富山大学工学部紀要

(1)

ISSN 0387-1339

富山大学工学部紀要

第45巻

Bulletin of

Faculty of Engineering

Toyama U niversity

Vol.45

1 9 9 4

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1 . 懸垂碍子の高耐圧化への設計指針

一交流電圧による懸垂碍子閃絡破壊の基礎実験II-

…・・武田栄一，北村岩雄，池田長康，土田芳則，小杉友男……… 1

2 . 欠損碍子の組合わせによる高耐電圧維持

一交流電圧による懸垂碍子閃絡破壊の基礎実験III一

…・北村岩雄，作本憲大，梶田実，池田長康，土田芳則，小杉友男……… 9

3. 降雪，降雨の電荷量ìNIJ定と冬季雷雲の電気構造に関する考察

…北村岩雄，作本憲大，南口芳文，池田長康'"・H・..15

4 . 雷雲における電気的構造のシミュレーション実験

……池田長康，北村岩雄，富井淳敏，小林満博…・…..23

5 大電流母線の接続に関する基礎実験

………・北村岩雄，池田長康，有村文宏，津田邦男，橋本吉昭，河村晃一，北村利博………31

6. 蒸着/酸化/結晶化過程分離のMBE法により作製したBi2Sr2Cuûy薄膜

…岩嶋建治，鈴木浩司，唐木哲也，柴田幹，岡田裕之，女川博義，宮下和雄………37

7. 下層液中でのアラキジン酸カドミウムLB膜の構造変化

…片岡昭郎，柴田幹，女川博義，宮下和雄………43

8 . 強誘電性液晶による光偏波面制御

……・倉林裕之，岡田裕之，女川博義，宮下和雄，桑原道夫，貴堂靖昭……...51

9. 液晶の分子構造としきい電圧の温度依存性

…西哲夫，松原昭文，岡田裕之，女川博義，宮下和雄，杉森滋………57

10. 反強誘電性液晶の配向特性

……・・本田端，加藤豊章， i.度漣学，岡田裕之， -1;.:川博義，宮下和雄………65

1l. 論理関数発生プログラムについて(1)

…松田秀雄，五味利彰，宮腰隆，畠山豊正，中嶋芳雄'"・H・..75

12. 論理式簡単化アルゴリズムMINI-LNの二値入力変数での計算結果と手数について

…・宮腰隆，松田秀雄，畠山里正，中嶋芳雄………87

13. 分離プロセスモデルにおけるポアソン因子の一様性

……田中久弥，川崎博幸，山本辰美………95 14. 平成4年度修士論文概要一覧……...・H・....…...・H・-…・…・...・H・-…...・H・-………・….. 103

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懸垂碍子の高耐圧化への設計指針

-

交流電圧による碍子の閃絡破壊基礎実験II

-

武田栄一，北村岩雄，池田長康キ土田芳則，本小杉友男

1 . 序論

近年の電力需要の飛躍的な伸びに対応して，大容量の発電所が建設されつつある。これら発電所の立地には厳しい条件が伴い，消費地より離れた所に建設される傾向にあるため，大容量長距離送電が必要になっている。しかも，この送電線路において送電電力の損失の低減のために，送電電圧の格上げが行われてきた。また，コロナ放電などによるコロナ障害の防止と送電容量の増加のために，多導体方式が採用されている。従って，これらの送電線路を支持する碍子には良好な絶縁はもとより，機械的強度と長期間自然下にあって性能を維持するだけの耐候性も要求され，高耐圧・高張力化の高性能碍子が不可欠になる。しかし，現在の懸垂碍子はこれらの性能を満たしているが，あまりにも長く，大呼J化しているように思える。本報告では，短小化，軽量化を目標に高耐圧は懸垂碍子の設計指針を模索すると同時に，平等電界の 1 / 2 の耐電圧，すなわち，電極間隔 30 cm で 450 kV 以上の耐電圧のある碍子形状を目標に基礎的実験を行い検討した。

2. 絶縁破壊防止に関する考え方

絶縁破壊を防止する一般的な考え方，汎用性のある設計守旨針というものは現在まだ確立されていない。従って，絶縁距離を経験的に決め，相似形状の実験結果を考慮して，十分な安全係数を掛けて決定しているのが実情であると考えられる。そこで，我々は絶縁破壊の進展は電界とその軌跡である電気力線が主要な関係因子であると考えた。

これより絶縁破壊を考えると，

1 ) 絶縁破壊の初期段階では，電気力線に沿ったある幅をもって進展する。 2 ) 先駆放電は，電子なだれによる。

3 ) グロー放電の導電域の進展による。

となるであろう。一方、絶縁破壊を防止する方法は上述の個々の放電過程に対応した進展防止方法を取れば，汎用性のある設計指針が得られるであろう。

このような考えで得られた絶縁設計指針は，

1 )電気力線を可能な限り耐圧の高い材料で分断する

2 ) グロー放電による導電域の進展を制限する 3 ) 電気力線を耐圧の高い領域へ導くよう制御する

である。これら指針で示す対応が正当であるか，対応策個々およびこれら組み合わせ対応について模

*電源開発株式会社

1

(6)

