Charg

e den

sity

(z) [C/m

3]

0-1

00

100

Positio

n z [

m]

126

0

0 30 Time t [min]

60

205

90

Break

dow

n

189

30 kV/mm60 kV/mm

90 kV/mm120 kV/mm

Hetero-charge

Homo-charge

Kap

ton

Anode SC

Chathode Al

φWM

VL

SC Al

φWM

VL

PE 　5×C24H50

EFS

Δφ(Al,0)

φBe(Al,0)

φBh(Al,0)φBh(SC,0)

(b) Short circiut

Δφ(SC,0)

φBe(SC,0)

ΔＥＦ(Al/S)ΔＥＦ(SC/S)

Zc=3.7Å Zc=3.7Å

0.5φg

0.5φg

HVDC-Q(t)

　ＣINT

PCQ(t)

ZigbeeRecieverI(t)

Q(t)

Vdc

Terminal 2 Terminal 1

Test sample of coaxial cable

Insulation layer

R

Polymer sheath

High voltage power source

EM wave

電荷蓄積の計測 と 量子化学計算による解析

高田達雄 takada@a03.itscom.net 東京都市大学 名誉教授

Part 1 電荷蓄積の Q(t) 計測

Part 2 電荷蓄積分布のρ (t) 計測 Part ３ 蓄積電荷の量子化学計算による解析

Part 1 電荷蓄積の Q(t) 計測

＜低電圧側 Q(t)計測システム＞ ＜高電圧側 Q(t)計測システム＞

電流積分電荷 Q(t)データ

Q(t) 測定結果 (芳香族高分子は電界印加による電荷蓄積が困難)

Q(t) 測定結果 (オレフィン系高分子は電界印加による電荷蓄積は容易)

ケーブルの水トリー劣化診断のQ(t) 計測システム

Q(t) Meterを高電圧側に設置

電荷蓄積の評価

未劣化 CVケーブル

電荷蓄積は認められない →未劣化と判定

電荷蓄積が認められる →劣化進行と判定

水トリー劣化 CVケーブル

放射線劣化のケーブル診断

Q(t) 計測システム

放射線照射により電子・正孔対の生成 → 電圧印加によりヘテロ電荷を蓄積 → 時間経過＋熱 により電子・正孔対 は再結合子し、特性は回復

Q(t) Meterを高電圧側に設置

直流絶縁材料の電気特性の評価法の比較

I(t) 測定法 Q(t) 計測法 PEA法 E(0,t)とE(a,t)計測法

20 kV/mm 40 kV/mm 60 kV/mm 80 kV/mm 100 kV/mm

5 11 17 23 29 30

Electric field E [kV/mm]5 min 1 min

Time t [min]

02

10

Po

sition

x [µm

]

-50

0

50

0 210

Char

ge D

ensi

ty

(x)

[C

/m3]

Position x [m]

20 kV/mm 40 kV/mm 60 kV/mm 80 kV/mm

100 kV/mm short 20 kV/mm short 40 kV/mm

short 60 kV/mm short 80 kV/mm short 100 kV/mm

-100

0

-50

-1500 210Position x [m]

Ele

ctr

ic F

ield

E(x

) [k

v/m

m]

20 kV/mm 40 kV/mm 60 kV/mm 80 kV/mm

100 kV/mm

-100

-50

0

50

100

0 208

Char

ge D

ensi

ty

(x)

[C

/m3]

Position x [m]

20 kV/mm 40 kV/mm 60 kV/mm 80 kV/mm

100 kV/mm short 20 kV/mm short 40 kV/mm

short 60 kV/mm short 80 kV/mm short 100 kV/mm

Time t [min]

20 kV/mm 40 kV/mm 60 kV/mm 80 kV/mm 100 kV/mm

02

10

Positio

n x [µ

m]

5 11 17 23 29 30

5 min 1 min Electric field E [kV/mm]

-100

-50

0

0 208Position x [m]

Ele

ctri

c F

ield

E(x

) [k

v/m

m]

20 kV/mm 40 kV/mm 60 kV/mm 80 kV/mm

100 kV/mm

Application electric field E [kV/mm]

20

1.0

2.0

3.0

0

Ele

ctri

c C

ha

rge

Rat

io

Q(t

=3

00s)

/Q

0

Ｖdc

Q(t=300s) /Q0 ＝1

40 60 10080

LDPE4.0

0

電荷分布 ρ(x,t) 電界分布 E(x,t)

ρ(x,t) /カラー表示

Application electric field E [kV/mm]

