KR20180118655A - 절연체의 절연 성능의 평가 방법 - Google Patents

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야스히로 다나카
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스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

제 1 절연체에 소정의 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 1 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 α와, 제 2 절연체에, 상기 공정 α와 동일한 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 2 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 β와, 상기 공정 α에서 얻어진 경과 시간과 상기 적분치의 관계를 나타내는 제 1 그래프와, 상기 공정 β에서 얻어진 경과 시간과 상기 적분치의 관계를 나타내는 제 2 그래프를 비교함으로써, 상기 직류 전압의 인가에 따르는 상기 제 1 절연체의 절연 성능과 상기 제 2 절연체의 절연 성능의 차이를 평가하는 공정 γ를 구비하는 절연 성능의 평가 방법.

Description

절연체의 절연 성능의 평가 방법
본 발명은, 절연체의 절연 성능의 평가 방법에 관한 것이다.
본 출원은, 2016년 3월 3일자의 일본 출원의 2016-041451에 근거하는 우선권을 주장하고, 상기 일본 출원에 기재된 모든 기재 내용을 원용하는 것이다.
종래로부터 교류 송전에 있어서의 전력 케이블의 절연층의 열화 진단 방법이 다양하게 검토되고 있다. 예컨대, 특허문헌 1에서는, 실제 선로에서 적용되고 있는 교류 전압을 이용한 잔류 전하법과 손실 전류법을 병용하여, 절연층의 열화 진단을 행하고 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2013-29450호 공보
비특허문헌 1 : 다카다 다츠오, 사카이 다카오, 도리야마 요츠오, "고분자 필름 내의 전하 분포의 추정법", 전기 학회 논문지 Vol. 92-A, No.12, pp537~544, 1972년
본 발명의 일 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법은, 제 1 절연체에 소정의 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 1 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 α와, 제 2 절연체에, 상기 공정 α와 동일한 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 2 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 β와, 상기 공정 α에서 얻어진 경과 시간과 상기 적분치의 관계를 나타내는 제 1 그래프와, 상기 공정 β에서 얻어진 경과 시간과 상기 적분치의 관계를 나타내는 제 2 그래프를 비교함으로써, 상기 직류 전압의 인가에 따르는 상기 제 1 절연체의 절연 성능과 상기 제 2 절연체의 절연 성능의 차이를 평가하는 공정 γ를 구비하고, 상기 각 적분치는, 상기 각 절연체에 직렬로 접속되는 커패시터와 상기 커패시터에 걸리는 전압을 측정하는 전압계를 구비하고, 상기 전압계의 측정 결과에 근거하여 상기 각 적분치를 측정하는 전류 적분계에 의해 구하고, 상기 인가 조건은, 전압을 0㎸로부터 소정의 최종 도달 전압까지 승압하는 승압 조작과, 상기 최종 도달 전압에서 일정 시간 유지하는 전압 유지 조작과, 전압의 인가를 정지하여 상기 커패시터의 방전을 행하는 방전 조작과, 상기 커패시터를 접지하는 접지 조작을 포함한다.
도 1은 절연성의 샘플에 직류 전압을 인가하고, 시간의 경과에 따라 샘플에 흐른 전류의 적분치를 측정하는 전류 적분계의 개략 회로도이다.
도 2는 절연성의 샘플을 기름 속에 배치한 상태에서 측정한 전류 적분의 그래프이다.
도 3은 절연성의 샘플을 기름 속에 배치한 상태에서 측정한 전류치의 그래프이다.
도 4는 2개월 방치한 절연성의 샘플을 기름 속에 배치한 상태에서 측정한 전류의 적분치의 그래프이다.
도 5는 절연체의 샘플을 공기 중에 배치한 상태에서 측정한 전류의 적분치의 그래프이다.
도 6은 도 5의 그래프의 일부를 확대한 그래프이다.
도 7은 공간 전하 측정 장치를 함께 마련한 전류 적분계의 개략 회로도이다.
도 8은 상온에 있어서의 저밀도 폴리에틸렌의 전류의 적분치의 그래프이다.
도 9는 상온에 있어서의 저밀도 폴리에틸렌의 전류치의 그래프이다.
도 10은 상온에 있어서의 저밀도 폴리에틸렌의 Q300/Q0의 그래프이다.
도 11은 상온에 있어서의 고밀도 폴리에틸렌의 전류의 적분치의 그래프이다.
도 12는 상온에 있어서의 고밀도 폴리에틸렌의 전류치의 그래프이다.
도 13은 상온에 있어서의 고밀도 폴리에틸렌의 Q300/Q0의 그래프이다.
도 14는 상온에 있어서의 폴리스티렌의 전류의 적분치의 그래프이다.
도 15는 상온에 있어서의 폴리스티렌의 전류치의 그래프이다.
도 16은 상온에 있어서의 폴리스티렌의 Q300/Q0의 그래프이다.
도 17은 80℃에 있어서의 저밀도 폴리에틸렌의 전류의 적분치의 그래프이다.
도 18은 80℃에 있어서의 저밀도 폴리에틸렌의 전류치의 그래프이다.
도 19는 80℃에 있어서의 저밀도 폴리에틸렌의 Q300/Q0의 그래프이다.
도 20은 80℃에 있어서의 고밀도 폴리에틸렌의 전류의 적분치의 그래프이다.
도 21은 80℃에 있어서의 고밀도 폴리에틸렌의 전류치의 그래프이다.
도 22는 80℃에 있어서의 고밀도 폴리에틸렌의 Q300/Q0의 그래프이다.
도 23은 80℃에 있어서의 폴리스티렌의 전류의 적분치의 그래프이다.
도 24는 80℃에 있어서의 폴리스티렌의 전류치의 그래프이다.
도 25는 80℃에 있어서의 폴리스티렌의 Q300/Q0의 그래프이다.
[본 개시가 해결하려고 하는 과제]
최근, 고전압의 직류 송전이 검토되고 있고, 그 전력 케이블에 구비되는 절연층(절연체로 이루어지는 층)의 상태 진단의 수법이 필요하게 되는 것으로 생각된다. 또한, 전력 케이블뿐만 아니라, 다양한 전기 기기를 직류에서 사용하는 것이 검토되고 있는 현재 상황을 감안하더라도, 직류 전압 하의 절연체의 상태 진단의 수법이 필요하게 된다고 생각된다. 그러나, 직류 전압의 인가에 따르는 절연체의 상태를 진단하는 유효한 방법은 현재로서는 존재하지 않는다.
직류에서 사용되는 전력 케이블이나 전기 기기의 절연체의 내부에는, 교류 전압과 비교하면 직류 전압에서는 공간 전하가 축적되기 쉽고, 절연체의 내부 전계에 왜곡을 일으킨다. 직류 전압이 인가되는 절연체에서는, 이 공간 전하의 축적이나 온도 상승에 의한 산화의 복합 요인에 의해 절연 열화가 촉진된다고 생각된다. 그러나, 그 공간 전하의 축적의 방식에 법칙성이 없고, 절연체의 열화의 자세한 메커니즘은 해명되어 있지 않다. 예컨대, 직류 송전에 사용되는 전력 케이블로서, 도체에 유침지(oil-impregnated paper)를 감아 이루어지는 절연층(절연체)을 구비하는 유침 절연 케이블이나, 가교 폴리에틸렌과 같은 고체 절연체를 도체에 피복한 고체 절연 케이블이 있지만, 각각 절연체에서 공간 전하의 축적의 방식이 상이하고, 각 절연체의 열화의 방식도 상이하다. 이와 같은 사정으로부터, 직류 송전을 행하는 전력 케이블이나 직류에서 사용하는 전기 기기의 절연체의 상태 진단으로 이어지는 기술로서, 직류 전압의 인가에 따르는 절연체의 절연 성능의 변화를 시간이 지남에 따라 감시하고, 직류 전압의 인가에 따르는 절연체의 절연 성능의 차이를 평가하는 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 개시는, 직류 전압의 인가에 따르는 절연체의 절연 성능의 차이를 평가할 수 있는 절연체의 절연 성능의 평가 방법을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
통상, 전극 사이에 끼워진 절연체에 직류 전압을 인가하면, 절연체에 미약한 전류가 흐른다. 전류는, 주로 충전 전류, 공간 전하 축적 전류, 리크 전류, 및 부분 방전 전류로 구성된다.
