JP5637397B2 - 架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法、シミュレーターおよびシミュレーションソフトウェアー - Google Patents

Description

本発明は架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法、シミュレーターおよびシミュレーションソフトウェアーに関し、特に雷撃を模擬した直流アーク試験を模擬して架空地線の溶融特性を検証する場合に適用して有用なものである。

架空送電線への直撃雷の防止、落雷時における鉄塔から電線への逆フラッシオーバの防止などを目的として架空送電線の上方に架空地線（以下、ＧＷと称す。）が設置されている。この種の架空地線は直撃雷を受けることを前提として設計されているが、直撃雷による電流値が大きく、またその継続時間が長い雷撃に対しては、架空地線の素線が溶断することが報告されている。また、機械的な強度を受け持つ鋼線とともに光ファイバーを内蔵させて各種監視システム情報などを伝送するために開発された光ファイバー複合架空地線（以下、ＯＰＧＷと称す。ただし、単にＧＷというときはＯＰＧＷも含む。）が、最近送電系統に大量に導入されている。このＯＰＧＷも雷撃を受けた場合には素線が溶断することがある。

このような背景のもと、送電線への直撃雷の防止に加えて、システム情報の伝送等の役割を持つＯＰＧＷについては、特にその溶断防止策を検討する必要があり、その前提として溶断特性を解明することが肝要である。

このため、架空地線への雷撃を模擬した直流アーク試験が行われている。これまでの雷の観測例によると、電流波高値は１〜１００ｋＡ程度、継続時間は１０〜２００，０００μｓ（２００ｍｓ）程度、電気量は０．１〜１，０００Ｃ程度であり、それぞれのパラメータの値の範囲が広い。また、夏季雷のほとんどが負極性であるのに対して、冬季雷では１〜３割程度が正極性である。一方、架空地線の素線のサイズや本数などのパラメータについても、架空地線の用途に応じて決められるため、多くの組み合わせがある。

このため、多くの種類の架空地線に対して様々なパラメータ条件の直流アーク試験を行うには多額の費用が必要になり、また多大の時間を要するという問題がある。

かかる問題は、上述の如き直流アーク試験のシミュレーション手法を確立することができれば解決し得ると考えられるが、かかるシミュレーション手法の確立には、アークから架空地線への伝熱量による影響を正確にシミュレートすることが肝要である。

一方、サージ性電流による架空地線の素線溶融に関する考察を開示する公知文献として非特許文献１が、また耐雷電線に関する技術を開示する公知文献として特許文献１〜特許文献３が存在する。

特開平０５−６２５５２号公報 特開平０７−５７５４４号公報 特開２００８−２５１２６７号公報

鬼頭，水野：「サージ性電流による架空地線の素線溶融についての実験的考察」，電気学会論文誌B，108巻，12号，pp.577-584（1988）

非特許文献１では、アークからＧＷへの伝熱量として、電子輸送による伝熱量のみを想定している（第５８１頁の式（１）および（２）参照）。また、特許文献１〜特許文献３においては、架空地線への伝熱量に関しては言及されていない。ただ、何れにしても、電子輸送による伝熱量のみの想定では伝熱量を正確に反映することができないと考えられる。

さらに、非特許文献１および特許文献１〜特許文献３おいて、架空地線の溶融量は通過電気量のみの関数として評価されているが、充分ではない。これまでの実験結果では、通過電気量が同じ場合でもアーク電流が異なると架空地線の溶融量が異なることがあるからである。

本発明は、上記従来技術に鑑み、ＧＷに対する雷撃を模擬して行う直流アーク試験をシミュレートするための直流アーク試験のシミュレーション方法、シミュレーターおよびシミュレーションソフトウェアーを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
所定の張力が付与された状態で両端が固定されている架空地線に、直流アークによるアーク電流を供給して雷撃を模擬した試験である直流アーク試験をシミュレートする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法であって、
前記直流アークによる前記架空地線への全伝熱量を、前記架空地線に供給される直流アークのアーク電流、該アーク電流の供給時間を含むアーク条件と、前記架空地線のサイズおよび素線の材質を含む架空地線条件とに基づく電子輸送による伝熱量と対流熱伝達による伝熱量との和により演算することを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法にある。