富山大学工学部紀要第45巻 1994

擬碍子を用いて検討した。

3. 模擬碍子

絶縁破壊防止の設計指針にしたがって，図 1 . 1 ) および 2 ) に示すような模擬碍子を構成する円板と電極を製作した。電圧

を印加する電極および，指針 3 ) に対応した実験で用いる中間電極の材料は真鍛である。模擬碍子の円板は，指針 1 ) ， 2 ) の実験にそれぞれ対応して， a ) ， b ) の 2 つのものを製作した。円板および円板の端に接着きれた外壁には O . 5 mm 厚のエポキシ・カ、、ラスウール FR P をエポキシで耐圧強化したものを，心材にはエポキシ・カ、、ラスウール FR P t奉を用いた。

絶縁破壊を防止する設計指針 1 )に対応する実験では図 1. 1 ) . a ) の枚数を，指針 2 ) に対応する実験では b ) の外壁の高きを，指針 3 ) に対応する実験では 2 ) の中間電極の個数をそれぞれ変化させた。

4 . 実験システム

。

. )

一司ー

1 ) 2 )

図 1 模擬碍子と電極形状

交流高電圧発生には 500 kV ( 実効値 ) 用の試験変圧器を使用している。高電圧の測定には，高電圧用セラミック抵抗器 100 M Q4 本を直列に繋ぎ，これと 1 0 k Qの抵抗器で分圧し，さらに静電電圧計で校正して電圧を求め，測定を行った ( 文献 1 )を参照)。この実験では 12 回の測定を行い最大値，最小値を除いた 10 回の測定の平均値を波高値であらわし，閃絡破壊電圧としている。

5 . 実験結果

5.1 設計指針個々の実験 5.1 . 1 電気力線分断化実験

この実験では電圧が印加きれる電極の距離は 30cm 一定とし，電気力線を分断する指針 1 ) の条件を確認するために行った。この実験では図 2 . a ) に示すように模擬碍子の枚数を増やし分断の効果調べた。この時，電極と円板・円板と円板がそれぞれ等間隔となるようにLた。この閃絡破壊の実験の結果を図 3 . a ) に示す。図中の上の破線は 30 cm 間隔の平等電界での破壊電圧値 900 kV の 1 /2 である 450 kV を，下の破線は電極聞になにも無い状態での破壊電圧をそれぞれ示している。ここでは

2

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武田・北村・池田・土田・小杉 : 懸垂碍子の高耐圧化への設計指針

円板の枚数，つまり，電気力線の分断数に応じて破壊電圧が上昇していることがわかる。

5.1 . 2，電気力線トラップ実験

グロー放電の導電域の進展が，円板に取り付けた外壁の高きによってどれだけ押さえられるか調べるため，図 2 . b ) のような円板に外壁を取り付けた形態での実験を行った。外壁付きの円板 2 個を背中合わせにし，外壁の高きを o - 30 rnm の範囲で変化させた。なお，電極と円板の間隔は 5 cm，円板と円板の間隔は 20 cm に固定しである。この閃絡破壊実験の結果を図 3 . b ) に示す。この図からわかるように耐電圧の外壁高きへの依存性は無いが， 2 個の外壁付き円板だけで，電気力線分断化実験における円板数が 5 枚のときよりも高い破壊電圧値を示している。

5.1 . 3 電気力線集中化実験

ここでは，図 2 . c ) に示すような形態で電気力線集中化による実験を行った。この実験では，電極と中間電極の距離がそれぞれ等しくなるようにし，電極の個数を増やして行った。また，電圧が印加される電極聞から中間電極の厚みを差し引いて 30 cm 一定としてある。この閃絡破壊実験の結果を図 3 . c ) に示す。中間電極の個数によって耐電圧の上昇が見られるが，これは電気力線の集中化の効果の現れというよりは中間電極が挿入されたことにより，電圧印加電極聞の電界が少し平等電界に近付いたためであると考えられる。

d 5cm

d

d d

d

d d

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a)

'D

_c)

図 2 供試模擬碍子形状

- 3

(8)

(kV)

。 2 4 (枚〉 2 4

(倒)

a )

LU

_c₎

図 3 設計指針個々の効果

5.2 設計指針2 つの組み合わせによる実験 5.2 . 1 電気力線分断化・トラップ実験

ここでは，絶縁破壊を防止する設計指針1 ) ， 2 )を組み合わせることによって，どの様な効果が現れるかを調べた。図 4 . a ) に示すように円板の端に外壁の付いたものを背中合わせにして一組と

し，その組数を次第に増やして実験を行った。この時，電極と円板，円板と円板の距離は等間隔としてある。また，外壁の高きが10， 20 mm の二つを用意し比較した。実験結果を図 5 . a ) に示す。予想、できたことではあるが外壁の高きが 20 mm の方が高い電圧値で推移していることがわかる。しかし，二枚のとき，つまり，電極と円板の間隔が大きい時，値にほとんど差がないことから，円板の外壁の影響は電極から離れるほど小さくなると思われる。さらに，組数を増やしていくと耐電圧は上昇するがある点で最大になり，少し値が落ちる。この時，放電は円板の外壁を伝って包絡線で生じているた