ㆍ충전 전류(변위 전류로 불리는 일도 있다) … 전극 사이에 끼워진 절연체는 정확히 커패시터와 동일한 구성으로 되어 있기 때문에, 직류 전압의 인가 개시에 의해 쌍극자 배열의 변화를 수반하는 전하 축적이 일어난다. 그때에 흐르는 전류가 충전 전류이고, 절연체의 비유전율에 따라 변화한다. 이 충전 전류는, 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간만 흐르는 전류이다.
ㆍ공간 전하 축적 전류(흡수 전류로 불리는 일도 있다) … 절연체에 직류 전압을 인가했을 때에, 절연체에 공간 전하의 생성ㆍ이동에 따라 발생하는 전류이다. 이 공간 전하 축적 전류는, 충전 전류와 마찬가지로, 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간만 흐른다.
ㆍ리크 전류 … 절연체라 하더라도 매우 미약하지만 전류가 흐른다. 다시 말해, 절연체의 전기 전도율에 따라 흐르는 전류가 리크 전류이다. 리크 전류는, 직류 전압을 인가하고 있는 시간 동안 흐른다.
ㆍ부분 방전 전류 … 절연체의 내부에 방전 공극이 있으면, 그 방전 공극에서 부분 방전(코로나)이 발생한다. 그때, 순간적으로 흐르는 전류가 부분 방전 전류이다.
앞의 단락에서 설명한 절연체에 흐르는 각 전류는 매우 미약하기 때문에, 순간적인 전류치를 측정하는 것만으로는 절연체의 절연 성능에 관련되는 절연체의 물리량(비유전율, 공간 전하 축적, 전기 전도율, 방전 공극의 존재의 4종류)의 시간에 따른 변화를 충분히 파악할 수 없다. 그래서, 본 발명자들은, 절연체에 직류 전압을 인가하고, 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 망라하여 측정함으로써, 절연체에 흐르는 각 전류의 거동을 명확하게 하는 것을 시도했다. 전류의 적분치는, 절연체의 정전 용량에 대하여 충분히 큰 커패시터를 절연체와 직렬로 접속하고, 커패시터에 걸리는 전압을 측정함으로써 구할 수 있다. 이 적분치의 측정에 근거하여, 본 발명자들은, 시간 경과에 따르는 전류의 거동을 비교함으로써, 절연체의 절연 성능의 차이를 평가하는 방법을 고안했다. 이하에, 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법을 규정한다.
[본원 발명의 실시 형태의 설명]
먼저 본원 발명의 실시 형태의 내용을 열기하여 설명한다.
<1> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법은, 제 1 절연체에 소정의 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 1 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 α와, 제 2 절연체에, 상기 공정 α와 동일한 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 2 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 β와, 상기 공정 α에서 얻어진 경과 시간과 상기 적분치의 관계를 나타내는 제 1 그래프와, 상기 공정 β에서 얻어진 경과 시간과 상기 적분치의 관계를 나타내는 제 2 그래프를 비교함으로써, 상기 직류 전압의 인가에 따르는 상기 제 1 절연체의 절연 성능과 상기 제 2 절연체의 절연 성능의 차이를 평가하는 공정 γ를 구비하고, 상기 각 적분치는, 상기 각 절연체에 직렬로 접속되는 커패시터와 상기 커패시터에 걸리는 전압을 측정하는 전압계를 구비하고, 상기 전압계의 측정 결과에 근거하여 상기 각 적분치를 측정하는 전류 적분계에 의해 구하고, 상기 인가 조건은, 전압을 0㎸로부터 소정의 최종 도달 전압까지 승압하는 승압 조작과, 상기 최종 도달 전압에서 일정 시간 유지하는 전압 유지 조작과, 전압의 인가를 정지하여 상기 커패시터의 방전을 행하는 방전 조작과, 상기 커패시터를 접지하는 접지 조작을 포함한다.
상기 절연체의 절연 성능의 평가 방법에서는, 전류의 시간 적분치가 전하에 상당하는 것을 이용하고 있다. 절연체와 직렬로 적분 커패시터를 접속하여 직류 전압을 인가하면, 절연체에 축적되는 전하량과 동일한 전하량이 적분 커패시터에도 축적된다. 이 수법으로 계측하는 것은 전류의 시간 적분치로, 계측 시간을 길게 취하는 것에 의해, 미소 전류로도 충분히 검지하는 것이 가능하게 된다.
상기 절연체의 절연 성능의 평가 방법에서는, 전압 인가의 스타트 시로부터 접지에 이를 때까지의 사이에, 적분 커패시터에 걸리는 전압을 계측하고 있다. 즉 전압 인가의 스타트 시로부터 방전 조작을 거쳐 접지에 이를 때까지의 사이에 절연체에 흐르는 모든 전류의 적분치를 망라하여 계측하고 있다. 상기 조작을 포함하는 인가 수순은, 실제의 직류 기기의 사용 태양을 모방하고 있고, 그 때문에 해당 인가 수순에서 얻어진 정보에 근거하여, 실제의 사용 태양에 준거한 절연체의 절연 성능의 평가를 행할 수 있다.
인가 수순에 있어서의 승압 조작 시는 아직 전압이 낮고, 적분치에 대한 충전 전류에 의한 영향이 지배적이다. 또한, 전압 유지 조작의 초기는, 적분치에 대한 공간 전하 축적 전류의 영향이 크고, 전압 유지 조작의 후기는, 적분치에 대한 리크 전류의 영향이 커진다. 각 조작 시에 얻어진 정보에 근거하면, 직류 전압의 인가에 따라 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 보면, 절연체에 흐르는 각 전류의 변화의 상세를 알 수 있고, 그 전류의 변화로부터 절연체의 절연 성능의 변화를 알 수 있다. 그 때문에, 공정 α에서 얻은 제 1 절연체의 데이터와, 공정 β에서 얻은 제 2 절연체의 데이터를 비교함으로써, 양 절연체의 절연 성능의 차이를 평가할 수 있다.
<2> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 제 2 절연체는, 절연 성능의 변화를 일으킨 상기 제 1 절연체이고, 상기 공정 α와 상기 공정 β에 있어서의 측정 환경의 조건이 동일한 형태를 들 수 있다.
