JPH02155208A - 高直列容量円板巻線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は雷などの衝撃電圧に対する変圧器の高電圧円
板巻線の、絶縁耐力を向上させた巻線として使用される
高直列容量円板巻線に関する。

〔従来の技術〕

変電所などに設置される電力用変圧器が接続されている
電力系統に雷が直接落下する直接雪や、近くでの落雷や
雷雲内での放電によって送電線に誘導される誘導雷など
によって、電力系統に急激に変化する衝撃電圧が発生す
るという現象がある。

この衝撃電圧は電力系統の送電線や接続されている変圧
器や遮断器などの電気機器に侵入して送電線や電気機器
を絶縁破壊に到らしめることがあるので、これを回避す
るために、避雷器を設置したりして電気機器に許容され
る衝撃電圧以上の高い電圧が印加されないように保護を
するという方式％式％ 変圧器や遮断器などの電気機器は電力系統の電圧の高さ
に応じた衝撃電圧に耐えるよう規格に定められており、
この絶縁耐力を確認するために、雷によって発生する衝
撃電圧を模擬することのできる衝撃電圧発生器によって
発生させた電圧をこれら電気機器に印加するという試験
が行われ、この試験は衝＊ａ圧試験と呼ばれている。

変圧器の場合、衝撃電圧が印加された巻線がこの衝撃電
圧に共振して巻線内部で局部的な電圧の集中が生ずると
いう問題があることが知られており、このような現象は
一般に電位振動と呼ばれている。特に超高圧の変圧器巻
線の場合、電位振動を抑制して巻線内の衝撃電圧の分布
がなるべく−様になるようにして局部的に電圧が集中す
ることのないようにすることが重要で、そのための巻線
内の電位振動をシミュレーションするためのコンピュー
タによる技術計算プログラムが開発されており、精度の
よい計算技術を基礎にして最適巻線構成の研究開発が進
められている。

円板巻線は他の高圧巻線、たとえば、多層円筒巻線など
に比べて構造が簡単なことから外部短絡による１１磁力
に対する機械的強度が大きいとか、製作が容易であると
か、設計上の自由度が高いなどの重要な利点があること
から、５００ＫＶの超々高圧変圧器にも使用されている
。その代わり、電位振動を抑制して衝％ｌ電圧に対する
絶縁耐力の高い円板巻線が使用される。このような円板
Ｓ線として最も一般に使用されるものの中に高直列容量
円板巻線と呼ばれている円板巻線がある。

円板巻線に衝撃電圧が印加されたときの巻線内部に発生
する電位振動の大きさは衝撃電圧が印加された直後の巻
線内に生ずる電位分布の様相によっておおよその判断が
可能である。この電位分布は初期電位分布と呼ばれてい
るが、この初期電位分布は主に円板巻数の対地静電容量
としての並列容量と円板巻数内の静電容量としての直列
容量の比率から決まる分布をする。その分布は印加端が
印加電圧に等しく巻線内部に侵入するほど減衰する分布
をし、減衰の激しい分布の場合、略指数関数状の減衰関
数となる。この関数を数学的に表現し変数を円板コイル
の個数にすると、指数部の変数である円板コイルの個数
にかかる係数は一般にαで表現され、このαは前述の並
列容量Ｃの直列容量Ｋに対する比の平方根で表される。

αが大きい初期電位分布が急激は減衰する分布となり、
αが０の場合は平等分布となる。αが大きくまた円板コ
イルの数が充分大きい場合には、印加端での円板コイル
間にかかる電圧は電位分布が−様な場合のα倍になる０
円板巻線の衝撃電圧による電位振動を抑制するにはこの
αの値を小さくする゛ことが最も基本的な対策であり、
高直列容量円板巻線とはこのαを小さくするために、直
列容量が大きくなるような接続方式とした円板巻線の一
種である。

直列容量は、隣合う円板コイル間や導体間などの幾何学
的配置によって定まる静電容量に蓄積される静電エネル
ギーの総和に一致する等価的な静電容量として定義され
る。このような直列容量の定義に基づく計算方式は蓄積
エネルギー法と呼ばれることがある。

静電容量に蓄積される静電エネルギーは、周知のように
、静電容量と電圧の二乗の積の２分の１となる。したが
って幾何学的配置から定まる静電容量が同じであっても
、接続方式を工夫してこの静電容量にかかる電圧を大き
くすることにより、等価的な静電容量としての直列容量
を増大することができる。

