JPH0630304B2 - 変圧器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、タップの切り換えにより巻数比が変わるタ
ップ切換変圧器に関する。

〔従来の技術〕

電力系統に使用される変圧器は、負荷量などによって変
動する系統電圧を補償するために高圧巻線の巻数を変化
させてこの変圧器の巻数比を変える機能を持っているの
が普通である。

この高圧巻線の巻数を変えるには高圧巻線の一部をタッ
プ巻線として適宜タップ端子を引き出してこのタップ端
子をタップ切換器で選択切り換えるようにしたものであ
るが、この巻線とタップ端子の一例を第４図に示す。こ
の図は三相変圧器の高圧巻線の一相の結線図であり、２
３は主巻線、３３は粗タップ巻線、３４は密タップ巻
線、Ａ_１からＡ₁₀はタップの番号、７１、７２はタップ
スイッチである。

高圧巻線の巻数が最大になるのはタップスイッチ７１が
タップＡ₁₁を選択し、タップスイッチ７２がタップＡ_１
を選択している時で、粗タップ巻線３３，密タップ巻線
３４ともに通電状態になっている。この状態からタップ
スイッチ７２がＡ_２，Ａ_３，Ａ_４というようにタップを
移動して行くと通電しない巻線部分が増加して行きタッ
プスイッチ７２がタップＡ₁₁を選択したところで密タッ
プ巻線３４は無通電状態となる。更にこのタップスイッ
チ７１がタップＡ₁₂を選択しタップスイッチ７２がタッ
プＡ_１に戻ったところで粗タップ巻線３３が無通電状態
となり密タップ巻線３４が改めて通電状態になる。タッ
プスイッチ７２がまたタップ端子Ａ_１からＡ_２，Ａ_３と
タップ端子を変えて行きタップ端子Ａ_９を選択したとこ
ろで高圧巻線の巻数が最も少ない最低タップとなる。

このようにタップスイッチ７１，７２の選択するタップ
番号によってタップ巻線の通電状態が変化し通電部と無
通電部が混在することになる。

このタップ巻線の構成や主巻線との接続関係は種々の方
式があるが、巻線構成としては大きくは次の２種類に分
けることが出来る。その一つはタップ巻線を主巻線とは
別の巻線とする方法で、この方法は通常はタップ巻線を
主巻線と同心配置とすることにより外部短絡時の短絡電
流によって巻数に発生する電磁力が前記タップ巻線の無
通電部の大きさに余り影響しないという利点があるので
大容量の変圧器に使用されることが多い。もう一つの方
法はタップ巻線を主巻線と一体に構成するもので、この
方法はタップ巻線の無通電部によって、短絡電流が流れ
た時の軸方向のアンペアターン分布が一様でなくなるこ
とから異常な電磁力が発生することがあるという問題が
あるが、独立したタップ巻線を設けないことから構造が
簡単であり巻線全体の寸法が小さくまた製作が容易とい
う大きな特長がある。

この主巻線とタップ巻線とを一体に構成する方法はタッ
プ巻線の部分でのアンペアターンの乱れによって外部短
絡時に大きな電磁力が生じることのないよう工夫がされ
るが、その最も一般的な方法は、タップ巻線を高圧巻線
の中央に置くか両端に振り分けて置くことにより高圧巻
線の軸方向のアンペアターン分布が上下対称になるよう
にして短絡電流によって生じ高圧巻線と低圧巻線とが軸
方向に互いに離れようとする軸方向電磁力である推力を
無くする構成とするものである。第５図はこのような方
法の一つであり、超高圧のように高圧巻線の電圧が非常
に高い場合に適した構成である。

第５図において、１Ａは低圧巻線、２Ａは高圧巻線、２
１Ａは上部高圧巻線、201Aは上部主巻線、３１Ａは上部
タップ巻線、２２Ａは下部高圧巻線、202Aは下部主巻
線、３２Ａは下部タップ巻線、４Ａは高圧端子、９は鉄
心である。

