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超広帯域放電信号測定技術と電磁波発生源の可視化装置
九州工業大学 大学院工学研究院
電気電子工学研究系 電気エネルギー部門
准教授 大塚 信也
九州工業大学新技術説明会「安全・安心な情報化・エコ社会に貢献する九工大技術シーズ」
2010.12.17
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研究室紹介
大塚研究室テーマ：
「電気エネルギー機器の環境調和と高度化・新機能創出」
→電気工学的アプローチによる安心安全な社会構築
• 放電現象の電気・光学的観測による把握と解明電気エネルギー機器の絶縁診断や異常診断に関する技術開発
直流システムの放電現象と複合センサによる診断
• 新しい動作原理に基づく自己回復性ヒューズの開発と応用（メカニカルヒューズ・低温環境動作ヒューズ）
• 送電アクセサリーのコロナフリー設計技術の開発• 電磁波放射源の可視化• プリント基板におけるESD対策技術• 電界解析や光・電磁波伝搬解析(FDTD)、電磁過渡現象解析(EMTP)などの解析技術など
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技術の概要
電気エネルギー機器の高性能化•高機能化•高効率化などと共に、高信頼性化が望まれている。本技術は、機器に電気的な信頼性をもたらす技術である。
具体的には、① 放電信号のSHF帯(3GHz ～ 30
GHz)までの超広帯域高周波信号測定技術を紹介するとともに、② 電力機器の絶縁診断や静電気
放電(ESD)発生源あるいはEMC対策技術として放射電磁波源の位置標定するための可視化装置を紹介する。
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発表内容
• 技術背景• 新技術の基となる研究成果・技術:コア技術
-時間・空間分解分光測定システム- UHF法による放電電荷量の評価・校正技術-電力機器からの非接触コロナ測定例
• 本技術紹介：① SHF帯までの放電電流パルスの超広帯域高周波信号測定技術
②電磁波放射源の可視化装置
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研究背景
電力機器は重要な社会インフラの一つであり、産業用ロボットや電気自動車、スマートグリッドなどの電気駆動や制御による電気エネルギー機器の社会への大量導入と普及を迎えるにあたり、これら機器の信頼性の維持と評価は重要な課題である。
電的的な異常として絶縁劣化（放電発生）があるが、この放電発生の検出とその位置標定は、絶縁診断を行う上で根幹となる重要な技術である。一方、EMC対策の観点からも、電磁ノイズの放射源探索は重要な技術課題である。従来の電磁波放射源の位置標定技術は、放射源の方向は未知でありその位置を点で推定して、その結果を3次元の座標やアンテナからの距離を表示することが主であった。そのため、表示結果の理解や妥当性判断が困難であった。
本研究は、現在の高度に進んだ計測器を有効活用し、SHF帯（3 GHz ‒ 30 GHz）までの放電電流パルスを超広帯域高速測定し、放電現象の本質の理解をもたらす超広帯域高周波信号測定技術を紹介すると共に、絶縁異常や電磁ノイズ発生源としての放射電磁波位置を簡便に且つ確実に評価し、結果を分かり易く表示する新しい概念に基づく可視化装置を紹介する。
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技術背景
電力システムの高信頼化・高品質化・低LCC：→ 電力機器の故障（絶縁破壊）を未然に防止し、かつ寿命予測を行う（限界まで使用したい！）
→ 絶縁破壊の前駆現象である部分放電(PD)を検出し、PD信号に基づく絶縁診断を行う
・電力機器の高経年化＋電力自由化・高品質で信頼性の高い電力供給の要求と責務← 情報化社会/基盤インフラ・温暖化防止の対応：電気エネルギー化・環境対応
(高経年)電力機器の部分放電信号検出に基づく絶縁状態判定・異常診断技術の開発
環境に優しい電力機器の開発：→ 絶縁破壊現象や破壊メカニズムの把握・解明必要
PD現象の計測・解析技術
+電気エネルギー機器の導入促進と普及
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絶縁診断技術（部分放電試験法）の国際規格化の動き: UHF法
• 現在）部分放電試験法- IEC60270“High voltage test techniques, Partial discharge measurements”,
- JEC0401 「部分放電測定法」• 策定中）UHF法 (300MHz-3GHz)
- IEC TC42 WG14 “Non-conventional PD measurements (UHF+AE)” IEC62478
- CIGRE D1.33 “Guidelines for unconventional PD measurements, PD measurements Guide to IEC60270”IEC62478のサポート、既存のIEC60270のサポート
ＰＤ現象＋各種信号の放射（発生）・伝搬・検出特性の本質的理解が必要 ＝ 本技術の提案
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新技術の基となる研究成果・技術
これまでの成果：• 電気光学的放電現象同期測定システム（時間空間分解放電発光分光測定システム）の構築と同システムによる放電現象の詳細検討および解明電力機器の絶縁診断技術の開発
• UHF法による非接触機器診断と電荷量評価•校正技術の開発 （US 7,782, 063 B2）
• 電力機器からのコロナ測定と抑制技術の検討
時間空間分解放電発光分光測定システム
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従来技術とその問題点/新技術の特徴1
【超広帯域高周波信号測定技術】
2006年英国ストラスクライド大のM.D.Juddらのグループが13.5GHzの周波数レスポンスを有する測定系を構築。SF6ガス中で立ち上がり時間35psの放電電流パルスを測定。↓
計測器の革新的高機能化：より広帯域の測定が可能？
↓
本技術：計測系26.5GHz+オシロの性能リミットまで帯域拡張放電電極とケーブルコネクションおよび電極系に工夫
