交流損失電流波形計測による
新しい屋外絶縁劣化診断法の開発
（０８６５０３５６）
平成８年度〜平成１０年度科学研究費補助金（基盤研究（Ｃ）（２））
研究成果報告書
平成１１年３月
研究代表者 所 哲郎
（岐阜工業高等専門学校 電気工学科 助教授）
平成８年度〜平成１０年度科学研究費補助金（基盤研究（Ｃ）（２））
研究成果報告書
はしがき
本報告書は平成８年度〜平成１０年度科学研究費補助金（基盤研究（Ｃ）（２））の援助により遂行された研究成果をとりまとめたものである。なお、本研究の基礎となった従来までの研究成果や、本研究の成果を実際に利用した研究成果についても一部掲載することにより、報告書の充実と利用価値の向上に努めた。
研究組織
研究代表者 所 哲郎（岐阜工業高等専門学校 電気工学科 助教授）
研究経費
平成 ８年度 １，７００ 千円
平成 ９年度 ３００ 千円
平成１０年度 ３００ 千円
研究発表
（１）学会誌等
1. M.Nagao, M.Kosaki, K.Tohyama and T.Tokoro, "High-field Dissipation Current Waveform in e-beam Irradiated XLPE Film at High Temperature", IEEE Trans. on Dielectric and E.I.・vol.3・pp.375-379・1996.
2. T.Tokoro and R. Hackam, "Recovery of Hydrophobicity of Nylon Aged by Heat and Saline Water", Conf. Record of ISEI, pp.283-286・1996.
3. K.Tohyama, T.Tokoro, M.Nagao and M.Kosaki, "High Field AC Dissipation Current Waveform of Polypropylene Film under AC Ramp Voltage Application", Proc. of AICDEI, pp.41-44・1996.
4. 遠山和之･所 哲郎・光本真一・長尾雅行・小崎正光、「電子線照射架橋ポリエチレンフィルムの高電界誘電特性に及ぼす照射条件の影響」、第28回電気絶縁材料シンポジウム予稿集・pp.11-14・1996.
5. 所 哲郎・R. Hackam、「塩水浸によるシリコンゴム碍子の撥水性の低下に関する研究」、第28回電気絶縁材料シンポジウム予稿集、pp.43-46・1996. （本報告書のｐ．７−１０に掲載）
6. T.Tokoro and R. Hackam, "Effect of Water Salinity and Temperature on the Hydrophobicity of Ethylene Propylene Diene Monomer Insulator", Annual Report of CEIDP・pp.424-427・1996. （本報告書のｐ．１１−１４に掲載）
7. K.Tohyama, T.Tokoro, M.Nagao and M.Kosaki, "Study of High-field AC Conduction Mechanism of Electron Beam Irradiated Crosslinked Polyethylene Film", Annual Report of CEIDP・pp.16-19・1996.
8. 遠山和之・所 哲郎・長尾雅行・小崎正光、「電子線照射架橋ポリエチレンフィルムの交流ランプ電圧印加時の高電界交流損失電流の過渡応答」、電気学会論文誌Ａ１１６巻１２号、pp.1101-1106・1996.
9. K.Tohyama, T.Tokoro, S.Mitsumoto, M.Nagao and M.Kosaki, "Influence of Crosslinking Condition on High-Field Dielectric Property of Electron Beam Irradiated Crosslinked Polyethylene Film", 5th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials (ICPADM-97) 01P04, Seoul Korea, May 25-30, pp.70-73・1997.
10. T.Tokoro and R.Hackam, "Recovery of Hydrophobicity of Ethylene Propylene Diene Monomer Aged by Heat and Saline Water", 5th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials (ICPADM-97) 01P07, Seoul Korea, May 25-30, pp.82-85・1997. （本報告書のｐ．１５−１８に掲載）
11. 所 哲郎・藤井恵明、「表面誘電物性測定による新しい劣化診断方法の開発」、第29回電気絶縁材料シンポジウム、VI-3, pp.131-134・1997. （本報告書のｐ．１９−２２に掲載）
12. K.Tohyama, T.Tokoro, S.Mitsumoto, M.Nagao and M.Kosaki, "High-field Dissipation Current Waveforms in E-Beam Irradiated XLPE Film Superposed by DC Ramp Voltage", Conf.on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP'97), Oct.19-22, USA, pp.146-149・1997.
