JP2000503474A - 超伝導性無心変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超伝導性一次及び二次巻線を備えた無心変圧器であって、一次巻線と二次巻線のそれぞれが複数のサブ巻線（Ｐ１、Ｐ２、．．．、Ｓ１、Ｓ２、．．．）に分割され、一次巻線のサブ巻線が二次巻線のサブ巻線と同心円的にインターリーブされて、インターリーブ巻線パッケージ（Ｐ１、Ｓ１、Ｐ２、Ｓ２、．．．）を形成していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 超伝導性無心変圧器 技術分野 本発明は、超伝導性巻線を備えた鉄心のない変圧器に関する。超伝導性巻線を 備えた鉄心なしの変圧器の設計においては、絶縁、磁化電流、損失などの特別な 問題が絡む。ただし、超伝導性巻線を備えた無心変圧器には様々な利点もあり、 たとえば、同じ性能の従来型変圧器に比較して、費用が安くなり、重量が軽くな る。しかしながら、巻線の超伝導性を達成するための設置に関する費用が嵩むた め、現時点でふつうに使用される変圧器は電力変圧器である。 背景技術、問題 鉄心と超伝導性巻線を備えた変圧器の設計と試験については、多数の刊行物が ある。たとえば、そのような変圧器に関しての技術について、「超伝導性巻線を 備えた電力変圧器」（Ａ）と題した論文がＩＥＥＥトランス・オン・マグネチッ クス、２巻、６号、１９９３年１１月、３３５６−３３５８ページに掲載されて いる。 また、超伝導性巻線を備えた無心変圧器に関する刊行物も多数ある。たとえば 「エア心超伝導性変圧器の損失特性」（Ｂ）がＩＥＥＥトランス・オン・マグネ チックス、２８巻、５号、１９９２年９月、２２３２−２２３４ページに掲載さ れ、「エア心超伝導性電力変圧器の定格電圧・電流」（Ｃ）がＩＥＥＥトランス ・オン・マグネッチクス、２９巻、６号、１９９３年１１月、３５９２−３５９ ４ページに掲載され、また「ケーブル通信システム用エア心超伝導性電力変圧器 の概念設計」（Ｄ）がＩＥＥＥの夏期大会、１９９５年７月２３−２７日、ポー トランド、ＯＲ（９５ ＳＭ ６１０−６ ＰＷＲＤ）、１−７ページに、発表 されている。 変圧器において超伝導性巻線を使用したい第一の理由は、巻線中の電流密度を かなり向上させることができるからである。従来型のオイル冷却式変圧器の巻線 においては、２．５−４Ａ／ｍｍ²の電流密度で作業をすることが可能である。 しかしながら、絶縁性や冷却用チャンネルが必要なことから、巻線断面全体の平 均電流密度は１−２Ａ／ｍｍ²に低下してしまう。これにより、主要チャンネル 内の磁界は、太さ０．４−０．７ｍの巻線のぺアに対して、１Ｔにしかならない 。従って、銅面積がコア・ウィンドウの開口部の約２０−２５％程度であったと しても、電流密度は、このウインドウ内で０．５−１Ａ／ｍｍ²にしかならない 。 巻線材料として高温超伝導体（ＨＴＳＣ）を使用することによって、条件が急 激に変化する。というのは、その伝導性が銅の伝導性の２倍乃至３倍になるから ある。しかしながら、このような電流密度においては、超伝導性巻線は、ある程 度のスペースを占める何らかの形態の機械的支持を必要とするようになる。純粋 に実用的観点からは、超伝導性巻線に変更することは、巻線断面における有効電 流密度が１０−１００Ａ／ｍｍ²程度になることが期待されている。 前記引用文献から明らかになるように、常温で作動する変圧器巻線を超伝導性 巻線に置き換えることは、当技術の一部であり、比較的満足のゆく方法で解決さ れ得る問題に属す。無心変圧器に変更するとして残る問題は、従来型設計の巻線 を備えた変圧器の無負荷電流が変圧器の定格電流の３０−９０％になる可能性が あるという点である。ところが、無負荷電流を減少させる方法の１つは、巻線の 巻き数を増加させることになるかも知れないのである。