(57)【要約】【課題】  大電流通電用途の円筒状交流導体においては、表皮効果によって電流の通電できる領域が制限されており、電流容量を増加するためには導体直径を大型化する必要がある。導体設置スペースに制約がある導体において導体外径を変更することなく電流容量を増加する。【解決手段】  円筒状の導体を同軸多層に構成し、各層を流れる電流が空間的に等価な電流パスを流れるように、層間で電流が入れ替わるように形成された電流接続部を各円筒導体間に設置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状が概ね環状となるように構成された交流用導体であって、前記交流用導体は内外２層、もしくはそれ以上の層数の導体で構成されており、前記交流用導体の各層の導体の半径位置を互いに交換させて導体積層方向に転位した交流用導体。
【請求項２】
板状導体の間に電気絶縁層をはさんで積層した多層導体があり、前記板状導体の端部には導体積層方向の空間に互いに干渉せずに電気的接続をするために切り欠きもしくはスペースが設けられており、前記多層導体を長手方向に連続的に配置し電流パスが導体積層方向に交換するように電気的に接続して板状交流転位導体を構成し、前記板状交流転位導体を、折り曲げる，丸めるもしくは周方向に複数組み合わせて構成した交流用導体。
【請求項３】
概ね環状の導体の間に電気絶縁層をはさんで積層した多層環状導体があり、前記環状導体の端部には導体積層方向すなわち半径方向の空間に互いに干渉せずに電気的に接続をするために切り欠きもしくはスペースが設けられており、前記多層環状導体を長手方向に連続的に配置し、電流パスが導体積層方向に交換するように電気的に接続した交流用導体。
【請求項４】
板状導体の間に電気絶縁層をはさんで積層した多層導体と、前記多層導体を電気的に接続するための電流接続片を備え、前記多層導体を長手方向に連続的に配置し電流パスが導体積層方向に交換するように、前記電流接続片を介して電気的接続がされた板状交流転位導体があり、前記板状交流転位導体を、折り曲げる，丸めるもしくは周方向に複数組み合わせて構成した交流用導体。
【請求項５】
概ね環状の導体の間に電気絶縁層をはさんで積層した多層環状導体と、前記多層導体を電気的に接続するための電流接続片を備え、前記多層環状導体を長手方向に連続的に配置し、電流パスが導体積層方向に交換するように前記電流接続片を介して電気的に接続した交流用導体。
【請求項６】
積層された導体の厚みに積層方向に差をつけたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の交流用導体。
【請求項７】
積層導体を構成する導体の厚さが表皮厚さの１／２以下であるものを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の交流用導体。
【請求項８】
３層以上で構成される前記交流用導体において、ある２層の間で行う転位の位置が他の２層で行う転位位置と長手方向で異なることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の交流用導体。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の交流用導体を用いて構成される電力機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表皮効果によって電流容量が制約される交流用導体に係り、特に環状の断面をもつ交流用導体に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電流を導体に通電する場合、表皮効果によって電流が流れる領域が導体表面付近に限られる。そのため、交流電流を通電するケーブルの電流容量を増加させるためには、複数の素線導体を撚りあわせ、それぞれの導体の空間的な配置が等価となるように転位を行うことが一般的である。そのように転位を施された導体としては、特開平８−２２７２０号公報及び特開２００５−１００８５３号公報が知られている。
【０００３】