13. T.Tokoro, M.Nagao and M.Kosaki, "Effect of Water Absorption on the High-field Dielectric Property of Silicone Rubber", IEEE Int. Symp. on Electrical Insulating Materials (ISEIM'98) C3-3,Toyohashi Japan, Sep.25-28, pp.461-464・1998. （本報告書のｐ．２３−２６に掲載）
14. M.Fujii, K.Tohyama, T.Tokoro, Y.Mizuno, M.Nagao and M.Kosaki, "Development of New Electrode System for Measurement of High Field Dielectric Properties near Breakdown Field", IEEE Int. Symp. on Electrical Insulating Materials (ISEIM'98) P1-49,Toyohashi Japan, Sep.25-28, pp.313-316・1998. （本報告書のｐ．２７−３０に掲載）
15. Y.Fujii,T.Tokoro, M.Nagao and M.Kosaki, "Development of DSP Measuring System of High-field Dielectric Property of Silicone Rubber Sheets", IEEE Int. Symp. on Electrical Insulating Materials (ISEIM'98) P2-2, Toyohashi Japan, Sep.25-28, pp.603-606・1998. （本報告書のｐ．３１−３４に掲載）
16. T.Tokoro and R.Hackam, "Surface Energies, Diffusion Coefficients, Activation Energy and Loss and Recovery of Hydrophobicity of Nylon 6/6", IEEE Trans. on Dielectric and E.I. ・発表予定
（２）口頭発表
1. 遠山和之･所 哲郎・長尾雅行・小崎正光、「電子線照射架橋ポリエチレンフィルムの直流電界重畳時における高電界誘電特性」、電気学会誘電・絶縁材料研究会資料 DEI-96-127・pp.257-264・1996.
2. 所 哲郎・R.Hackam、「絶縁材料の撥水性の変化と表面自由エネルギーの関係」、電気関係学会東海支部連合大会・244・p.122・1996. （本報告書のｐ．３５上に掲載）
3. 遠山和之･所 哲郎・長尾雅行・小崎正光、「直流重畳交流電圧印加時におけるＰＰフィルムの高電界交流損失電流の過渡応答」、電気関係学会東海支部連合大会・240・p.120・1996.
4. 所 哲郎、「塩水吸収による高分子絶縁材料の撥水性低下と界面エネルギー」、電気学会研究会資料 DEI-97-39, pp.67-71・１９９７. （本報告書のｐ．３６−４０に掲載）
5. 所 哲郎・長尾雅行・小崎正光、「新電極系の誘電特性測定に及ぼす電極部直列抵抗の影響」、平成９年電気学会全国大会講演論文集 [2],310, p.2-63・1997. （本報告書のｐ．４１に掲載）
6. 遠藤道幸・長尾雅行・小崎正光・所 哲郎、「交流ランプ電圧印加時における架橋ポリエチレンフィルムの高電界誘電特性」、平成９年電気学会全国大会講演論文集 [2],308, p.2-61・1997.
7. 山本哲也・所 哲郎・長尾雅行・小崎正光、「直流重畳電圧印加時における水トリー劣化ＬＤＰＥフィルムの交流損失電流波形」、平成９年電気学会全国大会講演論文集 [2],361, p.2-127・1997.
8. 所 哲郎、「高分子電気絶縁材料の吸水量と撥水性の関係」、平成９年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集, 237・1997. （本報告書のｐ．３５下に掲載）
9. 藤井恵明・所 哲郎、「ＤＳＰを用いた高電界誘電特性解析システムの開発」、平成９年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集, 267・1997. （本報告書のｐ．４２上に掲載）
10. 遠藤道幸・所 哲郎・長尾雅行・小崎正光、「アセトフェノン塗布ＬＤＰＥフィルムの高電界交流電気伝導」、平成９年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集, 272・1997.
11. 所 哲郎・長尾雅行・小崎正光、「シリコーンゴムシートの誘電特性の測定」、平成１０年電気学会全国大会講演論文集 [2], 363・1998. （本報告書のｐ．４３に掲載）
12. 遠藤道幸・所 哲郎・長尾雅行・小崎正光、「アセトフェノン塗布ＬＤＰＥフィルムの高電界交流電気伝導（２）」、平成１０年電気学会全国大会講演論文集 [2], 355・1998.
