JPS59964B2 - 大容量変圧器巻線 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、変圧器巻線に関し、さらに具体的には大容量
内鉄形変圧器の巻線構成に関する。

本発明の目的は、巻線の占積率を向上し、変圧器の小形
化を実現すると共に、巻線作業の工数を低減することに
ある。電力需要の増大に伴つて、超々高圧入容量送電が
実施され、変圧器単器容量もますます増大している。

大容量内鉄形変圧器における低圧または中圧線路（変圧
器の中で一番高・ハ電圧の巻線が高圧巻線であシ、低い
電圧の巻線が低圧巻線である。そして、三巻線変圧器の
場合に中間の電圧の巻線が中圧巻線である）に接続され
る巻線においては、変圧器容量の増大に伴つて巻線電流
が人きくなり、製作上種々の困難を生じている。ことに
巻線電流７００Ａ以上の巻線で巻線高さ／巻回数が８〜
１４ｍｍ／ターン程度の場合、従来の巻線方式ではおよ
そ次のような欠点が認められた。まず、第１図は螺状巻
線の構成図で、同図は並列導体数１６本、巻回数３２タ
ーンの場合で、２ターン毎に転位を行なつたものである
。

導体Ａ〜Ｐ（１６本）を並列にして巻回し、２ターン巻
回する毎に最内周側の導体を最外周側に転位している。
（導体Ａの１ターン目をＡｌ、２ターン目をＡ２、・・
・導体Ｐの１ターン目をＰ１、２ターン目をＰ２、・・
・３２ターン目をＰ３２で表示している。）すなわち、
２ターン目から３ターン目へ移るときに、最内周の導体
Ｐを導体Ａの外周へ転位する。次に４ターン目から５タ
ーン目へ移るときに最内周の導体ｏを長外周の導体Ｐの
外周へ転位させる。このような転位を１５回行なつだも
のである。しかして、このように第１図に示すごとく平
角導体からなる従来の螺状巻線（ヘリカルコイルのこと
で以下これを螺状巻線と称する）にあつては、螺状巻線
１を構成する各単位コイル２は導体Ａ〜Ｐを重ねて構成
され、各単位コイル２の間には巻線冷却の必要上、冷却
油道を形成するコイル間隔ｃが必要である。このコイル
間隔寸法ｃは、コイル幅寸法ｂの１／１０程度の寸法が
必要とされている。ところで、第１図の構成において、
巻線電流に対しての所望の導体断面積を得るためには、
巻線の幅寸法ｂ、導体寸法ａ、コイル間隔ｃが相互に関
連する。そして、コイル間隔ｃはコイル幅寸法ｂの１／
１０程度必要なことから、巻線の高されを低くするため
にａを小さくしてｂを人きくするとｃが宍きくなつてし
まい占積率は悪くなる。一方、ａを入きくして、ｂを小
さくし、これによつてｃの縮小化を図る手段もあるが、
これでは占積率の向上はあまり期待できず、場合によつ
ては巻線の高されが人きくなる場合もあつた。そして、
結果的には、Ａ，ｂ，ｃの寸法を相互に大きくしたＤ小
さくする悪循環をくν返すたけで、巻線の占積率を向上
させることはできなかつた。一方、軸方向の導体寸法ａ
に対して、コイルを巻回する幅方向寸法ｂの比が大きく
なるにしたがつてコイルの外形は、その太さに比べて背
が高くなり、不安定となるので巻線作業が困難となると
ともに、巻線作業にも非常に多くの工数を必要とする。
また別の巻線方式として連続円板巻線がある。

しかし、この連続円板巻線は、導体の軸方向寸法ａを適
当に選ぶことができるので、巻線の占積率の問題はない
が、巻線導体の並列本数が６〜８本以上の多数となるた
め、巻線工数が非常に多く必要となり、特に、高直列容
量巻線の必要がある場合はなおさらである。これを詳し
く説明すると、上記巻線とは巻線電流７００Ａ以上のも
のをいい、巻線導体の断面積が２４０ｉ以上となるので
並列本数は６本以上になる。従つて設計上では、並列本
数、導体の厚さ寸法等を適切な数値に選択すれば巻線の
占積率については適当な数値にすることができる。しか
し、巻線導体の並列本数が多いと巻線工数が非常に多く
必要となる。第２図を参照して並列導体が６本の場合を
例に説明すると、同図は３本重ねの２コイル並列巻の普
通円板巻線を示す図である。

