Advantages
■ 信号検出感度の向上： 従来手法よりも数十倍以上の大きな信号強度が得られる（同一試料を用いた比較実験結果に基づく）
■ 電位分布の直接測定によるシステムの簡素化： 測定された信号を微分するだけで電界分布を得ることができる
Background & Technology
絶縁信頼性評価では、絶縁体内部の空間電荷の蓄積状態の把握が不可欠である。従来手法として空間電荷分布測定に広く用いられているPEA法(*1)は、空間電荷から発せられる弾性波（圧力波）が微弱なため増幅器が必須である。加えて、微弱な信号に重畳する雑音の除去、高周波成分の減衰および波形歪みを補正する必要があるため、測定者に対して高度な信号処理技術が要求される。一方、波形歪みの問題を解決するための一手法として、SEA法(*2)が知られている。SEA法とは、ステップ関数的な圧力波を、微分回路（ハイパスフィルタ）の機能を備えた圧力波検出システムで測定する手法である。近年、この方法を用いて、電力ケーブル絶縁層の空間電荷分布を信号処理することなくオシロスコープの画面上で直接観察可能であることが実証された。さらに最近、SEA法を応用すれば、空間電荷分布ではなく、そもそも知りたい電界分布を直接観察できることも実証された。しかしそのいずれにおいても検出感度を改善するには至っていない。そのため、厚さが数 mm以上の肉厚絶縁体中の電界分布を高感度で計測することは難しいのが現状であった。
(*1) PEA法：Pulsed Electro Acoustic法
(*2) SEA法：Stepped Electro Acoustic法
これら先行技術に対し、SEAI (Stepped Electro Acoustic Integration) 法とは、電圧印加に伴い電荷から発せられるステップ関数状の圧力波が、十分に厚い圧電素子へ侵入することにより生ずる起電力を、フィルタを介さずに直接表示するという原理に基づく手法である。SEAI法の最大の特徴は、PEA法よりも桁違いに大きな信号が得られるという点である。その理由は、試料厚さよりも十分に厚い圧電素子と、高入力インピーダンスの電圧検出装置からなるシステムが圧力波積分器の役割を果たすためである。ステップ状圧力波の圧電素子への侵入深さの増加に伴い一次関数的に上昇する圧電素子の起電力の時間変化は、絶縁体内部の電位分布に対応する。しかも積分時間が長いほど、すなわち絶縁体試料が厚ければ厚いほど、出力信号は大きくなる。このことが、試料が厚くなるほど感度の低下するPEA法との決定的な違いである。またPEA法では、空間電荷分布を計測後、それをPC上で積分することで電界分布を得るのに対し、SEAI法では、電位分布を計測後、それをPC上で微分することにより電界分布を得るという逆の流れを辿る。これについては、どちらもポアソンの式に基づく物理計算をしているだけであって、理論上、得られる電界分布は同じである。ただし測定感度において、両者の間には明確な差がある。
Data
25 kVの直流高電圧を、厚さ0.6 mmの低密度ポリエチレンシートに印加した時の電位分布をSEAI法で計測した。厚さ2 mmのチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）板を圧電素子として用い、オシロスコープの入力インピーダンスを1 MΩとして、1 kVの励起電圧でステップ状圧力波を発生させたところ、増幅器なしで波高値25 mV以上のクリアな電位分布信号を表示することに成功した。またこの振幅は、通常のPEA装置で計測した場合よりも、数十倍大きかった。さらに得られた信号を微分することにより電界分布が得られることも確認された。
Expectations
愛媛大学では、本発明にご興味をお持ちいただける企業様とのコラボレーションを期待しています。秘密保持契約下での未公開データの開示や、発明者との直接のお打合せ（オンライン含む）も可能ですので、お気軽にお問い合わせください。
Principal Investigator
門脇 一則 教授 （愛媛大学 大学院理工学研究科 電気電子工学コース）
Patents and Publications
Patents:
- 特許出願済（未公開）
Publications:
- Kadowaki K. et al., IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. (2024) 31, 2252–2254.
[DOI] https://doi.org/10.1109/TDEI.2024.3399179
- Kadowaki K. et al., IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. (2025) 32, 3114–3116.
[DOI] https://doi.org/10.1109/TDEI.2025.3589336