第２図は従来技術の高直列容量円板巻線の例を示す巻数
の断面概略図でもある導体配列図である。

この図は２並列導体からなる高直列容量円板巻線を示し
たものであり、それぞれの導体の参照符号は、数値が上
部端子２２から数えた巻数であり、この数値の後に付し
た英字ａ、ｂは連続する導体の区別を表している。すな
わち、英字ａを付した導体は全て直列に接続されて電気
的に１本の導体となる導体断面を示したものであり、英
字すを付した導体も同様である。すなわち、この回の晶
直列容量円板巻線はａ、ｌ！：ｂを付した２本の導体か
らなる２並列導体の円板巻線である。

上部端子２２から分岐した２本の導体は最初に円板巻線
１１の巻き始めの１ターンとしての導体ｌａ、ｌｂとな
り、その後、２ａ、２ｂ、３ａ３ｂという順序で電気的
に接続されている。導体ｌａ、ｌｂと導体５ａ、５ｂと
は４本まとめて巻回された構成となっており、２タ一ン
巻回されて円板コイル１１を形成している。同じように
して円板コイル１２．１３．１４も構造的には４本の導
体をまとめて２タ一ン巻回することによりそれぞれの円
板コイルが形成されている。２ターンというのは作図上
最少の巻数で表示したものであって実際の円板コイルで
は種々の巻数のものがあり、５ターンかそれ以上あるの
か普通である。

このように形成された円板コイル１１．１２は図に示す
ように、内径側である図の左側の接続部３１で円板コイ
ル１１と１２のそれぞれ４本の導体が接続され、外径側
の接続部３２で円板コイル】２の導体４ａ、４ｂと円板
コイル１１の導体５ａ、５ｂとが接続される。このよう
な接続によって、上部端子２２から始まって導体１ａ、
ｌｂを巻き始めの導体として、円板コイル１１と１２と
を２回転して最後に導体８ａ、８ｂに至る接続方式にな
る。

同じようにして円板コイル１３．１４も円ｉコイル１１
．１２の巻き終わりの導体８ａ、８ｂに接続部３３で接
続された導体９ａ、９ｂを巻き始め導体として、円板コ
イル１１．１２と同じ接続方式で接続される。このよう
にして、２つの円板コイルを１組にした接続が行われる
とともに、それぞれの組が直列接続されることにより１
つの高直列容量円板巻線が形成される６回では円板コイ
ルを７つしか図示していないが、実際の高直列容量円板
巻線は数十個の円板コイルからなっているのが普通であ
る。

このように導体が巻数の増加に伴って２つの円板コイル
の中を回転するようにその位ｒを変えることにより、巻
き始めの導体と１回転してきた導体とが一緒になっても
う１回転するという接続方式が高直列容量円板巻線の特
徴である。この図では２並列導体の例を示しであるが、
１本の導体だけの場合や２並列２重の４本導体の高直列
容量円板巻線なども実用されている。

高直列容量円板巻線特有の接続方式によって、隣合う導
体間の誘起電圧が１ターンの誘起電圧の複数倍になる部
分が生ずる６円板コイル１１の例によると、導体１ｂの
隣の導体５ａとは４タ一ン分の誘起電圧の差が生ずる。

同じようにして、他の円板コイル１２．１３．１４にお
いても各導体の参照符号の数値の差がそれぞれの隣合う
導体間の誘起電圧の１ターンに対する倍率を表している
。

このような接続方式の高直列容量円板ＳｖＡにおける２
つの円板コイルからなる１１１１の円板コイル当たりの
直列容量は、誘起電圧が１ターンの複数倍になっている
導体間の静電エネルギーの総和を１組の円板コイルの誘
起電圧で除して２倍したものになる。ｌターン当たりの
誘起電圧は除される値と除する値との双方に含まれてい
るので、この１ターン当たりの誘起電圧が幾らであるか
は直列容量計算の上で関係ない値となる０円板コイル間
の静電容量は高直列容量円板巻線の場合には、直列容量
に占める割合が小さいので、ここでは無視する。

円板コイル１１．１２の１組の円板コイルの場合につい
て、具体的な数値でＭ積エネルギー法を適用すると次の
ようになる。

円板コイル１１．１２で隣合う導体間の誘起電圧の差が
４タ一ン分になるのが導体１ｂと５ａ、２ｂと６ａ、８
ａと４ｂ、７ａと３ｂの４箇所、３タ一ン分になるのが
５ｂと２ａ、４ａと７ｂの２箇所である。静電エネルギ
ーは幾何学的配置によって決まる静電容量と電圧の二乗
の積の２分の１であるから、総静電エネルギーに相当す
る値は、４の二乗である１６の４倍の６４と３の二乗で
ある９の２倍の１８との和である８２が得られる。

