JP4459982B2 - ブッシング及び発電機 - Google Patents

Description

本発明はブッシング、特に格納容器の内部に設置された発電機本体に格納容器を貫通して電流並びに冷却ガスを流すブッシングと、このブッシングを備えた発電機に関する。本発明のブッシングは、発電所などに用いられる発電機をはじめ、変電所などで用いられる変圧器やコンデンサーなど、大電流を扱う各種電気機器に適用することが可能である。

発電所において、発電機本体が水素などの冷却ガス内に設置されている場合には、発電機で発生した電力を所外の系統まで導くために、電流を、水素ガスを閉じ込めるための格納容器の壁に貫通させる必要がある。その貫通部では、電力ラインの電流が格納容器などに流れないように、絶縁対策が施されたブッシングが用いられる。

ブッシングには、容易に組み立てられること、メンテナンスが容易に行えること、ブッシングの周辺機器の温度変化などによる膨張・収縮が吸収できること、ブッシング及びその周辺機器全体の大きさがコンパクトであることなどが求められる。このため、ブッシング周辺の構造は複雑になっており、また、ブッシング周辺機器における部品間の接触電気抵抗の総和が大きくなり、数１０ＫＡ程度の電流を流す場合、数１０ＫＷのジュール熱が発生している。

ブッシング周辺機器の温度上昇を抑制して、ブッシング及びその周辺機器の健全性が保たれるようにするために、ブッシングは水素ガスなどの冷却ガスを内部に流して冷却する仕組みになっている。

しかしながら、ブッシングの内部に冷却ガスを流すだけでは冷却効果に限界がある。そこで、ブッシング及びその周辺機器の中で温度が高くなる、ブッシングと他の電力機器を結ぶためのリードを接続するターミナルに多数の放熱フィンを設けるなどしていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２８３８６０号公報（要約）

導電性の導管と導電性のリード管及び、導管とリード管を連結するターミナルを有するブッシングにおいて、ターミナルに屈曲部が設けられているものでは、屈曲部の内側コーナーの温度が他の部分に比べて高くなりやすい。屈曲部の内側コーナーの温度を低く抑えることができれば、ブッシングやその周辺機器、ひいては発電機の大きさを大きくすることなく、大きな電流を流すことが可能になる。

特許文献１には、ターミナルが屈曲部を有しているものに対して、屈曲部の冷却効果を高める方策は開示されていない。

本発明の目的は、ターミナルに屈曲部が設けられているものにおいて、屈曲部の内側コーナーの冷却効果を高めることができるようにしたブッシングと、それを備えた発電機を提供することにある。

本発明は、導電性の導管と、導電性のリード管と、導管とリード管を接続するターミナルを有し、ターミナルに屈曲部が設けられており、導管と前記ターミナル及びリード管を電流が流れ、導管とターミナル及びリード管の内部を冷却ガスが流れる構造のブッシングであり、ターミナルに設けられた屈曲部の内側コーナーを強制冷却する冷却手段を有し、冷却手段は冷却ガスを前記屈曲部の内側コーナーに向けるためのガイド手段を含むことを特徴とする。

また本発明は、発電機本体と、発電機本体を冷却ガス内に設置するための格納容器と、格納容器を貫通して発電機本体に電流を流すブッシングと、格納容器の内部及びブッシングの内部に冷却ガスを供給する送風機とガス冷却器を備え、ブッシングが導管と発電機本体に接続されるリード管及び、導管と前記リード管を連結するターミナルを有し、ターミナルに屈曲部が設けられている発電機であり、ターミナルの屈曲部における内側コーナーを強制冷却する冷却手段を有し、冷却手段は冷却ガスを屈曲部の内側コーナーに向けるためのガイド手段を含むことを特徴とする。