高圧巻線２Ａは中央から引き出される端子４Ａを中心に
して上下対称の上部高圧巻線２１Ａと下部高圧巻線２２
Ａとの２群が並列接続されて構成されており、上下のタ
ップ端子等は全て並列接続される。高圧端子４Ａを中央
から引き出すことにより高圧端子側の巻線や高圧端子の
絶縁を合理的な構成にすることができる。また、高圧巻
線は 結線で中性点は直接接地されるので中性点の絶縁強度は
高圧端子側に比べはるかに低いので、タップ巻線をこの
中性点側に置くことによりタップ切換器の絶縁が容易に
なるという長所を持つ構成である。無通電部分は高圧巻
線のアンペアターン分布からみれば均一性が破れた部分
であり、この無通電部分が偏在していると短絡時電磁力
によって軸方向（第５図での紙面の上下方向）に無通電
部の大きさに略比例する推力が発生するが、この推力は
巻線の上下のアンペアターン分布の不平衡から生ずるの
で第５図のように上下対称配置にすることによりタップ
巻線の無通電部の如何にかかわらずアンペアターンは上
下平衡しているので推力の発生しない巻線構造となって
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように第５図の巻線構成は高圧巻線を上下２つに分
けて並列接続としていることから本来一本の導体で充分
な程度の小さい電流の場合でも上下の２本に分ける必要
があるので断面が小さな導体を採用すると、そのために
巻線の断面積に対する導体断面積の占める割合としての
占積率が小さくなり結果的に高圧巻線の巻線体格が大き
くなるので鉄心寸法の増大からひいては変圧器全体の重
量増大，コスト増加の要因になる。また、タップ端子は
上下から出るのでこれを並列接続した上でタップ切換器
に接続する一連の配線が複雑になるという欠点もある。

この発明は、高圧巻線のタップ巻線を上下の何れかにま
とめて設けることにより太い一本の導体で巻線を構成し
占積率が小さくなることによる重量増加やコスト増加を
生じさせることなく、外部短絡時の短絡電流によって巻
線に生ずる軸方向推力を実質的に生じさせない巻線構成
を提供することを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、この発明によれば、主巻
線とタップ巻線とが軸方向に積み重ねられて一体に形成
される高圧巻線が少なくとも１つの巻線群で構成され、
この高圧巻線の群ごとに半径方向に対向して一群の低圧
巻線を同心配設し、この低圧巻線をその群ごとに軸方向
上下に同一径で同一高さに少なくとも２つに分割し並列
接続するものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、１群の高圧巻線に半径方向に
対向して前記高圧巻線と同心で、かつ同一軸方向上下に
同一内径で同一高さに少なくとも２つの並列接続される
低圧巻線を配設することにより、タップ巻線に無通電部
が招じて高圧巻線のアンペアターン分布の中心がずれた
場合に、２つの低圧巻線の電流分担も変化して低圧巻線
のアンペアターン分布の中心が高圧巻線のそれと同じよ
うにずれることにより、外部短絡時の短絡電流によって
この群に生ずる推力が実質的に零になる。

〔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巻線構成図で、１１は低圧巻線上
部、１２は低圧巻線下部、２は高圧巻線、２０は高圧巻
線の主巻線、３は高圧巻線のタップ巻線、４は高圧巻線
の端子、９は鉄心であり、タップ巻線３は高圧巻線の下
部にまとめて配置しており主巻線２も含めて上下非対称
であり、低圧巻線は軸方向の中央で分割して上下対称と
なっており１１は上部低圧巻線、１２は下部低圧巻線で
この２つの巻線を並列接続している。

タップ位置が最高タップの時はタップ巻線３が全部通電
状態にありこの時高圧巻線２のアンペアターン分布は軸
方向に対称となるように製作されており、その対称位置
は低圧巻線１の対称位置と一致させてあるので上部低圧
巻線１１と下部低圧巻線１２とに流れる電流は等しく、
また短絡時の電磁力によって軸方向の推力が低圧巻線
１，高圧巻線２ともに発生することはない。

