(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を通電/遮断するための主スイッチと、この主スイッチに並列接続され、コンデンサとリアクトルと高周波電流始動用スイッチとの直列接続で構成される共振回路と、上記コンデンサに並列接続された充放電回路と、からなる高周波電流回路と、を備えた開閉装置において、上記充放電回路は、充電抵抗と充電用スイッチと直流電源との直列接続で構成される充電回路と、この充電回路に並列接続した放電抵抗とから構成され、上記充電用スイッチは、上記主スイッチの遮断動作時に開放され、上記高周波電流始動用スイッチのオフ後に投入されることを特徴とする開閉装置。
【請求項２】
上記充電用スイッチは、上記主スイッチが遮断する時点でオフとなり、上記コンデンサに充電された回生エネルギーが、上記充電抵抗の耐熱容量に相当するエネルギーから、上記直流電源から上記コンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下となった時点でオンとなるよう制御されることを特徴とする請求項１記載の開閉装置。
【請求項３】
電流を通電/遮断するための主スイッチと、上記主スイッチに並列接続され、コンデンサとリアクトルと高周波電流始動用スイッチとの直列接続で構成される共振回路と、上記コンデンサに並列接続された充放電回路と、からなる高周波電流回路と、を備えた開閉装置において、上記充放電回路は、充電抵抗と直流電源との直列接続で構成される充電回路と、放電抵抗と放電用スイッチとの直列接続で構成される放電回路と、を並列に接続して構成され、上記放電用スイッチは、上記主スイッチが遮断する時点でオンとなり、上記コンデンサに充電された回生エネルギーが、上記充電抵抗の耐熱容量に相当するエネルギーから、上記直流電源から上記コンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下となった時点でオフとなるよう制御されることを特徴とする開閉装置。
【請求項４】
上記放電抵抗の抵抗値は充電抵抗の抵抗値よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項３記載の開閉装置。
【請求項５】
上記放電用スイッチは、上記直流電源と逆極性になるよう接続されたダイオードであることを特徴とする請求項３記載の開閉装置。
【請求項６】
上記放電用スイッチは、上記放電用スイッチにかかる電圧がある電圧値以上になるとオンになる電圧制御素子であることを特徴とする請求項３記載の開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ビル及び工場等において、電力を受電して施設内の負荷機器へ電力を分配供給する受配電設備の開閉装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、例えば電気学会静止器研究会(1997年12月、SA-97-34,p51)で発表された高速遮断開閉装置を示したものである。この高速遮断開閉装置15は高速応答開閉駆動の真空開閉装置と、遮断電流に高周波電流を重畳して強制的に電流ゼロ点をつくる高周波電流回路とで構成されている。図に示すように、主回路に交流回路を通電/遮断するための機構部を備えた主スイッチ２と、主スイッチ２に並列接続された高周波電流回路10とを備え、高周波電流回路10は、コンデンサ11とリアクトル12と高周波電流始動用スイッチ13との直列接続で構成された共振回路16と充放電回路14で構成される。充放電回路14は、直流電源51と充電抵抗52が直列接続された充電回路と、この充電回路に並列接続された放電抵抗53で構成される。
【０００３】
