論 文

275kV液 冷却式 ガス絶縁変圧器の開発

正 員 長 谷 川 泰 三(関 西電力)

正 員 別 井 孝 司(関 西電力)

正 員 大 西 修 一(関 西電力)

正 員 伊 藤 克 明(三 菱電機)

正 員 光 庵 豊 一(三 菱電機)

正 員 牧 野 芳 弘(三 菱電機)

正 員 中 澤 宏 司(三 菱電機)

Development of 275 kV Liquid Cooling Type Gas-Insulated Transformer

Taizo Hasegawa, Member, Takashi Betsui, Member, Shuichi Onishi, Member (The Kansai

Electric Power Co., Inc), Katsuaki Itob, Member, Toyokazu Kohan, Member, Yoshihiro Makino, Member, Hiroshi Nakazawa, Member (Mitsubishi Electric Corporation)

Construction of 275 kV and 500 kV substation in densely populated area is thought to be necessary in the future to keep stable supply of electricity. Using gas-insulated transformer is now considered for substations because gas-insulated transformers are non-frammable and non-explosive. Since

completion of 77 kV gas-insulated transformer in 1979, we have continued to research to develope

gas-insulated transformers applicable to higher voltage level up to 500 kV. As the results of the research, 275 kV, 300 MVA liquid cooling type gas-insulated transformer has been developed. We

introduce the abstruct of our study.

キーワー ド:液 冷却式 ガス絶縁変 圧器,気 液混合使 用,PPSフ ィルム,タ ップ切換 器,仕 切構 造

1. ま え が き

著者 らは,将 来 の電 力安定供給 対策 としての都 心部

への500kV系 統 導入構想 に対 し,防 災性,環 境調和 性

に優れ た500kVガ ス絶縁 変圧器 を最終 目標 として,昭

和54年 よ り77kVガ ス絶 縁変 圧器 の実 用化,275kV

ガス絶縁変圧 器の開発 ・実用化 を推進 して きた(l)～(4)。

このた び,500kVガ ス絶縁変 圧器の 開発の 中で得 ら

れた技術成果 を適 用 した275kV,300MVA液 冷却 式

ガ ス絶 縁変 圧 器 を開発 した。 ここに その 概 要 を紹 介

す る。

2. 液 冷 却 式 ガ ス 絶 縁 変圧 器 の概 念

一般 に,容 量 が500MVA程 度 以下 の ガス絶 縁変 圧

器 では油入変 圧器 の油 をSF6ガ ス に置 き換 え,絶 縁 ・冷

却 ともSF6ガ スで行われ るが,そ れ以上 の容 量で はガ

スだけの冷却 は困難で あるため絶縁油 に代 わ る冷媒 を

使 用 して い る(5)。冷媒 と してパ ー フ ルオ ロカー ボ ン

(C8F16O:フ ロロカーボ ンとも呼称,以 下 これ を用 い

る)が使 用 され てい る。

図1　液冷却式ガス絶縁変圧器の構造Fig. 1. Structure of liquid cooling type

gas-insulated transformer.

電 学論B, 110巻12号,平 成2年　 999

図2　 ガス絶縁変圧器の技術開発の歴史Fig. 2. History of development of gas-insulated transformer.

