(57)【要約】      （修正有）【課題】巻線間の機械的強度を確保しつつ、絶縁性能に優れた構造をもつ変圧器を提供する。【解決手段】鉄心の周りに巻装された低圧巻線１、高圧巻線２と、鉄心と低圧巻線１との間又は低圧巻線１と高圧巻線２相互間の間隙を保つ位置に配設された固体絶縁材料の間隔片７、８と、を有し、間隔片７、８は、内部が中空の基本構造体を積層した積層体であり、隣接する基本構造体同士の間及び外部との境界には、内部と連通し、絶縁媒体が流通する穴が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心の周りに巻装された複数個の巻線と、
前記鉄心と前記巻線との間又は前記巻線相互間の間隙を保つ位置に配設された固体絶縁材料の間隔片と、
を有し、
前記間隔片は、内部が中空の基本構造体を積層した積層体であり、
隣接する基本構造体同士の間及び外部との境界には、内部と連通し、絶縁媒体が流通する穴が形成されていることを特徴とする変圧器。
【請求項２】
前記基本構造体が、複数の薄板部で囲まれた多面体で、内部が中空の多面気泡区分であることを特徴とする請求項１記載の変圧器。
【請求項３】
前記多面気泡区分は、内部が球状の中空である立方体又は直方体であることを特徴とする請求項２記載の変圧器。
【請求項４】
前記間隔片は、複数の接点部と、これを連結する接続部の集合体で構成される結晶構造体であることを特徴とする請求項１記載の変圧器。
【請求項５】
前記結晶構造は、トラス構造であることを特徴とする請求項４記載の変圧器。
【請求項６】
前記間隔片が、複数の六角筒とその両端に配設された板状材とを有し、前記六角筒の高さ方向が、巻線対向面に垂直になるよう配置されたハニカム構造体であることを特徴とする請求項１記載の変圧器。
【請求項７】
前記穴を形成する部分は、鋭角を持たない曲線形状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項８】
前記間隔片は、等価的な比誘電率が２．１以下になるように形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の変圧器。
【請求項９】
前記間隔片が、３次元プリンターで作製されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、変圧器の高圧巻線と低圧巻線との間の間隙を保つために用いる絶縁部材の材質、構造を改良し、巻線間の絶縁強度を向上させた変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、変圧器の高圧巻線と低圧巻線との間の絶縁構造は、巻線間のギャップを絶縁筒で分割し、そのギャップ寸法を保つために、絶縁筒の間に間隔片を全周に等配に分布させて配置するのが一般的であった。
【０００３】
このような間隔片を備えた内鉄形変圧器の一例について、図９を参照して説明する。図９は、内鉄形変圧器における巻線間絶縁構造の水平断面の一部拡大図である。まず、低圧巻線１の外側には、絶縁筒３が配置されている。高圧巻線２の内側には、絶縁筒４が配置されている。この絶縁筒３、４と巻線内外周面との間の空間には、通常は、絶縁媒体であるとともに冷却媒体である絶縁油又は絶縁ガスが流れる。絶縁ガスは、典型的にはＳＦ６ガスである。
【０００４】
円板巻線である低圧巻線１、高圧巻線２は、円板状に巻かれた導体を重ねて構成される。但し、導体を構成する円板と円板との間には、スペ―サ５が円周に均等に配置されて、円板間に冷却媒体が流れるための流路が確保されている。スペ―サ５は、絶縁筒４の上に並べられたレ―ル６に接合され、このレ―ル６の上に巻線の導体が巻かれている。
【０００５】
そして、低圧巻線１と外側の絶縁筒３と間と、絶縁筒３と高圧巻線２の絶縁筒４との間に、この間隙を保ち、高圧巻線２と低圧巻線１との間の半径方向の力を受けるように間隔片７、８及びレール６が置かれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２６７７６７号公報
【特許文献２】特開平８−０７８２４６号公報
【特許文献３】特開平９−１１５７４６号公報
【特許文献４】特開平１０−２９４０２９号公報
【特許文献５】特開２００１−３０７９３１号公報
【特許文献６】特開平８−１５３６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的には、高圧巻線と低圧巻線との間の間隔片の比誘電率ε１は、絶縁媒体の比誘電率ε２よりも大きい。この場合、間隔片が、高圧巻線と低圧巻線との間に隙間無く設置されていれば、絶縁上の問題は少ない。
【０００８】
しかし、一般に、間隔片の端面は平坦面になっており、巻線や絶縁筒の周囲は曲面になっているため、絶縁筒と間隔片との間に微小なギャップが生じることを避けるのは難しい。このように微小ギャップが構成される場合、隙間に入る絶縁媒体には、間隔片のε１／ε２倍の電界が加わることになり、絶縁上の弱点になることが多い。