すなわち、半径方向にそれぞれ各３本の導体（Ａ，Ｂ，
Ｃ及びＤ，Ｅ，Ｆ）を積み重ね、導体Ａ，Ｂ，Ｃと導体
Ｄ，Ｅ，Ｆを軸方向に並べて（６本並列にして）各８タ
ーンずつ巻回したものである。この場合、内渡り部（第
１のコイルのＡ，，Ｂ８，Ｃ８からそれぞれ第３のコイ
ルのＡ，，Ｂ９，Ｃ，へ移る部分と、第３のコイルのＤ
８，Ｅ８，Ｆ８からそれぞれ第４のコイルのＤ，，Ｅ，
，Ｆ，へ移る部分）では内外周の入れかえを行なう必要
があり巻線工数が多く必要となる。また、第３図は３本
重ねの２コイル並列巻の高直列容量巻線を示す図である
。

すなわち、半径方向にそれぞれ各３本の導体（Ａ，Ｂ，
Ｃ及びＤ，Ｅ，Ｆ）を積み重ね、導体Ａ，Ｂ，Ｃと導体
Ｄ，Ｅ，Ｆを軸方向に並べて（６本並列にして）インタ
ーリブ巻線としたものである。この場合でも、内渡り部
（第１のコイルのＡ４，Ｂ４，Ｃ４から第３のコイルの
Ａ５，ＢＳ，Ｃ５へ移る部分と、第１のコイルのＡｌ２
，Ｂｌ２，Ｃｌ２から第３のコイルのＡｌ３，Ｂｌ３，
Ｃｌ３へ移る部分と、第２のコイルのＤ５，Ｅ５，Ｆ５
から第４のコイルのＤ６，Ｅ６，Ｆ６へ移る部分と、第
２のコイルのＤｌ２，Ｅｌ２９Ｆｌ２から第４の０イ）
Ｌ／のＤｌ３ツＥｌ３′Ｆｌ３へ移る部分）では内外径
方向の位置の転位のための工数や、戻ｖ渡り部（第３の
コイルのＡ８，Ｂ８，Ｃ８から第１のコイルのＡ，，Ｂ
，，Ｃ９へ移る部分と、第４のコイルのＤ８，Ｅ８，Ｆ
８から第２のコイルのＤ９，Ｅ９，Ｆ９へ移る部分）の
接続に要する加工時間等の工数などで巻線工数が天きく
必要である。な｝第２図及ひ第３図に｝いてＡ，Ｂ，Ｃ
，Ｄ，Ｅ，Ｆは各導体を表わし、数字は巻回数を示す。
つぎに平角導体を用いた２層螺状巻線３も第４図に示す
如く実施されている。

第４図は並列導体数８本、巻回数２４ターンの２層巻の
場合を示し、総巻回数が４８ターンである。３ターン毎
に転位を行ない、１層目で７回、２層目で７回及び内側
から外側へ渡る（接続する）ときに１回、合計１５回の
転位を行なつている。

しかし、第４図に示す如く、複数の巻線導体が単位コイ
ル４と４′の２層に重ねられた状態で順次巻回されてい
るから、第１図のような１層配置の場合に比較して、第
４図のような２層配置の場合は、１層当りの巻数は半分
となるので巻線高さ／巻回数、は２倍以上となる。

このため、軸方向導体寸法が高くなりすぎて、巻線エン
ド部分の漂遊損及びそれに起因する局部過熱が問題とな
る。本発明は、巻線電流が７００Ａ以上の巻線を構成す
る場合に、螺状巻線と転位導体を用いた円筒巻線の直列
接続によつて構成し、所期の目的を達成するものである
。次に、３巻線変圧器に｝ける中圧巻線に本発明を適用
した実施例を第５図と第６図によつて説明する。