절연 성능의 변화를 일으킨 제 1 절연체란, 공정 α에서 측정을 행한 제 1 절연체를 환경 하에 방치하거나, 열이력(thermal hysteresis)을 주거나, 소정의 전압 인가를 행하거나 한 제 1 절연체이다. 바꿔 말하면, 제 1 절연체는, 상태 변화하기 전의 제 2 절연체이다. 다시 말해, 상기 구성의 공정 β에서는, 공정 α를 행하고 나서 소정 시간 경과한 후에, 공정 α에서 사용한 제 1 절연체를 공정 α와 동일한 측정 환경에서 다시 측정한다. 공정 γ에서, 공정 α의 결과와 공정 β의 결과를 비교함으로써, 절연체의 시간에 따른 절연 성능의 변화를 평가할 수 있다. 또한, 공정 α의 결과와 공정 β의 결과를 비교함으로써, 절연체의 절연 성능의 변화의 메커니즘의 해명에 다가갈 수 있을 가능성이 있다.
<3> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 제 2 절연체는, 상기 제 1 절연체와는 상이한 재료로 구성되고, 상기 공정 α와 상기 공정 β에 있어서의 측정 환경의 조건이 동일한 형태를 들 수 있다.
상기 평가 방법에 의하면, 용도에 따른 최적의 절연체의 재료를 특정할 수 있다. 예컨대, 절연 성능뿐만 아니라 기계적인 강도가 요구되는 사용 태양에 있어서, 기계적 강도가 동등한 정도의 2개의 재료가 있을 때에, 상기 평가 방법에 의해, 소정의 직류 전압 하에 있어서 어느 재료가 절연체로서 적합한지를 조사할 수 있다.
<4> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 제 2 절연체는, 상기 제 1 절연체와 동일한 재료로 구성되고, 상기 공정 α와 상기 공정 β에 있어서의 측정 환경의 조건이 상이한 형태를 들 수 있다.
측정 환경으로서는, 예컨대 온도나 습도, 분위기, 압력 등을 들 수 있다. 예컨대, 공정 α에서는 상온에 있어서의 측정을 행하고, 공정 β에서는 100℃에 있어서의 측정을 행하면, 상온으로부터 100℃에서 변화하는 환경 하에서 사용되는 절연체로서 바람직한지 여부를 조사할 수 있다.
<5>실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 제 1 절연체에, 상기 공정 α와는 상기 최종 도달 전압만이 상이한 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 그 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 1 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 δ와, 상기 제 2 절연체에, 상기 공정 δ와 동일한 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 그 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 2 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 ε을 구비하고, 상기 공정 γ에 있어서, 상기 공정 δ와 상기 공정 ε의 측정 결과를 포함시켜 상기 제 1 절연체의 절연 성능과 상기 제 2 절연체의 절연 성능의 차이를 평가하는 형태를 들 수 있다.
상기 측정 방법에 의하면, 동일 전압에 있어서의 공정 α와 공정 β의 결과의 비교뿐만 아니라, 상이한 전압에 있어서의 제 1 절연체 및 제 2 절연체의 절연 성능의 정보를 얻을 수 있다. 그 결과, 직류 전압 하의 각 절연체의 절연 성능을 보다 상세하게 평가할 수 있다.
<6> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 각 절연 성능은, 상기 각 절연체의 비유전율이고, 상기 비유전율은, 상기 제 1 그래프 또는 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 각 절연체에 축적되는 충전 전류가 관여하는 부분으로서, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간까지의 부분의 상기 적분치로부터 구하는 형태를 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 충전 전류는, 절연체와 절연체에 직류 전압을 인가하는 전극을 커패시터로 간주했을 때에 흐르는 전류로서, 절연체의 비유전율에 관련되는 전류이다. 충전 전류는, 직류 전압의 인가 개시로부터 단시간 동안만 흐르므로, 그래프에 있어서의 인가 개시 초기에 있어서의 전류의 적분치를 보는 것에 의해, 충전 전류의 크기, 즉 절연체의 비유전율을 파악ㆍ평가할 수 있다. 예컨대, 제 2 절연체가 절연 성능의 변화를 일으킨 제 1 절연체이면, 공정 α에 있어서의 상기 적분치와 공정 β에 있어서의 상기 적분치를 비교함으로써, 시간에 따른 절연체의 비유전율의 변화를 파악할 수 있다.
<7> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 각 절연 성능은, 상기 각 절연체의 전기 전도율이고, 상기 전기 전도율은, 상기 제 1 그래프 또는 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 각 절연체에 흐르는 리크 전류가 관여하는 부분으로서, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간 경과 후의 상기 적분치의 기울기로부터 구하는 형태를 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 리크 전류는, 절연체의 전기 전도율에 관련되는 전류로서, 절연체에 직류 전압을 인가하고 있는 동안 흐른다. 그 때문에, 리크 전류의 크기를 파악하려면, 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간 경과 후, 즉 직류 전압의 인가 개시 후에 단시간만 흐르는 충전 전류나 공간 전하 축적 전류의 영향이 거의 없다고 생각되는 시간대에, 전류의 적분치의 기울기를 보면 된다. 충전 전류나 공간 전하 축적 전류의 영향이 거의 없는 시간대에 전류의 적분치의 기울기를 보는 것에 의해, 리크 전류의 크기, 즉 절연체의 전기 전도율을 파악ㆍ평가할 수 있다. 예컨대, 제 2 절연체가 절연 성능의 변화를 일으킨 제 1 절연체이면, 공정 α에 있어서의 상기 시간대의 전류의 적분치의 기울기와, 공정 β에 있어서의 상기 시간대의 전류의 적분치의 기울기를 비교함으로써, 시간에 따른 절연체의 전기 전도율의 변화를 파악할 수 있다. 여기서, 절연체의 전기 전도율의 역수는, 절연체의 체적 저항률이고, 전기 전도율을 알 수 있으면, 체적 저항률도 계산으로 구할 수 있다.
<8> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 각 절연 성능은, 상기 각 절연체의 내부의 방전 공극의 존재 상태이고, 상기 방전 공극의 존재 상태는, 상기 제 1 그래프 또는 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 각 절연체에 흐르는 부분 방전 전류가 관여하는 부분을 특정함으로써 구하는 형태를 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 부분 방전 전류는, 절연체의 내부의 방전 공극에 부분 방전이 발생함으로써 생기는 전류로서, 절연체에 직류 전압을 인가하고 있는 동안 랜덤으로 흐른다. 그 때문에, 부분 방전 전류의 발생을 파악하려면, 전류의 적분치의 급격한 증가(적분치의 계단 형상의 증가)를 보면 된다. 부분 방전 전류의 크기나 빈도를 보는 것에 의해, 절연체의 내부의 방전 공극의 존재 상태(양이나 크기)를 파악ㆍ평가할 수 있다. 예컨대, 제 2 절연체가 절연 성능의 변화를 일으킨 제 1 절연체이면, 공정 α에 있어서의 부분 방전 전류의 발생 빈도나 크기와, 공정 β에 있어서의 부분 방전 전류의 발생 빈도나 크기를 비교함으로써, 시간에 따른 절연체의 방전 공극의 형성 상태를 파악할 수 있다.
<9> 상기 그래프에 있어서의 부분 방전 전류가 관여하는 부분을 특정하는 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 공정 α 및 상기 공정 β에 있어서, 부분 방전 시에 발생하는 고주파 펄스를 검지하는 센서에 의해 부분 방전의 발생의 타이밍을 검지하고, 상기 제 1 그래프 및 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 부분 방전 전류를 특정하는 형태를 들 수 있다.
부분 방전 시, 절연체에는 고주파의 전류가 흐른다. 이 고주파의 전류의 펄스를 센서로 검지하고, 부분 방전의 발생의 타이밍을 파악함으로써, 전류의 적분치의 그래프에 있어서의 부분 방전의 발생 개소를 확실히 특정할 수 있다. 그 결과, 절연체의 내부에 형성되는 방전 공극의 존재를 보다 정확하게 추정할 수 있다.
