JP2004259737A

JP2004259737A - 超電導変圧器

Info

Publication number: JP2004259737A
Application number: JP2003045683A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Iwadate; 和二岩舘; Takaaki Bono; 敬昭坊野; Akira Tomioka; 章富岡
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】％インピーダンスの小さな変圧器の場合においても、高圧巻線−低圧巻線間の絶縁性能を保持し絶縁破壊を防止可能とすると共に、冷却構造や電磁力支持構造ならびに絶縁構造が全体的にシンプルな超電導変圧器を提供する。
【解決手段】鉄心１の中心軸を軸心とする同心円筒状に、円筒層状の超電導コイルを１層もしくは複数層有する低圧巻線２と高圧巻線３とを配設し、超電導コイルは、円筒状巻枠の外周面側に螺旋状の溝を形成し、この溝に沿って超電導線材を巻回し、この超電導線材に重ねてその外周側に電磁力支持用のテープを巻回してバインドし、かつ円筒状巻枠の外周面側の円筒軸方向に、複数個の冷却ダクトを有してなるものとし、さらに、低圧巻線２と高圧巻線３との間に、電気絶縁性材料からなる絶縁円筒１０を、低圧巻線の外周面および高圧巻線の内周面とそれぞれ所定の間隙をもって前記同心円筒状に配設したものとする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超電導線材を巻線してなる超電導変圧器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導コイルは高磁界発生手段として種々の分野で実用されている。一方、変圧器のような交流機器への超電導コイルの適用は、超電導導体が交流によって損失を発生するという現象があることから、その実用化は、あまり進んでいない。
【０００３】
しかしながら、近年、超電導導体素線の細線化による交流損失の小さな超電導線が開発されて以来、変圧器などの交流機器への適用研究が進展し、超電導変圧器の構成に関しても、後述するように種々の提案が行われている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
この場合の超電導導体としては、液体ヘリウムの蒸発温度である４Ｋの極低温で超電導状態を維持する金属超電導体を使用した超電導線が、実用的な超電導材料として、主に使用されるが、最近では、前記特許文献にも記載されたように、酸化物超電導体を適用した超電導コイルの開発も進められている。この酸化物超電導体は高温超電導体とも呼ばれており、この高温超電導体を使用した場合には、金属超電導体を使用した場合に比べて、その冷却温度が高く、例えば液体窒素で冷却すればよいため、運転コストが低い利点がある。
【０００５】
図３は、超電導変圧器の模式的部分断面図を示す。図３において、鉄心１、内側コイル２、外側コイル３は、それぞれ鉄心の中心軸を軸心として同心状に配置されており、前記中心軸は図３における鉄心１の左側にある。従って、鉄心１の中心軸部の外径側に内側コイル２、更にその外径側に外側コイル３が配置されている。なお、変圧器の場合、一般的に内側コイルを低圧巻線、外側コイルを高圧巻線としている。
【０００６】
また、高温超電導体を使用した場合、内側コイル２および外側コイル３は、図示しない冷却容器内に収納支持され、液体窒素に浸漬冷却されている。さらに、巻線の同心状に配置される各コイルの位置合わせを行なって、各コイルを支持するために、巻線の軸方向両端部には、円板に円環状の溝加工を施した巻線支持部材９が設けられ、これにより各コイルを挟み込んで支持し、図示しない貫通ボルトにより固定する構成としている。
【０００７】
上記変圧器の場合、前記低圧巻線と高圧巻線との巻回数の比は、ほぼ変圧比に比例する。例えば、変圧比２の変圧器の場合、高圧巻線の巻回数は、低圧巻線の巻回数のほぼ２倍となる。この場合、低圧巻線が１層の場合には、高圧巻線を２層構造として構成するのが一般的である。図３は、変圧比２の場合であって、内側コイル（低圧巻線）を２層、外側コイル（高圧巻線）を４層とした場合の模式的構造図を示す。