第５図の変圧器巻線配置図において、鉄心５の外周部に
内側より３次巻線Ｔ、中圧巻線Ｓ、高圧巻線Ｐ、及びタ
ツプ巻線ＰＴの順に巻回されている。

その中圧巻線Ｓは、内側に位置し、中性点端子Ｎに接続
されている円筒巻線部分Ｓ２と、その外側に位置し、線
路側端子Ｌに接続されている螺状巻線部分Ｓ１との組合
せから成９、両者は直列接続されている。円筒巻線部分
Ｓ２は、一層巻回から成る円筒巻線として形成されてい
る。螺状巻線部分Ｓ１の軸方向導体幅ａと、円筒巻線部
分Ｓ２の半径方向幅ｂ（この幅寸法ｂは温度上昇に関係
する）が適切な数値となるように、ＳｌＳ２の巻回数比
を選ぶことによつて、中圧巻線Ｓは、２個の巻線部分Ｓ
ｌ，Ｓ２から成るにもかかわらず、占積率が良く、巻線
工数も少ない巻線を得ることができる。

第５図の実施例は、中圧巻線Ｓにおける巻回数の主部分
を占める螺状巻線部分Ｓ１を高圧巻線Ｐに近接して配置
し、Ｐ，Ｓ間のインピーダンスを低インピーダンスとし
た巻線構成を示している。

これに対し、第６図の実施例は、中圧巻線Ｓを内側に位
置し線路側端子に接続されている螺状巻線部分Ｓ１とそ
の外側に位置し中性点端子Ｎに接続されている一層巻の
円筒巻線部分Ｓ２とから構成したもので、逆にＰ，Ｓ間
インピーダンスを高インピーダンスとした配置の巻線構
成を示している。つまり、Ｐ，Ｓ間のインピーダンス電
圧は、一般の電力用変圧器では抵抗分が小さいので漏れ
リアクタンスにほぼ等しいと考えてよい。従つて、Ｐ，
Ｓ間のインピーダンスは漏れ磁束の量にほぼ比例すると
見てよい。第５図の場合の漏れ磁束の状態を第１０図に
、第６図の場合の漏れ磁束の状態を第１１図に示す。

第１０図と第１１図を比較すると第１１図の方が漏れ磁
束量が人きく、インピーダンスが高くなる。このような
ことから、第６図の実施例では中圧巻線Ｓの螺状巻線部
分Ｓ１を高圧巻線Ｐから遠ざけた配置になつているので
ある。次に、上記各実施例の中圧巻線Ｓを従前通り螺状
巻線で形成した場合と、本発明のように螺状巻線部分と
円筒巻線部分の組合せで形成した場合とについて、各々
具体的な数値を挙げて比較してみる。

第７図は、従来の螺状巻線単独で形成した巻線の例であ
る。

コイル導体は、５×２．６ｍ７７！の平角導体に片側厚
み０．２５ｍｍの絶縁被覆した導体を３０本並列（３９
０ｍ１Ｌ）に使用して巻回し、全回数を１２０回とした
もので、当該巻線の半径方向幅は、（２．６＋０．５）
Ｍｍ×３０本＝９３ｍｍ１である。巻線の軸方向高さは
、コイル間隔をＣ−７．５７！Ｔｍとすると、（５．５
＋７．５）７１ｔ７！Ｌ×１２０回＝１５６０７！Ｔ７
ｌＬ，と（５．５＋７．５）ｍｌ×１２０回＝１５６０
龍，となる。巻線全体の断面積は、９３×１５６０＝１
４５０８０ｍ７ｉ，となる。

結局、巻線の占積率は、導体占有面積／巻線断面積＝５
×２．６×３０本×１２０ｔ／９３×１５６０−０．３
２２，となる。これに対し、第８図は同じ巻線を本発明
に基づいて形成した場合の例を示している。

この図に｝いては、螺状巻線部分Ｓｌｌ５本の平角電線
導体Ａ，ｂ，ｃ・・・Ｍ，ｎ，Ｏを半径方向に積み重ね
て巻回し、６ターン（９０ターン÷１５＝６）毎に最内
周側の導体を最外周に移す転位を行つて９０ターン巻回
されている。

