JPH0713203Y2 - 変圧器巻線 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は大容量の電気炉用変圧器や整流器用変圧器の
二次低圧巻線が低電圧大電流である変圧器の巻線に関す
る。

〔従来の技術〕

電気炉用変圧器や整流器用変圧器の二次電圧は数100V程
度と低圧であるが、容量は数万KVAと大容量なので、二
次電流は数万Ａの大電流である。このような大電流に適
した変圧器巻線として多並列円板巻線がある。この円板
巻線は半径方向に導体を積み重ねて円板上に成形した円
板コイルの通常２個を直列に接続し円板コイルブロック
として、このブロックを軸方向に数十個積み重ねるとと
もに電気的には全て並列接続して１相の円板巻線を構成
したものである。

第４図は変圧器巻線の巻線構成図を兼用した漏れ磁束分
布図である。鉄心１、高圧巻線２、低圧巻線３はそれぞ
れ断面図を示しており、これらは同心配置構造であり、
その対称軸はこの図の鉄心１の左側にある。したがっ
て、鉄心１の外径側に高圧巻線２、更にその外径側に低
圧巻線３が同心配置されていることを示している。通常
の内鉄形の変圧器では低圧巻線を内径側に高圧巻線を外
径側に配置するのであるが、前述のような多並列円板巻
線の場合は後述のように引き出しリードを直接巻線外部
に引き出せるよう高圧巻線を内径側においてこの多並列
円板巻線を外径側に配置する。

低圧巻線３と高圧巻線２の図の上下方向である軸方向寸
法は絶縁構造、電磁力耐力などの点が考慮されて同じ寸
法にするとともに、軸方向に対称に配置されている。漏
れ磁束100,101は軸方向中央部では殆どの成分が上下方
向に向いているが、上下の巻線端部付近では両側に開く
ように曲がった分布になっている。この図では軸方向寸
法を短縮して描いてあり、実際の変圧器巻線では、一般
に巻線高さと呼ばれる軸方向寸法は1000mmないし2000m
m、巻線幅と呼ばれる半径方向寸法は100mm前後なので、
それぞれの巻線2,3の断面形状は図示よりもはるかに長
細いのが実際である。したがって、磁束分布も軸方向に
平行に分布している範囲が図示よりもはるかに広い。こ
の図は巻線の上下端部の漏れ磁束の曲がりを強調した図
となっている。

高圧巻線２の電流の方向を紙面から出る方向、低圧巻線
３の電流の方向をこの反対に紙面に侵入する方向にとる
と、漏れ磁束100の方向は図示のように上向きになる。
また、低圧巻線３の上端部を通る磁束線101の半径方向
成分は内径側から外径側に向かう。

第５図は低圧巻線３の構成とリード引き出しを示す概念
図である。この図において、低圧巻線３は円板コイル31
1,312,321,322,…から構成されており、円板コイル311,
312はブロック31を、円板コイル321,322はブロック32を
それぞれ構成しており、低圧巻線３はこのようなブロッ
ク31,32が数十個積み重ねられて構成されている。ブロ
ック33より下のブロックは図示を省略してある。

円板コイル311,312の巻数は２ターンとして図示してあ
る。これら２つの円板コイル311,312は内径側で直列に
接続されているのでブロック31の巻数は４ターンとな
る。ブロック32,33、更に図示を省略した他のブロック
も全て巻数はブロック31と同じである。勿論この巻数は
変圧器の仕様に応じて適切な値が設定されるものであっ
て４ターンという値はこの実施例における仮の値であ
る。また、１ターンは複数本の並列導体で構成されるが
この点も詳細な図示を省略してある。

ブロック31の円板コイル311の外径側から引出リード411
が引き出されｕ端子としての低圧リード51に接続され、
円板コイル312も同じようにして外径側から引出リード4
12が引き出されｘ端子としての低圧リード52に接続され
ている。ブロック32も円板コイル321からの引出リード4
21、円板コイル322からの引出リード線422がそれぞれ低
圧リード51,52に接続され、ブロック32及び図示してい
ない他のブロックも同様にそれぞれ引出リードは低圧リ
ード51,52に接続され、全てのブロックが並列回路を形
成している。

ところで、よく知られているように、変圧器巻線で並列
導体が存在するときには並列導体間の誘起電圧が異なる
ことに起因した電流分担の不平衡が生ずる。この電流不
平衡の原因は漏れ磁束に対する各並列導体の鎖交磁束量
の相違に起因する誘起電圧の違いによるものである。第
４図に示すように、漏れ磁束は巻線の上下端部で両側に
開くような分布をしており、このような漏れ磁束分布は
変圧器一般に共通するものである。このような漏れ磁束
分布によって第５図の各ブロックの誘起電圧は異なり電
流の不平衡が生ずる。