図８は、このような開閉装置の電流遮断を示す電流・電圧・開極指令の波形である。Ｉａは主スイッチ2を流れる主スイッチ電流、Ｉbは主回路を流れる主回路電流、Ｉｃは高周波電流回路に流れる高周波電流である。開極指令により主スイッチ２は開極し、主スイッチ2が開極した時点t1で高周波電流回路10における高周波電流始動用スイッチ13をオンにすると、コンデンサ11及びリアクトル12で定める周波数の高周波電流Ｉｃが、主スイッチ電流Ｉａが０になるように、主回路電流Ｉｂに重畳される。主スイッチ電流Ｉａは強制的に０になると主スイッチ２によって、完全に遮断されることになる。その後、主回路のインダクタンス3に蓄えられていたエネルギーによる回生エネルギーがコンデンサ11に流れ込むことで、コンデンサ電圧Ｖｃは初期設定電圧Ｖｓとは逆極性に大きく充電電圧Ｖｒまで上昇する。そしてコンデンサ11の充放電回路14における放電抵抗53と、充電抵抗52と直流電源51によって元の初期設定電圧Ｖｓに戻る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術では、高速遮断開閉装置が適用される主回路のインダクタンスや遮断電流値によっては、コンデンサ11に流れ込む回生エネルギーは大きくなり、コンデンサ電圧も初期設定電圧と比べて逆極性に大きく上昇する。充放電回路は回生エネルギーにより逆極性に大きく上昇した電圧から元の初期設定電圧まで充電しなければならないので、充電抵抗での発熱は回生エネルギー分大きくなる。従って、充電抵抗の耐熱容量は初期充電エネルギーよりもはるかに大きな容量にしておく必要があった。さらにまた、回生エネルギーによりコンデンサ電圧が上昇し、回路上の素子に大きな電圧がかかる問題があった。
【０００５】
本発明は、上述したような事情を鑑みてなされたものであり、充電抵抗の耐熱容量が小さいもので済み、また回路上の素子に大きな電圧がかからなくすることが出来る開閉装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る開閉装置は、電流を通電/遮断するための主スイッチと、この主スイッチに並列接続され、コンデンサとリアクトルと高周波電流始動用スイッチとの直列接続で構成される共振回路と、コンデンサに並列接続された充放電回路とからなる高周波電流回路とを備えたものにおいて、充放電回路は、充電抵抗と充電用スイッチと直流電源との直列接続で構成される充電回路と、この充電回路に並列接続した放電抵抗とから構成され、充電用スイッチは、主スイッチの遮断動作時に開放し、高周波電流始動用スイッチのオフ後に投入するよう制御するものである。
【０００７】
また、充電用スイッチは、主スイッチが遮断する時点でオフとなり、コンデンサに充電された回生エネルギーが、充電抵抗の耐熱容量に相当するエネルギーから、直流電源からコンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下となった時点でオンとなるよう制御されるものである。
【０００８】
さらに、充放電回路は、充電抵抗と直流電源との直列接続で構成される充電回路と、放電抵抗と放電用スイッチとの直列接続で構成される放電回路とを並列に接続して構成されるものである。
【０００９】
さらにまた、放電抵抗の抵抗値を充電抵抗の抵抗値よりも小さくしたものである。
【００１０】
また、放電用スイッチは、主スイッチが遮断する時点でオンとなり、コンデンサに充電された回生エネルギーが、充電抵抗の耐熱容量に相当するエネルギーから、直流電源から上記コンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下となった時点でオフとなるよう制御されるものである。
【００１１】
さらに、放電用スイッチを直流電源と逆極性になるよう接続されたダイオードとしたものである。
【００１２】
さらにまた、放電用スイッチを、放電用スイッチにかかる電圧がある電圧値以上になるとオンになる電圧制御素子としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に、本発明を、その実施の形態を示す図に基づき説明する。図１は、本発明に係る開閉装置の実施の形態１の構成を示す図である。この交流開閉装置15は主スイッチ2と、主スイッチ2を開極する指令を出す制御部（図示せず）と、主スイッチ2に並列接続された２つの高周波電流回路10および20とを備えている。交流開閉装置15は交流電源と主回路インダクタンス３で構成される回路に接続される。電流センサー64は主回路電流Ｉｂを測定する。
【００１４】
