アルミ被鋼線の瞬時電流容量

U･D･C.る21.315.555:るる9.71

アル

_{ミ被銅線の瞬時電流容量}

Short-CircuitCurrentCarryingCapacityofAluminum-CladSteelWire

田

_中

_昭*

_沼

_尻

_文

_哉*

AkiraTanaka _{FulniyaNumajiri}

内

容

梗

概

亜鉛メッキ鋼線の上に電気用アルミを圧接被幸宏したアルミ被鋼線の瞬時電流容量を決定するため,素線とよ り線の両方について通電実験を行なった｡ 実験の結見全熱量と温度上昇の間には一定の関係があること,より線の温度上昇を求めるためには内部の 温度こう配を考慮しなければならないこと,アルミ被銅線の良高許容温度は400℃にできることなどがわかっ た0この結果に基づくとアルミ被鋼より線の瞬時電流容量は同じ繕の架空地線用鋼より線や鋼心イ号アルミ合 金より線に比較して30∼50%大きいことが示される｡ 第1表 試料の寸法 と _性能

1.緒

口 架空送電線には雷遮へいと誘導防止の目的で架空地線が使用され ている｡この架空地線用電線にはこれまで鋼より線が使われてきた が,最近では送電線の送電電圧の上昇と短絡容量の増大にともなっ て導電性が高い鋼心イ号アルミ合金より線や,導電性が高く耐食性 もすぐれているアルミ被鋼より線が採用されるようになっている｡ 架空地線用電線の大きさを決める要田に瞬時電流容量,すなわち 雷電流のように非常に大きい電流がごく短時間流れた場合の電流容 量がある｡アルミ線やイ号アルミ合金緑の瞬時電流容量はアルミ裸 電線電流容量専門委員会で検討されており(1),最高許容払し度をそれ ぞれ180,150℃として計算されている｡ アルミ被鋼線ほ亜鉛メッキ鋼線の上に,電気用アルミを均一,完 全に正接被覆したものであり(2),このような複合電線の瞬時電流容 量の研究はこれまで行なわれていないようである｡このためアルミ 被鋼線の素線とより線の短時間通電時の温度上昇と引張漉さの低下 率を検討した｡同時にそれをアルミ線や亜鉛メッキ鋼線の特性と比 較して,その瞬時電流容量の決定に必要な資料を得ることができ た｡なお種々の計算には電子計算機HITAC3010を利用した｡ 2.通

電

実

験

通電実験に使用した試料のうち,義妹は同一外径でアルミ厚さが 違う特強アルミ被鋼線2種類(以下EASと略称する),比較開とし て同径の硬アルミ線(以下Alと略称する),および亜鉛メッキ鋼線 (以下Stと略称する)各1種類の合計4種頸である｡またより線の 試料ほ7本よF),19本よりのEAS各1種類と,比較用として同じ 構成のアルミより線各1種頸,および一般架空他線用鋼心イ一号アル ミ合金よi)線と同じ偶成の鋼心7′しミより線2托類(以下ACSRと 略称する)の合計6種類である?二れら各試料の寸法と･l朋巨ほ第1 表のとおりである｡ 通電実験回路を葬1図に示す｡素線は金属光沢の表面のままで通 電したがより線ほエージングを模擬するため表面をガ去くぬった｡通 電を50∼,2,000kVA大電流発生装置を使用して子∫ない,通電時間 は0･5秒と2･0秒の2種類とした｡通電時の眉流･電旺および熱電 対の出力は電磁オシログラフに記鉦され,通電時間の逃択ほロータ リースイッチで行なわれた｡また試料の電流遮断後の表面放冷特性 は温度測定用nlV計を用いた熱電温度測定装置で測定さ々tた｡な お,実験ほどの種類もそれぞれ数本ないし十数本の試料についてく り返された｡ 素線の実験結果を舞2表に,より線の実験結果を弟3表に示す｡ 日立電線株式会社日高工場 (a)素 線 種 煩 硬 ア ル _{ミ 線} 亜鉛メ ッ キ鋼線 特強アルミ被鋼線 同 _上 江:1.特強アル 寸法と略号 (1Tlm) 3.2A1 3.2St 3.2(0.35)EAS 3.2(0.65)EAS 直流抵抗(20℃) (n/km) 引 張 破 さ (kg/mm2) 1乱82 149.7 120.7 73.91 被鋼線の寸法中かっこ内の値は漂準アルミ厚さを示す｡ 2･爪瀧妖抗と引張威さは実測値を示す｡ (b) よ り 維 根 菜薙 (mm2) 150A1 55Al 120ACSR 79ACSR lOOEAS 36EAS 一しし■ 二1JぅりU 構 成 (mml 19/3.2A1 7/3.2Al 12′/3.5Al＋7/3.5St 12/2.9Al＋7/2.9St 19/3.2(0.65)EAS 7/3.2(0.65)EAS

に≡)

16.0 9.6 17.5 14.5 16.0 計算断血舶(mm2〕

_ヱニし.!,

152.8 56.3 115.5 79.3 98.9 9.6弓 36.4 鋼l計 0.0 0.0 67.3 46.2 53.9 19.9 直流抵抗 (20℃) (Q/km) 0.188 0.507 0.233 0.366 仇268 0.729 Ⅴ 埠 ∧退 問 断筆

量

c･Tr 軌 _†王 器 器 _器 ll 試料 _】】 IR Ⅴ Ⅰ m】¶1r .,電肘り 基準 爪ml■ ■ナシロ 7ラ｢ △ヮ/ヽ _l ロータり-ストノ′与 第1図 通 電 実 験[叫 路 接点 最小引 渡荷重 (kg) 2,270 838 9,590 6,820 9,780 3,600 第2図 電流,電圧および温度オシログラムの一例

第2ノミ 東 線 の 通 電 実 験 村i思 (a)通 電 時 間 0.5抄 試料の柿餅 (mm) 電 _流(A)

