JP6230367B2 - 空間電荷測定用の校正試料及びこれを用いた校正方法 - Google Patents

Description

本発明は電圧印加によって電力ケーブル中の材料中に蓄積する空間電荷の蓄積量とその分布を測定する空間電荷測定用の校正試料及びこれを用いた校正方法に関するものである。

絶縁体に架橋ポリエチレンなどの高分子絶縁材料を用いた直流ケーブルでは、直流電圧の印加により絶縁体中に現れる空間電荷が絶縁特性を大きく左右することから、その高分子絶縁材料の空間電荷特性を精度良く評価することが重要である。絶縁材料中の空間電荷測定には一般にパルス静電応力法が用いられる。

パルス静電測定法では、空間電荷の測定対象となる試料を電極で挟み、一方の電極から直流電圧（バイアス電圧）を印加しつつパルス電圧を印加し、このとき試料から発生する振動の圧力波を圧電素子により検出する。そして、検出される圧力波の大きさから電荷量を求め、パルスを印加した時から圧力波を検出するまでの経過時間により電荷が存在していた位置を求める。これらにより、試料の厚さ方向における電荷密度分布を求めることができる。

上記パルス静電測定法による測定を行う測定装置では、測定を行う前に校正を行う必要がある。この校正作業は、空間電荷を殆ど発生しない材料（例えば、セラミックス焼結体）からなる薄板状の校正用試料を用いて、次のように行われる。
(1)直流電圧を印加しない状態でパルス電圧を印加する。(2)直流電圧を印加した状態でパルス電圧を印加する。(3)再び、直流電圧を印加しない状態でパルス電圧を印加する。以上を順番に行う。
そして、上記(1)、(3)で得られた圧力波に基づく波形を比較して、上記(2)で校正用試料に電荷が蓄積しなかったことを確認する。
また、上記(2)で得られた圧力波の測定波形に基づいて、試料の厚さ方向の軸の校正、電荷分布の校正を行う（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開平０９−３１１１２２号公報

JEC−TR 電気学会 電気規格調査会テクニカルレポート パルス静電応力法による空間電荷分布測定の校正法 JEC-TR-61004-2012 電気学会発行「5．校正手順」、２０１２年１２月２５日発行

ところで、高圧電力ケーブルの絶縁層のように、厚い試料の電荷密度分布を測定する場合は、試料に高圧の直流電圧を印加する必要がある。すなわち、測定装置の直流電圧発生部を高圧化する必要がある。
このような測定装置の校正を、従来の薄板状の校正用試料を用いて行う場合は、校正用試料の表面を通して表裏の電極間が短絡しないように、沿面距離を長くする必要がある。即ち、面積の大きな校正用試料を準備して、表裏の電極から試料の外周縁までの距離を離す必要がある。
しかしながら、このように２次元方向に面積の広い試料は取扱い難いので、校正作業に手間取るという問題があった。

本発明は、取り扱いが容易な空間電荷測定用の校正試料及びこれを用いた校正方法を提供することをその目的とする。

前記課題を解決する本願の校正試料に係る発明は、絶縁材料からなる筒状の絶縁部と、その内周及び外周にそれぞれ設けられた電極とを備えることを特徴とする。

この校正試料では、筒状の絶縁部の内外に電極を設けたので、絶縁部の周方向には両電極が短絡することが無い。従って、周方向には、沿面距離を考慮する必要が無い。従って、校正試料の軸方向のみ沿面距離を考慮すればよいことになる。すなわち、一次元方向に絶縁部を延ばすだけで、この校正試料を高い直流電圧に適応させることができ、二次元方向への拡大を抑制して小型で取り扱い性の良好な校正試料を提供することが可能となる。

