補償用変圧器
【課題】電気鉄道用交流変電所に力率改善のために設けられ無効電力補償装置に適用され、補償容量の調節のためにタップ切替を行ったとしても補償用のコンデンサとの間に常に一定のリアクタンス比を確保できる補償用変圧器を提供する。
【解決手段】電気鉄道用交流変電所２の交流き電用変圧器５の二次側に設ける単相の内鉄型変圧器１であって、二次側にコンデンサ１６が取り付けられる単一のタップ１４ａと、一次側に前記コンデンサ１６による補償容量を調整可能である複数の無電圧切替タップ１３ｂ〜１３ｆとを備え、そのパーセントインピーダンス％Ｚは、一次側電圧が４０〜７０ｋＶの範囲内で前記無電圧切替タップ１３ｂ〜１３ｆの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％であることを特徴とする。
【解決手段】電気鉄道用交流変電所２の交流き電用変圧器５の二次側に設ける単相の内鉄型変圧器１であって、二次側にコンデンサ１６が取り付けられる単一のタップ１４ａと、一次側に前記コンデンサ１６による補償容量を調整可能である複数の無電圧切替タップ１３ｂ〜１３ｆとを備え、そのパーセントインピーダンス％Ｚは、一次側電圧が４０〜７０ｋＶの範囲内で前記無電圧切替タップ１３ｂ〜１３ｆの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は補償用変圧器に関するものであり、詳細には、電気鉄道用交流変電所に設置される無効電力補償装置に適用される補償用変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電気鉄道用交流変電所において、力率改善のための無効電力補償装置を設けることが行われている。図５は従来の電気鉄道用交流変電所９０の構成を説明する図である。この電気鉄道用交流変電所９０は、負荷９１に交流電力を供給する電源（き電用変圧器の二次側）９２と、この電源９２に接続された無効電力補償回路９３とを備える。このように、負荷９１に無効電力補償回路９３を並列に接続することにより、これが接続された系統の力率を改善することができる。
【０００３】
前記無効電力補償回路９３はコイル９３Ｌとコンデンサ９３Ｃとを直列接続した進相設備であり、負荷９１を含めた回路全体の無効電力を補償し、力率を改善するために一定の補償容量を供給すると共に、所定のリアクタンス比αを持つものである。ここで１００分率で表されるリアクタンス比αは式（１）に示すように、コイル９３Ｌの誘導性リアクタンスＸＬとコンデンサ９３Ｃの容量性リアクタンスＸＣの比で表すことができる。
α＝ＸＬ／ＸＣ×１００ … 式（１）
【０００４】
また、特開２００４−２３６４９４号公報（以下、特許文献１という）に示されるように、近年ではコイル９３Ｌの代わりに変圧器の漏れインピーダンスを利用し、補償用変圧器とコンデンサで構成される無効電力補償装置（進相設備）が考えられている。補償用変圧器とコンデンサで構成される無効電力補償装置では、補償用変圧器のタップを切替えることにより、補償用変圧器の二次側の電圧を変えることが可能であるから固定的に設けたコンデンサによる補償容量を変化させられることが可能である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２３６４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の一般的な内鉄型変圧器はそのパーセントインピーダンスが６〜８％程度であるから、この内鉄型変圧器を用いて前記無効電力補償装置を形成した場合には、無効電力補償装置が容量性のリアクタンスとなるので、３次高調波成分を極めて拡大することが懸念される。また、一般的な内鉄型変圧器を用いた無効電力補償装置では、補償容量を調整した場合にリアクタンス比α（％）を一定にすることが困難であるから、余分な高調波成分がコンデンサに流入することにより設備が過負荷になるという問題もある。
【０００７】
また、特許文献１のように無効電力補償装置として汎用の内鉄形変圧器を使用した場合には、変圧器のタップ切替えを行うと、各タップに接続される巻線が異なることにより、変圧器のパーセントインピーダンスが巻数の二乗に比例して大きく変化するので、補償用変圧器とコンデンサのリアクタンス比が変わり、進相設備に必要とされる一定のリアクタンス比の確保が困難となる欠点がある。
【０００８】
本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、その目的は、電気鉄道用交流変電所に力率改善のために設けられ無効電力補償装置に適用され、補償容量の調節のためにタップ切替を行ったとしても補償用のコンデンサとの間に常に一定のリアクタンス比を確保できる補償用変圧器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明は、電気鉄道用交流変電所の交流き電用変圧器の二次側に設ける単相の内鉄型変圧器であって、二次側にコンデンサが取り付けられる単一のタップと、一次側に前記コンデンサによる補償容量を調整可能である複数の無電圧切替タップとを備え、そのパーセントインピーダンスは、一次側電圧が４０〜７０ｋＶの範囲内で前記無電圧切替タップの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％であることを特徴とする補償用変圧器を提供する。（請求項１）
【００１０】
前記構成の補償用変圧器によれば、その一次側に設けた無電圧切替タップを切替えることにより、その補償用変圧器の二次側の電圧を調整し、この補償用変圧器の二次側に取り付けられるコンデンサによる補償容量を調整することができる。また、無電圧切替タップの切り替えによって一次側の巻数が切替えられると、この巻数の２乗に比例して補償用変圧器の一次側のインピーダンスが大きくなるが、二次側の電圧が巻数分の１に比例して低くなり、二次側から見たインピーダンスはこの二次側電圧の２乗に比例するので、一次側巻数の２乗分の１になり、結果的に補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚは一定となり、二次側に接続されたコンデンサの容量性リアクタンスと漏れインピーダンスの誘導性リアクタンスの比率つまりリアクタンス比が一定となる。
【００１１】
ここで、補償用変圧器の漏れインピーダンス（誘導性リアクタンス）をＸＬ、補償用変圧器の一次側のインピーダンス（誘導性リアクタンス）をＸＴとすると、この補償用変圧器のパーセントインピーダンス（ほぼリアクタンス分のみであるが）％Ｚは式（２）に示すように定義される。
％Ｚ＝（ＸＬ／ＸＴ）×１００ … 式（２）
【００１２】
一方、前記進相装置のリアクタンス比αは、前述の式（１）に示すように、二次側に接続されるコンデンサの容量性リアクタンスＸＣと、補償用変圧器の誘導性リアクタンスＸＬの比で表すことができ、二次側においてはコンデンサが補償用変圧器を構成するコイルとループ状に接続されるので、各リアクタンスＸＣ，ＸＬ，ＸＴには式（３）に示す関係がある。
ＸＣ＝ＸＴ＋ＸＬ … 式（３）
【００１３】
