特開 2024-176899 変圧器および電気設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176899

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】変圧器および電気設備

(51)【国際特許分類】

   H01F 27/28 20060101AFI20241212BHJP

   H01F 27/36 20060101ALI20241212BHJP

   H01F 27/32 20060101ALI20241212BHJP

   H01F 30/10 20060101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

H01F27/28 180

H01F27/36 123

H01F27/32 130

H01F30/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095760

(22)【出願日】2023-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】芝崎 将之

(72)【発明者】

【氏名】澁谷 大輔

【テーマコード（参考）】

5E044

5E058

【Ｆターム（参考）】

5E044DA01

5E058CC03

5E058CC05

(57)【要約】

【課題】高周波サージに対する絶縁性能を向上させた新たな構造を提供する。
【解決手段】二次コイル（１３）の外側に一次コイル（１８）が、二次コイル（１３）と同軸に設けられたガスＶＴ（１）は、一次コイル（１８）と二次コイル（１３）との間に設けられた一次側シールド層（１７）および二次側シールド層（１５）を備え、二次側シールド層（１５）は、一次コイル（１８）、二次コイル（１３）、および一次側シールド層（１７）の何れよりも幅が広く、一次側シールド層（１７）の端部（３１）と二次側シールド層（１５）との距離は、一次側シールド層（１７）の中央部（３２）と二次側シールド層（１５）との距離よりも長い。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二次コイルの外側に一次コイルが、前記二次コイルと同軸に設けられた変圧器であって、
前記一次コイルと前記二次コイルとの間に設けられた一次側シールド層および二次側シールド層を備え、
前記二次側シールド層の幅は、前記一次コイルの幅、前記二次コイルの幅、および前記一次側シールド層の幅の何れよりも広く、
前記一次側シールド層の端部と前記二次側シールド層との距離は、前記一次側シールド層の中央部と前記二次側シールド層との距離よりも長い、変圧器。

【請求項2】

前記一次側シールド層の端部は、前記一次側シールド層の中央部の側から先端に向かうにつれて、前記端部と前記二次側シールド層との距離が長くなっている、請求項１に記載の変圧器。

【請求項3】

前記一次側シールド層は、前記中央部と、前記中央部とは別体である前記端部と、前記中央部と前記端部とを電気的に接続するための接続部とを備える、請求項１に記載の変圧器。

【請求項4】

前記一次側シールド層および前記二次側シールド層との間に設けられた絶縁層をさらに備え、
該絶縁層は、前記一次側シールド層の形状に適合した形状である、請求項１に記載の変圧器。

【請求項5】

前記一次側シールド層および前記二次側シールド層は、金属箔である、請求項１に記載の変圧器。

【請求項6】

前記一次コイルおよび前記二次コイルの軸上に設けられた鉄心をさらに備える、請求項１に記載の変圧器。

【請求項7】

請求項１から６の何れか１項に記載の変圧器を備える電気設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は変圧器および電気設備に関する。具体的には、本発明は、二次コイルの外側に一次コイルが、上記二次コイルと同軸に設けられた変圧器と、該変圧器を備える電気設備とに関する。

【背景技術】

【0002】

電力設備に設けられるガス絶縁開閉器の構成機器の一つとして、ガス絶縁計器用変圧器が用いられている。以下では、該ガス絶縁計器用変圧器を「ガスＶＴ（Voltage Transformer）」と称する。該ガスＶＴは、ＳＦ_６ガス等の絶縁ガスで満たされた空間に配置され、一次側の高電圧を測定可能な電圧に高精度で変成する。上記ガスＶＴは、例えば特許文献１に開示されている。

【0003】

上記ガスＶＴは、鉄心、一次コイル（高圧コイル）、および二次コイル（低圧コイル）を備える。上記鉄心には、上記二次コイルが巻回されている。該二次コイルには、上記一次コイルが上記二次コイルと同軸に巻回されている。上記構成のガスＶＴにおいて、上記一次コイルの高圧側から高周波サージが流入した場合、上記二次コイルに高電圧が移行して、上記二次コイル、および／または、該二次コイルに電気的に接続された回路において絶縁破壊が発生する可能性がある。