め，中間部分の外壁の効果が無くなるためであると思われる。

5.2 .2 トラップ・集中化実験

絶縁破壊を防止する設計指針2 ) ， 3 ) を組み合わせて，電気力線を絞り込むことにより耐電圧の外壁への依存性を調べた。実験の形態は図 4 . b ) に示す通りで，円板間での無電極放電を防止するため外壁付きの円板の背後に円板を一枚ずつ挿入してある。電極と円板，外壁付き円板と円板，円板と円板の間隔はそれぞれ 2 cm， 3 cm， 20 cm としてある。比較のため，中間電極を電極の中央に入れた場合と入れてない場合の二通りの実験を行った。この実験の結果を図 5 . b ) に示す。まず，中間電極を入れた方は破壊電圧値が高めに推移するとともに，外壁高きにはほ比例して向上している。従って，中間電極を挿入し電気力線を絞り込むことによって，破壊電圧の外壁高さへの依存性，有効性が現れると考えられる。

- 4 -

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武田・北村・池田・土田・小杉 : !懸垂碍干の高耐圧化への設計指針

5.2 . 3 電気力線集中化・分断化実験 ^{\ .}

ここでは縁破壊を防止する設計指針 1 ) ， 3 ) を組み合わせた図 4 . c ) に示すような実験を行った。円板の枚数を 5枚に固定し，電極と円板，円板と円板の間隔を5c mとして，図 4 . c ) に示すような順で中間電極を挿入し，個数を増やしていった。この実験の結果を図5 . c ) に示す。電気力線集中化実験のときより耐電圧の向上の割合は小さいが，高めに推移していると共に明らかに耐電圧の上昇が見られる。

d ^d

l→ ドF0mm 30mm

_3一一→F _d

1 00

mm

₂ _d

1 d

d

a) b)

図4 供試模擬碍子形上

c )

a)

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図5 設計指針 2 つの組み合わせによる効果

5 -

(10)

5.3 総合効果実験(電気力線分断化・集中化・トラップ実験)

ニの実験は，図 6. a ) に示すように 2 で述べた絶縁破壊を防止する設計指針の 3 っすべてを組み合わせて行った。中間電極の個数は 4 個，外壁付き円板を上下に 2 枚，円板を 1 1 枚用いて外壁の高さを変化させた。電極と外壁付き円板，外壁付き円板と円板，そして中間電極を挟んで円板と円板 ( 電極の厚きを差しヲ |いた数値 ) ，円板と円板のそれぞれの間隔は， 20mm， 30 m m， 40 ( 20 ) m m， 20 mm

となっている。この実験結果を図 7 に示す。外壁の高きが最も低い10 mm の時でも，破壊電圧は 400 kV 近くを示し，その後外壁の高さに比例して耐電圧の向上が見られる。

次に， 30 cm 間隔の平等電界における破壊電圧値 900 kV の 1 / 2 である 450 kV を目標に図 6 . b ) に示すような実験を行った。電極と円板，円板と円板との間隔には変更は無く，電界が集中すると思われる電極付近を直径 12 cm，外壁高き8 cm の外壁付き円板で包み込むようにし，また上下の端から 2 枚目のところの円板を 30 mm の外壁付き円板と交換した。この実験では， 450 � 50 0kV の電圧を 6 回印加しでも閃絡破壊しなかった。従って，我々が当面の目標としていた 30 cm で450 k V 以上の耐圧をもっ懸垂碍子の形状を得る目標は達成された。

20mm 30mm 20mm

(40mm)

20mm

0- 30mm

a )

図 6 供試模擬碍子形状

30mm

LU

図7 設計指針 3 つによる総合効果

5.4 実験結果の検討

絶縁破壊を防止する設計方針に従って実験を行ってきた。実験から，方針 1 ) ， 2 ) ， 3 ) それぞれ単独，あるいは，それらの組み合わせによる結果を得たのでそれらのまとめをここに示す。

耐圧向上過程 ( kV ) 耐圧上昇比 ( % )

電気力線分断化 247 � 2 98 20 . 6

電気力線トラップ 308 �321 4 . 2

電気力線集中化 202 � 257 27 . 2

電気力分断・トラップ 221 � 266 20 . 4

6

(11)

武田・北村・池田・土田・小杉 :懸垂碍子の高耐圧化への設計指針

電気力線トラップ -集中化電気力線集中・分断化

電気力線分断・トラップ・集中化(a)

6 . 結論

" (b)

306 � 32 5 22 9� 268 3 93 � 42 5 4 50 �

6 . 2 17 . 0 8 . 0

1 ) 絶縁破壊防止に関する 3 つの設計指針を示し，それら個々の単独の破壊実験を行い，次の結果を得た。

・電極聞の電気力線を分断することにより， 20 . 6% の耐圧が向上した。

・ク、、ロー放電による導電域の進展を制限する外壁の高きは， 10 mm 程度でも有効であり， 4 . 2 % の耐庄が向上した。しかし，耐圧の外壁高きへの依存性は無いものと思われる。

-電気力線を集中するために挿入した中間電極の個数の増加とともに 27 . 2% の耐圧が上昇した。 2 ) 3 つの指針のうち 2 つの指針を組み合わせた破壊実験を行い，次の結果を得た。

-外壁付き円板により電気力線を分断することで20 . 4% の耐圧向上が見られた。しかし，分断数を増やしていくと，放電が外壁を伝い包絡線上で生じるため，耐圧の上昇が止まる。

