JP2015219116A - Calibration method of electric charge density in space-charge distribution measurement - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空間電荷分布測定において電荷密度を校正する、空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法に関する。 The present invention relates to a method for calibrating charge density in space charge distribution measurement, wherein the charge density is calibrated in space charge distribution measurement.
一般に直流の外部電場が与えられた絶縁材料内部には、比較的短時間または長時間にわたって存在する電荷が認められることがある。このような絶縁材料内部に存在する電荷は、空間電荷と呼ばれ、媒質中を極めて短時間内に電流として流れる電荷、媒質を構成する原子または分子に含まれる局所的に電気的中性を維持している電荷とは異なる。 In general, an electric charge existing for a relatively short time or a long time may be recognized inside an insulating material to which a direct external electric field is applied. Such electric charge existing inside the insulating material is called space charge, and the electric charge that flows in the medium as an electric current within a very short time and the local electric neutrality contained in the atoms or molecules constituting the medium are maintained. The charge is different.
空間電荷の存在は、材料内部の電界を歪め、局所的な高電界部を生じさせることから、絶縁材料の絶縁性能に影響を及ぼす。したがって、絶縁材料内部に発生する空間電荷の電荷量、位置、時間変化を正確に評価することが絶縁設計をする上で非常に重要となる。 The presence of the space charge distorts the electric field inside the material and creates a local high electric field portion, which affects the insulating performance of the insulating material. Therefore, it is very important for the insulation design to accurately evaluate the charge amount, position, and time change of the space charge generated in the insulating material.
非特許文献1には、絶縁材料内部の空間電荷分布を測定する方法として、パルス静電応力法(以下、PEA法と称す)が記載されている。PEA法による空間電荷分布測定の原理は、例えば非特許文献1において、次のように説明される。つまり、空間電荷を蓄積する絶縁材料にパルス電圧を印加すると、蓄積した電荷に静電応力が働くことで、各電荷から圧力波が発生する。PEA法では、絶縁材料内部を伝搬して表面に到達した圧力波を、圧電素子を用いて電圧信号に変換することにより測定し、測定した電圧信号に基づいて空間電荷分布の情報を得るというものである。
Non-Patent
実際の測定においては、圧力波の減衰や反射、測定回路の電気的特性に起因するひずみ等の影響から、得られた電圧信号がそのまま電荷信号を表すわけではなく、それを適正な電荷密度情報に変換するための校正が必要となる。 In actual measurement, due to the effects of pressure wave attenuation and reflection, distortion caused by the electrical characteristics of the measurement circuit, etc., the obtained voltage signal does not directly represent a charge signal. Calibration to convert to is required.
非特許文献1に記載された校正方法では、絶縁材料内部に空間電荷が発生せず、絶縁材料表面の誘導電荷のみ現れるような低い直流電圧を絶縁材料に印加し、その際に得られる圧電素子の出力信号が、理論的に導出される表面電荷、材料内部の電界及び電位に基づくものであるとして校正している。
In the calibration method described in
具体的には、まず校正のための直流電圧を印加しない状態(測定試料は短絡状態)でパルス電圧のみを印加して圧電素子の電圧信号V1を取得し、続いて校正のための直流電圧を印加した状態でパルス電圧を印加して圧電素子の電圧信号V2を取得し、最後に再び校正のための直流電圧を印加しない状態(測定試料は短絡状態)でパルス電圧のみを印加して圧電素子の電圧信号V3を取得する。 Specifically, first, a voltage signal V1 of the piezoelectric element is obtained by applying only a pulse voltage in a state where a DC voltage for calibration is not applied (measurement sample is short-circuited), and then a DC voltage for calibration is obtained. Apply the pulse voltage in the applied state to obtain the voltage signal V2 of the piezoelectric element, and finally apply only the pulse voltage in the state where the DC voltage for calibration is not applied again (the measurement sample is short-circuited). Voltage signal V3 is obtained.