（図中の数字は巻始からの巻回数を示している。）円筒
巻線部分Ｓ２は第７図に示す転位導体を３本（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を巻線軸方向に並列にして３０ターン巻回されてい
る。巻始め部は螺状巻線部分Ｓ１の下部（図中）を直列
に接続される。導体Ｘ，Ｙ，ＺはＸ９ｌ，Ｙ９ｌ，Ｚ９
ｌからＸｌ２Ｏ，Ｙｌ２Ｏ，Ｚｌ２Ｏまで３０ターン巻
回され、螺状巻線部分Ｓ１と円筒巻線部分Ｓ２とで合計
１２０ターン巻回されている。さらにいうと、螺状巻線
部分Ｓ１は、１０×２．６７１ｔ７１Ｌの平角導体に、
片側厚み０．２５７１Ｌ１Ｌの絶縁被覆した導体を１５
本並列（３９０ｍ７ｉ）に９０回巻回している。

この巻線の半径方向幅は、（２．６＋０．５）Ｍｍ×１
５本＝４６．５關となる。また、巻線の軸方向高さは、
コイル間隔Ｃ−６．５ｍ７１Ｌとすると（１０．５＋６
．５）Ｍ７７！×９０回−１５３０ｍｍ，となる。円筒
巻線部分Ｓ２は、第９図Ｑ通り、８×１．ｇｍｕＰＶＦ
導体６′が９本から成ね、片側厚み０．４ｍ７７！の絶
縁被覆６／′で包囲した構成の転位導体６を、３本並列
（３９０ｍ７１）に、全巻回数１２０回から前記螺状巻
線部分Ｓ１の巻回数９０回を差し引いた残りの３０回分
たけを巻回して形成した。

円筒巻線部分Ｓ２の半径方向幅は、第６図に示す通Ｄ、
１０．５７１１ｍである。巻線の軸方向高さは、１６．
８×３×３０回＋１５３０ｍｍ．，である。結局、第８
図の例によれば、螺状巻線部分Ｓ１と、円筒巻線部分Ｓ
２の間の絶縁及び冷却用ダクト用間隔を２０ｍ７ＩＬあ
けても、第７図の従来例に比して、かなｖの寸法を小形
化できることは明らかである。

また、巻線の占積率は、３９０ｍ７ｉ×（９０＋３０回
）／１５３０Ｘ７７＝０．４０となり、格段に良くなる
ことが明らかである。

尚、上記各実施例では本発明を三巻線変圧器の中圧巻線
に適用した例を示したが、本発明は二巻線変圧器の低圧
巻線に適用してもよい。

本発明は以下のような効果を有する。

４中、低圧巻線を線路端子側に接続された螺状巻線部分
と中性点側に接続された一層巻の円筒巻線部分とを同心
配置でかつ直列接続して構成して卦り、従来のように中
、低圧巻線全体を螺状巻線で構成した場合に比べると、
コイル間隔を必要とせず導体断面積を効果的に得られる
一層巻の円筒巻線部分があるために、螺状巻線部分は並
列導体数を少くすることができるのでコイル間隔を小さ
くすることができ導体の軸方向寸法を人きくすることが
できる。

従つて、螺状巻線部分の導体占積率も向上し、中、低圧
巻線全体として導体占積率を向上することができ、小形
化が可能となる。＠ 螺状巻線部分では、上記のように
並列導体数が少くなるとともに、導体の軸方向寸法が人
きくなるので各単位コイルにおいて半径方向幅／軸方向
寸法が小さくなり、巻線作業が容易になる。

又、並列導体数が少いので、導体転位箇所も少くて良い
とともに製作に際して各並列導体を夫々巻回した導体ド
ラムの数も少くて良い。これらのことから巻線作業の必
要工数を人幅に低減することができる。Ｏ円筒巻線部分
は一層巻であるので巻線の巻回数は主に螺状巻線部分に
より得られるが、この螺状巻線部分を円筒巻線部分の外
側に配するか内側に配するかを設計時点に卦いて任意に
決定することによつて高圧巻線との間のインピーダンス
を低くしたＤ高くしたｖすることができる。