【0004】

そこで、上記一次コイルと上記二次コイルとの間に２つのシールド層を備えたガスＶＴが知られている。以下では、上記一次コイルに近い側のシールド層を一次側シールド層と称し、上記二次コイルに近い側のシールド層を二次側シールド層と称する。この場合、上記一次コイルの高圧側から流入した高周波サージは、上記２つのシールド層によって緩和される。その結果、上記二次コイルに高電圧が移行することを抑制できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２－３１３６３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記一次側シールド層の端部付近では、等電位線が小さな曲率半径をもって湾曲する。そのため、上記端部付近において等電位線の電位傾度が大きくなり、絶縁破壊が生じる可能性がある。

【0007】

これに対し、特許文献１に記載のガスＶＴでは、上記一次側シールド層の幅を上記二次側シールド層の幅よりも広くしている。これにより、上記一次側シールド層の両端部付近の電界を緩和することができ、その結果、上記絶縁破壊を抑制することができる。

【0008】

本発明の一態様は、高周波サージに対する絶縁性能を向上させた新たな構造の変圧器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】

【0009】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る変圧器は、二次コイルの外側に一次コイルが、前記二次コイルと同軸に設けられた変圧器であって、前記一次コイルと前記二次コイルとの間に設けられた一次側シールド層および二次側シールド層を備え、前記二次側シールド層の幅は、前記一次コイルの幅、前記二次コイルの幅、および前記一次側シールド層の幅の何れよりも広く、前記一次側シールド層の端部と前記二次側シールド層との距離は、前記一次側シールド層の中央部と前記二次側シールド層との距離よりも長い。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、高周波サージに対する絶縁性能を向上させた新たな構造の変圧器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係るガス絶縁計器用変圧器の半部を示す縦断面図である。

【図2】上記ガス絶縁計器用変圧器の１／４の部分を示す横断面図である。

【図3】上記ガス絶縁計器用変圧器の等価回路図である。

【図4】上記ガス絶縁計器用変圧器における二次コイル、二次側シールド層、および一次側シールド層の配置と、一次側シールド層における等電位線の分布とを示す模式図である。

【図5】従来のガス絶縁計器用変圧器における二次コイル、二次側シールド層、および一次側シールド層の配置と、一次側シールド層における等電位線の分布とを示す模式図である。

【図6】本発明の別の実施形態に係るガス絶縁計器用変圧器の半部を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付記し、適宜その説明を省略する。

【0013】

〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について、図１～図５を参照して詳細に説明する。

【0014】

図１は、本実施形態に係るガスＶＴ（ガス絶縁計器用変圧器）の半部を示す縦断面図である。図２は、上記ガスＶＴの１／４の部分を示す横断面図である。図１および図２に示すように、本実施形態のガスＶＴ１（変圧器）は、鉄心１１、二次巻形１２、二次コイル１３、一次巻形１４、二次側シールド層１５、絶縁層１６、一次側シールド層１７、および一次コイル１８を含む。

【0015】

鉄心１１は、鋼板の積層体である。二次巻形１２は、鉄心１１の周囲に配置された、プラスチック等の絶縁体である。二次コイル１３は、二次巻形１２の外側に巻回された低圧コイルである。具体的には、二次コイル１３が予め巻回された筒状の二次巻形１２は、鉄心１１と嵌合して、鉄心１１の脚部（図示せず）に固定される。

【0016】

一次巻形１４は、二次コイル１３の外側に二次コイルと同軸に配置された、プラスチック等の絶縁体である。筒状の一次巻形１４の外側には、二次側シールド層１５、絶縁層１６、および一次側シールド層１７が積層され、これらの外側に一次コイル１８が巻回されている。従って、鉄心１１は、二次コイル１３および一次コイル１８の軸上に設けられているともいえる。