校正試料の絶縁部の外形は、軸方向と交わる方向の断面が円形であることが望ましい。

また、上記校正試料では、前記導体電極を前記絶縁部の中心から偏心した位置に設けることが好適である。
このように校正試料を構成することにより、圧力波を検出する位置を絶縁部の外周の周方向に沿って変えることにより、絶縁部の厚さを変えて校正を行うことができる。つまり、校正時の絶縁部の厚さの調節を容易に行うことが可能となる。

また、上記校正試料では、前記絶縁部を、その軸方向の位置によって厚さが変化する形状とすることが好適である。
このように校正試料を構成することにより、圧力波を検出する位置を絶縁部の軸方向に沿って変えることにより、絶縁部の厚さを変えて校正を行うことができる。つまり、校正時の絶縁部の厚さの調節を容易に行うことが可能となる。

また、上記校正試料では、前記絶縁部を、樹脂材料から形成することが好適である。
このように構成することにより、絶縁部の形状及び寸法について任意に成形することが容易となる。

また、上記校正試料では、前記絶縁部を、ポリメタクリル酸メチル樹脂により形成することが好適である。
このように構成することにより、空間電荷の発生を抑制し、より適正な校正を行うことができる校正試料を提供することが可能となる。

前記課題を解決するための校正方法にかかる本発明は、絶縁材料からなる筒状の絶縁部と、その内周及び外周にそれぞれ設けられた電極と備える空間電荷測定用の校正試料を用いた空間電荷測定方法であって、一方の前記電極に直流電圧を印加すると共に他方の前記電極にパルス電圧を印加した状態での圧電素子の出力波形の検出を行う前と後の両方において、前記パルス電圧のみを前記他方の電極に印加して前記圧電素子の出力波形の検出を行い、これら前後に行われたパルス電圧のみを印加した状態での圧電素子の出力波形を比較することにより、前記直流電圧とパルス電圧の両方を印加したときに校正試料への電荷残留が生じなかったことを判定することを特徴とする。
また、前記課題を解決するための校正方法にかかる他の発明は、上述した各々の校正試料を用いた空間電荷測定方法であって、一方の前記電極に直流電圧を印加すると共に他方の前記電極にパルス電圧を印加した状態での圧電素子の出力波形の検出を行う前と後の両方において、前記パルス電圧のみを前記他方の電極に印加して前記圧電素子の出力波形の検出を行い、これら前後に行われたパルス電圧のみを印加した状態での圧電素子の出力波形を比較することにより、前記直流電圧とパルス電圧の両方を印加したときに校正試料への電荷残留が生じなかったことを判定することを特徴とする。

上記校正方法により、空間電荷測定をより適正に行うことが可能となる。

本発明によれば、小型で取り扱い性の良好な校正試料を提供することが可能である。
また、本発明によれば、空間電荷測定に適した校正方法を提供することが可能である。

空間電荷測定用の校正試料の斜視図である。 空間電荷測定装置の構成図である。 図３（Ａ）と図３（Ｃ）は参照信号波形を示す線図、図３（Ｂ）は校正信号波形を示す線図である。 校正試料の他の例の斜視図である。 校正試料のさらに他の例の斜視図である。

［発明の実施形態の概略］
以下、本発明の実施形態として、空間電荷測定用の校正試料（以下、単に「校正試料」という）と空間電荷測定装置について図面に基づいて説明する。
上記空間電荷測定装置は、電力ケーブルの導体部の外周に形成された円筒状の絶縁層を空間電荷測定の対象（測定試料）とすることを前提としている。次に、当該空間電荷測定装置と空間電荷測定の前に行う校正作業に好適な校正試料について説明を行う。

［校正試料］
校正試料１０は、図１に示すように、絶縁材料からなる円筒状の絶縁部１１と、当該絶縁部１１の内周に設けられ、直流電圧が印加される導体電極１２と、当該導体電極１２の外周に設けられ、パルス電圧が印加される遮蔽電極１３，１３とを備えている。