高周波電流回路10は、主スイッチ2の一方の接点側から他方の接点側に、コンデンサ11、高周波電流始動用スイッチとしてのサイリスタ13、リアクトル12の順に接続された共振回路16が接続されている。コンデンサ11には、サイリスタ13のアノード側が正極となるように充放電回路14が接続される。充放電回路14は、直流電源51と充電抵抗52と充電用スイッチ54との直列接続で構成される充電回路と、この充電回路に並列接続された放電抵抗53で構成される。
【００１５】
高周波電流回路20は、高周波電流回路10と同様に、主スイッチ2の一方の接点側から他方の接点側に、リアクトル22、コンデンサ21、高周波電流始動用スイッチとしてのサイリスタ23の順に接続された共振回路26が接続されている。コンデンサ21には、サイリスタ23のアノード側が正極となるように、充放電回路24が接続される。充放電回路24は、直流電源511と充電抵抗521と充電用スイッチ541との直列接続で構成される充電回路と、この充電回路に並列接続された放電抵抗531で構成される。高周波電流回路10および20は、互いに逆特性の高周波電流Ｉｃを、主スイッチ2に流れる主回路電流Ｉｂに重畳するように構成される。サイリスタ13および23の各ゲートは、制御部５によりオン／オフ制御される。
【００１６】
コンデンサ11および21は主スイッチ2が遮断すべき電流値より高いピーク値の高周波電流を流し得る初期設定充電電圧Ｖｓに、それぞれ充放電回路14および24により充電されている。
【００１７】
主スイッチ2には、接離自在な１対の接点と、この接点を接離する機構部とを有する高速応答の機械式スイッチ、またはサイリスタや自己消弧型半導体スイッチなど、例えばインピーダンスが0.01Ω以下から１kΩ以上に変化することによりスイッチ機能を有する固体、もしくは水銀などのように液相から気相に変化することによってインピーダンスが大きく変化することによりスイッチ機能を有する、通常の状態では液体である素子を使って、短時間に主回路電流Ｉｂを遮断する。主スイッチ2が固体もしくは液体の素子場合、素子のインピーダンスが例えば0.01Ω以下のように低インピーダンスの時、機械式スイッチの接点が接触して閉極している状態に対応し、素子のインピーダンスが例えば1kΩ以上のように高インピーダンスとなった時、機械式スイッチの接点が非接触で開極の状態に対応する。
【００１８】
図２は図１に示した実施の形態１の交流開閉装置の電流遮断時の電流波形、電圧波形を示した図である。以下に、この交流開閉装置の動作を、図１の回路図と図２の波形を参照しながら説明する。図２においてＩａは主スイッチ2を流れる主スイッチ電流、Ｉbは主回路を流れる主回路電流、Ｉcは高周波電流回路に流れる高周波電流であり、それぞれ図１のＩａ、Ｉｂ、Ｉｃに相当する。また、Ｖｃの左図は主スイッチ2の電流遮断前後のコンデンサ充電電圧の波形を示した図である。これらＩａ、Ｉｂ、ＩｃおよびＶｃの左図は時間軸を一致させて示している。また、時間間隔は1msで示す矢印の間隔が1ミリ秒に相当する。Ｖｃの右図は電流遮断前後から初期設定充電電圧に再充電するまでのコンデンサ充電電圧の波形であり、この時間軸は100msで示す矢印の間隔が100ミリ秒に相当するものである。制御部５からの開極指令により主スイッチ２が時刻ｔ１で開極する。この主スイッチ２が開極する時点ｔ１で、制御部５は電流センサー64によって測定された主回路電流Ｉｂの位相から、主回路電流Ｉｂと逆方向の高周波電流を主スイッチ２に流すように、高周波電流回路10または高周波電流回路20における高周波電流始動用スイッチ13または23を選択してオン指令を送る。
【００１９】
以下、高周波電流始動用スイッチ13が選択された場合を例にとって説明する。コンデンサ11及びリアクトル12で決まる周期の高周波電流71（点線で示す波形）が主スイッチ2を流れる主スイッチ電流Ｉａが０Ａになるように重畳される。主スイッチ電流Ｉａが強制的に０Ａ程度になると主スイッチ2によって、主スイッチ電流Ｉａは遮断されることになる。主スイッチ2が遮断されると高周波電流回路に流れる高周波電流Ｉｃは、主回路のインダクタンス3による回生エネルギーの流れ込みによりコンデンサ11及びリアクトル12で決まる周期の高周波電流71で示す波形からずれて、結局実線で示す波形となり、Ｉｃが０、すなわち主回路電流Ｉｂが０となった時点で高周波電流始動用スイッチ13をオフする。