2016 Fiscal Year Research-status Report
次世代高電圧直流送電を可能にする液中アークプラズマを用いた新しい遮断器の基礎研究
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16K06243
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| Research Institution | Tokyo University of Technology |
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Principal Investigator |
新海 健 東京工科大学, 工学部, 教授 (00758295)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 液体アーク / アーク抵抗 / 導電率 / 圧力上昇 / 直流遮断 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高電圧直流送電(多端子送電網)の主回路遮断器への適用を目指し、密閉容器の液体中アークの高いアーク抵抗を活用した限流コンポーネントの基礎研究を実施している。従来の交流用高電圧ガス遮断器のアーク抵抗のmΩオーダーに対し、直流限流には100Ω近いアーク抵抗が必要である。
１．液体中アークプラズマの物理特性の把握：20kV180μFのコンデンサバンクを製作し、直流状電流による開放系液体中アークの電流・電圧・アーク抵抗の測定と高速カメラによる発光画像観測を実施した。開放系液体中アークは気中アークに比べ1桁程度アーク抵抗が高いことが判明した。2つの要因がある。比熱が大きいためにアークが膨張しにくく材料によってはむしろ収縮する傾向があること、解離による高い熱伝導率や電子付着性によりアークが冷却され導電率が下がることである。これら知見は今後の研究の方向付けを担うものである。
２．液体種類の決定：比熱の大きい水、絶縁性能に優れたシリコンオイル、電気的負性のハイドロフルオロエーテル(HFE)で実験を実施した。各液体中のアーク抵抗は電流400Aの瞬時値で、HFE 2.5Ω、シリコンオイル1.5Ω、水1.4Ω程度と比較的高い値が得られたが目標の100Ωを達成するには密閉系が必要と思われる。画像からアーク直径を分析し抵抗率を推定した結果、HFEでは冷却による導電性の低下が、水ではアークの収縮がアーク抵抗に対し支配的であると考えられる。今後、最もアーク抵抗の高いHFEとアークの収縮効果の大きい水で研究を進める。
３．圧力上昇と圧力構造物の設計：エネルギー収支と比熱から簡易的に圧力上昇を計算した結果、容易に250気圧超の圧力上昇となることがわかった。完全密閉圧力容器の場合は費用と時間がかかるため、まずは圧力壁により過渡的に局所的な圧力上昇を促しさらに高いアーク抵抗を得られるよう実験を行う予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
概ね計画通り進展している。ただし、液中アークによる圧力上昇は当初予想の100気圧よりはるかに高い250気圧超となることがわかった。完全密閉容器の設計製作には想定以上の時間と費用がかかるため、まずは圧力壁により過渡的に局所的な圧力上昇を促しさらに高いアーク抵抗を得られるよう実験をすすめることとする。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度には、部分的な閉鎖系(圧力壁)の液体中アークプラズマの実験を中心に実施し、生成メカニズムと物理特性、特に圧力上昇の様相とアーク電圧の挙動を把握する。電源は20kV-180μFのメインバンクに375V-80Fのバンクを合成して通電時間を延ばし、遮断動作等、電極操作可能な装置に改造する。また、液体アークのアーク抵抗のモデリングと真空遮断器やCO2ガス遮断器などを組み合わせたハイブリッド型遮断器の遮断シミュレーションを実施する。
平成30年度には、29年度までの物理特性の取得データ、シミュレーション結果を基に、簡易的な限流ユニットの設計を行い製作する。真空遮断器との組み合わせで、基礎的な遮断検証試験を行う。
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| Causes of Carryover |
交付決定額が申請額より減額されたため、当初予定していた高電圧コンデンサおよび高速カメラは別途準備した。一方で、電圧・電流・圧力等の測定に用いるオシロスコープのチャンネル数が不足したため新規購入(スコープコーダ)した。これらの調整の結果、次年度使用額215,537円が発生した。しかし、ハイドロフルオロエーテルが実験により炭化するため、想定より必要量が多くなることが判明したため、次年度使用額で充当する予定である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当初予定の平成29年度消耗品費300,000円に加え、
ハイドロフルオロエーテル追加分8リットル220,000円程度に次年度使用額を充当する予定。
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