本態様によれば、架空地線への全伝熱量を、電子輸送による伝熱量のみならず対流熱伝達による伝熱量も考慮したものとすることができる。すなわち、従来は、主にアーク電流の時間積分（通過電気量）で評価していたが、本態様によればアーク電流に基づく溶融量で評価することになり、その分正確な評価を行うことができる。これは後述するように所定の直流アーク実験により確認された。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する直流アーク試験のシミュレーション方法において、
前記架空地線が所定量溶融するまでの時間とアーク電流との関係を前記全伝熱量に基づき演算して前記時間と前記アーク電流との関係で表わされる架空地線の溶融特性を求めることを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法にある。

本態様によれば、前記架空地線が所定量溶融するまでの時間とアーク電流との関係を正確にシミュレートすることができる。

本発明の第３の実施の形態は、
第１または第２の態様に記載する架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法において、
前記対流熱伝達による伝熱量は、前記架空地線に対しギャップを介して相対向させた対向電極から前記架空地線に向けて噴出されるアークジェットに基づくもので、所定の熱伝達係数、前記架空地線の外周面において前記直流アークが接触している領域の面積である伝熱面積および前記直流アークと前記架空地線の表面との温度差の積により求めるとともに、
前記伝熱面積は前記直流アークのアーク電流、前記架空地線の材質により変化させるようにしたことを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法にある。

本態様によれば、対流熱伝導による伝熱量を、熱伝達係数、伝熱面積および温度差により求めるとともに、伝熱面積を直流アークのアーク電流および架空地線の材質により変化させるようにしたので、アーク電流および架空地線の材質により変化するパラメータとしての正確な伝熱面積を使用してその分正確な溶融特性を求めることができる。

本発明の第４の態様は、
所定の張力が付与された状態で両端が固定されている架空地線に直流アークを接触させて雷撃を模擬した直流アーク試験をシミュレートするための架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターであって、
試料となる架空地線に供給される直流アークのアーク電流、該アーク電流の供給時間を含むアーク条件と、前記架空地線のサイズおよび素線の材質を含む架空地線条件を設定するパラメータ設定部と、
前記パラメータ設定部に設定した各パラメータに基づき、電子輸送による伝熱量と対流熱伝達による伝熱量とを演算するとともに、両者を加算して前記直流アークによる前記架空地線への全伝熱量を演算する演算部とを有することを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターにある。

本態様によれば、架空地線への全伝熱量を、電子輸送による伝熱量のみならず対流熱伝達による伝熱量も考慮したものとすることができる。すなわち、従来は、主にアーク電流の時間積分（通過電気量）で評価していたが、本態様によればアーク電流に基づく溶融量で評価することになり、その分正確な溶融特性を求めることができる。

本発明の第５の態様は、
第４の態様に記載する架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターにおいて、
前記演算部は、前記架空地線が所定量溶融するまでの時間とアーク電流との関係を前記全伝熱量に基づき演算して前記時間と前記アーク電流との関係で表わされる架空地線の溶融特性を求めるものであることを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターにある。

本態様によれば、前記架空地線が所定量溶融するまでの時間とアーク電流との関係を正確に再現できる。

本発明の第６の態様は、
第４または第５の態様に記載する架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターにおいて、
前記演算部は、前記対流熱伝達による伝熱量を、前記対向電極から前記架空地線に向けて噴出されるアークジェットに基づくもので、所定の熱伝達係数、前記架空地線の外周面において前記直流アークが接触している領域の面積である伝熱面積および前記直流アークと前記架空地線の表面との温度差の積により演算するとともに、
前記伝熱面積は前記アーク電流、前記架空地線の材質の関数として演算するものであることを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターにある。

本態様によれば、対流熱伝導による伝熱量を、熱伝達係数、伝熱面積および温度差により求めるとともに、伝熱面積を直流アークのアーク電流および架空地線の材質により変化させるようにしたので、アーク電流および架空地線の材質により変化するパラメータとしての正確な伝熱面積を使用してその分正確な溶融特性を求めることができる。

本発明の第７の態様は、
所定の張力が付与された状態で両端が固定されている架空地線に、直流アークによるアーク電流を供給して雷撃を模擬した試験である直流アーク試験をシミュレートする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーションソフトウェアーであって、
設定された直流アークのアーク電流、該アーク電流の供給時間を含むアーク条件と、前記架空地線のサイズおよび素線の種類を含む架空地線条件とに基づき電子輸送による伝熱量と対流熱伝達による伝熱量とを演算するステップと、
電子輸送による伝熱量と対流熱伝達による伝熱量とを加算して前記直流アークによる前記架空地線への全伝熱量を演算するステップとをコンピューターに演算させることを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーションソフトウェアーにある。

