(57)【要約】      （修正有）【課題】高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を低減するシステムを提供する。【解決手段】システムは、高圧電力システムのケーブルとアース接続との間に結合される電圧ダンパ４２を備える。電圧ダンパは、電圧ピークをクランプするように構成される。システムは、電圧ダンパの両端間に結合され、高圧電力システムの共振周波数を偏移するように構成された周波数シフタ４６を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧電力システム（１０）における調波歪みによる共振を低減するシステムであって、
前記高圧電力システムのケーブルシース（６０、６２、６４）とアース接続（７４）との間に結合され、電圧ピークをクランプするように構成された電圧ダンパ（４２）と、
前記電圧ダンパの両端間に結合され、前記高圧電力システムの共振周波数を偏移するように構成された周波数シフタ（４６）とを備えるシステム。
【請求項２】
前記電圧ダンパの両端間に結合され、異常な電圧スパイクを抑止するように構成されたバリスタ（４４）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記バリスタ（４４）は、金属酸化物バリスタ又は非線形抵抗器の少なくとも１つを備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記電圧ダンパはさらに、調波歪みによる共振ピークを抑制するように構成された、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記周波数シフタは、並列共振周波数をシフトするように構成されたデチューナを備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
さらに前記高圧電力システムの共振周波数を偏移するように構成された、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
調波共振緩和装置であって、
調波歪みによる電圧ピークを抑制するように構成された可変抵抗器（４２）と、
前記可変抵抗器に結合され、システムの共振周波数をシフトするように構成された可変インダクタ（４６）と、
前記可変インダクタに結合され、異常な電圧スパイクを抑制するように構成されたバリスタ（４４）とを備える装置。
【請求項８】
高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を監視し、緩和するシステムであって、
前記高圧電力システムのケーブルとアース接続との間に結合され、電圧ピークをクランプするように構成された電圧ダンパ（４２）と、
前記電圧ダンパの両端間に結合され、前記高圧電力システムの共振周波数を偏移する
ように構成された周波数シフタ（４６）と、
前記電圧ダンパの両端間に結合され、異常な電圧スパイクをクランプするように構成されたバリスタ（４４）と、
前記電圧ダンパに結合され、複数のネットワークパラメータを記録するように構成された監視装置と、
前記監視装置に結合され、前記抑制された電圧と前記周波数シフタとを前記ネットワークパラメータに基づいて同調させるように構成された自動同調可能回路とを備えるシステム。
【請求項９】
高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を緩和する方法であって、
調波歪みの共振により生ずる電圧ピークをクランプし、前記高圧電力システムの共振周波数をシフトし、前記高圧電力システムにおける異常な電圧上昇を抑制することによってアース接続に複素インピーダンスを導入するステップを含む方法。
【請求項１０】
高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を低減するシステムであって、
前記高圧電力システムのケーブルの電圧を搬送しない部分とアース接続との間に結合され、電圧ピークをクランプするように構成された電圧ダンパ（４２）と、
