(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁媒体が充填された変圧器を、該絶縁媒体を冷却器で冷やすことにより冷却する冷却方法であって、
外気温を測定する外気温測定ステップと、
前記冷却器の稼働状況を検出する稼働状況検出ステップと、
前記外気温測定ステップで測定した前記外気温と前記稼働状況検出ステップで検出した冷却器の稼働状況とから前記絶縁媒体の温度を換算する媒体温度換算ステップと、
前記媒体温度換算ステップで換算した前記絶縁媒体の温度から変圧器の変圧損失を換算する変圧損失換算ステップと、
前記冷却器の稼働状況から冷却器の出力を所定量増大させると仮定して、このときの絶縁媒体の仮定温度を算出する仮定温度算出ステップと、
前記仮定温度算出ステップで算出した前記絶縁媒体の仮定温度から、変圧損失の低下量と、冷却器の使用電力の増加量とを計算により算出する損失低下量及び電力増加量算出ステップと、
前記損失低下量及び電力増加量算出ステップで算出した前記変圧損失の低下量と前記冷却器の使用電力の増加量とを比較する比較ステップと、
前記冷却器の出力を前記所定量増大させる出力増大ステップとを備え、
前記比較ステップで比較して、前記変圧損失の低下量の方が前記冷却器の使用電力の増加量よりも大きい場合には、前記出力増大ステップに進み、前記変圧損失の低下量の方が前記冷却器の使用電力の増加量よりも小さい場合には、前記外気温測定ステップに戻る、
変圧器の冷却方法。
【請求項２】
前記仮定温度算出ステップと前記損失低下量及び電力増加量算出ステップとの間に、前記仮定温度算出ステップで算出した前記絶縁媒体の仮定温度が、当該絶縁媒体が変圧器内で流動帯電を生じる温度か否かを判定する流動帯電判定ステップを備え、
前記流動帯電判定ステップで判定した温度が流動帯電を生じる温度の場合には、前記外気温測定ステップに戻り、流動帯電を生じる温度以外の場合には、前記損失低下量及び電力増加量算出ステップに進む、
請求項１記載の変圧器の冷却方法。
【請求項３】
前記冷却器は複数台存しており、前記冷却器の前記所定量の出力増は、各冷却器の稼働率の増加、又は停止中の冷却器の稼働開始で行う、
請求項１または２に記載の変圧器の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器の冷却方法に関し、特に絶縁媒体が充填された変圧器を、該絶縁媒体を冷却器で冷やすことにより冷却する冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発電所などで使用される大容量の変圧器においては内部の発熱を大気へ放出するために複数台の冷却器が設置されている。冷却器は、変圧器内の絶縁油を一部抜き出して冷やし、この冷やされた絶縁油を変圧器に戻すことで変圧器を冷却している。
【０００３】
変圧器が低負荷の時には内部発熱が小さいので、負荷に応じて冷却器の運転台数を減少させたり、冷却器のポンプやファンの回転数を低減する省エネルギー運転が行われている。この場合、冷却効果が抑制されているので、冷却器の全台数を運転するのに比して変圧器内部の冷却媒体としての絶縁油の温度が高くなっている。しかし、一般に変圧器は定格以下の負荷で運転されているので、期待寿命内で省エネルギー運転が行われている。
【０００４】