<10> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 각 절연 성능은, 상기 각 절연체에 있어서의 공간 전하의 축적 거동이고, 상기 공간 전하의 축적 거동의 영향은, 상기 제 1 그래프 또는 상기 제 2 그래프에 있어서의 QA/Q0을 비교하는 것에 의해 구하는 형태를 들 수 있다.
여기서, 상기 Q0은, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간 경과 후에 상기 각 절연체에 축적되는 충전 전류가 무시할 수 있는 레벨까지 내려간 시간 T0에 있어서의 상기 적분치이고, 상기 QA는, 상기 시간 T0으로부터 소정 시간 경과 후의 시간 TA에 있어서의 상기 적분치이다.
전류의 적분치의 그래프에 있어서, 직류 전압의 인가 개시 후에 단시간만 흐르는 충전 전류의 영향이 큰 시간대로부터, 평형 상태가 되어 흐르는 리크 전류의 영향이 큰 시간대로 이행하는 과정에서, 공간 전하가 수 분 내지 수십 분이라고 하는 시간을 들여 절연체 내를 이동하면서, 절연체 내에 축적된다. 이 공간 전하 축적은, 전하가 생성되고, 이동하거나, 혹은 포획되어 축적되거나 하는 과정을 반복하고 있다. 이 반복 시간은 수 분 이상으로 긴 것이다. 공간 전하는 화학 반응의 포텐셜 에너지를 갖고 있기 때문에, 산소, 수분의 존재에 온도의 영향이 더해진 복합적인 절연 열화를 촉진한다. 그 때문에, 직류 전압의 인가에 따르는 계측은, 절연체의 절연 성능의 저하를 평가하는 중요한 요소가 된다.
상술한 바와 같이, 공간 전하 축적은, 절연체의 절연 성능의 저하를 평가하는 중요한 요소가 되기 때문에, 그 거동의 파악은 매우 중요하다. 그렇지만, 공간 전하 축적 전류가 흐르는 시간대에서는, 충전 전류는 무시할 수 있는 레벨까지 내려가 있지만, 리크 전류와 공존하는 형태가 된다. 그래서, 공간 전하 축적 전류와 리크 전류의 분리가 중요해지지만 그 방법은 이하와 같이 생각할 수 있다. 인가 초기의 충전 전류의 구간이 끝나고 공간 전하 축적 전류와 리크 전류가 존재할 수 있는 구간으로 전환될 때(시간 T0)에 있어서의 적분치 Q0과, 시간 T0으로부터 소정 시간 경과 후의 시간 TA에 있어서의 적분치 QA를 구하고, 그 비율 QA/Q0을 보는 것에 의해 공간 전하의 영향을 알 수 있다. 예컨대, 공간 전하 축적 전류의 영향이 작고, 리크 전류가 거의 흐르고 있지 않은 경우는, QA/Q0은 거의 1과 동일해진다. 한편, 공간 전하 축적 전류의 영향이 커지면, QA/Q0은 1.1~1.5의 값이 된다. 또한 리크 전류가 주성분이 되면, QA/Q0은 1.5를 넘는 값이 된다. 인가 전압에 대하여 QA/Q0을 그래프에 플롯하는 것에 의해, 공간 전하가 영향을 미치는 전압, 리크 전류가 주체가 되는 전압을 파악ㆍ평가할 수 있다.
<11> 공간 전하 축적 전류를 구하는 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 공정 α 및 상기 공정 β에 있어서, 상기 공간 전하의 축적 거동을 PEA법(Pulsed Electro-Acoustic Method; 펄스 정전 응력법)에 의해 검지하고, 상기 제 1 그래프 및 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 공간 전하의 축적 거동을 특정하는 형태를 들 수 있다.
PEA법은, 직류 전압을 인가한 절연체에 있어서의 공간 전하의 양이나 위치 정보를 얻을 수 있는 측정 방법이다. 그 때문에, 전류의 적분치의 그래프로부터 얻어진 공간 전하 축적 전류의 정보와, PEA법으로 얻어진 정보를 복합적으로 분석함으로써, 절연체의 절연 성능의 변화, 예컨대 국소적인 절연 성능의 저하 등을 상세하게 파악할 수 있다고 생각된다.
<12> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 각 절연체의 접지측에 상기 전류 적분계를 배치하여 상기 적분치를 측정하는 형태를 들 수 있다.
상기 구성은, 부분 방전 전류가 흘렀을 때의 고주파 펄스를 검지하는 장치를 전류 적분계에 함께 마련하는 경우에 적합하다.
<13> 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 일 형태로서, 상기 각 절연체의 고전압측에 상기 전류 적분계를 배치하여 상기 적분치를 측정하는 형태를 들 수 있다.
상기 구성은, 절연체에 있어서의 공간 전하의 측정 장치를 전류 적분계에 함께 마련하는 경우에 적합하다.
[본원 발명의 실시 형태의 상세]
이하, 실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법의 실시 형태를 설명한다. 또, 본원 발명은 실시 형태에 나타내어지는 구성으로 한정되는 것이 아니고, 청구의 범위에 의해 나타내어지고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것을 의도한다.
<실시 형태 1>
실시 형태 1에서는, 도 1에 나타내는 전류 적분계(1)를 이용하여, 직류 전압의 인가에 따라 절연체(9)에 흐르는 전류의 적분치를 측정하고, 절연체(9)의 절연 성능의 변화를 평가한다. 측정에 사용하는 절연체(9)는, 폴리뷰텐을 함침한 두께 0.1㎜의 크라프트지를 2매 포갠 것이다.
도 1의 전류 적분계(1)의 구성을 간단하게 설명한다. 전류 적분계(1)는, 절연체(9)를 사이에 두는 전극(2A, 2B)과, 직류 전원(3)과, 콘덴서(4)와, 앰프(5)와, 전압계(6)와, 릴레이(7)와, 고주파 커런트 트랜스(8)를 구비한다.
절연체(9)의 일면측에 설치되는 전극(2A)은, 저항과 스위치를 거쳐서 직류 전원(3)에 연결되는 고전위측의 전극이다. 한편, 전극(2B)은, 절연체(9)에 있어서의 전극(2A)과는 반대쪽의 면에 설치되는 저전위측의 전극이다. 전극(2A, 2B)은, 직경 28㎜의 원형 전극이다. 전극(2A, 2B) 사이의 거리는, 절연체(9)의 두께, 즉 0.2㎜이다.
콘덴서(4)는, 절연체(9)에 흐른 전하를 축적한다. 그 축적한 전하를 앰프(5)에서 증폭하고, 전압계(6)에서 시간이 지남에 따라 측정함으로써, 절연체(9)에 흐른 전류의 적분치를 얻을 수 있다. 콘덴서(4)의 전압을 측정함으로써 전류의 적분치를 얻을 수 있는 것은, Q=CV가 성립되기 때문이다. C(콘덴서의 정전 용량)는 기지(본 예에서는 10㎌)이고, 전압계(6)의 전압(V)을 알 수 있으면, 전하량(전류의 적분치)을 구할 수 있다.
