JP2728162B2 - 直流送電用変圧器 - Google Patents

直流送電用変圧器

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JP2728162B2 JP8002535A JP253596A JP2728162B2 JP 2728162 B2 JP2728162 B2 JP 2728162B2 JP 8002535 A JP8002535 A JP 8002535A JP 253596 A JP253596 A JP 253596A JP 2728162 B2 JP2728162 B2 JP 2728162B2
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慎 門脇
俊光 小幡
啓明 小島
一夫 関根
田中  誠
洋 杉原
芳範 牧野
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Kansai Electric Power Co Inc
Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、直流送電用変圧器
に係り、特に、運転時に直流分を含む電圧波形が加わる
直流送電用の交直変換用変圧器に関する。
【0002】
【従来の技術】直流送電に用いられる交直変換用変圧器
は、図2に示すように、絶縁油1が充填されたタンク2
内に、鉄心3とその脚部に円筒状に巻回された巻線4と
からなる変圧器本体を収納することによって構成されて
おり、上記巻線4は、互に同軸円筒状に十分な絶縁距離
を保って配置された直流巻線5および交流巻線6と、絶
縁性能を向上させるためにこれらの巻線5,6間に配置
された絶縁紙からなる絶縁筒7とから構成されている。
【0003】図3および図4は、このような交直変換用
変圧器の絶縁構造の各例を示すものである。
【0004】直流巻線5は、導体8aを油浸紙からなる
絶縁物8bで被覆してなる素線8を円盤状に複数回巻回
して構成された複数個の円盤状単位巻線9を図示しない
スペーサを介して上下方向に積み重ねることによって構
成され、その下端には、曲率半径の大きい導体10aを
油浸紙からなる絶縁物10bで被覆したものに成型絶縁
物10cを沿えてその周囲を油浸紙からなる絶縁物10
dで一体に被覆してなる電界緩和用シールドリング10
が配置されている。交流巻線6も直流巻線5と同様に構
成され、その下端に曲率半径の大きい導体11aの周囲
を油浸紙からなる絶縁物11bで被覆してなる電界緩和
用シールドリング11が同様に配置されている。また、
直流巻線5およびシールドリング10と、交流巻線6お
よびシールドリング11の周囲には、それぞれ油浸紙か
らなる断面I字型絶縁筒12、断面L字型絶縁筒13お
よび断面逆L字型絶縁筒14が配置されて絶縁構造が構
成されている。
【0005】また、図5に示すように、直流巻線5とシ
ールドリング10の間には、冷却通路を形成しかつ機械
的強度を保持するために、径方向に延びる複数のスペー
サ15が周方向に間隔をあけた状態で介挿され、さらに
直流巻線5の内周側および外周側に沿って油浸紙からな
る絶縁補強用の円筒状絶縁物(複数の円弧状部片を周方
向に並べることによって構成されている。)16,17
が設けられている。
【0006】なお、図3と図4は直流巻線5と交流巻線
6の配置が径方向において互に反対になっている点が相
違するだけで、その他の構造は同じである。
【0007】ところで、交直変換用変圧器の直流巻線5
およびシールドリング10に加えられた直流高電圧下の
直流電位分布は、その構成絶縁物の抵抗率に支配される
が、油浸紙の抵抗率は主たる絶縁油である変圧器油の抵
抗率に比べて80℃で10〜50倍と大きいため、これ
らの部分における電圧分担は油浸紙からなる絶縁物に負
うところが大きく、この結果、油浸紙からなる絶縁物内
部で高電界が生じることになる。
【0008】そこで従来は、例えば特開昭60−200
509号公報や特開昭62−2509号公報に見られる
ように、直流巻線端部での絶縁耐力を向上させるため
に、その最内層および最外層に位置する素線の被覆絶縁
物を取り除くことにより、この部分での電圧分担を少な
くして高電界の発生を抑制するといった改善策がなされ
てきた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
直流電圧の大半を分担する油浸紙からなる絶縁物の抵抗
率に方向性があり、その中でも、油浸紙の沿層方向の破