主スイッチ2が主スイッチ電流Ｉａを遮断後、時点ｔ１で、高周波電流Ｉｃを流す高周波電流回路における充電用スイッチ54を開放する。従来例と同様にコンデンサ充電電圧Ｖｃは主回路のインダクタンス3による回生エネルギーの流れ込みにより逆極性に大きく上昇するが、充電用スイッチ54を開放しているので、充電抵抗52には直流電源51から供給される電流は流れない。Ｖｒで示される電圧まで逆極性に大きく上昇したコンデンサ充電電圧Ｖｃは放電抵抗53で放電されて、コンデンサ充電電圧Ｖｃが大きく下がり、コンデンサ充電エネルギーが、充電抵抗52の耐熱容量に相当するエネルギーから、上記直流電源から上記コンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下になった後、時刻ｔ２で充電用スイッチ54を投入すれば、充電抵抗52は焼き切れずに、元の初期設定電圧までコンデンサを再充電出来るようになる。
【００２０】
高周波電流始動用スイッチ23が選択された場合も、高周波電流回路20が上述の高周波電流回路10と全く同様の動作をする。
【００２１】
実施の形態２．
図３は本発明に係る開閉装置の実施の形態２の構成を示す図である。充放電回路14は、、直流電源51と充電抵抗52との直列接続である充電回路と、この充電回路と並列に接続された放電抵抗53と放電用スイッチ55の直列体である放電回路とで構成される。充放電回路24も同様に、直流電源511と充電抵抗521との直列接続である充電回路と、この充電回路と並列に接続された放電抵抗531及び放電用スイッチ551の直列体である放電回路とで構成される。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【００２２】
図４は図３に示す実施の形態２の交流開閉装置の電流遮断時の電流波形、電圧波形を示した図である。以下に、実施の形態２の交流開閉装置の動作を、図３の回路図と図４の波形を参照しながら説明する。放電用スイッチ55，551は通常開放になっている。制御部５からの開極指令から強制電流ゼロ点70をつくって主スイッチ電流Ｉａを遮断するまでの動作は実施の形態１と同じである。
【００２３】
ここでも、高周波始動用スイッチ13が選択された場合を例に取って説明する。主スイッチ2が主スイッチ電流Ｉａを遮断後、高周波電流Ｉｃがピークに達する頃の時刻ｔ３で、放電用スイッチ55をオンする。放電用スイッチ55がオンされるまでは放電抵抗53は回路から切り離された状態になっている、すなわち通常は電流が流れない状態になっているため、放電抵抗53は抵抗値を小さくできる。抵抗値を小さくすることで、回生エネルギーの流れ込みにより初期設定電圧Ｖｐとは逆極性に上昇して到達するコンデンサ充電電圧Ｖｒを抑えることが出来る。従って、回路の素子にかかる電圧も抑えることが出来る。逆極性に上昇したコンデンサ充電電圧Ｖｃは放電抵抗53で放電されて、コンデンサ充電電圧Ｖｃが大きく下がり、コンデンサ充電エネルギーが、充電抵抗52の耐熱容量に相当するエネルギーから、上記直流電源から上記コンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下になった後、時刻ｔ４で放電用スイッチ55をオフすれば、充電抵抗52は焼き切れずに、初期設定電圧Ｖｓまでコンデンサを再充電出来るようになる。
【００２４】
特に、放電抵抗53の抵抗値を充電抵抗52の抵抗値よりも小さくすることで、上記効果が大きく発揮できる。
【００２５】
なお、放電用スイッチ55として、窒素、アルゴン、ネオンなどで封印して、電極間にある電圧以上かかると電極間で放電を開始する、いわゆるギャップトリガスイッチのような電圧制御素子を用いることもできる。この場合、ギャップトリガスイッチの放電が停止してスイッチがオフとなる電圧が、コンデンサ充電エネルギーが、充電抵抗52の耐熱容量に相当するエネルギーから、上記直流電源から上記コンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下となる電圧のギャップトリガスイッチを用いれば、充電抵抗52が焼き切れることはない。また、電圧制御素子を用いれば、スイッチ動作のための制御回路を別途設ける必要がなく、信頼性は向上する。