石窟￣】￣￣表歳時

電 圧(Ⅴ)

初〕オ丁表扁

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 123456丁78901 3.2Al 3.2(､0.35一)EAS 3.2〔0.65)EAS 時 訂] 通 b 1,320i 934 1,735 1,865 2,930 3,200 1,310 1,454 1,703 1,922 2,400 2.0秒 1,034 1,100 1,434 l,535 l,326 1,435 1,520 1,500 1,535 9.47111.64 ト 13.0 モ16.2 13.0 15.48 15.25 16.0 20.5 20.5 0.50 0.50 0.50 0.50 0.49 0.50 0.51 0.50 0.52 0.50 1 2 2 3 3

105687㌃｡1891

ー ハリ O 1 0 祇 抗 (￡2) 初 期

一

過晰時 7.17×10￣3 7.49〉く10-3 6.97×10-3 5.28×10-3 4.77×10-3 33.2 _×10-3 30.8 ×10-3 31.7 ×10-3 3臥9 _×10-3 33.2 _×10-3 9.90×10-3 10.15×10-3 9.22×10-3 10.30×10-3 9.16xlO13 10.05×10--3 6.66×10-3 6,69×10-3 6.36×10-3 6.36×10-3 6_74×10￣3 101010101〇一101010101010 )へ××××丁帥帖×X X X 笛 _:り (W) 初 期

ら

遮断時 12.50×103 22.6 ×103 24.3 ×103 45.3 _×103 49.2 ×103 3 3 3 【J 3 0 (U O O ハU X X X X X 3 3 3 3 3 3 ハU O nU nU O O l l l l l l X X X X X X nU 1016172931一293339胡51一81624304356一2131424249

州棚州州器州州州州一州州側棚棚州怒棚州側

全熱_量 (kcal) 12358.13 状抗温度床教 (20℃) (1/℃) 4.03×10-3 4.13×10￣3 3.87×10￣3 4.29×10￣3 4.00×10-3 4.22×10-3 4.00xlO-3 4.44×10-3 4.69)く10-3 5.07×10-3 4.44〉く10￣3 3.97×10￣3 4.69×10-3 4.85×10￣3 4.72×10-3 4.90×10-3 4.14×10￣￣:弓 4.05×1u￣:与 4.36メ:10-3 4.52xlO-3 4.28×1し｢3 榊一■22232｡25 2222仙333333 67890】 33334一 イ■ ㌍▼ 叫 3.2(0.35)EAS 3.2(0.65〕EAS

l＼･

◆＼ 胃ヒ 電 流(A)

棚￣￣F￣表読壷

1,443 1,635 1,780 1,965 67誕80即一1447 34 3650 62 671･｡り一8りり”2･｡2,5 1,282 1,475 1,600 2,050 2,570 ＼= 5.46 6.97 7.20 9.10 6.35 9.12 12.55 14.3 15.2 20.0 遮断時 6.77 9.87 13.94 15.86 17.25 22.8 しS) 1.93 1.95 l.96 l.97 1.95 1.95 1.94 l.95

一打宗転こニ===ニ=

ーTl〒h- ､---､--No,ごバ 叫--一丁-一札→t1-1A-一山 り.5 1.0 適 意 時 間(ゞ) 第3一式】(a)素線のノー凱充=車間柑什 机 抗

葺

き喜享…董圭§妻…!

志二三l芸欄

7.32×10-3 11.18×10-3 9.89×10-3 14.09×10〟3 50.5 ×10￣3 52.9 ×10￣3 74.7 _×10-3 83.7 _×10-3 11.04×10-:与 13.68×10￣3 17.78×10-3 19.80×10-3 22.5 _ニく10-3 28.8 _×10-3 10.95×10-3 14.75×10-3 15.67×10-3 19.02×10-3 22.7 _×10-3 7.90×103 11.40×103 12.83×103 17.90×103 0 0 ∧U <U O l l l l l X X X X 〉( 5 5 Ln〔 ∩り. 4 6 8 7 8 3 5 5 7 1 1 2 3 ＼ ≠-,-▲か-一心一一く-一寸Nり.1り7 わ _(二W) 遮断時 5.95×103 7.77×103 8.64×103 9.SOxlO3 7.57×103 臥50×103 12.79×103 15.05×103 4.16×103 7.13×103 10.98×103 12.72×103 13.28×103 18.06×103 6.14×103 7.62×103 8.75×103 11.83〉†103 14.60×103 3.9lxlO▲3 4.12×10-3 3.92×10-3 4.18×10-3 4.28×10-3 4.02×10▼3 4.74×10-3 4.69×10-3 3.70×10-3 4.70×10-3 4.38×10-3 4.45×10-:i 4.67×10-11 4.67〉く10￣こ】 5.5l〉､10-3 4,83xlO￣:i 4.31×10-3 4.69×10-3 4.62×10-3 Y仇121 _ J ___｢一二 ∴=.12〔; 1も→ゝ一一小一一ゝ--一心-.血_ヰ____....←_■_一▼_▼一ゝ__】一し､【__ふ_,_J__ 1り.1†｢ 八u.川+ ′ゝh･一･△【-→ゝ-一心-･小N().112 1.U 拙 花 時 間(s) 第3図(b) より線の電流時間年引■fl三

514

_{昭和39年3月}

_止

_評

_論

_第46巻

_第3号 試番 試料の種類 (mm2) 101r 150Al 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 120ACSR 79ACSR lOOEAS 36EAS

初期一流遮よ芸-!言一芸芸

電 21.6 ×103 8.90×103 9.40×103 9.90×103 18.5 _×103 18.4 _×103 20.6 ×103 20.6 _×103 18.5 _×103 21.4 _×103 臥50×103 7.生6×103 10.1×103 間 2.0秒 21.6 _×103 8.20×103 9.20×103 9.25×103 18.5 _×103 16.4 _×103 17.5 _×103 20.2 _×103 18.5 _×103 20.4 _×103 8.24×103 7.34×103 9.80×103 13.6 10.6 12.8 11.1 19.4 12.7 18.0 13.6 17.4 20.1 13.4 1l.2 17.6 15.9 13.2 17.4 20.1 26.2 16.9 26.9 21.6 2仇0 26.9 17.8 13.4 30.2 温 度(℃)

