JP2017073473A

JP2017073473A - 変圧器の端子構造

Info

Publication number: JP2017073473A
Application number: JP2015199825A
Authority: JP
Inventors: 常樹松木; Tsuneki Matsuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2017-04-13

Abstract

【課題】従来の低圧乾式変圧器では、地震時のケーブル振動により変圧器端子に発生する荷重が考慮されておらず、地震力や配線によっては、端子部が破損する可能性があった。【解決手段】変圧器鉄心１と固定された支持金具２、碍子３を介して支持金具２と固定されケーブル７に接続される変圧器端子４、変圧器コイル５から引き出され変圧器端子４に接続された引き出し線６を備えた変圧器の端子構造において、地震時の荷重を受けても支持金具２は変圧器端子４を固定する位置での水平方向の変位が所定値以下となるようにした。【選択図】図１

Description

この発明は、変圧器の端子構造、特に、強い地震力に対しても破損しない端子部を持つ低圧乾式変圧器の端子構造に関するものである。

従来の変圧器においては、変圧器の端子部の破損は主に配線の余長不足により発生するものと考えられており、ケーブル振動の荷重評価に基づく強度設計は考慮されていない。
端子部の破損を防止した変圧器は、例えば特許文献１（第６図）に示すように、変圧器１次側端子を軟銅線で構成することにより、外力に対する伸び率を確保し、断線を抑えて振動を吸収している。また、例えば特許文献１（第５図）に示すように、変圧器２次側端子に接続する引き出し線を分割することにより、分割した引き出し線相互の振動の位相を変え、引き出し線の振動によりコイルに印加される力を抑制している。

特開２００９−１４７１９６号公報

従来の低圧乾式変圧器では、変圧器全体の耐震性について考慮されているものの、地震時の端子部に発生する荷重が考慮されていないため、地震力や配線の方法によっては、ケーブル振動により端子部が破損する可能性があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、地震発生時に破損しない端子部を持つ変圧器を得ることを目的とする。

この発明は、変圧器鉄心と固定された支持金具、碍子を介して前記支持金具と固定され配線用ケーブルが接続される変圧器端子、変圧器コイルから引き出され前記変圧器端子に接続された引き出し線を備えた変圧器の端子構造において、前記変圧器端子及び前記碍子は変形しない固さを持つ部材で構成して、地震時に受ける前記変圧器端子の荷重が前記碍子を介して前記変圧器端子と固定される前記支持金具に伝わるように構成するとともに、地震時の荷重を受けても前記引き出し線を介して前記変圧器コイルが破損されないよう前記支持金具は前記変圧器端子を固定する位置での水平方向の変位が所定値以下となるようにしたものである。

この発明によれば、強い地震力に対しても破損しない端子部を持つ変圧器を得ることができる。

この発明に係る実施の形態１における変圧器の端子構造を示す概念図である。この発明に係る実施の形態１におけるケーブル動作の詳細な説明図である。この発明に係る実施の形態１における端子部動作の詳細な説明図である。

実施の形態１．

以下、この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。図１は、この発明に係る実施の形態１における変圧器の端子構造を示す概念図である。
図１において、変圧器の端子部は鉄心１と、鉄心に取り付けられた支持金具２と、碍子３を介して支持金具２に取り付けられた変圧器端子４からなる。変圧器端子４は、コイル５からの引き出し線６に接続されている。また、変圧器端子４は配線用のケーブル７に接続されており、また、ケーブル７の他端は鉄心１を有する変圧器を収容する盤の筐体８に設けた盤内端子９に接続されている。盤内端子９は外部端子（図示せず）を介して外部回路に接続される。そして、盤内端子９は、固縛で代用することができる。

ケーブル７の長さには、地震による変圧器端子４の変位や、盤内端子９の変位を吸収可能な余長を確保する。また、変圧器端子４および盤内端子９等のケーブル端を固定点とした振り子運動が発生しないよう、ケーブル７の余長は最小限に留める。更に、ケーブル７の素材およびケーブル７の配線経路は、フレキシブル導体等の容易に変形可能なものを選定し、変圧器端子４と盤内端子９の間に張力が働かないようにする。

