記インダクタンスマトリクスの要素を入替えた後、前記インダクタンスマトリクスは、次式に示す６×６のインピーダンス行列Ｚに変換される。
【００５４】
【数４】
2007157987.tif 000006
【００５５】
したがって、この［数４］式であらわされるインピーダンス行列Ｚを前記［数１］式に代入して、各導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3が同一となる転位位置を特定すれば、その転位位置が各導体ｌ1〜ｌ3間のインピーダンスが同一となり、該導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3のアンバランスが解消される最適な転位位置となる。
【００５６】
このようにして特定した転位位置（図８参照）で導体ｌ1〜ｌ6の転位を行えば、当然、導体ｌ1〜ｌ3に流れる電流ｉ1〜ｉ3のアンバランスが存在しないため、電流のアンバランスによる損失増大の無い巻線構造を有する変圧器巻線の提供が可能となる。
【００５７】
なお、この場合にあっても、転位させた導体層は転位させていない導体層との間で巻線軸方向の高さが相違する問題点が発生するため、これを解消するために転位させた導体層においてはその巻回数を減少させることにより、転位させていない他の導体層の巻線軸方向の高さと同一として、耐電圧試験時等において、巻線端部の電界が高くなる等の問題の発生を阻止することができることは、図４に示す巻線構造と同様である。
【００５８】
以上説明したように、本発明の変圧器巻線の巻線構造によれば、変圧器巻線を構成する各導体に流れる電流のアンバランスを解消できる転位位置を当該変圧器巻線の等価回路によって簡単に計算して特定することができ、損失の発生を確実に防止できる巻線構造の提供が可能となるとともに、その転位位置は一つの巻線に一箇所でよいので、巻線の巻回作業時における作業性の向上と加工工数の低減を良好に図ることができる。
【００５９】
また、転位させた導体層の巻回数を転位させていない導体層の巻回数と比較して減少させることにより、全ての導体層の巻線軸方向の高さを同一として、耐電圧試験時における巻線端部の電界の増大と、外部短絡故障時における電磁力の同大を確実に阻止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によれば、変圧器巻線の等価回路によって簡単に特定可能な、前記変圧器巻線を構成する導体に流れる電流のアンバランスを解消できる１の転位箇所（１つの巻線に対して）にて転位させた変圧器巻線の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の変圧器巻線の巻線構造を示す部分側断面図である。
【図２】前記変圧器巻線の等価回路である。
【図３】前記変圧器巻線を構成する導体の寸法および各導体間の位置関係を示す縦断面図である。
【図４】前記変圧器巻線の転位位置を示す部分側断面図である。
【図５】最適な転位位置で転位させた場合の各導体に流れる電流の波形図である。
【図６】本発明の他の実施例における変圧器巻線の巻線構造を示す部分側断面図である。
【図７】他の実施例における変圧器巻線の等価回路である。
【図８】他の実施例における変圧器巻線の最適な転位位置を示す部分側断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  鉄心
２，４  低圧巻線
３，５  高圧巻線
２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｈ，４ａ〜４ｄ，５ａ〜５ｄ  導体層
３Ａ  主巻線
３Ｂ  タップ巻線
ｉ1〜ｉ6  電流
Ｌ1〜Ｌ6  自己インダクタンス
Ｒ1〜Ｒ6  抵抗
Ｖ  交流電源
Ｍ  相互インダクタンス
【図１】
2007157987.tif 000007
【図２】
2007157987.tif 000008
【図３】
2007157987.tif 000009
【図４】
2007157987.tif 000010
【図５】
2007157987.tif 000011
【図６】
2007157987.tif 000012
【図７】
2007157987.tif 000013
【図８】
2007157987.tif 000014