그 외, 릴레이(7)는, 콘덴서(4)에 축적된 전하를 접지에 누출시키고, 측정 결과를 클리어하기 위한 것이다. 또한, 고주파 커런트 트랜스(8)는, 절연체(9)에서 부분 방전이 생겼을 때에 발생하는 고주파 펄스를 검지하는 센서로서 기능하는 것이다. 고주파 커런트 트랜스(8)는, 도시하지 않는 오실로스코프에 연결되어, 고주파 펄스 전류의 발생의 타이밍을 검지할 수 있다.
상술한 전류 적분계(1)를 이용하여, 소정의 인가 조건으로 직류 전압을 인가한다. 소정의 인가 조건이란, 어떠한 승압 속도(V/sec)로 직류 전압을 인가하는지, 최종적인 직류 전압(인가 전압)을 어느 정도로 하는지, 인가 전압을 어느 정도의 시간 인가하는지, 인가 정지 후에 어느 정도 시간이 경과하고 나서 접지하는지 등이다. 본 예에서는, 다음의 3개의 인가 조건으로 직류 전압을 인가했다. 도 1의 전류 적분계(1)의 스위치를 턴오프하고 직류 전압의 인가를 종료한 후에도, 접지할 때까지 적분치 Q를 측정했다.
(1) 승압 속도; 133V/sec, 최종 도달 전압; 2㎸, 인가 시간; 2㎸에 도달 후 600sec, 인가 정지 후의 유지 시간; 180sec
(2) 승압 속도; 133V/sec, 최종 도달 전압; 5㎸, 인가 시간; 5㎸에 도달 후 600sec, 인가 정지 후의 유지 시간; 180sec
(3) 승압 속도; 133V/sec, 최종 도달 전압; 8㎸, 인가 시간; 8㎸에 도달 후 600sec, 인가 정지 후의 유지 시간; 180sec
상기 3개의 인가 조건으로 직류 전압을 인가했을 때의 전류의 적분치 Q를 그래프로 한 것을 도 2에 나타낸다. 그래프의 가로축은 시간 t(sec), 세로축은 전류의 적분치 Q(쿨롬)이다. 도 2의 가는 실선은 상기 (1)의 인가 조건, 굵은 실선은 상기 (2)의 인가 조건, 점선은 상기 (3)의 인가 조건에 있어서의 전류의 적분치 Q의 측정 결과이다. 그래프는, 전류 적분의 측정 개시 후 60sec 후에 전압 인가를 개시하고, 소정의 승압 속도로 최종 도달 전압까지 승압을 행한 후, 최종 도달 전압에서 600sec 유지하고, 전압의 인가를 정지하고 180sec 더 유지하고, 마지막으로 도 1의 릴레이(7)를 단락 접지시켜 얻어진 것이다. 승압 속도, 최종 도달 전압, 전압 유지 시간, 및 인가 정지 후의 유지 시간은, 실시하는 시험의 내용에 따라 적당히 선택할 수 있다. 또한, 전압의 인가를 정지하여 절연체 및 전류 적분계를 접지할 때까지의 기간에 있어서의 적분치의 변화의 거동도, 절연체의 절연 성능의 변화를 분석하는데 있어서 중요하다고 생각되므로, 적분치의 측정은, 승압으로부터 접지까지를 망라하여 측정한다. 여기서, 전류의 적분치의 측정은, 절연체(9)를 절연유에 침지한 상태에서 행했다. 그렇게 함으로써, 부분 방전의 발생을 억제할 수 있으므로, 측정 결과에 있어서의 부분 방전 전류의 영향을 작게 할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 측정 개시 60초 후에 전압 인가를 개시하면 적분치 Q가 급격하게 상승하기 시작한다. 이 적분치 Q의 급격한 상승은, 절연체(9)와 전극(2A, 2B)을 커패시터로 간주했을 때에 흐르는 충전 전류이다. Q=CrVdc(Cr; 커패시터의 정전 용량, Vdc; 직류 전원(3)의 전압)가 성립되고, Cr=ε0×εr×S/a(ε0; 진공의 유전율, εr; 커패시터의 비유전율, S; 전극(2A, 2B)의 면적, a; 전극(2A, 2B) 사이의 거리)이다. 상기 식 중, 미지의 수치는, 커패시터의 비유전율(즉, 절연체(9)의 비유전율) εr뿐이므로, 계산에 의해 εr을 구할 수 있다. 절연체(9)의 비유전율이 증대되면, 직류 전압의 인가에 의해 절연체(9)가 유전 분극하기 쉬워지기 때문에, 절연체(9)의 절연성이 저하하고 있다고 간주할 수 있다.
또한 도 2를 보면, 적분치 Q의 급격한 상승 후, 적분치 Q의 상승이 완만해진다. 이것은, 충전 전류가 거의 흐르지 않게 되고, 절연체(9)에는 오로지 공간 전하 축적 전류 및 리크 전류가 흐르는 상태로 되었기 때문이다. 그래프에는 비선형의 변곡점이 생기므로, 절연체(9)에 충전 전류가 흐른 상태로부터, 공간 전하 축적 전류 및 리크 전류가 흐른 상태로 변화한 것은, 그래프를 관찰하면 용이하게 파악할 수 있다.
상기 공간 전하 축적 전류 및 리크 전류가 흐르는 시간대(도 2의 흰색 화살표로 나타내는 변곡점 이후의 시간대) 중, 공간 전하 축적 전류의 영향을 무시할 수 있는 시간대(도 2의 일점쇄선으로 둘러싼 시간대)에서는, 전류의 적분치 Q의 기울기로부터, 절연체(9)의 전기 전도율을 구할 수 있다. 절연체(9)의 전기 전도율은, (1/S)×(dQ/dt)×(a/Vdc)에 의해 구할 수 있다. 이 식의 S, a, Vdc는, 이미 설명한 바와 같고, dQ/dt는, 적분치 Q의 기울기이다. 전기 전도율이 높아진다고 하는 것은, 절연체(9)의 절연성이 저하하고 있다고 간주할 수 있다.
공간 전하의 축적의 영향은, 리크 전류 및 공간 전하 축적 전류가 흐르는 시간대 중, 공간 전하 축적 전류가 지배적인 시간대에 있어서의 전류의 적분치로부터 구한다. 구체적으로는, 충전 전류가 무시할 수 있는 레벨까지 내려갔을 때(시간 T0)의 적분치 Q0(도 2의 각 그래프의 흰색 화살표로 나타내는 변곡점의 위치에 있어서의 전류의 적분치), 및 Q0의 측정점으로부터 소정 시간 경과 후의 시간 TA에 있어서의 적분치 QA를 구하고, 그 비율 QA/Q0의 값으로부터 공간 전하의 축적의 정도를 추측할 수 있다. 예컨대, 리크 전류가 흐르지 않고, 공간 전하 축적이 없는 경우에는 QA/Q0은 거의 1이 되고, 공간 전하 축적 전류의 영향이 커지면 QA/Q0은 1.1~1.5 정도로 커진다. 더 인가 전압이 높고, 리크 전류가 주류가 되면 QA/Q0은 1.5를 넘어 급격하게 증대된다. 단, 이와 같은 평가는, ΔQ<QA의 범위 내에서 행해질 필요가 있다.
