JP6284425B2

JP6284425B2 - 空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法

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Publication number: JP6284425B2
Application number: JP2014103050A
Authority: JP
Inventors: 直登茂森
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-05-19
Also published as: JP2015219116A

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

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。

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。

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。

空間電荷分布測定装置の概要を示す図である。パルス電圧のみを印加時した時に得られる電圧信号Ｖ１を示す図である。直流電圧を印加した状態でパルス電圧を重畳させて印加した時に得られる電圧信号Ｖ２を示す図である。直流電圧を降圧後に接地した状態でパルス電圧を印加した時に得られる電圧信号Ｖ３を示す図である。電圧信号Ｖ２と電圧信号Ｖ４の比較結果を示す図である。電圧信号Ｖ２に基づいて校正した電圧信号Ｖ２に対応する空間電荷密度を示す図である。電圧信号Ｖ４で校正した後に、電圧信号Ｖ２を信号処理して得た空間電荷密度を示す図である。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概要を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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外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、つまり金属遮蔽層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。

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。

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

Claims

パルス電圧のみが印加された測定試料の内部を伝搬して前記測定試料の表面に到達した圧力波を、圧電素子を用いて変換することにより電圧信号Ｖ１を測定する第１ステップと、
前記第１ステップの後、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の内部を伝搬して前記測定試料の表面に到達した圧力波を、前記圧電素子を用いて変換することにより電圧信号Ｖ２を測定する第２ステップと、
前記第２ステップの後、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、前記測定試料の内部を伝搬して前記測定試料の表面に到達した圧力波を、前記圧電素子を用いて電圧信号に変換することにより電圧信号Ｖ３を測定する第３ステップと、
前記電圧信号Ｖ２―前記電圧信号Ｖ３＋前記電圧信号Ｖ１により算出される電圧信号Ｖ４を取得する第４ステップと、
前記電圧信号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第５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。
前記測定試料が、導体と、前記導体を被覆する絶縁体と、前記絶縁体を被覆する金属遮蔽層とを有する電線またはケーブルであり、前記電線または前記ケーブルは、前記金属遮蔽層を剥がして前記絶縁体を露出させた測定部位及び前記測定部位の両端の前記金属遮蔽層で覆われている部位とを有し、前記パルス電圧は、前記測定部位に取り付けられた第１電極及び前記金属遮蔽層で覆われている部位に取り付けられた第２電極を介して印加されることを特徴とする請求項１記載の空間電荷分布測定における電荷密度の校正方法。