前記電圧ダンパの両端間に結合され、前記高圧電力システムの共振周波数を偏移するように構成された周波数シフタ（４６）とを備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に高圧電力システムの共振に関し、特に調波歪みによる共振を緩和するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電流（ＡＣ）を直流電流（ＤＣ）に、またその逆に変換するシステムは、受動入力及び出力フィルタを有する整流器回路網などの回路を含み、これはＡＣ電流波形の著しい調波歪みを生ずる。調波歪みは典型的には不都合な電力散逸をもたらし、別の送電線や装置に望ましくない電磁干渉を生ずる。歪みを生じたＡＣ電流波形はさらに、電磁結合が行われる変圧器や回転機械に不都合な振動を励振することがある。加えて、入力力率に悪影響を及ぼすことが多く、その結果動作効率が低下する。
【０００３】
ＡＣからＤＣへの別の電力変換方法には、様々なパルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチングモード技術を利用した能動回路を含むものもある。このようなＰＷＭ技術は変調周波数で離散回路電流パルスを生じ、そのため調波歪み及び電磁干渉を制限するための実質的なフィルタリングが必要である。このような実質的なフィルタリングの１つに能動フィルタリングが含まれる。調波歪みを最小限にするため、ＰＷＭコンバータ制御システムに除去技術が利用される。しかし、このような技術はより高い周波数では効果が少ない。
【０００４】
能動フィルタは閉ループ制御のために電力システムの送電線レベル基準（電力システムの負荷又は電源で検知された電流又は電圧）を使用することが理解されよう。電力システムの負荷又は電源で電流又は電圧を検知することの欠点は、電力システムのフルライン電圧又は電流にさらされる検知装置が含まれ、そのため高い定格電流の検知装置を必要とすることである。
【０００５】
さらに、能動フィルタでは、能動フィルタの制御装置と必要な検知装置との間の物理的な距離に関して運搬上の問題が生ずることがある。その上、電力システムの送電線で閉ループ制御を使用すると、電力システム自体に変更がなされた場合に制御が不安定になり易い。前述の方法の別の欠点は、各々が同じ電力システムの送電線を検知する複数の能動フィルタ間で電流を調整するという問題である。このような構成では、各能動フィルタは別のフィルタを補償しようとする。さらに、能動フィルタには追加のスペースが必要で、コストが高くなるという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第２，９４５，１３６号
【特許文献２】米国特許第４，３２８，４７４号
【特許文献３】米国特許第５，５６７，９９４号
【特許文献４】米国特許第５，７５１，１３８号
【特許文献５】米国特許第６，０６４，２５９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、共振の緩和を含む向上した調波緩和技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
簡潔に記載すると、高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を低減するシステムが提供される。このシステムは、高圧電力システムのケーブルシースとアース接続との間に結合された電圧ダンパを含む。電圧ダンパは、電圧ピークをクランプするように構成される。このシステムはさらに、電圧ダンパの両端間に結合され、高圧電力システムの共振周波数を偏移するように構成された周波数シフタを含む。
【０００９】
一実施形態では、共振を緩和する装置が提供される。この装置は、共振電圧ピークをクランプするように構成された同調可能な電圧調整器を含む。この装置はさらに、同調可能な電圧調整器に結合され、システムの周波数を共振周波数からシフトさせるように構成された周波数チューナも含む。
【００１０】
一実施形態では、調波共振緩和装置が提供される。この装置は、調波歪みにより生じる電圧ピークを抑制するように構成された可変抵抗器を含む。この装置はさらに、可変抵抗器に結合され、システムの共振周波数をシフトするように構成された可変インダクタも含む。このデバイスはさらに、可変インダクタに結合され、異常な電圧スパイクを抑止するように構成されたバリスタも含む。
【００１１】