校正のための直流電圧印加によって測定試料内部に空間電荷が発生していないことの確認は、直流電圧を印加する前後で取得した電圧信号V1とV3を比較し、両者に違いがなく略一致することを確認することで行われる。 Confirmation that the space charge is not generated in the measurement sample by applying the DC voltage for calibration is performed by comparing the voltage signals V1 and V3 obtained before and after applying the DC voltage, and there is no difference between them. It is done by confirming that.
非特許文献1に記載された電荷密度の校正では、校正を行うために直流電圧を絶縁材料に印加する時に、絶縁材料内部に空間電荷が発生しないことが前提条件となる。しかし、絶縁材料によっては、測定条件において下限値となるような非常に低い直流電圧を印加しても、材料内部に空間電荷が発生してしまうため、正確に校正することができない場合があった。
In the charge density calibration described in
本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、絶縁材料内部の空間電荷分布測定における電荷密度を精度良く校正することが可能な空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法を提供することを目的とする。 The object of the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a charge density calibration method in space charge distribution measurement that can accurately calibrate the charge density in space charge distribution measurement inside an insulating material. The purpose is to do.
本発明に係る空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法は、パルス電圧のみが印加された測定試料から測定された電圧信号をV1とし、直流電圧が印加された状態で前記パルス電圧が印加された前記測定試料から測定された電圧信号をV2とし、及び前記直流電圧を降圧直後に接地した状態で前記パルス電圧が印加された前記測定試料から測定された電圧信号をV3とした場合、V2―V3+V1により算出される電圧信号V4を取得するステップと、電圧信号V4を用いて、電圧信号V2から得られる電荷密度を校正するステップと、を有することを特徴とする。 In the charge density calibration method in the space charge distribution measurement according to the present invention, a voltage signal measured from a measurement sample to which only a pulse voltage is applied is V1, and the pulse voltage is applied in a state where a DC voltage is applied. When V2 is a voltage signal measured from the measurement sample and V3 is a voltage signal measured from the measurement sample to which the pulse voltage is applied with the DC voltage grounded immediately after stepping down, V2−V3 + V1 A step of obtaining a voltage signal V4 calculated by the step of calibrating a charge density obtained from the voltage signal V2 using the voltage signal V4.
また、本発明に係る空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法は、測定試料が電線またはケーブルであることを特徴とする。 The charge density calibration method in the space charge distribution measurement according to the present invention is characterized in that the measurement sample is an electric wire or a cable.
本発明によれば、絶縁材料内部の空間電荷分布測定における電荷密度校正の際に、測定条件において下限値となるような低い直流電圧を印加しても材料内部に空間電荷が発生してしまう場合においても精度の良い校正が可能となる。 According to the present invention, when charge density calibration is performed in space charge distribution measurement inside an insulating material, space charge is generated inside the material even when a low DC voltage that is a lower limit value under measurement conditions is applied. Can be calibrated with high accuracy.
本発明を実施するための形態(以下、本実施形態という。)について具体例を示して説明する。本実施形態は、空間電荷分布測定において電荷密度を校正する、空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法に関する。 A mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) will be described with a specific example. The present embodiment relates to a charge density calibration method in space charge distribution measurement, in which charge density is calibrated in space charge distribution measurement.
1.空間電荷分布測定装置の全体構成
図1は、本発明が適用された校正方法を行う空間電荷分布測定装置1の全体構成と、測定対象となる測定試料とを示した図である。
1. Overall Configuration of Space Charge Distribution Measuring Device FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a space charge
本実施形態では、測定試料の具体例として、厚さ3mm、幅50mm×50mmのシート状にプレス成形した架橋ポリエチレンシートを用いる。 In the present embodiment, as a specific example of the measurement sample, a cross-linked polyethylene sheet press-molded into a sheet shape having a thickness of 3 mm and a width of 50 mm × 50 mm is used.