息丼雷と歪大震1気温

0.501138 ハ八U O n八U 4 5 4 ハU O O 142 197 256 164i30 152 225 268 0.5211401144

0･52l158

賀…二j箋

168 302 228 182 270 161 165 462 一 8 0D 8 〔‖■0 2 2 2 ■ 2 24 24 26一3232一272827

表面温臥ヒ昇(℃〕∃

抵

￣忘断時l鮒壷【あ￣￣表

108.134 124 197 240 116 144 278 202 0.630×10￣3 1,190×10-3 1.361×10-3 l.122×10【3 1.048×10-3 0.690×10-3 0.873×10-3 0.660×10-3 抗 (Q) 遮断時 初 期 遮断時 150 _{L O.940×10￣3} 238･0.939×10-3

三……i…;………≡……三…

0.736×10-3 1.609×10-3 1.890×10-3 2.170×10-3 1.416×10￣3 1.031×10-3 1.537×10￣3 1.070×10】3 1.080×10-3 1.318×10￣3 2.160×10￣3 1.827×10￣3 3.080×10-3 94.4×103 120.3×103 110.0×103 371 280 323 (U O X X 0 × 430 _×103 114.0×103 83.7×103 178.0×103 38.1 11.60 16.77 16.98 52.5 354一35 試料の種類 (mm2)

114115竺117118

150A1 55A1 120ACSR 79ACSR lOOEAS 36EAS

｢

【

｢

8.24×103 12.1×103 13.3 ×103 3.78×103 5.20×103 16.8 ×103 18.8 _×103 15.6 ×103 8.26×103 12.25×103 12.4 xlO3 13.5 ×103 12.6 _×103 4.52×103 一}一ノーー｢一心＼ ′Y一 ＼い.1丁 臥04×103 11.3 _×103 13.2 _×103 3.70×103 4.36×103 16.7 _×103 18.8 _×103 14.7 ×103 8.00×103 10.6 ×103 10.8 _×103 13.2 _×103 12.0 _×103 4.50×103 5.70 9.20 10.1 4.40 6.60 6.82 8.80 11.2 6.38 9.24 臥58 11.0 9.90 6.60 6.20 10.6 13.6 5.50 7.30 7.48 10.3 15.2 時 間 (s) 1.98 1.96 1.84 1.92 1.98 1.98 2.00 1.96

2言:…Ol;二;2

15.O11.90

￣1二表￣1￣￣1∴ら6

＼=∴ト = 八‥ 1.= 過 ′l壬ムjj･ご _{fj‡】しS.J} 13941〇一209脱244 第4国(a)素線の電仁l三崎問特性 遮断器開閉時の影響を除くため通電電流,電旺の初射直,遮断値と してはそれぞれ通電後1∼目,遮断前1∼目の値をとった｡通電時 間ほオシログラムから読みとった｡また遮断時の試料の温度は表面 放冷特性から外そうし,これから㌔も温をさし引いたものを温度上昇 とした｡なお,より線の温度上昇としてほ遮断時の値と最大値の両 方を示した｡遮断時の温度上帥まオシログラフに入れた熱電対で測 走した｡ 実験結果からわかるように電流は時間とともに減衰するが,電肝 は逆に増加している｡電圧,電流および温度の時間特性ほ弟2図の 30 27一32 30 28 2327一303430 表庶温度上昇(℃)

￣表断時1良人后

6 (U 5 7 4 2 1 2 6 只U O O 2 9 3 4 7 穴U 3 1 2 1 2 9 9 6 7 ワ〕 ｢ノ エゴ ■｢■いノ■.■.【■■rり値ドし仁r 抵 初 期 0.692×10￣3 0.764×10-3 0.759×10-3 1.163×10-3 1.178×10-3 0.406×10-3 0.468×10-3 0.696×10-3 0.772×1013 0.754×10-3 0.692×10-3 0.815×10-3 0.764×10-3 1.460×10-3 ＼=.1り丁 ド0.川.隻 ＼∩.11:Z 抗 (Q)

】遮断時

0.771×10-3 0.943×10￣3 1.030×10-3 1.486×10-3 1.676×10-3 0.447×10-3 0.548×10￣3 1.034×10▲3 0.900×10￣3 1.906×10￣3 0.982×10】3 1.334×10-3 1.256×10-3 1.906×10￣3 i-･-ふ--116.4 _×103 148.8 _×103 124.8 _×103 29.8 _×103 114.5×103 233 _×103 179.5×103 3臥7×103 咋旦l+_+垣L⊥J些一_ ∫＼llNo.1U4F N仇115 ACSRIN(). _ト+･1旦⊥_旦口. 全熱量 (kcal) 22.9 54.1 69.2 8.50 16.28 56.7 86,0 94.6 26.4 76.2 53.5 91.3 69.2 15.06 ＼0.1ご1 _一ナ_一一一･0一一-￣○￣=言￣

止▼ノ･√･一課ユら

＼じ.115 1.11 通 _{子E 時} 間(s 第4図(b) _{より線の電圧時間特性} ようなオシログラムから読-んとることができる｡素線とより線の通 電電流時間柑生,端丁電圧時間特性をそれぞれ弟3,4図に示す｡ また熱電温度測定装置によって求めた素線とより線の表面放冷特性 を弟5図に示す｡

3.抵抗温度係数と熱容量

通電電流と温度上昇との関係を考察するためには,まず抵抗温度 係数と熱容量を知る必要がある｡試料の抵抗はオシログラムによる 電圧,電流の実測値から簡単に計算できるので,その初期値と遮断