【０００８】
ところで、超電導変圧器においては、超電導線材の冷却や超電導コイルに発生する電磁力の支持等の観点から、変圧器巻線としての超電導コイルの構成が重要となる。
【０００９】
特許文献１には、電気絶縁性材料からなる円筒状巻枠の外周面側に螺旋状の溝を形成し、この溝に沿って超電導線材を巻回して超電導コイルを形成する超電導変圧器の基本的構成が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２は、本発明と同一出願人により先に出願されたもので、前記超電導線材の冷却や超電導コイルに発生する電磁力の支持に関して好ましい構造を備えた超電導コイルを開示している。特に、特許文献２の図６および図７に記載された構成は、上記観点から特に好ましく、その構成の骨子は、「巻枠の外周側に巻回したテープ状の超電導線材に対して、その外周側に半硬化状樹脂を含浸させたガラス，ポリエステル繊維などのバインドテープを巻き付けた上で、樹脂を硬化処理して超電導線材を外側から緊縛するようにし、さらに、巻枠の外周側軸方向に液体窒素が通流する複数個の冷却ダクトを構成した」点にある。
【００１１】
さらに、特許文献３は、上記特許文献２に記載の超電導コイルをさらに改良したものを開示し、短絡事故などの際に加わる過大な電磁力で超電導線材が破損するのを防護し、併せて短絡電流による超電導線材の常電導化転移に伴う過大な発熱を巧みに防ぐようにした機械的，熱的に信頼性の高い誘導機器の超電導コイルを提供することを目的としている。
【００１２】
図２は、特許文献３の図１に開示された超電導コイルの構造を示し、図２（ａ）は超電導コイルの縦断側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の横断平面図を示す。図２の構成においては、巻枠４の外周面側に巻回したテープ状の超電導線材５に沿って、その外周側に常電導体の金属テープ６が巻き付けてある。この金属テープ６には、極低温での使用が可能な銅または銅合金，チタン，ステンレス鋼などのテープを採用し、超電導線材５に重ね合わせて巻枠４の周面に形成した凹溝内に敷設し、さらにその周域にエポキシ樹脂などの接着剤を塗布して硬化処理し、強固にバインドするようにしている。この構成により、外側コイル（高圧巻線）３に加わる半径方向に外向きの力を支持できる。
【００１３】
また、金属テープ６が伝熱材として超電導線材５に発生したジュール熱を周囲に流れる冷媒（液体窒素など）に放熱させるように機能し、その結果として、短絡電流による超電導線材５のジュール発熱に起因する急激な温度上昇を抑制できる。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１−２８６３０４号公報（第１−２頁、図１−３）
【特許文献２】
特開２０００−１３３５１５号公報（第５−６頁、図６，７）
【特許文献３】
特開２００１−２４４１０８号公報（第３−４頁、図１）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、変圧器の場合、高電圧で使用されるため、超電導巻線間（ターン間）、コイルの層間、高圧巻線−低圧巻線間において、それぞれ所定の絶縁性能が必要となる。このうち、ターン間および層間は、絶縁距離を適度に設定することにより所定の絶縁性能を有する構成とすることが容易に可能である。
【００１６】
しかしながら、高圧巻線−低圧巻線間の距離（図３におけるα）は、変圧器の％インピーダンス値と相関関係があるため、任意に設定することができない。図３に示すような従来の変圧器の場合、高圧巻線の内周面と低圧巻線の外周面との間隔αは、変圧器の仕様である％インピーダンスに基づき所定の値に決定される。一方、高圧巻線−低圧巻線間の絶縁破壊電圧は、液体窒素の絶縁特性により決まるため、％インピーダンスが小さく選定されてαが小さくなった場合、高圧巻線−低圧巻線間で絶縁破壊する可能性がある。即ち、％インピーダンスの小さな変圧器を設計する場合、高圧巻線−低圧巻線間の距離αを小さくせざるを得ないため、必要な絶縁距離を保持できなくなる問題がある。
