豊橋技術科学大学 誘電・絶縁システム工学研究室(Dielectrics and Electrical Insulation System Lab.)

基礎計測・材料グループ

Fundermental Measurement and Materials Group

応用計測グループ

Application Measurement Group

絶縁破壊、伝導電流、空間電荷

Breakdown, Conduction Current, Space Charge

超音波で捉えた電荷挙動

超音波で捉えた電荷挙動

誘電・絶縁材料に高電圧を印加すると、絶縁材料の絶縁性が失われる絶縁破壊が生じます。高電圧でなくても高温などの条件がそろえば絶縁破壊が生じる場合があります。雷は空気の絶縁破壊現象で、気体・液体絶縁体の場合は絶縁破壊が生じても電圧が低くなれば絶縁性が復活しますが、身の回りの電気製品に多用されている固体絶縁体の場合は基本的に復活しません。絶縁性能は電気製品の寿命を決定する要因の一つでありとても重要ですが、本研究室では絶縁破壊に密接に関連する伝導(もれ)電流測定、内部蓄積(空間)電荷測定等も行い、各種絶縁材料の絶縁破壊を含む高電界電気現象のメカニズムに関する研究を実施しています。破壊試験用電極系の開発や各種機能を付加した空間電荷測定システムの開発なども行っています。

When a dielectric or insulating material are subjected to a high electrical field, the breakdown which the insulation properties are lost may occur. Even without a high field, the breakdown may occur in conditions such as high temperature and high humidity. Lightning is an electrical breakdown phenomenon in the air, and in the case of gas or liquid insulation system, even if the breakdown occurs, the insulation properties recover basecally, but in solid insulating materials used for an electrical device commonly, in principle they do not recover. Insulation performance is important as one of the factors that determine the life span of an electric device. We measure the conduction (leakage) current and the internal accumulation (space) charge where these are closely related to the breakdown, and we perform the research related to the mechanisms of the dielectric and electrical insulation under high field including the breakdown of various insulating materials. We also develop the electrode systems for breakdown test and space charge measurement systems with various added functions.

部分放電、沿面放電、電気トリー

Partial Discharge, Flashover, Electrical Tree

絶縁体空隙から発生した気中放電

絶縁体空隙から発生した気中放電

絶縁体中に微小な空隙状欠陥などがあると,微弱な放電(部分放電)が発生します。基本的に部分放電は全路破壊ではないので絶縁破壊はすぐに起こることはまれですが、絶縁体が部分放電により劣化し、長期的には絶縁破壊を引き起こす可能性があります。インバータ駆動モータの普及により、急峻な立ち上り時間をもつインバータサージによっても部分放電が発生する場合があります。本研究では通常の商用周波数における部分放電特性の把握に加え、インバータサージによって発生した部分放電が絶縁系に与える影響等の把握および解明を行っています。さらには部分放電劣化等が局所的に進行して局部的な樹枝状の破壊痕(電気トリー)が生じる場合があります。この電気トリーも長期絶縁劣化一つの原因となります。本研究では、充填剤がトリーの発生・進展に与える影響、絶縁体界面が電気トリーに与える影響等の評価および解明を行っています。

If there are microscopic void-like defects in the insulating materials, weak discharge (partial discharge :PD) occurs. In principle, PD is not total breakdown, so it is rare for breakdown to occur immediately, but the insulating materials deteriorate due to PD, and over the long term there is a possibility of breakdown. With the application to inverter drive fed motors, the rapid rise times of inverter surges may also cause partial discharge. Further, if PD deterioration etc. progresses locally, local dendritic path grow and branch into hollow channels in solid dielectrics (Electrical Tree) may arise. This electric tree also causes long term insulation deterioration. At our laboratory, in addition to gaining understanding of PD characteristics, we are also working to gain understanding and elucidate the electrical treeing mechanism.

機能性コンポジット絶縁材料の開発

Developement of Functional Composite Material

機能性コンポジット絶縁材料の開発

PMMA/SiO2コンポジット

自動車用パワーモジュール等には放熱性と絶縁性を兼ね備えた放熱性絶縁材料の使用が不可欠ですが、パワー密度の上昇、インバータサージ等の影響により放熱・絶縁材料の設計電気的ストレスは材料の本質的な絶縁破壊ストレスに近づいています。 高絶縁性のみならず高放熱性が要求されますが、これらの特性は一般的に相反する特性であり、絶縁性を求めると放熱特性が悪くなります。本研究では充填剤とマトリックス高分子の微細構造を最適に設計できる静電吸着法に着目し、リーゾナブルナ絶縁強度と高い放熱性をもつバランスのとれた放熱性コンポジット絶縁材料の開発を行って います。

The use of thermal conductive insulating materials with both higher heat dissipation and acceptable insulation properties are essential in applications such as automotive power modules. Higher heat radiation is required in addition to a high level of insulation, but generally these properties are mutually contradictory. In this research, we give attention to an electrostatic adsorption method that can design optimal microstructures of filler and matrix polymer, and are developing thermal conductive composite insulating materials with a good balance of acceptable breakdown strength and higher thermal conductivity.