空間電荷分布測定装置1は、上部電極11と、半導体シート12と、下部電極13と、圧電素子14と、電源回路15と、測定処理部16と、を備える。
The space charge
このような構成からなる空間電荷分布測定装置1では、上部電極11、半導電シート12、測定試料2、下部電極13の順番となるように、測定試料2を挟む。
In the space charge
電源回路15は、上部電極11と下部電極13との間に電圧を印加する回路である。具体的に、電源回路15は、直流電源151とパルスジェネレータ152とが、上部電極11と下部電極13とを結ぶ経路上に並列接続された回路構成からなる。このような回路構成により、電源回路15は、直流電源151により直流電圧を測定試料2に印加し、パルスジェネレータ152によりパルス電圧を測定試料2に印加する。なお、図1に示すように、電源回路15は、直流電源151に抵抗素子153が直列接続され、パルスジェネレータ152にハイパス用コンデンサ154が直列接続されることが好ましい。
The
測定処理部は、アンプ161と、オシロスコープ162と、校正用電圧信号算出部163と、空間電荷密度情報変換部164と、校正部165と、を備える。このような構成からなる測定処理部16では、圧電素子14により測定される電圧信号をアンプ11で増幅し、オシロスコープ162により表示する。校正用電圧信号算出部163は、アンプ11で増幅した電圧信号を用いて、後述する校正用電圧信号を算出する。空間電荷密度情報変換部164は、校正用電圧信号に信号処理を施して空間電荷密度に変換する。校正部165は、校正用電圧信号から変換された空間電荷密度を校正する。
The measurement processing unit includes an amplifier 161, an
2.電荷密度の校正方法
次に、空間電荷分布測定装置1を用いた空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法について具体的に説明する。
2. Next, a method for calibrating the charge density in the space charge distribution measurement using the space charge
(ステップ1)
直流電圧を印加しない状態、具体的には測定試料2を短絡状態で、パルス電圧のみを測定試料に印加して電圧信号V1を測定する。具体例として、パルスジェネレータ152を駆動して10nsecで−250Vのパルス電圧を測定試料に印加した時に、オシロスコープ162により測定した電圧信号V1を図2に示す。
(Step 1)
In a state where no DC voltage is applied, specifically, the
(ステップ2)
直流電圧を測定試料2に印加した状態で、パルス電圧を測定試料2に印加して電圧信号V2を測定する。具体例として、直流電源151を駆動して−2kVの直流電圧を印加した状態でパルスジェネレータ152を駆動して10nsecで−250Vのパルス電圧を測定試料2に印加した時に、オシロスコープ162により測定した電圧信号V2を図3に示す。
(Step 2)
With the DC voltage applied to the
(ステップ3)
ステップ2で印加した直流電圧を降圧した後に、直流電圧を測定試料2に印加しない状態、具体的には測定試料2を短絡状態で、パルス電圧のみを測定試料2に印加して電圧信号V3を測定する。具体例として、電圧信号V2の取得後に直流電圧を降圧させて接地した状態で、パルスジェネレータ162を駆動して10nsecで−250Vのパルス電圧を測定試料2に印加した時に、オシロスコープ162により測定した電圧信号V3を図4に示す。
(Step 3)
After stepping down the DC voltage applied in
ステップ3において得られる電圧信号V3は、測定試料2の接地特性を表し、電圧信号V3を信号処理することで測定試料2内部に電荷が蓄積されたか否かを知ることができる。架橋ポリエチレンシートのような電荷が蓄積しやすい測定試料では、図2及び図4の結果から明らかなように、電圧信号V3が、測定試料2内部に電荷が存在しない電圧信号V1と一致しないため、測定試料2内部に電荷が蓄積されたものと判断できる。つまり、電圧信号V2を基準波形として校正することができないため、本実施形態では次のステップ4を行う。
The voltage signal V3 obtained in
(ステップ4)
V2−V3+V1を電圧信号V4として、これを基準波形、つまり、校正用電圧信号として校正を行う。
(Step 4)
Calibration is performed using V2−V3 + V1 as a voltage signal V4 and using it as a reference waveform, that is, a calibration voltage signal.
