JP2013183501A - 導体接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】導体接続部分の発熱量を減少させて導体温度上昇の低減化を図る。
【解決手段】外周側導体３ａの内径部に内周側導体４ａの外径部を密着して嵌合する。導体３ａ及び４ａの嵌合部分には外周側導体３ａの外周部を囲むようにしてリング９を配置する。リング９はその線膨張係数が外周側導体３ａの線膨張係数よりも小さい材料から構成する。導体３ａ及び４ａの嵌合部分において内周側導体４ａの内部には中実の円筒部材１０を配置する。円筒部材１０はその線膨張係数が内周側導体４ａの線膨張係数よりも大きい材料から構成する。外周側導体３ａの外周部とリング９の内周部との間にはばね１１ａを設置し、内周側導体４ａの内周部と円筒部材１０の外周部との間にはばね１１ｂを設置する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気機器のタンク内にて２本の導体同士を接続する導体接続構造に関するものである。

一般に、電気機器のタンクには絶縁ガスが封入されると共に導体が収納されている。タンク内部は絶縁スペーサによってガス区分されており、このガス区分された中で複数の導体が同軸上に接続されている。同軸上に配置された２本の導体を接続する場合、導体の端部には導体接続構造が不可欠であるが、導体の接続部分では通電時の接触抵抗が大きいため、発熱量が大きくなる。

その結果、導体同士の接続部分においては、機器の温度が上昇して熱膨張が起きて、導体が軸方向あるいは半径方向に延びることがある。したがって、導体を接続する導体接続構造は、単に導体同士を電気的に接続する構造だけではなく、熱膨張による導体の変形を吸収する構造も併せ持つ必要がある。このため、導体接続構造では、導体の端部同士をボルト等で固定するのではなく、一方の導体を外周側導体、他方の導体を内周側導体として、外周側導体の端部に内周側導体の端部を差し込んで両者を嵌合させる構成が採用されている。

例えば、特許文献１，２等の導体接続構造では、外周側導体端部の内径部と内周側導体端部の外径部との間に隙間を設けて２つの導体を嵌合させ、導体が軸方向あるいは半径方向に移動可能となるように構成して、熱膨張による導体の変形を吸収している。なお、導体間の隙間には、ばね接触子や接触片等の通電用部材を設置している。通電用部材は弾性力あるいは押圧力によって両導体に接触しており、この部材を介して導体同士を電気的に接続している。

特開２００５−１７６５３６号公報 特開２０１０−２７７７７９号公報

導体接続構造では、熱膨張による導体の変形量を抑えた方が導体の接続状態が安定するので、導体接続部分の発熱量を極力抑えることが望ましい。前記発熱量を抑えるためには、導体端部同士の接触面圧を大きくして導体の接触抵抗を小さくすることと、電流が流れる部材同士の接触部の数を少なくすることが重要である。

(接触面圧)
従来の導体接続構造においては、通電用部材であるばね接触子や接触片等を、複数段並列に設置するといった対策により、通電用部材の弾性力や押圧力を強くして導体端部同士の接触面圧を大きくし、これにより導体の接触抵抗を小さくしている。しかし、通電用部材の弾性力や押圧力を強くし過ぎると、導体に過度の負荷がかかって導体が破損するおそれがある。したがって、通電用部材の弾性力や押圧力を利用して導体端部の接触面圧を増大させることには限界があった。

(電流が流れる部材同士の接触部の数)
導体同士を接続する部分では、電流は一方の導体端部から通電用部材に流れて、次に通電用部材から他方の導体端部に流れる。このように複数の部材にわたって電流が流れるとき、部材同士の接触部分の発熱量が最も多くなる。したがって、導体接続構造における発熱量は、電流が流れる部材同士の接触部の数に比例する。そのため、通電用部材を省いて導体端部同士を直接接触させれば、互いに接触する部材の数は最小限となり、導体接続構造の発熱量は低減する。しかし、発熱量が低下するとはいえ発熱が皆無ということはなく、導体が熱膨張する。このとき、導体端部同士が密着していれば、導体同士は移動し難くなり、導体の変形吸収が困難となるという不具合が生じた。したがって、発熱量を抑えるべく導体端部同士が密着していても、導体同士の移動はスムーズであり、導体に過負荷を加えることなく、導体の変形を確実に吸収することができる導体接続構造の開発が待たれていた。