第６図は各ブロックごとの電流分担を示すグラフであ
る。この図において、縦軸はブロックの番号であり、第
５図のブロック31を１として順次下に2,3と番号を付け
ており一番下はブロックの全数のＮである。横軸は各ブ
ロックの電流i_nを平均電流i₀で除して基準化した基準化
電流i_n／i₀の値である。不平衡がない場合は各ブロック
の基準化電流は全て１であり、図では一点鎖線で示して
いる。

図で明らかなように、最上のブロック番号１と最下のブ
ロック番号Ｎとの基準化電流は1.5を越える値になって
いる。その代わりにこれら最端部のブロック近くのブロ
ックの基準電流は１よりも小さくなっている。

第７図はこのようなブロック間の電流分担の不平衡を定
性的に説明するための模式図である。この図において、
１本の線のリングで示したブロック31とこれと隣り合う
ブロック32とを取出し、これらが２本の低圧リード51,5
2に接続された状態を図示してある。鉄心や高圧巻線は
説明に不要なので図示を省略してある。

ブロック31とブロック32にはそれぞれ平均電流i₀が流れ
ており、この電流i₀を実線で示している。これら平均電
流i₀は低圧リード51,52に集められてｕ端子,x端子から
外部に取り出される。一方、ブロック31と32との間を半
径方向に通り抜ける漏れ磁束成分Φ_Ｌによる誘起電圧に
よってブロック31,32を還流する渦電流i_eが流れる。こ
の渦電流i_eを点線で図示してあり、低圧リード51,52及
びブロック31,32を通る循環経路を還流し、ｕ端子,x端
子から出ることはない。渦電流i_eは漏れ磁束成分Φ_Ｌを
打ち消そうとして流れるので、図示のようにブロック31
では平均電流i₀と同方向、ブロック32では反対方向にな
る。その結果、ブロック31に流れる電流i₁は平均電流i₀
に比べて大きな値になる。ブロック31に流れる渦電流は
ブロック32に還流する成分としての渦電流i_eだけでな
く、ブロック33,ブロック34などとの間を還流する渦電
流も全て加わって流れるので第６図に示すように平均電
流i₀の0.5倍以上の渦電流が流れることになる。

一方、ブロック32の場合、平均電流i₀と渦電流i_eとは反
対方向であるが、このブロック32とブロック33との間を
還流する渦電流は図示の渦電流i_eとは反対方向になって
互いに打ち消すことになることから、ブロック32の電流
i₂は結果的にブロック31の電流i₁に比べて小さく平均電
流i₀に近い値になる。最下のブロックＮはブロック１と
同様であるが、その他のブロックは全て互いのブロック
間に還流する渦電流が互いに加えられたり引き算された
りして結果的に第６図に示すような電流分担となる。

実際の電流分担の計算は各ブロックの自己インダクタン
スやブロック間の相互インダクタンスなどを求めて多並
列交流回路を解く形で行う。ブロックの数Ｎは数十あ
り、各ブロックの電流i_nは交流なので複素数表示するこ
とから、結局未知数が複素数のＮ元連立方程式を解くこ
とに帰着するが、汎用コンピュータを使用した技術計算
の１つの分野としてその実行は容易である。

〔考案が解決しようとする課題〕

前述のように、多並列円板巻線を構成する各ブロック間
で電流の分担が一様でなくなり電流分担の不平衡が生ず
ると、電流分担の大きいブロック、特に最上下の２つの
ブロック1,Nは平均電流の1.5倍以上の電流が流れること
になる。このように大きな電流が流れると発生損失が過
大になり、これに起因してそのブロックを構成するコイ
ル導体の温度上昇が過大になり、被覆絶縁の熱劣化が促
進され変圧器の寿命が短縮するという問題が生ずる。

このような問題を解消するために、従来電流が過大にな
る最上下のブロックに直列に限流用リアクトルを挿入す
ることによって電流を抑制して電流分担の不平衡を是正
する方法、あるいは温度上昇が過大になるのを防ぐため
に最上下のブロックの円板コイルだけを特に冷却ダクト
を多く設けて冷却効率を上げるなどの方法が行われる。
しかし、前者の方法では限流用リアクトルとこれを支持
する構造などが価格と重量増加の原因になり、後者の方
法の場合も冷却ダクトを多く設けてしかも低圧巻線の幅
寸法を合わせた円板コイルにするために他の円板コイル
とは異なる寸法の導体を使用する必要になるなどの問題
があり、また、冷却ダクトを多く設けるために低圧巻線
の占積率が低下することから、低圧巻線の幅寸法が増加
し、ひいては変圧器全体の寸法増大と重量増加が生ずる
という問題がある。

