JP7300555B2

JP7300555B2 - 絶縁部材

Info

Publication number: JP7300555B2
Application number: JP2022512848A
Authority: JP
Inventors: クエスト，ミゲル; ラルビア，セルヒオ; バケロ，マヌエル
Original assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2040-10-06
Also published as: PT3991187T; JP2022546694A; EP3806116A1; KR20220026599A; CN114175191A; ES2947872T3; WO2021069440A1; US20220270815A1; EP3991187B1; EP3991187A1; CN114175191B

Description

本開示は絶縁部材に関し、特に変圧器用絶縁部材に関する。

背景技術
ＪＰＳ５３３７８１５Ａは、局所的な過熱を防止するために複数のリード線を有する油浸変圧器に関する。

ＵＳ４４７７７９１Ａは、電気誘導装置のためのスペーサブロックパターンに関し、ワッシャのすべての上のスペーサブロックは、互いに位置合わせされ、コア中心を基準とする位置決め線上に配置される。

ＵＳ３６０２８５８Ａは、コイルが流体充填タンク内に配置された巻線を含む電気誘導装置に関する。

ＪＰＳ５９１４０４１９はオイル充填変圧器に関する。
変圧器を冷却するために、冷却システムを用いることが公知である。いくつかの冷却システムは、コイル巻線によって生成された熱を除去するために鉱油または冷却された空気などの冷却流体を用いる。

変圧器のコイル間に配置される絶縁部材の使用が公知である。そのような絶縁部材は、通常、コイルから絶縁部材を離間させ、それによって冷却流体が双方の要素間を循環することを可能にする突出部を備える。したがって、変圧器をより効果的に冷却することができる。

しかしながら、コイルの特定の部分は、例えば、冷却流体がその最高温度にある冷却流体の出口点の近傍の領域において、すなわち、巻線によって生成された熱の少なくとも一部の除去後に、効果的に冷却されない場合がある。実際、冷却流体は、巻線を通って流れるにつれて次第に加熱されるので、下流の領域／ポイントにおいては、より高い温度を有する。

さらに、冷却流体が使用される場合、変圧器は通常、冷却流体の循環を強制するためにポンプを必要とする。ポンプの使用は、保守および製造コストの増加、より複雑な組み立てプロセスなど、いくつかの欠点を伴う。さらに、場合によっては、例えば、補助電力が失われた場合、ポンプは動作せず、したがって、変圧器は動作できないか、または変圧器の動作電力を低減する必要があり、これは、信頼性の低い変圧器につながるであろう。

結論として、製造が容易かつ費用効果的であると同時に、熱除去効率を改善し、変圧器の保守コストを低減する絶縁部材を提供することが望ましい。

概要
変圧器コイルに隣接して配置される絶縁部材が設けられる。絶縁部材は、対称面に沿って画定された第１の半分および第２の半分を含む平坦な基部と、基部の面から突出する複数の別個のスペーサとを備える。スペーサは、冷却流体がコイルと平坦な基部との間で循環することを可能にするために、第１の半分および第２の半分に取り付けられる。第１の半分は、少なくとも４つのゾーンを含み、各ゾーンは、平坦な基部の面上にあり、対称面に垂直な配向軸に対して、所定の配向に従って配置される、複数のスペーサを有する。隣接するゾーン間のスペーサの配向は異なる。第１のゾーンは、配向軸に対して１２０～１５０度の間の角度で複数のスペーサを含み、第２のゾーンは、配向軸に対して８０～１００度の間の角度で配向された複数のスペーサを含み、第３のゾーンは、配向軸に対して３０～６０度の間の角度で配向された複数のスペーサを含み、第４のゾーンは、配向軸に対して１２０～１５０度の間の角度で配向された複数のスペーサを含む。第１、第２、第３および第４のゾーンは、平坦な基部上に、対称面から配向軸まで、連続的に配置される。

少なくとも４つのゾーンを備え、請求項に記載のように配向されたスペーサを有する絶縁部材を用いることによって、冷却流体の局所速度が増大し、冷却流体の自動循環が促進される。したがって、対流熱伝達を向上させることができ、したがって、より高温のコイル領域を、より効率的に冷却することができる。したがって、より効果的な冷却を得ることができ、その結果、（動作中において）より安全でより安定した変圧器が得られる。