困ったことに、多くの場 合、これにより短絡リアクタンスが許容できないくらい高くなってしまう。 上記文献（Ｂ）では、超伝導性巻線付き無心変圧器の損失特性が研究されてい る。この研究のために、等価変圧器回路が得られた。理論的計算を検証するため に、４本の相互に絶縁された同心円に配設されたサブ巻線を備えた実験用変圧器 が制作された。 上記文献（Ｃ）では、超伝導性巻線を備えた無心変圧器の一次電圧・電流定格 が、文献（Ｂ）で得られた等価変圧器回路に基づいて研究されている。無心超伝 導性巻線は、大きな容量負荷のネットワークにおける分路リアクタとして使用す るのに有利である。文献（Ｃ）では、無心超伝導性巻線の定格が、分路リアクタ としても、同じ等価ダイアグラムで研究されている。計算値を検証するために、 文献（Ｂ）に基づく実験用変圧器が使用されている。 文献（Ｄ）は、更に別の計算方法を提案している。すなわち、文献（Ｂ）から の等価変圧器回路に基づくもので、超伝導性巻線を備えた無心変圧器の所与の電 気的データに基づく計算方法である。この方法からわかることは、このような変 圧器は、対応の電気的データに対して、鉄心を備えた従来型巻線変圧器に比較し て、サイズが小さく、重量は、ずっと小さくなるということである。また、対応 の分路リアクタでは、サイズと重量の削減が、更に目立つものとなる。 文献（Ｄ）に記載されている実験用変圧器でのテスト結果から得られる重要な 結論は、超伝導性巻線を備えた無心変圧器における損失が、巻線間の誘導結合の 高磁気係数において、負荷電流とは無関係に、一定になるという点である。この ことから、変圧器は出来るだけ低無負荷損失になるよう設計すべきであることが わかる。これを達成するために、実験用変圧器が５本の巻線を備え、そのうち一 次巻線つまり本実験での高圧巻線は、２本の同心円内側サブ巻線と２本の同心円 外側サブ巻線とからなり、中間の５本目の巻線が変圧器の二次巻線となる。 一次巻線を、文献（Ｄ）のように、４本のサブ巻線に分割することによって、 つまり、一次巻線が１本だけの場合と比較して、それぞれの高さを４分の１にす ることによって、無負荷動作において供給電源が知覚するインダクタンスは、こ れらのサブ巻線が一緒に結合され、それによって生じる磁界が中央空洞で合計さ れる場合より高くなる。これは、蓄積されたエネルギーが磁界力二乗に閉鎖体積 を掛けたものに比例するという事実による。４本のサブ巻線に分割するというこ とは、磁界力が４という因子により増大し、閉鎖体積が４という因子により減少 するということを意味する。このように、無負荷電流は実質的に２という因子に より減少する。磁界分布は、巻線の半分の部分において、変圧器の無負荷動作中 、文献（Ｄ）によれば、すなわち、一次巻線が４本のサブ巻線に分割されている 場合、図１の破線で示されたようになる。図中、Ｂ１は変圧器の内側中央空洞内 の磁界に対応する。この図では、サブ巻線間の放射状スペース及び絶縁用及び巻 線の機械的安定性のためのサブ巻線と一次巻線との間の放射状スペースが巻線の ための放射状スペースと等しいと仮定されている。 上述のように、従来型巻線を備えた無心変圧器は、多くの場合、短絡リアクタ ンスが高いという問題がある。二次巻線が、文献（Ｄ）による変圧器のサブ巻線 の内側または外側どちらに配置されても、定格電流における無効電力と変圧器の 短絡リアクタンスが共に、一次巻線が分割されてない場合に比較して４倍高くな る。しかしながら、これらの量はどちらも、二次巻線を文献（Ｄ）にあるように 分割一次巻線のサブコイル間に配設することによって減少する。 その結果、図１の破線が示すような定格電流における磁界となる。つまり、従 来型巻線設計と比較して、一次巻線が分割され、二次巻線がサブ巻線の間にある 無心変圧器は、短絡リアクタンス及び無効電力がそれぞれ低くなる。 図面の簡単な説明 図１は、一次巻線が４つの部分に分割され２本の内側層と２本の外側層になり 、その間に中間二次巻線がある無心変圧器の磁界分布を示す。 