電気炉の安定稼働を支える
電炉用変圧器
豊富な電気炉設備の経験に基き最適な性能を提供する電気炉用変圧器
富士電機は 1929 年より電気炉用変圧器を製作開始し、2002年3月現在で463台、9,441MVAの豊富な実績があります。
防じん空調設備（クリーンルーム）などの最新鋭設備を備えた最大級の変圧器専門工場での、たゆまぬ努力と研究開発により、最新にして信頼性の高い技術で製作しています。
電気炉の安定稼働を支える電気炉用変圧器に求められる機能
・高ひん度負荷遮断
製鋼用アーク炉または合金鉄炉などは、1日数十回以上の負荷開閉をしますが、炉が大容量になりますと60kV70kVあるいはそれ以上の大電力系統から直接受電するのが経済的で、電力損失を低減できます。
・力率改善高調波フィルタ用コンデンサ
電気炉は低電圧で交流大電流を流します。回路のわずかなリアクタンスが大きく影響するため、カ率は70~85%くらいが普通です。したがって力率改善設備が必要となります。また操業中のアーク変動、直流炉の場合は力率がより低く整流器自身が発生する高調波が付加され、この量（力率改善）と発生高調波を減少させる設備が必要となります。
・フリッカ補償
製鋼用アーク炉は操業中のアーク変動により、電力系統の電圧動揺に起因するフリッカが発生します。したがって大形炉においてはほとんどの場合、フリッカ補償装置 の設置が必要です。
・直列リアクトルフリッカ補償
安定操業のため、直列リアクトルを挿入する場合があります。
電気炉用変圧器の特長
・合理的な鉄心構造
鉄心は鉄損・励磁電流磁気ひずみなどの励磁特性を改善した方向性けい素鋼板などを使用し、その優れた磁気特性を充分に発揮するために強化絶縁筒とくさびによる鉄心の均等締付けをし、小形・軽量化を達成しています。
・低電圧大電流に適した巻線構造
低圧巻線には多並列双線輪円板巻線を採用しています。各並列導体間での充分な転位により、並列導体間の電流分担が均一化して、負荷損の低減や局部過熱をさけられるため、低電圧・大電流という目的に最も適しています。
・絶縁信頼性の高い巻線構造
超高圧変圧器の巻線に対しては衝撃電圧印加時の巻線内電位振動を極小に抑えた編巻円板巻線を採用しています。巻線内・巻線間巻線大地間などの絶縁構造は多数の基礎実験とコンピュータによる電位分布・絶縁強度の解析および改善により、信頼性の高い絶縁構成としています。
・巻線の耐短絡強度が大
幾多の実器およびモデル器による短絡強度検証試験などの経験をふまえて、また外部短絡時の電磁機械力をコンピュータによる精密な計算により巻線は合理的に設計され、かつ電磁機械力に対応する締付力で前締処理をしたうえ、強固に締付けられています。したがって永年にわたって充分な短絡強度が保持されます。
・高品質・高信頼性
中身組立作業における絶縁物の吸湿じんあいの付着防止は、絶縁信頼度上非常に重要です。このため絶縁物加工巻線組立作業など一連の工程は防じん空調室内で行い、天井クレーンのじんあい落下防止策、真空掃除器による清掃など作業環境を整備し、高品質高信頼度の変圧器を完成させています。さらに組立後、高真空乾燥炉により高水準の乾燥処理真空油含浸処理をしています。
・信頼性の高い高頻度切換負荷時タップ切換器
世界で初めて抵抗切換方式による真空バルブ式負荷時タップ切換器を開発し、電気的100万回・機械的300万回の負荷時タップ切換を可能にしました。
・最適な油劣化防止装置を提供
油劣化防止装置は開放式ゴムセル式隔膜式など、環境条件や冷却方式に合せて最適のものを選択し取付けます。
電気炉用変圧器の機能・構造
電圧調整・結線方式
製鋼用アーク炉ではスクラップの溶解期と精錬期とで投入電力を変えるために、また精錬炉では炉内抵抗の変化・生産量の調整・あるいは操業開始時の自己焼成式電極の焼成など、いずれも二次電圧を大幅に変えなければなりませんが、一般に二次電圧の最高と最低との比が、2：1または3：1にも達するきわめて広い範囲が要求されます。
出力電圧の調整方法
・直接式：一次巻線に等価タップを設け、これを切換えて種々の二次電圧を得る方法。
・間接式：二次側に直列変圧器を設けるとともに、主変圧器に三次巻線（タップ巻線）を巻き、そのタップを切換えて直列変圧器に印加する電圧を調整し、直列変圧器の二次誘起電圧をそれに応じて変化させて、必要な出力電圧を得る方法。
| 調整方法 |
変圧器内部結線図 |
|---|---|
| １．直接式 |
条件
|
| 2.間接方式① |
特長
|
| 3.間接方式② |
特長
|
機械的強度