【００２６】
実施の形態３．
図５は本発明に係る開閉装置の実施の形態３の構成を示す図である。充放電回路14は、直流電源51と充電抵抗52が直列に接続された充電回路と、この充電回路と並列に接続された、ダイオード56と放電抵抗532の直列体である放電回路、および放電抵抗535から構成される。また、充放電回路24も同様に、直流電源511と充電抵抗521が直列に接続された充電回路と、この充電回路に並列に接続されたダイオード561と放電抵抗533の直列体である放電回路、および放電抵抗536から構成される。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【００２７】
図６は図５に示す実施の形態３の交流開閉装置の電流遮断時の電流波形、電圧波形を示した図である。以下に、実施の形態３の交流開閉装置の動作を、図５の回路図と図６の波形を参照しながら説明する。なお、ここでも、高周波始動用スイッチ13が選択された場合を例に取って説明する。図６においてＩａは主スイッチ2を流れる主スイッチ電流、Ｉbは主回路を流れる主スイッチ電流、Ｉcは高周波電流回路に流れる高周波電流である。また、Ｖｃの左図は主スイッチ2の電流遮断前後のコンデンサ充電電圧Ｖｃの波形である。Ｉａ、Ｉｂ、ＩｃおよびＶｃの左図は時間軸を一致させて示しており、1msで示す間隔が1ミリ秒に相当する。さらに、Ｖｃの右図は電流遮断前後から初期設定充電電圧まで再充電するまでのコンデンサ充電電圧Ｖｃの波形であり、100msの矢印で示す間隔が100ミリ秒に相当する。制御部５からの開極指令から強制電流ゼロ点70をつくって主スイッチ電流Ｉａを遮断するまでの動作は実施の形態１と同じである。
【００２８】
主スイッチが主スイッチ電流Ｉａを遮断後、回生エネルギーの流れ込みによりコンデンサ充電電圧Ｖｃは初期設定電圧Ｖｐと逆極性に上昇し、放電抵抗532と直列に接続されたダイオード56にとって順方向電圧になって、コンデンサ11は放電し始める。ダイオード56がオンされるまでは放電抵抗532は回路から切り離された状態になっているため、すなわち通常は電流が流れない状態になっているため、放電抵抗532は抵抗値を小さくできる。放電抵抗532の抵抗値を小さくすれば、回生エネルギーの流れ込みにより初期設定電圧Ｖｐと逆極性に上昇するコンデンサ充電電圧Ｖｒを抑えるともに０電圧に戻すことが出来る。さらに、回路の負荷にかかる電圧も抑えることが出来る。逆極性に充電されたコンデンサ充電電圧Ｖｒは放電抵抗532で放電されて０Ｖになる時点まで、放電抵抗532による放電は続けられるので、元の初期設定電圧までコンデンサを再充電するのに、充電抵抗52の必要な熱耐量は低く抑えられ、充電抵抗52として小型のものを用いることができるため、省スペースなどの効果がある。また、ダイオード56の非可逆特性によりコンデンサ11の放電を自動的に制御できるので、制御回路を別途設ける必要がないという利点もある。なお、コンデンサ11や21に並列接続されている放電抵抗535や536は、メンテナンス時等、直流電源51を切り離した時に、コンデンサがいつまでも充電された状態になるのを防ぐために接続されており、全体の回路動作には影響しないような高抵抗値のものが選ばれる。
【００２９】
また、本実施の形態３においても、放電抵抗532の抵抗値を充電抵抗52の抵抗値よりも小さくすることで、上記効果が大きく発揮できる。
【００３０】
以上の実施の形態１から３で説明した高周波電流回路10を主スイッチ2の両端に並列接続することによって、主回路電流Ｉｂが直流電流の場合でも強制０点をつくることによって、遮断出来るのは言うまでもない。
【００３１】
さらに、一つの高周波電流回路10だけ、すなわち高周波電流回路20が接続されない場合でも、もし主スイッチ電流Ｉａの位相が逆、すなわちＩａやＩｂが図４で示したのと逆位相の時点で主スイッチ２が開極したとしても、高周波電流Ｉｃを主スイッチ２に一周期、すなわち共振回路3により高周波始動用スイッチ13がオンした直後に流れる高周波電流位相と逆位相の電流が流れるまで高周波電流を流すことで、あらゆる位相の交流電流を遮断出来、上述と同様な効果が得られる。
【００３２】
