プロジェクト課題

需要地系統用次世代機器
背景・目的
低炭素社会に向けた PV 大量導入などを見据え、将来の電力流通技術もフレキシブルに対応できるよう準備する必要がある。また、電力流通インフラの高経年化が進んでおり、至近年に大量のリプレース時期を迎える。このため、リプレース時に導入する新しい電力機器として、革新的な機能を有する次世代機器の開発が望まれる。
本課題では、社会受容性の高い次世代電力機器として、超電導限流器、ならびに環境調和型変電所機器を開発し、リプレース時の技術メニューとして提案する。

主な成果
1．限流器に適用する超電導体の性能向上
大型化に適している磁気しゃへい型超電導限流器に用いる Bi 2 2 2 3 超電導体の作製条件の最適化を図った。超電導厚膜を作製する基板の表面を粗くすることで、超電導性能を維持しつつ、基板から剥離しにくい Bi 2 2 2 3 超電導体を作製できることを明らかにした（図 1）。また、作製過程における焼成温度と焼成回数を最適化することにより、焼結体である超電導体を構成する個々の結晶の臨界電流密度として、目標とする8 , 0 0 0 A ／ cm 2（必要最小値に対して 2 , 0 0 0 A ／ cm 2 の裕度を有する）を達成した（図2）［H 0 9 0 1 9］。今後さらに、結晶間の電気抵抗を低減することなどにより、超電導体全体の性能を向上させる。
2．全固体変圧器要素技術の開発
全固体変圧器は絶縁油を用いないため防災性に優れ、コンパクトで環境負荷の低減も期待される（図 3）。全固体変圧器を実現するためには、絶縁性能と熱伝導性能に優れ、モールド成型が可能な絶縁材料を創製することと、コイルとなる金属導体と接地層となる金属板を精密な位置精度でモールドする手法の開発が課題であった。そこで、コイルを保持するスペーサと接地金属板の材料・形状等の工夫により、絶縁耐力を損なうことなく、モールド成型できる手法を開発した。これにより、モールド絶縁材料への充填材料（窒化アルミニウム粒子など）と充填量を適切に選定すれば、絶縁性能と熱伝導性能が両立し、油入変圧器と同程度の寸法で 6 0 kV 級 2 0 MVA の全固体変圧器を設計できる見通しを得た（図 4）。
3．ハイブリッドガス絶縁技術の開発
当研究所が提案する N 2 などの自然ガスと固体絶縁物被覆を用いるハイブリッドガス絶縁方式は、地球温暖化係数が高い SF 6 を用いず、従来のガス絶縁方式と同程度の寸法でガス絶縁機器の絶縁性能を確保できることが期待される。ハイブリッドガス絶縁では導体接続部が電気絶縁上の弱点となる可能性がある。このため、導体接続部の詳細な電界解析を行うとともに、実機器を想定したモデル電極を設計・試作し、その評価実験を行った。今後、この結果を基に、2 7 5 kV 級ハイブリッドガス絶縁母線のプロトタイプモデルの概念設計を行う。
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環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術
環境・エネルギー利用技術

熱処理により、 Bi2212 とBi2212
熱処理により、
Bi2212 Bi2212とBi2223を反応させる。
熱処理により、とBi2223 を反応させる。
Bi2223 を反応させる。
熱処理により、 Bi2212 とBi2223
Bi2223 を反応させる。
Bi2223
反応層
Bi2223
反応層 反応層

MgO
MgO

MgO

MgO

Bi2212
Bi2223
Bi2212
反応層Bi2212MgO
MgO

Bi2212臨界電流密度 (a. u.)
臨界電流密度 (a. u.)