あるタップ位置が選択されてタップ巻線３の一部が無通
電状態になっている時は、高圧巻線２のアンペアターン
の分布はその中心位置が前記最高タップの時に対して上
部に移動したことになる。一方、高圧巻線１のアンペア
ターンの中心位置がずれたために上部低圧巻線１１と下
部低圧巻線１２との電流分担は異なることになる。その
分担割合はそれぞれの巻線間の漏れインピーダンスによ
って決まるが、それぞれの巻線断面の形態が半径方向
（第１図紙面の左右方向）の巻線寸法である巻線幅に比
べ巻線の軸方向寸法である巻線高さの方がはるかに大き
いので低圧巻線１の電流分担は上部低圧巻線１１と下部
低圧巻線１２が対向する高圧巻線２の部分のアンペアタ
ーンと等しい値が２つの低圧巻線１１，１２に分担して
流れるものとして概略計算することができる。たとえ
ば、最高タップの場合は高圧巻線２のアンペアターン分
布は全巻線高さにわたって一様であるので、上部低圧巻
線１１と下部低圧巻線１２に対向する高圧巻線２の部分
はそれぞれ高圧巻線の２分の１づつなので、これらの低
圧巻線に流れる電流は等しい。一方、仮にタップ巻線の
無通電部分の巻数が最高タップ位置での全巻数の１０％
とすると、上部低圧巻線１１に対向する高圧巻線の部分
は最高タップ位置の時と同じく高圧巻線の高さの２分の
１であるが、下部低圧巻線が対向する高圧巻線２の部分
は１０％の無通電部分を含むので結局高圧巻線２の高さ
の２分の１から１０％を引いた４０％になり、上部低圧
巻線１１と下部低圧巻線１２とのアンペアターンの比は
５対４の比率になる。すなわち、低圧巻線１のアンペア
ターン分布は上部の方が大きくなるのでアンペアターン
の中心位置は上部に移動したことになる。

このように高圧巻線のタップ位置の変化によってタップ
巻線の無通電部分が変化し、これによって高圧巻線のア
ンペアターン分布の中心位置が変化するとともに、２つ
の低圧巻線の電流分担が変化して低圧巻線のアンペアタ
ーン分布の中心位置も高圧巻線のそれと同じように変化
することになり、それぞれのアンペアターン分布の中心
位置はタップ位置の変化にかかわらず余り変化しないこ
とになる。その結果、アンペアターン分布の中心位置の
ずれによって生ずる軸方向の推力は低圧巻線を２分割並
列にしない場合に比べてはるかに小さい値になる。

以上は定性的な傾向についてのものであるが、定量的な
傾向をつかむためにコンピュータを用いて数値実験した
結果を下表に示す。

この表は三相 ５０Hz３０ＭＶＡの変圧器の三相短絡電
流を想定しての計算結果であるが、タップ巻線の無通電
部分が無い場合は低圧巻線と高圧巻線とのアンペアター
ンはともに一様であるので推力は発生しないが、タップ
巻線に無通電部が増加すると、低圧巻線が１つの場合は
それに略比例して推力は増加して行くが、この発明に基
づいて低圧巻線を２並列にした場合は推力の増加は非常
に小さいことが分かる。また、低圧巻線を２並列とした
場合の電流の分担割合（Ｉ_１：Ｉ_２）は前記した概略の
計算結果と良く一致している。

第１図の実施例では低圧巻線を２分割としたが、第２図
のように低圧巻線を３分割としてこれらを並列接続する
こととしてしもよく、この場合もタップ巻線３の無通電
部の増加によって高圧巻線２のアンペアターン分布の中
心位置がずれるに応じて低圧巻線１の並列コイルの電流
分担が変化して低圧巻線のアンペアターンの中心位置も
ずれるので高圧巻線２のアンペアターン分布の中心位置
のずれによる推力の増加を補償することになり、低圧巻
線が２分割の場合と同じようにこの発明の効果を生ずる
ことができる。同じようにして低圧巻線の分割数は４以
上でもよい。