上述の変圧器制御装置では、近年の電力需要の伸びが鈍化していることから設備の増設を抑制して、既設設備を短時間高負荷運転をしていることにより、変圧器巻線が短時間であるが高くなるため、劣化の進展を早くするという問題点があった。この問題点を解決するため、特許文献１には、変圧器の時間的な変動負荷に対して複数台の冷却器の運転条件を制御する変圧器制御装置において、変圧器の過渡応答付数学モデルにより予測負荷、予測周囲温度及び冷却器の運転条件から各巻線の時系列的な巻線平均温度を求めると共に、予測負荷及び冷却媒体の流量から各巻線の時系列的な巻線最高温度を求め、巻線最高温度が限界温度以下になるように数学モデルにより、冷却器の運転台数及び運転開始時刻を予測するものが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−３３２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された発明は、変圧器の巻線温度が限界温度を超えないように制御するものであって、過負荷を避けて変圧器の劣化を防止し寿命を短くしないことを目的としているが、通常の変圧器の運転においては過負荷の状態となることはほとんど生じることはないので特許文献１に開示された発明は、いわば緊急時のための発明と言える。従って変圧器の通常の運転時については、特許文献１に開示された発明が適用される場面はほとんどないと考えられる。しかしながら、通常運転時において冷却器をどのように稼働させるのか、適切な稼働状況であるのか否かということについては、これまできちんとした検討はなされていない。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トータルで電力損失が少なくなる変圧器の冷却方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決させるために、冷却器の冷却出力を増加させたときの電力増加量と冷却強化による変圧器の変圧損失の低下量とを比較して冷却器の冷却出力の増加を行うか否かを決めることとした。
【０００８】
具体的には、本発明の変圧器の冷却方法は、絶縁媒体が充填された変圧器を、該絶縁媒体を冷却器で冷やすことにより冷却する冷却方法であって、外気温を測定する外気温測定ステップと、前記冷却器の稼働状況を検出する稼働状況検出ステップと、前記外気温測定ステップで測定した前記外気温と前記稼働状況検出ステップで検出した冷却器の稼働状況とから前記絶縁媒体の温度を換算する媒体温度換算ステップと、前記媒体温度換算ステップで換算した前記絶縁媒体の温度から変圧器の変圧損失を換算する変圧損失換算ステップと、前記冷却器の稼働状況から冷却器の出力を所定量増大させると仮定して、このときの絶縁媒体の仮定温度を算出する仮定温度算出ステップと、前記仮定温度算出ステップで算出した前記絶縁媒体の仮定温度から、変圧損失の低下量と、冷却器の使用電力の増加量とを計算により算出する損失低下量及び電力増加量算出ステップと、前記損失低下量及び電力増加量算出ステップで算出した前記変圧損失の低下量と前記冷却器の使用電力の増加量とを比較する比較ステップと、前記冷却器の出力を前記所定量増大させる出力増大ステップとを備え、前記比較ステップで比較して、前記変圧損失の低下量の方が前記冷却器の使用電力の増加量よりも大きい場合には、前記出力増大ステップに進み、前記変圧損失の低下量の方が前記冷却器の使用電力の増加量よりも小さい場合には、前記外気温測定ステップに戻る、構成とした。
【発明の効果】
【０００９】
冷却器の冷却出力を増加させると仮定したときの電力増加量と、この冷却強化による変圧器の変圧損失の低下量とを比較して冷却器の冷却出力の増加を行うか否かを決めるので、冷却器の能力範囲内でトータルの電力損失を減少させることができ変圧コストを減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