壊電界値は変圧器油並みであることが判明し、油浸紙の
沿層方向の電界値の低減を行なう必要が生じてきた。
【0010】また、今後、直流送電の電圧上昇のニーズ
が高まるに伴い、直流絶縁構造における絶縁耐力を向上
させる必要があるが、上記した油浸紙の方向性を考慮し
た改善は行なわれていない。
【0011】さらに、上記したように、直流絶縁におけ
る電圧分担の度合いは、その絶縁構造を構成する要素の
抵抗率に支配されるため、発生電圧が大きくなれば同様
の電界値を保つためには、絶縁距離はその比率に応じて
大きくなり、それは機器のサイズ増大につながる。した
がって、絶縁距離を低減するために局部的に高電界の発
生する部位の電界値を抑制する必要がある。
【0012】図5中における一点鎖線D1,D2で囲った
部分においては、直流巻線5の絶縁補強用の円筒状絶縁
物16,17およびシールドリング10の被覆絶縁物1
0dとこれらの間に介挿されるスペーサ15との間に、
絶縁油1が入り込み、それぞれくさび状の油ギャップが
形成されるが、これらのくさび状のギャップでは絶縁油
の抵抗率が低く、その上下に位置する油浸紙からなる各
絶縁物で直流電圧の大半を分担することになる。
【0013】図5のD2部分を拡大して図6に示す。こ
の図6中の一点鎖線B1で囲った部分、すなわち油浸紙
からなるスペーサ15とシールドリング10の油浸紙か
らなる被覆絶縁物10dの間のくさび状の油ギャップの
ように、その沿層方向Cが互に径方向である絶縁物の組
合せ部を電気力線が渡る場合や、また、一点鎖線B2
囲った部分、すなわち油浸紙からなる円筒状絶縁物17
と油浸紙からなるスペーサ15の間のくさび状の油ギャ
ップのように、その沿層方向Cが互に異なる上下方向と
径方向である絶縁物の組合せ部を電気力線が渡る場合、
これらの組合せ部には電界が集中し易く、特に油浸紙か
らなる絶縁物の沿層方向に高電圧が発生する。
【0014】上記したように、油浸紙からなる絶縁物の
破壊電界値には異方性があり、直流耐電界値はその沿層
方向では絶縁油とほぼ同等であるため、上記B1,B2
分では絶縁物の沿層方向、すなわち径方向の絶縁裕度が
非常に低くなって、絶縁上の弱点となる。なお、このよ
うな問題はD1部分においても同様に生じる。
【0015】このときの直流電界解析マッピング例を図
7に示す。この図において、矢印Fで示すように、直流
電圧の等電位線Eに対して垂直方向の直流電界が発生
し、かつ、この直流電界Fは油浸紙からなるスペーサ1
5や被覆絶縁物10dの沿層方向と一致しているため、
この沿層方向に高電圧が発生していることが分る。
【0016】直流送電の電圧上昇に伴って、このような
くさび状の油ギャップにおける電界の集中は、絶縁破壊
を引き起こす要因になると考えられる。
【0017】したがって、本発明の目的は、上記スペー
サと上記電界緩和用シールドリングの境界部、あるい
は、上記直流巻線の端部と上記スペーサの境界部、ある
いはまた、上記両境界部における油浸紙からなる絶縁物
の沿層方向に加わる直流電圧の電界値を低減してその絶
縁強度を向上し得る直流送電用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】油浸紙からなる絶縁物の
破壊電界値は、その沿層方向においては絶縁油とほぼ同
じであるが、その貫層方向においては沿層方向や絶縁油
の破壊電界値よりも一桁以上高い。
【0019】本発明は、この点に着目してなされたもの
で、上記スペーサと上記電界緩和用シールドリングの境
界部、あるいは、上記直流巻線の端部と上記スペーサの
境界部、あるいはまた、上記両境界部にわたる領域の内
径側と外径側に沿って、その貫層方向が径方向である油
浸紙からなる直流電圧分担用絶縁物を設け、これらの境
界部や両境界部にわたる領域に加わる直流電圧を直流電
圧分担用絶縁物の貫層方向で分担するようにしたことを
特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図1
について説明する。
【0021】スペーサ15は、その内外周側の突出部分
が削除されて、その内外周面が円筒状絶縁物16の内周
面、円筒状絶縁物17の外周面、および電界緩和用シー
ルドリング10の内外周面とほぼ面一に形成され、円筒
状絶縁物17の下端面とスペーサ15の上面との重合部
の上方からスペーサ15の下面と電界緩和用シールドリ
ング10の上方外径側角部との間に形成された油ギャッ
プの下方にわたり、これらに当接して直流電圧分担用絶