この考案は、このような問題を解決し、重量増大や価格
上昇を伴うことなしにブロック間の電流不平衡を低減し
た多並列円板巻線としての変圧器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考案によれば、鉄心の周
りに低圧巻線と高圧巻線とが同心に配置され、その低圧
巻線が複数の円板コイルを軸方向に積重ねてなり、これ
ら円板コイルの少なくとも１個を１つのブロックとして
これらのブロックが並列接続された多並列円板巻線から
なる変圧器巻線において、前記高圧巻線と前記低圧巻線
の軸方向中心位置を一致させ、前記低圧巻線の軸方向寸
法を前記高圧巻線の軸方向寸法に対して前記ブロックの
軸方向寸法の１ないし３倍長くしてなるものとする。

〔作用〕

この考案の構成において、同心配置された高圧巻線と低
圧巻線の軸方向中心位置を一致させた状態で、低圧巻線
の軸方向寸法を高圧巻線の軸方向寸法に対して多並列の
単位である少なくとも１つの円板コイルからなるブロッ
クの軸方向寸法の１ないし３倍長くすることにより、漏
れ磁束の巻線端部での曲がりが高圧巻線側に片寄って低
圧巻線側の曲がりが少なくなるために低圧巻線を半径方
向に通る漏れ磁束成分が減少することから、各ブロック
間の漏れ磁束による誘起電圧の相違が小さくなり、結果
的にブロック間の電流分担の不平衡が改善される。

〔実施例〕

以下この考案を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の考案の実施例を示す巻線断面構成図を兼用した漏れ磁
束分布図であり、第１図と同じ部材については同じ参照
符号をつけることにより詳しい説明を省略する。低圧巻
線30は高圧巻線２に対して上下とも寸法ｄだけ軸方向寸
法を長くしてある。低圧巻線30の軸方向寸法を大きくす
るには、第５図の円板コイル31,312,321,322,331,332な
どのそれぞれの軸方向寸法、言い換えれば導体の軸方向
寸法を大きくするのが１つの方法である。この場合、同
じ電流密度を維持するためには導体の半径方向寸法を小
さくすることになるので、低圧巻線30の幅寸法は低圧巻
線３のそれよりも小さくなる。また、別の方法としてブ
ロックの数を増やす方法もある。この場合は例えば、寸
法ｄを第５図で示すブロックの軸方向寸法Ａと等しくす
る場合は、ブロックの数を２個増やせばよい。ブロック
の数を増やすと１個のブロックごとの平均電流i₀が小さ
くなるので、電流密度を一定に保つために前述の方法と
同じように導体の半径方向寸法を減らすことになる。勿
論、電流密度を下げて低圧巻線の負荷損を低減すること
にしてもよく、どちらにするかは設計上の選択事項であ
る。実際には最初に巻線の軸方向寸法を決めてから円板
コイルやブロックの数、続いて導体の寸法を決めて行く
ことになる。

低圧巻線30を高圧巻線２よりも上下それぞれ寸法ｄだけ
長くした結果、第１図のように漏れ磁束200,201は低圧
巻線30側に曲がる分が減少する。その結果低圧巻線30を
構成する各ブロックの誘起電圧の違いが減少しこれにと
もない電流分担の不平衡の程度も低下し、各ブロック間
の電流分担はより均一に近づくことになる。

第２図は寸法ｄが0.8Aのときの各ブロックの電流i_nを計
算した結果の電流分担を示すグラフである。横軸，縦軸
はいずれも第６図と同じである。最上下のブロックの電
流i₀，i_Nは平均電流i₀の約1.2倍程度に低減しているの
が分かる。

第３図は寸法ｄを変化させた場合の最上ブロックの電流
i₀の変化を計算した結果を示すグラフである。横軸は寸
法ｄであり１つのブロックの軸方向寸法Ａの倍数として
表しており、縦軸は最上ブロックの電流i₁の平均電流i₀
に対する比である電流比i₁／i₀である。種々の条件での
多並列円板巻線の各ブロックの電流分担の計算結果によ
ると、電流比i₁／i₀はブロック数Ｎの値に余り影響を受
けず、また、高圧巻線２、低圧巻線３の巻線幅及びこれ
ら巻線間の半径方向間隙寸法の違いに対してもその値は
余り変化せず、代わりに前述の寸法ｄの違いに大きく影
響を受けることが分かっている。また、この図のように
寸法ｄとして１つのブロックの軸方向寸法Ａの倍数で表
すと、他の条件が異なっても電流比i₁／i₀の寸法ｄに対
する関係はこの図のように１本のグラフで表すことがで
きる。