一実施形態では、高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を監視し、緩和するシステムが提案される。このシステムは、高圧電力システムのケーブルの電圧を搬送しない部分とアース接続との間に結合される電圧ダンパを含み、電圧ダンパは電圧ピークをクランプするように構成される。このシステムは、電圧ダンパの両端間に結合され、高圧電力システムの共振周波数を偏移するように構成された周波数シフタを含む。このシステムはさらに、電圧ダンパの両端間に結合され、異常な電圧スパイクをクランプするように構成されたバリスタを含む。このシステムはさらに、電圧ダンパに結合され、複数のネットワークパラメータを記録するように構成されたモニタ装置を含む。自動同調可能回路はモニタ装置に結合され、抑制された電圧と周波数シフタとをネットワークパラメータに基づいて同調するように構成される。
【００１２】
一実施形態では、高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を緩和する方法が提供される。この方法は、調波歪みによる共振に起因する電圧ピークをクランプすることによって、アース接続に複素インピーダンスを導入するステップを含む。この方法はさらに、高圧電力システムの共振周波数をシフトし、高圧電力システムにおける異常な電圧上昇を抑制するステップも含む。
【００１３】
別の実施形態では、産業用電気系統における共振を低減する方法が提供される。この方法は調波歪みによる電圧ピークを抑制し、同調可能なアースコネクタを導入することによってシステムの共振周波数を変更し、アース回路に複素インピーダンスを導入することによって産業用電気系統の調波プロファイルを変更するステップを含む。
【００１４】
一実施形態では、調波歪みによる共振を低減するシステムが提供される。このシステムは、ケーブルを介して相互接続された複数の構成部品を有する電力システムを含み、予め定められた機能を実行するように構成される。このシステムはさらに、電力システムのそれぞれのケーブルの電圧を搬送しない部分とアース接続の少なくとも一方に結合された同調可能なアースコネクタを含む。同調可能なアースコネクタは少なくとも１つの可変抵抗器と、可変抵抗器の両端に結合された少なくとも１つの同調可能なインダクタ又は同調可能なキャパシタとを含む。同調可能なアースコネクタは、電力システムにおける調波歪みによる共振を低減するように構成される。
【００１５】
一実施形態では、高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を低減するシステムが提供される。このシステムは、高圧電力システムのケーブルの電圧を搬送しない部分とアース接続との間に結合された電圧ダンパを含む。電圧ダンパは、電圧ピークをクランプするように構成される。このシステムはさらに、電圧ダンパの両端間に結合され、高圧電力システムの共振周波数を偏移するように構成された周波数シフタを含む。
【００１６】
一実施形態では、高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を低減するシステムが提供される。このシステムは、高圧電力システムのケーブルの電圧を搬送しない部分とアース接続との間に結合された抵抗器を含み、抵抗器は電圧ピークをクランプするように構成される。
【００１７】
一実施形態では、高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を低減するシステムを含む。このシステムは、高圧電力システムのケーブルの電圧を搬送しない部分とアース接続との間に結合されたインダクタを含み、インダクタは共振ピークをシフトするように構成される。
【００１８】
本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことで、より明解に理解されよう。なお、図面全体を通して同様の符号は同様の部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の態様に従ってアースコネクタが実装される電力システムのブロック図である。
【図２】図１のように実装されたアースコネクタの様々な構成部品を示すブロック図である。
【図３】図１のアース接続の様々な構成を示すブロック図である。
【図４】高圧ケーブルの断面図である。
【図５】図１の電力システムの電圧スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
理想的には、ほとんどの産業環境で使用されているような三相交流電流（ＡＣ）は、各々が純正弦波の電流及び電圧を供給する３つの電力導体を利用しており、正弦波は等しく一定の振幅と周波数とを有し、各々の位相は１２０°の位相角だけ他方から離隔している。
【００２１】
