JP2001066255A - 電界発光測定用試料 - Google Patents

電界発光測定用試料

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JP2001066255A
JP2001066255A JP24062199A JP24062199A JP2001066255A JP 2001066255 A JP2001066255 A JP 2001066255A JP 24062199 A JP24062199 A JP 24062199A JP 24062199 A JP24062199 A JP 24062199A JP 2001066255 A JP2001066255 A JP 2001066255A
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JP24062199A
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Sokai Han
宗懐 範
Susumu Takahashi
享 高橋
Atsushi Suzuki
淳 鈴木
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Fujikura Ltd
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  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)
  • Testing Relating To Insulation (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】電界発光現象測定用の試料における電界発光に
よる発光量を大きくして、発光スペクトルの測定を容易
にし、発光し難い試料についても発光スペクトルを測定
できるようにする。 【解決手段】 近接した二つの電極2,25を絶縁材料
に埋設した電界発光測定用試料21であって、一方の電
極2に対向する他方の電極25の端部をナイフエッジ状
25bに形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力ケーブル等に
用いられる絶縁材料の評価に用いられる試料に関し、特
に、電界発光現象を測定することにより絶縁特性等を評
価するための試料に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、電力ケーブルのケーブル絶縁
材料の絶縁劣化の原因の一つとして電気トリーが挙げら
れている。トリーとは固体絶縁体中に発生する枝状の絶
縁破壊部分であり、電気トリーは局部高電界によって絶
縁体中に形成される太さ数μm程度の微細な枝状の孔で
ある。電気トリーは、局部的な高電界又は機械的な原因
により電極付近の絶縁体に微小な空隙が形成され、これ
が部分放電を引き起こして絶縁体を浸食することにより
発生するものと考えられている。
【0003】ところで、電気トリー発生の前駆段階であ
る部分放電の直前に、絶縁体中において微弱な発光現象
が生じることが知られている。この発光現象は電界発光
と呼ばれており、ケーブル絶縁材料の前駆破壊の前兆と
考えられている。したがって、絶縁材料の耐久性の評価
のためには、電界発光現象の正確な測定及びこれに基づ
く発光特性の把握が不可欠である。
【0004】従来より電界発光現象の測定は、図4に示
す構造を有する試料を用いて行われていた。図示される
ように、一般に、試料1は、低密度ポリエチレン、架橋
ポリエチレンのような絶縁材料から構成された直方体の
ブロックとされ、その下面には導電性銀ペーストによっ
て製作された平板状電極2が配置されている。平板状電
極2の端部には図示しない交流電源から延びるリード線
3が接続しており、リード線3はエポキシ樹脂等の接着
剤4によって平板状電極2に固定されている。
【0005】一方、試料1の上面からは、平板状電極2
に対して垂直方向にステンレス製の針状電極5が試料1
内に向けて差し込まれており、その先端は平板状電極2
の表面から所定の長さ分だけ離れた箇所に位置してい
る。なお、針状電極5の他端は図示しない交流電源に接
続されている。
【0006】電界発光によって発生する光は非常に微弱
なために、電界発光現象の測定は光電子倍増管を用いた
フォトンカウンティング法(光子計数法)によって行わ
れている。すなわち、試料1の平板状電極2及び針状電
極5間に、前記交流電源から高電圧を印加すると共に、
試料1において発生した光を集光し、分光器で分光して