また本発明は、導電性の導管と、導電性のリード管と、導管とリード管を接続するターミナルを有し、ターミナルに屈曲部が設けられており、導管とターミナル及びリード管を電流が流れ、導管とターミナル及びリード管の内部を冷却ガスが流れる構造のブッシングであり、ターミナルに設けられた屈曲部の内側コーナーを強制冷却する冷却手段を有し、冷却手段として、ターミナルの屈曲部における内側コーナーの内面又は外面に放熱フィンを備えたことを特徴とする。
さらに本発明は、発電機本体と、発電機本体を冷却ガス内に設置するための格納容器と、格納容器を貫通して発電機本体に電流を流すブッシングと、格納容器の内部及びブッシングの内部に冷却ガスを供給する送風機とガス冷却器を備え、ブッシングが導管と発電機本体に接続されるリード管及び、導管とリード管を連結するターミナルを有し、ターミナルに屈曲部が設けられている発電機であり、ターミナルの屈曲部における内側コーナーを強制冷却する冷却手段を有し、冷却手段として、ターミナルの屈曲部における内側コーナーの内面または外面に放熱フィンを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、同じ大きさのブッシングを用いた場合であっても、従来の冷却構造を用いたものに比べて、大きな電流を流すことが可能となるまた、ブッシングやその周辺機器、ひいては発電機の大きさを大きくする必要が無くなる。

以下、本発明の実施例について記載するが、その前に、本発明が為される過程で検討を行った、いくつかの例について説明する。
（比較例１）
図１２は、一般的な大電流用のブッシング及びその周辺機器の構造を示すものである。電流を、発電機本体１３を格納する格納容器９を貫通する形で流すため、ブッシングは、電流を流す導管５、発電機本体１３やモータなどから電力を導管５に導くための機内リード管２、導管５と機内リード管２を接続するための機内ターミナル４、所内負荷や系統などに電力を送るための機外リード管１２、導管５と機外リード管１２を接続するための機外ターミナル１０を有する。また、導管５を格納容器９に絶縁させて固定するための絶縁材６及び絶縁材取付具８を有する。

導管５などで発生するジュール熱を除去するため、ブッシングは冷却器１６で冷やされた水素ガスなどの冷却ガス１が送風機１７により、絶縁材でできた送風管１８及び絶縁材６に設けられた通風穴７を介して、導管５へ流れる構成となっている。なお、導管５は、機内の冷却ガスが機外に流出しないように、その下部が栓１１で塞がれている。また、機内ターミナル４は、配置上の都合などから屈曲しており、また、絶縁材で覆われ、断熱されている。

図１３は、電磁界解析により得られた、機内ターミナル４の垂直断面内の電流分布を示すものである。図１３に示すように、機内ターミナル４の垂直断面内の電流分布（瞬時値）は、機内ターミナル４が屈曲していることから、そのコーナーに集中して流れることが分かった。これは電流が、道のりが短い経路に集中して流れる性質を持っていること、また、電流が交流の場合、表皮効果により、経路の外側に集中して流れる性質を持っていることからである。また、ジュール熱の発生密度は、それが電流密度の二乗に比例することから、電流密度と同様、機内ターミナル４のコーナーの外側に集中して発生する。

図１４は、熱流動解析により得られた、機内ターミナル４の垂直断面内の冷却ガスの流速分布を示すものである。図１４に示すように、屈曲したターミナルの内側に冷却ガスが流れる場合、屈曲部の後半すなわちガス流れの下流側では、その外周側に集中して流れることが分かった。これは、ガスに慣性があることから、急激には流れの方向が変わらないためである。一方、冷却ガスとターミナルの壁との間の熱伝達率は、冷却ガスの流速にほぼ比例する。このため、外周部の冷却効率は、コーナー部に比べると高くなっている。

図１５は、機内ターミナル４の垂直断面内の、熱流動解析に基づく温度分布を示すものである。図１５に示すように、機内ターミナル４の屈曲部の外周部すなわち外側コーナーでは、熱の発生が少なく冷却効率が高いため温度が低く、一方の内側コーナー部では、熱の発生が多く冷却効率が低いため温度が高い分布となる。また、この最高温度が、ブッシングを設計する上での制約条件となっている。

図１６は、比較例１の機内ターミナル４の組立て図を示すものである。機内ターミナル４では、導管５や機内リード管２と接触する部分でのジュール熱の発生を低くし、温度上昇を抑えるため、それらの間の電気接触抵抗を小さくする必要がある。このため、比較例１では、図１６に示すように、機内ターミナル４を分割構造とし、２つに分割された機内ターミナル４をボルトなどで締め付け、各部品が密着するようにして、各部品間の面圧が高くなるようにしている。
（比較例２）
図１７は、機内ターミナルの別の構造を示すものである。この機内ターミナルは、破線で示す位置で、２つに分割できるようになっている。
（比較例３）
図１８も、別の機内ターミナルの構造を示すものである。この機内ターミナルは、破線で示す位置で、３つに分割できるようになっている。