電気炉用変圧器の特異事項の一つであり、かつ最重要事項は、頻繁な炉内短絡や負荷変動あるいは線路の短絡などに起因する大きな電磁力に耐えることを要求されてることです。このためには、発生する電磁力を可能な限り小さく押えるとともに、その電磁力に対し 巻線を充分強固に保持し、緩ませないことが肝要です。
当社の変圧器は、対向巻線間の軸方向ずれを零とするよう磁気中心を合せ、かつタップ部分を数ブロックに分散するなどの対策をして軸方向電磁力が最小となるように配慮しています。広範囲のタップの場合は独特の並列巻円筒タップ構造を用いて、軸方向力をほとんど発生させないようにしています。
またコンピュータにより短絡巻線に発生する電磁力を算定し、それに基づいて巻線自体の耐短絡強度および巻線に加えるべき前締力を決定し、全体として充分な耐短絡強度をもつよう慎重な配慮をしています。これに対しては多数のモデルコイルおよび実器による短絡強度の結果から、充分な信頼性があることを確認しています。
巻線自体は充分な前締め乾燥処理をし、経年変化による絶縁物の枯れを極小にし、永年使用に全く心配のないものとしています。巻線は連結板と強固なフレームで保持された強力な巻線押えで締付けられ、短絡時に発生する電磁力に対し、充分耐える構造としています
冷却方式
冷却方式はご要求に応じ、また変圧器容量と据付け場所などの周囲条件とを考慮し、次の中から最適な方式を選定します。
一般に導油水冷式(ODWF)、導油風冷式(ODAF)の2種が最も多く採用される方式であり、太字が当社の標準です。
大形鉄心では鋼板積み重ね方向と直角な冷却用油ダクトを設けて鉄心内部の温度上昇を限度以下に保ちます。巻線は必要に応じて線輪内に油ダクトを設けて冷却効果を高めます。特に多巻線をもつ大容量器は、ほとんど例外なく絶縁油を強制循環させて内部を冷却し、局部的な温度上昇を起さぬようにします。
導油水冷式は据付面積を最も小さくできる利点があり、炉体に近接配置される電気炉用変圧器には最適の方式です。当社標準の単管式冷却器の水配管には、万一伝熱管に腐食が生じても変圧器内に水の漏入がないように冷却水入口側に制圧塔を設け、常に水側圧力が油側より低くなるよう配慮しています。また特別なご要求に対しては、二重管式冷却器を採用することもあります。
鉄心
鉄心構造はいわゆる内鉄形で、三相三脚鉄心・単相中央脚鉄心を標準とし、さらに製作実績は単相二脚鉄心・三相五脚鉄心あるいはその他の特殊構造鉄心にもおよんでいます。鉄心には鉄損・励磁電流・磁気ひずみなどの磁気特性を改善した方向性けい素鋼板を使用し、強化絶縁筒とくさびを併用した締付方法などにより鉄心占積率の向上を図り、小形化を図っています。
リアクトルが原理的に変圧器と異なる点は、各相1巻線であることおよび磁気回路にギャップがあることです。
直列リアクトルは、一般的には回路に直列に接続して回路の短絡電流を制限するために用いられますが、電気炉用設備ではアーク炉から発生するフリッカ現象の抑制対策として設置する場合があります。このような直列リアクトルでは、通過電流に対しリアクタンス変化が小さい空芯形を、一般的に採用しています。空芯形は巻線内に鉄心脚をもたないもの、すなわち巻線内を完全ギャップとしたものです。
空芯形は磁束がタンクその他の金属部分を加熱させることを防ぐため、けい素鋼板を積層したしゃへい鉄心(シールド鉄心)を設けています。また空芯形では変圧器に比べ鉄心質量の占める割合が小さいことおよび巻線から発生した磁束が鉄心にスムーズに吸収可能なように、上下シールド鉄心には無方向性けい素鋼板を使用し、積層方向は締付けボルトで強固に最適な締付けをしています。
巻線
信頼性が高く特性の良い巻線を作るために次の点に留意して設計製作しています。
●巻線の配置方法は同心配置を採用しています。これは各巻線を鉄心に対して同心的に配置する方法で、一般に二次低圧大電流巻線を最外側に配置します。これは大電流リードの引出しや接続を容易にし、工作を確実にするためです。
●耐短絡強度を高めるために、独特な巻線構造と巻線自体に充分な前締め乾燥処理をします。頻繁な炉内短絡や負荷変動あるいは線路端短絡などに起因する大きな電磁力に耐えるよう、巻線自体には充分な前締め乾燥をし、経年変化による絶縁物の枯れを極小にしています。
●巻線は連続巻きを原則として、導体の接続個所を少なくし、品質を向上させ、安全度の高いものにしています。
●漂遊負荷損の低減や特性の向上および軽量化・小形化のために、巻線導体として従来の平角銅線に加えて平角アルミ線も使用しています。