MgO

Bi2223
Bi2223 Bi2223
Bi2212
Bi2212 Bi2212
Bi2223剥離が抑制され大型円筒体の作製に成功したが、反応層のMgO剥離が抑制され大型円筒体の作製に成功したが、反応層の生成により臨界電流密度は2,000A/cm2 以下まで低下した。
剥離が抑制され大型円筒体の作製に成功したが、反応層の22生成により臨界電流密度は2,000A/cm以下まで低下した。
生成により臨界電流密度は2,000A/cm以下まで低下した。
剥離が抑制され大型円筒体の作製に成功したが、反応層の新たな方法
2生成により臨界電流密度は 2,000A/cm 以下まで低下した。

新たな方法
新たな方法

Bi2223
Bi2223 Bi2223
表面の前処理新たな方法

表面の前処理Bi2223表面の前処理
基材の表面を粗くすることに表面の前処理基材の表面を粗くすることにより、Bi2212中間層なしで剥基材の表面を粗くすることにより、Bi2212中間層なしで剥離抑制できる。
より、Bi2212
中間層なしで剥基材の表面を粗くすることに離抑制できる。
離抑制できる。
より、Bi2212 中間層なしで剥離抑制できる。

MgO
MgO MgO
MgO

1.01.01.0

1.0 0.8
0.80.8臨界電流密度(a. u.)
臨界電流密度(a. u.)

従来方法
従来方法
スクラッチ
従来方法
スクラッチ
スクラッチ
従来方法
スクラッチ

0.8 0.6
0.60.60.6 0.4
0.4
0.4
0.4

0.2
0.2

0.00.20.20.00.01110.0232 焼成回数
焼成回数
焼成回数
2321334444臨界電流密度の焼成回数依存性
図1 図
超電導厚膜の剥離抑制法
図図2 2 臨界電流密度の焼成回数依存性
1 超電導厚膜の剥離抑制法
焼成回数
図2 図
臨界電流密度の焼成回数依存性
2 臨界電流密度の焼成回数依存性
図1超電導厚膜の剥離抑制法
図1超電導厚膜の剥離抑制法
3次焼成の試料の臨界電流密度で規格化した。
基材表面を粗くすることにより、超電導体性能を低基材表面を粗くすることにより、超電導体性能を低下 3 次焼成の試料の臨界電流密度で規格化した。3 次焼
図 次焼成の試料の臨界電流密度で規格化した。
2 臨界電流密度の焼成回数依存性
3 次焼成の試料の臨界電流密度で規格化した。
図 1 超電導厚膜の剥離抑制法
基材表面を粗くすることにより、超電導体性能を低下
基材表面を粗くすることにより、超電導体性能を低下
33 次焼成の試料で臨界電流密度が最大となる。
させることなく剥離を抑制できるようになった。
下させることなく剥離を抑制できるようになった。
成の試料で臨界電流密度が最大となる。
次焼成の試料の臨界電流密度で規格化した。
33次焼成の試料で臨界電流密度が最大となる。
3 次焼成の試料で臨界電流密度が最大となる。
基材表面を粗くすることにより、超電導体性能を低下させることなく剥離を抑制できるようになった。
させることなく剥離を抑制できるようになった。
3次焼成の試料で臨界電流密度が最大となる。
させることなく剥離を抑制できるようになった。

2110mm

2110mm

高圧引き出し口
高圧引き出し口提案した接続部の提案した接続部の 適用箇所
適用箇所
高圧側コイル

中性点引き出し口

高圧側コイル

中性点引き出し口mm
0013mm0013Δ結線用
Δ結線用 ケーブル
ケーブル3670mm3670mm

総重量：28.1t効率：99.71%(定格)
総重量：28.1t
99.74%(負荷率60％)
効率：99.71%(定格)99.74%(負荷率60％)

332211

熱伝導率(W/m/K)
熱伝導率(W/m/K)

鉄心

熱伝導率(W/m/K)
熱伝導率(W/m/K)

低圧側
コイル

000
0

線の右上領域が60kV級
全固体変圧器の線の右上領域が60kV級
線の右上領域が60kV級
所要特性
全固体変圧器の全固体変圧器の線の右上領域が60kV級
所要特性
所要特性
全固体変圧器の所要特性