発電所において発電された電力を送電線に送るために発電電圧を送電電圧に昇圧する変圧器は、導電線（巻線）を巻いたコイルを絶縁媒体である絶縁油に浸した構成を有している。この変圧器の１次側コイルに電流を流して昇圧をすると、ジュール熱が発生しコイルの巻線の温度が上がってしまう。温度が上昇するのを放置すると変圧効率が下がるだけではなく変圧器の寿命が短くなってしまうので、冷却器によって変圧器を冷却している。変圧器と冷却器とは配管で連結されており、変圧器に充填された絶縁油の一部は配管を介して冷却器に送られ、冷却器はこの絶縁油を冷やして変圧器に戻すことにより変圧器を冷却している。
【００１１】
冷却器の冷却出力（冷却能力）は、外気温が最も高い時を基準にして決められており、この最も高い外気温時でも特許文献１でいうところの限界温度にまで巻線温度が到達しないように設定されているとともに、異常事態を考慮して最も高い外気温時でも冷却出力の全てを出さなくても対応できるように予備的な冷却能力を確保するように設定されている。従って、通常の運転時では、冷却器の出力は最大出力ではなく、例えば最大出力の８０％の出力で冷却を行っている。
【００１２】
このような状況を本願発明者がもう一度見直したところ、夏場などに外気温が高くなって絶縁油の温度が高くなってきたときに、冷却器の予備的な能力を投入することによって絶縁油の温度を下げた方がトータルのエネルギー効率が向上する可能性があることに気づき、本願発明に想到するに至った。
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
（実施形態）
本実施形態に係る変圧器の冷却方法は、図１に示すフローにより行われる。
【００１５】
まず外気温を測定する（ステップＡ）（外気温測定ステップ）。発電所の大型の変圧器は屋外に設置されるので、変圧器内部の温度は外気温と冷却器の稼働状況によって決まる。このステップＡには、直接外気温を計測することの他、天気情報などから得られる温度を用いることも含まれる。天気情報などから得られる温度情報も実際に測定する外気温と大きな差は無いからである。なお、変圧器が建屋内に設置されている場合は、外気温というのはその建屋内の温度のことである。
【００１６】
次に変圧器を冷却している冷却器の稼働状況を検出する（稼働状況検出ステップ）。稼働状況としては、例えば、大型の１台の冷却器が８０％の出力で稼働しているとか、１２台の冷却器のうち１０台が最大出力で稼働しており２台が休止しているとか、１２台の冷却器のうち１２台がそれぞれ最大出力の８０％で稼働しているといったものが考えられる。
【００１７】
それから変圧器内部の絶縁油の温度を、外気温と冷却器の稼働状況とから換算する（媒体温度換算ステップ）。例えば、冷却器を最大出力の８０％で稼働させた場合には、全体の絶縁油の温度が冷却器を稼働させない場合に比べて何度下がるかがこれまでに蓄積したデータから算出できるので、このデータと外気温とから変圧器の絶縁油の温度を換算することができる。なお、変圧器の出力は一定としている。
【００１８】
変圧器の絶縁油の温度を換算したら、この温度から変圧器の変圧損失を換算する（変圧損失換算ステップ）。変圧器の本体損失は無負荷損と負荷損とからなり、無負荷損は一定であるが、負荷損は巻線の抵抗値に依存する。従って、巻線の温度が判明すれば巻線の抵抗値が算出できるため、変圧損失を換算することができるのである。巻線温度と絶縁油の温度との関係は、これまでの蓄積したデータより算出できるので、この蓄積データから変圧器の変圧損失を換算することができる。
【００１９】
次に、現状の冷却器の稼働状況から冷却器の出力を所定量増やした場合を仮定して、この仮定の下絶縁油の仮定温度を算出する（仮定温度算出ステップ）。冷却器の所定量の出力増としては、例えば現在１台の冷却器が最大出力の８０％で稼働しているとしたら出力１０％アップさせて９０％で稼働させるとか、現在１０台稼働しているとしたら１１台稼働させるとか、現在最大出力の８０％で１０台の冷却器が稼働しているとしたら５台のみを出力１０％アップさせて９０％で稼働させるといったものが考えられる。このように仮定した場合、冷却器の冷却能力は既知であるので、出力増によって絶縁油の温度が現状の温度（上記の換算温度）からどれぐらい低下するかは算出することができ、絶縁油の低下した仮定温度を算出することができる。