巻線構造
電気炉用変圧器の巻線構造については、在来の双線輪円板巻線のほかに各種の新構造を開発改良し、それぞれ目的に応じ次のように最適のものを選択し、すでに数多くの製作実績をもち順調な運転を続けています。
●高電圧巻線には双線輪円板巻線編巻（高直列容量）円板巻線円筒成層巻線
●低電圧大電流用の巻線には多並列双線輪円板巻線ヘリカル巻線
●広範囲なタップ用の巻線には並列巻円筒成層タップ巻線
双線輪円板巻線は途中で接続のない連続巻線です。とくに2本以上の並列導体となる場合には、適宜転位をし、導体間の循環電流を低減させます。
編巻（高直列容量）円板巻線は線輪間の接続を入り組ませることにより、巻線の実効直列静電容量を著しく増加させて衝撃電圧特性を改良した巻線です。この巻線では衝撃電圧を印加した場合、巻線内の電圧分布はほぼ一様であり、過電圧を発生させませんので、巻線各部に均一の絶縁信頼度を与えることができ、超高圧には最適の巻線です。
円筒成層巻線は編巻（高直列容量）円板巻線と同様に衝撃電圧特性に優れたものです。
多並列双線輪円板巻線は双線輪円板巻線を複数個軸方向に積み重ねて構成したもので、並列間の電流バランスの改善や巻線内局部過熱の防止に種々の方策をとっています。また間接調整方式の場合には主変圧器と直列変圧器にまたがって連続的に巻かれた、いわゆる8字形の構造を採用します。
ヘリカル巻線は比較的電圧の高い大電流巻線に使用されますが、これも電流に応じて並列導体数を選択することにより漂遊損の少ない、しかも機械的強度のきわめて大きい巻線を 製作できます。
並列巻円筒成層タップ巻線は数本の導体を一括して円筒上に巻き、それを直列に接続したもので、いかなるタップ位置でも巻線に発生する軸方向の電磁力をきわめて小さくできるという特長をもっています。
直列リアクトルはフリッカ抑制対策のため、回路に直列に挿入しますが、そのリアクタンス値は一定ではなく数種のリアクタンス値が必要となり、そのためリアクトル巻線は数種のリアクタンス値に対応したタップ付きの巻線になります。巻線構造は一般的に双線輪 円板巻線が用いられ、タップは巻線外周のコイル渡り部から引き出します。また使用タップ位置によっては非通電部が生じますが、非通電部の電位振動抑制のために、非通電部を巻線中央部に配置した巻線構成としています。
絶縁と乾燥
絶縁
各巻線間および巻線と大地間の絶縁構成は、油ギャップをプレスボードバリヤで細分するいわゆる分割オイルダクト構造となっており、これは多数の基礎研究によって得られたデータを基に確立されたもので、しかも充分な安全率をもつ基準に従って決定しています。さらに超高圧の分野では電位分布をコンピュータによって把握し、局部的な電界集中が起きないように万全を期しています。
衝撃電圧特性については、実物大モデルについてコンピュータを利用した理論解析および過渡現象直読装置を利用した実験など幾多の研究成果をふまえ、設計段階で詳細に検討し、充分な絶縁信頼性を確保しています。巻線などに使用されている絶縁紙およびプレスボードは、鉄心へ入れる直前に単体で前締め乾燥され、中身組立完成後さらに気相乾燥炉で本乾燥し、高真空下で脱気油を含浸します。
乾燥
巻線は寸法・形状の安定性を確保するため鉄心へ入れる直前に、単体で前締め乾燥をします。このとき巻線は所定の荷重で締付けて、真空加熱乾燥処理をします。
次に組立の終った変圧器の中身を気相乾燥炉に入れて、ある種の溶剤蒸気により真空加熱乾燥をします。
なお乾燥完了の判定は、絶縁抵抗・tanδ・露点の測定および変圧器巻線の温度測定で判断します。絶縁物は効果的な前締め乾燥および気相乾燥によって、完全に収縮させた後強固に再締付けしますから、経年使用中枯れによってさらに収縮を生ずることはほとんどありません。
輸送などの制限から、据付け現場で乾燥する必要がある場合は、設備が簡単で良好な乾燥効果が得られる熱油循環真空乾燥法を採用することもあります。
端子
高圧側
変圧器からの口出し方式は次の3種類があり、経済性・保守性・保安上にそれぞれ特長があります。
●普通形ブッシング
JECｰ183に準拠した単一形ブッシング・コンデンサブッシングを使用しています。これらは線路端の絶縁階級や電流・汚損度によって適宜選択します。
●エレファント形（GIS直結形も含む）
この方式はケーブルを直接タンク内に引き込むために、充電部の露出がなくコンパクトにまとめることができ、空間利用率の向上が図れるとともに保守保安上の危険がなく、電気炉用変圧器には最適な方式です。当社では線路端の絶縁階級が30号以下は気中式、60号以上は油入式を標準としています。