大電流通電用途としては、ケーブル状の導体では自重や電磁力を支持することが難しいため、導体自分自身でそれらの力を支持可能なリジッドな導体が要求される。そのような導体構成としてはパイプ導体、もしくは板状導体を折り曲げたり丸めることによって断面が環状となっている導体が利用される。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２７２０号公報
【特許文献２】特開２００５−１００８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
交流電流を円筒状の導体に通電する場合、表皮効果によって交流電流は円筒状導体の表面付近にしか流れることができない。たとえば、導体が銅で周波数５０Ｈｚの交流電流を通電する場合には、表皮厚さはおよそ９mmであるため、それ以上の厚みをもった円筒導体を用いても有効にその厚さを生かすことができない。また、円筒状の導体を同軸上に複数組み合わせて導体を構成しても、外側導体に集中して電流が流れるために、内側の導体には電流を流すことはできない。本発明は、表皮効果によって電流容量が制限される交流用環状導体において、表皮厚さ以上の領域にわたって交流電流を通電可能とする導体を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明における第一の発明は、断面形状が概ね環状となるように構成された交流用導体を、内外２層、もしくはそれ以上の層数の導体で構成し、それらの導体が空間的には等価な関係になるように、それぞれの導体の半径位置が互いに交換するようにして導体積層方向に転位を行うものである。
【０００７】
本発明における第二の発明は、板状導体の間に電気絶縁をはさんで積層して多層導体を構成し、この導体の端部には転位を施すために切り欠きもしくはスペースを確保しておき、この多層導体を長手方向に配置し、前記切り欠きもしくはスペースにおいて、多層導体を構成する個々の導体を、内側に配置された導体が外側の導体にまた外側に配置された導体が内側の導体に接続されるように電気的に接続し、接続された多層導体を筒状に折り曲げるもしくは丸めることによって、環状の導体を形成する導体である。
【０００８】
本発明における第三の発明は、電気的絶縁をはさんで同軸状に構成した多層環状導体に、多層環状導体を構成する個々の環状導体の端部には転位を施すために切り欠きもしくはスペースを確保しておき、この多層環状導体を長手方向に配置し、前記切り欠きもしくはスペースにおいて、多層導体を構成する個々の導体を、内側に配置された導体が外側の導体にまた外側に配置された導体が内側の導体に接続されるように電気的に接続して、環状の導体を形成する導体である。
【０００９】
本発明における第四の発明は、板状導体の間に電気絶縁をはさんで積層した複数の多層導体を長手方向に配置し、並べられた多層導体の端部において、多層導体を構成する個々の導体が、内側に配置された導体が外側の導体にまた外側に配置された導体が内側の導体に接続されるように電気的接続片を介して電気的に接続し、接続された多層導体を筒状に折り曲げるもしくは丸めることによって、環状の導体を形成する導体である。
【００１０】
本発明における第五の発明は、電気的絶縁をはさんで同軸状に構成した複数の多層導環状体を長手方向に配置し、並べられた多層環状導体の端部において、多層導体を構成する個々の導体を、内側に配置された導体が外側の導体にまた外側に配置された導体が内側の導体に接続されるように電気的接続片を介して電気的に接続して、環状の導体を形成する導体である。
【００１１】
本発明における第六の発明は、転位を施された多層環状導体において、この多層環状導体を構成する導体の厚さが異なるように構成することを特徴とする環状導体である。多層環状導体を構成する個々の導体のうち、外側の導体にはそれよりも内側の導体に通電することによって誘起される交流磁場によって渦電流損失が発生する。各導体の厚さを調整することによって、導体全体の損失の増加を抑制しつつ通電容量の増加を図ることが可能となる。
【００１２】
本発明における第七の発明は、転位を施された多層環状導体において、表皮厚さの１／２よりも薄い導体を含むことを特徴とする環状導体である。多層環状導体を構成する個々の導体のうち、外側の導体にはそれよりも内側の導体に通電することによって誘起される交流磁場によって渦電流損失が発生する。導体の厚さを薄くし表皮厚さの概ね１／２以下とすることによって、その導体で発生する渦電流による損失を小さくすることができる。