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従来技術とその問題点/新技術の特徴2
【放射電磁波の可視化装置】
現在、放射電磁波や静電気放電、電磁界の可視化技術に関する取り組みは多数あり。ある種のブーム？
↓
標定対象は未知
位置標定結果は点推定が多数：結果の理解や妥当性の判断が困難
↓
本技術：標定対象を特定しその対象から発生有無を評価する点、および基本的な評価アルゴリズムが容易である点、画像上に結果を表示するため結果の理解や妥当性判断が可能となる点、などが特徴
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超広帯域高周波信号測定システム
SMK Connector
40 GHz cable
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SF6ガス中の放電電流パルス測定例
各種絶縁材料における基礎放電特性を評価可能
従来の35ps以下のパルス測定！
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放射電磁波の可視化装置全体構想
模擬電磁波放射源
画像カメラ
アンテナ
測距用機器
本体
可視化装置
GHz帯を含む可搬型放電放射電磁波源も開発
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可視化コンセプト
1)対象物体を特定2)対象物体を含む方向からの電磁波発生有無の評価3)If yes → 対象面の領域を特定＋特性評価
領域の特定：
信号到達時間差Δtによる対象領域の
空間分割
x軸・y軸分割→領域特定（面の特定）
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電磁波放射源の可視化装置
ly
y2
y1
x1 x2
Antenna
lx
Visualized Location identification
可視化イメージ
Discharge
A2
A3
A1
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装置構成
アンテナ
画像カメラ
処理解析記録部
表示部
測距用機器
PCLabView
UHF帯の広帯域及び狭帯域アンテナを作製市販のホーンアンテナ、ダイポールアンテナもリファレンスとして使用
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結果の一例
FDTF解析（遮蔽物の影響の検討）
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光電界センサの適用光電界センサ→電気光学効果（ポッケルス効果）を利用したセンサ
光電界センサのメリット：-非接触測定-測定フィールドを乱さない-検出高周波信号の長距離伝搬(光ファイバー）-小型•軽量など
同軸ケーブルレス
神奈川県産業技術センター開発「LPDA型光電界センサ」
適用可能
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想定される用途
• SHF帯までの放電電流パルスの超広帯域高周波信号測定技術の特徴を生かすには、高電圧・電力機器の研究開発や品質管理部門、あるいは放電/プラズマの基礎研究部門に導入適用することで、放電現象の本質に基づく開発が可能となり、導入メリットが大きいと考えられる。
• 電力や電気エネルギー機器の製造、運用、保守部門に放電放射源の可視化装置を導入することで、電気絶縁異常の有無を「簡便に」且つ「確実に」評価でき、有りの場合はその位置を「分かり易く」提示できる。
• 電磁ノイズ放射源の特定も同様に可能で、EMC対策用途に展開することも可能と思われる。
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想定される業界
• 利用者・対象：-高電圧、電力設備、電気エネルギー機器に関する製造、使用、研究を実施している業界
-絶縁診断やEMC対策、あるいはホームセキュリティやオフィスセキュリティを実施している工場や現場
-電気絶縁や放電に関する基礎研究を実施している電気エネルギー機器製造メーカや絶縁診断機器製造メーカの研究所および研究機関
• 技術展開：-携帯電話の使用者特定や電波を発する物体の有無や保持者特定にも活用が見込まれる：セキュリティ分野
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実用化に向けた課題
• 現在、原理検証として15m遠方の放電放射源の可視化が可能であることを実験的に示している。アンテナ種類の選定や位置標定アルゴリズムの検討を実施中。最適な装置構成や評価アルゴリズムの確立が課題。
• 今後、ダイナミック特性に関する実験データを取得すると共に、表示機能の検証、現場適用に向けた装置開発を進める。
• 実用化には、適用現場（現象）への最適化やカスタマイズが必要。
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企業への期待
• 電磁波発生源の可視化装置の実用化・高度化に向けた共同取り組み。特に、表示部の表示技術に関するサポートを期待。
• 放電検出やEMC対策としての現場での試行導入を希望。
• 放電観測あるいは電気絶縁異常箇所の検出・診断でお困りのことがあればご相談下さい
（電磁波測定以外に、微弱発光・音波・放電電流測定など各種経験や技術を有しております）。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称：
電磁波発生源可視化装置及び方法
• 出願番号：
特願2009-201568
• 出願人：
国立大学法人九州工業大学
• 発明者：
大塚信也、澤田雅詞、山村洋平
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お問い合わせ先
国立大学法人九州工業大学大学
産学連携推進センター知的財産部門
ＴＥＬ 093-884-3499
ＦＡＸ 093-884-3531
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国立大学法人九州工業大学
産学連携推進センター
知的財産部門 客員教授 安東静
E-mail: [email protected]