したがって、式（２）に式（１）と式（３）を代入すると、補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚと、リアクタンス比αの関係は式(４)のようになる。
％Ｚ＝α／（１−α／１００） … 式（４）
【００１４】
補償用変圧器の一次側電圧は鉄道用交流変電所がき電線に供給する４０〜７０ｋＶの範囲内であるから、この電圧範囲内で補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚは、無電圧切替タップの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％であることにより、前記リアクタンス比αを１３．７〜１６．８％の間に保つことができる。
【００１５】
前記補償用変圧器は、そのパーセントインピーダンス％Ｚが１２．４％であるときに、前記リアクタンス比αは１１．１％となり、３次高調波成分において共振するが、補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚが１６％以上であればリアクタンス比αを１３．７％以上に保つことができるので３次高調波成分においても共振することがないだけでなく、５次以上の高調波成分に対してはその共振を確実に避けることができる。また、変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚが２０％以下であることにより、余分な損失による発熱を抑えることができ、変圧器の小型化を図ることができる。
【００１６】
前記無電圧切替タップは一次側のコイルを電源から切り離した状態でタップの切り替えを行うように構成されたタップであり、一次側コイルの両端にき電線から切り離すための遮断器を備えるものであることが好ましい。あるいは、交流き電用変圧器の二次側に遮断器を設けてき電線に対する給電を停止した状態でタップ切り替えを行うものであってもよい。
【００１７】
なお、前記補償用変圧器の一次側と二次側の巻線間に静電結合による移行電圧の影響が大きい場合には一次巻線と二次巻線の間に静電シールドを設置することが好ましい。
【００１８】
一次側の巻線は、複数のタップ間巻線からなり、少なくとも一つのタップ間巻線を逆巻きとしてタップの間隔を調節し、パーセントインピーダンスの設計値に対してタップ切替えに伴うパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えたものである場合（請求項２）には、一次側の巻線が、複数のタップ間巻線からなり、少なくとも一つのタップ間巻線を逆巻きとしているので、隣り合うタップ間における電位差を低く抑え短絡機械力を小さくすることができ、各タップ間巻線間の間隙の調整に自由度を設けてタップの間隔を短絡機械力に抵抗できる程度に可及的に小さく抑えることを可能としている。つまり、タップ切替に伴うパーセントインピーダンスの変化率を低く抑えるように各タップ間巻線を形成することができる。
【００１９】
隣接する３つのタップ間巻線のうち中間のタップ間巻線が逆巻であり、巻数最大時には、逆巻のタップ間巻線の両端に設けたタップを、互いに反対側のタップに隣接するタップ間巻線の端部に設けたタップに接続可能に構成することが好ましい。この場合、タップ切り替えによって一次巻線の巻数を調整でき、かつ、逆巻のタップ間巻線と、これに隣接するタップ間巻線の間に生じる電位差を低く抑えて、各タップの隙間をより自由に設定して配置することができるのでタップ切り替えに伴う補償用変圧器のパーセントインピーダンスの変化を小さくすることができる。
【００２０】
加えて、パーセントインピーダンスの設計値に対してタップ切替に伴うパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えたものであり、通常の裕度±７．５％と比較して高めに設定しているので、補償用変圧器とこれに接続されるコンデンサによるリアクタンス比αを誘導性に保つことができる。すなわち、補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚの設計値を最低の１６％とした場合に、タップ切り替えによって補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚが最大変動（−５％）によって１５．２％になったとしても、リアクタンス比αを１３．１％以上にすることができ、３次高調波成分による共振点の１１．１％より高く保つことができる。
【００２１】
定格電流３００Ａ以上の補償用変圧器において、その巻線は、漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された複数の導体が、互いに絶縁された状態で束ねられたものであり、導体１本あたりの電流値を３５Ａ以下とする場合（請求項３）は、細分化された導体に流す電流が３５Ａ以下であることにより、渦電流の発生による影響が問題になりにくく、漂遊負荷損を低減することができ、かつ、巻線を細分化することに伴うコストアップを必要最小限に抑えることができる。したがって、定格電流３００Ａ以上の補償用変圧器であっても、漂遊負荷損を低減できるので、補償用変圧器の損失の低減を図ることにより、補償用変圧器の小型化を達成することができ、それだけ、補償用変圧器の製造コストを削減することができる。
【００２２】
つまり、補償用変圧器の定格電流が３００Ａの場合９本の導体を束ねることにより、各導体あたりの電流を３５Ａ以下とすることができ、渦電流による漂遊負荷損を効果的に小さくすることができる。また、例えば定格９００Ａの補償用変圧器において、巻線は導体を２８本束ねて形成したものであれば、各導体に流れる電流を３２．１Ａ程度に抑えることにより、より小型で安価な補償用変圧器を得ることができる。前記導体の断面形状は厚さ２ｍｍ×幅８ｍｍの扁平な断面形状であることにより、渦電流を効果的に防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の補償用変圧器を用い、その一次側を電気鉄道用交流変電所の交流き電用変圧器の二次側に接続し、二次側に補償用のコンデンサを接続することにより、無効電力補償に必要な進相設備を容易に形成することができる。また、負荷の力率の変化により無効電力補償に必要な進相容量が変化した場合には、無電圧切替タップを切り替えることにより、無効電力補償のための進相容量を調整することができる。これによって、無効電力補償が不足することも過剰補償となることもなく、適正に無効電力を補償することができる。
【００２４】
加えて、前記補償用変圧器は、その無電圧切替タップの何れの切替状態においてもパーセントインピーダンスの値が１６〜２０％であるから、進相設備として３次高調波成分に対して誘導性リアクタンスとなるので、き電回路に存在する３次高調波成分を拡大させることがなく、安全に無効電力補償を行うことができる。また、前記補償用変圧器は汎用性の高い内鉄型変圧器であるから、補償用変圧器を既存の製造技術によって比較的安価にて製造することができる。
【００２５】
