水トリー劣化した架橋ポリエチレン中の 空間電荷挙動 Space Charge Behavior in Crosslinked Polyethylene Degraded by Water Tree 機能電気システムコース B163275 山根涼太 指導教員 穂積 直裕、村上 義信、川島 朋裕 Electrical systems course B163275 Ryota Yamane Supervisor Naohiro Hozumi , Yoshinobu Murakami , Tomohiro Kawashima 研究背景 Background XLPEケーブルによる電力輸送 Insulating layer Power transportation using XLPE cable 架橋ポリエチレンの劣化原因の一つに水トリーがある。 水トリーの伸展は最終的に絶縁破壊を引き起こす。 One of the degradation causes in cross-linked polyethylene is water tree. Extension of water tree leads to breakdown. 劣化診断 diagnosis method https://energyhub.theiet.org/users/64155-johnweatherley/posts/20318-underground-power-cables XLPEケーブル Insulating layer Water Tree 残留電荷法、損失電流法・・・など Residual charge method , Loss current method…etc 劣化信号は水トリー先端における電荷の離脱に起因する。 しかし、水トリー中の電荷の挙動の把握が不十分である。 The degradation signal is due to the releasement of charge at the water tree tip. However, the charge in the water tree is insufficiently grasped. 三菱電線工業時報第105号より 絶縁層に発生した水トリー 空間電荷を直接的に測定できるパルス静電応力法で電荷の挙動を検討 Investigation on charge behavior by PEA method which can directly measure space charge 1 実験方法 Experimental method パルス静電応力法 Pulse Electro Acoustic method :PEA法 帯電した絶縁体試料にパルス電圧を印加することにより 空間電荷分布を得ることのできる手法 Voltage - - Sample + - + - + + + HV electrode GND electrode Charge density Piezo electric device This method can obtain space charge distribution by applying pulse voltage to charged insulator sample 0 Position Space charge distribution Time 2 測定回路 直流電圧波形 Measurement system Applied DC voltage waveform Voltage [kV] PC HV Amp. V [kV] Pulse generator Oscilloscope Sample 600 [s] Amp. 600 [s] Time [s] パルス電圧波形 測定回路 Pulse voltage waveform Measurement system Voltage [kV] Semi conductive sheet Water Tree GND electrode 850 μm V [kV] Crosslinked polyethylene sheet 200 μm GPIB cable Ｖ ・・・ Time [s] 20 ns 26 ms 3 水トリー先端の電荷挙動 Charge conduct of water tree tip GND electrode HV electrode Tip of water tree Cross-linked polyethylene Charge density [nC/mm3] Example （6 kV） 200 μm 850 μm 3,0 Applied DC voltage 直流電圧印加 200 s , 400 s DC voltage:6 kV 2,0 800 s 1000 s 1200 s 1,0 200 s 400 s 短絡 Short circuit 800 s , 1000 s , 1200 s 0,0 -1,0 6 kV -2,0 Grounded 200 [s] 400 [s] 800 [s] 1000 [s] 1200 [s] ・直流電圧印加中、短絡中 電荷挙動の変化なし -3,0 -200 0 直流電圧4,5,6 kV を印加して実験 200 400 600 Position [μm] 800 1000 No change in charge behavior during application of DC voltage and short circuit 4 水トリー先端の電荷挙動 Charge density [nC/mm2] Applied voltage [kV] Charge conduct of water tree tip 6 5 4 0 0,0 -10,0 -20,0 6k 5k 4k -30,0 ・ 短絡後の電荷量は印加した 直流電圧によらず一定 The amount of charge after grounded is constant regardless of increasing DC voltage. -40,0 -50,0 0 300 600 Time [s] 900 1200 ・短絡後の電荷挙動をエネルギートラップモデルで説明 Charge behaviors after grounding can be explained by energy trap model 5 考察 Discussion エネルギートラップモデル Energy trap model 𝛷0 𝛷𝐷 捕獲された電荷はプール・フレンケル型の 電荷放出によって解放されると仮定する 𝛷𝑡 = 𝛷0 − 𝑒𝐸𝑥 The captured charge is released by charge release of Poole Frenkel type E0 従って熱電子放出電流は Thermionic emission current is 𝑗 = 𝑞ν exp − 𝛷𝐷 − 𝛽𝑃𝐹 𝐸 - 𝑡 2𝑘𝑇 𝛷𝐷 :電位障壁 ν：離脱周波数 𝐸 𝑡 :電界 𝑘：ボルツマン定数 𝐸↓ - GND