大きい負荷を急激に接続、遮断するスイッチトライアックを有するモータコントローラなどの非線形負荷を有するソリッドステートのパワー電子デバイスの使用頻度の増加とともに、所定の設備での三相電力は歪みを生ずることがある。このような歪みは、ＡＣ電力の基本周波数に調波を誘導することを特徴とする。調波はモータのエネルギ損失を誘発し、敏感な電子装置への電力供給の効率と安定性に影響を及ぼすことがある。調波によってさらに、不都合な電圧スパイクを生ずる共振が誘発されることがある。このような理由から、多くの国ではＡＣ電力における調波レベルの制限が確立されている。
【００２２】
ＡＣ電源主幹における調波歪みは、調波周波数で直列共振と並列共振とを有するインダクタ及びキャパシタとを組み込んだ受動フィルタを使用することによって低減することができる。フィルタは、共振周波数を修正するダンピング回路として動作することによって、又は共振のピークをクランプするダンピング回路を介して調波による共振に対処するように構成される。これらの受動フィルタは、有害な調波を遮断するために電源主幹の両端間に配置される。このような受動フィルタの構造は簡単であるが、多くの欠点がある。すなわち、受動フィルタは典型的には嵩張り、高価である。ＡＣ基本周波数のシフトに起因する調波周波数の変化に適応しない。また、電源主幹の直列インピーダンスの変化に対処しない。これらの欠点は、歪みを除去するために除去する調波電流を供給するために（パルス幅変調（ＰＷＭ）電源などの）電力増幅器が電源主幹に直接接続される能動フィルタを使用することによって克服できる。ＡＣ基本周波数をブロックし、ひいてはＰＷＭ電源への負荷を低減するためにＰＷＭ電源が直列共振回路を経て電源主幹に接続される受動フィルタとのハイブリッド構成でこのような能動フィルタを使用しても良い。しかし、能動フィルタ及びハイブリッドフィルタには、所与のシステムに独自の設計を要し、電力システムのパラメータが変化するとあまり効果がなくなるなどの欠点がある。さらに、能動フィルタはフィルタリングがなされる、なされないに関わらず常に電力システムに結合されているので、能動フィルタでは電力損失が生ずる。
【００２３】
次に図１を参照し、高圧三相電力システム１０を示す。電力システム１０は、典型的には長距離送電線（図示せず）を経て伝送される高圧送電網１２から電力を受ける受電所１４を含む。送電線を経て高電圧の形態で受電された電力は、高圧ケーブル１６及び２０を経て受電所及び開閉所２２に結合された電力変圧器１８によってより低い電圧に逓降する。開閉所２２によってさらに、変圧器２４を介した配電が可能になる。下流への電力の流れを制御するために、回路遮断器２６が変圧器２４に結合される。モータ２８などの施設が、回路遮断器を介して変圧器２４に結合される。本明細書では、例示としてモータ２８を示す。しかし、電力を必要とするどのような施設を電力システムに結合しても良い。アースコネクタ３２が（線３０を経て）高圧ケーブルシースと接地３６との間に結合されており、これはアース接続とも呼ばれる。アースコネクタ３２の動作の詳細と構成部品については以下に詳述する。
【００２４】
次に図２を参照し、アースコネクタ３２の様々な構成部品を示すブロック図を図示する。一実施形態によれば、アースコネクタ３２は、並列に接続された同調可能な抵抗器４２と、バリスタ４４と、同調可能なインダクタ４６とを含む。本明細書で使用される用語「同調可能」は用語「可変」と同義に用いられることに留意されたい。さらに、実施形態における同調可能素子、又は可変素子の値を、適宜のシステム設計後、特定の値に定めても良い。当業者には理解されるように、本明細書に記載の実施形態における同調可能な素子を、抵抗器、インダクタ又はキャパシタなどの固定素子と置き換えても良い。さらに、アースコネクタ３２は、図１に示す電力システムのアース回路内のポイントに結合できる接続線４８と、接地３６に結合された接続線５０とを含む。一実施形態では、同調可能なアースコネクタ３２は、並列接続の（共振ピークを抑制するように構成されたダンパと呼ばれる）同調可能／可変抵抗器４２と、（共振周波数をシフトするように構成された周波数シフタと呼ばれる）同調可能なインダクタ４６と、（アースコネクタの両端間の異常な電圧スパイクがあればこれを制限する電圧アレスタ／サージアレスタと呼ばれる）バリスタ４４とを含む。一実施形態では、共振に起因する電圧ピークを抑制するために複数の抵抗ポイントを形成するように構成された同調可能な電圧調整器として抵抗器４２を構成しても良い。別の実施形態では、並列共振周波数をデチューニング及び／又はシフトするように同調可能なインダクタ４６を構成しても良い。例示的実施形態では、調波共振周波数を変更するように構成されたアースコネクタ３２に可変キャパシタ（周波数チューナ）を結合しても良い。バリスタ４４又はサージアレスタは、例えば金属酸化物バリスタを含んで良い。