絶縁部１１は、絶縁性の樹脂、例えば、PMMA（ポリメタクリル酸メチル樹脂、通称：アクリル樹脂）から形成されている。ポリメタクリル酸メチル樹脂は、所定の限界値に満たない範囲で直流電圧が印加された場合、空間電荷は殆ど発生せず、空間電荷特性が安定している。
また、絶縁部１１は、その中心部に断面円形の貫通孔が形成されている。そして、絶縁部１１の内径と外径は、空間電荷測定の対象とする電力ケーブルの絶縁層の内径と外径と一致又は近い値とすることが望ましい。
ここで、絶縁部１１の寸法について一例を挙げると、その外径は10〜30[mm]、全長は1[m]、厚みは3〜5[mm]としている。但し、これらの数値に限定されるものではなく、空間電荷の測定対象である電力ケーブルの各部の寸法に応じて適宜変更可能である。

導体電極１２は、絶縁部１１よりも幾分長い断面円形の棒状体であり、その両端部が絶縁部１１から突出している。
導体電極１２と絶縁部１１はそれぞれ個別に形成して、絶縁部１１の貫通孔に導体電極１２を挿入しても良いし、導体電極１２を形成してからその外周上に絶縁部１１を形成しても良い。
導体電極１２の外周面と絶縁部１１の内周面との間の隙間は小さいことが望ましく、相互に密着していることがより望ましい。

なお、導体電極１２を絶縁部１１から突出させることで後述する直流電源２０との接続が容易となるが、導体電極１２の突出は必須ではない。
例えば、導体電極１２と絶縁部１１の長さを等しくして、導体電極１２の端面に直流電源２０を接続することは可能である。

遮蔽電極１３，１３は、絶縁部１１の中心線方向における中間部を挟んで当該絶縁部１１の外周面を被覆している。これらの遮蔽電極１３，１３は、同一の幅で形成されている。また、遮蔽電極１３，１３は、絶縁部１１の外周面に対して金属成膜技術により形成しても良いし、金属箔を巻き付けることにより形成しても良い。
また、各遮蔽電極１３，１３は、導体電極１２との絶縁状態を維持するために、絶縁部１１の端部からの沿面距離を十分な長さとしている。
そして、これら遮蔽電極１３，１３の間には、非遮蔽部１４が存在し、当該非遮蔽部１４において、試料から発生する振動の圧力波の検出が行われる。
なお、導体電極１２と遮蔽電極１３，１３は、いずれも、良導体、例えば、アルミニウム（アルミ合金を含む）、金、真鍮等から形成されている。

［空間電荷測定装置］
空間電荷測定装置１００は、図２に示すように、校正試料又は測定試料に対してバイアス電圧としての直流電圧を印加する直流電源２０と、校正試料又は測定試料に対してパルス電圧を印加するパルス発生装置３０と、校正試料又は測定試料が振動したとき発生する圧力波を検出する検出部としての圧電素子４０とを備えている。
さらに、空間電荷測定装置１００は、圧電素子４０の検出信号を増幅するアンプ（図示省略）と、増幅された検出信号の波形を表示するオシロスコープ６０と、検出信号に対して所定の信号処理を行う信号処理部としてのパーソナルコンピューター（以下、「ＰＣ」とする）７０とを備えている。
なお、図２では校正試料１０を設置した状態を図示している。

直流電源２０は、絶縁部１１から突出した導体電極１２の一端部に接続され、当該導体電極１２に対して所定の直流電圧の印加を行う。
直流電源２０から印加する直流電圧は、極性は正負いずれもでも良く、印加電圧の値は絶縁部１１の材料、半径方向の厚さに応じて適宜決定される。直流電源２０は、例えば、50〜3000[kV]の直流電圧を導体電極１２に印加する。

パルス発生装置３０は、二つの遮蔽電極１３，１３に対して同極性、同電位のパルス電圧を同時に印加する。
上記パルス発生装置３０から印加するパルス電圧は、極性は正負いずれもでも良く、パルス電圧の値は絶縁部１１の半径方向の厚さや圧電素子４０の検出分解能に応じて適宜決定される。パルス電圧の値は絶縁部１１の材料、半径方向の厚さに応じて適宜決定される。パルス発生装置３０は、例えば、1[kV]の直流電圧を各遮蔽電極１３，１３に印加する。