ア ル

披

鋼

線

ヒ 味 1,00() 600 40() 200 100 0 ハリ ハリ 6 4 2 礫 頭

1仙｢

hり‥ 4川1 ;+ 東 洲‥ 1川1 一三ヾ 2口 グラフ ＼､も､ 種類 AI St q,35EAS O.65EAS

端

No.3 試番

＼

17 こ＼ ､ ＼ 60 120 180 240 300 速断後時間(s) 第5図(a) 素線の放冷特性 /ノー▼`-り■--イ､ノー t〕‖ 12(J 抗う 遵晰 後時間(s〉 :･与‖ 〓 〓 〔U U■･U ＼､‥＼V‥いハ‥､ハ 朋 VV 第5図(b)より線の放冷特性 = 1､ ∵引u S h■忙仁山以心 ､+ ‖‥〔〓■ 柑門川153655 時の値を舞2,3表中に示してある｡ここで初期航抗と遮榊古拙杭 の間には次の関係がある｡ 尽/=凡〔1＋αf(β′-〝g)〕 (1) ただし,月′:遮断時抵抗(Q) 凡:初 期 抵 抗(n) 〝′:遮断時温度(℃) 〟∼:初 期 温 度(℃) α`:初期温度での抵抗温度係数(1/℃) したがって20℃での抵抗温度係数α2｡(1/℃)ほ次式から球めること ができる｡

α20二由十(20一叫

■■`2) (2)式に実測値を代入しで各素裸の20℃でのセミ抗温度係数を求 めた結果が弟2表最後列中に示さカtている｡実測値の各種葉自の平均 値と,アルミの値を0.0040(1/℃),鋼の値を0.0045(1/℃)とし,ア 第4表 試料 の 択抗 (a)素 線

瞬

時

電

流

容

量 ルミと鋼の断面積の比からEASの抵抗温度係数を計算した値を比 較すると弟4表(a)のようになり,実測値は計算値よりわずかに大 きいが,いずれも鋼の断面積比が大きいはど抵抗温度係数も大きく なっている〔以後の検討にあたって抵抗温度係数にほ実測値を用い ることにする｡なお,より線は素線の値から拭抗温度係数を定め た｡これを同素(b)に示す｡ 一九 試料の熱容量は比熱,比重および断面積の横として求める ことができる｡いまアルミと鋼の常弧の比熱をそれぞれ0.214(kcal/ kg･℃),0.111(kcal/kg･℃)として計算した熱容量は舞4表(a)の ようになるが〔8),今回の実験のように温度上昇が数百度にもなる場 如こは,これを一定値としないで温度の関数としてあらわすことが 必要である｡したがってここでは素線の放冷特性に基づいて熱容量 を計算した｡ いまi試料lノ淵与の温度こう配が無視できれば,電流遮断後の試料表 面の温度変化はNewtonの法則により次式から求めることができ る｡

望㌢讐

‥(3) ただし, 〟:温 度 上 界(℃) C:熱 容 量(J/cm･℃) 〟:熱放散係数(W/cm･℃) 一刀,電線の無風時の対流熱放散係数については, Nusselt,Mc Adams,Riceなどによりそれぞれの式が提案されているが,ここで は凪がある場合との理論的関連をはっきりさせておくためRiceの 式(4)を採用する｡この場合熱放散係数疋は次のようになる｡ 〟二∬｡＋サ〟γ ∬｡= _仔γ二 ただし,∬｡ 2.466×10￣3㌢府 〔273＋0.5(〃〃￣i軒)￣〕0･123 1.812×10￣3d ‥(4) ‥(5)

〃〔(+晋)4-(晋)4〕

:対流熱放散係数(W/cm･℃) (6) ∬γ:ふく射熱放散熱係数(W/cm･℃) り:ふ く 射 率(素線0･45,より線0･9) 〝〟:気 温(℃) 〃｡:試 料 温 度(℃) d:試 料 径(c血) (3)式で微小時間』=勺の温度変化を』βとしてこれを差分方程式 にかき〔自二すと,次式のようになりこれからある温度に対する熱容量 を計算することができる｡

c二二些ゼ

_+_鞋』J (7) 過渡時にも熱放散係数が(4)式で表わされると仮定すると,素線の 表面放冷特性を利用して(7)式で求めた熱容量はほぼ温度の一次関 温 度 係 数 と 熱 容 最 (bJよ り 線 鐘 燥 (mm) 3.2A1 3.2St 3.2(仇35)EAS 3.2(0.65)EAS 抵抗温度係数(1/℃) 計算値 0.0040 0.0045 0.0043(1) 0.0042(1) 実測値 0.00405 0.00456 0.00443 0.00440 熱容品汀/cm･℃)

計算f㌃￣j￣￣￣妄測値

0.1945 0.2914 0.2536(2) 0.2243r2) 0.2157 0.3321 0.2979 熱容量と温度の関係式 C(J/cm･℃)=0.734×10￣4T(℃)＋0.2036 C(J/cm･℃)=6.28×10】471(℃)＋0.2181 Cり/cm･℃)=0.741×10￣壬r(℃)＋0.2728 0.2605.C(J/cm･℃)=1.827ノく10￣4T(℃)＋0.2466 注;(1)抵抗温度係数の計算値は,アルミを0･0040〔1/℃〕,鋼を0･0045(1/℃)としアルミと鋼の断面眉比 より求めた｡ (2)熱容量の計算値は,比熱をアルミ0.214(kcal/kg･℃),鋼0.111(kcal/kg･℃)としアルミと鋼 の断面宕比より戒めた｡ 種 摂 ｢mm2) 150A1 55A1 120ACSR 79ACSR lOOEAS 36EAS 抵抗温度係数(1/∂C)

吉巾壷(2)

0.0040 0.0040 0.0040 0.0040 0.0042 0.0042 0.00405 0.00405 0.00424 0.00424 0.00440 0.00440 熱容量(J/cm･OC)