electrode 𝛽𝑃𝐹 𝐸 𝑡 ↓ 上式に従って減少する Decrease according to the formula HV electrode Cross-linked polyethylene 電荷が抜けると Electric charge is drained E0 E1 𝑗↓ GND electrode - Cross-linked polyethylene E1 E0 ＞ E1 HV electrode 6 考察 Discussion 〇エネルギートラップモデルでの計算結果 Calculation result by energy trap model 𝐸(𝑡) =0.35 kV/mm 𝛷𝐷 − 𝛽𝑃𝐹 𝐸 𝑗 = 𝑞ν exp − 2𝑘𝑇 𝛽𝑃𝐹 = ν =1014 1/s(1) 𝑡 𝑒3 = 8.18 × 10−24 𝜋𝜀 𝜌 𝑡 =6.7 μC/m2 t =700 s 𝑇 =300 K 短絡後における電荷の捕獲エネルギーは0.4 eV以上 Charge trapping energy in after short circuit is 0.4 eV or more 0.4 eVより深い準位に捕獲された電荷は放出されない。 Charges captured at levels deeper than 0.4 eV are not released (1)穂積直裕 (2008), 電力ケーブルの劣化診断のための残留電荷法に関する空間電荷挙動 7 まとめ Conclusion ・接地後の電荷量は直流電圧に依存せず一定 The amount of charge after grounded is constant regardless of increasing DC voltage （今回の条件下では 4.0 nC/mm2) ・接地後の水トリー先端の電荷挙動は エネルギーバンドモデルで説明可能 Charge behaviors at the water tree tip after grounding can be explained by Energy trap model ・接地後に残る電荷の持つエネルギーは0.4 eV Energy of the remaining electrons is 0.4 eV after enough 今後の予定 Future Plans ・水トリーの長さによる電荷離脱の挙動を検討 Examining how the length of water tree affects charge detachment 8 2層誘電体モデル Cross-linked polyethylene water tree - Two layer dielectric model - 2層誘電体を仮定 水トリーの抵抗成分から電荷が放出されると仮定する 𝐶𝑤𝑡 Assuming a two-layer dielectric It is assumed that electric charge is released from the resistance component of the water tree. 抵抗に流れる電流は 𝑖 Current flowing through resistor is 𝑖= 𝐶𝑋𝐿𝑃𝐸 𝑣𝑋𝐿𝑃𝐸 + 𝐶𝑤𝑡 𝑣𝑤𝑡 𝑡 exp − 𝑅𝑤𝑡 𝐶𝑋𝐿𝑃𝐸 + 𝐶𝑤𝑡 𝑅𝑤𝑡 𝐶𝑋𝐿𝑃𝐸 + 𝐶𝑤𝑡 𝜎 = 𝜎0 exp − - 𝛼𝐸 𝑡 𝑘𝑇 𝑅𝑤𝑡 𝑣𝑋𝐿𝑃𝐸 𝐶𝑋𝐿𝑃𝐸 𝑣𝑤𝑡 Two layer dielectric model 𝑅𝑤𝑡 :水トリー層の抵抗 𝐸↓ 𝜎↓ 𝑅𝑤𝑡 ↑ 指数関数的に減少する Decreases with exponential 𝜏↑ 𝑖↓ Resistance of water tree 𝐶𝑤𝑡 :水トリー層の容量 Capacity of water tree 𝐶𝑋𝐿𝑃𝐸 :XLPE層の容量 Capacity of XLPE モデルの数学的表現 Discussion ①エネルギートラップモデル 𝑗 = 𝐴 exp − ②2層誘電体モデル Energy trap model 𝛷𝐷 − 𝛽𝑃𝐹 𝐸 𝑡 2𝑘𝑇 どちらのモデルも 数学的表現は同じ Both models have the same mathematical expression Two layer dielectric model 𝐶𝑋𝐿𝑃𝐸 𝑣XLPE + 𝐶𝑤𝑡 𝑣𝑤𝑡 𝑡 𝑖= exp − 𝑅𝑤𝑡 𝐶𝑋𝐿𝑃𝐸 + 𝐶𝑤𝑡 𝑅𝑤𝑡 𝐶𝑋𝐿𝑃𝐸 + 𝐶𝑤𝑡 劣化診断における 電荷の脱離を説明する上で 問題なし Neither model has no problem on describe charge detachment 7 水トリー先端の電荷挙動(DC電圧印加時) GND electrode HV electrode Tip of water tree Cross-linked polyethylene Example （6 kV） 200 μm Charge density [nC/mm3] 3,0 2,0 1,0 850 μm 1 [s] 20 [s] 40 [s] 100 [s] 400 [s] 600 [s] 0,0 -1,0 -2,0 DC voltage:6 kV -3,0 -200 0 200 400 600 Location [μm] 800 1000 水トリー先端の電荷挙動（短絡時） Charge conduct of water tree tip GND electrode HV electrode Tip of water tree Cross-linked polyethylene Charge density [nC/mm3] Example （6 kV） 200 μm 3,0 850 μm DC voltage:6 kV 2,0 1,0 0,0 -1,0 -2,0 600 [s] 620 [s] 640 [s] 700 [s] 900 [s] 1200 [s] -3,0 -200 0 200 400 600 Location [μm] 800 1000 架橋ポリエチレン 架橋 化学的共有結合により複数分子を連結させるプロセス CVケーブルでは過酸化物架橋が用いられる https://energyhub.theiet.org/users/64155-johnweatherley/posts/20318-underground-power-cables XLPEケーブル XLPEケーブル 一般的な加工方法は架橋剤を添加したLDPEを架橋が開始しない低温で押出し、 導体上に被覆した後、高温、高圧力の熱媒体を満たして架橋する。 水トリー 水中に浸漬して交流電圧を長時間印加すると発生 絶縁体中の電界集中部を起点に発生 三菱電線工業時報第105号より 絶縁層に発生した水トリー 残留電荷法 原理 直流高電圧印加時の劣化に伴い注入された電荷が解放される際、 発生する電流を測定 測定方法 直流高電圧印加後、短時間ケーブル導体を接地し、 ケーブルに流れる直流電流を測定 (a) 1 s