まず、校正用電圧信号算出部163により、V2−V3+V1を電圧信号V4として算出して、これを校正用電圧信号とする。ここで、電圧信号V4は、電荷を蓄積した情報を含んだ電圧信号V2から、蓄積された電荷分である電圧信号V3を減算して、ゼロ電位を決めるために電圧信号V1を加算した電圧信号である。図5は、電圧信号V2と電圧信号V4の比較を示している。図5から明らかなように、電圧信号V4は、電圧信号V2と異なり、測定試料2内部に電荷が蓄積されていない電圧信号となるため、基準波形として校正することができる。
First, the calibration voltage signal calculation unit 163 calculates V2−V3 + V1 as a voltage signal V4, which is used as a calibration voltage signal. Here, the voltage signal V4 is a voltage signal obtained by subtracting the voltage signal V3, which is the accumulated charge, from the voltage signal V2 including information on accumulated charges, and adding the voltage signal V1 to determine the zero potential. It is. FIG. 5 shows a comparison between the voltage signal V2 and the voltage signal V4. As is apparent from FIG. 5, the voltage signal V4 is different from the voltage signal V2 and is a voltage signal in which no charge is accumulated in the
そこで、空間電荷密度情報変換部164により、校正用電圧信号V4に信号処理を施して空間電荷密度に変換する。具体的に、空間電荷密度情報変換部164は、電圧信号V4をフーリエ変換して周波数領域で歪みの影響などを除去し、その後逆フーリエ変換を行うことで空間電荷密度に変換する。
Therefore, the space charge density
さらに、校正部165により、校正用電圧信号から変換された空間電荷密度を校正する。具体的に、校正部165は、校正用電圧信号から変換された空間電荷密度を積分することで電界分布を得て、さらに電界分布を積分して電位分布を得る。そして、校正部165は、得られた電界分布と電位分布を実験条件に応じた理論電界と電位にフィッティングさせることで校正し、校正に関する処理を終了する。
Further, the
(比較例)
比較例として、電圧信号V2に電荷が蓄積していないものとみなして校正した結果について説明する。具体的に、電圧信号V2から空間電荷密度を得て、空間電荷密度を積分して得られた電界分布と電位分布に基づいて校正した時の、電圧信号V2に対応する空間電荷密度を図6に示す。図6に示す空間電荷密度は、上述の通り、電圧信号V1、V3が一致せず測定試料内部に電荷が蓄積されているので、この校正結果は間違っている。
(Comparative example)
As a comparative example, a description will be given of the result of calibration assuming that no charge is accumulated in the voltage signal V2. Specifically, the space charge density corresponding to the voltage signal V2 when the space charge density is obtained from the voltage signal V2 and calibrated based on the electric field distribution and potential distribution obtained by integrating the space charge density is shown in FIG. Shown in The space charge density shown in FIG. 6 is incorrect because the voltage signals V1 and V3 do not match and charges are accumulated in the measurement sample as described above.
一方、電圧信号V4に基づいて校正した後に、電圧信号V2に対応する空間電荷密度を図7に示す。図6と図7とを比較すると、図7に示す空間電荷密度では、陰極側にプラスの電荷が蓄積されていることを示している。 On the other hand, after calibration based on the voltage signal V4, the space charge density corresponding to the voltage signal V2 is shown in FIG. Comparing FIG. 6 and FIG. 7, the space charge density shown in FIG. 7 indicates that positive charges are accumulated on the cathode side.