これは円板コイル１１．１２が図示のような接続方式で
なく通常の円板コイルの接続方式の場合のように、隣合
う導体間の誘起電圧はｌター７分にしかならない場合の
８２箇所分に相当する。第２図と同じ導体配置の通常の
円板コイルの場合には、１つの円板コイル当たりｌり゛
−ン分の誘起電圧となる導体間は３箇所であり、１組の
円板コイルとしては６箇所になるから、このときの静電
エネルギーに相当する値は６となる。したがって、第２
図のような高直列容量円板巻線の接続方式を採用したこ
とにより直列容量は８２を６で除した約１４倍となる。

実際の円板コイル２つ当たりの直列容量はこの数値に隣
合う導体の静電容量の積を円板コイル２つ分の巻数の二
乗で除し２倍したものである。ここでは実際の静電容量
や直列容量の値は関係ないので具体的な数値は省略する
。

第２図の円板コイル１つの巻数は４ターンであるが、実
際の円板コイルの巻数はもつと大きいのが普通であるの
で、高直列容量円板巻線の接続方式によって隣合う導体
間の誘起電圧の倍率も大きいので、このような直列容量
の差は更に大きいものとなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、高直列容量円板巻線は特有の接続方式を
採用することにより直列容量が増大する。

したがって、衝撃電圧が印加された際の電位振動の程度
を決める係数αの値が低減され、その結果、電位分布が
−様な分布に近づき隣合う円板コイル間が負担する＃Ｊ
ｓｉｉｔ圧が軽減されて円板巻線としての衝撃電圧に対
する絶縁耐力が増大することになる。しかし、第２図で
明らかなように、電気的には２本の導体が並列に使用さ
れているのにかかわらず、円板コイルは４本の導体が並
列になるように巻回した構成になっており、円板巻線の
製作がより困難になるという問題がある。更に巻数が下
から上に増大する接続部３２があるために、円板巻線全
体を図の上から下に連続して巻回する連続巻きを採用し
て導体の溶接接続する箇所を無くするという構成を採用
することができず、この接続部３２で円板コイル１１と
１２との双方の導体を溶接接続する必要があるという問
題がある。溶接接続部があるために、溶接作業が必要で
あるという製作工数が増大するという問題ばかりでなく
、溶接部の信頼性が、変圧器全体の信頼性に影響すると
いう重要な問題がある。

この発明は、このような問題を解決し、円板巻線の巻回
時の導体の並列数が電気的な並列数と同じでよく、かつ
導体の溶接接続を必要としない連続巻きが可能な高直列
容量円板巻線を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、偶数本
の並列導体からなる円板コイルを所定の段数積み重ねて
直列接続してなる中央部円板巻線と、この中央部円板巻
線の軸方向の上端部に同軸に設け前記中央部円板巻線の
２分の１の本数の並列導体からなる下端部円板巻線と、
前記中央部円板巻線の下端部に設け並列本数と巻数とが
前記下端部円板巻線と同じ下端部円板巻線とからなり、
前記中央部円板巻線の並列導体の２分の１の上端を上端
部内ｉ巻線の終端に接続し、中央部円板巻線の残る２分
の１の並列導体の下端を下端部円板巻線の始端に接続し
、下端部円板巻線の始端と中央部円板巻線の下端部円板
巻線と接続されない残りの並列導体とを上部端子に接続
し、下端部円板巻線の終端と中央部円板Ｓ線の下端部円
板巻線と接続されない残りの並列導体を下部端子に接続
するものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、偶数本の並列導体からなる円
板コイルを所定の段数積み重ねて直列接続してなる中央
部円板巻線と、この中央部円板巻線の軸方向の上端部に
同軸に設け前記中央部円板巻線の２分の１の本数の並列
導体からなる下端部円板巻線と、前記中央部円板巻線の
下端部に設け並列本数と巻数とが前記下端部円板巻線と
同じ下端部円板巻線とからなり、前記中央部円板巻線の
並列導体の２分の１の上端を下端部円板巻線の終端に接
続し、中央部門Ｖｉ、Ｓ線の残る２分の１の並列導体の
下端を下端部円板巻線の始端に接続し、下端部円板巻線
の始端と中央部円板巻線の下端部円板巻線と接続されな
い残りの並列導体とを上部端子に接続し、下端部円板巻
線の終端と中央部円板巻線の下端部円板巻線と接続され
ない残りの並列導体を下部端子に接続する構成としたこ
とにより、上部端子から下端部円板巻線と中央部円板巻
線の２分の１の並列導体に接続されて下部端子に接続さ
れる１組の並列導体と、上部端子から中央部円板巻線の
残る２分の１の並列導体に接続されて下端部円板巻線に
接続されて上部端子に接続される組との２つの並列導体
の組とが形成される。

