151 – 電力用変圧器の絶縁評価解析

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概要

トランスは電磁誘導を利用して、交流電力の電圧を変換する電気部品です。トランスの中でも電力変換に用いられている電力用変圧器では、巻線に非常に高い電界が加わるため、巻線構造、絶縁材、絶縁構造などの絶縁技術が小型化・大容量化を達成する上で重要です。変圧器の絶縁構造は定常の電力変換時のみではなく、落雷や短絡時の過電圧にも耐えられるように設計される必要があります。
変圧器の絶縁耐力は絶縁材に加わる電界強度に依存するため、電界解析で電界強度調べ、絶縁破壊に対する安全率を見積もります。
ここでは、落雷や短絡時を想定し、巻線間に想定される最大電圧をかけた際の電界強度分布を求めます。

電界分布

1次コイルの絶縁材と2次コイルの絶縁材の間に電位差を与えたときの電界強度分布を図1に示します。
図より、高い電界が発生していることがわかります。なお、正確に絶縁耐性を評価するためには、電気力線に沿って電界強度を評価する必要があります。

電気力線

1次コイルの絶縁材と2次コイルの絶縁材の間に電位差を与えたときの電気力線を図2に示します。
1次コイルの絶縁体と2次コイルの絶縁体の間に多くの電気力線が発生しています。

絶縁耐性の評価

電気力線に沿って電界の線積分値求め、電気力線の長さで割った値を評価します。
図2に示された電気力線のうち、最も電界強度が高かった電気力線を図3に示します。電界強度は4.85(kV/mm)であり、仕様の絶縁耐力である10(kV/mm)を下回っていることから、絶縁耐力を超えないことが確認できます。

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