変圧器端子４の固有振動数は、地震の卓越振動数より十分大きい２０Ｈｚ以上となるように設計する。固有振動数評価の際は、ケーブル７の重みを付加した状態での固有振動を考慮する。また、変圧器の鉄心１、支持金具２、碍子３と一体となった固有振動を考慮する。盤内端子９についても、ケーブル７の重みを付加した状態での固有振動数、および筐体８と一体となった固有振動数が２０Ｈｚ以上となるように設計する。

地震時に変圧器端子４にかかる荷重は、余長を持った容易に変形可能なケーブル７の振動を元に以下のように評価する。
ケーブルの重さをｍ、ケーブル端の固有振動数をｆ0、地震の振動数をｆ、ケーブルの余長をｌ、地震力をＡ[G]とし、ケーブル端に作用する最大の力Ｆを次式として評価する。
Ｆ＝ｍ×８πｆ0×(ｌ＋Ａ×９．８／（２πｆ）²)×ｆ
地震の振動数が１〜１０Ｈｚの中間で卓越する場合を想定し、ｆ＝１[Hz]とｆ＝１０[Hz]とでＦを評価し、いずれか大きい方の力を評価荷重とする。

ケーブル７端に働く力は、変圧器端子４と盤内端子９で分担するが、変圧器端子４が全ての力を負担すると仮定して設計する。また、盤内端子９についても、同様に全ての力を負担すると仮定する。
仮にケーブル７の重さをｍ＝０．５[kg]、変圧器端子４の固有振動数をｆ0＝２０[Hz]、余長をｌ＝０．０５[m]、地震力を２[G]とすると、
ｆ＝１[Hz]時にＦ＝１３８[N]＝１４．１[kg重]となる。
また、ｆ＝１０[Hz]時にＦ＝１３９[N]=１４．２[kg重]となるため、１４．２[kg]の荷重を評価荷重とする。

ケーブル７から変圧器端子４に上記の荷重が加わった時に、コイル５および引き出し線６を破損させないよう、変圧器を以下のように設計する。
変圧器端子４と支持金具２とを２箇所以上で、もしくは平面状に固定し、変圧器端子４に加わる荷重が支持金具２に伝わるようにする。変圧器端子４および碍子３は、荷重で変形しない固さを持つ部材で構成することにより、変圧器端子４への荷重が支持金具２に伝わるようにする。
支持金具２は、軟鋼等の素材で構成するものとし、全ての荷重を受けても変形しないように固く設計する。具体的には、変圧器端子４を固定する位置での水平方向の変位が所定値以下、具体的には１ｍｍ以下となるように設計する。また、上下方向の変位は１ｍｍと比較して無視できる大きさとなるように設計する。

引き出し線６は、導電性に優れた銅の素材で構成するものとし、支持金具２と比較して十分柔らかい設計とする。具体的には、支持金具２の変形により変圧器端子４が水平方向に１ｍｍ程度移動してもコイル５が破損しないように設計する。設計例としては、支持金具２と比較して水平方向の変形に対するバネ剛性が１/１０以下となるように引き出し線６を設計する。このようにすると、コイル５にかかる荷重が変圧器端子４にかかる荷重の１/１０以下となる。

次に、地震時の挙動について、図１および図２、図３で説明する。図２はケーブル動作の詳細な説明図であり、図３は端子部動作の詳細な説明図である。
地震が発生した時、図１のケーブル７はケーブル端から外力を受け、地震に含まれる振動数において振動するものとして評価する。ケーブル７は容易に変形可能なため、図２の（ａ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｈ）のように最大に変形している時に限り、ケーブル端に張力が作用する。また、ケーブル端に張力が作用した時に限り、ケーブル７には外力が働き、振動方向が変わる。

具体的には、図１の変圧器端子４および盤内端子９等のケーブル端の固有振動数が２０Ｈｚ以上となるように設計しているため、ケーブル端は建屋床面と一体となって振動するものとして評価する。
図２の（ａ）のように、移動によりケーブル７にたるみがなくなると、ケーブル７に張力が発生しケーブル全体が移動する。図２の（ｂ）、（ｃ）のように、ケーブル端が減速を開始すると、ケーブル７はたるんでケーブル端を通り越して移動を続ける。図２の（ｄ）のように、ケーブル７のたるみがなくなった時点でケーブル７はケーブル端から外力を受けて、移動の方向が反転する。

