1 佐賀大学大学院工学系研究科 博士前期課程電気電子工学専攻 02TM45 崔 秉学 補助電極付長間隔コンデンサを用いた 分布誘電率推定に関する研究.

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1 1 佐賀大学大学院工学系研究科 博士前期課程電気電子工学専攻 02TM45 崔 秉学 補助電極付長間隔コンデンサを用いた 分布誘電率推定に関する研究

2 2 背景 高機能材料，誘電率傾斜誘電体などが 開発されているが，その評価方法は確 立されていない 一方，被測定物の周囲から静電容量を 計測し，被測定物内部の分布誘電率推 定に関する研究が行われている

3 3 従来の研究経過 有限要素法を用いた二次元数値電界解析の実施 変位電流分布の可視化に基づく本計測手法の検証 測定電極間に角柱形誘電体を一つ挿入した場合の 誘電体の位置による静電容量の変化を実験と数値 解析によって確認 誘電体が二個並んで存在する場合と， 5mm 離れ て存在する場合の各位置の静電容量に微小な変化 が現れることを確認

4 4 (a) Analyzed result without additional electrode Equipotential lines 補助電極の効果 High potential measurement electrode Low potential measurement electrode Additional electrode Additional electrode Additional electrode Additional electrode Effective area Equipotential lines High potential measurement electrode Low potential measurement electrode (b) Analyzed result with additional electrode Outermost electric line of force

5 5 location of dielectric dx=0mm,dy=25mm dx=0mm,dy=35mm C = 2.55×10 -14 F (Analyzed) High potential side Effective area Outermost electric line of force Low potential side location of dielectric dx=0mm,dy=5mm dx=0mm,dy=15mm C = 4.72×10 -14 F (Analyzed) Effective area Outermost electric line of force High potential side Low potential side Ineffective electric line of force 二次元有限要素法を用いた数値解析結果 Equipotential lines Equipotential lines

6 6 研究経過 従来は，誘電体位置の二次元的計測 三次元化（誘電体形状を三次元的計測） 10mm 180mm Dielectric High potential measurement electrode Low potential measurement electrode Dielectric High potential measurement electrode Low potential measurement electrode

7 7 補助電極付長間隔コンデンサの測定電極間に立方形誘電 体を挿入した場合の，誘電体の位置による静電容量の変 化を，実験によって明らかにする 測定電極をマトリクス状に配置し，測定電極間外の静電 容量変化を確認する 誘電体位置推定並びに分布誘電率推定の可能性について 検証する 目的

8 8 実験装置の概略図

9 9 低電位側測定電極 各測定電極での静電容量 C [×10 -14 F ] 理論値 2.21 平均値 2.33 Low potential measurement electrode Additional electrodes

10 10 誘電体の位置設定 High potential measurement electrode Dielectric Low potential measurement electrode

11 11 実験結果 誘電体の ｙ 方向の位置 dy (mm) 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 6.0 5.5 5 101520253035 計測する測定電極の位置 y 静電容量 C [ ×10 -14 F ] Dielectric 誘電体の移動 High potential measurement electrode Low potential measurement electrode

12 12 (a) First measurement(b) Second measurement 誘電体位置推定法の提案

13 13 静電容量 C [ ×10 -14 F ] 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 6.0 5.5 誘電体の ｙ 方向の位置 dy (mm) 5 101520253035 First measurement Second measurement 測定電極を切り替えて実験した結果 誘電体の位置 10mm 30mm First measurement Second measurement

14 14 静電容量の差分 C [×10 -14 F ] 誘電体位置推定 01.02.0 3.0-3.0-2.0 25 20 15 10 5 35 30 誘電体の ｙ 方向の位置 dy (mm) 0.54 -0.15 誘電体の位置 10mm 30mm First measurement Second measurement