-グロー放電による導電域の進展を制限する外壁の効果は，中間電極を挿入することで認められた。

この時の耐電圧の向上は 6 . 2% である。

-電気力線の分断数が一定であっても、中間電極を挿入し電気力線を絞りこむとで 17 . 0% の耐圧が向上した。

3 ) 3 つの指針すべてを考慮、した破壊実験を行い，次の結果を得た。

-電極間距離 30 cm で 400 � 450 kV 以上の耐圧を得た。これは 30 cm 間隔での平等電界における破壊電圧値 900 kV の 1/ 2 に相当するものである。

4 ) 以上の実験結果から，電気力線を基本とした絶縁破壊防止に関する考え方，設計指針である . 電気力線を可能な限り耐圧の高い材料で分断する

・ク、、ロー放電による導電域の進展を制限する -電気力線を耐圧の高い領域へ導くよう制御する

という設計指針は十分信頼できると考えられる。

参考文献

1 ) 富山大学紀要第43 巻， P 1， 1 992

�

⁷

(12)

Guiding principle on higher-voltage sustaining of insulater

Eiichi Takeda， Iwao Kitamura， Nagayasu Ikeda，

*Yoshinori Tsuchida， *Tomoo Kosugi (キElectric Power Development Co.)

The present porcelain insulators seem to be too long and too he av y， although they satisfy the demands for high voltage _ACtra nsmission lines. The guidi ng principle for design of insulators is proposed for small and light-weight insulators and for more high -voltage sustaining. The principle con sists of the following thr ee items :

1) to divide the electric line of force with high “voltage sus taining materials into small intervals as possible.

2) to restrai n expansion of the conductive region due to glow-discharge.

3) to cont rol the shape o f electric line of force to concentrate within high insulation materials.

Several mock-up test w it h the insulators carried out for the confirmation of the proposed principle. The inslators consist of seve ral insulator disks with and without outer wall at the periphery and middle electrode inserted between electr ode. The mock -up insulater with their suit able com bin ations d id n ot flashorver in s pite of applying the volta ge of over 4 50 k _Vat 30 cm in length between the electrode. It is found that the guiding principle we proposed i s confirmed to fit for the design of high voltage apparatus from the experiments and the sustain ment of insulation for very high voltage with the new designed composite rod insulator is attained.

〔英文和訳〕

懸垂碍子の高耐圧化への設計指針

武田栄一，北村岩雄，池田長康，

本土田芳則， * 小杉友男

近年の碍子は高圧送電線における要求を満たしているが，それらは長く，重すぎるように思われる。我々は懸垂碍子を短ノHt，軽量化さらには高耐圧化できるよっな設計指針を考えた。この設計指針は，

次の 3 項目からなっている。

1 ) 電気力線を可能な限ゐ耐圧の高い材料で分断する。 2 ) グAロー放電による導電域の進展を制限する。 3 ) 電気力線を耐庄の高い領域へ導くように制御する。

模擬碍子を用い，設計指針の確証のための実験を行った。模擬碍子は円板・外壁付き円板そして，中間電極からなる。それらを適切に組合わせた模擬碍子において電極間 30 cm で 450 kV 以上の耐圧を得た。我々が考えた設計指針は，実験結果から高電圧装置の設計に適していることと，新設計の絶縁物により高電圧の絶縁維持ができるということが分かった。

8 -

(13)

1 . 序論

欠損碍子の組合わせによる高耐電圧維持

一

^{交流電圧による}懸垂碍子閃絡破壊の基礎実験_凹

一

北村岩雄_，作本憲大_{， *}梶田実_，池田長康_，

**土田芳則_{，ホ*}小杉友男

我々はここ数年，懸垂碍子の抜本的耐電圧向上を目標に懸垂碍子の構造と配置をどのような観点から設計を進めたら良いか決めるため，種々の構造と配置の模擬碍子について閃絡破壊実験を行ってきた。現在，まだ明確で、はないが，次のょっな設計指針を得て，これを確かめるために，基礎実験を進めている。すなわち :

1 ) 電気力線を絶縁物で細かく分断する

2 ) 絶縁物には返しを設け，電気力線をトラップする 3 ) 金属あるいは高い誘電材料で電気力線を制御する 4 ) 耐汚煩対策，耐候性対策をとる

などである。このような設計指針から考えられる理想的懸垂碍子は図 1 のような構造と配置に近いものになるのではないかと予想、

される。

この基礎実験では電気力線をトラップする絶縁物の内容積と耐電圧の関係を調べた。直流電圧に対しては極めて有効であることは確かめられている 1 ) が交流電圧にも有効であるかまだ明確で、はない。しかし， 2 ， 3 の実験では効果的であることが分ってきている。また，懸垂碍子が図 l のょっな構造と配置をとるとすれば、，

A 部分に上部電極を覆うようにして電気力線分断する上向きの絶縁物の返しを設けることになる。しかし，これは雨が降れば雨水が溜まり，塵壊などが溜まることになる。耐電圧を下げないで雨水を逃がす方法，対策が必要で、ある。この実験では，常識では考

えられない対策として碍子に切れ目を入れ，水や塵壊を流し，しかも耐電圧が維持できるか模擬碍子を用いて検討した。

実験装置および、計測装置は既に富山大学工学部紀要2) に発表した 500 kV の試験用トランスを用いている。これを図 2 に示す。

*関西電力株式会社 * *電源開発株式会社

- 9 ー

j主{元高日

絶縁物

中間電極

FRP

図 l H. V

400M!.I 司セラミソク抵抗

!神電電}玉川

図 2

(14)