【００１３】
本発明における第八の発明は、３層以上で構成される転位環状導体において、ある２層間で行う転位位置を別の層の転位位置と長手方向においてずらすことを特徴とするものである。２つの環状導体素線間の転位は、内側から外側へのそして外側から内側への電流接続が空間的に干渉しないように行う必要がある。２層間の転位領域では電流の流れる有効な断面積が減少する。多くの素線間の転位を同じ位置で行うと断面積が大きく減少し抵抗損失のため電流容量が制限される。各層間の転位位置をずらすことによって断面積の低下を抑えることができる。
【００１４】
本発明の第九の発明は、転位された環状交流導体を利用した電力機器である。従来と同じ導体外径寸法で、従来機器との取り合いを変えることなく電流容量を増加、もしくは発熱量を低減するものである。
【発明の効果】
【００１５】
環状導体に転位を施すことによって、交流電流が流れる領域を厚さ方向に増やすことが可能となり電流容量の増加を実現することができる。または、環状導体の外形寸法を変えることなく電流容量を増加することが可能であるため、従来機器との取り合いを変えることなく通電電流量を増やす、もしくは、同じ電流量の場合には発熱を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下では、本発明に係わる転位環状導体の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明に係わる転位環状導体の製作概念を示す概念図である。ここでは、２層の導体が転位された環状導体の製作方法について概念的に説明する。
【００１８】
端部に切り欠きが設けられた導体Ａ１１と導体Ｂ１２が絶縁層１４をはさんで積層されている。この絶縁層は内側導体に通電されている電流が外側導体に流れ込むことを防ぐために設けられており、電気絶縁樹脂，酸化金属皮膜，高抵抗金属などで形成される。また内側導体と外側導体が電気的に接触しないように空間を設けることでも絶縁層を実現できる。
【００１９】
絶縁層を挟んだ積層導体と、導体Ａと導体Ｂの上下位置が逆に積層された積層導体を、導体切り欠き部が重なるように並べ、切り欠き部で上下の導体がそれぞれ逆側の導体に接続されるように電気接続部１３を確立する。
【００２０】
ここでいう電気的接続の確立とは、半田付け，ロウ付け，溶接，合金化などの冶金的接続方法，爆着による方法，ボルトなどの締結要素を用いた機械的接続方法などの、接触面を電気的に良好に接触させることによって電流を通電可能とするものであり、いかなる電気的接続方法であってよく、ここに挙げた方法に限定されるものではない。また、電流を接続するために補助的な電流接続片を挿入したり、インジウムシートなど電気的接触を改善するものを接続部に挿入してもよい。
【００２１】
このようにして電流転位部が形成された積層導体を丸めるもしくは折り曲げることによって筒状に成型し転位環状導体１５を形成する。
【００２２】
また、製作順序についてはこの順序に限定されるものではなく、例えば、ボルトを使って締結する場合には、丸められたもしくは折り曲げられた後に電気的な接続を確立してもよい。
【００２３】
以上の説明は２層構成の導体の製作方法を概念的に説明したものであり、３層以上の総数で構成される円環状導体の製作の場合も同様である。
【００２４】
３層以上で構成される円環状導体の場合には、各２層間の転位箇所すなわち電流接続箇所を同じ位置にすると、積層された導体全体としては電流接続箇所で電流が流れる断面積が減少することから電流容量が制限されてしまう。そこで、電流接続位置を層ごとにずらすことが有効となる。
【００２５】
図２に２，３，４層構成場合の電流接続の位置を模式的に示す。紙面に対し左右の方向が電流の流れる方向すなわち導体の長手方向であり、上下方向が導体の積層方向である。ハッチングの違いは導体の違いを意味しており、各層を電流が流れる方向に見たときにハッチングが変わるところが転位部２５を意味する。各導体は転位を経て内側から外側の各層を通過し、それぞれの導体は空間配置が等価となるように転位位置を調整する。転位の位置をずらし積層層数を増やすことにより、転位部分における導体全体としての電流容量の低下を抑制することが可能となる。
