報告書番号

GD25029

タイトル（和文）

空間電荷測定に基づくケーブル絶縁体の導電率推定手法とその妥当性検証

タイトル（英文）

Estimation and Validation of Conductivity Distributions in Cable Insulation Based on Space Charge Measurements

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
再生可能エネルギーの導入拡大や広域での電力融通の必要性に伴い，押出絶縁電力ケーブルを用いた高電圧直流ケーブルシステムの適用が拡大している。直流電圧下におけるケーブル絶縁体の電界分布は，絶縁体の導電率の温度および電界依存性に強く影響されるため，導電率は直流絶縁性能に影響を及ぼす重要な物性である。従来，ケーブル絶縁体の導電率はケーブルから絶縁体を切り出しシート状に加工した試料を用いた電流測定により評価されてきたが，この方法はケーブル形状を維持できない破壊的手法であるため，ケーブル固有の半径方向構造や温度勾配を保持した評価ができない。また，同一ケーブルに対する繰り返し評価ができず，導電率の半径方向の分布および温度・電界依存性の経時変化を追跡することもできない。一方，近年の空間電荷測定技術の進展により，直流課電下における実ケーブル中の電界分布を高精度に取得できるようになってきた。しかし，得られた電界分布から導電率の分布および温度・電界依存性を逆解析的に推定し，直流絶縁性能の評価に活用するための体系的な手法は確立されていない。
目　　的
空間電荷測定により得られる電界分布を用いて，押出絶縁電力ケーブルの絶縁体内部における導電率の分布および温度・電界依存性を非破壊で推定する解析手法を構築し，その妥当性を検証する。さらに，推定された導電率の分布および温度・電界依存性の活用例として，熱破壊機構に基づく直流絶縁破壊電圧の計算を行い，本手法の直流絶縁性能評価への適用可能性を検証する。
主な成果
1. 空間電荷測定に基づいたケーブル絶縁体の導電率推定手法の構築
ケーブル絶縁体の空間電荷測定により取得される電界分布を用いて，導電率の分布および温度・電界依存性の解析手法を構築した。本手法では，電界の緩和時間と定常状態の電界分布を利用することで，導電率の分布および温度・電界依存性を推定する。実ケーブルの空間電荷測定結果に本手法を適用し，推定された導電率の温度・電界依存性と従来のシート状試料を用いた電流測定により得られた導電率の温度・電界依存性を比較した。その結果，双方は良好な一致を示し，本推定手法の妥当性を確認した。
2. 推定された導電率を用いた熱破壊機構に基づく直流絶縁破壊電圧の評価
推定された導電率の分布および温度・電界依存性を用いて，熱破壊機構に基づく直流絶縁破壊電圧を計算した。ここでは熱破壊機構のうち，定常熱破壊モデルを用いた。これは，直流電圧印加時に絶縁体内部で生じる発熱と外部への放熱のつり合いが破綻し，電流が指数関数的に上昇する電圧を評価するモデルである。計算された絶縁破壊電圧は，文献で報告されている直流絶縁破壊電圧と良好な一致を示した。これらの結果から，ケーブル絶縁体中の導電率の分布および温度・電界依存性に基づく直流絶縁破壊電圧を実ケーブル形状のまま非破壊で評価できる可能性が示された。また，本手法はケーブルの性能確認試験の前後や途中など，試験環境において同一ケーブルの同一箇所に繰り返し適用できるため，長期にわたる導電率および絶縁性能の経時変化を把握でき，ケーブル絶縁体の長期信頼性の確保に貢献できると期待される。

概要 （英文）

The insulation performance of DC power cables is strongly influenced by the conductivity distribution within the polymeric insulation. Conventional evaluation using sheet specimens cut from cables is destructive and cannot preserve the inherent radial structure or temperature gradient. This study proposes a non-destructive method to estimate the conductivity distribution, including its temperature and electric-field dependence, in extruded cable insulation using electric-field profiles from space charge measurements. The method was first validated with numerically generated data based on an equivalent CR-circuit model, successfully reproducing the prescribed conductivity parameters, and then applied to experimental data from cable samples. The estimated conductivity agreed well with values from conventional current measurements on sheet specimens. Furthermore, the obtained conductivity parameters were used to calculate DC breakdown voltage based on a steady-state thermal breakdown model. The calculated values agreed well with experimentally reported breakdown voltages for cables with comparable insulation thickness. These results demonstrate that the proposed method can effectively estimate conductivity from space charge measurements for practical DC insulation performance assessment.

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