【００２５】
本発明の一実施形態では、アースコネクタは、ケーブルシース又はケーブルスクリーンなど、ケーブルの電圧を搬送しない部分とアース又は接地との間に結合された抵抗器を含んで良い。抵抗器は、調波により生ずる電圧ピークをクランプするように構成される。高圧システムの設計に必要とされるような抵抗を同調するため、抵抗器の代わりに可変抵抗器を使用しても良いことに留意されたい。本発明の別の実施形態では、アースコネクタは、ケーブルシース又はケーブルスクリーンなど、ケーブルの電圧を搬送しない部分とアース又は接地との間に結合されたインダクタを含んでも良い。インダクタは、調波により生ずる共振ピークをシフトするように構成される。高圧システムの設計に必要とされるようなインダクタンスを同調するために、インダクタの代わりに可変インダクタを使用しても良いことに留意されたい。このような可変インダクタは、高圧システムの共振周波数をシフトすることもできる。
【００２６】
例示的実施形態では、図２で説明した同調可能なアースコネクタと共に、高圧電力システムにおける調波歪みによる共振を監視し、緩和するシステムを実装しても良い。監視及び緩和システムは、調波歪みによる共振の結果として生ずる電圧ピークをクランプするように構成された可変抵抗器４２（電圧アレスタ）を含んでも良い。さらに、同調可能なインダクタ及び／又は可変キャパシタ４６（周波数シフタ）を可変抵抗器４２の両端間に結合し、図１に示すように高圧電力システム１０の共振周波数を偏移するように構成しても良い。バリスタ４４などの保護装置を可変抵抗器４２の両端間に結合し、異常な電圧スパイクをクランプするように構成しても良い。可変抵抗器に結合され、ネットワークパラメータを記録するように構成された監視装置（図示せず）を実装しても良い。ネットワークパラメータは、例えば同調可能なインダクタを通って流れるインダクタ電流を含んでも良い。自動同調可能回路を監視装置に結合し、インダクタ電流に基づいて可変抵抗器及び同調可能なインダクタを同調するように構成しても良い。例えば、インダクタンスが変化すると、インダクタに流れる電流が最小となる特定の値が存在し、同調効果によって共振周波数が偏移することを示す。
【００２７】
図３は、アースコネクタを高圧ケーブルのシースとアース／接地との間に結合するように実装できるアース接続の様々な構成を示す。一実施形態では、参照番号５２で示すように、２点ボンディング構成を実装しても良い。三相高圧ケーブルは、ケーブルシース／スクリーン６０、６２及び６４によってそれぞれ囲まれた複数のコア５４、５６及び５８を備える。２点ボンディング構成では、６６と６８で示されるスクリーンがアース導体７０を介して互いに結合される。アース導体７０はさらに、アースコネクタ３２を介して接地３６に接続される。例示的実施形態では、共通モードの調波を除去するために、アースコネクタ３２をアース導体７０とスクリーン６６との間に結合しても良い。別の実施形態では、参照番号７２で示すように、アース導体を使用せずに２点ボンディングなどのアース接続構造を実装しても良い。ケーブルスクリーン６０、６２及び６４は、６６及び６８で結合され、アースコネクタ３２及び７４を介して別個に接地３６に接続される。別の例示的実施形態では、電力システムのアースコネクタを接続するために、参照番号７６で示すような１点ボンディングを実装しても良い。ケーブルスクリーン６０、６２及び６４は、アースコネクタ３２を介して接地３６に結合される。例示的実施形態では、３つのアースコネクタを各々の位相のスクリーンと接地との間に、例えば６０と３６との間に別個に結合しても良い。図３には３つの例示的構成のみを示しているが、本発明の範囲内で多くのこのような構成を実装しても良い。異なる構成の電力システムは、調波共振を緩和するために１つ又は複数のこのようなアース接続構成を実装しても良い。
【００２８】