図２は、一次巻線が４つの部分に分割され、二次巻線が４つの部分に分割され 、サブ巻線がインターリーブされた無心変圧器の磁界分布を示す。 発明の要約、実施の形態 特に電力変圧器においては、比較的低い無負荷電流を維持できることと共に、 無効電力を比較的に低くすること、また短絡リアクタンスを低くすることが所望 される。本発明は、上記技術内容に関連して、更に無効電力を減少させる巻線設 計の超伝導性巻線を備えた無心電力変圧器に関する。これは、一次巻線のサブ巻 線に対応させて、二次巻線も複数のサブ巻線に分割し、二次巻線のサブ巻線を一 次巻線のサブ巻線とインターリーブさせることによって達成される。このように 、図２に示された実施の形態において、インターリーブとは、巻線のパッケージ が、外側から数えて、二次サブ巻線Ｓ１、絶縁及び機械的支持のためのスペース 、一次サブ巻線Ｐ１、絶縁及び機械的支持のためのスペース、二次サブ巻線Ｓ２ 、絶縁及び機械的支持のためのスペース、一次サブ巻線Ｐ２、（以下、巻線パッ ケージに含まれるサブ巻線の数による）というような構成になっている状態を意 味する。この他の実施の形態において、巻線パッケージは、外側から数えて、一 次サブ巻線、絶縁及び機械的支持のためのスペース、二次サブ巻線というような 構成になる。上述のように、サブ巻線間の相互接続は、それによって生じる磁界 が内側の中央空洞にて合計されるように行われる。 磁界分布は、巻線の半分の部分で、本発明の図２の実施の形態による変圧器の 無負荷動作及び定格電流の両方において、すなわち、一次巻線と二次巻線がそれ ぞれ４つのサブ巻線に分割され、それがインターリーブされている場合、図示さ れているようになる。図中、Ｂ１は変圧器の中央内側空洞における磁界に対応す る。無負荷動作中の磁界分布は破線で示され、定格電流での磁界分布は実線で示 されている。 本発明の範囲には、それぞれの巻線が４本未満あるいは５本以上のサブ巻線に 分割される場合も含まれる。巻線の一方がｎ個に分割される場合、他方の巻線は 、「ｎ＋１」個に分割されてもよい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．超伝導性一次及び二次巻線を備えた無心変圧器であって、一次及び二次巻 線のそれぞれが複数のサブ巻線（Ｐ１、Ｐ２、．．．Ｓ１，Ｓ２ ．．．）に分 割され、一次巻線のサブ巻線が同心円的に二次巻線のサブ巻線とインターリーブ されて、インターリーブ巻線パッケージ（Ｐ１、Ｓ１、Ｐ２、Ｓ２、．．．）を 形成することを特徴とする無心変圧器。 ２．超伝導性一次及び二次巻線を備えた無心変圧器であって、一次巻線及び二 次巻線のそれぞれが同じｎ個のサブ巻線（Ｐ１、Ｐ２、．．．、Ｐｎ、Ｓ１、Ｓ ２、．．．、Ｓｎ）に分割されることを特徴とする無心変圧器。 ３．前記一次巻線が、前記二次巻線ｎ個より１つ多いｎ＋１個に分割されてい ること（Ｐ１、Ｐ２、．．．、Ｐｎ、Ｐｎ＋１、Ｓ１、Ｓｌ、．．．Ｓｎ）を特 徴する請求項１に記載の超伝導性一次及び二次巻線を備えた無心変圧器。 ４．前記二次巻線が、前記一次巻線ｎ個より１つ多いｎ＋１個に分割されてい ること（Ｐ１、Ｐ２、．．．、Ｐｎ、Ｓ１、Ｓ１、．．．Ｓｎ、Ｓｎ＋１）を特 徴する請求項１に記載の超伝導性一次及び二次巻線を備えた無心変圧器。 ５．前記インターリーブ巻線パッケージの最外サブ巻線が一次巻線のサブ巻線 （Ｐ１）であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導性一次及び二次巻線を 備えた無心変圧器。 ６．前記インターリーブ巻線パッケージの最外サブ巻線が二次巻線のサブ巻線 （Ｓ１）であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導性一次及び二次巻線を 備えた無心変圧器。