【００２０】
それから、算出した絶縁油の仮定温度が流動帯電を生じる温度か否かを判定する（流動帯電判定ステップ）。流動帯電というのは、例えば輸送管に油を流すと帯電が生じるという液体の流動により帯電が生じる現象のことである。この流動帯電現象は，通常固−液界面における電気二重層の形成によって説明されるが、変圧器の絶縁油では特定の温度範囲において流動帯電が生じやすい。また、流動帯電が生じるか否かは液体の流動速度にもよるので、冷却器との間で循環する絶縁油の流動速度も考慮すると、変圧器においては特定の温度範囲において流動帯電が生じることとなる。変圧器内で流動帯電が生じると、変圧器内部で絶縁破壊が生じる虞があり、変圧損失の増加や絶縁油の劣化、ひどい場合には変圧器の損傷が生じてしまう。従って、絶縁油の温度が流動帯電が生じる範囲内に入らないようにすることが重要であり、冷却器の出力増によって低下すると仮定される絶縁油の仮定温度が流動帯電が生じる範囲内にあるか否かを判定するのである。
【００２１】
絶縁油の仮定温度が流動帯電が生じる温度であると判定されたときは、冷却器の出力を増加させると流動帯電が生じてしまうので、冷却器の出力を増加させることなくＡのステップへと戻る。流動帯電が生じない温度である（流動帯電を生じる温度以外である）と判定されたときは、絶縁油の仮定の温度から変圧損失の低下量と冷却器の使用電力増加量とを算出する。
【００２２】
絶縁油の仮定の温度から変圧損失の低下量と冷却器の使用電力増加量とを算出するステップ（損失低下量及び電力増加量算出ステップ）では、絶縁油の温度低下を考慮して上述のように変圧器本体損失のうち負荷損の減少量から変圧損失の低下量を算出し、また、冷却器の出力増に伴う使用電力増加量を算出する。
【００２３】
以上の冷却器出力の増加を仮定するところから、変圧損失の低下量と冷却器の使用電力増加量とを算出するまでのステップをステップＢとする。
【００２４】
絶縁油の仮定の温度から変圧損失の低下量と冷却器の使用電力増加量とを算出したら、この両者を比較して（比較ステップ）変圧損失の低下量が冷却器の使用電力増加量以下の場合は、冷却器の出力を増加させても発電量から送電量までのトータルとして電力損失が減ることはなく、逆に増えてしまうので、冷却器の出力を増加させることなくＡのステップへと戻る。変圧損失の低下量が冷却器の使用電力増加量よりも大きい場合は、冷却器の出力を上記で仮定したように所定量増加させると発電量から送電量までのトータルとして電力損失が減少するので、実際に冷却器の出力を所定量増加させる（出力増大ステップ）。以上の変圧損失の低下量と冷却器の使用電力増加量との比較と判断及び変圧損失の低下量が冷却器の使用電力増加量よりも大きい場合に冷却器出力を増加させるステップをステップＣとする。
【００２５】
以上のステップを追って変圧器を冷却することにより、入力する電力量に対して変圧して出力する電力量を、流動帯電を生じさせること無しにより多くすることが可能である。また、ステップＣにおいて冷却器出力を増加させると、絶縁油の温度が下がり絶縁油の特性劣化を防止でき絶縁油の寿命を延ばすことができる。
【００２６】
＜実施例１＞
変圧器として、形式が外鉄形、普通三相、６０Ｈｚであり、容量が１０５０ＭＶＡ、電圧は入力２２０Ｖ／出力２１．４ｋＶであるものを、１１台設置した冷却器を用いて冷却する場合を実施例として示す。なお、用いられれている絶縁油は鉱油系絶縁油である。ここでは、１０台の冷却器が稼働しており、もう１台の冷却器を稼働させるか否かを判断することに関して以下説明をする。なお、各冷却器は１００％の出力で稼働している又は稼働するものとする。