計界掛1卜実糾軒2)

3.696 1.362 5.232 3.592 4.262 1.570 4.098 1.510 5.890 4.043 4.950 1.824 注:(1)計算値は素線の計算値に基づいて求めた｡ただし ACSRの鋼線の抵抗温度係数は無視した｡ (2)実測値は索線の実測値に基づいて求めた｡

516 _{昭和39年3月 日 主ノ.} 数となる｡これを第4表(a)の最後列に示したが,温度による熱容 量の変化はStがもっとも大きく,500℃でほ0℃の値の245タgにも なっており,またAlでほ同じく18%増しになっている｡なお同表 の式と実測値との差は±0.05(W/cm･℃)以下である｡これら実測 値の各種類の平均値を前述の計算値と比較すると前者の方が11∼ 17%大きい｡この値を金属便覧(5),化学工業便覧(6)に示された値と 比べると,アルミではほぼ-･致しているが銅でほかなり点い値を示 している｡しかし以後の検討にほ熱容量は実測値を川いることにす る∩なおより線は表面放冷特性が第5図(b)のように特児な形状に なるので,その熱容量を素線と同様に計算することほできない｡L たがって素線の値に某づいてその熱容量を決定した∩ _{これを第4表} (b)にホすっ

4.瞬時大電流による温度上昇

瞬時電流容量は熱放散を無視し,発生した熱量がすべでまE線の弘t 度上昇に費やされるとして計算されている｡いま電線lノづご耶の温度こ う配を無視すると

c-些-=J(り2月｡(1＋州)

d′ (8) である｡ ただし J(才):通電電流実効値(A) βひ:初 期 抵 抗(n/cm) α:初畑]弘と度での抵抗温度係数(1/℃) こjtまでの計算法では(8)式中のJ(わを･一定として計算されている が,この場合の通電電流をん(A)としたときの温度上昇ほ(8)式を といて,

〃=_I_(βαで卑旦∠_1,.

/r となり,瞬時電流額量は次式のようになる｡

ん=J警=‥

(9) (10) ただし, ∠:通 電 時 _間(s) しかし一般に瞬時大電流は減衰特性をホすのが竹であるから, J(′)は次の形であると考えられる｡ ′(り=JAg￣A′+-イノブβ一β′ ただL,ん:女流実効電流分 ′β:向流実効侶流分 A:交流分械衰率 β:向流分減衰率 A A り レ これを(8)式に代人すると,

d”二吾(1＋α〟仙β-ノ1′＋′βど一βりご

d′ (11) (12) 雀別り+条件を,′=0,〃二0とおいて二jtを解くと,温低卜恥t次ノ亡で 表わさJtる｡

〝=J-(βfl…-1)

(r

柑=一子苦0〔一言三(1イ∴1り十

＋諒(1-e￣ごβり〕‥‥

ん十ん A＋β .(13) (1-ど,し1十肘′) .(14) しかし弟3図からわかるように通電電流の直流分ほ交流分より減衰 が早いので,ある時間丁を境として近似的に次の関係が成りたつり

川)≡三;二三＋んβ￣β`さご≡三…ニちト

･(15) たたし, _才′:遮 断 時 間(s) 詐 (a) 一三′ゝ l汀田 第46巻 第3 シプ･ 第5表 通電電流,温度上昇計算値と実測値 素 線 雛嗣鯛㈱■〇.5 2.0 試 孫 〔八U 9 4 5 7 8 (mm〕 稚短 通 電 絶対値(A)

七￣】￣忘

3.2(仇35)EAS■2,471

3･2(0･65､)EASll･886

3.2(0.65￣JEASi2,550 3.2A1 3.2A1 3.2St 3.2St 3.2(0.35)EAS 3,2(0.35_)EAS 3.2〔0.65)EAS 3.2(0.65)EAS 江:〟1ほ穿托放散を無視した, (b) よ り _線 照準 j意花 時F手写】 rs) 0.5 2.0 175 842 704 1,363 1,163 】,021 463 1,097 138 556 273 415 423 999 536 1,672 電 流 i成東率(1/s)

￣三､￣】1｢

1.011 1.209 1.494 l.877 1.130 l.316 0.716 1.142 0.305 0.323 0.371 0.396 0.368 0.394 0.377 0.358 通 電 時 間 (s) 0.50 0.49 0.50 0.52 0.50 0.48 0.51 0.51 1.96 1.97 1,94 1.95 1.93 1.92 l.93 1.95

歪盈貰(℃)

㌃￣岳β2￣￣l￣￣

257.7 511.5 379.8 488.9 362.8 430.5 258.8 364.3 407.8 526.4 378.8 47l.7 438.0 595.2 512.7 584.1 〝2は熱放散を考慰したそれぞれ計算値｡ 256.8 509.3 378.3 487.3 361.4 427.0 25臥1 362.8 397.7 513.3 372.6 462.7 429.1 587.0 502.4 571.1 実 測 280 437 319 457 315 390 200 310 345 458 329 410 354 540 420 520 読 解 104 】07 112 115 118 121 123 倭 短 (mm3) 55A1 79ACSR 36EAS 通 電 絶対値(A)

亡事￣j

9,508 18,094 7,451 150Al ■11,516 55Al _;4,690 120ACSR 15,152 79ACSR ll,610

王…芸11冒3≡三…≡壬2:冒≡…

江:〝1は粗放散を無視した, (15)プ(の対数をとると 4,765 34,023 72 電 流 減衰率(1/s)

￣￣㌃￣￣】｢京

0.05469 0.06506 0.02849 0.01238 0.03844 0.01451 0.04268 0.01221 0.00884 52.01 74.92 10.54 29.12 21.97 48.55 46.74 29.01 60.14 通 電 時 間 (s) 0.48 0.52 0.48 遮断時温度上昇(℃) β1 213.0 283.8 139.2 156.9 139.4 356.0 376.5 1SO.0 223.9 〝2は熱放散を考慮したそれぞれ計罪伯｡ 10g(J(≠)-んβ￣Af)=10gJ月【β才 (0≦古く丁) 10gJ(′)=10gん一月′ 〝2 212.7 283.5 139.0 156.4 138.4 355.2 375.1 179.6 223.4