波長を測定する。そして集光した光子を光電子倍増管で
電気信号(電圧パルス)に変換し、この電気信号(電圧
パルス)を計測することで到来光子数をカウントする。
カウント値は単位時間(ゲート時間)毎に積分されて発
光強度へ変換される。発光強度の測定は分光器で分光さ
れた各波長毎に行い、これにより発光スペクトルが得ら
れるので、発光特性の評価を行うことができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の測定
方法では、平板状電極2と針状電極5の間に電圧を印加
することによって試料1において発光現象を生じせし
め、この試料1で発生した光の光子数をカウントするこ
とによって電界発光の発光スペクトルを測定するもので
あるが、針状電極5の針先端での発光が点発光であるの
で、試料1における発光体積が小さく、総発光量も小さ
い。このため、発光スペクトルを精度よく測定するのが
困難であり、試料1が例えば架橋ポリエチレンなど発光
し難い材料からなる場合には、発光量が小さ過ぎて発光
スペクトルの測定ができないという不都合があった。
【0008】本発明は、上記したような従来技術におけ
る問題点を解決することをその課題とする。すなわち、
本発明の目的は、電界発光現象測定用の試料における総
発光量を大きくして、発光スペクトルの測定を容易に
し、発光し難い試料についても発光スペクトルを測定で
きるようにすることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記した課題は、近接し
た二つの電極を絶縁材料に埋設した電界発光測定用試料
であって、一方の電極に対向する他方の電極の端部がナ
イフエッジ状に形成されていることを特徴とする電界発
光測定用試料によって解決できる。
【0010】
【発明の実施の形態】電界発光の発生原因・機構は次の
ように説明される。例えば、ポリエチレンのような半結
晶性高分子絶縁材料において、結晶質−非晶質界面、不
純物、構造上の欠陥、分子鎖の不規則部分は禁制帯中に
局在トラップ準位を引き起こす。これらのトラップ準位
は浅い準位と深い準位とに分けられ、浅い準位はキャリ
アのトラップとなり、深い準位は再結合中心となる。例
えば、浅い準位としてはメチレン基等による体積トラッ
プが、また、深い準位としては分子鎖の枝分かれ点や結
晶質−非晶質界面等の構造の変歪している領域が考えら
れる。このような準位構造を有する高分子材料に対して
交流電圧を印加した場合、交流の各正負半波において該
高分子材料に注入された電子と正孔はいずれかの浅いト
ラップ準位にトラップされ、次いで、深い準位において
電子−正孔再結合によりフォトンを放出する。各種の絶
縁材料からなる試料から発生したフォトンは、光電子倍
増管(Photomultiplyer Tube)を用いたフォトンカウン
ティング法により測定することができる。
【0011】図1は本発明の電界発光測定用試料(以
下、単に試料ということもある)21の一実施例を示し
たもので、図2は本発明の試料21を用いた電界発光測
定装置の例を示す概略構成図である。図2に示す装置
は、試料21および集光レンズ13を収容し測定雰囲気
を真空に保つための真空容器6、真空容器6にモノクロ
メータ(分光器)7を介して光学的に連結された光電子
倍増管8、印加電圧と発光強度あるいは発光波長と発光
強度の関係を表示するデジタルオシロスコープ9、およ
びフォトンカウンティングシステム10によって基本的
に構成されている。真空容器6には、容器内を減圧する
図示しない真空ポンプが接続されており、容器内を任意
の値に減圧することが可能である。また、真空容器6に
は、試料21の各電極に接続された配線を図示しない交
流電源に接続するための配線機構が備えられている。
【0012】また、この測定装置には、真空容器6内の
試料21を観測するCCDカメラ11、CCDカメラか
らの信号を画像処理するコンピュータ12からなる測定
システムが取り付けられており、試料の発光位置を測定
可能としている。CCDカメラ11としては精度が高い
ものを用い、電界発光以外の放電発光、例えば沿面発
光、部分放電発生後の放電発光、平板電極表面での発
光、試料上端での放電発光などを完全に排除した条件
で、電界発光による発光現象を観測できるように構成す
るのが好ましい。
【0013】図1において、(a)は試料21を測方か
ら見た断面図、すなわち試料21を図2の測定装置にセ
ットした状態で、CCDカメラ11からモノクロメータ
7へ向かう方向の、試料21に対して垂直な面に沿う断
面図である。また図1(b)は、図1(a)の切断面に