例えば、４つのゾーンの間の適切な連続性および調整を有することが重要である。例えば、図示されたゾーンのいずれかにおけるいかなる変化も、次のゾーンにおいて、および究極的には冷却結果において影響を及ぼすであろう。

したがって、第１のゾーン、第２のゾーン、第３のゾーン、および第４のゾーンの間の連続性が重要である。本発明者らは、１つの技術的理由は、冷却流体が、各ゾーン内のスペーサの設計に応じて、および１つのゾーンから次のゾーンへの移行に応じて、その基本パラメータ（温度、速度、方向、および圧力降下）を変化させることであることを見出した。

例えば、第１のゾーンにおけるスペーサの設計解が、圧力降下が非常に高いようなものである場合、流体が第２のゾーンに到達する速度および温度の結果は、圧力降下がより低い第１のゾーンと比較して、完全に異なるであろう（この場合、速度が遅く、その結果として対流効果が悪くなるため、より高い）。

加えて、冷却流体の循環が、特許請求されるスペーサの配向により強化および／または促進されるため、異なる密度および／または粘度の冷却流体、例えば、空気、鉱油、より環境に優しいエステル等の生分解性流体が使用され得る。したがって、より汎用性のある、および／または環境にやさしい変圧器を得ることができる。さらに、流体の循環を強制するためにポンプを必要としないので、結果として得られる変圧器のエネルギー消費および保守コストを低減することができる。

一例では、各ゾーン内のスペーサの少なくとも６０％は、所定の配向に従って配置され得る。

一例では、第２の半分のスペーサの配向は、対称面に対して第１の半分のスペーサの配向と対称であってもよい。

一例では、スペーサは、冷却流体の循環をさらに強化または促進するために、矩形、三角形、円形、楕円形、Ｓ字形、またはそれらの組み合わせであってもよい。

一例では、スペーサは、平坦な基部の両側に配置され得る。その結果、隣接する２つの変圧器コイルの間に１つの絶縁部材を配置することができ、絶縁部材の数を低減することができる。したがって、製造コストが低い、より嵩張らない変圧器を得ることができる。

ある例では、平坦な基部はボール紙で作製されてもよい。一例では、スペーサは、平坦な基部と同じ材料から作製されても作製されなくてもよい。

さらなる態様では、変圧器が提供される。変圧器は、磁性コアと、磁性コアの周囲のコイルと、コイルの両側に配置されるための、開示された実施例のいずれかによる絶縁部材の対とを備える。一例では、変圧器はシェル型であってもよい。別の例では、変圧器はコア型変圧器であってもよい。

本装置の特定の実施形態を、添付の図面を参照して、非限定的な例として以下に記載する。

実施例による絶縁部材を概略的に示す。実施例による絶縁部材の第１の半分を概略的に示す。実施例による変圧器の能動部を概略的に示す。実施例による変圧器の簡略化された側面図を概略的に示す。

詳細な説明
図１は、一例による変圧器コイルに隣接して配置され得る絶縁部材１００を示す。絶縁部材１００は、面ＸＹ、すなわち基部の面を画定する平坦な基部１０３と、平坦な基部上に配置される複数の別個のスペーサ１６１、１６２、１６３、１６４とを備えることができる。

平坦な基部１０３は、基部の面ＸＹに垂直であり得る対称面ＹＺに沿って画定され得る第１の半分１０１および第２の半分１０２を備え得る。平坦な基部１０３は、絶縁材料、例えば、セルロース系のボール紙、アラミド系の絶縁材料などから作製され得、その寸法は、コイルのサイズ、すなわち変圧器のサイズに依存し得る。平坦な基部の表面は、一例では、隣接するコイルの表面と実質的に対応し得る。