【００２７】
上記の変圧器と冷却器とについて、わかっていることは、（１）冷却器の運転台数と変圧器の外気温との差、（２）変圧器の温度上昇に伴う変換損失の変化、である。
【００２８】
（１）に関しては、冷却器運転台数をＮ台とした場合、外気温と変圧器の絶縁油との温度差θ０と、外気温と変圧器中の巻線との温度差θＷとは、次のようになる。
【００２９】
θ０＝θＯＮ×（ＮＲ／Ｎ）０．８
θＷ＝θ０＋ΔθＣ×（ＮＲ／Ｎ）０．５
ここで、θＯＮは冷却器１０台稼働時の絶縁油の外気温からの温度上昇量（℃）であり、ＮＲは冷却器の常用稼働台数（１０台）、Ｎは実際に稼働させている冷却器の台数、ΔθＣは冷却器１０台運転時の巻線と絶縁油との温度差で高圧側は１９．５℃、低圧側は１９．３℃である。
【００３０】
（２）に関しては、変圧器の本体損失は無負荷損と負荷損とからなり、負荷損はさらに抵抗損と漂遊損とからなり、変圧器の温度変化により変化する損失は負荷損である。無負荷損は一定である。負荷損である抵抗損Ｗａと漂遊損Ｗｂとは、以下の式で表される。
【００３１】
Ｗａ＝Ｗａ７５℃×（２３５＋θ）／（２３５＋７５）
Ｗｂ＝Ｗｂ７５℃×（２３５＋７５）／（２３５＋θ）
ここで、Ｗａ７５℃は７５℃における定格負荷時の抵抗損であり、Ｗｂ７５℃は７５℃における定格負荷時の漂遊損であり、θは巻線温度（θ＝外気温＋θＷ）である。また、Ｗａ７５℃は高圧側で９０７．６６ｋＷ、低圧側で９０３．９８ｋＷであり、Ｗｂ７５℃は高圧側で２７７．５５ｋＷ、低圧側で２７７．５５ｋＷである。
【００３２】
以上の情報を利用して、１１台目の冷却器を稼働させるか否かを外気温を測定することにより以下のように判断した。
【００３３】
まず外気温（変圧器の周囲の温度）を測定した。外気温は２５℃であった。冷却器は１０台稼働しており、上記（１）の関係式より変圧器の絶縁油の温度は６３．３℃と換算された。この時巻線温度θは上記（１）の関係式より、高圧側で８３．２℃、低圧側で８３．０℃となるので、上記（２）の関係式より、抵抗損は高圧側で９３１．６７ｋＷ、低圧側で９２７．３１ｋＷであり、漂遊損は高圧側で２７０．４０ｋＷ、低圧側で２７０．５７ｋＷとなった。また、冷却器１０台分の使用電力は４３．８４ｋＷであった。そして、無負荷損は２８７．９７ｋＷであるので、全体では総合の損失が２７３１．７６ｋＷとなった。
【００３４】
次に、冷却器をもう１台稼働させると仮定し、稼働させた場合の絶縁油の温度がどのようになるかを上記（１）の関係式により算出すると、仮定温度は５９．６℃となった。ここで、本実施例の変圧器に用いられている絶縁油は、３０〜５０℃の温度範囲の時に流動帯電が生じやすい絶縁油である。冷却器によって絶縁油が流速約２２ｃｍ／ｓｅｃで冷却器から変圧器へと流れるが局所的にはより大きな流速となるので、３０〜５０℃の温度範囲のときは流動帯電が生じると言うことができる。上記絶縁油の仮定温度は５９．６℃であるので流動帯電は生じないと判断できた。
【００３５】
そこで、上記絶縁油の仮定温度から、１１台目の冷却器を稼働させたと仮定した時の、１０台稼働時からの変圧器の変圧損失の低下量と冷却器の使用電力増加量とを算出した。具体的には、１１台目の冷却器を稼働させたと仮定した時の巻線温度θは上記（１）の関係式より、高圧側で７９．５℃、低圧側で７９．３℃となるので、上記（２）の関係式より、抵抗損は高圧側で９２０．８４ｋＷ、低圧側で９１６．５２ｋＷであり、漂遊損は高圧側で２７３．５８ｋＷ、低圧側で２７３．７５ｋＷとなった。従って、変圧器の変圧損失に関しては、抵抗損は高圧側で１０．８３ｋＷ、低圧側で１０．７９ｋＷだけ低下し、漂遊損は高圧側で３．１８ｋＷ、低圧側で３．１８ｋＷだけ増大したので、全体では１５．２６ｋＷの変圧損失の低下となった。また、冷却器１１台分の使用電力は４８．２２ｋＷであったので、使用電力増加量は４．３８ｋＷであった。なお、全体では総合の損失が２７２０．８８ｋＷとなった。