33

窒化アルミニウム
複合粒子
窒化アルミニウム
窒化アルミニウム
40vol%
充填
複合粒子
複合粒子
窒化アルミニウム
40vol%
40vol%
充填 充填
複合粒子
アルミナ破砕粒子
40vol% 充填
35vol% 充填
アルミナ破砕粒子
アルミナ破砕粒子
35vol% 35vol%
充填 充填
アルミナ破砕粒子
35vol% 充填

22110000エポキシ樹脂単体
エポキシ樹脂単体
エポキシ樹脂単体
4060
エポキシ樹脂単体～～～～

低圧引き出し口鉄心～～～～

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低圧引き出し口
低圧側
コイル

油絶縁変圧器と同等容積で 60kV 級
油絶縁変圧器と同等容積で60kV 級
油絶縁変圧器と同等容積で60kV 級全固体変圧器を実現する上で，モ全固体変圧器を実現する上で，モ全固体変圧器を実現する上で，モ
油絶縁変圧器と同等容積で60kV 級
ールド絶縁材料が満足すべき絶縁ールド絶縁材料が満足すべき絶縁ールド絶縁材料が満足すべき絶縁全固体変圧器を実現する上で，モ性能と熱伝導性能性能と熱伝導性能
ールド絶縁材料が満足すべき絶縁性能と熱伝導性能
4 性能と熱伝導性能
460
40 406080(kVrms/mm)
絶縁破壊強さ4060(kVrms/mm)80
絶縁破壊強さ(kVrms/mm)
絶縁破壊強さ
絶縁破壊強さ (kVrms/mm)

808060kV
級全固体変圧器の概念図
全固体変圧器用モールド絶縁材料の特性
図 3図 63 0kV
級全固体変圧器の概念図
図図
4 4 全固体変圧器用モールド絶縁材料の特性
図 3 級全固体変圧器の概念図
60kV 級全固体変圧器の概念図
4 全固体変圧器用モールド絶縁材料の特性
図 3 60kV
図4 図
全固体変圧器用モールド絶縁材料の特性
当研究所で開発した窒化アルミニウム粒子充填エポ窒化アルミニウム複合粒子やアルミナ破砕粒子を
図 3 60kV 級全固体変圧器の概念図
図
4 全固体変圧器用モールド絶縁材料の特性
当研究所で開発した窒化アルミニウム粒子充填エポキシ
窒化アルミニウム複合粒子やアルミナ破砕粒子を当研究所で開発した窒化アルミニウム粒子充填エポ 窒化アルミニウム複合粒子やアルミナ破砕粒子を窒化アルミニウム複合粒子やアルミナ破砕粒子を当研究所で開発した窒化アルミニウム粒子充填エポキシ樹脂の高温電気絶縁特性等をベースに設計し充填したエポキシ樹脂をモールド材として用いるこ当研究所で開発した窒化アルミニウム粒子充填エポ
窒化アルミニウム複合粒子やアルミナ破砕粒子を樹脂の高温電気絶縁特性等をベースに設計した変圧器モ 充填したエポキシ樹脂をモールド材として用いるキシ樹脂の高温電気絶縁特性等をベースに設計し 充填したエポキシ樹脂をモールド材として用いるこ充填したエポキシ樹脂をモールド材として用いるこ
キシ樹脂の高温電気絶縁特性等をベースに設計しキシ樹脂の高温電気絶縁特性等をベースに設計し充填したエポキシ樹脂をモールド材として用いるこた変圧器モデル。とで 60kV
級 20MVA 全固体変圧器が可能となる。
デル。
ことで60kV級20MVA全固体変圧器が可能となる。
た変圧器モデル。とで 60kV級 20MVA全固体変圧器が可能となる。
た変圧器モデル。とで60kV級20MVA全固体変圧器が可能となる。
た変圧器モデル。とで 60kV 級 20MVA 全固体変圧器が可能となる。

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