平坦な基部１０３は、変圧器、例えばシェル型変圧器の磁性コアのための中央中空部分または窓１０４を備えてもよい。ある例では、平坦な基部は、丸みを帯びた矩形であってもよい。他の例では、平坦な基部は、丸みを帯びた縁部を有する矩形であってもよい。さらなる例では、平坦な基部は楕円形であってもよい。変圧器がコア型変圧器である場合、基部の形状は円筒形であってもよい。

平坦な基部１０３は、流体が導入される入口点と流体が除去される出口点とを有する流体系の冷却システムを備え得る変圧器の一部であってもよい。したがって、平坦な基部は、それぞれ冷却流体の入口点および出口点に近く、すなわち近傍に位置する２つの領域を含むことができる（図４参照）。

スペーサ１６１、１６２、１６３、１６４は、第１および第２の半分１０１、１０２に、例えば接着剤によって、または任意の他の好適な方法によって取り付けられてもよく、基部の面ＸＹから突出されてもよい。スペーサ１６１、１６２、１６３、１６４は、平坦な基部、すなわち絶縁部材を、変圧器の隣接するコイルから離間させることを可能にする。したがって、冷却流体は、両方の要素、すなわち絶縁部材の平坦な基部とコイルとの間で循環させることができる。

スペーサ１６１、１６２、１６３、１６４は、平坦な基部の材料と等しくても等しくなくてもよい絶縁材料で作製されてもよい。一例では、スペーサはボール紙で作製することができる。別の例では、スペーサは、合成絶縁材料、例えばアラミド系の絶縁材料で作製することができる。

スペーサ１６１、１６２、１６３、１６４は、冷却流体の流れを改善するように成形することができる。スペーサは、矩形、三角形、円形、楕円形、Ｓ字形、またはそれらの組み合わせであってもよい。一例では、スペーサ１６１、１６２、１６３、１６４は、約８０×２５×６ｍｍの矩形ブロックとすることができる。

スペーサ１６１、１６２、１６３、１６４は、平坦な基部の、コイルに面する側に取り付けられてもよい。すなわち、絶縁部材１００を１つのコイルに隣接して配置する場合には、少なくとも、絶縁部材の、コイルと対向する側に、スペーサを配置してもよい。また、連続する２つのコイルの間に絶縁部材１００を配置する場合、つまり、各側がコイルに面する場合には、各コイルから絶縁部材を離間させるために、絶縁部材の両側にスペーサを配置してもよい。

スペーサ１６１、１６２、１６３、１６４は、所定の配向に従って基部の少なくとも第１の半分１０１上に配置することができ、それによって異なるゾーンを画定する（図１参照）。そのような所定の配向は、平坦な基部の面上にあり、かつ対称面ＸＹに垂直である配向軸Ｘに関してであってもよい。したがって、第１の半分１０１は、異なるゾーンを含んでもよい。各ゾーンは、隣接するゾーン間で異なり得る所定の配向に従って配置される複数のスペーサを備え得る。

一例では、各ゾーン内のスペーサの少なくとも６０％は、所定の配向に配向され得る。一例では、各ゾーン内のスペーサの少なくとも７５％は、所定の配向に配向され得る。

図２は、４つの異なるゾーン１１０、１２０、１３０、１４０を備える図１の平坦な基部１０３の第１の半分１０１を示す。

第１のゾーン１１０は、配向軸Ｘに対して１２０～１５０度の角度、より具体的には約１３５度の角度で複数のスペーサ１６１を備えてもよい。

第２のゾーン１２０は、配向軸Ｘに対して８０～１００°の角度、より具体的には約９０°の角度で複数のスペーサ１６２を備えてもよい。

第３のゾーン１３０は、配向軸Ｘに対して３０～６０度の角度、より具体的には約４５度の角度で複数のスペーサ１６３を備えてもよい。

第４のゾーン１４０は、配向軸に対して１２０～１５０度の角度、より具体的には約１３５度の角度で複数のスペーサ１６４を備えてもよい。第４のゾーン１４０の表面は、平坦な基部の第１の半分１０１の少なくとも５０％を覆ってもよい。

開示された実施例のいずれかによるスペーサ構成を用いることによって、冷却流体は、コイルの内側に、すなわち、磁性コアの内部窓に隣接して方向付けられ得、その場合、流体速度は、通常、より低く、したがって、流体は、移動が維持され得、それは、自動循環を促進し、および／またはその循環を改善する。