更に、第３図に示すように第４図と同じ高圧巻線に対し
て低圧巻線を４分割することによりこの発明と同じ効果
によって巻線に働く軸方向電磁力を低減することができ
る。この図において、並列接続される上下対称の２つの
巻線である上部高圧巻線２１と下部高圧巻線２２とでな
る高圧巻線２に対して、上部高圧巻線２１に対向して２
分割並列接続の低圧巻線１６，１７が、下部高圧巻線２
２に対して同じく２分割並列接続の低圧巻線１８，１９
が対向しており、上下２並列づつの低圧巻線を直列接続
するか並列接続するかはこの発明の効果には関係ないの
で最適設計の上から選択決定すればよい。この図におい
て、タップ巻線３１，３２に無通電部が生じた場合、高
圧巻線２，低圧巻線１ともその構成が上下対称であるの
で、そのアンペアターン分布も上下対称になることから
前記推力は働かない。しかし、上部のみの低圧巻線１
６，１７と高圧巻線２１だけを取り上げた場合、これら
の巻線は上部または下部に向かう軸方向力を発生するの
であり、この軸方向力の値は下部の巻線とその値が同じ
で方向が反対になることから、推力として外部には現れ
ないだけである。この上部の巻線に働く軸方向電磁力は
タップ巻線の無通電部の大きさによって変化することは
第４図と同じであるが、低圧巻線を上部だけで２分割並
列の構成としているのでタップ巻線の無通電部が増加す
ると第１図の場合と同じく低圧巻線１６の電流が小さく
なり、低圧巻線１７の電流が大きくなり、無通電部の増
加による軸方向電磁力の増加を制限することになる。同
じことは下部の巻線についても成立し、タップ巻線３２
の無通電部の増加により低圧巻線１９の電流が減少し、
低圧巻線１８の電流が増加することになる。

このようにして、絶縁上の理由で高圧巻線を上下対称に
して並列接続する場合でもこの発明を適用することによ
り外部短絡時の軸方向電磁力を低減する効果を生ずるこ
とができる。

〔発明の効果〕

この発明は、前述のように高圧巻線を１群で構成し代わ
りにこの高圧巻線と半径方向に対向する低圧巻線を前記
高圧巻線と同心配設し、同一軸方向上下に同一内径で同
一高さに分割し並列接続する構成とすることにより巻線
に生ずる軸方向の推力を実質的に零にすることができる
ので、従来の巻線構成で高圧巻線を上下対称の２群でな
る巻線構成とした場合の一本の導体断面寸法を小さくし
たために高圧巻線の占積率が小さくなり高圧巻線の断面
寸法が増大し、その結果、鉄心寸法の増大、変圧器全体
の寸法増加からひいてはこの変圧器のコスト増大となる
問題点の生じない合理的な変圧器とすることができる。

また、高圧巻線を絶縁構造の理由から上下対称の２群に
分けて構成する場合にもそれぞれの群に対向する低圧巻
線を２以上の並列接続の構成にすることにより群ごとに
生ずる軸方向電磁力を低減できるので外部短絡に強い変
圧器とすることができるなどの効果も生ずる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す巻線構成図、第２図は
別の実施例を示す巻線構成図、第３図は別の実施例を示
す巻線構成図、第４図は高圧巻線の結線図、第５図は従
来の巻線構成図。 １，１Ａ，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９
……低圧巻線、１１……上部低圧巻線、 １２……下部低圧巻線、２，２Ａ……高圧巻線、 ２１，２１Ａ……上部高圧巻線、 ２２，２２Ａ……下部高圧巻線、 ２０，２３……主巻線、201,201A……上部主巻線、202,
202A……下部主巻線、 ３，３０，３１，３１Ａ，３２，３２Ａ……タップ巻
線、４，４Ａ……高圧端子、 ７１，７２……タップスイッチ、９……鉄心。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主巻線とタップ巻線とが軸方向に積み重ね
   られて一体に形成される高圧巻線が少なくとも１つの巻
   線群で構成され、この高圧巻線の群ごとに半径方向に対
   向して一群の低圧巻線を同心配設し、この低圧巻線をそ
   の群ごとに軸方向上下に同一径で同一高さに少なくとも
   ２つに分割し並列接続することを特徴とする変圧器。