図２は、比較例１の構造を有する機内ターミナル４内に案内羽根１４を取り付けた場合の構造を示すものである。本実施例では、機内ターミナル４が分割構造となっていることから、案内羽根１４を溶接、ロウ付け、鋳造などにより取り付けることが可能となっている。

図１は、機内ターミナル４に案内羽根１４を設置した場合について、熱流動解析による、機内ターミナル４の垂直断面内の冷却ガスの流速分布を示すものである。導管５から入った冷却ガスは、案内羽根１４の働きにより、機内ターミナル４の内側コーナー部に集中し、また、その流れは速くなる。このため、機内ターミナル４の内側コーナー部で発生した熱は効率的に除去されることから、内側コーナー部の温度を低く抑えることが可能である。特に、温度が下がれば、ターミナルの電気抵抗が小さくなり、発熱量も下がることから、温度の低下量は大きくなる。

図３は、案内羽根１４の装着方法を示すものである。本実施例では、比較例１の構造に対して案内羽根１４が案内羽根取付具１５に取り付けられており、それらを分割された機内ターミナル４で挟み、固定する構造となっている。これにより、実施例１と同様の効果が得られる。

図４は、案内羽根１４の装着方法に関して、別の例を示すものである。比較例２のターミナルに対して案内羽根１４がＬ型の案内羽根取付具１５に取り付けられており、それらを、分割された機内ターミナル４で挟み、固定する構造となっている。これにより、実施例１および２と同様の効果が得られる。

図５も、案内羽根１４の別の装着方法を示すものである。本実施例では、案内羽根１４が比較例３のターミナルに対して平板をベースにした案内羽根取付具１５に取り付けられており、それらを、分割された機内ターミナル４で挟み、固定する構造となっている。これにより、実施例１〜３と同様の効果が得られる。

図６は、副案内羽根２１の装着方法を示すものである。実施例１〜４で説明した構造では、案内羽根１４が１枚装着されているが、この構造では、機内ターミナル４のコーナーの上流側及び下流側双方に冷却ガス１を当てることが出来ない。このため、本実施例では、図６に示すように、案内羽根１４のコーナー側に副案内羽根２１を設置し、これにより機内ターミナル４のコーナーの上流側にも冷却ガス１を当てる構造とした。これにより、実施例１〜４の場合に比べて、より温度を下げることが可能となる。

図７は、放熱フィン２０の装着方法を示すものである。実施例１〜５では、機内ターミナル４の内側コーナーの内面に冷却ガス１が当たる構造となっている。図７に示すように、機内ターミナル４の内側コーナー部に放熱フィン２０を１枚以上設ければ、伝熱面積が拡大されることから、内側コーナー部及びその近傍の温度をより下げることが可能となる。

図８は、ブッシング及びその周辺機器の構成を示すものである。送風機１７からブッシングなどへ送られる冷却ガス１を、送風管１８により、機内ターミナル４まで導き、機内ターミナル４の内側コーナーの外面に冷却ガス１を当てる構造となっている。これにより、そのコーナーは冷却され、温度の上昇を低く抑えることが可能となる。

図９は、ブッシング及びその周辺機器の構成を示すものである。機内ターミナル４を覆うように、絶縁材でできた機内ターミナル用カバー１９を装着している。また、機内ターミナル用カバー１９には、ダクト３が取り付けられている。このため、送風機１７から格納容器９内に送り込まれた冷却ガス１は、機内ターミナル用カバー１９のダクト３を通ってブッシングに流入することになり、その際、その冷却ガス１は、機内ターミナル４で発熱量が大きい内側コーナーの外面に当たる。これにより、そのコーナーは冷却され、温度の上昇を低く抑えることが可能となる。