【0017】

二次側シールド層１５は、銅等の導体であり、一次巻形１４の外周に沿って配置され、かつ、１ターンを形成しないように設けられている。例えば、二次側シールド層１５は、銅箔等の金属箔であってもよい。絶縁層１６は、二次側シールド層１５上に設けられたプラスチック等の絶縁体である。例えば、絶縁層１６は、二次側シールド層１５上に絶縁フィルムを所定の厚みになるまで巻回することにより形成されてもよい。

【0018】

一次側シールド層１７は、銅等の導体であり、絶縁層１６の外周に沿って配置され、かつ、１ターンを形成しないように設けられている。例えば、一次側シールド層１７は、銅箔等の金属箔であってもよい。一次コイル１８は、高圧コイルであり、一次側シールド層１７の外周に設けられ、レヤー間に絶縁フィルムを介在させて多層巻きされている。

【0019】

図３は、ガスＶＴ１の等価回路を含む回路図である。図３に示すように、ガスＶＴ１は、ＳＦ_６ガス等の絶縁ガスが封入されて接地電位に保たれるガス絶縁開閉装置の金属製の容器２１（図３参照）内に収容される。

【0020】

図１および図３に示すように、一次側シールド層１７は、一次コイル１８の巻始めに電気的に接続されるとともに、一次側シールド層用接地リード線２２を介して、容器２１に電気的に接続された接地用端子２３に接続される。メガーによる一次コイル１８の対地絶縁抵抗の測定を可能にするため、一次側シールド層用接地リード線２２は、容器２１に対して絶縁された状態で容器２１の外部に引き出された後、容器２１の外面に設けられた接地用端子２３に接続される。このため、一次側シールド層用接地リード線２２は、長くなり、リアクタンスＸが大きくなる。

【0021】

二次側シールド層１５は、絶縁層１６により一次側シールド層１７に対して絶縁されている。二次側シールド層１５は、リアクタンスが小さい必要最小限の長さの二次側シールド層用接地リード線２４を介して、鉄心１１または該鉄心１１と同電位の部分（例えば鉄心１１の締付け金具）に設定された接地点ｅに接続されている。従って、一次側シールド層１７は、該一次側シールド層１７と二次側シールド層１５との間の静電容量Ｃを介して接地点ｅに接続される。

【0022】

上述のように、一次側シールド層用接地リード線２２のリアクタンスＸが大きくなるため、一次コイル１８の高圧側から高周波サージが流入すると、一次側シールド層用接地リード線２２のリアクタンスＸにより一次側シールド層１７の電位が上昇する。これにより、一次側シールド層１７の近傍で絶縁破壊が生じる可能性がある。この絶縁破壊は、一次コイル１８のレヤー間で生じるレヤー絶縁破壊の形で現れる場合と、一次側シールド層１７の端部を基点とした沿面放電破壊の形で現れる場合とがあるが、いずれの形で現れるかはそれぞれの設計絶縁強度に依存している。また、一次側シールド層１７の電位が上昇すると、該一次側シールド層１７と二次コイル１３との間の静電誘導により、二次コイル１３に高電圧が移行して、二次側で絶縁破壊が生じることもある。

【0023】

そこで、リアクタンスが小さい必要最小限の長さの二次側シールド層用接地リード線２４により鉄心１１に電気的に接続されて接地電位になっている二次側シールド層１５を一次側シールド層１７に対向させている。これにより、一次側シールド層１７と対地間に静電容量Ｃが形成され、この静電容量Ｃを介して高周波サージをバイパスすることができる。その結果、一次側シールド層１７および二次コイル１３の電位の上昇を抑制することができる。

【0024】

さらに、本実施形態では、二次側シールド層１５の幅は、二次コイル１３、一次側シールド層１７、および一次コイル１８の幅の何れよりも広い。これにより、一次コイル１８からの高周波サージを確実にバイパスすることができ、二次コイル１３の電位の上昇を確実に抑制することができる。ここで、幅は、一次コイル１８および二次コイル１３の巻回軸の方向の長さである。

