誘電材料の高電界誘電特性の測定と絶縁劣化診断

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1 誘電材料の高電界誘電特性の測定と絶縁劣化診断
岐阜高専産官学テクノシンポジウム２００２　 平成１４年１２月６日 　於　岐阜高専多目的ホール 誘電材料の高電界誘電特性の測定と絶縁劣化診断 岐阜工業高等専門学校 電気情報工学科 所　　哲郎 2019/2/28 ＧＮＣＴ

2 誘電材料とは 交流電界下ではほぼ９０度進んだ電流 容 量 電 δ 流 損失電流 交流印加電圧 試料形状 と 誘電率 Ｒ（抵抗） に依存
　交流電界下ではほぼ９０度進んだ電流 容 量 電　δ 流　　 　　　損失電流　　交流印加電圧 試料形状　　と 誘電率 　に依存 Ｒ（抵抗） Ｌ（コイル） Ｃ（コンデンサ） 絶縁体 2019/2/28 ＧＮＣＴ

3 容量電流をどの様に測定するか 絶対値を測定する。 　　　（バネばかり） ブリッジで測定する 　　　　　（天秤） 2019/2/28 ＧＮＣＴ

4 電流比較形高電圧tanδブリッジ 試料の容量とtanδ（交流損失係数）を測定 2019/2/28 ＧＮＣＴ

5 高電界誘電特性の何が測れるか 交流損失電流の大きさ 容量電流の非平衡分の大きさ 交流損失電流波形（高調波成分含む）
Ｃ，tanδと各高調波スペクトル 交流印加電界の一波形毎に 非線形応答時も含めて 絶縁破壊まで．任意の印加電圧パターンで 2019/2/28 ＧＮＣＴ

6 試料形状は 針・平板電極系 平行平板電極系 くし形電極系 （試料片側表面のみ利用） 2019/2/28 ＧＮＣＴ

7 測定例１（交流損失電流解析） ＬＤＰＥ 2019/2/28 ＧＮＣＴ

8 測定例１（交流損失電流波形） 2019/2/28 ＧＮＣＴ

9 測定例２（針・平板の部分放電） エポキシ樹脂 2019/2/28 ＧＮＣＴ

10 測定例３（水滴の動的挙動） シリコーンゴム＋水滴 2019/2/28 ＧＮＣＴ

11 まとめ 誘電材料の高電界誘電特性の測定と 絶縁劣化診断に関して、 交流印加電界の１波形ごとに Ｃ，tanδ，交流損失電流波形を
試料の絶縁破壊を気にすることなく 任意の印加電圧形状で瞬時に測定可能 材料劣化診断や非線形応答測定への応用 2019/2/28 ＧＮＣＴ

12 講演者連絡先 岐阜工業高等専門学校 電気情報工学科 所 哲郎 http://www.gifu-nct.ac.jp
所　哲郎 電話　０５８－３２０－１３５７ ＦＡＸ　０５８－３２０－１２６３ 2019/2/28 ＧＮＣＴ

13 撥水性の評価技術 接触角 ｃｏｓθ 固体・液体両者の表面自由エネルギーと界面エネルギーによって決定される。 場所によるばらつきや、時間変化。
接触角　　ｃｏｓθ 　固体・液体両者の表面自由エネルギーと界面エネルギーによって決定される。 　場所によるばらつきや、時間変化。 　固体面と平行した測定。主に撥水性の良い状態。 ＳＴＲＩ法　ＨＣ１－７ 　試料の撥水性を反映した画像イメージによる評価。 　場所によるばらつきなども反映している。 　固体面に垂直方向からの測定。撥水性の悪い状態。 2019/2/28 ＧＮＣＴ

14 両者の利点を生かした 新しい撥水性評価方法
水滴の交流電界下における動的挙動を動画像解析により評価する。 誘電特性により水滴の動的挙動を評価する。 2019/2/28 ＧＮＣＴ

15 Fig.1 Inter-digital electrodes and Water droplets
 図1　HTV-SIR上に設置したくし形電極系と水滴 Fig.1　Inter-digital electrodes and Water droplets on HTV-SIR surface.