SF6ガ ス と冷媒 として フロカーボ ンを使 用 するに あ

た り,著 者 らの ガス絶 縁変圧器(外 鉄形)は 図1に 示 す

よ うに,冷 却 は発 熱部(巻 線,鉄 心)に 点線 の経 路 で冷

媒 を液 の状 態で流下 させて行 い,絶 縁 はタ ンクに充満

したSF6ガ スで行 う。冷 媒 には ガス吸収性 の温度 特性

が あるため,負 荷変 動や周囲温度 の変化 によ って生 じ

るガス圧 変動 を調 整す る装置 を備 えて いる。

図2に は著者 らの液冷却式 ガス絶縁変圧 器開発の歴

史 を示 す。最終 目標 である500kVま で五 つのス テップ

を設定 して いる。 第二 ステ ップ まで は配管 用を実用化

後の高電 圧 ・大容量化 を目指 した絶 縁 ・冷却 方式の研

究 と275kVプ ロ トでの検証 。第三,四 ス テ ップ は絶縁

をはじめ,全 体 に関係 す るガ ス圧 の最適化,運 用面 で

の補機停止 対策,現 状 では高価 な冷 媒の使用量 低減策

な ど一連 の技術開発 とその検証 であ る。現在,第 四 ス

テ ップにあ る。

3. 液 冷 却 式 ガ ス絶 縁 変 圧 器 へ の 適 用技 術

液冷却式 ガス絶縁変圧 器の絶縁,冷 却,タ ップ切換

器の主要技術 につ いて述 べ る。

<3・1> 絶 縁SF6ガ ス の絶 縁 特 性 は絶 縁 油

に比 べて次 の特徴 が あ る。

(1) 商用周 波 に対 する絶 縁耐 力 と雷 インパ ル スに

対 す る絶縁耐力 の比(イ ンパル比)が 低い。

(2) 不平等電 界で は,絶 縁耐力 の低 下が大 きい。

(3) SF6ガ スの誘導率 は1.0で あ り,複 合 絶縁 系

で はSF,ガ ス側 に電 界が集 中す る。

(4) SF6ガ スの耐圧 はガ ス圧 に依 存 し,圧 力 が高

いほ ど耐圧 は高 い。

これ らの特徴 を考慮 して絶 縁設計 を行 うこ とにな る

が,構 造 面で は次 の配慮 をしている。

(i) 巻線端部 で は電 界が集 中す るので,巻 線端部

は電界緩 和用 シール ドを多用 してい る。

(ii) ガ ス圧 に関 しては高 いほ ど絶縁 は縮 小できる

が,タ ンク重量 の増 大や,ガ ス圧 を調整 するガス圧調

整装置 の規模,圧 力 に関 する法規制 も考慮 して総合評

価 し,使 用 最 高 圧 力 を第2種 圧 力 容 器 とな らない

2kg/cm2gを 超 えな い圧 力(1～2kg/cm2g)で 使 用

す る こととした。 なお絶縁 設計 ガス圧 は調整幅下限の

1kg/cm2gで 行 ってい る。

(iii) 巻線の ター ン間絶 縁 は,油 入変圧器 のコイル

絶縁紙 ではガ ス中の耐圧 が低 い ため プラスチ ックフィ

ルム を採 用 している。材料 の候補 として は種 々あるが,

万一 の補機電 源喪 失時(巻 線 への冷媒 循環 が 断たれた

状態)の 運 転時 間確 保 を考慮 して耐 熱性の高 いPPS(ポ

リフェニ レンサル ファイ ド)フィルム を抽 出 ・選 定し,

ガ ス絶縁 変圧器へ の適合性 の確認試験 を行 った。 その

結果,耐 熱性,機 械 強度 な ど,十 分 な実用性能 がある

ことが わか った。 以下 に試験 結果 を紹 介す る。

<3・2> PPSフ ィルムの寿命 特性

(1) 耐熱寿命特 性 次の方法,条 件 で試験 を行

った。

方 法:加 熱促進劣 化法

雰 囲 気:SF6ガ ス＋ フ ロロカーボ ン雰 囲気

寿命推 定:補 償 効果法(6)

指標特 性:引 張 り強 さ

試 片:短 冊 形,無 荷 重

温 度:210℃,240℃,250℃,270℃

加 熱 日数:最 長190日

結果 は図3の とお りで,寿 命半 減温度 は13度 則 が成立

1000 T. IEE Japan, Vol. 110-B, No. 12, '90

275kV液 冷却式 ガス絶縁変圧器

図3　 PPSフ ィル ムの耐 熱寿命特 性

Fig. 3. Life-time characteristics of PPS film.

表1　 PPSフ ィル ムの ヒー トサイ クル

試験結 果

Table 1. Heat-cycle test result of PPS film.

している。

(2) ヒー トサイ クルの影響 次の方法,条 件 で

試験 を行 った。

方 法:繰 返 し通電 ヒー トサイ クル法

雰 囲 気:SF6ガ ス＋フ ロロカーボ ン雰囲気

指標特 性:所 定の促進 劣化後 の ヒー トサ イ クル に'よ る引張 り強度

試 片:コ イル に巻 い た状態

温 度:150℃ ×65hrの 促進 劣化

(110℃ ⇔226゜C)×4サ イクル

結果 は表1の とお りで,ヒ ー トサイ クル による強度の

低下 はほ とん どない。

(3) 振 動 の影 響 次 の 方 法,条 件 で試 験 を行

った。

方 法:加 振機 に よる連続加 振

雰 囲 気:フ ロロカーボ ン液 中

指標特 性:所 定の促進 劣化後 の加振 による引張 り

強 度

試 片:コ イル に巻 いた状態 で スペー サで締 め

付 け

温 度:150℃ ×65hrの 促進 劣化

図4　 コイルへ の冷媒供給構 造

Fig. 4. Structure of the liquid-supplying

into coils.