この図から明らかなように、寸法ｄが大きくなるにつれ
て電流比i₁／i₀は減少してゆき、ｄが1.5Aにおいてi/i₀
は1.12となる。しかし、ｄの値が1.5A以上では減少量は
小さくなり寸法ｄを増加させることにより電流分担の改
善の効果は小さくなる。

寸法ｄはなるべく大きいのが望ましいが、寸法ｄを余り
大きくすると、高圧巻線１の引き出しリードと低圧巻線
30の巻線端部とが絶縁的に接近して低圧巻線30端部の導
体の角が絶縁上の弱点になり、この部分の絶縁強化が必
要になるという問題が生ずるので、この点からは寸法ｄ
の増加量はなるべく小さいのが望ましい。これらを勘案
して、寸法ｄの実用上有効な範囲は0.5Aから1.5Aの範囲
が妥当と言える。

なお、多並列円板巻線は電気炉用変圧器だけではなく、
整流器用変圧器に適用することも可能であり、低圧巻線
の電流不平衡が低減するという効果をあげることができ
る。大容量の整流器用変圧器の場合、三相で低圧巻線は
通常一対の三角結線巻線と一対の星形結線巻線とからな
る巻線群から成り立っていて、多並列円板巻線を構成す
るブロックは交互にこれら異なる結線の巻線群に所属す
るように構成されることが多いので、前述の電気炉の低
圧巻線のように１群だけの場合とは少し様相は異なるが
ブロックごとの電流分担が不平衡するという現象が生ず
ることに代わりはなく、低圧巻線の高さ寸法を高圧巻線
に対し適当な値大きくすることによって前述の実施例と
同様にこの電流分担の不平衡が低減するという効果を得
ることができる。

〔考案の効果〕

この考案は前述のように、高圧巻線と低圧巻線の軸方向
中心を一致させた状態で、低圧巻線の軸方向寸法を高圧
巻線の軸方向寸法に対して多並列の単位である１つのブ
ロックの軸方向寸法の１ないし３倍長くすることによ
り、漏れ磁束の巻線端部での曲がりが高圧巻線側に片寄
って低圧巻線側の曲がりが少なくなるために低圧巻線を
半径方向に通る漏れ磁束成分が減少することから、各ブ
ロック間の漏れ磁束による誘起電圧の相違が小さくな
り、結果的にブロック間の電流不平衡が減少するという
効果が得られる。高圧巻線と低圧巻線の軸方向寸法が同
じ場合は、最上下のブロックに平均電流の1.5倍もの電
流が流れていたのが、この考案の実施例のように低圧巻
線の軸方向寸法を高圧巻線の軸方向寸法に対して、例え
ば１ブロックの軸方向寸法の３倍の長さにすると最上下
のブロックに流れる電流を1.1倍程度に抑えることので
きることが判った。その結果、低圧巻線の温度上昇の過
大が抑制されるので冷却ダクトを多く設ける必要性がな
くなり、低圧巻線の占積率の低下に起因する変圧器寸
法、重量の増大とこれに伴う価格上昇などの問題が生ず
ることはない。勿論、限流用リアクトルを挿入する必要
もないので、これに伴う価格上昇も避けることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の実施例を示す巻線構成図を兼ねた磁
束分布図、第２図は第１図での各ブロックの電流分担を
示すグラフ、第３図はこの考案の電流不平衡低減効果を
示すグラフ、第４図は従来の巻線構成を兼ねた磁束分布
図、第５図は第４図の低圧巻線の構成を示す概念図、第
６図は第４図での各ブロックの電流分担を示すグラフ、
第７図は第５図の電流不平衡の現象を説明するための模
式図である。 1:鉄心、2:高圧巻線、3,30:低圧巻線、31,32,33:ブロッ
ク、311,312,321,322,331,332:円板コイル、411,412,42
1,422,431,432:引出リード、51,52:低圧リード、100,10
1,200,201:磁束線。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】鉄心の周りに低圧巻線と高圧巻線とが同心
   に配置され、その低圧巻線が複数の円板コイルを軸方向
   に積重ねてなり、これら円板コイルの少なくとも１個を
   １つのブロックとしてこれらのブロックが並列接続され
   た多並列円板巻線からなる変圧器巻線において、前記高
   圧巻線と前記低圧巻線の軸方向中心位置を一致させ、前
   記低圧巻線の軸方向寸法を前記高圧巻線の軸方向寸法に
   対して前記ブロックの軸方向寸法の１ないし３倍長くし
   てなることを特徴とする変圧器巻線。