本態様によれば、設定されたアーク条件と、架空地線条件とに基づき、架空地線への全伝熱量を、電子輸送による伝熱量のみならず対流熱伝達による伝熱量も考慮した演算を行うソフトウェアーとなる。すなわち、従来は、主にアーク電流の時間積分（通過電気量）で評価していたが、本態様によればアーク電流に基づく溶融量で評価することになり、その分正確な評価を可能とする演算を行うことができる。

本発明によれば、対流熱伝達による伝熱量を考慮することにより、架空地線の溶融量が通過電気量だけではなくアーク電流にも依存するという実験結果を再現できるばかりでなく、種々のアーク条件や架空地線条件を考慮したシミュレーションを行うことができるので、直流アーク試験の合理的な遂行、架空地線の設計の適正化や開発コストの低減、実線路への適用検討時の支援などに大いに貢献させることができる。ちなみに、架空地線への雷撃時の溶融特性を把握するためには，多くの種類の架空地線に対して、様々な条件の直流アーク試験を行う必要があり、それには多額の費用が必要となる。

雷撃を模擬した直流アーク試験を行うための試験装置を概念的に示す説明図である。 本実施の形態に係るシミュレーション方法の概略の手順を示すフロー図である。 本発明の実施の形態に係るシミュレーターを示すブロック図である。 実際のＯＰＧＷの一例を示す断面図（ａ）と、これを模擬したＯＰＧＷの断面図（ｂ）である。 実際のＯＰＧＷの他の例を示す断面図（ａ）と、これを模擬したＯＰＧＷの断面図（ｂ）である。 ＯＰＧＷに接触するアークの種々の態様を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るシミュレーターでの演算結果によるアーク電流−時間特性の一例を実験結果とともに示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るシミュレーターでの演算結果によるアーク電流−時間特性の他の例を実験結果とともに示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、本形態では試料をＯＰＧＷとした場合に関して説明するが、勿論これに限定するものではない。ＯＰＧＷではない通常のＧＷでも構わない。

図１は雷撃を模擬した直流アーク試験を行うための試験装置を概念的に示す説明図である。同図に示すように、当該試験装置は、試料であるＯＰＧＷ１と課電側である電源に接続されている鉄製丸棒の対向電極２との間に細銅線を張り、そこに試験電流を通電することにより溶断発弧させる。ここで、ＯＰＧＷ１と対向電極２との間のギャップ長Ｌ_gapは５０〜１５００ｍｍ程度である。また、ＯＰＧＷ１は、その両端部を碍子３，４を介して実線路とほぼ同じ張力でコンクリートブロック５，６の間に架線されている。このときの張力は張力計７で計測するようになっている。

ＯＰＧＷ１の表面の一部はビニルテープ９，１０で覆われている。これは、対向電極２とＯＰＧＷ１との間に形成されるＯＰＧＷ１の近傍のアーク１１がＯＰＧＷ１に接触して新たにアークスポットを形成し、ＯＰＧＷ１の軸方向に移動する現象を抑制するためである。すなわち、ＯＰＧＷ１には、ビニルテープ９，１０を巻回して絶縁することによりＯＰＧＷ１の表面を露出させた領域である露出部分１２がビニルテープ９，１０の間に形成されている。ここで、露出部分１２の軸方向における長さである露出長Ｌ_exは、例えば２０〜４０ｍｍ程度が好適である。また、電磁力によりアーク１１がＯＰＧＷ１の軸方向に容易に移動しないように、接地側の電流をほぼ均等に分流させている。電源としては短絡発電機および整流器などを用いており、交流電流を三相全波整流して直流電流を発生させている。なお、図中の矢印ＤＣ_Aは直流電源の課電側に、またＤＣ_Cは直流電源の接地側にそれぞれ接続されることを示している。