外側に配した場合には、本発明を三巻線変圧器に適用し
た際に３次巻線との間のインピーダンスを高くすること
ができ、このときは短絡電流が小さいので電磁力も小さ
く、３次巻線の短絡強度上有利である。上述のとおり、
本発明では螺状巻線部分と円筒巻線部分の配置変えによ
りインピーダンスを自由に変えても何ら問題がないのに
対し、従来の２層螺状巻線では、各層のターン数を不等
にすることによりインピーダンスを変えることが好まし
くない問題があつたがここでそれを説明すると次のと卦
りである。

すなわち、２層螺状巻線に｝いて、各層の巻数を変えて
インピーダンスを変える場合には、各層の巻数、導体寸
法ａ、巻線の幅寸法ｂ、コイル間隔ｃ、巻線の高さｈな
どを考慮しなければならない。

とくに、巻線の高さｈは他巻線（２巻線変圧器の場合は
高圧巻線）との関係で人幅には変えられない。例えば第
７図の例を２層螺状巻線として、これを２：１の巻数比
とした場合には第１２図に示すように４０ターンコイル
と８０ターンコイルとなり、４０ターンの場合巻線高さ
／巻回数は１５６０：４０−３９となジ、導体寸法とし
て不適当であ大２回路並列巻が採用される。

図から分るように４０ターンコイルは２回並列巻である
ので、巻線高さ÷巻回数＝１５６０÷（４０×２）＝１
９．５ｍｍ、８０ターンコイルは１回路巻であるので、
巻線高さ÷巻回数−１５６０÷８０−１９．５ｍ７７！
となり、コイル間隔Ｃ＝７とすれば、導体寸法ａ＝１９
．５−Jヨ黷P２．５７ｎｍ導体幅＝１２．５−０，５一
１２ｍ７！Ｌとなる。４０ターンコイルは１２×２ｍｍ
の導体に０．５ｍｍの絶縁被覆を施した導体を８本重ね
で２回路並列巻とし、８０ターンコイルは同一導体を１
６本重ねで巻いたとすると、巻線の幅寸法は、 巻線の高さは 巻線の占積率は 全導体断面積÷巻線寸法であるから な｝、４０ターンコイル及び８０ターンコイルそれぞれ
１６回の転位を行なう必要があり巻線工数が増人する。

次に３：１の巻線比とした場合は第１３図に示すように
３０ターンコイルは３回路並列巻とするが、この場合、
巻線高さ÷巻回数は１５６０÷（３０×３）−１７．３ コイル間隔ｃ−６．８とすれば導体寸法ａ−１７３６．
８−１０．５ｍｍ１導体幅＝１０．５−０．５＝１０關
となる。

３０ターンコイルは１０×２．６ｍｕの導体に０．５關
の絶縁被覆した導体を５本重ねで３回並列巻とし、９０
ターンコイルは同一導体を１５本重ねで巻いたとすると
、巻線の幅寸法は 巻線の高さは 巻線の占積率は 全導体断面積÷巻線寸法であるから な卦、３０ターンコイル及ひ９０ターンコイルはそれぞ
れ１５回の転位を行なう必要があり巻線工数が増人する
。

上述のとおりであつて、第１２図に｝いて、４０ターン
コイルの巻線エンド部分の１ターンの軸方向高さは３２
ｍ７！Ｌ、第１３図にふ一いては、３０ターンコイルの
巻線エンド部分の１ターンの軸方向高さは４５．１ｍ７
１Ｌとなり、この部分では転位が行なわれないので、漂
遊損及びこれに起因する局部加熱が問題となる。

これを避けるためには、１ターンの中で導体の転位を行
なわなければならず巻線工数が大幅に増人する。また、
巻線の占積率も本発明の場合よりも低くなる。このよう
にインピーダンスを変えるために２層螺状巻線で各層の
ターン数を不等にする場合は、上例のように、２：１，
３：１にする場合には、２層の導体寸法は同一にするこ
とができるが、それ以外の場合には巻線寸法とターン数
の関係で導体寸法を変える必要があり、経済性も良くな
い。