一次側の巻線が漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された複数のタップ間巻線からなり、少なくとも一つのタップ間巻線を逆巻きとしている場合には、タップ間の電位差を低く抑えることができるので、各タップの間隙を、タップ切替に伴うパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えるように調節することができる。つまり、負荷の力率変化に伴って補償用変圧器の補償容量を変えた場合にも高調波成分による共振を確実に防ぐことができる。
【００２６】
補償用変圧器の巻線の導体は、漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された複数の導体からなり互いに絶縁された状態で束ねられる導体からなる場合には、各導体に流す電流を少なくしてき電線に潜在する高調波による補償用変圧器の漂遊負荷損の増加を抑制することができ、この漂遊負荷損による生じる熱を放熱するための大掛かりな構成を不要とするので、変圧器の小型化を達成すると共にその製造コストの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明の補償用変圧器の具体的な構成を示す実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１〜図３は本発明の実施形態に係る内鉄型変圧器１の簡易回路図を説明する図である。図１に示すように、本発明の補償用変圧器１は、電気鉄道用交流変電所２の無効電力補償装置３に適用されるものである。
【００２８】
鉄道用交流変電所２は例えば１５４ｋＶの特別高圧の三相交流を単相交流に変換してき電線４に供給する交流き電用変圧器からなる電源５と前記無効電力補償装置３とを備え、負荷（電車など）６に電力を供給するものである。
【００２９】
前記補償用変圧器１は、一次巻線１０と二次巻線１１を鉄心１２に巻き付けてなり定格電流３００Ａ以上（例えば４５０Ａ）の内鉄型変圧器であり、その一次巻線１０はその長さを変更可能とする複数の無電圧切替タップ１３ａ，１３ｂ…を備える一方、二次巻線１１は単一（一対）のタップ１４ａを備える。この補償用変圧器１はその一次側電圧が４０〜７０ｋＶの範囲内で前記無電圧切替タップ１３ａ〜１３ｆの何れの切り替え状態においても、そのパーセントインピーダンスが１６〜２０％となるように設計されている。また、１５は一次巻線１０を前記き電用変圧器５の二次側に断続可能に接続する遮断器、１６は二次巻線１１に取り付けられる補償用のコンデンサである。
【００３０】
図２は前記補償用変圧器１の一次巻線１０の構成を概略的に説明する図である。電気鉄道用交流変電所２は前記き電線４を介して負荷６に電力を供給するために各所に配置したものである。
【００３１】
前記無効電力補償装置３は補償用変圧器１と、遮断器１５と、コンデンサ１６とを備え、負荷６に並列に接続されることにより、負荷６を含む系統の力率を改善するものである。また、負荷６を含む系統の無効電力に合わせて前記タップ１３ａ〜１３ｆを切替えることにより、補償容量を変更可能に構成している。
【００３２】
前記電源５はスコット結線や変形ウッドブリッジ結線された変圧器を用いて３相交流を単相に変換する交流き電用変圧器であり、例えば１５４ｋＶの特別高圧を６０ｋＶ（日本では他にも４４ｋＶである場合もある）に変圧するものである。電源５は３相交流を単相に変換する交流き電用変圧器であるから、その二次側に生じる電圧には３次高調波成分が含まれることは避けられない。
【００３３】
前記負荷６はその大部分が電車であるから、ほとんどは誘導性負荷であるが、近年の電車にはインバータなどのスイッチング素子よって生じる高次の高周波成分も大きくならざるをえない。
【００３４】
図２において、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは前記タップ１３ａ〜１３ｃ、１３ｄ〜１３ｅ、１３ｆ〜１０ｇ間に接続されるタップ間巻線であり、これら隣接する３つのタップ間巻線１０Ａ〜１０Ｃのうち、中間のタップ間巻線１０Ｂを逆巻としている。また、この逆巻のタップ間巻線１０Ｂの両端に設けたタップ１３ｄ，１３ｅを、互いに反対側のタップ１３ｅ，１３ｄに隣接するタップ間巻線１０Ｃ，１０Ａの端部に設けたタップ１３ｆ，１３ｃに接続可能に構成している。
【００３５】
また、巻線１０は一点鎖線で囲んだ拡大図に示すように、漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された１４本の導体２０が、絶縁被覆２１によって互いに絶縁された状態で束ねられたものであり、各導体２０に流れる電流は、定格電流を流した状態で３５Ａ以下になるように、細分化の数を定める。例えば、補償用変圧器１の定格電流が４５０Ａである場合には、巻線１０を１４本の導体２０に細分化することにより、各導体２０の一本あたりの電流値を３２．１Ａ程度に抑えることができる。また、本実施形態の巻線１０は図示縦方向に７本の導体２０を並べて配置したコイルを図示横方向に２個並列に接続している。
【００３６】
各導体２０の断面形状は例えば厚さ２ｍｍ、幅８ｍｍの矩形である。つまり、巻線１０は断面形状の扁平率が高い帯状の導体２０を複数本束ねたものであるから、導体２０内で渦電流が発生しにくいように構成されている。
【００３７】
図２に示す接続状態では、タップ間巻線１０Ｂの一端に設けたタップ１３ｄをタップ間巻線１０Ｃの一端に設けたタップ１３ｆに接続するジャンパー線２２と、タップ間巻線１０Ａの中間部分に設けたタップ１３ｂをタップ間巻線１０Ｂの一端に設けたタップ１３ｄに接続するジャンパー線２３とを備える。
【００３８】
各タップ間巻線１０Ａ〜１０Ｃは、前記ジャンパー線２２，２３を用いたタップ切替えに伴う補償用変圧器１のパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えることができるように、タップ１３ｃ，１３ｄの間隔（ギャップ）ｄ１とタップ１３ｅ，１３ｆの間隔（ギャップ）ｄ２とを調節して配置している。
【００３９】
以下、前記構成の補償用変圧器１の動作を説明する。
前記電源５からき電線４を介して電車６に６０ｋＶの交流電圧が供給されるとすると、補償用変圧器１の一次巻線１０に６０ｋＶの交流電圧が印加され、補償用変圧器１の二次巻線１１の両端には２０００〜７０００Ｖの通常の交流電圧に変換されて、コンデンサ１６に印加される。
【００４０】
また、補償用変圧器１は通常の並列コンデンサ設備における直列リアクトルの代わりとなり、無効電力補償装置３は補償用変圧器１の漏れインピーダンス（誘導性リアクタンス）ＸＬとコンデンサ１６の容量性リアクタンスＸＣの値によって定まる進相設備となる。そして、前記コンデンサ１６の容量性リアクタンスＸＣと、補償用変圧器１の漏れインピーダンス（誘導性リアクタンス）ＸＬの比が前記式（１）に示す大きさのリアクタンス比αとなる。
【００４１】