縁板18が設けられている。この直流電圧分担用絶縁板
18は、油浸紙からなり、その貫層方向Aが径方向であ
る絶縁板を、周方向に順次折り曲げて円筒状に形成さ
れ、かつ各スペーサ15間の冷却通路に対応する位置に
は、径方向に貫通孔18aが形成されて、冷却通路への
絶縁油1の流通を妨げないようになっている。その他の
構成は上記した従来例と同様である。
【0022】なお、図1では、直流巻線の下端部および
下方の電界緩和用シールドリングの外径側部分のみしか
図示していないが、その内径側部分や、直流巻線の上端
部および上方の電界緩和用シールドリングの内外径側部
分においても同様に直流電圧分担用絶縁板が設けられ
る。
【0023】この実施例によれば、円筒状絶縁物17の
下端面とスペーサ15の上面との重合部や、スペーサ1
5の下面と電界緩和用シールドリング10との間に形成
された油ギャップに加わる直流電圧を、これらの部分の
内径側および外径側に沿って設けた油浸紙からなる直流
電圧分担用絶縁板18の抵抗率の高い貫層方向で分担す
るので、これらの部分に加わる直流電圧のほとんどは直
流電圧分担用絶縁板18で分担されることになり、その
結果、これらの部分の絶縁構造を構成する油浸紙からな
るスペーサ15や電界緩和用シールドリング10の被覆
絶縁物10dなどでの沿層方向に発生する電界値を低く
抑え、絶縁耐力を向上することができる。
【0024】図8は本実施形態の直流電界解析マッピン
グ例を示すものである。図8中、Gは等電位線、矢印H
は直流電界の発生方向を示す。
【0025】この図8と、直流電圧分担用絶縁板18を
設けない従来例の直流電界解析マップ例を示す図7を比
較すれば、これらの部分での直流電界値は直流電圧分担
用絶縁板18を設けることにより、これを設ける以前に
対して大幅に減少していることが分かる。すなわち、直
流電圧分担用絶縁板18を設けることにより、これらの
部分での直流電圧分担をコントロールし、これらの部分
で発生する沿層方向の電界値を抑制することができる。
【0026】上記実施形態では、直流電圧分担用絶縁板
18を円筒状絶縁物17とスペーサ15との重合部、お
よびスペーサ15と電界緩和用シールドリング10との
間に形成された油ギャップの両部分にわたって設けた
が、これに限らず、これらの部分のうちの上記重合部の
みあるいは油ギャップのみにわたって設けたり、またこ
れらの部分の上記重合部および油ギャップにわたって各
別に設けることもできる。
【0027】さらに、直流電圧分担用絶縁板18を円筒
状に形成し、これをスペーサ15が配置された周方向の
各位置に共通して設けられているが、直流電圧分担用絶
縁板18を複数個の円弧状板とし、これらをスペーサ1
5が配置された周方向の各位置に対応して各別に設けて
もよい。
【0028】
【発明の効果】以上説明した本発明によれば、油浸紙か
らなる絶縁物における破壊電界値の異方性に着目し、上
記スペーサと上記電界緩和用シールドリングの境界部、
あるいは、上記直流巻線の端部と上記スペーサの境界
部、あるいはまた上記両境界部にわたる領域の内径側お
よび外径側に沿って、その貫層方向が径方向である油浸
紙からなる直流電圧分担用絶縁物を設け、これらの境界
部や両境界部にわたる領域に加わる直流電圧を抵抗率の
高い直流電圧分担用絶縁物の貫層方向で分担するように
したので、これらの各部分に加わる直流電圧のほとんど
はこの直流電圧分担用絶縁物で分担されることになり、
その結果、これらの部分の絶縁構造を構成する油浸紙か
らなるスペーサや被覆絶縁物での沿層方向の電界値が低
減し、絶縁耐力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る交直変換用変圧器の
要部拡大断面図である。
【図2】交直変換用変圧器の全体構造を示す概略断面図
である。
【図3】従来の交直変換要変圧器の一例を示す断面図で
ある。
【図4】従来の交直変換用変圧器の他の例を示す断面図
である。
【図5】図3または図4に示した交直変換用変圧器の直
流巻線の下端部付近を示す拡大断面図である。
【図6】図5のD2部分付近を示す要部拡大断面図であ
る。
【図7】図6に示したD2部分付近の直流電界解析マッ
ピング例を示す説明図である。
【図8】図1に示した交直変換用変圧器におけるD2
分に相当する部分付近の直流電界解析マッピング例を示
す説明図である。
【符号の説明】