…:…;…ご)‡

実 刑

喜F警

(16) となるから,(16)式の第2式に′(f)の実測値を代入し最小自乗法に よってんとAを求が),ついで第1式からんとβと求めることが できる(G)〔l汁詐貼果を策5表に示す｡計算値と実測値の差は±10%' 以内である｡ このようにしてカモめた通電電流イ(g)を(13)式に代入して,減衰特 件を示す電流に対する温度_卜昇を計算すると舞5表の〝1ようにな る〔なお熱放散も考慮した場′｢ナの温度上#は次式より求められる｡

望グー=告仙r仰dβ一叫んβ-〃り2一号-･･(17)

ここで〟は(5)式で炎わされる熱放散係数で温度の関数であるか ら,これを解析的にとくことは抑.捌こ困難である｡しかし電子計算 機を利消し,Runge-Kutta･Gill法し7)によって逐次数値計算を行な えば任意の時間の氾度上界を求めることができる｡この結果を舞5 表の〝2として示したっ 舞5表をふるとわかるように〝1と〟2とはほとんど同一である が,これは通電時間が短く発1￣二熱量が放散熱よりはるかに大きいた めであり,瞬時大電流の検討にほ熱放散は無視できる｡また,遮断 時混在上昇の計算値と実測値の差は20%以下で比較的よく-･致し ているり弟る図ほ表血払1世上界時間特性の例であるが,素線でほ計 馴直と実測値は同一形状の特性曲線を示しておケ),両者の絶対値の 差は抵抗温度係数,熱容量の差のためと考えることができる｡しか しよF)根では計算値と実測値ほ同一形状とはならない｡これほより 線は素線を何本もより合わせた構成で,各素線の抵抗温度係数や熱

被

鋼

線

_日舜

時 電

流

容 量 517 ハル ■水 O nU ‖l 〔レ) 恵 】 叫一室 0 ワム 0 0 (UL 味 → 世 讃 ′1b ノ=r一 .上】′ ‖.〔 第6図(a)

〉NIL…

fNL7･11ご

Ⅰ(l 〔迫 _′.に帖 F】､J

l＼‥

2.1 1ノ 素線の温度トタ=肘昌j牛､川ニ ー---･･一計算依 -一一･･-一 笑測肺 :/㌔′す一一口 ′･′0 〔).5 1.り 適 _{一-E 咋｢[ii(ドJ} Nり.12G トN.,.11 第6図(b)より線の温度上井時間特性 容量にバラツキがあること,また各素線間に熱抵抗があることなど のためと推察される｡

5.仝熱量と温度上昇

以上述べたように,通電電流ほ減衰するのでその初期値だけから 温度上昇を論ずることはできない｡しかし熱放散を無視することが できるので,通電中試料が得た全熱量と温度上昇の間にほ一定の関 係がある｡ いま熱容量が一定であり,また熱量がQ(J)で表わされるとする と(8)式より, dβ _ 0(J) d′ C Lたがって温度_L昇は次のようになる｡

〃=∼ニー警⊥d∼･･

また全熱量を′とするとこれは次式で表わされる∩

ノ=iご㈹d′･･

(18) (19) (20) したがって,(19)式と(20)式より次式が成りたつ｡ ′=C♂… ‥(21) 一方,通電電流が(11)式で表わされる場合には通電後∠′た.ノ1たとき の温度上昇と全熱量はそれぞれ次式のようになる〔

〟′=⊥(β一･(ゾー1)‥‥

_‥(22) (T

′′=‡㌃(んβ▼叫イββ-βり2肘(′′)d′=÷(g叫)-1)

=Cβ′… …(23) (U O l)L O d仰卜 【山 ンノ 醸 +.鮮 叫≠ )㌧ 士一世讃 ソ〔 謡 第7L珂(a) 1〔,･＼ト(〉 ご() 1り くt一ユ･し1-_′申r￣

匡

-･一心---･････--｢ゝ･･一一一 和夫‡i ▲1卜∠,り ′二/ 時間(s) Al .11 バ1 バt りJう51二∫lS りJう5ⅠくÅS り.651⊥AS U.65上.AS 15 仝 熱 遥J(kcal) 素線の全熱昌室温度卜昇特性 -一一重･････････ -1･【1亭ゝ--一 小一 + .._

芸㌣十慧+

蒜訂r￣車イ

A1 15r)12 791U.5 12tJ ソ 36;0.5 担(し1__と_… 15りA卜二,り 仇5 り.5 り,5 2 ().5 2 40 60 1て 熱 量(kcal) 帥 第7図(b)より線の全熱量温度上昇特性

叫)=晋〔器(1-g￣2叫＋三悪(1-ピー(叫)

･豊(卜す2β叫･‥

…(24) すなわち通電時間と熱容量が一定ならば全熱量ほ温度上昇と熱容量 の横に等しい｡ 電圧と電流の杭として表わした電力の初期値と速断時の値は弟 2,3表中に示されているが,電力は時間に対してほぼ直線的に変化 ￣ナるので全熱量は近似的に次式によって表わされる｡

′=2･389×10￣￣1･一書一仰十恥)‥

‥･(25) たたし,J:牛 熱 量(kcal) Jノー:過 竜 _‖寺 間(s) I机:初 期 _{′在 力(W)} 町-:遮断時電力(W) (25)式による計算値を第2,3表中に示したが,これを′名刀時間特 件の積分値と比較するとその差ほ10%以下である｡こうして求め た全熱量と温度上昇の関係を舞7図に示すっ _{これをみるとわかるよ} うに,素線,より線とも通電時間が同一である場合,同じ全熱量に 対する温度上昇はほぼ熱容量に逆比例している｡また素線は上に凸 の曲線になっているがこれは温度とともに熱容量が増加するためと 考えられ,より線が逆に下に凸の曲線となっているのは素綿間の熱 妖抗の影響によるものと考えられる〔