図5　 コイル内温度分布

Fig. 5. Temperature distribution in coil.

振 動:120Hz,20μ24hr

結果 は表2の とお りで,振 動 による強 度の低 下 はほ と

ん どない。

<3・3> 冷 却　 冷媒 として使 用 す るフ ロロ カ

ーボ ンは冷却 に関係 す る物性 として絶 縁油 に比べ て粘

度 が低 い こ とが特徴 であ る。 また,現 状で は高価 で あ

るた めに少 量で効 率良 く冷却 す る工 夫が必 要で あ る。

この ための構造 として フロロカー ボ ン液 を コイル面,

鉄 心面 に直接 導いて流下 させ る構 造 を採用 した。特 に

コイルの冷却 に関 しては低粘度 の フロロカーボ ン液 が

表面 全体 に分流 する ように,外 鉄 形油入変圧 器で実績

のある冷却構造 をベー スに,.冷 却 ダク ト,ス ペー サの

配置 を工夫 した。 図4に コイルへの冷却供給 構造 を示

す。 冷却器 で冷 や された冷媒 は図中矢 印の ようにタ ン

ク内の冷媒供給管 へ導か れ,各 コイルの上 部 に設 けた

絶縁物 製の冷媒保 持 チャネル を通 って コイルの両面 を

電 学 論B, 110巻12号,平 成2年　 1001

図6　 負荷時タップ切換器の外観Fig. 6. Outside view of on-load tap

changer.

図7　 タップ切換器の回路構成Fig. 7. Circuit-configuration of tap

changer.

図8　 タップ選択器用接触子Fig. 8. Contact for tap-selector.

図9　中間電極による耐電圧責務の低減Fig. 9. Reduction of withstand voltage

duty using additional electrode.

流下 して冷 却す る。 この構造 によって冷媒使用量 が約

20%低 減 で きた。

コイル冷却構造 の検 証 に関 しては,ま ず冷媒 の流れ

が 目視 で きる実規模大 のモデ ルを製作 して分流状 態 を

確認す る とともに,通 電試験 でコイル各部 の温度 分布

を測定 し,図5に 示す ように導体 の温度が最 も高 くな

る部分 で も約5%高 い程度で あって,十 分 な冷 却性能

を有す る ことを確認 した。

<3・4> 負荷時 タップ切 換器　 ガ ス絶 縁変 圧 器用

負荷時 タ ップ切換器 は,油 入変圧器 用の よ うに遮断 ・

潤滑 ・絶縁 媒体 となる絶 縁油 がない ことか ら,既 に実

用化 してい る配変用 ガス絶縁負荷時 タ ップ切換器 の技

術 を延長 し,275kV対 応 の高 電圧 ・大容量化開発 を行

った。負荷 時 タップ切換 器の全体 の姿 を図6に 示す。特

徴は次 の とお りで ある。

(1) 電 流開閉素子 として は配変 用 と同様,切 換開

閉時のSF6ガ ス 中への 多頻 度 アー ク発 生 をな くすた め

に真空 スイ ッチ を使用 してい るが,今 回 は高電 圧 ・大

容量対 応 として新 たに開発 され た真 空ス イ ッチ を採用

した。

(2) 回路構 成 としては真空 ス イッチの切換 開閉能

力が十分 にあ るので,機 構 の単純 化お よび切換 開閉器

の コンパ ク ト化が図れ る図7の ような1抵 抗3真 空 ス

イ ッチ方式 を採用 した。

(3) タ ップ選択器 用接触子 は配変用 と同様,潤 滑

油のな いガス雰囲気 中 にお いて も摩耗粉 を ほ とん ど発

生す る ことの ないロー ラコンタ ク ト方式 を採用 して い

るが,通 電 電流が配 変用の300A程 度 に対 し大 容量器

で は800A程 度 にな るため,図8の よ うな2本 の ロー

ラを並列 接触 させ る2並 列 コンタク ト式 とした。

(4) タ ップ選択 器各部 の電 圧 は配変 用 に比べ て高

くなるが,電 極形状 の改善,ガ ス圧 の増 加お よび図9

の ような中間電 極の設置 に よる電極 間の耐電圧責 務の

低減 な どに よ り275kV用 として実 用 的 な寸法 レベル

での高電 圧化 を達成 した。

<3・5> 負荷時 タップ切換器 の別室 化　 従 来,負 荷

時 タ ップ切換器 は本体 と同一の タンク内 に設 置 され て

いた ため にタ ップ切換 器の点検 時 には本体 内のガ スも

1002 T. IEE Japan, Vol. 110-B, No. 12, '90

275kV液 冷却式 ガス絶縁 変圧器

図10　 本体 とタ ップ切換器 の仕切構造

Fig. 10. Separation between transformer

and tap-changer.