1 絶縁油 2 タンク 3 鉄心 5 直流巻線 6 交流巻線 8 素線 8a 素線導体 8b 素線絶縁物 9 円盤状単位巻線 10 電界緩和用シールドリング 10a シールドリングの導体 10d シールドリングの油浸紙からなる被覆絶縁物 12,13,14 絶縁筒 15 油浸紙からなる絶縁スペーサ 16,17 絶縁補強用円筒状絶縁物 18 直流電圧分担用絶縁板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 門脇 慎 茨城県日立市国分町一丁目1番1号 株 式会社 日立製作所 国分工場内 (72)発明者 小幡 俊光 茨城県日立市国分町一丁目1番1号 株 式会社 日立製作所 国分工場内 (72)発明者 小島 啓明 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株式会社 日立製作所 電力・電機開発 本部内 (72)発明者 関根 一夫 茨城県日立市国分町一丁目1番1号 株 式会社 日立製作所 国分工場内 (72)発明者 田中 誠 大阪府大阪市北区中之島3丁目3番22号 関西電力 株式会社内 (72)発明者 杉原 洋 香川県高松市丸の内2番5号 四国電力 株式会社内 (72)発明者 牧野 芳範 東京都中央区銀座六丁目15番1号 電源 開発 株式会社内

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁油が充填されたタンク内に、鉄心と
    この鉄心に巻回された直流巻線および交流巻線からなる
    変圧器本体を収納し、上記直流巻線の端部にスペーサを
    介して電界緩和用シールドリングを配置するとともに、
    上記直流巻線はその周囲に巻回された絶縁紙からなる絶
    縁物によって絶縁され、上記スペーサはその沿層方向が
    径方向である絶縁紙からなる絶縁物によって構成され、
    上記電界緩和用シールドリングは導体とその周囲に巻回
    された絶縁紙からなる絶縁物によって構成された直流送
    電用変圧器において、上記スペーサと上記電界緩和用シ
    ールドリングの間の内径側および外径側に沿って、その
    貫層方向が径方向である油浸紙からなる直流電圧分担用
    絶縁物を設け、上記スペーサと上記電界緩和用シールド
    リングの境界部に加わる直流電圧を上記直流電圧分担用
    絶縁物の貫層方向で分担するようにしたことを特徴とす
    る直流送電用変圧器。
  2. 【請求項2】 絶縁油が充填されたタンク内に、鉄心と
    この鉄心に巻回された直流巻線および交流巻線からなる
    変圧器本体を収納し、上記直流巻線の端部にスペーサを
    介して電界緩和用シールドリングを配置するとともに、
    上記直流巻線はその周囲に巻回された絶縁紙からなる絶
    縁物によって絶縁され、上記スペーサはその沿層方向が
    径方向である絶縁紙からなる絶縁物によって構成され、
    上記電界緩和用シールドリングは導体とその周囲に巻回
    された絶縁紙からなる絶縁物によって構成された直流送
    電用変圧器において、上記直流巻線の端部と上記スペー
    サの間の内径側と外径側に沿って、その貫層方向が径方
    向である油浸紙からなる直流電圧分担用絶縁物を設け、
    上記直流巻線の端部と上記スペーサの境界部に加わる直
    流電圧を上記直流電圧分担用絶縁物の貫層方向で分担す
    るようにしたことを特徴とする直流送電用変圧器。
  3. 【請求項3】 絶縁油が充填されたタンク内に、鉄心と
    この鉄心に巻回された直流巻線および交流巻線からなる
    変圧器本体を収納し、上記直流巻線の端部にスペーサを
    介して電界緩和用シールドリングを配置するとともに、
    上記直流巻線はその周囲に巻回された絶縁紙からなる絶
    縁物によって絶縁され、上記スペーサはその沿層方向が
    径方向である絶縁紙からなる絶縁物によって構成され、
    上記電界緩和用シールドリングは導体とその周囲に巻回
    された絶縁紙からなる絶縁物によって構成された直流送
    電用変圧器において、上記直流巻線の端部から上記スペ
    ーサを介して上記電界緩和用シールドリングにわたる領
    域の内径側および外径側に沿って、その貫層方向が径方
    向である油浸紙からなる直流電圧分担用絶縁物を設け、
    上記領域に加わる直流電圧を上記直流電圧分担用絶縁物
    の貫層方向で分担するようにしたことを特徴とする直流
    送電用変圧器。
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