20

1.0

2.0

3.0

0E

lect

ric

Ch

arg

e R

atio

Q

(t=

300

s) /

Q0

Ｖdc

Q(t=300s) /Q0 ＝1

40 60 10080

PS

PS (polyethylene) は電界印加による電荷蓄積困難

LDPE (低密度ポリエチレ) は電界印加による電荷蓄積容易

＜PEA 法＞

ρ(x,t) /カラー表示

＜Q(t) 計測＞ Q(t) 計測・PEA法とも 同じ電荷蓄積特性

直流絶縁材料・電気特性の評価法 計測の対象・範囲の比較

Q(t)計測対象の ・電界範囲： 1.0～500kV/mm ・温度範囲： 室温～200℃

Q(t)計測法の計測対象

Part 2 電荷蓄積分布のρ (t) 計測

Ch

arge d

ensity

(z) [C

/m3]

0-1

00

10

0

Po

sition

z [m

]1

26

0

0 30 Time t [min]60 20590B

reakd

ow

n189

30 kV/mm60 kV/mm

90 kV/mm120 kV/mm

ホモ電荷

ポリイミド/Kapton-H

陰極

陽極

0

E(ｚ)

-V0/a

0 a

0

0

ρ(ｚ)

E(ｚ)

陰極

陽極

z

-V0/a

+ρ(ｚ)

+ρ(ｚ)

-ρ(ｚ)

-ρ(ｚ)

ヘテロ電荷

電界強調 電界強調

0 a

0

ρ(ｚ)

VDC

陰極

陽極

z

+ρ(ｚ)

+ρ(ｚ)

-ρ(ｚ)

-ρ(ｚ)

ホモ電荷

0

E(ｚ)

-V0/a電界一様

0 a

0

ρ(ｚ)

絶縁体

陰極

陽極

z

ρ(ｚ)=0

絶縁体 絶縁体

ρ(ｚ)=0

ε=一定

VDC

-σ(0) +σ(a)+σ(a)-σ(0)

-σ(0)

+σ(a)

-σ(0)

+σ(a)

ホモ電荷 ヘテロ電荷

J(t)=κ(z,t) E(z,t) J(t)=κ(z,t) E(z,t)

-σ(0)

+σ(a)

JVDC

(b) ホモ電荷の形成 (c) ヘテロ電荷の形成（a） 空間電荷の形成前

ヘテロ電荷

Ａ 直流絶縁の課題

・空間電荷蓄積による

内部電界歪みが

絶縁破壊を誘導

・空間電荷蓄積は

複合絶縁劣化を誘発

Ch

arge d

ensity

(z) [C

/m3]

0-1

00

10

0

Po

sition

z [m

]1

26

0

0 30 Time t [min]

60

20

5

90

Break

do

wn

18

930 kV/mm

60 kV/mm90 kV/mm

120 kV/mm

Hetero-charge

Homo-charge

Kap

ton

Anode SC

Chathode Al

Rｍ

接地電極

高電圧電極

試料

電極PVDF

Rdc

Csa

Pulse Generator１０００V５nsec

Pre-Amplifier

DC Power Supply for amp

Digital Oscilloscope

High Voltage Amplifier±２０ｋV/±２０V

PC/Labview Soft

GP-IB Controller

D/A Convertor

Contr

ol C

om

man

d

Data

Trigger

**

電荷蓄積分布の計測

ＰＥＡ: Pulsed Electro-Acoustic method PWP: Pressure Wave Propagation method Ying Li and T. takada, “Progress in Space Charge Measurement of Solid Insulating Materials in Japan, ”IEEE Electrical Insulating Magazine, Vol.10, No.6, pp.16-28, September/October (1994)

電荷蓄積の空間分布の電界依存性

空間電荷分布測定 ＰＥＡ法＆ＰWP法 蓄積電荷分布 ρ(x,t) 電界分布 Ｅ(x,t)

高温ＰＥＡ装置

r

0°

90°

270°

180°

Outer

Electrode

(-)

Sig

nal

Vo

ltag

e [V

]

Induced charge

on outer electrode

Induced charge

on Inner Electrode

Insulation

wall

Inner

Electrode

(+)

①

⑤

④ ③

②

⑥

RC

High VoltageAmplifier r

PulseGenelator

InsulationWall

InnerElectrode

Transducer(PVDF,52 m)

Contact line for measuring position

Sample Cable

DigitalOscilloscope

AmplifierShield Box

ケーブルの空間電荷分布測定装置 ＰＥＡ法

ケーブル断面(r,θ )空間電荷分布の測定装置

空間電荷の断面分布の測定結果

Part ３ 蓄積電荷の量子化学計算による解析

・電荷蓄積を評価する「計測技術」 ・再生可能エネルギー導入に必要な 「直流誘電・絶縁材料の評価と解析」 ・電気自動車の普及を支える 「電子デバイスの直流誘電・絶縁材料の 評価と解析」 ・エレクトレット/分極/電荷蓄積の 特性評価と解析

＜量子化学計算＞

誘電体絶縁の物性の基本量を計算　・エネルギーギャップ　φｇ　・電極電荷注入障壁　φB　・電荷トラップ深さ　　　φｔ

＜Q(t)特性＞

絶縁評価基本量を同時計測　・電荷蓄積 ΔQ(t)/Q0　・導電率κ[S/m]　・誘電率εr

Q(t)=Q0+ΔQ(t)特性ΔQ(t)/Q0を評価　・電界依存性　・温度依存性　・時間依存性

　・高温-PEA計測　　　蓄積電荷密度ρ(x,t,T) [C/m3]