図２の例では、第１のゾーン１１０、第２のゾーン１２０、第３のゾーン１３０、および第４のゾーン１４０は、平坦な基部上に、対称面ＸＹから配向軸Ｘまで連続的に配置され得る。他の例では、異なるゾーン配置が規定されてもよい。連続するゾーンまたは隣接するゾーンにおけるスペーサの配向が異なる限り、平坦な基部は、任意の数のゾーン、例えば５つのゾーンを含んでもよい。

一例では、平坦な基部１０３は、第１の半分と第２の半分との間に少なくとも遷移ゾーン１５１、１５２を備えることができる。第１の遷移ゾーン１５１は、冷却流体の入口点領域４１２、すなわち、冷却流体が最低温度にある領域（図４参照）の近傍に配置され得る。第１の遷移ゾーン１５１上のスペーサ（図２に部分的に示される）は、配向軸Ｘに対して約１２０～１４０度、より具体的には約１３５度に配向され得る。

平坦な基部は、出口点領域４２２の近傍に位置する第２の遷移ゾーン１５２をさらに備えてもよい（図４参照）。第２の遷移ゾーン１５２のスペーサは、配向軸Ｘに対して３０～５０度、より具体的には４５度に配向されてもよく、したがって、入口点と出口点との間の冷却流体の対称的挙動が促進され得る。

明確にするために、図２は、平坦な基部の第１の半分１０１のみを示す。平坦な基部の第２の半分１０２におけるスペーサ１６１、１６２、１６３、１６４の配向は、一例では、対称面ＸＹに関して第１の半分１０１のスペーサの配向と対称であってもよい（図１参照）。結果として生じる絶縁部材は、流体の局所速度を増加させ、巻線からの熱は、より効果的に除去され得る。さらに、冷却流体の循環を強制するためにポンプを必要とせず、または必要とされるポンプはより小型であり、これは変圧器の保守コストを低減し、異なる密度の冷却流体を用いることを可能にし、また、ポンプのない冷却システムで機能し得る、より汎用性の高い変圧器を提供する。

絶縁部材が平坦な基部の両側に配置されたスペーサを含む場合、スペーサの配向および／またはゾーンの配置は両側で同じであってもよい。

図３は、コイル３００を包囲する、開示された実施例のいずれかによる２つの絶縁部材１００と、それらを通過する磁性コア２００とを備える、変圧器、例えばシェル型またはコア型変圧器の例示的かつ簡略化された能動部２を示す。明確にするために、２つの絶縁部材および単一のコイルのみが描かれているが、変圧器の能動部におけるコイルおよび絶縁部材の数は、例えば、サイズおよび／または発生電圧に応じて変化し得る。例えば、４００ｋＶ変圧器は、約４０個のコイルを備え得る。さらに、１３２ｋＶ変圧器は２０個のコイルを備え得る。

図３において、変圧器の能動部２は、隣接するコイル間に絶縁部材を有する複数のコイルを含んでもよく、すなわち、絶縁部材の各側はコイルに面するであろう。加えて、絶縁部材の対が、コイルに両端で隣接して配置されてもよく、すなわち、１つの側がコイルに面する。絶縁部材は、例えば圧力によってコイルに接着されてもよい。

図４は、タンク１０内に収容された能動部３を含む変圧器１、例えばシェル型またはコア型変圧器の簡略化された非常に概略的な側面図を示す。本例の変圧器の能動部３は、２つのコイル３００と、３つの絶縁部材１００Ａ，１００Ｂとを備えるが、巻線を囲むためにコイル３００の数より多い少なくとも１つの絶縁部材１００Ａ，１００Ｂがあれば、他の数であってもよい。すなわち、変圧器の能動部の要素、すなわちコイルおよび絶縁部材は、交互に配置されてもよい。一例では、絶縁部材の対を能動部のそれぞれの端部に配置することができ、すなわち、最初の要素および最後の要素を絶縁部材とすることができる。連続する２つのコイル３００の間に配置される絶縁部材１００Ｂは、平面の両側に配置されるスペーサを有していてもよい。能動部３の両端に配置された絶縁部材１００Ａ、すなわち１つの側がコイルに面する絶縁部材は、コイルに面する側のみにスペーサ１６１、１６２、１６３、１６４を備えてもよい。代替例では、能動部３のすべての絶縁部材１００Ａ、１００Ｂが、平坦な基部の両側に配置されたスペーサを含んでもよい。