【００１７】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、前記％インピーダンスの小さな変圧器の場合においても、高圧巻線−低圧巻線間の絶縁性能を保持し絶縁破壊を防止可能とすると共に、冷却構造や電磁力支持構造ならびに絶縁構造が全体的にシンプルな超電導変圧器を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、鉄心の中心軸を軸心とする同心円筒状に、円筒層状の超電導コイルを１層もしくは複数層有する低圧巻線と高圧巻線とを配設し、冷却容器内に収納支持してなる超電導変圧器において、前記超電導コイルは、電気絶縁性材料からなる円筒状巻枠の外周面側に螺旋状の溝を形成し、この溝に沿って超電導線材を巻回し、この超電導線材に重ねてその外周側に電磁力支持用のテープを巻回してバインドし、かつ前記円筒状巻枠の外周面側の円筒軸方向に、複数個の冷却ダクトを有してなるものとし、さらに、前記低圧巻線と高圧巻線との間に、電気絶縁性材料からなる絶縁円筒を、低圧巻線の外周面および高圧巻線の内周面とそれぞれ所定の間隙をもって前記同心円筒状に配設したものとする（請求項１の発明）。
【００１９】
上記発明によれば、高圧巻線と低圧巻線間に絶縁円筒を挿入することにより高圧巻線−低圧巻線間の絶縁耐力を向上でき、絶縁破壊を防止することができる。また、巻線の単位となる円筒層状の超電導コイルは、前記構成により、それ自体で独立的に電磁力支持および冷却が可能に構成されているので、絶縁円筒は、電磁力支持構成および冷却構成とは無関係に組み立てが可能となり、全体的な構造がシンプルとなる。
【００２０】
前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし６の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の超電導変圧器において、前記電磁力支持用のテープは、半硬化状樹脂含浸ガラスバインドテープとする（請求項２の発明）。また、請求項１に記載の超電導変圧器において、前記電磁力支持用のテープは、常導電体の金属テープとする（請求項３の発明）。これらの実施態様に係る作用効果は、特許文献２および３に関わる前述の記載どおりである。
【００２１】
さらに、前記絶縁円筒に関わる実施態様としては、下記請求項４の発明が好ましい。即ち、前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導変圧器において、前記絶縁円筒は、エポキシ樹脂およびガラス繊維を主材とするＦＲＰからなるものとする。
【００２２】
また、前記請求項４に記載の超電導変圧器において、前記絶縁円筒は、半硬化状のエポキシガラスプリプレグシートを複数回巻回して硬化処理してなるものとする（請求項５の発明）。これにより、絶縁円筒の製造が容易となる。
【００２３】
さらにまた、下記請求項６の発明のようにすることもできる。即ち、請求項４に記載の超電導変圧器において、前記絶縁円筒は、前記ＦＲＰの薄板状の絶縁シートを複数回巻回してエポキシ樹脂を塗布して硬化処理してなるものとする。これは、比較的大型装置の絶縁円筒の製造の場合であって、シートの巻回が困難な場合に好適である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００２５】
図１は、本発明の実施例に関わる超電導変圧器の模式的部分断面図を示す。図１において、図３における部材と同一機能を有する部材には、同一番号を付して詳細な説明を省略する。
【００２６】
図１の実施例と図３に示す超電導変圧器との相違点は、図１においては、内側コイル（低圧巻線）２と外側コイル（高圧巻線）３との間に、電気絶縁性材料からなる絶縁円筒１０を、低圧巻線２の外周面および高圧巻線３の内周面とそれぞれ所定の間隙をもって、鉄心１の中心軸を軸心とする同心円筒状に配設した点である。
【００２７】
絶縁円筒１０の材質は、前述のようにエポキシ樹脂およびガラス繊維を主材とするＦＲＰとし、半硬化状のエポキシガラスプリプレグシートを複数回巻回して硬化処理してなるもの、もしくは、前記ＦＲＰの薄板状の絶縁シートを複数回巻回してエポキシ樹脂を塗布して硬化処理してなるものとする。絶縁円筒１０の厚さ及び前記間隙の寸法等は、超電導変圧器の仕様に基づいて設計上決定する。