●ブスダクト形
これは普通形ブッシングおよび接続導体を気中ダクトで覆ったもので、保安上の危険がないため30号以下のものに多用されています。
低圧側
電気炉用変圧器は低圧側の大電流を引き出す端子構造に大きな特長があります。当社では電気炉の構造やご要求に応じ、各種の特長ある方式を考案適用しています。大電流端子はその冷却方式から次の2種類に大別されますが、いずれも各相の正負端子を密接して引き出し、インダクタンス・リアクタンスを最小にするよう考慮しています。
●自冷式平形端子
ターミナルバーは電気用銅板またはアルミ板を使用し、導体貫通部の仕切り板には特殊配合の不飽和ポリエステル樹脂を使用しています。電流は1枚あたり約13kAを限度とし電流に応じてシリーズ化しています。
●水冷式端子
水冷式端子は継目無厚肉銅管をU字形に曲げ加工し、管内に冷却水を通水したもので、並列数を増やすことによって超大電流でも無理なく引き出せます。当社標準は端子頂部金具付きですが電気炉側の水冷導体と直結して、共通の冷却水によって冷却する方式のものや、低圧大電流巻線を変圧器内部で三角結線し、各相を等距離の三角配置で引き出したものなど各種の方式を開発適用しています。
油劣化防止装置
変圧器に封入する絶縁油は気温変化や負荷の変化により体積が変化しますが、その変化のための必要油槽空間がコンサベータです。コンサベータは構造により、開放式・ゴムセル式・隔膜式に大別され、それぞれ次の特長があります。当社では環境条件や冷却方式により適宜選択します。
●開放式
変圧器油がコンサベータ油面で直接大気に接するため、空気側には吸湿呼吸器（シリカゲル）を設け、油中への水分混入を極力少なくするよう考慮しています。この方式は定期的に絶縁油を採取し、tanδや全酸化・耐電圧などをチェックすることが必要です。
●ゴムセル式
絶縁油と大気とが直接接しないよう、ゴムセルにより密封し油の酸化を防止する構造のもので、油の膨張・収縮によりゴムセルの体積が変動します。
●隔膜式
絶縁油と大気との間に空気の透過性のきわめて少ない隔膜を挿入し、絶縁油を大気から隔離する方式のもので、一度脱気処理した絶縁油は再生や交換などの必要がなく、保守がきわめて簡単です。
負荷時タップ切換器
電気炉の投入電力を調整するためには、電気炉用変圧器の二次タップ電圧を切換えなければなりません。この切換は負荷時に行うのが多く、しかも一日数十回から百回以上におよぶものまであり、切換頻度の多いことは、一般電力用変圧器の比ではありません。このためタップ切換器の選定時は、特に高頻度の切換操作に対して信頼性の高いものが要求されます。
当社ではこの点を考慮してヤンセン式負荷時タップ切換器と、当社が世界に先駆けて開発した真空バルブ式負荷時タップ切換器（電気的耐用切換回数：100万回が期待、活線浄油装置が不要）の2種類のタップ切換器を用意しています。
特長
1. 優れた適用性
豊富なシリーズをそろえ、小容量変圧器から超大容量変圧器まで適用できます。
2. 優れた性能・信頼性
過酷な各種特性試験・寿命試験による検証と豊富な実績により、優れた性能と高い信頼性が保証されています。
3. 抵抗式切換方式
限流抵抗の採用により，コンパクトになっています。
4. 容易な保守点検
輸送
工場完成時に得られた高度の絶縁性能を、そのまま現地組立時まで保持させるとともに、現地組立に要する設備および日数を節約する目的で、当社は大容量変圧器の車両形封じ切り方式（ファールバル）なる組立輸送方式を採用しています。本方式の利用はめざましく、各種用途の変圧器を含めすでにその納入実績は 200 台を突破しています。
これらは当社所有のシキ 280（165t 用）を用い独特の車両形タンクにより輸送するものですが特殊構造の電気炉用変圧器にも採用可能です。また工場試験終了後変圧器をエアベアリング車により岸壁へ引き出し、容易に貨物船へ積載できます。
大容量電気炉用変圧器用の付属品一覧表
●：標準付属品
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質問１：過去に富士電機のWebサイトへ訪問したことはありますか。
質問２：Webサイトの訪問目的についてお知らせください。
質問３：お勤め先の業種についてお知らせください。（もっとも近いものを１つ選択）
電気炉用変圧器のご提案
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