上記の図6及び図7から明らかなように、本実施形態では、ステップ1〜4による処理を実行することで、絶縁材料内部、つまり測定試料2内部の空間電荷分布測定における電荷密度校正の際に、非常に低い直流電圧を印加することで測定試料2内部に空間電荷が発生してしまう場合においても精度の良い校正が可能となる。
As apparent from FIGS. 6 and 7, in the present embodiment, by performing the processing in
なお、本実施形態では、測定試料2として架橋ポリエチレンシートを用いたが、これに限定されず、測定試料2内部に空間電荷が発生しやすい材料を用いても、精度の良い校正が可能となる。特にポリエチレンは電荷の蓄積が早く校正が難しい材料であり有効だが、たとえば、エチレンプロピレンゴム、シリコンゴムなどでもよく、これ以外にも下記に示す他の実施形態のように、例えばCVケーブルなどの電線又はケーブルを測定試料として適用することができる。
In this embodiment, a cross-linked polyethylene sheet is used as the
3.電線またはケーブルを測定対象とした空間電荷分布測定装置の全体構成
他の実施形態として、以下では、電線またはケーブルを測定対象とした空間電荷分布測定装置の全体構成について、図8を参照して説明する。
3. Overall Configuration of Space Charge Distribution Measuring Device with Wire or Cable as Measurement Object As another embodiment, the overall configuration of the space charge distribution measuring device with a wire or cable as a measurement object will be described below with reference to FIG. To do.
空間電荷分布測定装置5は、上部電極11と、下部電極13と、圧電素子14と、電源回路15と、測定処理部16と、を備える。また、電源回路15は、直流電源151と、パルスジェネレータ152と、を備える。また、測定処理部16は、アンプ161と、オシロスコープ162と、校正用電圧信号算出部163と、空間電荷密度情報変換部164と、校正部165と、を備える。上述した空間電荷分布測定装置1と同様の構成については、同様の符号を付してその説明を省略する。
The space charge
測定対象である電線またはケーブルの具体例として次のような構造を有するCVケーブルを用いる。つまり、導体を、内部半導体層、絶縁体(例えば架橋ポリエチレン)、外部半導体層、金属遮蔽層の順で被覆したケーブル20を用いる。ここで、ケーブル20の空間電荷分布を測定可能にするため、ケーブル20の一の端部21と他の端部22とにおいて、ケーブル20内部の導体を、電源回路15の直流電源151に接続する。また、ケーブル20の測定部位200については、ケーブル20表面から金属遮蔽層及び内部半導体層を剥がして絶縁体20bを露出させ、露出させた絶縁体20bに下部電極13を取り付ける。また、測定部位200の両端側の部位250、250、つまり金属スクリーン20aで覆われている部位250、250には、上部電極11をそれぞれ取り付けて、パルスジェネレータ152からパルス電圧を印加する。
A CV cable having the following structure is used as a specific example of the electric wire or cable to be measured. That is, the
上記のようにして、ケーブル20に上部電極11と下部電極13とを接続し、下部電極13に接続された圧電素子14からの検出結果を利用することにより、測定処理部16は、空間電荷分布を測定することが可能となる。また、上述したシート状の測定試料2に比べてケーブル20はノイズが大きいことから、圧電素子14からの電圧信号が複雑になるが、測定処理部16では、上述した空間電荷分布測定装置1と同様にして、校正部165により、校正用電圧信号から変換された空間電荷密度を精度よく校正することができる。
As described above, by connecting the upper electrode 11 and the
1 空間電荷分布測定装置
11 上部電極
12 半導体シート
13 下部電極
14 圧電素子14
15 電源回路
16 測定処理部
2 測定試料
DESCRIPTION OF
15
Claims (2)
電圧信号V4に基づいて、空間電荷分布測定における電荷密度を校正するステップと、
を有することを特徴とする空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法。 A voltage signal measured from a measurement sample to which only a pulse voltage is applied is V1, a voltage signal measured from the measurement sample to which the pulse voltage is applied in a state where a DC voltage is applied is V2, and the DC Obtaining a voltage signal V4 calculated by V2−V3 + V1, where V3 is a voltage signal measured from the measurement sample to which the pulse voltage is applied with the voltage grounded immediately after stepping down;
Calibrating the charge density in the space charge distribution measurement based on the voltage signal V4;
A charge density calibration method in space charge distribution measurement.
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