校正試料１０は、非遮蔽部１４において、検出台４１の上面に載置された状態で、固定ブロック４２をボルト締めすることにより固定支持される。検出台４１及び固定ブロック４２はいずれも導体であり、遮蔽電極１３，１３には接触せず、非遮蔽部１４のみが接触した状態で校正試料１０の固定を行っている。
そして、圧電素子４０は検出台４１の下面側に装備されている。検出台４１には非遮蔽部１４から振動の圧力波が圧電素子４０に良好に伝達するように液体シリコンが塗布されている。圧電素子４０は、非遮蔽部１４から伝わる圧力波に応じた電圧信号を出力し、アンプ５０で増幅してオシロスコープ６０に入力する。

オシロスコープ６０は、増幅された圧電素子４０からの検出信号を時系列の波形に変換してモニタに表示する。
ＰＣ７０は、オシロスコープ６０を介して圧電素子４０に接続されている。そして、ＰＣ７０は、パルス発生装置３０に対して、パルス発信を開始させる制御指令を入力し、パルス発信からの経過時間と圧電素子４０の検出信号の出力強度とを記録する。そして、圧電素子４０で検出した圧力の時系列的な変化のデータを生成する。
そして、生成したデータに対して所定の信号処理を行い、装置を校正し、空間電荷の測定に有用なパラメータを取得する。

［校正試料を用いた校正方法］
上記空間電荷測定装置１００による校正方法について説明する。
校正試料１０を検出台４１に固定し、導体電極１２を直流電源２０に接続し、各遮蔽電極１３，１３をパルス発生装置３０に接続する。

そして、直流電圧を印加せずに、周期的に繰り返されるパルス電圧を校正試料１０に印加して圧電素子４０の検出信号を記録する。この時、ＰＣ７０は、個々のパルス電圧に基づく圧電素子４０の検出信号の加算平均を算出する。この時に得られる検出信号波形を参照信号波形という。
図３（Ａ）は参照信号波形の一例を示している。なお、図３に示すそれぞれの信号波形は所定の信号処理が施されたものが図示されている。

次に、校正試料１０の絶縁部１１に空間電荷が発生しない範囲の直流電圧を印加した状態で、パルス電圧を校正試料１０に印加する。ＰＣ７０は、周期的に繰り返されるパルス電圧に基づく圧電素子４０の検出信号の加算平均を算出する。この時に得られる検出信号波形を校正信号波形という。
図３（Ｂ）は校正信号波形の一例を示している。導体電極１２と絶縁部１１との界面と遮蔽電極１３と絶縁部１１との界面とには、それぞれ誘導電荷が発生し、圧力波のピークが発生している。
そして、正常な校正信号波形の場合には、上記二つのピークの間には信号レベルが0となる部分が存在する。仮に、信号レベルが0となる部分が存在しない場合には、パルス発生装置３０からのノイズの発生、圧力波の発生位置を検出するための分解能の不足等が考えられ、これらの対策を講じて校正のやり直しとなる。

再び、直流電圧を印加せずに周期的に繰り返されるパルス電圧を校正試料１０に印加して、個々のパルス電圧に基づく圧電素子４０の検出信号の加算平均を、ＰＣ７０により算出する。図３（Ｃ）はこの時に得られる参照信号波形の一例を示している。
そして、ＰＣ７０は、この時に得られた参照信号波形と、最初の参照信号波形とを比較する。

上記の比較において、二つの参照信号波形が同一又は同一とみなせる範囲内であって、増減を生じていない場合、校正信号波形を得るために行った直流電圧印加の際に、校正試料１０の絶縁部に空間電荷が発生しなかったことを意味するので、この時に得られた校正信号波形は適正な波形として校正に用いられることになる。