【0025】

図４は、本実施形態のガスＶＴ１における二次コイル１３、二次側シールド層１５、および一次側シールド層１７の配置と、一次側シールド層１７における等電位線の分布とを示す模式図である。図５は、比較例であり、従来のガスＶＴ１０１における二次コイル１１３、二次側シールド層１１５、および一次側シールド層１１７の配置と、一次側シールド層１１７における等電位線の分布とを示す模式図である。

【0026】

従来のガスＶＴ１０１では、図５に示すように、二次側シールド層１１５と一次側シールド層１１７との距離が一定である。このため、一次側シールド層１１７の端部１３１付近では、等電位線が小さな曲率半径をもって湾曲する。その結果、一次側シールド層１１７の端部１３１付近において、等電位線の電位傾度が大きくなり、絶縁破壊が生じる可能性がある。

【0027】

これに対し、本実施形態のガスＶＴ１では、図１および図４に示すように、一次側シールド層１７の両端部３１・３１と二次側シールド層１５との距離は、一次側シールド層１７の中央部３２と二次側シールド層１５との距離よりも長い。具体的には、図１および図４に示すように、一次側シールド層１７の各端部３１は、一次側シールド層１７の中央部３２の側から先端に向かうにつれて、端部３１と二次側シールド層１５との距離が長くなっている。

【0028】

これにより、図４に示すように、一次側シールド層１７の端部３１付近では、等電位線が、従来の端部１３１付近の曲率半径よりも大きな曲率半径をもって湾曲する。その結果、一次側シールド層１７の端部３１付近において、等電位線の電位傾度が従来の端部１３１付近よりも小さくなり、絶縁破壊が生じる可能性を低減することができる。すなわち、一次コイル１８からの高周波サージに対する絶縁性能を向上させることができる。

【0029】

また、本実施形態のガスＶＴ１では、絶縁層１６は、一次側シールド層１７の形状に適合した形状である。具体的には、図１に示すように、絶縁層１６の各端部３３は、絶縁層１６の中央部３４の側から先端に向かうにつれて、厚くなっている。これにより、一次側シールド層１７の各端部３１を絶縁層１６が支持することができ、その結果、一次側シールド層１７の各端部３１の形状が変化することを防止できる。

【0030】

＜変形例＞
なお、一次側シールド層１７の両端部３１・３１の何れか一方と二次側シールド層１５との距離が、一次側シールド層１７の中央部３２と二次側シールド層１５との距離よりも長くてもよい。この場合、上記一方の端部３１付近において、絶縁破壊が生じる可能性を低減することができる。

【0031】

〔実施形態２〕
本発明の別の実施形態について、図６を参照して説明する。

【0032】

図６は、本実施形態に係るガスＶＴの半部を示す縦断面図である。なお、図６では、鉄心１１、二次巻形１２、および二次コイル１３を省略している。本実施形態のガスＶＴ１は、図１に示すガスＶＴ１に比べて、一次側シールド層１７の構造が異なり、その他の構成は同様である。

【0033】

図１に示す一次側シールド層１７では、両端部３１・３１および中央部３２が一体に形成されている。これに対し、本実施形態の一次側シールド層１７では、図６に示すように、各端部３１と中央部３２とが別体である。

【0034】

本実施形態では、各端部３１と中央部３２とを電気的に接続するための接続部３５が設けられている。接続部３５は、半田により各端部３１および中央部３２に固定される。なお、接続部３５は、導電性接着剤により各端部３１および中央部３２に固定されてもよい。また、各端部３１と中央部３２とが、半田付けにより電気的に接続されてもよい。この場合、半田が接続部３５に該当する。

【0035】

各端部３１、中央部３２、および接続部３５は、銅箔等の金属箔であってもよい。また、製造の容易さ等の観点から、図１に示すガスＶＴ１と、図６に示すガスＶＴ１との何れかの構造を選択すればよい。