図４の変圧器は、入口点４１１および出口点４２１を有する流体系の冷却システム４００をさらに備えることができ、流体は、入口点４１１および出口点４２１を介して、変圧器の能動部が位置するタンク１０に導入され、タンク１０から除去され得る。変圧器は、入口点４１１および出口点４２１にそれぞれ近接して入口領域４１２および出口領域４２２を備えてもよい。一旦作動すると、すなわちコイルから熱を除去する結果として、出口領域４２２内の冷却流体は、入口領域内の流体よりも暖かくなり得る。

冷却システムの流体は、例えば、鉱油、空気、エステル等の生分解性流体、または任意の他の好適な流体であってもよい。

冷却システム４００は、変圧器タンクに冷却流体を入れるための供給管４１０と、変圧器の巻線から加熱された水を出すための戻り管４２０とが結合され得る熱交換器４３０を備え得る。したがって、冷却流体の流れのための冷却回路が形成されてもよく、すなわち、冷却された冷却流体は、熱交換器４３０から供給管４１０に流れ（矢印を参照）、次いでタンク１０に流れ、そこでコイル３００と絶縁部材１００Ａ、１００Ｂとの間を流れてもよく、最後に、戻り管４２０に流れ、戻り管４２０は流体を熱交換器４３０に向ける（矢印を参照）。

供給管４１０および戻り管４２０は、それぞれ入口点４１１および出口点４２１において変圧器タンク１０に結合され得る。冷却流体が入口点４１１でタンク内に投入されるとき、その温度は回路のうちで最も冷たく、そしてその流体が温められるにつれ、すなわち巻線からの熱が除去されると、密度損失が生じ、それは、入口点から出口点への冷却流体の流れを促進する。さらに、スペーサが絶縁部材１００Ａ、１００Ｂにおいて配置される配向は、開示される実施例のいずれかによると、流体の循環を改善し、それは、さらに、冷却流体の自動循環をさらに強化または促進し、すなわち、冷却流体を循環させるのにポンプを必要としない。

したがって、開示された実施例のいずれかによる絶縁部材を備える変圧器は、冷却流体を流すためにポンプを必要としないかまたは必要とするポンプがより小さい冷却システムを備え得る。したがって、そのような変圧器の機能に必要な要素がより少なくなり得るので、当該変圧器の製造および保守コストを低減することができる。ポンプを必要としないので、組立ての困難性も低減することができる。

いくつかの例では、冷却システム４００は、冷却流体の循環をさらに強制するためにポンプ（図示せず）を備えることができる。

すなわち、スペーサの配向は、冷却流体の流れを容易にし、したがって、開示された実施例のいずれかによる絶縁部材を備える変圧器は、自然冷却システム、すなわち無ポンプ、または強制冷却システムのいずれかを有し得る。

ある例では、冷却システムは、油入式（ＯＮ）であってもよく、すなわち、冷却流体は（鉱物）油であってもよく、油の流れを強制するのにポンプを必要としない。ある例では、冷却システムは、自冷式（ＡＮ）であってもよい。ある例では、冷却システムは、導油式（ＯＤ）であってもよい。ある例では、冷却システムは、風冷式（ＡＦ）であってもよい。

図３および図４の例では、絶縁部材およびコイルはＸＹ面に沿って垂直に配置されているが、他の例（図示せず）では、絶縁部材１００、１００Ａ、１００Ｂおよびコイル３００は面ＸＺに沿って水平に配置されてもよい。