また、上記の比較において、二つの参照信号波形が同一とみなせる範囲内ではない場合、増減を生じている場合には、空間電荷の発生、ノイズの発生、空間電荷測定装置の不具合等が考えられる。
この場合には、校正試料１０の周囲のノイズ対策、空間電荷測定装置の不具合箇所の点検等を行ってから校正試料１０に対する測定をやり直す。それでも参照信号波形に増減を生じる場合には、校正試料１０の絶縁部１１の交換、導体電極１２に対する直流電圧の低減等を行い、校正試料１０に対する測定をやり直す。

適正な校正信号波形が得られた場合には、当該校正信号波形に対して、信号処理として、デコンボリューション処理を行い、当該デコンボリューション処理に用いたインパルス応答を記憶する。
さらに、校正信号波形の時間軸を絶縁部の厚さ方向の位置軸に変換する。そして、校正信号波形を位置で積分すると共に、検出信号軸を電界軸に校正する。この時、ＰＣ７０は、当該校正において、適正な係数Ｋを求め、これを記憶する。
これによって得られた電界分布波形を位置で微分して電荷分布波形を取得する。

［空間電荷測定］
電力ケーブル等の測定試料に対する空間電荷測定を行う際には、校正試料１０と同様に空間電荷測定装置１００に測定試料を設置する。
そして、直流電圧を印加した状態で、パルス電圧を測定試料に印加して、周期的に繰り返されるパルス電圧に基づく圧電素子４０の検出信号の加算平均を、ＰＣ７０で算出する。
さらに、この検出信号波形に対して、校正試料の場合と同様にして、デコンボリューション処理を行う。この時、校正試料のデコンボリューション処理で用いたインパルス応答を利用する。
そして、デコンボリューション処理後の検出信号波形の時間軸を絶縁部の厚さ方向の位置軸に変換し、検出信号波形を位置で積分すると共に、校正試料で用いた係数Ｋを用いて検出信号軸を電界軸に校正する。
そして、これによって得られた電界分布波形を位置で微分して、測定試料における電荷分布波形を取得する。
これにより、電力ケーブルの絶縁層の厚さ方向について、空間電荷の分布を取得することができる。

［実施形態の技術的効果］
以上のように、校正試料１０は、絶縁部１１を円筒状とし、その内側に導体電極１２、その外周に遮蔽電極１３，１３を設けているので、円周方向には両電極が短絡することが無い。軸方向に導体電極と遮蔽電極の沿面距離を調節する必要があるが、このためには絶縁部１１の長さを調整するだけでよい。従って、導体電極１２に直流の高電圧を印加する場合には校正試料を一次元方向（軸方向）にのみ伸長すればよく、二次元方向への拡大を抑制して小型で取り扱い性の良好な校正試料を提供することが可能となる。

また、絶縁部１１の外周に二つの遮蔽電極１３，１３を設け、その間の非遮蔽部１４で圧電素子４０が振動の圧力波の検出を行っているので、パルス電圧の印加による圧力波を増幅させることができ、より良好な検出を行うことが可能となる。

また、校正試料１０は、絶縁部１１を円筒状とし、中心に導体電極１２を設けているので、電力ケーブルに近似した構造とすることができ、この校正試料１０による校正を行うことで、電力ケーブルの空間電荷測定により適したパラメータを求めることが可能となる。
さらに、校正試料１０の絶縁部１１の厚さを電力ケーブルの絶縁層の厚さと等しく又は近似させることで、さらに適正なパラメータを求めることが可能となる。

また、校正試料１０を用いた校正方法において、パルス電圧のみの印加による２回の参照信号波形を比較するので、適正な校正信号波形を得ることができ、空間電荷測定に適したインパルス応答、係数Ｋからなるパラメータを取得することができ、より適正な空間電荷測定を行うことが可能となる。