【００２６】
環状導体を構成する導体の厚さは、２層構成の場合には、環状導体の内側導体の厚さは表皮厚さ程度、外側導体は表皮厚さの８割程度の厚さが望ましい形態である。内側導体に流れる電流分布は、導体に単独に電流を通電する場合と同じであるため、損失を小さくするためには導体厚みは表皮厚さ程度とすればよい。外側導体には内側導体がつくる交流磁場による渦電流損失が発生する。渦電流損失を低減するためには導体厚さを表皮の厚さよりも薄くしなければならない。
【００２７】
図３に多層転位環状導体の各層に６０Ｈｚの交流電流１Ａを通電した時の各層の交流損失を一層目の導体の交流損失の最小値で規格化したものを示す。
【００２８】
一層目の導体の電流分布は単独導体に電流を通電する場合と同じであり、表皮厚さのπ／２倍の厚さの導体とすることで交流損失は最小になる。
【００２９】
ｎ層目の導体には、その導体よりも内側にあるｎ−１層の導体がつくる交流磁場による渦電流損失、自分自身に通電する電流による損失が発生する。内側導体がつくる交流磁場による渦電流損失を低減するためには導体厚みを薄くする必要がある。一方、自分自身に通電する電流による損失は、導体厚さを薄くすると抵抗が増加し損失は増える。それらのトレードオフによって最適な導体厚みが決まる。
【００３０】
層数が増えるほど内側導体の作る交流磁場が大きくなるためこれによる渦電流損失が増える。この影響を低減するためには外側導体になればなるほど導体厚さは薄くする必要が生じ、２層目の導体は表皮厚さの８０％程度、３層目は６０％程度、４層目は５０％程度が望ましい厚さとなる。
【００３１】
図４に同じ電流を通電する場合の転位環状導体の構成層数と単層導体の損失に対する転位環状導体の損失比の関係を示す。
【００３２】
転位環状導体では、単層の導体に比べると同じ電流を通電する場合に損失を低減することが可能であり、通電可能な電流量は損失比の−０.５乗倍となる。従来環状導体で電流容量を増やすためにはその直径を増やすしかなかったが、転位導体では層数を増やすことにより導体外径を変えることなく電流容量を増加させることができ、設置スペースの制約から逃れることができる。２層転位導体では損失比は７０％、３層では５８％、４層では４７％となる。
【実施例１】
【００３３】
同軸状にパイプ導体を組み合わせて多層パイプ導体を構成し、多層パイプ導体をつなぎ合わせて交流用大容量導体を製作した。多層パイプ導体の端部にて、内側導体と外側導体に流れる電流が入れ替わるように電気的接続（転位）を行った。多層パイプ導体の端部には図５に示すように電流接続部で干渉がおこらないように切欠き部を形成した。また、内外導体が接触しないように絶縁円筒を挿入した。切欠き構造は図５に示すような構造が電流接続面積を有効に利用することで望ましいが、図６に示すように外側導体をななめに切り落とす簡便な構造でも転位を実現することが可能である。
【実施例２】
【００３４】
図７に電流接続片を介して転位導体を構成した例を示す。多層同軸円筒を電流が流れる方向に並べ、それら多層同軸円筒を電流接続片７４を用いて接続を行った。電流接続片は図８に示すように、半割りされた円筒導体の外側半分，内側半分に電気絶縁層８２が形成されているものである。電流接続片８１は、内側導体から外側導体へ接続する電流片と外側導体から内側導体へ接続する電流片の２種類を対にして使用した。
【００３５】
電流接続片の厚さは、内側導体外半径と外側導体の内半径の差となるように構成されている。電流接続片７４と円筒導体の接続部となる部分には銀メッキを施し、接触抵抗が低減されるようにした。電流接続部の端部には内外の円筒導体に挿入容易となるようにテーパー加工を施した。
【００３６】
転位導体の組み立て方法は、スペーサーを介して内側円筒導体をならべ、接続箇所に電流接続片７４を配置し、外側導体を両側からかぶせるようにして設置した後、内外の導体間に電流接続片が十分に挿入されるように外側導体を押し込んだ。
【００３７】
この方法では、内外導体間に隙間を必要とするものの、円筒端部の切欠き形状の加工をすることがなく、また、機械的に電流片を内外導体間に打ち込むだけで電気的接続を行うことから容易に転位環状導体を形成することが可能である。