【０００９】
絶縁筒および間隔片の材料として広く使用されるのは、プレスボ―ドと呼ばれるセルロ―ス系繊維をプレスして固めたものである。プレスボ―ドの比誘電率は、油浸状態で約４．４、未油浸状態で約３．０である。また、絶縁油の比誘電率は約２．２、ＳＦ６ガスの比誘電率は１．０である。これらの値から考えると、油入変圧器の場合には、絶縁油に油浸したプレスボードの２倍の電界が加わり、ガス絶縁変圧器の場合には絶縁ガスに未油浸のプレスボードの３倍の電界が加わることになる。
【００１０】
一方、絶縁強度を比較すると、絶縁油やＳＦ６ガスは、固体絶縁材料であるプレスボ―ドよりも低い。したがって、間隔片の置かれた部分にできる微小ギャップが、絶縁上の弱点となって巻線間全体の絶縁強度を弱めてしまう。
【００１１】
これに対処するため、間隔片の比誘電率であるε１と絶縁媒体のε２の差を極力小さくする改良がなされてきた。例えば、内部が空乏であるセルの集合体であるハニカム構造体を使用する改良が、種々の方法で提案されてきた（特許文献１〜５参照）。
【００１２】
しかし、ハニカム構造体は、無垢の固体絶縁物に比べて機械的強度がやや劣る。このため、機械力を高めるために、ハニカム構造体を形成する紙や不織布など、繊維状の厚さの薄い絶縁物に樹脂を含浸させたものを、絶縁物として用いている。
【００１３】
一方、樹脂を含浸させると、ハニカム構造体として形成された絶縁物を透過して、絶縁媒体がセル内部に浸透することはできなかった。さらに、ハニカム構造体の内部の空乏層は、それぞれ独立である。このため、例えば０．２２５ＭＰａの圧力のＳＦ６ガスを用いたガス絶縁変圧器の場合には、以下のような不都合が生じる。
【００１４】
０．２２５ＭＰａのＳＦ６ガスでは、２０ｋＶ／ｍｍの電界まで絶縁が保てる。しかし、この空乏層には大気圧の空気が入っている。このため、ハニカム構造体の内部は、空気の絶縁耐力である３ｋＶ／ｍｍで、絶縁破壊を生じてしまう。
【００１５】
これに対処するため、特許文献６に示すように、ハニカム構造体の上下の絶縁物シートに穴を開けることで、ハニカム構造体の空乏層に、ＳＦ６ガスを入れる改良がなされている。この構成によれば、ハニカム構造体に接する固体絶縁物の方から、絶縁媒体がセル内に流入するので、絶縁信頼性を低下させること無く機械的強度を維持できる。
【００１６】
ところが、通常のハニカム構造体では、機械力が上下に加わる方向に対して強度が高い。このため、この方向に力が加わるように使用されている。例えば、図９の間隔片として使用した場合に、上下に穴を開ける構造では、絶縁筒３と絶縁筒４で挟まれて、穴が塞がってしまう。このため、ハニカム構造体の中にＳＦ６ガスを導入するのは困難であった。
【００１７】
一方、紙や不織布などで構成されたセルに予め穴をあけてから、樹脂を含浸させる方法もある。しかし、従来は、１つ１つの穴の形状が制御できず、樹脂を含浸させると、樹脂が穴を塞いでしまう可能性があった。非常に多くのセルのうち、１つでも閉じたセルが存在すると、このセルが発端となって、期待される電界値以下で部分放電や絶縁破壊が発生してしまう場合があった。
【００１８】
本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、巻線間の機械的強度を確保しつつ、絶縁性能に優れた構造をもつ変圧器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の実施形態は、上記のような目的を達成するため、以下のような発明特定事項を有する変圧器である。すなわち、鉄心の周りに巻装された複数個の巻線と、前記鉄心と前記巻線との間又は前記巻線相互間の間隙を保つ位置に配設された固体絶縁材料の間隔片と、を有し、前記間隔片は、内部が中空の基本構造体を積層した積層体であり、隣接する基本構造体同士の間及び外部との境界には、内部と連通し、絶縁媒体が流通する穴が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態の巻線間絶縁構造の一部拡大水平断面図
【図２】第１の実施形態の間隔片の基本構造体を示す斜視図
【図３】図２の実施形態の基本構造体の集合体である間隔片の構造図
【図４】第２の実施形態の間隔片の基本構造体を示す斜視図
【図５】図４の実施形態の基本構造体の集合体である間隔片の構造図
【図６】第２の実施形態の他の態様の基本構造体を示す斜視図
【図７】第３の実施形態の間隔材の斜視図
【図９】他の実施形態の巻線間絶縁構造の一部拡大水平断面図
【図８】従来の巻線間絶縁構造の一部拡大水平断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［第１の実施形態］
［構成］
第１の実施形態の構成を、図１〜図３を参照して説明する。以下の説明では、図９に示した従来技術と同一の部分は同一の符号を付して、説明を簡略化する。