図２は本実施の形態に係るシミュレーション方法の概略の手順を示すフロー図である。同図に示すように、本形態に係るシミュレーション方法では、アーク条件（アーク電流，アークが持続する時間，極性，ギャップ長など）とＯＰＧＷ条件（ＯＰＧＷ１のサイズ（線径），素線の種類・本数など）を設定することにより、アーク条件およびＯＰＧＷ条件を用いてアーク１１からＯＰＧＷ１への伝熱量および伝熱面積を予測し、ＯＰＧＷ１の溶融量を計算する。ここで、伝熱量とはアーク１１からＯＰＧＷ１に注入されるアーク１１の熱量であり、伝熱面積とはＯＰＧＷ１の表面においてアーク１１が接触する部分の面積であり、アーク１１の熱量が注入される領域の面積である。

図３は、図２に示すシミュレーション方法を具体的に実現するシミュレーターを示すブロック図である。同図に示すように、当該シミュレーターは、パラメータ設定部２１、演算処理部２２および表示部２３を有している。パラメータ設定部２１は、アーク条件設定部２１ＡおよびＯＧＷ条件設定部２１Ｂからなる。アーク条件設定部２１Ａには、アーク電流Ｉ_DC，アーク電流Ｉ_DCが供給されている時間，アークの極性(これは雷の極性を模擬したものである)，ギャップ長Ｌ_gapなどのアーク条件が、ＯＰＧＷ条件設定部２１ＢにはＯＰＧＷ１のサイズ（線径），ＯＰＧＷ１の素線の種類（材質）・本数などのＯＰＧＷ条件に関連するパラメータが設定される。

演算処理部２２は、伝熱量演算部２２Ａ、伝熱面積演算部２２Ｂおよび溶融量演算部２２Ｃを有している。

伝熱量演算部２２Ａはパラメータ設定部２１に設定された各パラメータに基づきアーク１１からＯＰＧＷ１への全伝熱量Ｐ_totalを演算する。全伝熱量Ｐ_totalは、本形態では、電子輸送による伝熱量Ｐ_eleと、対流熱伝達による伝熱量Ｐ_condとの和として処理している。すなわち、全伝熱量Ｐ_totalは次式（１）で表される。

上式（１）における伝熱量Ｐ_eleの中には、電極降下電圧（陰極降下電圧，陽極降下電圧）、仕事関数に起因する熱量、電子のエンタルピー輸送に起因する熱量が含まれており、ＯＰＧＷ１の極性により異なり次式（２）、（３）のように表される。

ここで、Ｐ_cおよびＰ_aは、それぞれ陰極降下電圧Ｖ_cおよび陽極降下電圧Ｖ_aに起因する熱量、Ｐ_wは仕事関数Ｖ_wに起因する熱量、Ｐ_tは電子のエンタルピー輸送に起因する熱量である。Ｐ_c，Ｐ_aおよびＰ_wは，それぞれ，Ｖ_c，Ｖ_aおよびＶ_wにアーク電流Ｉ_DCを乗じた値である。また，Ｐ_tは次式（４）のＶ_tとアーク電流Ｉ_DCとの積で表される。

ここで、Ｔ_arcはＯＰＧＷ１び近傍のアークの温度[Ｋ]である。

これらの各種電圧値Ｖ_c，Ｖ_a，Ｖ_wおよびＶ_tは電極材質や雰囲気ガスにより異なる。一方、アーク１１に触れるＯＰＧＷ１の最外層は、通常アルミ覆鋼線であるため、上記各種電圧値Ｖ_c，Ｖ_a，Ｖ_wおよびＶ_tとしては、表１に示すような、電極材質がアルミニウムまたは鉄、雰囲気ガスが空気の場合の文献値を用いることができる。

なお、上記Ｖ_tについては、例えば、文献１（岩田，田中，池田，合田：「50kA級長ギャップ交流大電流アークにおけるアークジェット部の温度特性（その２）−鉄電極から噴出するアークジェットの温度とエネルギー密度−」，電力中央研究所報告 研究報告No.W00026（2001））で報告されている温度の電流や電極材質などへの依存性を考慮して式（４）を用いて求めた。

ここで、Ｐ_eleをＩ_DCで除した値をＶ_eleとすると、Ｖ_eleは式（２）および式（３）に基づき次式（５）、（６）のように表される。

これらの式を用いて算出したＶ_eleは、表１に示すように、ＯＰＧＷの材質および極性により異なる。

一方、式（１）における対流熱伝達による伝熱量Ｐ_condは、対向電極(図１参照)から噴射する高温・高圧のアークジェットに起因するものであり、熱伝達係数ｈ、伝熱面積Ｓ_ｈおよびアーク１１とＯＰＧＷ１の表面との温度差の積として次式（７）により求めることができる。