도 2에 있어서의 적분치 Q0과, 적분치 Q0의 측정점으로부터 300sec 경과 후의 적분치 Q300을 추출하고, 그 비 Q300/Q0을 산출한 결과를 표 1에 나타낸다. 2㎸의 인가 전압에서는 Q300/Q0은 1.20이고, 8㎸의 인가 전압에서는 Q300/Q0은 1.57로 되어 있다. 이것은, 저전압인 2㎸ 인가 시에는 공간 전하 축적 전류가 지배적이지만, 고전압인 8㎸ 인가 시에는 리크 전류가 지배적으로 되어 있는 것을 나타내고 있다고 생각된다. 이와 같이, 어느 날("A" day)에 구한 QA/Q0과, 다른 날("B" day)에 구한 QA/Q0을 비교하는 것에 의해, 공간 전하 축적의 변화를 파악할 수 있다.
[표 1]
Figure pct00001
여기서, 상기 인가 조건 (1) 내지 (3)으로 직류 전압을 인가했을 때의 전류치의 측정 결과를 도 3에 나타낸다. 도 3의 가로축은 직류 전압의 인가 개시로부터의 시간(sec), 세로축은 전류치이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 전류치가 매우 미약하기 때문에, 절연체(9)에 흐르는 전류치의 변화를 파악하는 것이 어렵고, 따라서 절연체(9)의 절연 성능을 평가할 수 없었다. 또, 도 3에 있어서의 700sec 전후에 큰 마이너스의 전류치가 계측된 것은, 직류 전압의 인가를 종료했기 때문에, 절연체(9)에 축적된 커패시터로서의 정전 용량에 알맞은 전하가, 방전 전류로서 단숨에 방출되었기 때문이다.
도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 전류의 적분치 Q의 그래프의 각 부분을 해석함으로써, 절연체(9)의 절연 성능의 변화를 평가할 수 있다. 구체적으로는, 어느 날("A" day)에 측정한 전류의 적분치 Q의 제 1 그래프와, 다른 날("B" day)에 측정한 전류의 적분치 Q의 제 2 그래프를 비교하면, 시간의 경과에 따르는 절연체(9)의 비유전율 εr의 변화, 전기 전도율의 변화를 파악할 수 있다. 참고로서, 대기 중에서 2개월 방치하여 절연체 중에 수분을 포함하게 한 절연체(9)의 측정 결과를 도 4에 나타낸다. 측정 시의 직류 전압의 인가 조건은, 도 2의 2㎸의 인가 조건 및 5㎸의 인가 조건과 동일하게 했다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 전류의 적분치 Q의 제 2 그래프는, 도 2의 제 1 그래프와 크게 상이한 것으로 되어 있고, 절연체(9)의 상태 변화가 현저한 것을 알 수 있었다. 도 4의 예에서는, 절연체(9)를 공기 중에 방치했기 때문에, 절연체(9)의 상태 변화가 심했지만, 절연체(9)의 보존 방법을 고안하거나, 측정 스팬을 짧게 하거나 함으로써, 절연체(9)의 절연 성능의 변화를 상세하게 추적할 수 있다고 생각된다. 또, 비교하는 제 1 그래프와 제 2 그래프는, 동일한 날의 상이한 시간(예컨대, 오전 9시와 오후 6시 등)에 취득한 것이더라도 상관없다. 또한, 전압 인가나 가열의 영향을 받는 전후에, 제 1 그래프와 제 2 그래프를 취득하고, 그 전압 인가나 가열에 의한 절연체의 절연 성능의 변화를 체크하더라도 상관없다.
<실시 형태 2>
실시 형태 2에서는, 도 1의 전류 적분계(1)에 있어서, 절연유(폴리뷰텐)를 함침한 절연체(9)를 공기 중에 배치한 상태에서 전류의 적분치 Q를 측정했다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 직류 전압의 인가 조건은, 실시 형태 1과 마찬가지이다.
도 5의 그래프에 나타내는 바와 같이, 전류의 적분치 Q는, 측정 개시 60sec 후의 직류 전압의 인가 개시로부터 어느 시간까지(특히 승압 중)의 사이에 상승하고, 어느 시간을 넘으면 거의 같은 레벨(일점쇄선으로 둘러싼 부분을 참조)이 되었다. 급격하게 적분치 Q가 상승하는 부분은, 충전 전류에 관여하는 부분이지만, 공기 중에서 측정하는 경우에는 여기에 부분 방전에 의한 부분 방전 전류가 반영된다고 생각된다.
실시 형태 2에서는, 절연체(9)를 공기 중에 배치한 상태에서 전류의 적분치 Q를 측정하고 있기 때문에, 해당 적분치 Q에는 부분 방전 전류가 반영되기 쉬워지고 있다. 도 6은 도 5의 제 1 그래프의 50sec로부터 150sec까지의 적분치 Q의 변화를 나타낸 것이다. 도 6에 화살표로 나타내는 바와 같이, 충전 전류의 영향이 지배적인 시간대에, 충전 전류의 증가분과는 상이한 급격한 적분치 Q의 상승을 볼 수 있다. 이 급격한 적분치 Q의 상승은, 부분 방전 전류에 의해 초래된 것이다. 급격한 적분치 Q의 상승이 부분 방전에 의한 것인 것을 특정하기 위해, 부분 방전을 동시 측정하는 것이 바람직하다. 여기서는, 도 1에 나타내는 고주파 커런트 트랜스(8)를 사용했다. 이 급격한 적분치 Q의 상승 빈도, 상승 비율을 분석하면, 절연체(9)의 내부의 방전 공극의 양ㆍ크기 등을 추정할 수 있다. 또한, "A" day의 제 1 그래프와, "B" day의 제 2 그래프를 비교함으로써, 절연체(9)에 있어서의 방전 공극의 생성 상태를 평가할 수 있다.
<실시 형태 3>
실시 형태 3에서는, 공간 전하 측정 장치를 함께 마련한 전류 적분계(10)를 도 7에 근거하여 설명한다. 도 7의 구성 중, 도 1과 동일한 구성에 대해서는, 도 1과 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
이 전류 적분계(10)에서는, 절연체(9)의 고전압측(직류 전원(3)에 연결되는 전극(2A)보다 상류측)에, 전류의 적분치 Q를 측정하는 콘덴서(4)와 앰프(5)가 배치되어 있다. 이 배치는, 상기 적분치 Q에, 후술하는 펄스 발생기(14)의 펄스 전압의 영향이 미치지 않도록 하기 위한 배치이다. 본 예의 전류 적분계(10)에서는, 앰프(5)에, AC/DC 컨버터(11)와, ZigBee 규격의 근거리 무선 통신기(12)와, 안테나(13)가 접속되어 있고, 적분치 Q의 측정 결과를 무선 송신할 수 있도록 되어 있다.
본 예의 전류 적분계(10)에서는, 콘덴서(4)와 앰프(5)보다 하류측에, 공간 전하 측정 장치가 마련되어 있다. 공간 전하 측정 장치는, 공지의 구성(예컨대, JEC-TR-61004 "펄스 정전 응력법에 의한 공간 전하 분포 측정의 교정법", IEC Technical Specification "Calibration of space charge measuring equipment based on pulsed electro-acoustic measurement principle", IEC TS 62758, 18 Sep. 2012)이다. 공간 전하 측정 장치는, 절연체(9)에 펄스 전압을 인가하는 펄스 발생기(14)와, 절연체(9)의 내부의 전하가 이동하는 것에 의해 생기는 진동을 검지하는 압전 소자(15)와, 압전 소자(15)의 측정 결과를 모니터하는 오실로스코프(16)를 구비한다.