【００２２】
図１は、本実施形態の内鉄形変圧器の円板巻線の水平断面の一部拡大図である。この図１に示すように、本実施形態は、基本的には、図９に示した従来技術と同様の配置構成である。但し、本実施形態においては、低圧巻線１の外側と絶縁筒３との間、絶縁筒３と高圧巻線２の絶縁筒４との間に配置された間隔片７、８が、単なる無垢の絶縁材とは異なる構成を有している。
【００２３】
図２は、本実施形態の間隔片７、８を構成する単位である基本構造体を示す斜視図である。ここで、基本構造体をセル９と呼ぶ。セル９は、立方体等の多面体の中に、球状の中空部分を有する多面気泡区分を構成するものである。セル９が立方体である場合の一辺を１とすると、中空の球の直径は１．１以下である。
【００２４】
図３は、間隔片７、８が、図２のセル９を複数積層した積層体、つまりセル９の集合体Ａであることを示す斜視図である。この集合体Ａは、例えば、３次元プリンターの光造型法を用いて、光硬化型エポキシ樹脂によって、セル９が上下左右に積み重なって、全体として間隔片７、８の形状となるように形成される。
【００２５】
多面気泡区分の界面部分は、セル９の６面を構成する薄板部９ａにより形成されている。各薄板部９ａの中央には、内部の中空の球に繋がる円形の穴９ｂが形成されている。この穴９ｂは、隣接した多面気泡区分間を連通させるとともに、外部との境界の開口を構成している。薄板部９ａにおける穴９ｂを形成している部分は、鋭角を持たない曲線形状である。
【００２６】
［作用効果］
以上のような本実施形態によれば、間隔片７，８の等価的な比誘電率を低下させることができるとともに、間隔片７、８のセル９の空乏内に絶縁媒体が確実に入るので、絶縁強度の向上を図ることができる。
【００２７】
以下、本実施形態が特に有効なガス絶縁方式（ε１＝１）の変圧器の例で説明する。まず、低圧巻線１と高圧巻線２との間の間隔片７、８に、無垢の固体絶縁材料を用いた場合、間隔片７、８が置かれた部分に微小なギャップができると、そこに、他の部分よりも高い電界が加わる。例えば、エポキシ樹脂を用いた場合、その比誘電率を３．５とすれば３．５倍の電界が加わる。
【００２８】
しかし、間隔片７、８の等価的な比誘電率が２．１以下と低くなると、低圧巻線１と高圧巻線２との間の電位分担が変わり、間隔片７、８の部分に生じる微小なガスギャップ中の電界が下がる。その結果、変圧器としての絶縁耐力が向上する。
【００２９】
比誘電率が低い絶縁材料としては、例えば、比誘電率が２．１のＰＴＦＥや、２．０のポリエチレンがある。しかし、これらの比誘電率が低い材料は、機械的強度が弱いため、大きな力が加わる部分の構造材として用いることは、従来は困難であった。
【００３０】
本実施形態では、巻線間の絶縁構造材として、多面体のセル９の集合体Ａであって、外部及びセル９同士の間に穴９ｂが形成された間隔片７、８を用いている。このため、ガス状、液体状の絶縁媒体が、穴９ｂを通って移動できる。また、多面体のセル９の集合体とすることにより、高い機械的強度が得られる。また、穴９ｂの形成部分は、鋭角を持たない曲線形状であるので、電界集中等が生じない。このため、巻線間の機械的な力を維持しつつ、絶縁性能の高い変圧器を得ることができる。
【００３１】
つまり、本実施形態では、単なる使用材料の選択だけては得られない絶縁性能向上を図ることができる。例えば、比誘電率が２．１以上の材料を用いたとしても、等価的な比誘電率は２．１以下にすることができ、機械的強度を維持しつつ、絶縁性能を向上させることができる。
【００３２】
［第２の実施形態］
［構成］
本実施形態は、基本的には、図９に示した従来技術と同様の配置構成である。但し、本実施形態の間隔片７，８は、結晶構造体であるトラス構造を有している。特に、図４は、間隔片７、８を構成する単位である基本構造体を、トラス形状とした例である。本実施形態の間隔片７、８は、図５に示すように、基本構造体の集合体、つまり基本構造体を積層した積層体であるトラス構造材とした例である。なお、ここでいう結晶構造体とは、結晶そのものではなく、結晶を模擬した構造体を意味する。
【００３３】
ここで例示するトラス形状は、基準となる正方形に、３角形からなる４面体を組み合わせた５面体である。５面体の各頂点に対応する格子点には、球状の接点部１０が配置され、この接点部１０間を、中央部分の半径が端部の半径よりも短い円柱の接続部１１によって接合している。
【００３４】
間隔片７、８は、この５面体が多数、お互いに面を共有するように組み立てられた構造で、橋などの構造に用いられるように力を均等に分散して強い機械力を示す。間隔片７、８の１つの面は、３角形または４角形であるが、隣接する５面体と共有する面の開口部１２を通して、絶縁媒体が自由に移動できる。
【００３５】