本発明の補償用変圧器１を用いた無効電力補償装置３は負荷６を含む系統の無効電力に合わせてタップ１３ｂ〜１３ｆを切替えることにより、その補償容量を調整することができるように構成されている。すなわち、遮断器１５を用いて補償用変圧器１を電源５から切り離した状態で、前記タップ１３ｂ〜１３ｆに対するジャンパー線２２，２３の接続状態を変更することにより、タップ１３ｂ〜１３ｆの切替えを行って一次巻線１０の巻数を変更することができ、二次巻線１１の両端に変換される電圧の大きさを調節可能とし、これによって１次側から見たコンデンサ１６の補償容量を変化させることにより、無効電力補償装置の補償容量を調節することができる。なお、前記遮断器１５は電源５側に設けて、き電線４に対する給電を停止した状態でタップ切替を行ってもよい。
【００４２】
本発明の補償用変圧器１はタップ１３ｂ〜１３ｆの切替え状態に関係なく、商用電源の５０〜６０Ｈｚにおける前記リアクタンス比αを少なくとも３次高調波成分における共振点となる１１．１％よりも大きくなるように、補償用変圧器１のパーセントインピーダンス％Ｚがほぼ一定となるように調整するものである。
【００４３】
すなわち、補償用変圧器１に供給される一次側電圧の大きさが日本の電気鉄道用き電線４に供給される４０〜７０ｋＶの電圧範囲において、補償用変圧器１のパーセントインピーダンス％Ｚは、無電圧切替タップ１３ｂ〜１３ｆの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％を保つことができるように調節されているので、補償用変圧器１とコンデンサ１６によって形成される無効電力補償装置３のリアクタンス比αを１３．７〜１６．７％の間に調節することができる。ゆえに、負荷６から発生する高調波に対して、負荷６に接続されている系統と無効電力補償装置３とが共振し、高調波が拡大することを防ぐことができる。
【００４４】
既に言及したとおり、パーセントインピーダンスの大きさはタップ１３ｂ〜１３ｆ間のギャップｄ１，ｄ２を小さく抑えることにより、タップ１３ａ〜１３ｆの切替え状態にほぼ関係なくほぼ一定を保つことができる。さらに、本実施形態のように構成された補償用変圧器１は一次巻線１０を複数のタップ間巻線１０Ａ〜１０Ｃに分けると共に、真ん中のタップ間巻線１０Ｂを逆巻にしているので、各タップ１３ｃ，１３ｄ間のギャップｄ１およびタップ１３ｅ，１３ｆ間のギャップｄ２を必要最小限に小さくすることができる。
【００４５】
図３は図２に示す構成の補償用変圧器１にインパルス電圧（サージ電圧）がかかった場合における電位と位置の関係（電位分布）を示す図であり、図４は一般的なタップ切替え可能に構成された変圧器の電位分布を示す図である。
【００４６】
図３に示すように、タップ１３ｇを基準にタップ１３ａにインパルス電圧を印可した場合の電位分布は、ジャンパー線２２，２３によって接続されるタップ１３ｂ，１３ｄ，１３ｆは同電位となり、タップ１３ｃの電位はタップ１３ｄの電位よりタップ１３ｂ，１３ｃ間のタップ間巻線１０Ａの巻数にほぼ比例する電位差ΔＶ２だけ低くなり、タップ１３ｅの電位はタップ１３ｄ，１３ｅ間の巻線１０Ｂの巻数にほぼ比例する電位差ΔＶ１だけ高くなる。このとき、タップ巻線１０Ｂが逆巻であるからタップ間巻線１０Ｂの部分における電位分布の傾きはタップ間巻線１０Ａ，１０Ｃの部分における電位分布と正負逆の傾きとなる。
【００４７】
図４は最大巻数が図３に示すものと同等の一次巻線を備え、かつ、２つに分離されると共にそれぞれのタップ間巻線１０Ｄと１０Ｅの両端及び中間点にタップ１３ｈ，１３ｊ，１３ｉと、１３ｋ，１３ｍ，１３ｌを設ける例を示している。また、タップ１３ｉ，１３ｌ間をジャンパー線２４によって接続した場合における電位分布を示す物である。
【００４８】
ここで、比較のために図４の構成におけるタップ１３ｉ，１３ｊ間の巻線の巻数は、図３に示すタップ１３ｂ，１３ｃ間の巻線の巻数と同じであり、タップ１３ｋ、１３ｌ間の巻線の巻数と同じであるとすると、ジャンパー線２４によって巻数を最少に切替えた状態で、タップ１３ｊ，１３ｋ間の電位差ΔＶは前記電位差ΔＶ１＋ΔＶ２の大きさとなり、タップ１３Ｊ，１３ｋ間で巻線間の機械力が強くなるので、巻線１０Ｄ，１０Ｅを自由に配置することができない。
【００４９】
一方、本実施形態に示すように、分断したタップ間巻線１０Ａ〜１０Ｃを形成し、そのうちの一つのタップ間巻線１０Ｃを逆巻としてるので、タップ１３ｃ，１３ｄ間の電位差ΔＶ１、およびタップ１３ｅ，１３ｆ間の電位差ΔＶ２を小さくすることができるので、巻線に短絡機械力が作用しにくくなり、ギャップｄ１，ｄ２の幅をより自由に設定することができ、補償用変圧器１のパーセントインピーダンスをより正確に一定に合わせることができる。また、本発明の補償用変圧器１を用いることにより３次高調波成分および５次以上の高調波成分についても、無効電力補償装置３がその影響を受けることが少ない。
【００５０】
また、本実施形態の巻線１０，１１は一本あたり３５Ａ以下の電流を流すように、複数に分けられた導体２０を束ねたものであるから、各導体２０内で渦電流が発生しにくく、それだけ漂遊負荷損を低減できるので、無駄な損失による発熱を抑えることができる。つまり、補償用変圧器１の冷却のための構成が簡略なものを使うことができるので、その製造コストを削減することができ、かつ、小型化も達成することができる。
【００５１】
なお、補償用変圧器１の一次側巻線１０と二次側巻線１１の間に移行電圧の影響が大きい場合には、一次側巻線１０と二次側巻線１１の間に静電シールドを設置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の補償用変圧器を用いた電気鉄道交流変電所の全体構成を示す図である。
【図２】補償用変圧器の要部を示す図である。
【図３】前記補償用変圧器の動作を説明する図である。
【図４】一般的な変圧器の動作を説明する図である。
【図５】従来の無効電力補償装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 補償用変圧器
２ 電気鉄道用交流変電所
３ 無効電力補償装置
５ 交流き電用変圧器
６ 負荷
１０ 一次巻線
１０Ａ〜１０Ｃ タップ間巻線
１１ 二次巻線
１３ａ，１３ｂ… 無電圧切替タップ
１４ａ 単一のタップ
１６ コンデンサ
ｄ１，ｄ２ ギャップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は補償用変圧器に関するものであり、詳細には、電気鉄道用交流変電所に設置される無効電力補償装置に適用される補償用変圧器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電気鉄道用交流変電所において、力率改善のための無効電力補償装置を設けることが行われている。図５は従来の電気鉄道用交流変電所９０の構成を説明する図である。この電気鉄道用交流変電所９０は、負荷９１に交流電力を供給する電源（き電用変圧器の二次側）９２と、この電源９２に接続された無効電力補償回路９３とを備える。このように、負荷９１に無効電力補償回路９３を並列に接続することにより、これが接続された系統の力率を改善することができる。
【０００３】
前記無効電力補償回路９３はコイル９３Ｌとコンデンサ９３Ｃとを直列接続した進相設備であり、負荷９１を含めた回路全体の無効電力を補償し、力率を改善するために一定の補償容量を供給すると共に、所定のリアクタンス比αを持つものである。ここで１００分率で表されるリアクタンス比αは式（１）に示すように、コイル９３Ｌの誘導性リアクタンスＸＬとコンデンサ９３Ｃの容量性リアクタンスＸＣの比で表すことができる。