13. 高田達雄・○所 哲郎・福永 香・市川健二・菱川 悟・穂積直裕、「界面現象の評価技術」、平成１０年電気学会全国大会講演論文集 [2], S5-6, pp.S5-21-24・1998.
14. 藤井雅之・遠山和之・所哲郎・村本裕二・長尾雅行・小崎正光、「室温高電界領域におけるBOPPフィルムの交流絶縁破壊前駆現象について」、平成10年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集, 244・1998.
15. 新宅薫・長尾雅行・所哲郎・小崎正光、「アセトフェノン塗布LDPEフィルムの高電界交流電気伝導」、平成10年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集, 246・1998.
16. 所 哲郎、「高分子電気絶縁材料の撥水性の画像解析手法の考察」、平成10年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集, 267・1998. （本報告書のｐ．４２下に掲載）
17. 藤井雅之・遠山和之・所 哲郎・村本裕二・長尾雅行・小崎正光、「交流高電界領域における高分子フィルムの損失電流波形に対する検討」、電気学会誘電・絶縁材料研究会資料, DEI-98-64, pp.1-5・1998.
18. 所 哲郎、「シリコーンがいし材料の撥水性評価と液体の界面エネルギー」、電気学会誘電・絶縁材料研究会資料, DEI-99-39, pp.105-110・1999. （本報告書のｐ．４４−４９に掲載）
19. 所 哲郎・小崎正光・長尾雅行、「シリコーンゴムの撥水性評価と液体の表面張力」、平成１１年電気学会全国大会講演論文集 [2],357, 発表予定・1999.
（３）出版物
1. 所 哲郎（分担執筆）・誘電計測へのコンピュータ応用技術，４．２ 電流波形計測処理技術・電気学会技術報告第５９３号，絶縁計測へのコンピュータ応用調査専門委員会，pp.43-46・1996. （本報告書のｐ．５０−５３に掲載）
2. 所 哲郎（分担執筆）・複合絶縁の界面現象，６．１ 物理的な界面評価法・電気学会技術報告第694号，複合絶縁の界面現象調査専門委員会，pp.51-56・1998. （本報告書のｐ．５４−５９に掲載）
本研究の研究成果は大きく４つに分けられる。１つは高分子電気絶縁材料の高電界誘電特性や撥水性に関する、理論や計測方法の調査結果などの理論および測定方法に関するもの。２つめはＦＦＴ波形解析を用いた交流損失電流波形観測による高電界誘電特性測定結果に関するものである。この測定技術に関しては、今までの科学研究費等の助成成果により、本研究室は国内外で最も進んだ環境にある。従って、研究上協力関係にある豊橋技術科学大学・長尾研究室、沼津高専・遠山研究室、大島商船高専・藤井研究室からのこの分野の測定・研究成果は、本校の設備を用いた共同研究による成果である。本測定系は今までの科学研究費の援助をふまえて、今回の科学研究費によりその更なる改良が施されている。上記の論文・研究発表名には以上の共同研究の成果も含めたが、後半の発表論文の写しの部分への記載は割愛した。３つめは、ＤＳＰを用いた高電界誘電特性観測システムの開発についてであり、従来の測定系にリアルタイムな波形解析や印加電圧制御を可能とする機能を導入したものである。４つめの成果は、カナダ国ウインザー大学・ハッカム教授の下での長期在外研究の成果と、その実績を基にした高分子電気絶縁材料の撥水性の劣化・回復過程に関係した本研究の研究成果である。
上記の研究成果別に発表論文等を分類すると下記のようになる。
［１］．高電界誘電特性と撥水性の理論および計測方法に関する論文・発表
（１）．１１，１４． （２）．２，４，５，８，１１，１３，１６，１７． （３）．１，２．
［２］．交流損失電流解析による高電界誘電特性の測定結果の論文・発表
（１）．１，３，４，７，８，９，１２，１３． （２）．１，３，６，７，１０，１２，１４，１５，１７．
［３］．ＤＳＰを用いた高電界誘電特性解析システムの開発に関する論文・発表
（１）．１１，１５．（２）．９，
［４］．表面自由エネルギーや撥水性の劣化・回復過程に関する論文・発表