対して垂直な面に沿う断面図であり、試料21を図2の
測定装置にセットした状態で、CCDカメラ11の側、
あるいはモノクロメータ7の側から試料21を見た断面
図である。本実施例の試料21が、図4に示した従来の
試料1と大きく異なる点は、針状電極5に代えて、ナイ
フエッジ電極25が用いられている点と、平板状電極2
がカーボン含有導電性ペーストによって製作されている
点であり、その他の構造は図4のものとほぼ同様であ
る。
【0014】本実施例におけるナイフエッジ電極25
は、薄板状の平面部25aと、平面部25aの1辺がナ
イフエッジ状に形成されたエッジ部25bと、エッジ部
25bと反対側の辺に接触しているニードル部25cと
からなっている。本発明におけるナイフエッジ状とは、
ナイフの刃のように、断面形状において厚みが先端に向
かって鋭利に縮小し、先端が直線をなしている形状をい
う。ナイフエッジ電極25は、平面部25aが平板状電
極2に対して垂直で、エッジ部25bが平板状電極2に
対して所定の距離だけ離れた位置で平行となるように、
かつエッジ部25bの両端がCCDカメラ11やモノク
ロメータ7など試料21からの発光を直接感知する受光
部から等距離となるように配される。
【0015】本実施例において、ナイフエッジ電極25
の平面部25aはステンレス製の薄板からなっており、
平面形状は幅W1が15mm、高さH1が7mmの矩形
で、厚さは0.3mmに形成されている。平面部25a
の平面形状は、底辺が平板状電極2と平行な直線をな
し、底辺の中線に対して左右対称である形状であればよ
い。また平面部25aの大きさの設計に際しては、平面
部25aの幅W1が大きすぎると沿面放電を発生しやす
く、小さすぎると十分な発光量が得られないので、好ま
しくは15〜30mmの範囲内で設定される。また高さ
H1が大きすぎると沿面放電を発生しやすく、小さすぎ
ると製作が難しいので、好ましくは5〜10mmの範囲
内で設定される。また、厚さが大きすぎると沿面放電を
発生しやすく、小さすぎると製作が難しいので、好まし
くは0.2〜0.3mmの範囲内で設定される。平面部
25aの下端、すなわち底辺はナイフエッジ状に加工さ
れたエッジ部25bとなっている。このエッジ部25b
先端の曲率半径は、大きすぎると発光開始電圧が高くな
り、小さすぎると作製が難しいので、好ましくは1〜1
0μmの範囲内で設定される。本実施例では曲率半径3
μmに形成されている。ニードル部25cはステンレス
製の細棒からなっており、その一端が平面部25aの上
端をなす辺の中心に接触しており、他端は図示しない交
流電源に接続されている。ニードル部25cの太さは、
大きすぎると沿面放電を生じやすく、小さすぎると機械
的な強度が不足するので、好ましくは外径が0.5〜1
mmの範囲内で設定される。本実施例では外径1mmの
ものが用いられている。
【0016】試料21は、このように構成されたナイフ
エッジ電極25が、架橋ポリエチレン、未架橋低密度ポ
リエチレンなど絶縁材料からなるブロック内に埋め込ま
れており、下面にカーボン含有導電性ペーストからなる
平板状電極2が設けられている。本実施例において、試
料21を構成するブロックは、未架橋の低密度ポリエチ
レンからなり、幅W2が40mm、高さH2が40m
m、厚さD2が3mmの直方体形状に形成されている。
またこのブロック内において、ナイフエッジ電極25の
エッジ部25b先端とブロック下面、すなわち平板状電
極2との間隔Xは2mmとなっている。試料21の設計
に際しては、ブロックの幅W2が大きすぎても特に悪影
響はないが必要以上に大きくしても無駄であり、小さす
ぎるとナイフエッジ電極25の幅W1を好ましい大きさ
にできなくなるので、好ましくは30〜40mmの範囲
内で設定される。また高さH2が大きすぎても特に悪影
響はないが必要以上に大きくしても無駄であり、小さす
ぎると沿面放電を生じやすいので、好ましくは30〜4
0mmの範囲内で設定される。また、厚さD2が大きす
ぎると透光性が悪くなり、小さすぎると沿面放電を生じ
やすいので、好ましくは3〜5mmの範囲内で設定され
る。エッジ部25bと平板状電極2との距離Xは、大き
すぎると発光開始電圧が高くなり、小さすぎると絶縁破
壊を生じやすいので、好ましくは2〜3mmの範囲内で
設定される。また、ブロックのモノクロメータ7側の外
面とニードル部25cとの距離dは、これを変化させる
ことによって透光性が変化するので、実験の目的に応じ
て適宜設定される。
【0017】このような構成の試料21は、例えば次の
ような手順で作製することができる。まず、厚さ約1.