ここで、ｈは熱伝達係数［Ｗ／ｍ^２／Ｋ］である。具体的には、次式（８）のように表される。

ここで、κはアークの熱伝導率［Ｗ／ｍ／Ｋ］である。ＤはＯＰＧＷ１の代表寸法[ｍ]であり、ここではＯＰＧＷ１の直径とした。また、Ｎｕはヌセルト数であり、熱伝達の様相により異なる値を示し、各種実験式が提案されている。ここでは、対向電極２から噴出するアークジェットが円柱状のＯＰＧＷ１に衝突することから、「衝突噴流による熱伝達」を想定した。この場合のＮｕは，ギャップ長Ｌ_gap，対向電極２の直径ｄなどの条件により異なり、プラントル数Ｐｒおよびレイノルズ数Ｒｅを用いて次式（９），（１２）のように表される。

ここで、Ｃは次式（１０），（１１）の通りである。

なお、ＰｒおよびＲｅは次式のように表される。

ここで、ｃ_p，μ，ρおよびｖは、それぞれ、アークの定圧比熱［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］、粘性［ｋｇ／ｍ／ｓ］、質量密度［ｋｇ／ｍ^３］および流速［ｍ／ｓ］である。これらの値およびκについては、前記文献１を参考にしてそれぞれ計算することができる。

また、上式（７）中、Ｓ_ｈは伝熱面積［ｍ^２］で、アーク電流Ｉ_DCの密度Ｊ_Aｌ、Ｊ_Feが材質（アルミニウム（Ａｌ）および鉄（Ｆｅ））ごとに一定であるため、アーク電流Ｉ_DCの関数として次式（１５）で表される。

すなわち、本形態において、伝熱面積Ｓ_ｈは、文献２（合田，岩田，池田，田中：「50kA級長ギャップ大電流アークジェットの様相―アークジェットの直径および電圧特性―」，電力中央研究所報告 研究報告No.W00034（2001））の電極端面におけるアーク直径を用いて電流密度一定（アルミニウムおよび鉄の電極端面の電流密度はそれぞれ６０．０Ａ／ｍｍ^２および３３．８Ａ／ｍｍ^２であり、これらの極性効果はない）として算出し、ＯＰＧＷ１の露出部分１２（図１参照）の面積以下とした。すなわち、ＯＰＧＷ１の外周面に対する前記アークの接触面積と露出部分１２の面積のうち小さい方を選択して使用している。

さらに、上式（７）中、Ｔ_OPGWはＯＰＧＷ１の表面の温度である。これは、アーク発生前は室温（３００Ｋ）でアーク発生中は融点付近とも考えられるが、ここでは、Ｐ_condの最大値を把握するために３００Ｋとした。なお、Ｔ_OPGWを融点とした場合のＰ_condは、３００Ｋの場合よりも１〜２割程度少ない。上式（１５）に基づく伝熱面積Ｓ_ｈの演算は、本形態の場合、伝熱面積演算部２２Ｂで実行する。

伝熱量演算部２２Ａは、上記式（２）〜（６）に基づいて電子輸送による伝熱量Ｐ_eleを演算するとともに、上記式（７）〜（１４）に基づいて対流熱伝達による伝熱量Ｐ_condを演算し、両者の和として式（１）に基づき全伝熱量Ｐ_totalを演算する。これは、アーク１１からＯＰＧＷ１に注入される全熱量である。

溶融量演算部２２Ｃは、パラメータ設定部２１に設定されている所定のパラメータを参照し、全伝熱量Ｐ_totalと伝熱面積Ｓ_ｈの情報からＯＰＧＷ３１の溶融量を演算して所定の溶融特性を求める。さらに詳言すると、ＯＰＧＷ３１の素線が溶融するために必要なエネルギーは、室温から融点まで上昇するためのエネルギーと、融点到達後に完全溶融に至るまでのエネルギーとの和である。ここで、室温は３００Ｋとしている。前者については、素線の材質（アルミニウム，鉄）の比熱および質量密度を用いて演算可能である。この場合の比熱は温度により変化するが、本形態では計算の簡略化のため、室温時と融点時の平均値とする。また、後者については，素線の材質の質量密度および溶融潜熱を用いて演算可能である。