図11　仕切 り構造の応力分布Fig. 11. Mechanical stress distribution on

separator.

表3　仕切り構造の応力解析値と実測結果Table 3. Result of analysis and measure

ment of mechanical stress on the separator.

注1) 位置A,Bは 図11に 示す。

2) ()は 許容値 に対 する裕度 を示 す。

3) 外圧 は本体側か らの圧力 を,内 圧は

タップ切換器室 からの圧力 を示 す。

図12　長期課電通電試験中の検証器Fig. 12. Transformer under long term

running test.

図13　 275kV,300MVA変 圧器 の外形(例)

Fig. 13. Out line of 275 kV, 300 MVA liquid cooling type transfomer (example).

同時に抜取 る必 要が あ った。今 回開発 したガス絶縁変

圧器で はこの ような作 業 を省略 し,保 守 ・点検の容 易

化を 目的 と して本体 と負荷時 タ ップ切換器 との間 に仕

切 り構 造 を設 けた。

図10は 仕切 りの概念 図 を示 す。構 造 としては絶縁物

製 の筒 に貫通端 子 を配 し,外 側 に本体 の リー ドを,内

側 にタ ップ切換器 の リー ドを接続 して いる。

仕切 り構造 の機 能上,差 圧 に対 す る強度 の確保 が重

要で あ り応力解 析(有 限要素法)を 実施 する とともに実

器 を製作 して検証 を行 った。図11お よび表3に 応力解

析 と実測の結果 を示す。 これ らか ら,解 析の精度 と裕

度 の確認がで きた。

4. 総 合性 能 と検 証

以 上 述 べ た 技 術 を検 証 す る た め に275kV,300

MVAの 一相 分 を製作 した。 その検証 は製 品試験 とし

てJEC204に 準拠 して油入変圧器 で行われ てい る試 験

項 目を実施 したほか,万 一ガ ス圧 が低 下 して も,絶 縁

上 直 ち に運 転 を停 止 しな くて もよい こ との確 認 の た

め,定 格電圧で の0気 圧耐電圧試験 な どを実施 した。

製 品試験で初期性能 を確認 した後,屋 外で裸電通 電

試験 を実施 中である(平 成元年11月 現在継続 中)。 こ

の試験 は長期耐 久性 の検証 と実運 転状態 を想定 した デ

ータを取得す る ことが 目的で ある。図12に 裸電 通電 試

験 中の変圧器 を示す。

5. ガ ス 絶 縁 変圧 器 の 採 用効 果

以上紹 介 した液冷却 式ガ ス絶縁 変圧器で は油 入変圧

器 と比較 して次 の特徴 が ある。

(1) 総重量 で約6%減,機 器容 積で約14%減 と小

電学 論B, 110巻12号,平 成2年　 1003

形 ・軽量 な変圧器。

(2) 騒 音が約5ホ ー ン低 い変圧 器。

(3) 消化設備 な どの防災設備 が不要 な変圧 器。

上記 の特徴 を生 かせる次の よ うな変電所 に適 用す る

こ とによ り,総 合的 な コス トメ リッ トが得 られ る。

(i) 総 合 ビルの 中に設置 す る地下 式変 電所(小 形

軽量,高 度 な防災性 を要求 される変 電所)

(ii) 都 市周辺 の屋 外変電所(低 騒 音,高 速 な防災性

を要求 され る変電所)

