(1)

高電圧工学 High Voltage Engineering

(2)

穂積直裕 • 1977-1983 早稲田大学

• 1983-1999 電力中央研究所

• 1996-1998 中央電力協議会

• 1999-2006 豊橋技術科学大学

• 2006-2011 愛知工業大学

• 2011- 豊橋技術科学大学

専門：高電圧工学・計測工学

誘電現象応用・超音波工学

(3)

授業のルール 真面目に聴く人のため、静かにしてください。Be quiet. 遅刻早退のときには挨拶してください。Greetings. 何処かで会ったら挨拶してください。Say hello to me. 質問がある場合は手を挙げてください。Questions. できるだけ寝ずに、私に反応してください。Be awake 内職禁止。No side work. 資料: 携帯電話かパソコンで Materials are available at: http://www.geocities.jp/tut_hozumi/ に入ると資料が見られます。パスワードはPW: "hozumi"

(4)

中身 高電圧と安全 Safety

電界を計算する Electric field analysis

気体の放電現象 Gas discharge

液体の電気伝導と絶縁破壊 Liquids

固体の電気伝導・絶縁破壊と劣化 Solids

高電圧機器 HV apparatuses

高電圧絶縁試験 HV testing

高電圧技術の応用 Applications of HF

(5)

Transmission network

Substation

Distribution substation

Distribution

Overhead transmission

Underground transmission

Power plant

Power system

(6)

Power companies and network

Tokyo 49 GW

Chubu 25 GW

Hokkaido 6 GW

Tohoku 12 GW

Thokuriku 6 GW

Kansai 28 GW Chugoku

11 GW

Kyushu 15 GW Shikoku

5 GW

0.6 GW

6.3 GW

0.3 GW

5,6 GW

5.6 GW 1 GW

1.4 GW

16 GW

5.6 GW

(7)

電力輸送に関連する高電圧・絶縁の課題

上流：地球規模のネットワーク ・超高圧大容量長距離送電網 ・再生エネルギー源の遠隔地化と大容量化

・架空送配電に対する忌避傾向 高電界絶縁材料 直流絶縁系 高分子屋外絶縁 極低温絶縁 ・・・・

中流：設備の高経年化 ・保守・診断技術の確立と維持 ・戦略的更新と保守による経済性と信頼性確保

絶縁診断／故障解析 状態監視／故障探査 劣化モニタ アセットマネジメント ・・・・

下流／全体：使用形態の変化 ・機器の小型化・分散化 ・電圧波形(EV,ｲﾝﾊﾞｰﾀ等) ・効率運用(ｽﾏｰﾄ化) ・電力貯蔵 高熱伝導絶縁材料 高周波高電界絶縁 直流高電界絶縁 自己回復絶縁系 ・・・・

基盤技術と知見 高電圧工学 材料評価・劣化のメカニズム 計測・制御工学 知識工学･人工知能 計算化学 経済性評価 ・・・・

融合領域・応用開拓 宇宙航空 自動車／鉄道 医療／福祉 農業／食品／環境 ・・・・

発送配電の年間投資規模 世界で84兆円 日本が5%として4兆円 国内2兆円程度 (world energy outlook) 国内電力販売20兆円

(8)

Overview of our Issues.

Upstream：Global network ・EHV long distance tramsmission ・High capacity natural power with

distance ・Avoidance to overhead lines High performance insulation HVDC system Outdoor polymer insulation Cryogenic insulation ・・・・

Middlestream：Ageing ・Maintenance techniques ・Maintenance strategies with

economical points of view Diagnostics / Inspection Condition monitor / Fault location Ageing monitoring Asset management.....

Downstream, total：Change in usage ・Downsizing, decentralizing ・Waveforms (EV, Inverter, etc.) ・Efficiency (Smartening) ・Power / energy storage High thermal conductivity HF high field insulation DC high field insulation Self healing insulation .....

Fundamentals High voltage eng. Ageing mechanisms Measurement & control Knowledge engineering Computational chemistry Economics ・・・・

Fusional applications Aerospace Automobile / Railway Medical / Welfare Agro & food industries Environmental ....

Scale of investment 84T USD/yr (world) 4T USD (Japan) (world energy outlook) Annual power consumption 20T USD (Japan)

(9)

50 Hz – 60 Hz conversion

(10)

1000 kV transmission line and substation

(11)

Power cables

J-Power systems HP

(12)

電気設備の保守と診断 Maintenance and diagnostics.

故障は 困るが長期間使用したい。保守や診断で 解決できるか？

(13)

Van de Graaff Generator

World's Largest Van de Graaff Generator at the Boston Museum of Science.

(14)

ケーブル絶縁破壊前駆遮断試験設備 Breakdown test for aged underground cables.