すなわち、単位体積当たりの溶融エネルギーである溶融エネルギー密度Ｅ_ｍは次式（１６）で表される。

ここで、Ｅ_{（Ｔｍ−３００Ｋ）}はＯＰＧＷ１の素線が室温から融点まで上昇するために必要なエネルギー密度、Ｅ_ｍｌは溶融潜熱密度である。

したがって、アークにより溶融されるＯＰＧＷ１の素線の溶融体積をＶ_ｍ（ｍ^３）とすると、この溶融体積Ｖは次式（１７）で表される。

ここで、Δｔはアークの継続時間であるアーク時間である。

したがって、パラメータ設定部２１に設定されたアーク時間Δｔを、式（１）で求めたＰ_totalおよび式（１６）で求めた溶融エネルギー密度Ｅ_ｍとともに、上式（１７）に代入することによりＯＰＧＷ１の素線の溶融体積Ｖ_ｍを演算することができ、この結果を利用することによりアーク電流Ｉ_DCに対するＯＰＧＷの溶融特性を演算することができる。

ここで、上述の如くＯＰＧＷ１の溶融量を演算する際に留意すべき溶融体積Ｖ_ｍについて説明しておく。

溶融量演算部２２Ｃにおける溶融量の演算においては、簡単のためＯＰＧＷ１の実際の構造をこれと等価な構造に置換して模式化し、この模式化した構造で溶融体積Ｖ_ｍを考える。具体的には、まず図４（ａ）および図５（ａ）に示すような実際のＯＰＧＷ１の構造を、両図の（ｂ）にそれぞれ示すように、扇形のセグメントを６個または円筒形状のセグメントを１２個集合させて円形としたアルミニウム層３１Ａ，４１Ａとアルミニウム層３１Ａ，４１Ａの内周面に外周面が接するように組み合わせたＯＰＧＷ３１，４１として構造を簡略化した。かかるＯＰＧＷ３１，４１においては、アーク１１からの伝熱量が、まずアルミニウム層３１Ａ，４１Ａ部分に注入されてＯＰＧＷ３１，４１の周方向の部分が溶融され、除去された後に、下層の鉄層３１Ｂ，４１Ｂ部分にアーク１１からの伝熱量が注入される。ここで、ＯＰＧＷ３１，４１の外径Ｄ１，Ｄ２はＯＰＧＤ１の外径Ｄ１，Ｄ２と同等とし、またアルミニウム層３１Ａ，４１Ａ部分および鉄層３１Ｂ，４１Ｂ部分の断面積についても、それぞれ図４（ａ）および図５（ａ）のそれらと同等の値とした。ちなみに、図４（ａ）および図５（ａ）に示す例の場合、Ｄ１＝１１．５ｍｍ，Ｄ２＝１６ｍｍ、ｄ１＝３ｍｍ、ｄ２＝１．８５ｍｍである。

かかるＯＰＧＷ３１、４１において溶融体積Ｖ_ｍを考える。具体的には、ＯＰＧＷ３１，４１のアルミニウム層３１Ａ，４１Ａまたは鉄層３１Ｂ，４１Ｂの部分の厚みにアーク１１の接触面積を乗じた体積を持つ部分が溶融した後は、別のエリアにアーク１１が移動しそのエリア部分を溶融させるものと考えられる。アーク電流Ｉ_DCやアーク時間が大きくアーク１１からＯＰＧＷ３１への伝熱量が十分に大きい場合は、ＯＰＧＷ３１の周方向のすべての素線が溶融することとなるが、本形態では、アーク１１に触れやすい上半分（例えば、図４の場合は６本のうち３本、図５の場合は１２本のうち６本）の素線の溶融量Ｒ_ｍを計算した。ここで、ＯＰＧＷ３１の最外層の半数の素線においてＯＰＧＷの軸方向のいずれかの場所が全量溶融する場合の溶融量Ｒ_ｍを１００％と定義した。

例えば、図６（ａ）に示すように、アーク電流Ｉ_DCが小さい場合や、ＯＰＧＷ３１、４１の外径Ｄ１，Ｄ２が太い場合、アーク１１の直径Φ１はＯＰＧＷ３１，４１の半円周長よりも短くなることがある。このような場合には、図６（ａ）に示すような形状の部分が溶融し、それが溶融した後は、ＯＰＧＷ３１、４１の周方向にアーク１１が移動して、また同様に同図のような形状の部分が溶融する。かくして、溶融部分のＯＰＧＷ３１，４１の周方向の長さがＯＰＧＷ３１，４１の半円周長Φ２（図６（ｂ）参照）に達した場合の溶融量Ｒ_ｍが１００％となる。