【００３８】
また、内外の円筒の電流接続部及び電流接続片の表面を半田めっきしておき、電流接続片を内外導体間に打ち込んで転位環状導体を形成した後、熱処理を行って電流接続部の半田を溶融する処理を行うことにより、さらに電気的特性，機械的特性にすぐれた転位環状導体を提供することができる。さらに電流接続片，絶縁体を適切に設計すればロウ付けによる接続が可能で、この場合はさらに機械的強度にすぐれた転位環状導体を提供することができる。
【実施例３】
【００３９】
発電機口出し部用高電圧端子（ＨＶＢ：High Voltage Bushing）を転位を施された２重円筒にて製作した。ＨＶＢは通常は銅のパイプの表面に絶縁碍子を設置して構成される。銅のパイプの部分に本発明の転位環状導体を適用した。導体は、外直径がおよそ１２０mm、長さ２０００mmで、内側導体厚さは１０mm、外側導体厚さは６mmの２重円筒構成とし、転位は導体の中間の位置で一箇所とした。転位環状導体への置換えによりこの部分での発熱をおよそ７０％に低減できた。
【実施例４】
【００４０】
発電所において発電機から主変圧器の間は相分離母線（Isolated Phase Bus（ＩＰＢ））という、大電流が流れる特別な３本の母線でつながっている。導体間で接触がおこると短絡事故を起こしてしまうため、導体は個別の筒に入れられる。本発明による転位円環状導体のＩＰＢへの適用例を図９を用いて説明する。
【００４１】
ＩＰＢの筒９３の中心に断面が６角形の筒状の転位導体９１が配置され、絶縁碍子９２によって導体は支持されている。６角形の筒状導体は４層の積層導体が転位接続されて構成される。転位部における導体の接続はボルト締結による方法によって行った。各層の導体厚さは、損失が最も小さくなるように外側に行くにつれて薄くなるように構成した。
【００４２】
本構成の導体を４層で構成したためＩＰＢの外径寸法は同じままで１.４倍の電流容量増加に対応できる。既存発電プラントの発電容量増加に対しても、ＩＰＢの設置ルートを変更することなく置き換えが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
大電流用交流導体として利用が可能であり、発電プラント，発電機など用途のＩＰＢ，ＨＶＢなどをはじめとする大電力機器に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】転位環状導体を製作方法の一例を示す概念図である。
【図２】多層転位導体の転位位置を示す概念図である。
【図３】多層転位導体において、一層目の導体の交流損失の最小値で規格化した各層の導体の交流損失の、導体厚さ依存性を示す特性図である。
【図４】単層環状導体に対する多層転位導体の交流損失の比と構成導体層数との関係を示す特性図である。
【図５】円筒導体にて転位導体を構成する場合の円筒導体の端部切欠き構造の一例を示す斜視図である。
【図６】円筒導体にて転位導体を構成する場合の円筒導体の端部切欠き構造の一例を示す斜視図である。
【図７】円筒多層導体と電流接続片を用いて構成した転位環状導体の一例を示す斜視図である。
【図８】転位部に挿入する電流接続片の一例を示す斜視図である。
【図９】本発明の転位環状導体を相分離母線に適用した一実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１，２１，５１，６１，７１  導体Ａ
１２，２２，５２，６２，７２  導体Ｂ
１３  電流接続部
１４，５３  絶縁層
１５  転位環状導体
２３  導体Ｃ
２４  導体Ｄ
２５  転位部
７３  絶縁
７４，８１  電流接続片
８２  電気絶縁層
９１  転位導体
９２  絶縁碍子
９３  筒
【図１】
2009176581.tif 000003
【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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【図９】
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