공간 전하 측정 장치는, 절연체(9)에 있어서의 공간 전하의 생성ㆍ이동, 즉 절연체(9)에 있어서의 공간 전하의 편재를 파악하기 위한 장치이다. 공간 전하가 편재한다고 하는 것은, 절연체(9)에 어떠한 국소적인 절연 성능의 변화가 생기고 있다고 보아야 하는 것이다. 공간 전하는, 절연체(9)에 공간 전하 축적 전류를 발생시키는 요인이 되기 때문에, 전류의 적분치 Q의 결과와 함께, 공간 전하의 측정을 행함으로써, 절연체(9)의 절연 성능의 변화를 보다 상세하게 평가할 수 있다고 생각된다.
<실시 형태 4>
실시 형태 4에서는, 도 1에 나타내는 전류 적분계(1)를 이용하여, 직류 전압의 인가 시에 있어서의 3개의 절연 재료의 절연 성능의 평가를 행했다.
《저밀도 폴리에틸렌》
첫 번째의 절연 재료는, 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene : LDPE)이다. LDPE의 절연체(9)의 두께는 약 0.2㎜, 전극(2A)의 직경은 73㎜, 전극(2B)의 직경은 54㎜였다. 측정 환경은 상온이고, 절연체(9)와 전극(2A, 2B)의 계면에는 기름의 도포를 행하지 않았다.
인가 조건은, 최종 도달 전압이 상이한 다음의 8개로 했다. 최종 도달 전압 이외의 조건은, 승압 속도; 133V/sec, 인가 시간; 최종 도달 전압에 도달 후 600sec, 인가 정지 후의 유지 시간; 300sec로, 공통이었다. 각 인가 조건에 있어서의 전류의 적분치 Q를 그래프로 한 것을 도 8에 나타낸다. 가로축은 시간 t(sec), 세로축은 전류의 적분치 Q(쿨롬)이다.
(1) 0.5㎸(매우 굵은 파선)
(2) 1㎸(굵은 실선)
(3) 2㎸(굵은 점선)
(4) 4㎸(굵은 파선)
(5) 7㎸(가는 실선)
(6) 10㎸(가는 점선)
(7) 15㎸(가는 파선)
(8) 20㎸(매우 굵은 실선)
여기서, 실시 형태 1에서 이미 설명한 바와 같이, 절연체(9)에 흐르는 전류치가 매우 미약하기 때문에, 전류치 I를 직접 측정하는 것은 어렵다. 그러나, 전류의 적분치 Q를 시간으로 미분함으로써, 즉 특정 시간에 있어서의 전류의 적분치 Q의 그래프의 기울기를 구함으로써, 그 특정 시간에 절연체(9)에 흐르는 전류치 I를 알 수 있다. 그래서, 전류의 적분치 Q를 미분하고, 시간 t와 전류치 I의 관계를 구했다. 그 결과를 도 9의 그래프에 나타낸다. 도 9의 가로축은 시간 t(sec), 세로축은 전류치 I(암페어)이다.
또한, 전류의 적분치 Q의 결과로부터, 실시 형태 1과 마찬가지로 Q300/Q0을 구했다. 이미 설명한 바와 같이, Q300/Q0은, 절연체(9)에 있어서의 공간 전하의 축적의 정도를 추측하는 지표가 된다. 가로축을 전계 E(㎸/㎜), 세로축을 Q300/Q0의 값으로 한 그래프를 도 10에 나타낸다. 여기서, 전계 E는, 인가 전압을 절연체(9)의 두께로 나눈 것이고, 예컨대 20㎸의 인가 전압이면, 절연체(9)의 두께가 약 0.2㎜이므로, 전계는 100㎸/㎜가 된다.
《고밀도 폴리에틸렌》
두 번째의 절연 재료는, 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene : HDPE)이다. HDPE의 절연체(9)에 대하여, LDPE의 절연체(9)와 마찬가지로 하여, 전류의 적분치 Q, 전류치 I, 및 Q300/Q0을 구했다. 전류의 적분치 Q의 결과를 도 11에, 전류치 I의 결과를 도 12에, Q300/Q0의 결과를 도 13에 나타낸다.
《폴리스티렌》
세 번째의 절연 재료는, 폴리스티렌(polystyrene : PS)이다. PS의 절연체(9)에 대하여, LDPE의 절연체(9)와 마찬가지로 하여, 전류의 적분치 Q, 전류치 I, 및 Q300/Q0을 구했다. 전류의 적분치 Q의 결과를 도 14에, 전류치 I의 결과를 도 15에, Q300/Q0의 결과를 도 16에 나타낸다.
《평가》
전류의 적분치 Q와 관련되는 도 8, 11, 14를 비교함으로써, 최종 도달 전압이 2㎸ 이하 정도라고 하는 낮은 값인 동안에는, 각 소재에 있어서의 전하의 축적량(전류의 적분치 Q)에 그다지 차이는 없지만, 인가 전압이 높아질수록, LDPE의 전하의 축적량이 HDPE 및 PS에 비하여 대폭 커지는 것을 알 수 있었다. 특히, 측정 개시 10초 전후로부터 600초 전후까지의 공간 전하 축적 전류와 리크 전류가 지배적인 시간에, LDPE의 전하의 축적량은 10-5 레벨로 상승하는데 비하여, HDPE 및 PS의 전하의 축적량은 10-6 레벨에 머물고 있다.
또한, Q300/Q0과 관련되는 도 10, 13, 16을 비교하면, HDPE(도 13) 및 PS(도 16)의 Q300/Q0이 1.0 전후로 안정되어 있는데 비하여, LDPE(도 10)의 Q300/Q0은 전계 E의 상승에 따라 커지고 있었다. 특히, 도 10에 나타내는 바와 같이, 전계 E가 35㎸/㎜(인가 전압 7㎸)를 넘으면, LDPE의 Q300/Q0이 1.5를 넘고 있고, LDPE의 리크 전류의 상승이 현저해지는 것을 알 수 있었다. 리크 전류가 커진다고 하는 것은, LDPE의 전기 전도율이 높아져 버리고 있는 것을 나타낸다. 이상의 결과로부터, 인가 전압을 높게 하는 경우(예컨대, 5㎸ 이상), LDPE보다 HDPE 및 PS가, 절연체로서 바람직하다고 추측된다.
다음으로, 전류치 I와 관련되는 도 9, 12, 15를 비교함으로써, 전하의 축적 시에 있어서의 전류의 편차를 알 수 있다. 도 9를 보면, LDPE에서는, LDPE에 흐르는 전류가 클 뿐만 아니라, 시간에 따른 전류의 변화가 심한 것을 알 수 있다. 또한, 도 12, 15를 비교하면, HDPE(도 12)와 PS(도 15)에서 전류치 I에도, 그 시간에 따른 전류의 변화에도 거의 차이는 볼 수 없었다.
<실시 형태 5>
실시 형태 5에서는, 실시 형태 4와는 상이한 측정 온도에서 실시 형태 4의 3개의 절연 재료에 대하여 적분치 Q를 측정하고, 실시 형태 4의 측정 결과와 비교를 행했다.
측정 온도가 80℃인 것 이외에, 실시 형태 4와 마찬가지로 하여 전류의 적분치 Q, 전류치 I, 및 Q300/Q0을 구했다.
LDPE의 적분치 Q, 전류치 I, 및 Q300/Q0을 각각, 도 17, 18, 19에 나타낸다.
HDPE의 적분치 Q, 전류치 I, 및 Q300/Q0을 각각, 도 20, 21, 22에 나타낸다.
PS의 적분치 Q, 전류치 I, 및 Q300/Q0을 각각, 도 23, 24, 25에 나타낸다.