【００２８】
なお、前記低圧巻線の外周面および高圧巻線の内周面と絶縁円筒との両間隙は、それぞれ全周にわたって同一間隙が好ましい。その理由は、例えば絶縁円筒をＦＲＰ（誘電率４．５）、冷却媒体を液体窒素（誘電率１．３）とした場合、間隙が偏ると、電界集中が発生して好ましくないからである。
【００２９】
また、低圧巻線および高圧巻線を形成する各コイルの構成は、図２に示すように、電気絶縁性材料からなる円筒状巻枠の外周面側に螺旋状の溝を形成し、この溝に沿って超電導線材を巻回し、この超電導線材に重ねてその外周側に電磁力支持用のテープを巻回してバインドし、かつ前記円筒状巻枠の外周面側の円筒軸方向に、複数個の冷却ダクトを有してなるものとする。
【００３０】
【発明の効果】
この発明によれば前述のように、鉄心の中心軸を軸心とする同心円筒状に、円筒層状の超電導コイルを１層もしくは複数層有する低圧巻線と高圧巻線とを配設し、冷却容器内に収納支持してなる超電導変圧器において、
前記超電導コイルは、電気絶縁性材料からなる円筒状巻枠の外周面側に螺旋状の溝を形成し、この溝に沿って超電導線材を巻回し、この超電導線材に重ねてその外周側に電磁力支持用のテープを巻回してバインドし、かつ前記円筒状巻枠の外周面側の円筒軸方向に、複数個の冷却ダクトを有してなるものとし、さらに、前記低圧巻線と高圧巻線との間に、電気絶縁性材料からなる絶縁円筒を、低圧巻線の外周面および高圧巻線の内周面とそれぞれ所定の間隙をもって前記同心円筒状に配設したものとしたので、
％インピーダンスの小さな変圧器の場合においても、高圧巻線−低圧巻線間の絶縁性能を保持し絶縁破壊を防止可能とすると共に、冷却構造や電磁力支持構造ならびに絶縁構造が全体的にシンプルな超電導変圧器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に関わる超電導変圧器の模式的部分断面図
【図２】特許文献３に開示されかつ本発明の実施例にも関わる超電導コイルの構造を示す図
【図３】従来の超電導変圧器の一例の模式的部分断面図
【符号の説明】
１：鉄心、２：内側コイル（低圧巻線）、３：外側コイル（高圧巻線）、４：巻枠、４ａ：冷却ダクト、５：超電導線材、６：金属テープ、９：巻線支持部材、１０：絶縁円筒、α：高圧巻線−低圧巻線間の距離。

Claims

鉄心の中心軸を軸心とする同心円筒状に、円筒層状の超電導コイルを１層もしくは複数層有する低圧巻線と高圧巻線とを配設し、冷却容器内に収納支持してなる超電導変圧器において、
前記超電導コイルは、電気絶縁性材料からなる円筒状巻枠の外周面側に螺旋状の溝を形成し、この溝に沿って超電導線材を巻回し、この超電導線材に重ねてその外周側に電磁力支持用のテープを巻回してバインドし、かつ前記円筒状巻枠の外周面側の円筒軸方向に、複数個の冷却ダクトを有してなるものとし、
さらに、前記低圧巻線と高圧巻線との間に、電気絶縁性材料からなる絶縁円筒を、低圧巻線の外周面および高圧巻線の内周面とそれぞれ所定の間隙をもって前記同心円筒状に配設したことを特徴とする超電導変圧器。
請求項１に記載の超電導変圧器において、前記電磁力支持用のテープは、半硬化状樹脂含浸ガラスバインドテープとしたことを特徴とする超電導変圧器。
請求項１に記載の超電導変圧器において、前記電磁力支持用のテープは、常導電体の金属テープとしたことを特徴とする超電導変圧器。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超電導変圧器において、前記絶縁円筒は、エポキシ樹脂およびガラス繊維を主材とするＦＲＰからなるものとしたことを特徴とする超電導変圧器。
請求項４に記載の超電導変圧器において、前記絶縁円筒は、半硬化状のエポキシガラスプリプレグシートを複数回巻回して硬化処理してなるものとしたことを特徴とする超電導変圧器。
請求項４に記載の超電導変圧器において、前記絶縁円筒は、前記ＦＲＰの薄板状の絶縁シートを複数回巻回してエポキシ樹脂を塗布して硬化処理してなるものとしたことを特徴とする超電導変圧器。