一方、アーク電流Ｉ_DCが大きい場合や、ＯＰＧＷ３１，４１の外径が細い場合は、アーク直径がＯＰＧＷ３１，４１の半円周長Φ２よりも長くなることがある。このとき、図６（ｂ）に示すように、アーク面積がＯＰＧＷ３１，４１の露出部分１２の面積よりも小さい場合には、図６（ｂ）に示すような形状の部分が溶融する。

さらに、図６（ｃ）に示すように、アーク面積がＯＰＧＷ３１，４１の露出部分１２の面積よりも大きい場合には、図６（ｃ）のような形状の部分が溶融する。

図６（ｂ）または図６（ｃ）のような形状の部分が全量溶融した場合に溶融量Ｒ_ｍが１００％となる。

本形態における溶融量演算部２２Ｃは、上述の如き演算を行うことにより所定の溶融量Ｒ_ｍ（例えば、４０％、７０％、１００％）となるまでのアーク電流Ｉ_DCに対する時間の関係を求める。

ここで、本形態では、これまでの雷の観測例を参考にしてアーク電流Ｉ_DCを１〜１００ｋＡ、これまでのＯＰＧＷ１の直流アーク試験条件を参考にしてギャップ長Ｌ_gapを５０ｍｍ〜１５００ｍｍと変化させた。具体的には、パラメータ設定部２１に設定したギャップ長Ｌ_gapに関するパラメータを変化させた。

表示部２３は演算処理部２２で所定の演算処理の結果得る溶融特性などを表示するものである。溶融特性は、例えば横軸にアーク電流Ｉ_DCを採り、縦軸に所定の溶融量に至るまでの時間を採って両者の関係を表す特性図として表示される。

本形態に係るシミュレーターによる計算結果に基づくアーク電流Ｉ_DC−時間ｔ特性（表示部２３での表示例）を図７および図８に示す。図７はＯＰＧＷ３１が８０ｍｍ^２（図４（ａ）に示す場合）のときの特性図、図８はＯＰＧＷ３１が１４０ｍｍ²（図５（ａ）に示す場合）のときの特性図である。これらは、ＯＰＧＷ３１，４１の溶融量Ｒ_ｍが４０％，７０％および１００％の場合の溶融時間ｔのアーク電流Ｉ_DCへの依存性を示す計算結果である。比較のため、図７および図８には、通過電気量Ｑが１００Ｃ，５００Ｃおよび１０００Ｃの場合の電流と時間の関係を破線で示した。

図７および図８において、（ａ）はＯＰＧＷ３１が陰極、（ｂ）は陽極の場合の結果である。

また、図７および図８におけるプロットは、図１に示す試験装置で直流アーク試験を行い、ＯＰＧＷ１が８０ｍｍ²の場合の６本中３本、１４０ｍｍ²の場合の１２本中６本が断線した場合の試験データである。なお、これらの試験では、ＯＰＧＷ１上の長手方向のアークの移動を抑制するために、ＯＰＧＷ１の表面にビニルテープ９，１０を巻回し、アーク発生箇所付近のみを露出させている。すなわち、露出部分１２を形成させている。

本計算におけるこの露出部分の長さＬ_exは各試験におけるそれと同等とした（図７：４０ｍｍ、図８：２０ｍｍ）。

図７および図８を参照すれば、次のことが分かる。まず、従来においては、溶融特性がＧＷまたはＯＰＧＷＰの通過電気量で評価されていたが、この考えに基づけば、例えば図７（ａ）のプロットは、通過電気量一定の破線と平行に並ぶはずである。しかしながら、そのようになっておらず、むしろ実線の本計算結果の傾向と良く一致している。また、図７および図８のいずれの場合においても、ＯＰＧＷが陽極時に比べて陰極時の方が、溶融に必要な時間が短い。これは、例えば全伝熱量Ｐ_totalの極性効果に起因するためである。

さらに、シミュレーターによる計算結果とプロットから求められる試験データの溶融量Ｒ_ｍに着目すると、いずれの場合でも、ＯＰＧＷ１が陰極時に比べて陽極時の場合の方が低めの値を示している。つまり、ＯＰＧＷが陰極時に比べて陽極時の場合の方が、低めの溶融量Ｒ_ｍで断線している。これは、材質がアルミニウムまたは鉄いずれの場合でも、陰極時に比べて陽極時の方がアークが移動しにくいため、低めの溶融量で断線したものと考えられる。以上の試験結果との比較により、本形態に係るシミュレーターによる計算結果の妥当性を確認できた。