下端部円板巻線と下端部円板巻線との巻数は同じである
ので、これら２＆［Ｉの並列導体の巻数は等しくなると
ともに、中央部円板巻線の内部でこれら２組の導体同士
が隣合う構成となりしかも上下端部円板巻線の巻数に相
当する巻数差を持つことになる。この巻数差の二乗に比
例して静電エネルギーが増大し等価静電容量としての直
列容量が増大することから、衝撃電圧が印加された際の
電位振動が抑制される高直列容量円板巻線となる。中央
部円板巻線は偶数並列導体数の普通の円板巻線で構成さ
れるので巻回作業時の並列導体数はこの電気的な並列導
体数と同じでよいので、巻回作業が容易となり、普通の
円板巻線に採用される導体の溶接接続箇所のない連続巻
きが可能になる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の発明の実施例を示す高直列容量円板巻線の巻線断面の
概略図でもある導体配列図である。

この図において、導体の参照符号は第２図と同様に上部
端子２２からの巻数としての数値と直列接続された導体
の区別としての英字ｃ、ｄからなっており、同じ英字の
導体は電気的に１本につながった導体であることを示し
ている。

上部端子２２から分岐して２本の導体１ｃ。

１ｄが接続されており、導体ＩＣは円板コイル１５の外
径側に、導体１ｄは円板コイル１６の内径側にそれぞれ
入る。導体１ｃは円板コイル１５の中を内径側に到って
導体８ｃとなり、円板コイル１６の導体９　ｃに接続さ
れる。この円板コイル１６の内径側で導体９ｃとｌｄが
一緒になって、以後円板コイル２１に接続される直前ま
で、普通の円板巻線と同じようにして外径側の接続部３
４と内径側の接続部３５で隣合う円板コイル同士が直列
に接続される０円板コイル２１は円板コイル１５と反対
の接続方式で、最後に下部端子２３によって２本の並列
導体が電気的に一体に接続される。この図では高直列容
量円板巻線の下半分は上半分と対称配置で構成されてい
るので、円板コイル１９，２０．２１などの下部の円板
コイルの導体の参照符号を省略しである０図で明らかな
ように、全ての接続部３４．３５は２本の導体が接続さ
れる構成であり、これは普通の円板巻線と同様であって
、この高直列容量円板巻線全体を上下の端子との接続以
外に導体同士の溶接接続の一切ない連続巻の円板Ｓ線と
して製作することができる。

円板コイル１５と２１は２本の導体が内径側と外径側か
らそれぞれ別個に上下端子２２．２３に接続された構成
であり、その他の円板コイル１６ないし２０は構造的に
は半径方向に重ねられた２本の並列導体からなる最も基
本的な円板巻線となっている。しかし、この中央部の円
板コイル１６ないし２０から構成される中央部円板巻線
１００の特徴は、例えば円板コイル１６の内径側の導体
１ｄと９０で８ターン、その隣の導体９ｃと２ｄで７タ
ーンの巻数差が生じていることである。

このように、中央部巻線１００の導体間は全て７ターン
か８ターンの巻数差になっている。このことは、前述の
直列容量を増大するために隣合う導体間の巻数差を大き
くする接続方式となっており、この中央部円板巻数１０
０の直列容量が従来技術と同じように高直列容量を実現
していることを示している。第２図の例と同じようにし
て円板コイル１６．１７のからなる１°組の円板コイル
の群について静電エネルギーの割合を計算すると、７タ
ーン差の部分が６箇所、８ターン差の部分が８箇所ある
から、７の二乗掛ける６が２９４．８の二乗掛ける８が
５１２、合計８０６となる０通常の円板コイルの場合、
この値は前述のように、６であるから、中央部巻！％１
Ｒ１００は約１００倍の静電エネルギーになることが分
かる。ただ、第２図の場合のこの値が８２であったのに
対して、第１図ではこの約１０倍になっているのはたま
たま適用した円板コイルの巻数の関係や第２図の高直列
容量円板巻線として採用した構成からこのような結果が
出たということであって、第２図の従来技術の場合でも
静電エネルギーの値第２図よりも大きくする接続方式が
あり、前述の第２図に対して第１図の静電エネルギーの
値が大きいという点がこの発明ガ効果であるという訳で
はない。