2 . 絶縁物の内容積と耐電圧の関係

碍子の耐電圧に関する電気力線のトラップ効果を調ベミらため，模擬碍子 !とじて各種の皿を用い，閃絡破壊実験を行った。この皿の内容積と破壊電圧の関係を図 3 に示す。ほぽ直線に破壊電圧は上昇している。図 4 に示すように，単位内容積当たりの破壊電圧は容積が 500 cm 3位までは有効で、あるが，

それ以上の体積では飽和に近づく傾向をもっ。

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o 500 1000 1500

試料の容量(CC) 図 3

また，この試験に用いた皿の直径は種々あり，直径で整理をして見ると図 5 のようになり，依存性は明確で、ない。

3 . 切り欠き絶縁物と耐電圧の関係

図 l のような懸垂碍子を考えると，上部電極付近の電気力線を分断し，電極を覆っょっに，トラップする皿状碍子は雨水や塵壊などが溜まる。この対第としては多数の孔を聞けるなどいろいろあるが信頼性に欠けるものは採用できない。ここでは，皿状碍子を 1 箇所半径方向に切れ目を入れ，切り欠きを設けた。これによりどれだけ耐電圧が低下するかを調べた。また，切り欠き皿状碍子を数枚組み合わせ，切り欠き部を少しづつずらし，耐電圧の向上を調べた。

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試料の直径 ^D (CIII) 図 5

3 . 1 供試皿1枚の破壊電圧

模擬碍子として用いた切り欠き皿と破壊電圧の関係を調ぺた。供試皿は直径 260 mm の洋皿で幅 2 mm，長さ 55 mm の切り欠きを入れた。切り欠きを入れる前と後の破壊電圧以それぞれ 4 9. 2 kV，、 41 . 0 kV で切り欠きにより， 83 . 3% に低下している。

3 . 2 複数供試皿の切り欠き角度と破壊電圧の関係

複数の切り欠き供試皿で切り欠きのない供試皿と同等の耐電圧を維持することが可能か，上記切り欠き供試皿6 枚について切り欠き部を少しずつ角度をずらして破壊電圧の角度依存性を調べた。この角度をどのようにずらすかによって次の 4 通りの場合について実験を行った。

-10-

(15)

北村・作本・梶田・池田・土田・小杉 : 欠損碍子の組合わせによる高耐電圧維持

3 . 3 欠損碍子の組合わせによる破壊電圧向上効果の検討

欠損部を少しずつずらした組合わせ碍子が切欠き部を通って閃絡破壊を起こす場合を考えて見る。

電極から電気力線に沿って延びたストリーマは第 1 の欠損碍子の切欠き部を通って，第 2 段の欠損碍子に入る。そして，あちこち探りを入れて，切欠き部を見付ける。この時，電気力線に沿ってではなく，電気力線に対して直角方向に探りを入れて進まねばならない。このためには，この第 2 段の欠損碍子の表面がある程度電導性を持つ必要がある。これにより，ストリーマは横に進み，第 2 の欠損碍子の切欠き部を見付けることが出来るであろう。これ以後の段においても同様なプロセスが必要であろう。

このような経路で閃絡破壊をするには，各段の碍子表面が電導性を維持しなければならない。電極から長く延び，しかも，碍子表面に沿ったストリーマは空気中を延びるときよりも表面でのエネルギー損失が大き

いと考えられる。従って，背後電圧が十分大きくなければ，ストリーマの陽光柱を維持することも，成長させることもできない。一方，切欠きのない碍子ではストリーマは 1 段目と最後の段の碍子の表面を伝い，途中の碍子では碍子の外側の空中を電気力線に沿って電界方向に進むことが出来る。

従って，閃絡破壊電圧の欠損角は閃絡経路の長さに依存するのでは無いかと考えられる。これを確かめるために，閃絡破壊電圧と閃絡経路の長きを共に無次元化して比較して見る。閃絡破壊電圧は欠損のない場合の閃絡破壊電圧に対する欠損のある場合の電圧の比をとる。欠損のない場合，欠損のあ

る場合の閃絡経路の長さをそれぞれLo ， Ll とすると，これらは次式で与えられる。 1 ) 切り欠き供試皿6 枚を 1 枚ずつ交互にずらした場合

2 ) 切り欠き供試皿6 枚を 2 枚ずつ交互にずらした場合 3 ) 切り欠き供試皿6 枚を 3 枚ずつ交互にずらした場合 4 ) 切り欠き供試皿6 枚を 1 枚ずつ階段状にずらした場合である。これらのそれぞれの場合を図 6 の 1 ) ， 2 ) ， 3 ) ，

4 ) に図示する。

これらの場合について，切り欠き供試皿の欠損位置を少しずつずらした角度 ( これを欠損角と呼ぶことにする ) と破壊電圧の関係を図 7 に示す。同図での 1 点鎖線は切り欠きの無い模擬碍子 ( 皿) 6 枚の破壊電圧である。 2 枚ずつ切り欠き部を揃えた ( 2 ) の場合， 3 枚ずつ切り欠き部を揃えた ( 3 ) の場合は破壊電圧が低下している。しかし， 1 枚ずつ交互にずらした ( 1 ) の場合や 1 枚ずつ階段状にずらした ( 4 ) の場合は 15度もずらせば，切り欠きによる破壊電圧の低下が無くなり，切り欠きの無い正常な場合の耐電圧に戻っている。これは実験前に期待した以上の効果である。