さらにまた、以上で説明した回路は単極構成であるが、この開閉装置は３極構成の回路に適用しても同様な効果が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００３４】
電流を通電/遮断するための主スイッチと、この主スイッチに並列接続され、コンデンサとインダクタと高周波電流始動用スイッチとの直列接続で構成される共振回路と、上記コンデンサに並列接続された充放電回路とからなる高周波電流回路とを備えた開閉装置において、上記充放電回路は、充電抵抗と充電用スイッチと直流電源との直列接続で構成される充電回路と、この充電回路に並列接続した放電抵抗とから構成されるようにしたので、熱容量の小さな充電抵抗を用いることができる。
また、上記充電用スイッチは、上記主スイッチの遮断動作時に開放され、上記高周波電流始動用スイッチのオフ後に投入されるよう制御されるようにしたので、主回路電流遮断後の主回路インダクタンスによる回生エネルギーにてコンデンサが逆極性に充電される場合でも、充電回路の直流電源からの充電電流が流れるのを阻止することができる。
【００３５】
また、上記充電用スイッチは、上記主スイッチが遮断する時点でオフとなり、上記コンデンサに充電された回生エネルギーが、上記充電抵抗の耐熱容量に相当するエネルギーから、上記直流電源から上記コンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下となった時点でオンとなるよう制御されるようにしたので、より小さな熱容量の充電抵抗を用いることができる。
【００３６】
さらに、上記充放電回路を、充電抵抗と直流電源との直列接続で構成される充電回路と、放電抵抗と放電用スイッチとの直列接続で構成される放電回路とを並列に接続して構成したので、小さな熱容量の充電抵抗を用いることができる。
【００３７】
さらにまた、放電抵抗の抵抗値を充電抵抗の抵抗値よりも小さくしたので、コンデンサに逆充電されて上昇する電圧を低くすることができ、回路上の素子に大きな電圧がかからなくなる。
【００３８】
また、放電用スイッチを、上記主スイッチが遮断する時点でオンとなり、上記コンデンサに充電された回生エネルギーが、上記充電抵抗の耐熱容量に相当するエネルギーから、上記直流電源から上記コンデンサに充電される初期充電エネルギーを引いた値以下となった時点でオフとなるよう制御するので、より小さな熱容量の充電抵抗を用いることができる。
【００３９】
さらに、放電用スイッチを直流電源と逆極性になるよう接続されたダイオードとしたので、制御回路を別途設ける必要がなく、信頼性が向上する。
【００４０】
さらにまた、放電用スイッチを上記放電用スイッチ間電圧がある電圧値以上になるとオンになる電圧制御素子としたので、制御回路を別途設ける必要がなく、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による開閉装置を示す構成図である。
【図２】  この発明の実施の形態１による開閉装置の動作を示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態２による開閉装置を示す構成図である。
【図４】  この発明の実施の形態２による開閉装置の動作を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態３による開閉装置を示す構成図である。
【図６】  この発明の実施の形態３による開閉装置の動作を示す図である。
【図７】  従来の開閉装置を示す構成図である。
【図８】  従来の開閉装置の動作を示す電流、電圧波形である。
【符号の説明】
2  主スイッチ
10、20  高周波電流回路
11、21  コンデンサ
12、22  リアクトル
13、23  高周波電流始動用スイッチ
14、24  充放電回路
15  開閉装置
16、26  共振回路
51、511  直流電源
52、521  充電抵抗
53、531  放電抵抗
54、541  充電用スイッチ
56、561  ダイオード
【図１】
0004374669.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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