図１０は、ブッシング及びその周辺機器の別の構成例を示すものである。冷却ガスが比較例１〜３及び実施例１〜８の場合とは逆の向きに流れている場合であり、絶縁材６に設けた通風穴７から流出する冷却ガス１を、ダクト３により機内ターミナル４まで導き、内側コーナー部の外面に冷却ガス１を当てる構造となっている。これにより、そのコーナー部は冷却され、温度の上昇を低く抑えることが可能となる。

図１１は、放熱フィン２０の装着方法を示すものである。前述の実施例７〜９では、機内ターミナル４の内側コーナーの外側に冷却ガス１が当たる構造となっている。このため、図１１に示すように、機内ターミナル４のコーナー部に放熱フィン２０を１枚以上設ければ、伝熱面積が拡大されることから、内側コーナー部及びその近傍の温度をより下げることが可能となる。

機内ターミナル内に案内羽根を装着した場合の冷却ガスの流速及び温度の分布を示す図である。 機内ターミナル内に案内羽根を鋳造等により取り付けた場合の構造を示す図である。 機内ターミナル内に案内羽根を取付具で取り付けた場合の構造を示す図である。 機内ターミナル内に案内羽根をＬ型の取付具で取り付けた場合の構造を示す図である。 機内ターミナル内に案内羽根を、平板をベースにした取付具で取り付けた場合の構造を示す図である。 機内ターミナル内に案内羽根及び副案内羽根を、平板をベースにした取付具で取り付けた場合の構造を示す図である。 機内ターミナル内に放熱フィンを装着した場合の構造を示す図である。 冷却ガスを送風機から機内ターミナルの内側コーナーに通風管により導く構造を示す図である。 ブッシングにカバーを装着した場合の構造を示す図である。 ブッシングから排出される冷却ガスを機内ターミナルの内側コーナーの外面に導く構造を示す図である。 機内ターミナルの外側に放熱フィンを装着した場合の構造を示す図である。 比較例１のブッシング及びその周辺機器の構造を示す図である。 比較例１の機内ターミナル内の電流分布を示す図である。 比較例１の機内ターミナル内の冷却ガスの流速分布を示す図である。 比較例１の機内ターミナル内の温度分布を示す図である。 比較例例１の機内ターミナルの組み立て構造を示す図である。 比較例２の機内ターミナルの組み立て構造（２分割）を示す図である。 比較例３の機内ターミナルの組み立て構造（３分割）を示す図である。

符号の説明

１…冷却ガス、２…機内リード管、３…ダクト、４…機内ターミナル、５…導管、６…絶縁材、７…通風穴、８…絶縁材取付具、９…格納容器、１０…機外ターミナル、１１…栓、１２…機外リード管、１３…発電機本体、１４…案内羽根、１５…案内羽根取付具、１６…冷却器、１７…送風機、１８…送風管、１９…機内ターミナル用カバー、２０…放熱フィン、２１…副案内羽根。

Claims (15)