＜電荷蓄積メカニズムの解析＞　・電極電荷注入　　　　　　　 律則型　・バルク電荷移動　　　　　　 律則型　・ギャップ間励起電荷生成　律則型

＜絶縁劣化メカニズムの解析＞　・電荷蓄積と分子内エネルギー

　　準位の不整の観察

　・電荷キャリアの電界加速が分子切断

Electron energy [eV]

-4

-2

-8

-6

-10

-12

+4

+2

PE (C24H50) PTFE (C24F50)

HOMO

LUMO

LUMO

HOMO

φg=9.99eV

φi=7.60eV

χ(=-2.39eV)＜0

φg=7.96eV

φi=10.46eV

0

χ(=+2.50eV)＞0

VL

2.52.1

Hydrogen H (positively charged)

Carbon C (negatively charged)

C H

PE

electron movement

Ele

ctronegativity

Fluorine F (negatively charged)

Carbon C (positively charged)

Ele

ctro

negativity

2.5

4.0

C F

PTFE

electron movement

量子化学計算から誘電・絶縁材料の基本電子物性を計算

ＰＥの分子軌道 ＰTFＥの分子軌道

分子鎖の3次元静電気 ポテンシュアル分布

電子エネルギー準位

　

LUMO -3.65 eV

HOMO - 6.14 eV

HOMO -6.14 eV

Ele

ctr

on e

nerg

y [e

V]

-4

-2

0

2

PI Kapton(n=3)

OC

O

NC

O

-8

-6

-10

Ele

ctro

n e

nergy [e

V]

-4

-2

0

2

-8

-6

-10

HOMO

LUMO

φg=2.49eV

LUMO

HOMO

AA ABBB

electron trap

hole trap

C

O

NC

O

H OC

O

NC

O

C

O

NC

O

OC

O

NC

O

C

O

NC

O

H

electron at LUMO

hole at HOMO

3D potential mapping

pote

ntial [V

]

　　

　　　　　　　＋1.0 V

（1.44 nm = 36 point）　　　　　　　＋0.5 V

（2.88 nm = 72 point）

3D potential mapping

（1.44 nm = 36 point）

　　　　 -1.0 V

（2.88 nm = 72 point）

-0.5 V

電荷蓄積の解析 負帯電のトラップと静電気ポテンシャル

正帯電のトラップと静電気ポテンシャル

・分子鎖に沿った電子の エネルギー準位分布の解析 → ・電子と正孔の分子構造の トラップ・サイトを推定 → ・負帯電/正帯電分子の 静電気ポテンシャル分布を 量子化学計算より描画 → ・ポテンシャル分布の中心位置と 推定トラップ・サイトが一致

古典論 ＋ 量子論 により 電荷蓄積の分子内モデルを推定 電荷蓄積の測定結果を評価できる

量子化学計算は電荷蓄積評価に有用

0

20

Tim

en t

[m

im]

0 100

LDPE +120 kV/mm

Position z [mm]

Cat

hode

Al

Anode

SC

+HV

φWM

VL

SC Al

φWM

VL

PE 　5×C24H50

EFS

Δφ(Al,0)

φBe(Al,0)

φBh(Al,0)φBh(SC,0)

(b) Short circiut

Δφ(SC,0)

φBe(SC,0)

ΔＥＦ(Al/S)ΔＥＦ(SC/S)

Zc=3.7Å Zc=3.7Å

0.5φg

0.5φg

電荷蓄積の解析 ・ポリエチレンに高電界を印加 電荷蓄積分布を PEA法で測定 → ・なぜ、陽極から正電荷(正孔)が 注入されるか → ・量子化学計算よりキャルアの 注入障壁を算出 → ・陽極からの正孔注入障壁が低い →

PEA測定結果を説明できる

計測技術 ＋ 量子論

を理解し、問題解決と技術開発できる人材育成

著書の紹介 発行：電気学会 ISBN978-4-88686-277-8-c3055 ¥1500E

高電圧＆誘電・絶縁材料の分野の研究者＆技術者 ＜定量的考察ができること＞

古典論 ＋計測技術＋ 量子論 を理解できる人材育成が重要

空間電荷蓄積 の計測技術

固体誘電体/PEAデータと解析

テキスト： 空間電荷蓄積の計測技術、PEA測定データ、 量子化学計算による解析

液体誘電体 表面沿面放電

HP Q(t)_PEA Japanese 1.pdfスライド番号 1スライド番号 2スライド番号 3スライド番号 4スライド番号 5スライド番号 6スライド番号 7スライド番号 8スライド番号 9スライド番号 10スライド番号 11スライド番号 12スライド番号 13スライド番号 14