電力機器用固体絶縁物へのNano-Dielectrics-
FGM(傾斜機能材料)適用に関する研究

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[研究背景]

 ガス絶縁開閉装置(GIS),変圧器などの電力機器の環境適合性向上や信頼性向上のために,さらなる高電界化,コンパクト化が必要とされており,機器の合理的設計はますます重要になってきている.ガス絶縁電力機器では,充電部は固体絶縁物によって支持されており,絶縁物/ガス界面の絶縁性能が機器の性能を大きく支配すると考えられる.したがって,固体絶縁物周囲及び内部の電界をコントロールして機器の電界利用率を向上させ,絶縁性能を高めることが求められている.
 固体絶縁物周囲の電界をコントロールするための従来技術として,電界緩和電極の使用,固体絶縁物の形状の工夫などの方法がある.しかしながら,これらの方法は電極と固体絶縁物間の剥離防止の必要性や製造の制約が指摘されており,これらの問題はコンパクト化やコスト低減を妨げる要因となっているのが現状である.

 このような背景のもと,筆者らは電極・固体絶縁物がシンプルな形状のままで絶縁性能を向上させるため,誘電率を空間的に傾斜させたFGM (Functionally Graded Materials:傾斜機能材料)を電力機器用固体絶縁物として用いることを提案している. FGMとは,材料内部で組成を変化させることにより,熱伝導率,誘電率,弾性率などの材料定数を空間的に変化させた機能材料の一種である.材料定数を適切に変化させることにより,材料内部や周辺にかかるストレスを緩和させることができる.つまり,固体絶縁物の誘電率などの電気的特性を固体絶縁物内で空間的に変化させることにより,シンプルな電極・固体絶縁物の形状のままで機器の絶縁性能向上が期待できる.
 これまでの主だった研究成果の内容を以下に紹介する.

FGM作製制御技術の開発
 実器における電界分布を考慮し,径方向に高誘電率化および低誘電率化するFGM作製技術を提案している.そして,使用する材料の選定を行った上でFGMサンプルを作製し,誘電率分布を測定することで構築した作製技術の妥当性を示すことに成功している.

FGMの電気絶縁性能に関する実験的検証
 誘電率を空間的に連続的に傾斜させたFGMスペーサを作製し,SF6ガス中における雷インパルス絶縁破壊試験によってその絶縁性能向上効果を実験的に検証している.さらに,50%理論放電開始電圧を求め,実験結果の妥当性を示すことに成功している.

・ナノコンポジット作製技術
 固体絶縁物の性能向上のため,充填材にナノ次元の超微粒子を用いたナノコンポジットの作製および特性評価を行っている.ナノコンポジット適用によって,帯電緩和,部分放電耐性,絶縁特性向上などの効果が期待される.



[学術論文]
(3) K. Kato, M. Kurimoto, H. Shumiya, H. Adachi, S. Sakuma and H. Okubo:
"Application of Functionally Graded Material for Solid Insulator in Gaseous Insulation System"
IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.13, No.2, pp.362-372, 2006

(2) 朱宮秀記,加藤克巳,大久保仁
"FGM(傾斜機能材料)適用によるSF6ガス中トリプルジャンクションにおける耐雷インパルス絶縁性能の実験的検証と理論的推定"
電気学会論文誌B, Vol.125, No.12, pp.1245-1251, 2005

(1) 朱宮秀記,加藤克巳,大久保仁
"ガス絶縁電力機器への誘電率傾斜FGM(傾斜機能材料)の適用可能性"
電気学会論文誌B, Vol.125, No.7, pp.695-699, 2005


[発表実績]
(14) M. Kurimoto, H. Watanabe, K. Kato, N. Hayakawa, M. Hanai, Y. Hoshina, M. Takei, H. Okubo:
“Dielectric Characteristics of Epoxy/Alumina Nanocomposite with Particle Dispersion Techniques Using Ultrasonic Wave and Centrifugal Force”
2009 Annual Report, Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena

(13) M. Kurimoto, H. Watanabe, K. Kato, N. Hayakawa, M. Hanai, Y. Hoshina, M. Takei, H. Okubo:
“Dielectric Properties of Epoxy/Alumina Nanocomposite Influenced by Particle Dispersibillity and Filler Content”
2009 International Conference on Properties and applications of Dielectric Materials, H-5

(12) M. Kurimoto, H. Watanabe, K. Kato, M. Hanai, Y. Hoshina, M. Takei, H. Okubo:
“Dielectric Properties of Epoxy/Alumina Nanocomposite Influenced by Particle Dispersibility”
2008 Annual Report, Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp.706-709

(11) M. Kurimoto, A. Kai, K. Kato and H. Okubo:
“Fablication of Permittivity Graded Materials for Reducing Electrid Stress on Electrode Surface”
2008 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, pp.265-268

(10) M. Kurimoto, A. Kai, K. Kato and H. Okubo:
“Improvement of Dispersibility of Nano-fillers in Epoxy/Alumina Nanocomposite by Application of Ultrasonic Wave”
2007 International Symposium on Ecotopia Science,23H04-07 (1080)

(9) H. Okubo, H. Shumiya, M. Ito and K. Kato:
"Optimization Techniques on Permittivity Distribution in Permittivity Graded Solid Insulators"
2006 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 18-1, pp.519-522, 2006

(8) H. Okubo, H. Shumiya, M. Ito and K. Kato:
"Insulation Performance of Permittivity Graded FGM (Functionally Graded Materials) in SF6 Gas under Lightning Impulse Conditions"
2006 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 9-7, pp.332-335, 2006

(7) H. Shumiya, K. Kato, H. Okubo:
"Fabrication and Prediction tehiniques for FGM (Functionary Graded Materials) Application to Solid Insulators"
2005 Annual Report, Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 7C-1, 2005

(6) H. Shumiya, K. Kato, H. Okubo:
"Feasibility Study on FGM (Functionally Graded Materials) Application for Gas Insulated Equipment"
2004 IEEE, Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 5A-6, 2004

(5) H. Okubo, M. Kurimoto, H. Shumiya, K. Kato, H. Adachi, S. Sakuma:
"Permittivity Gradient Characteristics of GIS Solid Spacer"
7th Intnl. Conf. on Properties and Applications of Dielectric Materials, S1-3, 2003

(4) M. Kurimoto, K. Kato, H. Adachi, S. Sakuma, H. Okubo:
"Fabrication and Experimental Verification of Permittivity Graded Solid Spacer for GIS"
2002 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp.789-792, 2002

(3) K. Kato, M. Kurimoto, H. Adachi, S. Sakuma, H. Okubo:
"Impulse Breakdown Characteristics of Permittivity Graded Solid Spacer in SF6"
2001 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp.401-404, 2001

(2) K. Kato, M. Kurimoto, K. Kimura, S. Sakuma, H. Okubo:
"Experimental Study on Permittivity Graded Spacer for Control of Electric Field Distribution"
12th International Symposium on High Voltage Engineering, Vol.2, pp.549-553, 2001

(1) K. Kato, K. Kimura, S. Sakuma, H. Okubo:
"Functionally Gradient Material (FGM) For GIS Spacer Insulation"
12th International Symposium on High Voltage Engineering, Vol.2, pp.401-404, 2001


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