図４は図１の電力システムに示す高圧ケーブル２０の断面図である。参照番号８２で示される高圧ケーブルの構成部品は、コアと呼ばれることが多い圧縮より線成形された銅導体８４、８６、８８を含む。典型的には、押し出し成形された半導性材料から製造された導体スクリーン９０が各コアを囲み、絶縁層９２は導体スクリーンを囲む。半導性の絶縁スクリーン９４は、絶縁層９２の周囲に配置される。同様の構成の導体スクリーン９０、絶縁層９２、及び半導性絶縁スクリーン９４は、コア８６及び８８の周囲に配置される。一実施形態では、３つのコア８４、８６及び８８は、導体スクリーン９０、絶縁層９２、絶縁シールド９４及びアース導体９６と共にバインダテープ９９によって結束される。一実施形態では、バインダテープ９９とコアとの間の空隙には、ポリプロピレン紐などの充填物９８が詰められても良い。典型的には、亜鉛メッキ丸鋼線から製造される外装１００が充填物９８の周囲に配置される。ケーブルの最外層の保護のために、養生テープ１０２が瀝青材料及び／又はポリプロピレン紐と共に備えられる。現在考えられている実施形態では、アースコネクタを、図１に示すようにアース導体９６及び外装／シース１００及び接地３６に結合しても良い。アースコネクタは、高圧ケーブル２０の電圧を搬送しない部分に接続されることに留意されたい。外装／シースが記述されているが、本発明によりこのような電圧を搬送しない別の部分が考えられる。
【００２９】
図５は代表的な高圧電力システムの電圧スペクトルを示すグラフである。グラフ１１０は、ｙ軸１１２には電圧振幅を、ｘ軸１１４には周波数（０〜１０ｋＨｚ）を示した３３ｋＶの送電網の電圧スペクトルを表している。幾つかの電圧スパイク１１６があり、約２ｋＨｚから約３ｋＨｚの周波数範囲での共振を示していることに留意されたい。グラフ１２０は、上記の図１で実装される同調可能なアースコネクタ３２を有する３３ｋＶの送電網での電圧スペクトルを示す。グラフ１２０は、ｙ軸１２２には電圧振幅を、ｘ軸１２４には周波数（０〜１０ｋＨｚ）を示す。グラフ１２０での振幅スケールは、グラフ１１０での振幅スケールと比較して小さいことに留意されたい。さらに、電圧スパイク１２６は約２ｋＨｚから約３ｋＨｚの周波数範囲で大幅に少なく（振幅は少なくとも約６倍少ない）、同調可能なアースコネクタが共振の緩和に役立つことを示している。
【００３０】
グラフ１１０と１２０に記載の電圧スペクトルを検討すると、共振が生じない位置に共振ポイント（可変同調可能インダクタ）を同調することによって、同調可能なアースコネクタを電気的共振に対する改良された解決方法として実装しても良い。一実施形態では、同調は手動的に行っても良く、又はインダクタ電流を測定し、それに対応して、測定された電流が最小値に達するまでインダクタの値を変更する簡単な制御システムによって行っても良い。ＶＳＤモータのケーブルの場合などの可変電圧／調波スペクトルでは、可変スイッチング周波数で、図１に示すように抑制を導入するためにアースコネクタ３２内に並列抵抗器を実装しても良い。図５に示した電圧スペクトルは、例示的実施形態の一部であることが当業者には理解されよう。しかし、電気的共振を生ずるどの電力システムでも、緩和方法としてアースコネクタを実装しても良い。
【００３１】
能動フィルタ及びハイブリッドフィルタの欠点を軽減するため、本発明の実施形態は、電力損失が最小限になり、電力システムのパラメータの変化を組み入れるためのフレキシビリティを高めるように同調可能な構成部品を実装するように明確に記載されている。有利なことには、このようなアースコネクタの設計を、可変速モータが接続される用途を含む広範な用途に応用することができる。このような可変速モータは可変的な電気周波数を有しており、低い周波数範囲にいたる幾つかの共振ポイントを緩和することができる。コンバータ制御システムで利用される除去技術はより高い周波数では効果が下がるので、同調可能なアースコネクタは電気的共振に対する対抗措置として最も適している。同調可能なアースコネクタは、（例えば電力システムに能動／ハイブリッドフィルタ回路を利用する代わりに）大型駆動の用途で生ずる電気的共振に対する改良された解決方法として使用できる低電圧（低コスト）の装置を提供する。
【００３２】
本明細書では、本発明の特定の特徴のみ説明して記載してきたが、当業者は多くの修正及び変更を想到するであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神内のそのような修正及び変更の全てを含むことを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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