518 _{椚和39咋3月 立}

る.放

冷

特

性

電流速断後の放冷特性をみると,舞5図のように素線でほ表面温 度はほぼ指数関数的に低￣Fしているが,より線でほ表面温度はいっ たん上昇し,20∼40秒で最大値に達した後に低下するという奇妙な 現象がある｡これは素線はその断面積が小さく試料内部の温度こう 配を無視できるのに対して,より線は素線を何本もより合わせてい るためその熱容量が大きくLかも各索線間にかなりの熱抵抗が存4三 するためであろう∩ _{したが一)て今回の実験のように通電時間が短く} 電流値がきわめて大きい場合にほ,試料内の温度こう配が大きく内 部で発生した熱量が表面に達するまでにある程度時間がかかるの で,このような現象を生じたのではなかろうか｡､これが事実であれ ばより線の瞬時電流による温度上昇の検討にさいしてはその内部の 温度こう配を考慮する必要がある｡ このような瞬時大電流による温度_L舛の--･例として,｢り柱の中心 にある大きさの熱源が瞬間的に発生し,そして消滅した場′(‡の温度 上昇を求める(9)｡この場合の温度上昇はグリーン関数を利川して求 めることができる｡たとえば外径16mmのアルミ丸棒の巾心に瞬 時電流が集中して流れた場合の表面温度時間特性は第8図のように なる｡なお同国では瞬時熱源の大きさは表面温度の最大値が200℃ になるように選んである｡この例でほ電淀遮断後0.4秒で表面温度 が最大になっているが,アルミ丸棒より熱伝導率が′+､さい物体で は表面温度が最大になる時間はこれに逆比例しておそくなる｡実測 値と計算例とを比較するとより線の熱伝導率ほ同径の丸棒に比べて きわめて′+､さくなければならない｡これらに関してほさらに検討を 行なっており,いずれ明らかになろう｡

7,素線の引張試験

素線の試料ほ通電後引張試験を行ない,加熱による機械的強さの 低下を調べた｡その結果を第9図に示す｡温度上昇が同じならば通 電時間による差は認められなかった｡これをみるとわかるように Alは200℃をこえると引張強さが低下しほじめ,300℃になると仲 ハり ▲‖U O O 5 0 5 0 〔ソ】 2 1 1 (P)味].世東恒鵬 50 0+ 0.02 0.040.060.10.2 0.40.61 2 4 6 20 4060 ZOO4006001,000 速断後時間(5) 第8図 瞬時熱源による表面温度上二昇時間特性 (且)引張施さ 200

モ15｡

J ハU O O 5 仙潜群蒜G･∽イ山.}∽ 2り 5 0 5

(N阜切望

杓演題一廿Gごく 一-一一-････････.1l ￣￣▲(>,￣St -･･･一-･-0.35E.AS 一---一一0.65上こAS 5t ゝl--¶---､ n.35EAS

=-･･叫一斗ー▲ユ▲一--rdト!+主空軍竺

100 200 30り 400 5〔∩ 6仙 温 度 _卜 昇(ロC･ 仙 弧`20 10

ト㌧忘にト厚.｢

‖0 6 4 2 (㌔)b彗G-∽く]J∽

附し1++.

ニ ー .-ノ ハリ O lJJ D 評 論 10Ur 60 (く望瑠叫斗り㌦川韻告鰭旺

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第46巻 第3号 血温更3()0℃ E一斗S 1川)mm上F二Aド 州Jmm2EAド 11〔)mm`LAト 90nlm∼E.1S 75mrnヱEAS 55m!EAS =.2 ().4 0.6 1 ワ 過 ′こ巨時 間(s) 第10岡 EASの瞬時電流容娃 ぴれ三〔澱に増加して軟化しているが,EASはStと同様400%でも り懐礁さばほとんど低￣Fしていない｡1時間加熱した場合にも引張 強さの紙下はAlが200℃で10%,St,EASは400℃で3∼5%と な一､ており,Alの最高使用温度を180℃,Stのそれを∠三nT)■℃とする ならばE+曳SはStと同様に滋高使用氾度を400℃として瞬時電流解 量を決定することができるものと考えられる〔.

8.アルミ被鋼より線の瞬･時電流容量

これまで述べた実験結果に基づいてアルミ被鋼より線の瞬時電流 額量を+ミめることができる｡EASの最高使用温度ほ400℃である が,より柑では内部の温度こう配のため･-lj心部の温度は表面よF)高 いことが当然予想される∩ 中心部と表廟の温度差がいくらであるか は今後の検討をこ待たねばならないが,第3表の実測値を調べると黄 巾i氾畦の崩大伯と遮l抑時の値との差ほ最大77℃となっており,遮 断時の小心温度と表面温度との差ほ100℃とすれば安全であろう｡ 二れより,中心部最高温度を400℃,表血最高温度を300℃,気温 を40℃をとして,(10)式より種々のサイズの架空地線用アルミ被 鋼より線の瞬時電流容量を計算した結果を舞10図に示す(またこ れと同じ外径の架空他線用電線の瞬時電流容量を比較のため示すと 第る表のようである｡アルミ綬鋼より線は外得が等しい鋼より線に 比べ30夕方,鋼心イリア′しミ合金より線(IACSRlに比べ50%それぞ れ日舜時電流容量が大きいことがわかる｡

9.結

口 7′Lミ班別よ【)線の瞬時電流容量を求めるため素線とより線に瞬 ーーー.斗1 ---⊂-- S† 一･-`-一0.35EAS -･･･→-･-0.65EAS Al → 心 叫 1nn