図13　に275kV,300MVA(低 騒音 形)の 外形 の一例

を示 す。

6. あ と が き

以上,500kVガ ス絶 縁変圧器 を最終 目標 として進 め

て いる技術 開発 の主 な内容 を本 誌 を借 りて紹 介 した。

著者 らの液冷却式 ガス絶縁変圧器 への主 な適用 技術 を

ま とめる と以下の とお りで ある。

(1) 巻線絶縁 に耐 熱性の高 いPPSフ ィルム を採用

し,万 一の補機電源喪 失状態 での運 転 も考慮 した。

(2) 個 々の巻線 に冷媒 を直接供給 して冷却効 率 を

高 め,冷 媒 使用量 を低 減 した。

(3) 絶 縁 ガス と冷 媒の混合使用 に よるガス圧変動

は ガス圧調 整装置で調整 し,使 用最 高圧力 を2kg/cm2

未満 とした。

(4) タ ップ切換器 は中間電極 の認置で電極 間耐電

圧責務 を低 減 し,コ ンパク ト化 した。

(5) 本 体 とタ ップ切換 器の間 に仕切 り構造 を設 け

て,タ ップ切換器 の保 守 ・点検性 を向上 した。

なお,ガ ス絶 縁変圧器 の実用化 に伴 って機器 の異常

診断技術 の確 立が必要 にな って くるため,本 体 の性能

向上技術 開発 と並行 して研 究 を推進 して いる。 異常診

断 に関 しては別の機会 に報告 したい。

(平成元年11月30日 受付)

文 献

(1) 黒 田 ・吉田 ・椛山 ・玉置 ・博多 ・中澤:「275kV絶 縁 変圧器

の開発 」,昭59電 気関係 学会関西支部連 大,G3-39

(2) 黒 田 ・吉田 ・椛山 ・玉置 ・博多 ・中澤:「275kVガ ス絶縁変

圧器長期耐 久試験」,昭60電 気学会 全大,716

(3) 黒田 ・吉田 ・椛山 ・玉置 ・博多 ・中澤:「275kVガ ス絶 縁変

圧器 長期耐 久試験(2)」,昭60電 気関係学 会関西 支部連 大,

G3-53

(4) Y. Harumoto, Y. Kabayama. Y. Kuroda, Y. Yoshida, H. Kan. Y. Miura, E. Tamaki & T. Hakata: "DEVELOP

MENT OF 275 kV EHV CLASS GAS-INSULATED POWER TRANSFORMER". IEEE/PES 85 WM 181-1

(1985)(5) 前田 ・玉 置:「 ガ ス絶縁変 圧器の開発動 向」,電 学誌,106,30

(昭61-1)

(6) 宮本・牧野:「 薄葉絶縁 材料の耐熱寿命推 定法の検討 」,電 学

論A,103,

長谷川 泰 三(正 員)

昭和22年2月11日 生。46年3月

大 阪大 学大学 院修 士課程修 了。 同年

4月 関西電力(株)入 社。以 来変電 関

係 業務 に従 事。62年12月 工務部 発

変電工事課長。

別 井 孝 司(正 員)

昭和25年5月14日 生。51年3月

名 古屋 工 業大 学 大 学 院修 士 課 程修

了。 同年4月 関西電 力(株)入 社。以

来変電 関係 業務 に従 事。61年12月

工務部発変電工事課副長。

大 西 修 一(正 員)

昭和30年4月26日 生。51年3月

舞鶴工業 高等専 門学 校電気工学科卒

業。 同年4月 関西電 力(株)入 社。 主

としてガス絶縁変 圧器,静 止型無効

電力発生装置の開発に従事。61年2月 工務部発変電工

事課員。

伊 藤 克 明(正 員)

昭和24年3月31日 生。47年3月

早 稲 田大 学 理 工学 部 機械 工学 科 卒

業。 同年4月 三 菱電機(株)入 社。以

来,変 圧器用 負荷 時 タ ップ切 換装置

の開発 ・設 計 に従事,現 在 に至 る。

光 庵 豊 一(正 員)

昭和23年5月5日 生。46年3月

岡山大学工 学部電気 工学科卒業 。同

年4月 三菱 電機(株)入 社。以 来,電

力用 変 圧 器 の 開 発 に従事,現 在 に

至 る。

1004 T. IEE Japan, Vol. 110-B, No. 12, '90

275kV液 冷却 式 ガス絶縁 変圧器

牧 野 芳 弘(正 員)

昭和19年9月7日 生。39年3月

県立兵庫工業 高等学校 工業化学科 卒

業 。同年4月 三菱電機(株)入 社。 以

来,絶 縁材料 の研究 開発 に従事,現

在 に至 る。

中 澤 宏 司(正 員)

昭和30年5月30日 生。55年3月

名古屋大学 大学院電気工学修 士課程

修了。同年4月 三菱電機(株)入 社。以

来,電 力用 変圧 器の開発 に従事,現

在 に至 る。

電 学論B, 110巻12号,平 成2年　 1005