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固体誘電体中の空間電荷分布測定技術の開発

パルス静電応力(PEA)法による空間電荷分布

図1 パルス静電応力(PEA)法による空間電荷分布

PEA法による蓄積電荷分布の動的挙動の観察

図2 PEA法による蓄積電荷分布の動的挙動の観察

PEA法による電力ケーブルの空間電荷分布の測定

図3 PEA法による電力ケーブルの空間電荷分布の測定

固体誘電体中に蓄積された空間電荷分布をパルス音波的技術により測定できる新しい技術を開発した。測定対象の試料はポリエチレンなどの高分子絶縁材料で、その厚さは50μm~10mmであり、空間電荷密度の測定感度は約10nC/cm2、位置分解能は5μmの性能を持っている。そして、この測定データの再現性が極めて良いので、電荷の発生と蓄積の時間的経過など電荷の動的観察ができる。

この測定方法の基本技術は次の通りである。固体誘電体中に蓄積された空間電荷にパルス電圧を印加すると電荷にはパルス上の静電気力が働き、電荷分布形状の弾性波を発生する。この弾性波を圧電素子で電気信号に変換して空間電荷分布を測定するものである。この測定原理は、空間電荷分布とパルス電圧との畳み込み積分、および、弾性出力波と圧電定数との畳み込み積分でモデル解析され、さらに確認実験もされ、上記の性能が得られている。これらの成果は電気学会誌はもちろんのこと海外の専門雑誌にも発表され、国内の大学研究室、企業の研究所はもちろん、海外でも広く使用され始めている。

固体絶縁材料中に蓄積された電荷分布の測定技術は電気技術者にとって長い間待ち焦がれていた。なぜならば、電気絶縁設計は空間電荷が形成されていない状態を仮定して実施されているが、現実には空間電荷形成が原因と思われる絶縁破壊事故が発生しているので、電気技術者は絶縁材料中の空間電荷の形成過程やその電荷量を直接測定したい希望を強く持っていた。これまでは、絶縁材料の電圧・電流特性や、熱刺激電流測定から、空間電荷分布を想像していた。これが、最近の高感度圧電素子、デジタル計測技術、コンピュータ・データ処理技術などの出現により、これらを活用した“パルス静電応力法空間電荷測定技術”により実現できるようになった。

この測定技術は現在すでに次の例に利用されている。
(1) 直流電界が印加された電力ケーブル絶縁材料(XLPE、厚さ9mm)中の蓄積電荷分布とその蓄積電荷の移動、極性反転時の電荷分布の監察。
(2) 平板上の絶縁材料(XLPE)中の架橋残渣から発生しヘテロ電荷蓄積、電極から注入したホモ電荷蓄積の直流電界印加依存性、また極性反転時の電荷移動の監察。
(3) 電子線照射、ガンマ線照射した絶縁材料中の残留電荷分布の測定。
以上のように電気技術者が長い間待ち焦がれていた空間電荷分布の監察を実現した技術は高く評価される。

電気学会は、この成果を称えて、高田達雄氏(武蔵工業大学)、前野恭氏(郵政省)、季英氏(昭和電線電纜㈱)に、1996年、電気学会振興賞(進歩賞)を贈呈した。


文献

[1] 村田光一、李英、田中康寛、高田達雄、パルス静電応力法による低密度ポリエチレンの音響減衰と分散の測定、1995年、平成7年5月 電気学会論文誌A
[2] T.Takada、Acoustic and Optical Methods for Measuring Electric Charge Distribution in Dielectrics、1999年、IEEE Trans. on DEI, Vol.6, No.5, pp.519-547 (1999)
[3] K.Matsui, Y.Tanaka, T,Takada T.Fukao, K.Fukunaga, T.Maeno and J.M.Alison、Space Charge Behavior in Low-density Polyethylene at Pre-breakdown、2005年、IEEE Trans. on DEIVol.12, No.3, pp406-415 (2005)
[4] T.Takada, Y.Tanaka, N.Adachi and Xiaokui Qin、Comparison between the PEA Method and the PWP Method for Space Charge Measurement in Solid Dielectrics、1998年、IEEE Trans. on DEI, Vol.5, No.6, pp.944-951 (1998)

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キーワード

空間電荷、高分子絶縁材料、直流絶縁、電荷蓄積、PEA法、PWP法、計測
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