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17 図４　水滴の表面張力変化時の水滴挙動の画像解析結果
Fig.3　 Change in the size of the water droplets on HTV-SIR surface. Conditions: Applied electric field; 29Hz, Parameter: Surface free energy of water droplets. 図４　水滴の表面張力変化時の水滴挙動の画像解析結果 Fig.3　 Change in the size of the water droplets on HTV-SIR surface. Conditions: Applied electric field; 29Hz, Parameter: Surface free energy of water droplets. 図３　容量電流不平衡分⊿Ｉxcの周波数特性 Fig.3　 Frequency dependence of DIxc of HTV-SIR sample with and without water droplets.

18 Figure 8: Electric field dependence of unbalanced capacitive current, Ixc, of the HTV-SIR surface with and without water droplets. Parameter: Number of distilled water droplets is changed from 0 to 3. 2019/2/28 ＧＮＣＴ

19 Figure 9: Electric field dependence of DIxc of the HTV-SIR surface with three water droplets. Parameter: Conductivity and surface free energy of water droplets. A; Distilled water, 72.8 mN/m, 5 mS/cm, B; salt solution, 72.8 mN/m, 9600 mS/cm, C; solution with low surface energy, 56.0 mN/m, 120 mS/cm. 2019/2/28 ＧＮＣＴ

20 Ixr と ΔIxcの 電界依存性の大きさ 水滴設置状況 表1 各種水滴を設置した場合の誘電特性の変化
表1　各種水滴を設置した場合の誘電特性の変化 Table.1　Electric field dependence of Ixr and DIxc of HTV-SIR with and without each kinds of water droplets. 水滴設置状況 Ixr と ΔIxcの 電界依存性の大きさ 水滴の設置個数を １～３個に増加 電界依存性は大きくなる 水滴の導電率を ５～9600mS/cmに増加 顕著な変化はない 水滴の表面張力を 72.8～56.0 mN/mに低下 電界依存性は大きくなる特にDIxcは増加する

21 図５　水滴設置水浸試料の交流ランプ電圧応答 Fig.5　 AC ramp voltage response of detected spectrums of 304 h water immersed HTV-SIR with water droplets. 図４　水滴設置撥水試料の 交流ランプ電圧応答 Fig.4　 AC ramp voltage response of detected spectrums of HTV-SIR sample with water droplets.

22 Parameter: Surface free energy of water droplets.
図６水滴の表面張力変化時の水滴挙動の画像解析結果 Fig.6　 Change in the size of the water droplets on HTV-SIR surface. Conditions: Applied electric field; 29Hz, Parameter: Surface free energy of water droplets.

23 表２ 各種条件下における水滴の動的挙動の画像解析結果
表２　各種条件下における水滴の動的挙動の画像解析結果 Table.2　Image analysis of the motion of water droplets at various conditions. 実験条件 水滴のサイズ 水滴のサイズの 振動の振幅 印加電界の大きさを 1.2～4 kVに増加 余り変化しない 振動は大きくなる 水滴の設置個数を １～３個に増加 水滴の体積を 10～20mlに増加 大きくなる 水滴の導電率を ５～9600mS/cmに増加 水滴の表面張力を 72.8～56.0 mN/mに低下 振動は小さくなる 実験の温度を 10から39℃へ

24 まとめ 高分子材料表面の撥水性の測定方法に関して、撥水性の良好な場合に優れる接触角測定と、撥水性の低下した場合に優れるＳＴＲＩ法の、両者の利点を有する交流印加電界下における水滴の動的挙動の測定に関して、誘電計測と動画像計測の立場から検討した。 その結果、撥水性の劣化診断に関して、これらの手法は有効な診断手法と成り得ることが示唆された。 2019/2/28 ＧＮＣＴ