α＝ＸＬ／ＸＣ×１００ … 式（１）
【０００４】
また、特開２００４−２３６４９４号公報（以下、特許文献１という）に示されるように、近年ではコイル９３Ｌの代わりに変圧器の漏れインピーダンスを利用し、補償用変圧器とコンデンサで構成される無効電力補償装置（進相設備）が考えられている。補償用変圧器とコンデンサで構成される無効電力補償装置では、補償用変圧器のタップを切替えることにより、補償用変圧器の二次側の電圧を変えることが可能であるから固定的に設けたコンデンサによる補償容量を変化させられることが可能である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２３６４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の一般的な内鉄型変圧器はそのパーセントインピーダンスが６〜８％程度であるから、この内鉄型変圧器を用いて前記無効電力補償装置を形成した場合には、無効電力補償装置が容量性のリアクタンスとなるので、３次高調波成分を極めて拡大することが懸念される。また、一般的な内鉄型変圧器を用いた無効電力補償装置では、補償容量を調整した場合にリアクタンス比α（％）を一定にすることが困難であるから、余分な高調波成分がコンデンサに流入することにより設備が過負荷になるという問題もある。
【０００７】
また、特許文献１のように無効電力補償装置として汎用の内鉄形変圧器を使用した場合には、変圧器のタップ切替えを行うと、各タップに接続される巻線が異なることにより、変圧器のパーセントインピーダンスが巻数の二乗に比例して大きく変化するので、補償用変圧器とコンデンサのリアクタンス比が変わり、進相設備に必要とされる一定のリアクタンス比の確保が困難となる欠点がある。
【０００８】
本発明は、上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、その目的は、電気鉄道用交流変電所に力率改善のために設けられ無効電力補償装置に適用され、補償容量の調節のためにタップ切替を行ったとしても補償用のコンデンサとの間に常に一定のリアクタンス比を確保できる補償用変圧器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明は、電気鉄道用交流変電所の交流き電用変圧器の二次側に設ける単相の内鉄型変圧器であって、二次側にコンデンサが取り付けられる単一のタップと、一次側に前記コンデンサによる補償容量を調整可能である複数の無電圧切替タップとを備え、そのパーセントインピーダンスは、一次側電圧が４０〜７０ｋＶの範囲内で前記無電圧切替タップの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％であることを特徴とする補償用変圧器を提供する。（請求項１）
【００１０】
前記構成の補償用変圧器によれば、その一次側に設けた無電圧切替タップを切替えることにより、その補償用変圧器の二次側の電圧を調整し、この補償用変圧器の二次側に取り付けられるコンデンサによる補償容量を調整することができる。また、無電圧切替タップの切り替えによって一次側の巻数が切替えられると、この巻数の２乗に比例して補償用変圧器の一次側のインピーダンスが大きくなるが、二次側の電圧が巻数分の１に比例して低くなり、二次側から見たインピーダンスはこの二次側電圧の２乗に比例するので、一次側巻数の２乗分の１になり、結果的に補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚは一定となり、二次側に接続されたコンデンサの容量性リアクタンスと漏れインピーダンスの誘導性リアクタンスの比率つまりリアクタンス比が一定となる。
【００１１】
ここで、補償用変圧器の漏れインピーダンス（誘導性リアクタンス）をＸＬ、補償用変圧器の一次側のインピーダンス（誘導性リアクタンス）をＸＴとすると、この補償用変圧器のパーセントインピーダンス（ほぼリアクタンス分のみであるが）％Ｚは式（２）に示すように定義される。
％Ｚ＝（ＸＬ／ＸＴ）×１００ … 式（２）
【００１２】
一方、前記進相装置のリアクタンス比αは、前述の式（１）に示すように、二次側に接続されるコンデンサの容量性リアクタンスＸＣと、補償用変圧器の誘導性リアクタンスＸＬの比で表すことができ、二次側においてはコンデンサが補償用変圧器を構成するコイルとループ状に接続されるので、各リアクタンスＸＣ，ＸＬ，ＸＴには式（３）に示す関係がある。
ＸＣ＝ＸＴ＋ＸＬ … 式（３）
【００１３】
したがって、式（２）に式（１）と式（３）を代入すると、補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚと、リアクタンス比αの関係は式(４)のようになる。
％Ｚ＝α／（１−α／１００） … 式（４）
【００１４】
補償用変圧器の一次側電圧は鉄道用交流変電所がき電線に供給する４０〜７０ｋＶの範囲内であるから、この電圧範囲内で補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚは、無電圧切替タップの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％であることにより、前記リアクタンス比αを１３．７〜１６．８％の間に保つことができる。
【００１５】
前記補償用変圧器は、そのパーセントインピーダンス％Ｚが１２．４％であるときに、前記リアクタンス比αは１１．１％となり、３次高調波成分において共振するが、補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚが１６％以上であればリアクタンス比αを１３．７％以上に保つことができるので３次高調波成分においても共振することがないだけでなく、５次以上の高調波成分に対してはその共振を確実に避けることができる。また、変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚが２０％以下であることにより、余分な損失による発熱を抑えることができ、変圧器の小型化を図ることができる。
【００１６】
前記無電圧切替タップは一次側のコイルを電源から切り離した状態でタップの切り替えを行うように構成されたタップであり、一次側コイルの両端にき電線から切り離すための遮断器を備えるものであることが好ましい。あるいは、交流き電用変圧器の二次側に遮断器を設けてき電線に対する給電を停止した状態でタップ切り替えを行うものであってもよい。
【００１７】
なお、前記補償用変圧器の一次側と二次側の巻線間に静電結合による移行電圧の影響が大きい場合には一次巻線と二次巻線の間に静電シールドを設置することが好ましい。
【００１８】