【0036】

＜付記事項＞
上記実施形態では、本発明をガスＶＴ１に適用しているが、本発明はガスＶＴ１に限定されるものではない。二次コイルの外側に一次コイルが、上記二次コイルと同軸に設けられた任意の変圧器に対し本発明を適用することができる。例えば、計器用変圧器の技術を利用した電源用計器用変圧器（Power Voltage Transformer）に本発明を適用することができる。

【0037】

また、上記実施形態では、ガスＶＴ１を含むガス絶縁開閉装置に本発明を適用しているが、本発明はガス絶縁開閉装置に限定されるものではない。二次コイルの外側に一次コイルが、上記二次コイルと同軸に設けられた変圧器を備えた任意の電気設備に対し本発明を適用することができる。例えば、上記電源用計器用変圧器を備えた電源供給システムに本発明を適用することができる。

【0038】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【0039】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る変圧器は、二次コイルの外側に一次コイルが、前記二次コイルと同軸に設けられた変圧器であって、前記一次コイルと前記二次コイルとの間に設けられた一次側シールド層および二次側シールド層を備え、前記二次側シールド層の幅は、前記一次コイルの幅、前記二次コイルの幅、および前記一次側シールド層の幅の何れよりも広く、前記一次側シールド層の端部と前記二次側シールド層との距離は、前記一次側シールド層の中央部と前記二次側シールド層との距離よりも長い。

【0040】

上記の構成によると、前記二次側シールド層の幅は、前記二次コイル、前記一次側シールド層、および前記一次コイルの幅の何れよりも広い。これにより、前記一次コイルからの高周波サージを前記二次側シールド層が確実にバイパスすることができ、前記二次コイルの電位の上昇を確実に抑制することができる。

【0041】

また、前記一次側シールド層の端部と前記二次側シールド層との距離は、前記一次側シールド層の中央部と前記二次側シールド層との距離よりも長い。これにより、前記一次側シールド層の端部付近では、等電位線が、従来よりも大きな曲率半径をもって湾曲する。その結果、前記一次側シールド層の端部付近において、等電位線の電位傾度が従来の端部付近よりも小さくなり、絶縁破壊が生じる可能性を低減することができる。すなわち、前記一次コイルからの高周波サージに対する絶縁性能を向上させることができる。

【0042】

本発明の態様２に係る変圧器は、上記態様１において、前記一次側シールド層の端部は、前記一次側シールド層の中央部の側から先端に向かうにつれて、前記端部と前記二次側シールド層との距離が長くなっていてもよい。

【0043】

本発明の態様３に係る変圧器は、上記態様１または２において、前記一次側シールド層は、前記中央部と、前記中央部とは別体である前記端部と、前記中央部と前記端部とを電気的に接続するための接続部とを備えてもよい。

【0044】

本発明の態様４に係る変圧器は、上記態様１から３において、前記一次側シールド層および前記二次側シールド層との間に設けられた絶縁層をさらに備え、該絶縁層は、前記一次側シールド層の形状に適合した形状であってもよい。この場合、前記一次側シールド層の端部を前記絶縁層が支持することができ、その結果、前記一次側シールド層の端部の形状が変化することを防止できる。

【0045】

本発明の態様５に係る変圧器は、上記態様１から４において、前記一次側シールド層および前記二次側シールド層は、銅箔等の金属箔であってもよい。

【0046】

本発明の態様６に係る変圧器は、上記態様１から５において、前記一次コイルおよび前記二次コイルの軸上に設けられた鉄心をさらに備えてもよい。

【0047】

本発明の態様７に係る電気設備は、上記態様１から６における変圧器を備える。この場合、上述の効果と同様の効果を奏する。

【符号の説明】

【0048】

１ ガスＶＴ（変圧器）
１１ 鉄心
１２ 二次巻形
１３ 二次コイル
１４ 一次巻形
１５ 二次側シールド層
１６ 絶縁層
１７ 一次側シールド層
１８ 一次コイル
２１ 容器
２２ 一次側シールド層用接地リード線
２３ 接地用端子
２４ 二次側シールド層用接地リード線
３１ 端部
３２ 中央部
３３ 端部
３４ 中央部
３５ 接続部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】