［校正試料の他の例］
上記校正試料１０は、円筒状の絶縁部１１の内側に同心で円柱状の導体電極１２を設けているが、その配置及び形状については適宜変更可能である。
例えば、図４の校正試料１０Ａに示すように、円筒状の絶縁部１１に対して円柱状の導体電極１２を中心から偏心させた位置に配置しても良い。
この場合、絶縁部１１の外周方向のいずれの位置で圧電素子４０による圧力波の検出を行うかにより、絶縁部１１の厚さを変えたのと同じ効果が得られる。このため、絶縁部１１の厚さを調節して校正を行うことが容易になる。

また、図５の校正試料１０Ｂに示すように、円筒状の絶縁部１１の中心に円錐台形状の導体電極１２を同心で配置しても良い。
この場合、絶縁部１１の軸方向に沿ったいずれの位置に圧電素子４０を配置して圧力波を検出するかに応じて、絶縁部１１の厚さを変えたのと同じ効果を得ることができる。このため、容易に絶縁部１１の厚さを調節して校正を行うことが可能となる。
なお、導体電極１２の外径を一定とし、絶縁部１１を円錐台形状とした場合も絶縁部１１の軸方向に沿ったいずれの位置に圧電素子４０を配置するかに応じて、絶縁部１１の厚さを変えた効果を得ることができる。

さらに、前記導体電極１２は絶縁部１１より短くても良い。この場合、絶縁部１１の貫通孔に挿入した導体電極１１の端部に絶縁電線を半田付けしておくことにより、電圧を印加することができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 校正試料
１１ 絶縁部
１２ 導体電極
１３ 遮蔽電極
１４ 非遮蔽部
２０ 直流電源
３０ パルス発生装置
４０ 圧電素子
６０ オシロスコープ
７０ ＰＣ
１００ 空間電荷測定装置

Claims (6)

1. 絶縁材料からなる筒状の絶縁部と、その内周及び外周にそれぞれ設けられた電極と備え、
   前記内周の電極を前記絶縁部の中心から偏心した位置に設けたことを特徴とする空間電荷測定用の校正試料。
2. 絶縁材料からなる筒状の絶縁部と、その内周及び外周にそれぞれ設けられた電極と備え、
   前記絶縁部を、その軸方向の位置によって厚さが変化する形状としたことを特徴とする空間電荷測定用の校正試料。
3. 前記絶縁部を、樹脂材料から形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の空間電荷測定用の校正試料。
4. 前記絶縁部を、ポリメタクリル酸メチル樹脂により形成したことを特徴とする請求項３記載の空間電荷測定用の校正試料。
5. 絶縁材料からなる筒状の絶縁部と、その内周及び外周にそれぞれ設けられた電極と備える空間電荷測定用の校正試料を用いた空間電荷測定方法であって、
   一方の前記電極に直流電圧を印加すると共に他方の前記電極にパルス電圧を印加した状態での圧電素子の出力波形の検出を行う前と後の両方において、前記パルス電圧のみを前記他方の電極に印加して前記圧電素子の出力波形の検出を行い、
   これら前後に行われたパルス電圧のみを印加した状態での圧電素子の出力波形を比較することにより、前記直流電圧とパルス電圧の両方を印加したときに校正試料への電荷残留が生じなかったことを判定することを特徴とする空間電荷測定用の校正試料を用いた校正方法。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の校正試料を用いた空間電荷測定方法であって、
   一方の前記電極に直流電圧を印加すると共に他方の前記電極にパルス電圧を印加した状態での圧電素子の出力波形の検出を行う前と後の両方において、前記パルス電圧のみを前記他方の電極に印加して前記圧電素子の出力波形の検出を行い、
   これら前後に行われたパルス電圧のみを印加した状態での圧電素子の出力波形を比較することにより、前記直流電圧とパルス電圧の両方を印加したときに校正試料への電荷残留が生じなかったことを判定することを特徴とする空間電荷測定用の校正試料を用いた校正方法。

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