6mmの非架橋LDPEシートを2枚作製する。次にナ
イフエッジ電極をこの2枚のシートの間に挟み、160
℃の高温で加熱プレスする。その後、必要な寸法のブロ
ック状にカットして試料21を得る。また平板状電極2
は、平面形状であるのでペースト状の導電材料によって
容易に形成することが可能であり、例えば、上記のよう
にして作製したブロックの底面に、へら等によってペー
スト状導電材料を塗布することによって製作することが
できる。
【0018】平板状電極2を構成する導電性ペーストに
配合されるカーボンとしては、平板状電極2表面の平滑
度に影響を与えない範囲で様々な粒径の微粉末を使用す
ることができ、その製造方法も特に限定されない。ま
た、ペースト中のカーボンの含有量は、該ペーストの粘
性を電極形成に不都合な程度にまで極端に増大させない
範囲で適宜決定することができる。なお、前記カーボン
含有導電性ペーストには、カーボン以外の様々な添加材
が混合されていてもよい。
【0019】電界発光現象の測定を行うにあたっては、
まず、真空容器6内の所定位置に測定の対象となる試料
21を配置し、試料21の平板状電極2とナイフエッジ
電極25の二つの電極をそれぞれ図示しない交流電源と
接続した上で、容器内を所定の真空度まで減圧する。容
器内の雰囲気が安定したら、試料21の二つの電極間に
交流電圧を印加する。このとき二つの電極間に印加する
電圧値は試料21内において発光現象が得られる値とす
る必要があり、交流電源により電界発光開始電圧以上の
電圧値に調整する。そして印加電圧を設定された値に固
定して、試料21内において発生した光の発光スペクト
ルを測定する。すなわち、試料21内において発生した
光子はレンズ13によって集光され、モノクロメータ
(分光器)7で分光されるとともに、各波長における発
光強度が光電子倍増管8およびフォトカウンティングシ
ステム5を用いたフォトカウンティング法によって測定
される。ここで、高分子絶縁材料に交流電圧を印加した
ときの定常的な発光強度を測定する場合など、測定する
光が微弱であるときには、光子のカウント値の積分を行
う単位時間(ゲート時間)を短く設定すると、この単位
時間内に計測される信号数は0か1の非常に小さなもの
となってしまうので、単位時間を長くとることが好まし
い。
【0020】本実施例の試料21は、電圧印加時にナイ
フエッジ電極25のエッジ部25bにおいて線発光が生
じるので、図4に示すような針状電極5を用いた従来の
試料1に比べて発光体積が大きくなり総発光量の絶対量
が大きくなる。これにより、電界発光による発光スペク
トルを容易に測定することができるようになり、精度の
向上も期待できる。また、発光し難くて、従来の試料1
では測定が困難であった材料についても、発光スペクト
ルの測定が可能となる。
【0021】図3は、本実施例の試料21を用い、図2
に示す測定装置によって電界発光による発光スペクトル
を測定した結果を示すグラフである。このグラフにおい
て、横軸は波長(単位:nm)である。縦軸は光強度で
あり、フォトカウンティングシステム5での電圧パルス
数のカウント値をゲート時間50秒毎に積分した値を示
している。このグラフには、ブロックのモノクロメータ
7側の外面とニードル部25cとの距離dが1mmのと
き、および2mmのときの測定結果がそれぞれ示されて
いる。この結果より、本実施例の試料21を用いて電界
発光の発光スペクトルの測定を良好に行えることが確認
できた。
【0022】比較のために、図4に示すような針状電極
5を使用した試料を用いて発光スペクトルの測定を試み
た。試料は上記実施例の試料21において、ナイフエッ
ジ電極25に代えて、太さ1mmのステンレス製針状電
極を用いた他は同様の構成とした。測定の結果、ゲート
時間50秒では電圧パルス信号のカウント数がノイズレ
ベル(〜50)以下となり、発光スペクトルを得ること