本実施形態の導体接続構造は、上記の課題を解決するために提案されたものである。本実施形態の目的は、導体間に設置した通電用部材に頼ることなく導体端部同士の接触面圧を大きくして接触抵抗を小さくすると共に、導体の変形吸収は確実に実現しつつ導体端部同士を密着させて互いに接触する部材数の最小限にすることができ、これにより導体接続部分の発熱量を減少させて導体温度上昇の低減化を図った、安定性及び信頼性に優れた導体接続構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本実施形態の導体接続構造は、
（ａ）一方の導体を外周側導体、他方の導体を内周側導体としてこれら２本の導体を同軸上に配置し、
（ｂ）前記外周側導体の内径部に前記内周側導体の外径部を密着して嵌合し、
（ｃ）前記導体同士の嵌合部分において前記外周側導体の外周部を囲むようにして配置されるリングと、
（ｄ）前記導体同士の嵌合部分において前記内周側導体の内部に配置される円筒部材のうち、少なくとも一方を備え、
（ｅ）前記リングはその線膨張係数が前記外周側導体の線膨張係数よりも小さい材料から構成し、
（ｆ）前記円筒部材はその線膨張係数が前記内周側導体の線膨張係数よりも大きい材料から構成したことを特徴とするものである。

第１の実施形態の断面図。 第１の実施形態の導体端部斜視図。 第２の実施形態の断面図。 第３の実施形態の断面図。

［第１の実施形態］
（構成）
図１に示すように、第１の実施形態ではタンク１内部に絶縁ガス２とともに外周側導体３ａ及び内周側導体４ａが収納されている。外周側導体３ａ及び内周側導体４ａは同軸上に配置されている。このとき、外周側導体３ａの内径部に内周側導体４ａの外径部が密着して嵌合されている。導体３ａ及び４ａの材料としては、アルミニウム（線膨張係数：２３．１×１０^−６／℃）あるいは銅（同：１６．５×１０^−６／℃）などが使用されている。

外周側導体３ａの内径部にはテーパ部３ｂが形成され、内周側導体４ａの外径部にもテーパ部４ｂが形成されている。テーパ部３ｂは先端に向かうにつれて内径寸法が広くなるように形成されている。一方、テーパ部４ｂは先端に向かうにつれて外径寸法が狭くなるように形成されている。これらテーパ部３ｂ、４ｂは、導体３ａと導体４ａとの嵌合部分の長さが長くなる程、互いの密着度が高まるように設けられている。さらに、テーパ部３ｂ、４ｂ同士の密着部分には接触性を良くするために銀メッキ処理が施されている。

また、図１及び図２に示すように、導体３ａ及び４ａには、軸方向に延びるスリット７が周方向に複数設けられている。スリット７の長さは導体３ａ及び４ａの嵌合部分の長さよりも長く設定されている。各スリット７の根元には当該スリット７の幅よりも大きい直径を持つ丸穴８が貫通されている。

さらに、図１に示すように、導体３ａ及び４ａの嵌合部分には外周側導体３ａの外周部を囲むようにしてリング９が配置されている。リング９は導体３ａ及び４ａと同軸上に配置されている。リング９の外周側は丸みを帯びた形状になっている。リング９はその線膨張係数が外周側導体３ａの線膨張係数よりも小さい材料から構成されている。リング９の具体的な材料としては、例えば炭化ケイ素（線膨張係数：４．５×１０^−６／℃）、窒化アルミニウム（同：５×１０^−６／℃）、窒化ケイ素（同：２．５×１０^−６／℃）、ニッケル鋼（同：０．１３×１０^−６／℃）、タングステン（同：４．５×１０^−６／℃）などが挙げられる。

また、導体３ａ及び４ａの嵌合部分において内周側導体４ａの内部には中実の円筒部材１０が配置されている。円筒部材１０は導体３ａ及び４ａと同軸上に配置されている。円筒部材１０はその線膨張係数が内周側導体４ａの線膨張係数よりも大きい材料から構成されている。円筒部材１０の具体的な材料としてはポリエチレン（同：１５０×１０^−６／℃）、ポリスチレン（同：８０×１０^−６／℃）などが挙げられる。

外周側導体３ａの外周部とリング９の内周部との間には隙間が設けられており、この隙間にばね１１ａが設置されている。また、内周側導体４ａの内周部と円筒部材１０の外周部との間にも隙間が設けられており、この隙間にばね１１ｂが設置されている。

（作用効果）
以上の構成を有する第１の実施形態の作用効果は、次の通りである。すなわち、第１の実施形態では外周側導体３ａと内周側導体４ａが直接接触するので、両者の間に通電用部材はなく、電流が一方の導体から他方の導体に流れる場合の部材同士の接触部は１箇所である。