本発明は落雷により溶断する可能性がある架空地線を取り扱う産業分野において有効に利用することができる。

１ ＯＰＧＷ
２ 対向電極
１１ アーク
１２ 露出部分
２１ パラメータ設定部
２１Ａ アーク条件設定部
２１Ｂ ＯＰＧＷ条件設定部
２２ 演算処理部
２２Ａ 伝熱量演算部
２２Ｂ 伝熱面積演算部
２２Ｃ 溶融量演算部

Claims (7)

1. 所定の張力が付与された状態で両端が固定されている架空地線に、直流アークによるアーク電流を供給して雷撃を模擬した試験である直流アーク試験をシミュレートする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法であって、
   前記直流アークによる前記架空地線への全伝熱量を、前記架空地線に供給される直流アークのアーク電流、該アーク電流の供給時間を含むアーク条件と、前記架空地線のサイズおよび素線の材質を含む架空地線条件とに基づく電子輸送による伝熱量と対流熱伝達による伝熱量との和により演算することを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法。
2. 請求項１に記載する直流アーク試験のシミュレーション方法において、
   前記架空地線が所定量溶融するまでの時間とアーク電流との関係を前記全伝熱量に基づき演算して前記時間と前記アーク電流との関係で表わされる架空地線の溶融特性を求めることを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法。
3. 請求項１または請求項２に記載する架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法において、
   前記対流熱伝達による伝熱量は、前記架空地線に対しギャップを介して相対向させた対向電極から前記架空地線に向けて噴出されるアークジェットに基づくもので、所定の熱伝達係数、前記架空地線の外周面において前記直流アークが接触している領域の面積である伝熱面積および前記直流アークと前記架空地線の表面との温度差の積により求めるとともに、
   前記伝熱面積は前記直流アークのアーク電流、前記架空地線の材質により変化させるようにしたことを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーション方法。
4. 所定の張力が付与された状態で両端が固定されている架空地線に直流アークを接触させて雷撃を模擬した直流アーク試験をシミュレートするための架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターであって、
   試料となる架空地線に供給される直流アークのアーク電流、該アーク電流の供給時間を含むアーク条件と、前記架空地線のサイズおよび素線の材質を含む架空地線条件を設定するパラメータ設定部と、
   前記パラメータ設定部に設定した各パラメータに基づき、電子輸送による伝熱量と対流熱伝達による伝熱量とを演算するとともに、両者を加算して前記直流アークによる前記架空地線への全伝熱量を演算する演算部とを有することを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーター。
5. 請求項４に記載する架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターにおいて、
   前記演算部は、前記架空地線が所定量溶融するまでの時間とアーク電流との関係を前記全伝熱量に基づき演算して前記時間と前記アーク電流との関係で表わされる架空地線の溶融特性を求めるものであることを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーター。
6. 請求項４または請求項５に記載する架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーターにおいて、
   前記演算部は、前記対流熱伝達による伝熱量を、前記対向電極から前記架空地線に向けて噴出されるアークジェットに基づくもので、所定の熱伝達係数、前記架空地線の外周面において前記直流アークが接触している領域の面積である伝熱面積および前記直流アークと前記架空地線の表面との温度差の積により演算するとともに、
   前記伝熱面積は前記アーク電流、前記架空地線の材質の関数として演算するものであることを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーター。
7. 所定の張力が付与された状態で両端が固定されている架空地線に、直流アークによるアーク電流を供給して雷撃を模擬した試験である直流アーク試験をシミュレートする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーションソフトウェアーであって、
   設定された直流アークのアーク電流、該アーク電流の供給時間を含むアーク条件と、前記架空地線のサイズおよび素線の種類を含む架空地線条件とに基づき電子輸送による伝熱量と対流熱伝達による伝熱量とを演算するステップと、
   電子輸送による伝熱量と対流熱伝達による伝熱量とを加算して前記直流アークによる前記架空地線への全伝熱量を演算するステップとをコンピューターに演算させることを特徴とする架空地線に対する直流アーク試験のシミュレーションソフトウェアー。