一次側の巻線は、複数のタップ間巻線からなり、少なくとも一つのタップ間巻線を逆巻きとしてタップの間隔を調節し、パーセントインピーダンスの設計値に対してタップ切替えに伴うパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えたものである場合（請求項２）には、一次側の巻線が、複数のタップ間巻線からなり、少なくとも一つのタップ間巻線を逆巻きとしているので、隣り合うタップ間における電位差を低く抑え短絡機械力を小さくすることができ、各タップ間巻線間の間隙の調整に自由度を設けてタップの間隔を短絡機械力に抵抗できる程度に可及的に小さく抑えることを可能としている。つまり、タップ切替に伴うパーセントインピーダンスの変化率を低く抑えるように各タップ間巻線を形成することができる。
【００１９】
隣接する３つのタップ間巻線のうち中間のタップ間巻線が逆巻であり、巻数最大時には、逆巻のタップ間巻線の両端に設けたタップを、互いに反対側のタップに隣接するタップ間巻線の端部に設けたタップに接続可能に構成することが好ましい。この場合、タップ切り替えによって一次巻線の巻数を調整でき、かつ、逆巻のタップ間巻線と、これに隣接するタップ間巻線の間に生じる電位差を低く抑えて、各タップの隙間をより自由に設定して配置することができるのでタップ切り替えに伴う補償用変圧器のパーセントインピーダンスの変化を小さくすることができる。
【００２０】
加えて、パーセントインピーダンスの設計値に対してタップ切替に伴うパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えたものであり、通常の裕度±７．５％と比較して高めに設定しているので、補償用変圧器とこれに接続されるコンデンサによるリアクタンス比αを誘導性に保つことができる。すなわち、補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚの設計値を最低の１６％とした場合に、タップ切り替えによって補償用変圧器のパーセントインピーダンス％Ｚが最大変動（−５％）によって１５．２％になったとしても、リアクタンス比αを１３．１％以上にすることができ、３次高調波成分による共振点の１１．１％より高く保つことができる。
【００２１】
定格電流３００Ａ以上の補償用変圧器において、その巻線は、漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された複数の導体が、互いに絶縁された状態で束ねられたものであり、導体１本あたりの電流値を３５Ａ以下とする場合（請求項３）は、細分化された導体に流す電流が３５Ａ以下であることにより、渦電流の発生による影響が問題になりにくく、漂遊負荷損を低減することができ、かつ、巻線を細分化することに伴うコストアップを必要最小限に抑えることができる。したがって、定格電流３００Ａ以上の補償用変圧器であっても、漂遊負荷損を低減できるので、補償用変圧器の損失の低減を図ることにより、補償用変圧器の小型化を達成することができ、それだけ、補償用変圧器の製造コストを削減することができる。
【００２２】
つまり、補償用変圧器の定格電流が３００Ａの場合９本の導体を束ねることにより、各導体あたりの電流を３５Ａ以下とすることができ、渦電流による漂遊負荷損を効果的に小さくすることができる。また、例えば定格９００Ａの補償用変圧器において、巻線は導体を２８本束ねて形成したものであれば、各導体に流れる電流を３２．１Ａ程度に抑えることにより、より小型で安価な補償用変圧器を得ることができる。前記導体の断面形状は厚さ２ｍｍ×幅８ｍｍの扁平な断面形状であることにより、渦電流を効果的に防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の補償用変圧器を用い、その一次側を電気鉄道用交流変電所の交流き電用変圧器の二次側に接続し、二次側に補償用のコンデンサを接続することにより、無効電力補償に必要な進相設備を容易に形成することができる。また、負荷の力率の変化により無効電力補償に必要な進相容量が変化した場合には、無電圧切替タップを切り替えることにより、無効電力補償のための進相容量を調整することができる。これによって、無効電力補償が不足することも過剰補償となることもなく、適正に無効電力を補償することができる。
【００２４】
加えて、前記補償用変圧器は、その無電圧切替タップの何れの切替状態においてもパーセントインピーダンスの値が１６〜２０％であるから、進相設備として３次高調波成分に対して誘導性リアクタンスとなるので、き電回路に存在する３次高調波成分を拡大させることがなく、安全に無効電力補償を行うことができる。また、前記補償用変圧器は汎用性の高い内鉄型変圧器であるから、補償用変圧器を既存の製造技術によって比較的安価にて製造することができる。
【００２５】
一次側の巻線が漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された複数のタップ間巻線からなり、少なくとも一つのタップ間巻線を逆巻きとしている場合には、タップ間の電位差を低く抑えることができるので、各タップの間隙を、タップ切替に伴うパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えるように調節することができる。つまり、負荷の力率変化に伴って補償用変圧器の補償容量を変えた場合にも高調波成分による共振を確実に防ぐことができる。
【００２６】
補償用変圧器の巻線の導体は、漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された複数の導体からなり互いに絶縁された状態で束ねられる導体からなる場合には、各導体に流す電流を少なくしてき電線に潜在する高調波による補償用変圧器の漂遊負荷損の増加を抑制することができ、この漂遊負荷損による生じる熱を放熱するための大掛かりな構成を不要とするので、変圧器の小型化を達成すると共にその製造コストの削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明の補償用変圧器の具体的な構成を示す実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１〜図３は本発明の実施形態に係る内鉄型変圧器１の簡易回路図を説明する図である。図１に示すように、本発明の補償用変圧器１は、電気鉄道用交流変電所２の無効電力補償装置３に適用されるものである。
【００２８】
鉄道用交流変電所２は例えば１５４ｋＶの特別高圧の三相交流を単相交流に変換してき電線４に供給する交流き電用変圧器からなる電源５と前記無効電力補償装置３とを備え、負荷（電車など）６に電力を供給するものである。
【００２９】
前記補償用変圧器１は、一次巻線１０と二次巻線１１を鉄心１２に巻き付けてなり定格電流３００Ａ以上（例えば４５０Ａ）の内鉄型変圧器であり、その一次巻線１０はその長さを変更可能とする複数の無電圧切替タップ１３ａ，１３ｂ…を備える一方、二次巻線１１は単一（一対）のタップ１４ａを備える。この補償用変圧器１はその一次側電圧が４０〜７０ｋＶの範囲内で前記無電圧切替タップ１３ａ〜１３ｆの何れの切り替え状態においても、そのパーセントインピーダンスが１６〜２０％となるように設計されている。また、１５は一次巻線１０を前記き電用変圧器５の二次側に断続可能に接続する遮断器、１６は二次巻線１１に取り付けられる補償用のコンデンサである。