経年CVケーブルの絶縁劣化様相を解明するとともに、残存絶縁性能を把握することによって、今後の経年CVケーブル設備の管理手法の確立に不可欠な基礎データを取得することを目的とした研究設備です。Central Research Institute of Electric Power Industry (電力中央研究所HP)

(15)

高圧電源 High voltege sources

(電力中央研究所HP)

1600kVインパルス 電圧発生装置

1600 kV impulse

200kV交流電圧発生装置 200 kV AC

(16)

テラヘルツ波を利用した研究

将来の全固体変電所や固体絶縁を適用した電力機器に対する診断技術開発の中で、不透明な固体絶縁材料で囲われている機器内部の各種ストレスを外部から観察し、内部欠陥の存在・発生を検出する技術を開発するための研究設備です。材料の内部計測のための検出光として、テラヘルツ波帯の適切な波長の光（電磁波）を選択して照射し、透過吸収特性や偏波変動を計測することができます。 (電力中央研究所HP)

(17)

レーザー誘雷 Laser triggered lightning.

レーザーを大気中に集光照射するとプラズマチャンネルが生成されます。プラズマチャンネルは高い導電率をもつために、放電をガイドすることが出来ます（図１）。ただし、放電をガイドするためには最適なプラズマ密度とチャンネル長さが必要です。 この技術を用いて、落雷を安全な場所に誘導する技術がレーザー誘雷です。

(レーザー技術研究所HP)

(特公2006-331748)

(18)

Elekiter, the friction charger for therapy.

平賀源内 Gen-nai Hiraga

(19)

Leiden Jar, 1745.

http://www.geocities.jp http://imagenavi.jp

(20)

8th Century electrical experiment

Igniting spirits of wine by means of an electrostatic discharge. A man, standing on an insulating wax tablet, holds a charged glass rod in his left hand and a sword in his right. An electrostatic charge is created by the frictional electrostatic generator on the right. This passes through the glass rod, the body of the man standing on the wax tablet and down through the sword where a spark passes between the sword and the spoon setting light to the spirits of wine in the spoon. During the 18th century there was huge interest in electrical studies in England, France and Germany, particularly after the Leyden Jar was invented in 1745. http://imagenavi.jp

(21)

Voltaic Pile (ボルタ電堆)

(22)

Benjamin Franklin, 1751

空中電気の研究

雷雲が近づくとLeiden瓶に 電荷が蓄えられる。

(23)

Thunderstorm

https://www.kankyo-business.jp/column/009542.php

www.rikuden.co.jp サンコーシヤHP

Summer

Winter

(24)

Niagara Hydro plant, 1890s

(25)

高電圧と安全 Safety

(26)

電気設備技術基準における電圧の区分

(電気設備技術基準)

(27)

安全距離

高電圧に対する安全距離

柵、塀等と充電部分との最小離隔距離(電気設備技術基準)

(28) (日本電気技術者協会HP)

人体への通過電流値と影響

(29)

商用交流に対する人体反応曲線

独ケツペン氏によると、大きな電流が人体を通過すれば、短時間で危険、小さな電流なら長時間流れても危険はなく、その限界は５０［ｍＡ・ｓ］と提唱した。ヨーロッパでは、安全率を見込んで３０［ｍＡ・ｓ］で運用されている。わが国でも３０［ｍＡ・ｓ］を基本とし、漏電遮断器は高感度・高速形の３０［ｍＡ］、０．１［ｓ］のものが一般的に採用されている。 (日本電気技術者協会HP)

人体の抵抗がだいたい1～2kΩ 50Vかかると25 ～50 mA 42 Vかかると危ない。

(30)

漏電

筐体 cabinet

柱状変圧器 pole transformer

100 V 100 V 200 V

L1: Red N: White L2: Black E: Green

(31)

感電しないために(高電圧)

・機器には必ずアースを付ける。 ・濡れた手で電線・スイッチなどを触らない。 ・金属部分には直接触らない（蓄電されている場合がある）。

・コンセント１カ所について１５アンペア（１５００ワット）以内。

・延長コード、コードリールは束ね巻きで使用しない。 ・活線のままで作業しない。 ・危ないと思ったら触らない。

(32)

感電しないために(高電圧)

・接地・検電。 ・コンデンサを開放して置かない。 ・誘導電圧に注意する。 ・離隔をとる。 ・安全靴とゴムマット。 ・転落防止。 ・安全柵とインタロック。 ・一人作業をしない。 ・わかるまで手を出さない。 ・指差し確認。 ・危ないと思ったら触らない。

指先に雷 二本足のコンデンサ 揺れる電極 尻に電流路 並行線の誘導 パイプの接触