いくつかの特定の実施形態および実施例のみが本明細書に開示されたが、開示された革新の他の代替実施形態および／または使用ならびに自明の修正物および均等物が可能であることが、当業者によって理解されるであろう。さらに、本開示は、記載された特定の実施形態のすべての可能な組み合わせを包含する。本開示の範囲は、特定の実施形態によって限定されるべきではなく、特許請求の範囲を公正に読むことによってのみ判断されるべきである。

Claims

変圧器コイルに隣接して配置される絶縁部材であって、
対称面に沿って画定された第１の半分および第２の半分を含む平坦な基部と、
前記基部の面から突出する複数の別個のスペーサとを備え、前記スペーサは、冷却流体が前記変圧器コイルと前記平坦な基部との間で循環することを可能にするために、前記第１の半分および前記第２の半分に取り付けられ、前記第１の半分は少なくとも４つのゾーンを含み、各ゾーンは、前記平坦な基部の面上にあり前記対称面に対して垂直である配向軸に関して所定の配向に従って配置される複数のスペーサを有し、隣接するゾーン間のスペーサの配向は異なり、
第１のゾーンは、前記配向軸に対して１２０～１５０度の間の角度で複数のスペーサを含み、第２のゾーンは、前記配向軸に対して８０～１００度の間の角度で配向された複数のスペーサを含み、第３のゾーンは、前記配向軸に対して３０～６０度の間の角度で配向された複数のスペーサを含み、第４のゾーンは、前記配向軸に対して１２０～１５０度の間の角度で配向された複数のスペーサを含み、
前記第１のゾーン、前記第２のゾーン、前記第３のゾーン、および前記第４のゾーンは、前記冷却流体が出される出口領域の側から前記冷却流体が導入される入口領域の側に向かうに従って、この記載順序で、前記平坦な基部上において前記対称面から前記配向軸まで連続的に配置される、絶縁部材。
各ゾーン内の前記スペーサの少なくとも６０％は、前記所定の配向に従って配置される、請求項１に記載の絶縁部材。
前記第１のゾーンの前記スペーサは前記配向軸に対して約１３５度に配置され、前記第２のゾーンの前記スペーサは前記配向軸に対して約９０度に配置され、前記第３のゾーンの前記スペーサは前記配向軸に対して約４５度に配置され、前記第４のゾーンの前記スペーサは前記配向軸に対して約１３５度に配置される、請求項１または２に記載の絶縁部材。
前記第２の半分の前記スペーサの前記配向は、前記対称面に関して前記第１の半分の前記スペーサの前記配向と対称である、請求項１～３のいずれか１項に記載の絶縁部材。
前記第１の半分と前記第２の半分との間に、入口領域における第１の遷移ゾーンと、出口領域における第２の遷移ゾーンとをさらに備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の絶縁部材。
前記スペーサは、前記第１の遷移ゾーンにおいては前記配向軸に対して約１３５度配向され、前記第２の遷移ゾーンにおいては前記配向軸に対して約４５度配向される、請求項５に記載の絶縁部材。
前記第４のゾーンの表面は、前記第１の半分の表面の少なくとも５０％を覆う、請求項１～６のいずれか１項に記載の絶縁部材。
前記絶縁部材は、実質的に丸みを帯びた矩形であり、変圧器コアの少なくとも一部を通過させるための中央中空部分を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の絶縁部材。
前記スペーサは、矩形、三角形、円形、楕円形、Ｓ字形、またはこれらの組み合わせである、請求項１～８のいずれか１項に記載の絶縁部材。
前記スペーサは、前記平坦な基部の両側に配置される、請求項１～９のいずれか１項に記載の絶縁部材。
前記平坦な基部の周囲にあり、前記配向軸に対する配向を徐々に変化させる複数のスペーサをさらに備える、請求項１～１０のいずれか１項に記載の絶縁部材。
前記平坦な基部はボール紙で形成される、請求項１～１１のいずれか１項に記載の絶縁部材。
変圧器であって、
磁性コアと、
前記磁性コアの周囲の変圧器コイルと、
前記変圧器コイルの両側に配置されるための、請求項１～１２のいずれか１項に記載の絶縁部材の対とを備える、変圧器。
前記絶縁部材は、前記変圧器コイルの各側で圧力によって接合される、請求項１３に記載の変圧器。