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図7 欠損の角度c )

図7

(16)

1994 富山大学工学部紀要第45巻

(1) Lo ( η )=2( d - a)+ nt + ( η - l) h

(2)

V1/Vol L1/LO

Lj( η ) =2( d - a- l ) 十 nt 十 ( n- 1)( h+x )

1 ここで， n， d ， a， t ， l， h， x はそれぞ

れ皿の枚数，皿の半径，電極の半径，皿の厚み，

スリット長，皿の間隔とスリットからスリットへ皿を横切る距離である。この x は

x

こ二

^{2( d}

_山3

で表される。ここで Oは皿の切欠きスリットからスリットへ皿を横切る角度である。ここで L。

と Lj の比を取り，無次元化する。これら無次元化された 2 つの値の欠損角依存性を図 8 に示す。これらの値が一致すると見るか，しないと見るかは意見の分かれるところであろうが，このような荒っぽい検討でもこの程度の一致を見ることは考え方が間違っていないためではないかと考えられる。

次に，模擬碍子がある枚数の場合，どれだけの欠損の角度をずらせばよいか，欠損の割合をパラメータとして計算で求めた。この角度は図 8 から分かるように，実験値よりは大きい値で

あり，安全側にある。これを図 9に示す。枚数が少ない場合，欠損の割合が大きくなると，ずらす角度を最大の 180度にしても破壊電圧に耐えないことを示している。図 10 は直径に対する切欠き部の長さの割合を固定した場合，模擬碍子の枚数とずらす欠損角の関係を示す。これらはほぼ反比例の関係にあることが分かる。

20 θ

10

欠損の角度

。。 (3)

図 8

，...

180 ¹⁵⁰

、J

u 120 b 180

150

u 120

<D L

90

60

凶依存沼川町MH

90

60

30

川四『札口惜混同MW

n 10 欠損Jßlの枚数

η/】τtム

図 10 l/d

図9

。

(17)

北村・作本・梶田・池田・土田・小杉:欠t員碍子の組合わせによる高耐電圧維持

4 . 結論この実験の結論として

1 ) 閃絡破壊電圧に対しては碍子のふくらみの体積は小さい体積では有効で、あるが，大きくなるとこの有効性は減少する。

2 ) 切欠きをもっ碍子であっても，切欠き部をすこしずつずらし，枚数を重ねた組合わせ碍子を用いることにより，切欠きのない碍子の閃絡破壊電圧まで耐圧を維持することが可能で、ある。 3 ) 切欠き碍子で切欠きのない碍子の関絡破壊電圧まで耐圧を維持するための枚数は最短放電路が外

側放電路より大となる条件を満たすよ 7 に決めればよいと考えられる。 4 ) 切欠き碍子における枚数とずらし角は図 10 より決めることが可能で、ある。

5 ) これら実験の結果から，上向きにトラップを持つ高耐電圧 !懸垂碍子の実現の可能性があると考えられる。

参照文献

1 ) 池田長康弘電気試験所葉報，第32 巻， p.1008， 1 968 2 ) 北村岩雄ら，富山大学紀要，第43 巻， p. 1 ， 1 992

ntu

(18)

Sustainment of Insulation for H igh Voltage by the combination of P orcelain I nsulators with cutting parts

Iwao Kitamura， Norihiro Sakumoto， *Minoru Kajita， Nagayasu Ikeda

* *Yoshinori Tsuchida and * *Tomoo Kosugi ( *Kansai Ele ctric Power Co.)

( 村Electric Power Development Co.)

A method of the sustainment of insulation for high voltage by porcelain insulators is to enclooe deeply both metal electrodes with the porcelain insulators. Therefore， the methode has a fundamental weak point of water stay after rainfalls. For avoiding the water stay， the porcelain insulators were cut in the radial direction. The sustainment for high voltage by the combination of the porcelain insulators with cutting parts are examined in this experiment.

It is found that the combination of the porcelain insulators with the cutting parts b y rotation of above 1 5 degree alternately， sustains the same voltage as the insulators without cutting part do.

〔英文和訳〕

切り欠き部をもっ碍子の組合わせによる高耐電圧維持

北村岩雄，作本憲大， *梶田

* *土田芳則，村小杉 ( * 関西電力株式会社 ) ( 村電源開発株式会社 )

実，池田長康，

友男

懸垂碍子の高耐電圧維持の方法は両方の電極を碍子の絶縁物で深く囲むことである。この方法は雨が降れば雨水が溜まるという基本的な弱点を持っている。この雨水が溜まるということを避けるため，

碍子に半径方向に切れ目をいれた。この実験では切り欠き部をもっ碍子の組合わせによる高耐電圧の維持について調べた。切り欠き部をもっ碍子を交互に 1 5度以上回転させた碍子の組合わせは切り欠き部をもたない同じ数の碍子と同じ電圧まで耐えることが分かった。

AUτ 寸14

(19)