＠ 螺状巻線部分を内側に配した場合には、必要以上に
銅機械とすることなく高圧巻線との間を高インピーダン
スにすることができ経済的であるとともに、漏れ磁束の
多い高圧巻線側に円筒巻線が位置するので円筒巻線を転
位導体とすることにより漂遊損を少くすることができ局
部加熱も少なくできる。すなわち、螺状巻線部分Ｓ１を
内側にした場合は前にも述へたように、Ｐ，Ｓ間の実効
間隔が人となり、インピーダンスが高くなる。また漏れ
磁束の多いＰ側に円筒巻線部分Ｓ２が位置するので、円
筒巻線部分Ｓ２に転位導体を使用すれば漂遊損が少くな
る。しかして、上記、転位導体を使用した円筒巻線では
漂遊損及ひ局部加熱が少なくできる理由を第７図に示す
螺状巻線との比較によつて説明すると次のと訃りである
。

すなわち、第７図の螺状巻線の場合（３０本並列１２０
ターン）では転位は１２０ターン：３０本一４ターン毎
に転位が行なわれ、これを２層螺状巻線とすると１２０
ターン÷３０本ー２ターン毎に行なわれる。

これに対し本発明の転位導体を使用した円筒巻線部分Ｓ
２では、本の転位電線の中で転位が行なわれて｝Ｖ、１
ターンの間に数回ないし十数回の転位が行なわれるので
、転位導体を構成する素線（平角導体）間では電流分布
がほぼ一定となり、漂遊損が極めて小となる。また、巻
線エンド部分を考えると、２層螺状巻線の全回数を２等
分した場合には軸方向導体寸法は約２倍になり、かつ、
１ターン間には全く転位は行なわれていないが、本発明
の転位導体を使用した円筒巻線部分Ｓ２は軸方向導体寸
法も小さくかつ１ターンの間に数回ないしｆ数回の転位
が行なわれているので、漂遊損も極めて小さく局部加熱
もなくなる。

１向、製作に際しては、螺状巻線と円筒巻線を別々に巻
回成形し、これを順に鉄心に嵌め込めば良く製作容易で
あり、かつ巻線断面が矩形であるので耐機械力が強い。

（へ）さらに、コイル並列巻の円板巻線に比較しても巻
線工数が少なくてすむものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は螺状巻線の構成例を示す説明図、第２図は３本
重ねの２コイル並列巻の普通円板巻線を示す説明図、第
３図は３本重ねの２コイル並列巻の高直列容量巻線を示
す説明図、第４図は２層螺状巻線の構成例を示す説明図
、第５図は本発明による低インピーダンスの巻線構成例
を示す説明図、第６図は高インピーダンスの巻線構成例
を示す説明図、第Ｔ図は従来の螺状巻線の数値記入によ
る構成を示す説明図、第８図は本発明による巻線の構成
を数値記入で表わす説明図、第９図は円筒巻線の導体の
横断面図、第１０図は第５図における場合の漏れ磁束を
示す説明図、第１１図は第６図における場合の漏れ磁束
を示す説明図、第１２と第１３図は２層螺状巻線の数値
記入による構成を示す説明図である。 １ ・・・・・・螺状巻線、２ ・・・・・・単位コイ
ル、３ ・・・・・・２層螺状巻線、４，４’・・・・
・・単位コイル、５・・・・・鉄心、Ｔ・・・・・・３
次巻線、Ｓ・・・・・・中圧巻線部分、Ｓ１ ・・・・
・・螺状巻線部分、Ｓ２・・・・・・円筒巻線部分、Ｐ
・・・・・・高圧巻線、ＰＴ・・・・・・タツプ巻線
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 鉄心を囲繞するように巻装した高圧巻線と、該高圧
   巻線と同心状に巻装したさらに別の巻線とを備えた内鉄
   形変圧器において、前記高圧巻線の内側に位する巻線は
   、同心状の螺状巻線部分と、転位導体で構成されてなる
   円筒巻線部分を電気的に直列接続して構成されたことを
   特徴とする変圧器巻線。