第１図では上下端部円板巻線１５．２１を１つの円板コ
イルだけで構成したが、２つの円板コイルで形成し、こ
れを第２図の円板コイル１１゜１２と類似の１本の導体
による通常の高直列容量円板巻線の接続方式を採用し、
導体１ｂを上から３つ目の円板コイルから始めるという
方式を採用することもできる。また、高直列容量円板巻
線の並列数を２に限定するものではなく２の倍数である
偶数であればこの発明を適用することができる。

この場合は、上下端部円板巻線１５．２１は並列本数の
２分の１の本数で構成し、これを中央部円板巻線の２分
の１の本数に接続することによりこの発明と同じ効果を
上げることができる。

下端部円板巻線と下端部円板巻線とは同じ構成とする必
要は必ずしもなく、並列導体数と巻数が同じであれば、
この発明を適用する上で全く同じ構成を採る必要はない
０例えば、上部端子２２が星形結線の線路側で下部端子
２３が中性点側である場合、衝撃電圧は常に線路側から
印加されることになり、印加側がらり大きな電圧が掛か
ることから、下端部円板巻線１５を下端部円板巻線２１
に比べて衝撃電圧耐力の優れた巻数構成を採用すること
が必要な場合がある。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、並列導体が偶数本の中央部円
板巻線と、この中央部円板巻線上端部に設けた並列導体
が２分の１の下端部円板巻線と、中央部円板巻線の下端
部に設けた並列本数と巻数とが下端部円板巻線と同じ下
端部円板巻線とで高直列容量円板巻線を構成する。そし
て、中央部円板巻線の並列導体の２分の１の上端を下端
部円板巻線の終端に接続して１組の並列導体を形成して
その両端を上部端子と下部端子に接続する。また、中央
部円板巻線の残る２分の１の並列導体の下端を下端部円
板巻線の始端に接続してもう１１１の並列導体を形成し
てその両端を上部端子と下部端子に接続する。このよう
にして形成した２組の並列導体は、下端部円板巻線と下
端部円板巻線との巻数が同じであることから巻数が互い
に等しくなるとともに、中央部円板巻線の内部でこれら
２＆［ｌの導体同士が隣合う構成となりしかもこの隣合
う導体間に上下端部円板巻線の巻数に相当する巻数差が
生ずることになる。この巻数差の二乗に比例して静電エ
ネルギーが増大し等価静電容量としての直列容量が増大
することから、衝ｗｉｔ圧が印加された際の電位振動が
抑制される高直列容量円板巻線となる。中央部円板巻線
は偶数並列導体数の普通の円板巻線で構成されるので巻
回作業時の並列導体数はこの電気的な並列導体数と同じ
でよいので、巻回作業が容易となり、作業時間が短縮さ
れて変圧器の価格低減に資することになる。更に、普通
の円板巻線に採用される連続巻きが可能になることから
、溶接箇所が上下部端子と高直列容量円板巻線の導体と
を接続する部分以外の溶接接続箇所を無くすることがで
きるので、溶接の不良に起因する事故の可能性が低くな
るために、変圧器としての信鯨性の向上に寄与するとい
う効果も生ずる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す導体配列図、第２図は
従来技術の例を示す導体配列図である。 １５・・・円板コイル（下端部円板巻線）、１６．１７
．１Ｂ、１９．２０・・・円板コイル、１００・・・中
央部円板巻線、 ２１・・・円板コイル（下部円板巻線）、２２・・・上
部端子、２３・・・下部端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）偶数本の並列導体からなる円板コイルを所定の段数
   積み重ねて直列接続してなる中央部円板巻線と、この中
   央部円板巻線の軸方向の上端部に同軸に設け前記中央部
   円板巻線の２分の１の本数の並列導体からなる上端部円
   板巻線と、前記中央部円板巻線の下端部に設け並列本数
   と巻数とが前記上端部円板巻線と同じ下端部円板巻線と
   からなり、前記中央部円板巻線の並列導体の２分の１の
   上端を上端部円板巻線の終端に接続し、中央部円板巻線
   の残る２分の１の並列導体の下端を下端部円板巻線の始
   端に接続し、上端部円板巻線の始端と中央部円板巻線の
   上端部円板巻線と接続されない残りの並列導体とを上部
   端子に接続し、下端部円板巻線の終端と中央部円板巻線
   の下端部円板巻線と接続されない残りの並列導体を下部
   端子に接続したことを特徴とする高直列容量円板巻線。