降雪，降雨の電荷量測定と冬季雷雲の電気構造に関する考察

北村岩雄，作本憲大，南口芳文，池田長康

1 . まえカぜき

今日の高度情報化社会を維持する上で必、要不可欠なものに，品質の良い電力の供給が上げられる。 -_a停電事故が発生すると，状況によっては市民生活にパニックさえも起こしかねないほど重要な影響を与える。そして，この停電事故の大部分は落雷が主な原因である。しかし，雷雲の発達から落雷のメカニズムについての詳細はいまだ不明のままであり，当然，落雷に対する適切な対応も遅れているのが現状である。特に，北陸地方の降雪に伴う落雷に関しては夏の雷雲による落雷と異なり，特有のプロセスで複雑で、あると言われている。我々は雷雲の構造，電荷量の分布状態など上空の雲の情報を運んで来てくれると思われる雪や雨に着目し，これらの電荷量とその時間的推移を観測し，雷雲の構造，電荷量の分布状態などの推定と雷雲の発達，衰退および雷撃予測の可能性を検討することにした。この報告は降雪および降雨の電荷量の測定方法と得られた結果から推測され冬季雷雲の電気的構造に関して考察する。

2. 測定装置

この研究のポイントは降雪および降雨の正確な測定にかかっている。この電荷量の測定装置は 1 ) 降雪および降雨の電荷量を集電する電極部， 2 ) 集電した電荷量を測定し，記録する計測回路とからなっている。

2 . 1 集電電極部

この微量な電荷をいかに漏れないように測定するかという点を考慮、して，降雪に対して製作した集電電極部を図 1 に示す。同図から分かるように良好な耐候性と高い対地漏洩抵抗をもっ構造となっている。同図において， Bはアルミ製のたらい形状をした集電電極板でありこの上部に雪Hが積もるようになっている。これは長幹碍子 C によって地面 F より非常に高抵抗に保持されている。また，長幹碍子 C に直接雪がかかると漏洩抵抗が低くなり， ìP'lj定が出来なくなるため合成樹脂製の保護円筒で周りを覆い，更に，. 上部からの吹き

Fh1u 唱'A

^{図 1}

(20)

込みに対処するため，集電電極板で、覆っている。この電極板で発生した電圧は測定用端子 Aから同軸ケーブル Eを通して計測回路につながれている。また，この集電電極部は風雨に晒されるので風などにより倒されることのないように，長幹碍子 C を金属

の台 G で固定している。

次に，雨に対しでも測定可能なように，図 2 に示すような高漏洩抵抗の集電電極部を製作した。雨は雪と異なり，金属製たらいの集電電極外側に付いた水滴はたらいの中の電荷も集め，いっしょに落下してしまい，集電することが出来ない。従って，集電電極の外側には水滴が付着しないように合成樹脂製の円筒状覆いを設けた。このような形状のため，雨水はすべて溜める方式をとっている。

図 2 2 . 2 計測回路と測定方法

集電電極板に積もった雪の電荷量を計測する回路を図 3 に示す。同図の左端が集電電極部であり， C o は測定用同軸ケーブルの静電容量を含む集電電極部全体の浮遊静電容量で， 7l8 p F である。測定用同軸ケーブルは 5 C - 2 V ， 10m を用いており，エレクトロメータに接続されている。このエレクトロメータは超高入力インピーダンス ( 1 X 10 12 .Q ) の直流電圧計として用いている。

今，単位時間に q [C ] の電荷が降って来るとすれば， t 秒後，端子電圧を E[ V ] ，漏洩電流を i [ A] とすれば，電荷の保存から

q t = C o E+

丈 ^fo

^tEdt

が成り立つ。右辺の第 2 項は q を一定とすれば， Et / ( 2 R o ) となる。実際の回路では t は 10 秒， Eは 50 [ V ] 以下としているため，漏洩電流によ

r-ーー「

!.

_

ⁱ

l エI ーー

I レ i i ^t

図 3

る電荷の漏れは静電容量 C o に蓄えられる電荷量の 8 % 程度であり， t 秒間の電荷量はほぼ C o Eで表される。同図におけるスイッチ Sa と Sbは静電容量 C o と R 。を測定するためのものである。静電容量 C 。の測定は既知の静電容量 Cs をバッテリ - Bs で充電し， C 。を並列につなぎ，電圧の降下で測定する。また，漏洩抵抗 R 。は充電された静電容量 C 。の時定数から求めた。スイッチ Scは t 秒毎に電荷を放電させ，リセットさせるスイッチである。また，このエレクトロメータには記録計が接続されていて，時間的な推移も測定可能である。

この R 。の値は碍子の表面の状態により大きく変動するため，溌水シリコーンを塗布し，更に，計測回路のスイッチ類は乾燥剤の入った缶の中にいれ，高絶縁抵抗を維持している。しかも，時々点検

を行っている。

2 . 3 降電，降雨センサー

雪や雨が降って来ても，上述の計測回路が働かなければ，測定出来ない。それで，雨などを自動的に感知して計測回路を動作させるセンサーを付加した。これは図 4 に示すような基盤で自作した，検

po

(21)

北村・作本・池田:降雪，降雨の電荷量測定と冬季雷雲の電気構造に関する考察

出部と図 5 に示すリレー C Rを動作きせるための増幅回路部とからなる。

2 . 4 測定方法

この計測は雪や雨の電荷量を積分してゆく方法であるから，どこかで電荷を放電させなければスケールオーバーてしまう。また，計測時間を長くとると，漏j曳電荷が増え，電荷量と電圧との比例関係が悪くなってしまう。更に，電荷の極性が反転した場合の判定が分かり難いということがある。これらの理由により，ある一定時間毎に電荷を放電させ，リセットさせるために，タイマーを使い，オン