15 15 まとめ 測定電極が 25 個並んだ補助電極付長間隔コンデンサを製 作し，測定電極間に立方形誘電体を挿入した場合の，誘 電体の各位置による静電容量への影響を示した 誘電体が低電位側測定電極に近い位置に存在するとき， 静電容量は大きく計測された 測定電極間外に誘電体がある場合には，誘電体の位置が 変化しても，静電容量への影響が小さい スイッチング機構を用いて，二回の静電容量を計測する ことにより，誘電体位置推定の可能性を示すことができ た 今回製作したマトリクス電極により，三次元の分布誘電 率推定の可能性を示すことができた

16 16 今後の課題 実験装置の改良 電極形状の創造 比誘電率の異なる誘電体を使用した静電容量 計測実験

17 17 ガス絶縁開閉装置などの絶縁媒体として多量に使われて いる SF 6 ガスが「地球温暖化防止京都会議」で規制の対象 となり，大気中への放出が認められなくなった 現在，それに変わる新しい電気材料の開発に対する研究 が行われている 高品質な絶縁材料 誘電率が連続的に変化した傾斜機能材料 傾斜機能材料を用いた次世代全個体絶縁システムの開発 （九州大学総合理工学府 林先生） 電力機器用固体絶縁物への FGM( 傾斜機能材料 ) 適用に関する研究 （名古屋大学大学院工学系研究科 大久保先生）

18 18 図１ 実験装置の概略図

19 19 Dielectric moves at intervals of 5mm Dielectric moves at intervals of 5mm Low potential measurement electrode Additional electrode Additional electrode Additional electrode Additional electrode High potential measurement electrode Low potential measurement electrode Additional electrode Additional electrode Additional electrode Additional electrode 図３ 誘電体の位置設定 High potential measurement electrode (a) (b) 比誘電率 3.24

20 20 Capacitance C [×10 -14 F ] 2.5 3.5 4.0 4.5 3.0 dy = 5mm dy =20mm dy = 10mm dy = 25mm dy = 15mm dy = 30mm dy = 20mm dy = 35mm dy = 5mm dy = 15mm dy = 10mm dy = 20mm dy = 15mm dy = 25mm dy = 20mm dy = 30mm dy = 25mm dy = 35mm 5.0 Experimental results (a) (b) 図４ 角柱形誘電体が 2 個測定電極間にある場合の実験結果

21 21 Capacitance C [ ×10 -14 F ] Dielectric center position of Y directions dy (mm) dy = 5mm dy = 10mm dy = 20mm dy = 5mm dy = 10mm dy = 20mm dx dy 0 Analytic results Experimental results Analytic results Experimental results Analytic results Experimental results 角柱形誘電体が一個の場合

22 22 (a) First measurement(b) Second measurement 誘電体位置推定法の提案

23 23 0 1.0 1.5 2.0 2.5 0.5 -2.0 -1.5 -0.5 -2.5 Difference of Capacitance C [×10 -14 F ] dy = 5mm,dy = 20mm dy = 10mm,dy = 25mm dy = 15mm,dy = 30mm dy = 20mm,dy = 35mm dy = 5mm,dy = 15mm dy = 10mm,dy = 20mm dy = 15mm,dy = 25mm dy = 20mm,dy = 30mm dy = 25mm,dy = 35mm Dielectric center position in Y directions dy (mm) 誘電体位置推定

24 24 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 16111221 ① 2.38 ⑱ 2.68 平均値 各測定電極での静電容量 最大値 最小値 図８ 発泡スチロールのみ挿入時の静電容量 電極番号 静電容量 C [ ×10 -14 F ] 平均値 2.54

25 25 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1 6 111621 6.0 5.5 電極番号 dy = 5mm dy = 15mm dy = 20mm dy = 25mm dy = 30mm dy = 35mm dy = 10mm 図１０ 電極番号 13 測定電極間を移動した場合 High potential measurement electrode 比誘電率 3.24 Low potential measurement electrode 静電容量 C [ ×10 -14 F ]