（１）．２，５，６，１０，１３，１６． （２）．２，１８，１９．
また、本報告の後半に上記の論文・発表の中から、本研究の成果と、その利用に関係のある論文の写しを掲載した（掲載分には本報告でのページが記入してある）。このことにより、本報告書を本科学研究費による一連の研究を理解し、その成果を利用する上で大いに役立つものとした。掲載論文は以下の通りである。
［１］．高電界誘電特性と撥水性の理論および計測方法に関する論文・発表
（１）．１１，１４． （２）．２，４，５，８，１１，１６． （３）．１，２．
［２］．交流損失電流解析による高電界誘電特性の測定結果の論文・発表
掲載した各論文中にも適宜、測定結果の例が含まれている。
［３］．ＤＳＰを用いた高電界誘電特性解析システムの開発に関する論文・発表
（１）．１１，１５． （２）．９，
［４］．表面自由エネルギーや撥水性の劣化・回復過程に関する論文・発表
（１）．５，６，１０，１３． （２）．１８．
次ページ以降には、以上を総括した、本科学研究費による研究成果をまとめる。また、関連する情報は、インターネットの本研究室のホームページ（http://www.gifu-nct.ac.jp）からも得ることが可能である。
研究成果
［１］ はじめに
本研究は、既に北米では６０−７０％の新規導入実績を有し、今後我が国でも利用が急増すると考えられる高分子がいしなどの、屋外用高分子電気絶縁材料の初期表面劣化過程を観測・診断可能な新しい計測手法を、交流損失電流波形計測により開発しようとしたものである。本研究ではまず、交流電界下における高電界誘電特性を、直流重畳時も含めて観測可能な交流損失電流計測システムを構築した。本システムにより、従来のフィルム状試料に比べて厚いシート状試料の体積（厚さ）方向と表面方向の誘電特性（交流損失電流）の計測を試みた。また、屋外絶縁劣化診断法の一つである誘電性試料の撥水性について、試料の接触角の測定と表面自由エネルギーの評価を試みた。次に、ＤＳＰを用いた高電界誘電特性計測システムを改良し、シート状試料の高電界誘電特性を正確に測定可能とする手法を確立した。さらに、初期表面劣化と対応する撥水性の画像解析手法や、その表面全体の定量的な計測方法、それらと誘電特性の関係について検討し、交流損失電流波形計測を用いた新しい屋外絶縁劣化診断法の開発を進めた。
［２］ 交流損失電流波形計測システム
交流損失電流波形計測システムについては、次のことを実施した。
１．直流重畳交流ランプ波形・周波数スイープ波形などの任意信号波形作成部の改良
２．設備費で購入した、上記信号の実使用電界までの電力増幅部の開発
３．ＤＳＰを用いたＦＦＴ波形解析系を含む波形の解析・出力制御部の開発
４．計測システム全体をコントロールする制御プログラムの開発
５．計測結果を処理する表計算ファイルやプログラムなどの開発
６．試料の体積方向と表面方向の交流漏れ電流を測定する手法の開発
７．インターネットを用いた上記プログラムのサポート態勢の開発
８．電気学会の調査専門委員会に参加し交流損失電流波形計測に関する技術報告の作成
特に、ＤＳＰを用いた交流損失電流波形計測システムに対しては、次のことを可能とした。
１．ＤＳＰを用いた、任意形状の印加電圧波形のＤ／Ａ出力
２．入出力各２チャンネルデータの同時取り込み（量子化）
３．以上のデータのリアルタイムな１波形毎の波形解析
４．スペクトルデータを検出しての、異常信号観測時のリアルタイム印加電圧遮断
５．シート状試料の測定や表面方向の測定など、従来以上に微少な信号のノイズからの分離・解析に用いる時間領域データのアベレージング機能の導入
６．アベレージング機能を応用した、測定系の伝達関数のより正確な自動計測
［３］ 表面エネルギーや撥水性の解析
表面エネルギーや撥水性の解析方法に関する研究については、次のことを実施した。
１．撥水性を試料表面の接触角で観測し、測定するシステムの作成
２．撥水性を試料面全体の撥水状況で判断するＳＴＲＩ法の観測システムの作成
３．上記の画像解析手法の検討
４．水浸劣化による撥水性の低下と吸水量の関係を浸水溶液の導電率と温度をパラメータとして測定
５．上記試料の室温・空気中における乾燥に伴う撥水性と重さの回復過程を測定