【００３０】
図２は前記補償用変圧器１の一次巻線１０の構成を概略的に説明する図である。電気鉄道用交流変電所２は前記き電線４を介して負荷６に電力を供給するために各所に配置したものである。
【００３１】
前記無効電力補償装置３は補償用変圧器１と、遮断器１５と、コンデンサ１６とを備え、負荷６に並列に接続されることにより、負荷６を含む系統の力率を改善するものである。また、負荷６を含む系統の無効電力に合わせて前記タップ１３ａ〜１３ｆを切替えることにより、補償容量を変更可能に構成している。
【００３２】
前記電源５はスコット結線や変形ウッドブリッジ結線された変圧器を用いて３相交流を単相に変換する交流き電用変圧器であり、例えば１５４ｋＶの特別高圧を６０ｋＶ（日本では他にも４４ｋＶである場合もある）に変圧するものである。電源５は３相交流を単相に変換する交流き電用変圧器であるから、その二次側に生じる電圧には３次高調波成分が含まれることは避けられない。
【００３３】
前記負荷６はその大部分が電車であるから、ほとんどは誘導性負荷であるが、近年の電車にはインバータなどのスイッチング素子よって生じる高次の高周波成分も大きくならざるをえない。
【００３４】
図２において、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは前記タップ１３ａ〜１３ｃ、１３ｄ〜１３ｅ、１３ｆ〜１０ｇ間に接続されるタップ間巻線であり、これら隣接する３つのタップ間巻線１０Ａ〜１０Ｃのうち、中間のタップ間巻線１０Ｂを逆巻としている。また、この逆巻のタップ間巻線１０Ｂの両端に設けたタップ１３ｄ，１３ｅを、互いに反対側のタップ１３ｅ，１３ｄに隣接するタップ間巻線１０Ｃ，１０Ａの端部に設けたタップ１３ｆ，１３ｃに接続可能に構成している。
【００３５】
また、巻線１０は一点鎖線で囲んだ拡大図に示すように、漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された１４本の導体２０が、絶縁被覆２１によって互いに絶縁された状態で束ねられたものであり、各導体２０に流れる電流は、定格電流を流した状態で３５Ａ以下になるように、細分化の数を定める。例えば、補償用変圧器１の定格電流が４５０Ａである場合には、巻線１０を１４本の導体２０に細分化することにより、各導体２０の一本あたりの電流値を３２．１Ａ程度に抑えることができる。また、本実施形態の巻線１０は図示縦方向に７本の導体２０を並べて配置したコイルを図示横方向に２個並列に接続している。
【００３６】
各導体２０の断面形状は例えば厚さ２ｍｍ、幅８ｍｍの矩形である。つまり、巻線１０は断面形状の扁平率が高い帯状の導体２０を複数本束ねたものであるから、導体２０内で渦電流が発生しにくいように構成されている。
【００３７】
図２に示す接続状態では、タップ間巻線１０Ｂの一端に設けたタップ１３ｄをタップ間巻線１０Ｃの一端に設けたタップ１３ｆに接続するジャンパー線２２と、タップ間巻線１０Ａの中間部分に設けたタップ１３ｂをタップ間巻線１０Ｂの一端に設けたタップ１３ｄに接続するジャンパー線２３とを備える。
【００３８】
各タップ間巻線１０Ａ〜１０Ｃは、前記ジャンパー線２２，２３を用いたタップ切替えに伴う補償用変圧器１のパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えることができるように、タップ１３ｃ，１３ｄの間隔（ギャップ）ｄ１とタップ１３ｅ，１３ｆの間隔（ギャップ）ｄ２とを調節して配置している。
【００３９】
以下、前記構成の補償用変圧器１の動作を説明する。
前記電源５からき電線４を介して電車６に６０ｋＶの交流電圧が供給されるとすると、補償用変圧器１の一次巻線１０に６０ｋＶの交流電圧が印加され、補償用変圧器１の二次巻線１１の両端には２０００〜７０００Ｖの通常の交流電圧に変換されて、コンデンサ１６に印加される。
【００４０】
また、補償用変圧器１は通常の並列コンデンサ設備における直列リアクトルの代わりとなり、無効電力補償装置３は補償用変圧器１の漏れインピーダンス（誘導性リアクタンス）ＸＬとコンデンサ１６の容量性リアクタンスＸＣの値によって定まる進相設備となる。そして、前記コンデンサ１６の容量性リアクタンスＸＣと、補償用変圧器１の漏れインピーダンス（誘導性リアクタンス）ＸＬの比が前記式（１）に示す大きさのリアクタンス比αとなる。
【００４１】
本発明の補償用変圧器１を用いた無効電力補償装置３は負荷６を含む系統の無効電力に合わせてタップ１３ｂ〜１３ｆを切替えることにより、その補償容量を調整することができるように構成されている。すなわち、遮断器１５を用いて補償用変圧器１を電源５から切り離した状態で、前記タップ１３ｂ〜１３ｆに対するジャンパー線２２，２３の接続状態を変更することにより、タップ１３ｂ〜１３ｆの切替えを行って一次巻線１０の巻数を変更することができ、二次巻線１１の両端に変換される電圧の大きさを調節可能とし、これによって１次側から見たコンデンサ１６の補償容量を変化させることにより、無効電力補償装置の補償容量を調節することができる。なお、前記遮断器１５は電源５側に設けて、き電線４に対する給電を停止した状態でタップ切替を行ってもよい。
【００４２】
本発明の補償用変圧器１はタップ１３ｂ〜１３ｆの切替え状態に関係なく、商用電源の５０〜６０Ｈｚにおける前記リアクタンス比αを少なくとも３次高調波成分における共振点となる１１．１％よりも大きくなるように、補償用変圧器１のパーセントインピーダンス％Ｚがほぼ一定となるように調整するものである。
【００４３】
すなわち、補償用変圧器１に供給される一次側電圧の大きさが日本の電気鉄道用き電線４に供給される４０〜７０ｋＶの電圧範囲において、補償用変圧器１のパーセントインピーダンス％Ｚは、無電圧切替タップ１３ｂ〜１３ｆの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％を保つことができるように調節されているので、補償用変圧器１とコンデンサ１６によって形成される無効電力補償装置３のリアクタンス比αを１３．７〜１６．７％の間に調節することができる。ゆえに、負荷６から発生する高調波に対して、負荷６に接続されている系統と無効電力補償装置３とが共振し、高調波が拡大することを防ぐことができる。
【００４４】
既に言及したとおり、パーセントインピーダンスの大きさはタップ１３ｂ〜１３ｆ間のギャップｄ１，ｄ２を小さく抑えることにより、タップ１３ａ〜１３ｆの切替え状態にほぼ関係なくほぼ一定を保つことができる。さらに、本実施形態のように構成された補償用変圧器１は一次巻線１０を複数のタップ間巻線１０Ａ〜１０Ｃに分けると共に、真ん中のタップ間巻線１０Ｂを逆巻にしているので、各タップ１３ｃ，１３ｄ間のギャップｄ１およびタップ１３ｅ，１３ｆ間のギャップｄ２を必要最小限に小さくすることができる。
【００４５】
図３は図２に示す構成の補償用変圧器１にインパルス電圧（サージ電圧）がかかった場合における電位と位置の関係（電位分布）を示す図であり、図４は一般的なタップ切替え可能に構成された変圧器の電位分布を示す図である。