電気設備診断

Diagnosing Techniques for Industrial Use

電気設備診断の写真

電気設備診断の写真

老朽化した電気設備は取替えるタイミングが大切。 早すぎるとコストがかさみ、遅すぎると事故につながります。 電線や発電機などが発する微小な電波や電気信号を検知して、 未然に事故を防止したり、 事故が起こったときに素早く事故点を探す技術を開発しています。 2010年度までは地中送電線が故障する前に劣化点を標定するアイデアを提案し、 基礎検討を実施しました。2011年度は詳細データの取得と現場実験を計画。 その他、車両用モーターの検査装置、 海底電線の絶縁性能検査装置などを計画しています。

Electric facilities should be replaced after using a long time, before they make failure that may lead to serious accident. However too early replacement may lead to cost up. We are developing techniques to detect degradation and abnormal condition by measuring small signals from such as transmission line and power generator. As an example, we are developing a technique for locating the degraded point in a power transmission cable. The "water tree degradation", which is a significant mode of degradation of underground transmission cable can be detected by transmitting a sharp high voltage pulse and measuring its response. We proved that 5 meters of degraded part inserted in 400 meters of sound cable could be located..

時間-周波数解析を用いた電力ケーブルの故障点標定

Study on Pulse Response Aiming to Water Tree Diagnosis for Power Cables with Spatial Resolution

非破壊診断

Non Destructive Diagnoses

非破壊診断の写真

非破壊診断の写真

超音波を利用した手術中高精度ナビゲーションシステムの基礎検討を医学研究者と共同で推進中です。 その他、食品の歯ざわりと超音波特性の関係、超音波による筋肉疲労の評価、 酵素光学測定法による脳内代謝の画像化、 光センサによる水質測定などを実施しています。 電気の知識だけでは対処できないので、当然他分野の研究者とのコラボになります。

We are conducting a high-precision navigation system for surgery operation using ultrasonic measurement, as a cooperative research with medical researchers. In addition, researches like "ultrasonic assessment for mouthfeel of foods", "assessment for muscle fatigue by ultrasonic measurement", "examination of water by optical sensor" are being conducted collaborating with researchers in many kinds of fields.

レーザー散乱光を利用した凝集センサによる自動薬注制御システム

超音波顕微鏡

Ultrasonic microscope

超音波顕微鏡の写真

超音波顕微鏡の写真

癌の検査や手術結果の確認のための生体組織診断(病理検査)では、 光学顕微鏡用試料の染色に数時間から数日を要します。 これを染色なしで観察できる画期的な超音波機器を開発しています。 所用時間は数分以内となり、検査の効率化や手術時間の短縮に威力。 メーカー・医療機関と協力して実用化と臨床研究を行います。 2010年度までは音響インピーダンス顕微鏡の提案と世界初の細胞観察実験や、 高分解能化 と画像処理などを実施。 2011年度から粘弾性を画像化する新しい生物用顕微鏡の開発に着手しています。 生物のほか、食品やプラスチック絶縁物の評価への応用を考えています。

Surgery operation is often accompanied by pathological inspection. It is normally carried out using optical measure. However, it needs several hours to several days in order to stain the specimen. Ultrasonic observation does not need such a long time for sample preparation. We develop an ultrasonic microscope that can observe and characterize biological tissues without staining process. Time for observation will be reduced into a few minutes including sample preparation, which will significantly save time for surgery operation. The R&D is carried out as a collaborative work with industry and institute of medicine. We have proposed the "acoustic impedance microscope" that can quantitatively observe the cross section of a tissue without introducing any contamination to the tissue. It can observe live cultured cells as well with a spatial resolution of a few micrometers. In addition to medical and biological application, food and plastic material industries are being targeted.

生体組織用音響インピーダンス顕微鏡の開発

生体組織診断のためのパルス励起型超音波音色顕微鏡

Cross-sectional Observation of Rat Brain Tumor Model and Its Quantitative Analysis by Newly Proposed Acoustic Microscope

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