【００３６】
上述のように算出した変圧器の変圧損失の低下量と冷却器の使用電力増加量とを比較すると、変圧損失の低下量の方が冷却器の使用電力増加量よりも１０．８８ｋＷ大きいので、冷却器の稼働を１０台から１１台にすると送電電力が１０．８８ｋＷ増加することがわかった。従って、実際に冷却器の稼働台数を１０台から１１台に増やしたところ、ほぼ計算通りの送電効率の上昇が認められた。
【００３７】
＜実施例２＞
実施例２は、変圧器・冷却器は実施例１と同じであり、外気温が実施例１と異なる。
【００３８】
本実施例において外気温を測定したところ、１３℃であった。また、冷却器の稼働台数は１０台であった。このとき、変圧器の絶縁油の温度は換算により５１．３℃となった。ここで冷却器の稼働台数をさらに１台増やしたと仮定すると、変圧器の絶縁油の仮定の温度は４７．６℃と算出され、この温度では変圧器内において流動帯電が生じると判断されたので、冷却器の稼働台数を増やすことはしないで、再び外気温を測定することとした。
【００３９】
本実施例では、変圧器の絶縁油の仮定温度を算出する前に変圧損失を換算しているが、その過程および算出結果については記載を省略している。
【００４０】
（その他の実施形態）
上記の実施形態は本発明の例示であって、本発明はこの例に限定されない。変圧器の形式や容量等はどのようなものでも構わないし、絶縁油の種類も変圧器に用いられる絶縁油として知られているものであればどのようなものでもよい。なお、絶縁油の種類によって流動帯電が生じる温度範囲は変わるので、絶縁油の種類に合わせた判断のためのデータを用意する必要がある。
【００４１】
増大させる冷却器の所定量の出力は、稼働していない冷却器を１台稼働させることによる出力増に限定されず、例えば現在最大出力の８０％で１０台の冷却器が稼働しているとしたら１０台の冷却器の出力を１０％アップさせて９０％で稼働させるとか、現在最大出力の８０％で１０台の冷却器が稼働しているとしたら５台のみを出力１０％アップさせて９０％で稼働させる等の出力増であっても構わない。
【００４２】
また、絶縁油の種類によっては、通常の外気温では既存の冷却器の出力を最大限にしても流動帯電が生じない場合もあるので、冷却器の出力を所定量増加したと仮定したときに流動帯電が生じるか否かの判断を行わず、低下したと仮定した絶縁油の温度から変圧器の変圧損失の低下量と冷却器の使用電力増加量とを算出するようにしてもよい。
【００４３】
変圧器内に充填する絶縁媒体は絶縁油に限定されず、高絶縁性の液体であればどのようなものでも構わない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上説明したように、本発明に係る変圧器の冷却方法は、冷却器の能力範囲内でトータルの電力損失を減少させることができ、発電所の変圧器の冷却方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態に係る変圧器の冷却方法のフローを示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
Ａ    外気温を測定するステップ（外気温測定ステップ）
Ｂ    冷却器の出力を増大させたと仮定したときの変圧損失低下量と、冷却器の使用電力増加量とを算出するステップ
Ｃ    変圧損失低下量の方が冷却器の使用電力増加量よりも大きい場合に、冷却器の出力を増加させるステップ
【図１】
0004920000.tif 000002