【００４６】
図３に示すように、タップ１３ｇを基準にタップ１３ａにインパルス電圧を印可した場合の電位分布は、ジャンパー線２２，２３によって接続されるタップ１３ｂ，１３ｄ，１３ｆは同電位となり、タップ１３ｃの電位はタップ１３ｄの電位よりタップ１３ｂ，１３ｃ間のタップ間巻線１０Ａの巻数にほぼ比例する電位差ΔＶ２だけ低くなり、タップ１３ｅの電位はタップ１３ｄ，１３ｅ間の巻線１０Ｂの巻数にほぼ比例する電位差ΔＶ１だけ高くなる。このとき、タップ巻線１０Ｂが逆巻であるからタップ間巻線１０Ｂの部分における電位分布の傾きはタップ間巻線１０Ａ，１０Ｃの部分における電位分布と正負逆の傾きとなる。
【００４７】
図４は最大巻数が図３に示すものと同等の一次巻線を備え、かつ、２つに分離されると共にそれぞれのタップ間巻線１０Ｄと１０Ｅの両端及び中間点にタップ１３ｈ，１３ｊ，１３ｉと、１３ｋ，１３ｍ，１３ｌを設ける例を示している。また、タップ１３ｉ，１３ｌ間をジャンパー線２４によって接続した場合における電位分布を示す物である。
【００４８】
ここで、比較のために図４の構成におけるタップ１３ｉ，１３ｊ間の巻線の巻数は、図３に示すタップ１３ｂ，１３ｃ間の巻線の巻数と同じであり、タップ１３ｋ、１３ｌ間の巻線の巻数と同じであるとすると、ジャンパー線２４によって巻数を最少に切替えた状態で、タップ１３ｊ，１３ｋ間の電位差ΔＶは前記電位差ΔＶ１＋ΔＶ２の大きさとなり、タップ１３Ｊ，１３ｋ間で巻線間の機械力が強くなるので、巻線１０Ｄ，１０Ｅを自由に配置することができない。
【００４９】
一方、本実施形態に示すように、分断したタップ間巻線１０Ａ〜１０Ｃを形成し、そのうちの一つのタップ間巻線１０Ｃを逆巻としてるので、タップ１３ｃ，１３ｄ間の電位差ΔＶ１、およびタップ１３ｅ，１３ｆ間の電位差ΔＶ２を小さくすることができるので、巻線に短絡機械力が作用しにくくなり、ギャップｄ１，ｄ２の幅をより自由に設定することができ、補償用変圧器１のパーセントインピーダンスをより正確に一定に合わせることができる。また、本発明の補償用変圧器１を用いることにより３次高調波成分および５次以上の高調波成分についても、無効電力補償装置３がその影響を受けることが少ない。
【００５０】
また、本実施形態の巻線１０，１１は一本あたり３５Ａ以下の電流を流すように、複数に分けられた導体２０を束ねたものであるから、各導体２０内で渦電流が発生しにくく、それだけ漂遊負荷損を低減できるので、無駄な損失による発熱を抑えることができる。つまり、補償用変圧器１の冷却のための構成が簡略なものを使うことができるので、その製造コストを削減することができ、かつ、小型化も達成することができる。
【００５１】
なお、補償用変圧器１の一次側巻線１０と二次側巻線１１の間に移行電圧の影響が大きい場合には、一次側巻線１０と二次側巻線１１の間に静電シールドを設置することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の補償用変圧器を用いた電気鉄道交流変電所の全体構成を示す図である。
【図２】補償用変圧器の要部を示す図である。
【図３】前記補償用変圧器の動作を説明する図である。
【図４】一般的な変圧器の動作を説明する図である。
【図５】従来の無効電力補償装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 補償用変圧器
２ 電気鉄道用交流変電所
３ 無効電力補償装置
５ 交流き電用変圧器
６ 負荷
１０ 一次巻線
１０Ａ〜１０Ｃ タップ間巻線
１１ 二次巻線
１３ａ，１３ｂ… 無電圧切替タップ
１４ａ 単一のタップ
１６ コンデンサ
ｄ１，ｄ２ ギャップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気鉄道用交流変電所の交流き電用変圧器の二次側に設ける単相の内鉄型変圧器であって、
二次側にコンデンサが取り付けられる単一のタップと、
一次側に前記コンデンサによる補償容量を調整可能である複数の無電圧切替タップとを備え、
そのパーセントインピーダンスは、一次側電圧が４０〜７０ｋＶの範囲内で前記無電圧切替タップの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％であることを特徴とする補償用変圧器。
【請求項２】
一次側の巻線は、複数のタップ間巻線からなり、少なくとも一つのタップ間巻線を逆巻きとしてタップの間隔を調節し、パーセントインピーダンスの設計値に対してタップ切替えに伴うパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えたものである請求項１に記載の補償用変圧器。
【請求項３】
定格電流３００Ａ以上の補償用変圧器において、その巻線は、漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された複数の導体が、互いに絶縁された状態で束ねられたものであり、導体１本あたりの電流値を３５Ａ以下とする請求項１または請求項２に記載の補償用変圧器。
【請求項１】
電気鉄道用交流変電所の交流き電用変圧器の二次側に設ける単相の内鉄型変圧器であって、
二次側にコンデンサが取り付けられる単一のタップと、
一次側に前記コンデンサによる補償容量を調整可能である複数の無電圧切替タップとを備え、
そのパーセントインピーダンスは、一次側電圧が４０〜７０ｋＶの範囲内で前記無電圧切替タップの何れの切り替え状態においても、１６〜２０％であることを特徴とする補償用変圧器。
【請求項２】
一次側の巻線は、複数のタップ間巻線からなり、少なくとも一つのタップ間巻線を逆巻きとしてタップの間隔を調節し、パーセントインピーダンスの設計値に対してタップ切替えに伴うパーセントインピーダンスの変化率の裕度を−５〜＋１０％の範囲に抑えたものである請求項１に記載の補償用変圧器。
【請求項３】
定格電流３００Ａ以上の補償用変圧器において、その巻線は、漂遊負荷損を抑制する程度に細分化された複数の導体が、互いに絶縁された状態で束ねられたものであり、導体１本あたりの電流値を３５Ａ以下とする請求項１または請求項２に記載の補償用変圧器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１７７９７９（Ｐ２００９−１７７９７９Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５１０９（Ｐ２００８−１５１０９）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（０００１９６５８７）西日本旅客鉄道株式会社 (202)
【出願人】（０００２１５１１０）津田電気計器株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（０００１９６５８７）西日本旅客鉄道株式会社 (202)
【出願人】（０００２１５１１０）津田電気計器株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
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