６．上記測定とともに、高電界誘電特性を、試料の体積方向と表面方向で測定
７．試料の吸水を拡散と考えた、試料表面からバルク中の各層吸水量の時間変化の数値解析
８．シート状試料の電極端部での、もれ電気力線に関係した容量を、測定と電界解析により評価
９．吸水量から拡散係数、接触角から表面エネルギーを評価
１０．体積方向と表面方向の誘電特性と、上記の撥水性や吸水量、シリコーンゴム中の低分子量物質（ＬＭＷ）の溶出との対応を総合的に検討した
１１．液体の導電率（塩分濃度）の撥水性劣化への影響の測定
１２．試料の吸水・乾燥過程を拡散の観点から検討した
１３．表面エネルギーと接触角の理論的調査と測定方法を技術報告にまとめた
１４．液体の表面張力の測定と、その撥水に及ぼす影響の研究
１５．液体の表面張力への、シリコーンゴム中の低分子量物質（ＬＭＷ）の溶融の影響の測定
［４］ その他の研究成果
１．試料の塩水浸による撥水性の低下と吸水量の関係を、水浸溶液の導電率と温度をパラメータとして明らかにした。
２．上記試料の室温・空気中における乾燥に伴う撥水性の回復過程を明らかにした。
３．上記測定とともに、電気的測定として、誘電特性を表面方向と体積方向で測定し、劣化回復過程の一回目と二回目以降の誘電特性が試料の種類によっては大きく異なる可能性を示唆した。
４．以上における吸水劣化と乾燥回復過程は、撥水性に大きな影響を及ぼす試料中の低分子量物質（LMW）の、試料吸水劣化時における浸水液中への溶出により、非可逆性の履歴効果を有することを明らかとした。
５．電極配置を変化させた場合の、試料内部の電気力線を数値解析により評価した。その結果、試料内部方向（厚さ方向）の吸水分布に対する感度を持った測定は、電極間隔のみでほぼ決定され、電極形状やカバー電極の電位には無関係であることが確認できた。
６．吸水量から拡散係数、接触角から表面エネルギー、体積方向と表面方向の誘電特性と上記の数値解析結果から、バルク及び表面の誘電特性の評価を可能とした。
７．以上の測定結果と解析結果の対比により、撥水性や誘電特性のより詳細な解析が可能となる測定手法を提案した。特に、測定液の表面張力の値を変化させることを積極的に利用することは、撥水性の、従って表面劣化過程のより詳細な把握に対して極めて有効な手段であることを明らかにした。
［５］ 研究のまとめと今後の展望
以上、ＤＳＰを用いるなど、交流損失電流波形計測による高電界誘電特性解析システムの改良を行い、リアルタイム計測による絶縁劣化診断、試料の絶縁破壊を未然に防ぐ印加電圧遮断、アベレージングによる微少信号解析能力の改善などを可能とした。また、高分子がいしの表面劣化診断指標である撥水性の画像解析や測定手法についても改良し、その定量的な取り扱いを可能とするとともに、測定結果の信頼性を向上させる手法を提案した。そして、以上の電気的・物理的観測手法を総合した、絶縁材料の劣化診断システムの開発を進めた。
今後の展望・課題としては、シリコーンゴム中の低分子量成分の試料表面への移動が、撥水性や電気的特性にどの様な影響を与えるのかを測定することが可能となったので、各種シリコーンゴムなどの測定データを集積することと、その結果が絶縁材料の劣化や寿命とどの様な関係にあるのかを明らかとすることがある。また、撥水性のＳＴＲＩ画像解析手法の定量化・自動化が不十分であり、この自動計測・評価システムの開発が望まれる。これらにより、本研究の主題である新しい絶縁劣化診断法が、より実用的にも工学的な見地からも有益なものになると考えられる。
キーワード 撥水性，接触角，誘電特性，交流損失電流，ＦＦＴ波形解析，ＤＳＰ，シリコーンゴム，がいし， 界面現象，劣化診断
１．機関番号 ５３７０１
２．研究機関名 岐阜工業高等専門学校
３．研究種目名 基盤研究 （Ｃ）（２）
４．研究期間 平成８年度〜平成１０年度
５．課題番号 ０８６５０３５６
６．研究課題名 交流損失電流波形計測による新しい屋外絶縁劣化診断法の開発
７．研究代表者 研究者番号 １０１５５５２５
研究代表者名 所 哲郎
所属部局名 電気工学科
８．ホームページ http://www.gifu-nct.ac.jp/elec/tokoro
９．電子メールアドレス tokoro@gifu-nct.ac.jp