一丁'準

0.65EAS り.35EAS 200 300 4抑 500 600 温 度 卜 昇(二≡｢て･ 第9図 素線の加熱後の引張強さ･伸び 時大電流を通電tて諮特性を調べた｡ その結果を取りまとめると次のように なる1 (1)日舜時大電流は減衰特性を示す ので,温度_L昇の検討にあた .ってほこれを直流分と交流分 の和として取り扱うことが襲 ましい｡ (2)7′しミ被銅線の抵抗温度係数 の実測値は,アルミと鋼の断 面桁比から計算した値と同等 である｡ (3)ア′しミ被鋼線の素線の放冷特

/レ

被

鋼

線

瞬

時

電

流

容 量 第6表 架空他線用アルミ被鋼より線,同径相当電線の寸法,性能と瞬時電流容量 品 名 サイズ ｢mm2) 55EAS 70EAS 90EAS llOEAS 80EAS lOOEAS 120EAS 構 成 (mIn) 7/3,2rO.25)EAS 7/3.5〔0.3ノEAS 7/4.0(0.35)EAS :7/4.5(0.4〕EAS l一▼_._ 19/2.針0.6〕EAS 19/3.2(､0.65)EAS 19/3.5rO.7)EAS ミ _被 鋼 よ

㌃左￣ト脚立i

(mln)■ (kg) 1 9.616,670!

7,別Oi

董喜【し竺■L

10,080;

16.｡【…;……3室

17.5 ■11,9201 線 電気ほモ抗 (G/km) 0.323 0.268 0.227 官主:最高許容温度は,EAS300℃,IACSR150つC, 瞬時電流容量(A)

?･ヱ互Ⅰ垂吏

品名サイズ (mm2) 7,040 8,320 11,300 14,340 19,680 23,600 28,400 3,520 4,160 5,650 7,170 9,840 11,800 14,200 St400℃とLた′ 性から計算した熱容量は温度の関数である｡しかしアルミ と鋼の断両肘ヒから計第二した伯と常沿では大きな差はな い〔 (4)通電時間が短く通電電流値が大きい場合は熱放散を無視し て温度上昇を計侍することができる｡ (5)温蛭川一時間特性をNewtonの法則に基づいて計算した結 脱を実測値と比較すると,素線では同じ形状の曲線である がより線でほ違/)た形の｢Hl線となる〔これはより線内部の 鮒托抗を考慮しなければならないことを示すものであろ う｡ (6)熱解量を一定とすれほ仝熱量は温度上昇と熱容量の積とし て表わされる｡実際には熱容境ほ温度とともに増加し,こ の関数は完令には成りたたない｡ (7)素線の放冷特性はNewtonの法則にしたがった曲線となる が,より線は電流遮断後に来由温度が最大となる｡これは rLり線を偶成する各宗線間の熱抵抗と.それに韮づく温度 こう配によるものと雛察Lている｡ (8)基線の加熱後のり≡張試験から,最高任用温度をアルミ線 180℃,■l蛸いソキ鋼線400℃とした場合,アルミ被鋼線 ほ400℃とすることかできる{ (67亡土より/ノづく) 55St 70St 90St llOSt 79IACSR 97IACSR 120IACSR 外 径 同 一

i構｡mm)成lこ芸

相 当 電 線

引芸㌘l諾慧l一芸≡芋言語

言;…二喜≡:い…:…

7/4.OSt 112･0

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7′ノ4.5St 13.5

王≡ク…:喜三三;二言ク三二喜…:i三言:;l

1蔓卦妻引｡,｡2｡】4,96｡

1………弓…‡……≡【……;…喜…l…;……§

(9)電線内部の温度こう配を考慮して,表面の最高使用温度を 300℃として7ルミ被鋼より線の瞬時電流容量を計算する と,電流容量ほ同一外径の鋼より線より30%,また同一外 径のIACSRよi)50%それぞれ大きくなる｡アルミ被鋼よ り線は引張り荷屯電気抵抗などもこれらの電線よりすぐ れておF),耐食性もよいので架牢地線としてもー-,ともすぐ れているということができる｡ 終わりに本研究にあたり実験に協力された日立電線口高工場第一 研究諜林氏,第二検査課高木氏,および素線の引張強さの資料を提 供された第二研究課川西主任に感謝する〔 (1) 2 3 4 5 6 7 00 9 参 蔦 文 献 丁′しミ裸電線電流容旨㌻専門委員会:電気協r￣･司研究4(6),1 (1948) 111路,川西, 粟野,葛岡: C.W.Rice: 日本金属ご羊会 化学工学協会 柿崎:目立評論別冊43,29(1961) 伝熱⊥学283(1957,丸善､) TAIEE,43,131 :金属便覧528 化学工学便覧 粟松:数値計算法94(1958, 日立製作所:tJMAC資料4, 甲藤:熱伝導論1()n(1956,

特

許

と

新 案

最近登録された日立製作所の特許(その4)

(1924) (1952,丸善) 60(1958,丸善) 電気讃院) 11(1963) ユし立肘睨) 特許番一号 412406 412407 412409 412410 412411 412412 412413 412416 412417 412418 412419 412422 名 称 ー一-一 は八 川 {也 一汁-練 X 各 J 11てノブく 倒 引 l⊥ 与壬 i芹 樅 ド+七き形￣八:･r _{′＼ク1--ンぴ=一成き与ヒ嗣} 一､′L 卜･ノ〕ま＼.i】ドガLl二装打】 l自二 半 耐 水 食 流 速 屯 制 御 装 ilアた 希 体 発 屯 桜 制 御 装l= 流 発 電 俳 書′l仲 子R=デr ￣ノJ式 中二 d三 助 装 杜･､私_紙 …印 比 レγ 鮒 ′泣叫山 +1ウ｢▼ ノl■正 系托 向 ∴ ＋〃 巾軌 二 の ■■て巾 行 り 走

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