これに対して、外周側導体３ａと内周側導体４ａとの間に通電用部材が介在した場合、導体接続部分での部材同士の接触部は２箇所となる。前述したように、複数の部材にわたって電流が流れるとき、部材同士の接触部分の発熱量が最も多くなる。したがって、仮に第１の実施形態の接触抵抗と、通電用部材を有する従来例の接触抵抗とが同様であれば、電流が流れる部材同士の接触部の数に関して、第１の実施形態は前記従来例の半分であり、発熱量に関しても従来例のほぼ半分で済む。

発熱量が少ないにせよ、発熱量が生じる限りは導体３ａ及び４ａの温度が上昇することに変わりはないので、温度が上昇に応じて熱膨張が起き、導体３ａ及び４ａは径方向及び軸方向に延びる。第１の実施形態において、導体３ａ及び４ａが径方向に延びる場合、リング９が外周側導体３ａよりも線膨張係数の小さい材料からなるため、温度によるリング９の寸法変化は外周側導体３ａのそれよりも小さい。したがって、相対的には、リング９の内周面が外周側導体３ａに向かってリング９の径を狭めるように動くことになる。

一方、円筒部材１０は内周側導体４ａよりも線膨張係数の大きい材料からなるので、温度による円筒部材１０の寸法変化は内周側導体４ａのそれよりも大きく、相対的に円筒部材１０の外周面が内周側導体４ａに向かって円筒部材１０の径を広げるように動く。したがって第１の実施形態では、導体３ａ及び４ａの端部同士が密着していても、導体３ａ及び４ａ同士がスムーズに移動可能である。その結果、導体３ａ及び４ａに過負荷が加わって破損する心配がなく、導体３ａ及び４ａの変形を確実に吸収することができる。

例えば、リング９を炭化ケイ素で内径１２０ｍｍとし、円筒部材１０をポリエチレンで内径７０ｍｍとして、温度を２０℃から１００℃まで、つまり８０℃まで上昇させた場合、線膨張係数が４．５×１０^−６／℃であるリング９は、４．５×１０^−６×１２０ｍｍ×８０℃=０．０４ｍｍだけ膨張する。これに対して、線膨張係数が１５０×１０^−６／℃である円筒部材１０は１５０×１０^−６×７０ｍｍ×８０℃=０．８４ｍｍだけ膨張することになる。つまり、リング９と円筒部材１０との間の半径方向の距離は、（０．８４−０．０４）÷２＝０．４ｍｍだけ減少し、この分だけ、ばね１１ａ、１１ｂが圧縮される。

このように、外周側導体３ａとリング９との接触部及び内周側導体４ａと円筒部材１０との接触部において、その温度が上昇すると、外周側導体３ａとリング９との隙間が狭くなり、且つ内周側導体４ａと円筒部材１０との隙間も狭くなる。このため、ばね１１ａ、１１ｂが、より圧縮されて導体３ａ及び４ａ同士の接触面圧が大きくなる。その結果、導体３ａ及び４ａの接触抵抗は小さくなって発熱量が減少し、導体３ａ及び４ａの接続部の温度が下がることになる。

さらに、導体３ａ及び４ａは熱膨張によって軸方向にも延びる。導体３ａ及び４ａは互いにテ―パ部３ｂ、４ｂで接触しているため、温度上昇により両方の導体３ａ及び４ａが延びた場合、外周側導体３ａは外周側へ、内周側導体４ａは内周側へ押されることになり、この場合もばね１１ａ、１１ｂが圧縮されて接触面圧が高まる方向に動くことになる。

具体的な導体３ａ及び４ａの延び量としては、一般に導体３ａ及び４ａに使用されるアルミニウム（線膨張係数：２３．１×１０^−６／℃）あるいは銅（同：１６．５×１０^−６／℃）で、導体３ａ及び４ａの長さが５ｍ、温度が２０℃から１００℃まで、つまり８０℃上昇した場合、アルミニウムでは２３．１×１０^−６×５０００ｍｍ×８０℃=９．２ｍｍ、銅では１６．５×１０^−６×５０００ｍｍ×８０℃=６．６ｍｍ延びることになる（仮に導体３ａ及び４ａが左右対称に延びた場合はこの半分の延び量となる）。

この延び量と、導体３ａ及び４ａのテ―パ部３ｂ、４ｂの傾きによって、導体３ａ及び４ａが周方向へ変化する量が決定する。すなわち、導体３ａ及び４ａの接続部分において温度が上昇すると、導体３ａ及び４ａが軸方向に延び、テ―パ部３ｂ、４ｂの周方向の寸法が変化し、ばね１１ａ、１１ｂがより圧縮されて、接触面圧が増大して、接触抵抗と発熱量が低減することになる。