図２の（ｄ）および（ｅ）のように、ケーブル７の移動方向が反転する時、ケーブル７の運動はケーブル端の反発力により支配される。ケーブル端は２０Ｈｚ以上の固有振動数ｆ0を持つように設計されているため、２０Ｈｚと比較してゆっくり移動してきたケーブルの力を瞬時に吸収して、逆方向に解放する。この時にケーブル端に加わる力は、振動数ｆ0の単振動として評価できるため、ケーブル端に加わる最大の力をＦとして、Ｆ×sin(2πｆ0ｔ)のように変化する。方向が反転するまでに発生する力積は２Ｆ／２πｆ0である。ケーブル７の重さをｍ、外力が作用していない状態でのケーブル７の速度をｖとすると、力積はケーブル７の運動量変化２ｍｖと等しくなるため、Ｆ＝ｍｖ×２πｆ0となる。

ケーブル７が外力を受けていない状態では、ケーブル７に張力が働いていないため、ケーブル７の運動は自由運動に類似する。地震の振動数をｆ、ケーブルの余長をｌ、地震力をＡ[G]とすると、平衡点からのケーブル７の移動距離は、最大でも余長ｌ＋ケーブル端の移動距離となる。また、ケーブル端の移動距離は、地震力Ａと地震の振動数ｆで決まり、Ａ×９．８／{２πｆ}²となる。余長ｌに左記を加えた移動距離を移動時間ｌ/４ｆで除することにより、ケーブル７の速度をｖ＝(ｌ+Ａ×９．８／{２πｆ}²)×４ｆと評価する。
よって、ケーブル端に加わる最大の力Ｆは、次式で評価できる。
Ｆ＝ｍ×８πｆ0×(ｌ+Ａ×９．８／{２πｆ}²)×ｆ
この評価式に地震力Ａやケーブル端の固有振動数ｆ0、ケーブル余長ｌ、ケーブルの重さｍ、等に数値を入力し、ｆ＝１[Hz]およびｆ＝１０[Hz]でのＦを評価することにより、想定した地震力での最大荷重が求まる。

上記最大荷重が変圧器端子４に印加されている時、図３に示すように変圧器端子４や碍子３は変形せず、荷重は支持金具２に印加される。変圧器端子４に荷重が加わった時、引き出し線９にも荷重が加わるが、引き出し線９は支持金具２と比較して十分柔らかく設計しているため、支持金具２がほぼ全ての荷重を負担する。支持金具２は、全ての荷重を負担しても水平方向に所定値以下、具体的には１ｍｍ以下の変形となるように設計しているため、引き出し線９の変形も１ｍｍ程度として評価可能である。コイル５は、引き出し線９の変形が１ｍｍ以内であれば破損しないように設計しているため、荷重印加時にコイル５は破損しない。
上記のように構成することにより、強い地震力に対しても破損しない端子部を持つ低圧乾式変圧器を得ることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１鉄心、２支持金具、３碍子、４変圧器端子、５コイル、
６引き出し線、７ケーブル、８筐体、９盤内端子。

Claims

変圧器鉄心と固定された支持金具、碍子を介して前記支持金具と固定され配線用ケーブルが接続される変圧器端子、変圧器コイルから引き出され前記変圧器端子に接続された引き出し線を備えた変圧器の端子構造において、前記変圧器端子及び前記碍子は変形しない固さを持つ部材で構成して、地震時に受ける前記変圧器端子の荷重が前記碍子を介して前記変圧器端子と固定される前記支持金具に伝わるように構成するとともに、地震時の荷重を受けても前記引き出し線を介して前記変圧器コイルが破損されないよう前記支持金具は前記変圧器端子を固定する位置での水平方向の変位が所定値以下となるように構成されたことを特徴とする変圧器の端子構造。
地震時の荷重を受けても前記引き出し線を介して前記変圧器コイルが破損されないよう前記支持金具は前記変圧器端子を固定する位置での水平方向の変位が１ｍｍ以下となるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の変圧器の端子構造。
前記引き出し線は、前記支持金具に比べて水平方向の変形に対するバネ剛性が１/１０以下となるように構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変圧器の端子構造。
前記変圧器端子及び前記ケーブル端は２０Ｈｚ以上の固有振動数を持つようになされたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の変圧器の端子構造。