また、形状は完全なる対称性を示す構造ではなく、実際の変圧器に用いられる際の絶縁筒３、絶縁筒４に隙間なく入るように、曲率を持った構成とすることが望ましい。この場合、外周側の接続部１１には、平坦部１３を形成して、絶縁筒と密着する構造になっている。
【００３６】
かかるトラス構造の間隔片７、８は、外側の絶縁筒３と内側の絶縁筒４との間の間隙長に等しい厚さで、絶縁筒３、４に挟まれ、上下面が外側の絶縁筒３と内側の絶縁筒４の曲率と同一となるように、３次元プリンターで製造することができる。
【００３７】
［作用効果］
本実施形態では、巻線間の絶縁構造材として、開口部１２を有する結晶構造体であるトラス構造の間隔片７、８を用いることにより、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。つまり、ガス状、液体状の絶縁媒体が、開口部１２を通って移動できるとともに、トラス構造とすることにより、高い機械的強度が得られる。
【００３８】
さらに、本実施形態では、外側絶縁筒３、内側絶縁筒４の間隔に合わせた厚さ、曲率に合わせた形状とすることにより、外力を均等に受けて、構造材としての機能を十分発揮できる。なお、結晶構造体は上記のトラス構造には限定されない。例えば、図６に示すように、ダイヤモンドの構造体など、その他の結晶構造を持つ構成としたものも適用可能である。
【００３９】
［第３の実施形態］
［構成］
本実施形態は、基本的には、図９に示した従来技術と同様の配置構成である。但し、本実施形態は、図７に示すように、間隔片７，８が、ハニカム構造体となっている。ハニカム構造体は、六角形セル２１と板状部２２の積層体によって構成されている。六角形セル２１は、内部が中空の六角筒である。板状部２２は、六角形セル２１の高さ方向の両端面に箔状材料により形成され、必要な高さのパネルを構成している。
【００４０】
六角形セル２１の全８面及び板状部２２には、穴２３が形成され、上下左右に隣接する六角形セル２１同士で内部のガス状、液体状の絶縁媒体が移動できるようになっている。本実施形態においては、パネル高さが、低圧巻線１の外側の絶縁筒３と高圧巻線２の内側の絶縁筒４との間の間隙長に等しいものが用いられ、六角形セル２１の高さ方向が、巻線対向面に垂直になるように配置されている。このようなハニカム構造体の間隔片７、８は、３次元プリンターで製造することができる。
【００４１】
［作用効果］
本実施形態では、間隔片７、８として、ハニカム構造体を用いることにより、上記の実施形態と同様の作用効果が得られる。特に、本実施形態では、巻線対向面に垂直な部材となる箔状材料の厚さを薄くすることにより、間隔片７、８が置かれる部分に生じる微小ガスギャップに加わる電界を、一般部の電界の２倍以下に抑えることができる。さらに、ハニカム構造体の内部に、全てガス状、液体状の絶縁媒体が入るため、絶縁性能を維持できる。
【００４２】
また、ハニカム構造体は無垢の板材に比べて軽量で圧縮強さが得られるため、高圧巻線２と低圧巻線１間の半径方向の力の伝達の面でも有利となる。この場合も、その上下面は絶縁筒３、４の曲率に沿うように形状が作られることで、くさびギャップができることが無いので、絶縁耐力の高い信頼性の高い変圧器を得ることができる。
【００４３】
［他の実施形態］
本実施形態は、上記のような態様には限定されない。例えば、上記の基本構造体であるセル９は、強度的には立方体は好ましいが、直方体形状でも、他の多面体でもよい。内部の中空部分の形状も、強度的には球は好ましいが、楕円体としてもよいし、複数としてもよい。方向によって強度が変わる形状としてもよい。結晶構造体の形状も、上記の態様には限定されない。トラス構造とする場合も、オクテットトラス構造とすると高い強度が得られてよいが、その他のトラス構造であってもよい。また、図８に示すように、レール６についても、間隔片７、８と同様に、多面気泡区分の集合体、結晶構造体、ハニカム構造体としてもよい。
【００４４】
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、例として提示したものであり、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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００４５】
１…低圧巻線
２…高圧巻線
３，４…絶縁筒
５…スペ―サ
６…レ―ル
７…間隔片
８…間隔片
９…セル
９ａ…薄板部
９ｂ…穴
１０…接点部
１１…接続部
１２…開口部
１３…平坦部
２１…六角形セル
２２…板状部
２３…穴
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図２】
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【図３】
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