さらに第１の実施形態においては、導体３ａ及び４ａには軸方向のスリット７が周方向に複数入っているため、導体３ａ及び４ａがばね１１ａ、１１ｂの弾性力で押されても、十分変形するようになっている。また、スリット７の根元には丸穴８を設けたので応力の集中を回避することができ、過度な負荷がかかった場合でも導体３ａ及び４ａの破損を防止することができる。しかも、スリット７及び丸穴８を通して絶縁ガスが導体３ａ及び４ａの内外を流れるので、放熱面積を増やして温度を下げる効果もある。さらに、リング９の外周側は丸みを帯びた形状になっているので、角部の電界を緩和することができる。

以上のような第１の実施形態によれば、外周側導体３ａの内側に内周側導体４ａを差し込んで嵌合させ、互いに接触し合う部材数を最小限にすることで、発熱量を低減させることができる。また、外周側導体３ａ外周側に線膨張係数の小さいリング９を設置し、内周側導体４ａ内周側に線膨張係数の大きい円筒部材１０を設置したので、導体３ａ及び４ａの温度が上昇すると、線膨張係数の違いにより導体３ａ及び４ａ同士の接触面圧が高まる。その結果、第１の実施形態では接触抵抗及び発熱量が低減し、自らの温度を下げる方向に働く温度抑制機能を発揮することができる。これにより、導体接続部の発熱量を抑えて導体３ａ及び４ａの接続状態の安定性が増し、信頼性が向上する。

［第２の実施形態］
（構成）
第２の実施形態は、図３に示すようにリング９の外周部にシールド１２を取り付けたものである。また、リング９の内周側には凹部９ａが設けられ、ここにばね１１ａが装着される。さらに、円筒部材１０の外周側にも凹部１０ａが設けられ、ここにばね１１ｂが装着される。

（作用効果）
第２の実施形態においては、上記第１の実施形態における作用効果に加えて、次のような独自の作用効果を持つ。すなわち、リング９の外周部にシールド１２を取り付けたので、リング９の縁部の電界をいっそう緩和することができる。また、リング９の凹部９ａ及び円筒部材１０の凹部１０ａに、ばね１１ａ、１１ｂを装着したので、ばね１１ａ、１１ｂが外れることがない。

ところで、外周側導体３ａと内周側導体４ａとの接触部やばね１１ａと導体３ａ及びばね１１ｂと導体４ａとの接触部では摩耗による金属粉などの異物が発生する可能性がある。このような異物については、導体３ａ及び４ａの周囲を覆うシールド１２がこれを捕獲することができる。したがって、第２の実施形態では、タンク１の内壁に異物が付着することがなく、優れた絶縁信頼性を得ることができる。

［第３の実施形態］
（構成）
図４に示す第３の実施形態のように、リングを省いて円筒部材だけを設けるようにしてもよい。第３の実施形態では、図１に示した第１の実施形態からリング９、ばね１１ａ、導体３ａ側のスリット７及び丸穴８を省き、円筒部材として中空なパイプ１３を備えたものである。パイプ１３は内周側導体４ａよりも線膨張係数の大きな材料から構成されている。

（作用効果）
第３の実施形態において電流が一方の導体から他方の導体に流れる場合に、互いに接触する電流が流れる部材同士の接触部の数は１個所である。このため、仮に第３の実施形態の接触抵抗と、通電用部材を有する従来例の接触抵抗とが同様であれば、第３の実施形態では、電流が流れる部材同士の接触部の数が前記従来例の半分であり、発熱量に関しては従来例のほぼ半分で済む。

また、導体は発熱量に応じて温度が上昇するが、その温度に応じて熱膨張し、導体は径方向及び軸方向に延びる。第３の実施形態では、導体３ａ及び４ａが径方向に延びる場合、内周側導体４ａよりも線膨張係数の大きな材料からなるパイプ１３が内周側導体４ａ内部に装着されており、温度による寸法変化は導体４ａよりも大きいことになる。

すなわち、導体接触部の導体温度が上昇すると、内周側導体４ａとパイプ１３との隙間が狭くなり、ばね１１ｂが圧縮されて外周側導体３ａと内周側導体４ａとの接触面圧が大きくなる。このため、導体３ａ及び４ａの接触抵抗は小さくなり、発熱量が減少して温度も下がる方向に働くことになる。

ここで、内周側導体４ａがアルミニウム（線膨張係数：２３．１×１０^−６／℃）で内径１００ｍｍとし、パイプ１３がポリエチレン（同：１５０×１０^−６／℃）で内径７０ｍｍとし、温度が２０℃から１００℃まで、つまり８０℃上昇した場合、内周側導体４ａは２３．１×１０^−６×１００ｍｍ×８０℃=０．１８ｍｍ膨張する。