LDPE와 관련되는 도 8(도 10)과 도 17(도 19)의 비교, HDPE와 관련되는 도 11(도 13)과 도 20(도 22)의 비교, 및 PS와 관련되는 도 14(도 16)와 도 23(도 25)의 비교에 의해, 80℃의 고온 환경 하에서도 양호한 절연 성능을 발휘하는 것은, PS(도 23, 25)인 것을 알 수 있었다.
또한, 전류치 I와 관련되는 도 18, 21, 24를 비교함으로써, 80℃의 고온 환경 하에서는, LDPE(도 18)와 HDPE(도 21)는 모두, 전류치 I도 그 변화도 큰 것에 비하여, PS(도 24)는, 전류치 I도, 그 변화도 작은 것을 알 수 있었다.
<용도>
실시 형태와 관련되는 절연체의 절연 성능의 평가 방법은, 시간에 따른 절연체의 절연 성능의 변화를 평가하는 것에 적합하게 이용할 수 있다. 장래적으로는, 실시 형태의 절연체의 절연 성능의 평가 방법은, 직류 송전을 행하는 전력 케이블, 예컨대 초전도 케이블의 절연층의 열화 진단이나, 유침 절연 케이블의 절연층(절연체)의 열화 진단, 고체 절연 케이블의 고체 절연체의 열화 진단에 이용할 수 있다고 기대된다. 또한, 전력 케이블 이외의 직류 전압을 인가하여 사용하는 전기 기기, 예컨대 커패시터나 전지 등에 구비되는 절연체의 열화 진단에도 이용할 수 있다고 기대된다. 또한, 교류에서 사용되는 전기 기기이더라도, 그 전기 기기에 구비되는 절연체 상태 변화, 예컨대 물 트리 열화나 고온, 방사선 조사에 의한 절연체의 열화 등이, 본 발명의 감시 방법으로 파악될 수 있는 것이면, 교류에서의 절연체의 상태 변화의 추적 수법으로서 본 발명의 감시 방법을 이용하는 방법이 있다고 생각된다.
1, 10 : 전류 적분계
2A, 2B : 전극
3 : 직류 전원
4 : 콘덴서
5 : 앰프
6 : 전압계
7 : 릴레이
8 : 고주파 커런트 트랜스
9 : 절연체
11 : AC/DC 컨버터
12 : 근거리 무선 통신기
13 : 안테나
14 : 펄스 발생기
15 : 압전 소자
16 : 오실로스코프

Claims (13)

  1. 제 1 절연체에 소정의 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 1 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 α와,
    제 2 절연체에, 상기 공정 α와 동일한 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 2 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 β와,
    상기 공정 α에서 얻어진 경과 시간과 상기 적분치의 관계를 나타내는 제 1 그래프와, 상기 공정 β에서 얻어진 경과 시간과 상기 적분치의 관계를 나타내는 제 2 그래프를 비교함으로써, 상기 직류 전압의 인가에 따르는 상기 제 1 절연체의 절연 성능과 상기 제 2 절연체의 절연 성능의 차이를 평가하는 공정 γ
    를 구비하고,
    상기 각 적분치는, 상기 각 절연체에 직렬로 접속되는 커패시터와 상기 커패시터에 걸리는 전압을 측정하는 전압계를 구비하고, 상기 전압계의 측정 결과에 근거하여 상기 각 적분치를 측정하는 전류 적분계에 의해 구하고,
    상기 인가 조건은, 전압을 0㎸로부터 소정의 최종 도달 전압까지 승압하는 승압 조작과, 상기 최종 도달 전압에서 일정 시간 유지하는 전압 유지 조작과, 전압의 인가를 정지하여 상기 커패시터의 방전을 행하는 방전 조작과, 상기 커패시터를 접지하는 접지 조작을 포함하는
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 절연체는, 절연 성능의 변화를 일으킨 상기 제 1 절연체이고,
    상기 공정 α와 상기 공정 β에 있어서의 측정 환경의 조건이 동일한
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 절연체는, 상기 제 1 절연체와는 상이한 재료로 구성되고,
    상기 공정 α와 상기 공정 β에 있어서의 측정 환경의 조건이 동일한
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 절연체는, 상기 제 1 절연체와 동일한 재료로 구성되고,
    상기 공정 α와 상기 공정 β에 있어서의 측정 환경의 조건이 상이한
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 절연체에, 상기 공정 α와는 상기 최종 도달 전압만이 상이한 인가 조건으로 직류 전압을 인가하여, 그 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 1 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 δ와,
    상기 제 2 절연체에, 상기 공정 δ와 동일한 인가 조건으로 직류 전압을 인가하고, 그 직류 전압의 인가 개시로부터 인가 종료 후 소정 시간 경과까지 상기 제 2 절연체에 흐르는 전류의 적분치를 측정하는 공정 ε
    을 구비하고,
    상기 공정 γ에 있어서, 상기 공정 δ와 상기 공정 ε의 측정 결과를 포함시켜 상기 제 1 절연체의 절연 성능과 상기 제 2 절연체의 절연 성능의 차이를 평가하는
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 절연 성능은, 상기 각 절연체의 비유전율이고,
    상기 비유전율은, 상기 제 1 그래프 또는 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 각 절연체에 축적되는 충전 전류가 관여하는 부분으로서, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간까지의 부분의 상기 적분치로부터 구하는
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 절연 성능은, 상기 각 절연체의 전기 전도율이고,
    상기 전기 전도율은, 상기 제 1 그래프 또는 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 각 절연체에 흐르는 리크 전류가 관여하는 부분으로서, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간 경과 후의 상기 적분치의 기울기로부터 구하는
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 절연 성능은, 상기 각 절연체의 내부의 방전 공극의 존재 상태이고,
    상기 방전 공극의 존재 상태는, 상기 제 1 그래프 또는 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 각 절연체에 흐르는 부분 방전 전류가 관여하는 부분을 특정함으로써 구하는
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공정 α 및 상기 공정 β에 있어서, 부분 방전 시에 발생하는 고주파 펄스를 검지하는 센서에 의해 부분 방전의 발생의 타이밍을 검지하고, 상기 제 1 그래프 및 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 부분 방전 전류를 특정하는 절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 절연 성능은, 상기 각 절연체에 있어서의 공간 전하의 축적 거동이고,
    상기 공간 전하의 축적 거동의 영향은, 상기 제 1 그래프 또는 상기 제 2 그래프에 있어서의 QA/Q0을 비교하는 것에 의해 구하는
    절연체의 절연 성능의 평가 방법.
    여기서, 상기 Q0은, 상기 직류 전압의 인가 개시로부터 소정 시간 경과 후에 상기 각 절연체에 축적되는 충전 전류가 무시할 수 있는 레벨까지 내려간 시간 T0에 있어서의 상기 적분치이고, 상기 QA는, 상기 시간 T0으로부터 소정 시간 경과 후의 시간 TA에 있어서의 상기 적분치이다.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공정 α 및 상기 공정 β에 있어서, 상기 공간 전하의 축적 거동을 PEA법에 의해 검지하고, 상기 제 1 그래프 및 상기 제 2 그래프에 있어서의 상기 공간 전하의 축적 거동을 특정하는 절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 절연체의 접지측에 상기 전류 적분계를 배치하여 상기 적분치를 측정하는 절연체의 절연 성능의 평가 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 절연체의 고전압측에 상기 전류 적분계를 배치하여 상기 적분치를 측정하는 절연체의 절연 성능의 평가 방법.
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