・オフを繰り返す。この測定ではこの時間を 10 秒に設定している。図 6 に測定される電圧の模式図を示す。時間間隔A はタイマーがオフの状態であり， 1 0 秒間の電圧上昇がある。時間間隔Bではタイマーがオンの状態であり，発生した電荷をリセットさせている。この時間は電極の電荷を放電させるに十分な時聞があればよし 1 秒間に設定している。

3. 電荷量の測定結果

十

図 4

図 5

A

+12V

25C1815 X2

A=10sec B= lsec

E 0 l' ゾ . .、 r--+ t

3 .1 降雪および電荷量の測定結果 (V)

1 993年 1 月 28 日および 2 月 12 日に得られた測定結果を図 7 a ) ， b ) に示す。 1 月 28 日

は約 lO cm の積雪があり，気温も o oC と低く， ^{図 6} 図 8 a ) ， b ) に示す気象衛生の画像と気圧

配置図から分るように典型的な冬型の気圧配置であった。降雪電荷量については次節において検討する。図 7 c ) には 8 月 17 日の降雨の電荷量の測定例を示す。この降雨の場合負電荷が多ししかも，正電荷は短時間に密度が大きく降って来ることが分る。

QV

-50V

国7 a)

一17

(22)

図 7 b) +50V

図 7 c )

3 . 2 降雪電荷量の特徴 3 . 2 . 1 一分布電荷量の特徴

隣接する電荷を持った集団と明らかに区別出来る別の電荷集団をここでは一分布と呼ぶことにする。 3 月中旬までに得られた測定データから，これら一分布の形状は図 9に示すように四つに分類することが出来る。 1 )は電荷量の最大値が一分布のほぼ中央にある， 2 )最大値が一分布の始めのところにある， 3 )最大値が一分布のおわりにある， 4 ) いずれでもない分布の場合である。これらの中で 1 )の最大値が分布のほぼ中央にある場合が最も多く現れた。

次に，最大値と平均値との関係を調べた。図 10 には約40 の分布例について調べたものを示す。ほぽ 1 次関数的な依存性を示す。図中の破線は三角形分布の場合の時である。これから，一分布の平均的な形はやや鋭い三角形分布か，その所々に切れ目の入った分布であると考えられる。また，一分布の最大値とその継続時間は図 1 1 のようにあまり関係が無いことも分った。

3 . 2 . 2 降雪電荷の極性

測定データから， 1 から数個の分布が集まって， 1

つの同極性集団を形成していることが分る。図 12 は同極性集団が極性が反転または電荷が無くなるまでの継

00 1

図 8 a)

図 8 b)

図 9

(23)

北村・作本・池田 : 降雪，降雨の電荷量調IJ定と冬季雷雲の電気構造に関する考察

. . - .. ・.

. - ・ . -. . . . .. . . . . . . . .

50

::> 40

坦-K ³⁰ 同時Q

4ト20侍余1 10

一一

^一次近似

[lx10-'1 5 一』・三角形

1 2 3 4

一分布中の最大値(C/rrf/'it) [1 x1 0-712

(余~hH1U)困層雪Mr

図10

5 10 15

一分布の時間(分) 図 1 1

図 12

- 正極性

。負極性

。;

高100

輔法宮島翠量車問盤宮崎割耳障

50 12 園生当窓弓毒事面

。

続時間に対してどのような頻度で現れるかを調べたものである。同極性集団の継続時間は 8 分程度が最も高い頻度で現れ， 5 分から 15分程度で反転している。これらは同極性電荷をもっ雪雲の分布，拡がりや移動速度，風向きなどで決まると考えられる。

次に， 1 月 28 日の降雪を極性別にして降雪時間の積算量を調べたものが，図 13 である。この図から正極性と負極性の雪がほぼ同じ位の時間，交互に降っていることが分る。また，図 7 a ) を分りやすく降雪の極性別平均電荷量で整理すると図 14のようになる。ここで雲が一定速度で移動しているとすれば，ある極性の雪が降った後には，ほぽ同量の反極性の雪が降っている

ことが分る。これは同じ雲から降って来たとは考えにくし当然，雲の移動から生じた現象と考えられ，上空では正負両極性の電荷を帯ぴた雪が対をなして移動

していると考えられる。

降雪の電荷量を計算すると， 25 分間で約 8 X 10- 6 C /m2 もの電荷が地面に落ちたことになり，これは

1 km 2 当たり 8 C もの電荷が上空から地上に移動したことになる。

50 100 150 200 降雪時間積算量〈分)

図 13

降嘗時間積算量(分) 図 14

[1x1 4ミ'邑 ü 3現Ie:

S割E Eト

冬季雷雲に関する考察

以上の降雪電荷量測定から，降雪の極性は正負交互になっていることが分かった。冬季雷雲は高きが低いことから雷雲と降雪のそれぞれの荷電極性は大体一致していると考えて良いのではないかと思われる。また，通常の雷撃では 3 から 90 C ，平均25 C くらいの電荷量を放電しており川上述した測定では 25 分間で

Qd

4 .

富山大学工学部紀要