一方、パイプ１３は１５０×１０^−６×７０ｍｍ×８０℃=０．８４ｍｍ膨張することになる。したがって、内周側導体４ａとパイプ１３との間の半径方向の距離は（０．８４−０．１８）÷２＝０．３３ｍｍだけ減少し、この分だけ、ばね１１ｂが圧縮される。なお、導体が銅の場合はさらに膨張分が少なくなるため、よりばね１１ｂが圧縮されることになる。

また、第３の実施形態における軸方向の導体３ａ及び４ａの延び量は第１の実施形態と同様であり、これもばね１１ｂが圧縮される方向に変化することになる。すなわち、導体３ａ及び４ａは互いにテ―パ部３ｂ、４ｂで接触しているため、温度上昇により両方の導体３ａ及び４ａが伸びた場合、外周側導体３ａは外周側へ、内周側導体４ａは内周側へ押されることになり、ばね１１ｂが圧縮されて接触面圧が高まる方向に動くことになる。

ところで、第３の実施形態では、内周側導体４ａの外周部に圧着する外周側導体３ａが、第１の実施形態におけるリング９の機能を果たしている。したがって、外周側導体３ａの外周側にリング９を設置する必要がない。このため、よりシンプルな構造を採ることができ、簡略化した導体接続構造を提供することができる。

しかも、外周側導体３ａとタンクの内壁面との間の絶縁距離を大きくできるといったメリットもある。さらには、内周側導体４ａに設けたスリット７と丸穴８を通して絶縁ガスが導体４ａの内外を流れるが、パイプ１３の中空部内を通じて外周側導体３ａ側にも空間がつながっており、放熱面積を増やして導体温度を下げる効果も期待できる。

［他の実施形態］
なお、上記の実施形態は、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上記実施形態では導体とリングあるいは円筒部材の間にばねを挿入したが、このばねには金属ばねだけでなく、金属性弾性体や温度により形が変形するバイメタル、形状記憶合金などの適用も考えられる。また、上記第３の実施形態では、リングを省いて円筒部材だけを設けたが、反対に円筒部材を省いてリングだけを設けるようにしてもよい。

１ タンク
２ 絶縁ガス
３、３ａ 外周側導体
４、４ａ 内周側導体
３ｂ、４ｂ テ―パ部
７ スリット
８ 丸穴
９ リング
１０ 円筒部材
１１ａ、１１ｂ ばね
１２ シールド
１３ パイプ

Claims (8)

1. 一方の導体を外周側導体、他方の導体を内周側導体としてこれら２本の導体を同軸上に配置し、
   前記外周側導体の内径部に前記内周側導体の外径部を密着して嵌合し、
   前記導体同士の嵌合部分において前記外周側導体の外周部を囲むようにして配置されるリングと、前記導体同士の嵌合部分において前記内周側導体の内部に配置される円筒部材のうち、少なくとも一方を備え、
   前記リングはその線膨張係数が前記外周側導体の線膨張係数よりも小さい材料から構成し、
   前記円筒部材はその線膨張係数が前記内周側導体の線膨張係数よりも大きい材料から構成したことを特徴とする導体接続構造。
2. 前記外周側導体及び内周側導体の嵌合部分において、外周側導体の内径部には先端が広くなるようにテ―パ部を形成し、内周側導体の外径部には先端が狭くなるようにテーパ部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の導体接続構造。
3. 前記外周側導体及び内周側導体の嵌合部分には軸方向に延びるスリットが前記導体の周方向に複数個所設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の導体接続構造。
4. 前記スリットの根元部分は直径がスリット幅よりも大きな丸穴であることを特徴とする請求項３に記載の導体接続構造。
5. 前記外周側導体及び内周側導体の嵌合部分において、前記外周側導体と前記リングとの間、及び前記内周側導体と前記円筒部材の間の片側あるいは両方にばね部材を設置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の導体接続構造。
6. 前記外周側導体及び内周側導体の嵌合部分において、互いが接触する外周側導体の内径面と内周側導体の外径面に銀メッキ処理を施したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の導体接続構造。
7. 前記リングにシールドを取り付け、そのシールドの軸方向は少なくとも、前記導外周側導体及び内周側導体の嵌合部分を覆う長さであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の導体接続構造。
8. 前記リングの材料としては、少なくとも炭化ケイ素、窒化アルミ、窒化ケイ素、ニッケル鋼、タングステンのいずれかを含み、
   前記円筒部材の材料としては、少なくともポリエチレン及びポリスチレンを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の導体接続構造。

Images