はできなかった。
【0023】なお、平板状電極2はカーボンを含まない
導電性銀ペーストなどの導電性材料を用いて形成しても
よいが、カーボン含有材料で形成すれば、電圧印加時
に、平板状電極2表面で発光現象が生じるのを防止でき
るので、試料内の二つの電極間における電界発光現象を
正確に測定するうえで好ましい。また、ナイフエッジ電
極25をカーボン含有材料で構成してもよく、そうすれ
ば、電圧印加時に、ナイフエッジ電極25表面で発光現
象が生じるのを防止できるので、試料内の二つの電極間
における電界発光現象を正確に測定するうえで好まし
い。ナイフエッジ電極25をカーボン含有材料で構成す
る場合には、少なくとも平面部25a、エッジ部25b
をカーボン含有材料で構成することが好ましく、可能で
あれば、さらにニードル部25cをもカーボン含有材料
で構成することがより好ましい。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来の電界発光測定用試料では針状としていた電極の先
端をナイフエッジ状とすることにより、該試料内の二つ
の電極間における電界発光現象による発光量を大きくす
ることができる。したがって、電界発光の発光スペクト
ルの測定が容易になり、従来測定ができなかった発光し
難い材料についても発光スペクトルの測定が可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電界発光測定用試料の断面図であ
る。
【図2】本発明の試料の測定に使用される測定装置の概
略図である。
【図3】本発明に係る電界発光スペクルの測定例を示す
グラフである。
【図4】従来の電界発光測定用試料の概略透視図であ
る。
【符号の説明】
2 平板状電極 21 試料 25 ナイフエッジ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 淳 東京都江東区木場1丁目5番1号 株式会 社フジクラ内 Fターム(参考) 2G014 AA15 AA24 AB33 AC07 2G015 AA27 CA02 DA01 2G043 AA03 BA14 CA05 DA01 EA09 GA10 GB01 GB05 GB11 GB21 HA01 JA01 JA04 LA02 LA03 NA13

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 近接した二つの電極を絶縁材料に埋設し
    た電界発光測定用試料であって、一方の電極に対向する
    他方の電極の端部がナイフエッジ状に形成されているこ
    とを特徴とする電界発光測定用試料。
JP24062199A 1999-08-26 1999-08-26 電界発光測定用試料 Withdrawn JP2001066255A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009503448A (ja) * 2005-07-20 2009-01-29 サーモ ニトン アナライザーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー スパークの位置と相関させたアーク/スパークの発光分析
CN104880656A (zh) * 2015-06-17 2015-09-02 哈尔滨理工大学 一种用于电树枝引发实验的电极装置及试样制作方法
CN104914366A (zh) * 2015-06-17 2015-09-16 哈尔滨理工大学 一种用于水树枝引发实验的方法及装置
WO2021197449A1 (zh) * 2020-04-02 2021-10-07 西安交通大学 电缆附件用硅橡胶材料的电树枝试验装置及试样制作方法

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