1. 導電性の導管と、導電性のリード管と、前記導管と前記リード管を接続するターミナルを有し、前記ターミナルに屈曲部が設けられており、前記導管と前記ターミナル及び前記リード管を電流が流れ、前記導管と前記ターミナル及び前記リード管の内部を冷却ガスが流れる構造のブッシングであり、前記ターミナルに設けられた前記屈曲部の内側コーナーを強制冷却する冷却手段を有し、該冷却手段は前記冷却ガスを前記屈曲部の内側コーナーに向けるためのガイド手段を含むことを特徴とするブッシング。
2. 前記冷却手段のガイド手段として、前記ターミナルの内部を流れる冷却ガスを前記屈曲部の内側コーナーに集中させるガイドを、前記ターミナルの内部に備えたことを特徴とする請求項１に記載のブッシング。
3. 前記ガイドが、前記ターミナルの内部を流れる冷却ガスを内側コーナー側に寄せる案内羽根であることを特徴とする請求項２に記載のブッシング。
4. 前記案内羽根を前記屈曲部における冷却ガス流れ方向の上流側と下流側の双方に備え、上流側の案内羽根により冷却ガスを前記内側コーナーの上流側に当て、下流側の案内羽根により冷却ガスを前記内側コーナーの下流側に当てるようにしたことを特徴とする請求項３に記載のブッシング。
5. 前記冷却手段として、前記ターミナルの前記屈曲部における内側コーナーを外側から冷却ガスで強制冷却するガス冷却機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載のブッシング。
6. 前記ガス冷却機構が、前記導管と前記ターミナル及び前記リード管に供給される前或いは後の冷却ガスを、前記屈曲部の内側コーナーの外面に当てるためのガイド手段を含むものであることを特徴とする請求項５に記載のブッシング。
7. 発電機本体と、前記発電機本体を冷却ガス内に設置するための格納容器と、前記格納容器を貫通して前記発電機本体に電流を流すブッシングと、前記格納容器の内部及び前記ブッシングの内部に冷却ガスを供給する送風機とガス冷却器を備え、前記ブッシングが導管と前記発電機本体に接続されるリード管及び、前記導管と前記リード管を連結するターミナルを有し、前記ターミナルに屈曲部が設けられている発電機であり、前記ターミナルの前記屈曲部における内側コーナーを強制冷却する冷却手段を有し、該冷却手段は前記冷却ガスを前記屈曲部の内側コーナーに向けるためのガイド手段を含むことを特徴とする発電機。
8. 前記冷却手段のガイド手段として、前記ターミナルの内部を流れる冷却ガスを前記屈曲部の内側コーナーに集中させるガイドを、前記ターミナルの内部に備えたことを特徴とする請求項７に記載の発電機。
9. 前記ガイドが、前記ターミナルの内部を流れる冷却ガスを内側コーナーに寄せる案内羽根であることを特徴とする請求項８に記載の発電機。
10. 前記案内羽根を前記屈曲部の冷却ガス流れ方向の上流側と下流側の双方に備え、上流側の案内羽根により冷却ガスを前記内側コーナーの上流側に当て、下流側の案内羽根により冷却ガスを前記内側コーナーの下流側に当てるようにしたことを特徴とする請求項９に記載の発電機。
11. 前記送風機から前記格納容器に供給された冷却ガスの一部が前記ブッシングにおける前記導管に導入され、前記ターミナルと前記リード管を通って前記ガス冷却器に流れるように構成され、前記冷却手段のガイド手段として、前記送風機から前記格納容器内に供給された冷却ガスを前記ターミナルの内側コーナーの外面に当てるように案内するガイドを備えたことを特徴とする請求項７に記載の発電機。
12. 前記冷却手段のガイド手段として、前記格納容器の内部に供給された冷却ガスが前記ブッシンブにおける前記ターミナルの内側コーナーの外面に向かって流れた後に前記ブッシング内に導入されるようにした冷却ガス案内カバーを、前記格納容器の内部に備えたことを特徴とする請求項７に記載の発電機。
13. 前記送風機から供給された冷却ガスが、前記ブッシングを前記リード管と前記ターミナル及び前記導管の順に流れたのち、前記格納容器の内部に排出されるように構成され、前記冷却手段として前記ブッシングを通って前記格納容器内に排出された冷却ガスを前記ターミナルの内側コーナー外面に向かって案内するガイドを備えたことを特徴とする請求項７に記載の発電機。
14. 導電性の導管と、導電性のリード管と、前記導管と前記リード管を接続するターミナルを有し、前記ターミナルに屈曲部が設けられており、前記導管と前記ターミナル及び前記リード管を電流が流れ、前記導管と前記ターミナル及び前記リード管の内部を冷却ガスが流れる構造のブッシングであり、前記ターミナルに設けられた前記屈曲部の内側コーナーを強制冷却する冷却手段を有し、該冷却手段として、前記ターミナルの屈曲部における内側コーナーの内面又は外面に放熱フィンを備えたことを特徴とするブッシング。
15. 発電機本体と、前記発電機本体を冷却ガス内に設置するための格納容器と、前記格納容器を貫通して前記発電機本体に電流を流すブッシングと、前記格納容器の内部及び前記ブッシングの内部に冷却ガスを供給する送風機とガス冷却器を備え、前記ブッシングが導管と前記発電機本体に接続されるリード管及び、前記導管と前記リード管を連結するターミナルを有し、前記ターミナルに屈曲部が設けられている発電機であり、前記ターミナルの前記屈曲部における内側コーナーを強制冷却する冷却手段を有し、該冷却手段として、前記ターミナルの屈曲部における内側コーナーの内面または外面に放熱フィンを備えたことを特徴とする発電機。

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