電力技術研究所

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電力機器の劣化診断技術

電力流通設備の維持・管理のコスト低減と信頼性の維持・向上のため、電力機器の劣化状態を的確に把握し、トラブルなしに限界まで使用するための評価技術が求められています。当所では、代表的な電力機器・設備である電力ケーブル、ガス絶縁開閉装置、変圧器等の使用限界を明らかにする手法を検討しています。（１）ＣＶケーブルの劣化診断手法として、部分放電測定と絶縁破壊直前に電圧を遮断できる高速遮断技術を用いて、ケーブルの劣化様相、寿命予測を検討しています。（２）ＯＦケーブルの劣化診断手法として、簡便に使用することが出来るクランプ式高周波ＣＴを用いた部分放電測定手法を検討しています。また、ＯＦケーブル絶縁層中で発生する可能性のある部分放電の各種特性の解明を進めています。（３）変圧器の寿命に大きく影響を与える油浸絶縁紙の劣化特性を明らかにしました。また、熱の影響を考慮した簡便な数値解析によって、変圧器の寿命推定を行う手法を開発しました。ＣＶケーブル、ＯＦケーブルなどの絶縁劣化診断技術および変圧器やガス絶縁機器の余寿命推定・異常診断技術の高精度化を進めます。 長尺CVケーブル絶縁前駆遮断試験設備 CVケーブル断面図 検出された水トリー ケーブル絶縁体 ケーブル絶縁体 高電圧電源（変圧器） 高電圧電源（変圧器） 水端末装置 水端末装置 OFケーブル終端 OFケーブル終端 ケーブル終端 接地線 ケーブル終端 接地線 部分放電センサ （高周波CT） 部分放電センサ （高周波CT） ターンテーブル ターンテーブル CVケーブル CVケーブル 外導到達ボウタイトリー 長さ：約1.6mm 外部半導電層 ＯＦケーブル終端での部分放電測定 ＯＦケーブルの接地線の切り離しなどの設備の電気回路に手を加える必要が全くないクランプ式高周波ＣＴを採用しました。数ｋｍのケーブル線路に対して数千ｐＣとある程度大きな部分放電を終端で測定可能であることを確認しています。 経年ＣＶケーブル内部の水トリー（絶縁劣化痕）の検出 絶縁破壊直前に電圧を高速遮断する試験などから、6 0 k V 級以下のＣＶケーブルの主要劣化要因は絶縁体中の水トリーであること、また、長い水トリーほど絶縁性能を大きく低下させることを確認しました。

これまでの

研究と

主な成果

これまでの

研究と

主な成果

背景

今後

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１３１１ 変圧器内部の過渡温度 計算プログラム ２軸伸長試験による ゴム材料の物性値の取得 有限要素法を用いたOリングの応力緩和解析 電力用変圧器の 絶縁油温度推移計算例

電力機器の劣化診断技術

ガス絶縁機器

変圧器

劣化診断

V1 R1 R2 R3 V2 V3 各ノードは以下に対応 V1：巻線温度 V2：絶縁油温度 V3：タンク表面温度 日射の影響 考慮 風の影響 考慮 6.6 0.9 変圧器の負荷状況調査から、変圧器の使用限界に重要な関わりがある油浸絶縁紙等の温度履歴を比較的簡単に精度良く計算できる解析手法を開発しました。これにより、変圧器の寿命推定が概略可能です。ガス絶縁機器などに使用されるガスシール材（Oリング）の経年に伴う劣化状況を推定・予測するために、有限要素法を用いた圧縮永久歪の計算手法の高度化と、実験による各種物性値の取得を進めています。 変圧器のFRA測定結果 短絡試験後の解体調査結果 伝達関数の共振特性の変化は変圧器巻線異常を示唆しています。圧縮中のOリング断面の半分を表示しており、赤い部分は応力が強い。変圧器巻線の変形が発見されました。これは、FRAによる診断と一致しました。

異常診断

短絡試験前 短絡試験後 100k 300k 1M 伝達関数 （d B） 周波数（Hz） 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 経年変圧器や地震等の振動を受けた変圧器で懸念される巻線異常（位置ずれや変形）を外部から診断する手法として、周波数応答解析（ＦＲＡ）が注目されています。変圧器短絡試験前後に同手法を適用し、解体調査と対比させ、変圧器巻線異常を高感度に検出できることを示しました。 実測値 計算値 ゴム 電力量 絶縁油温度 （℃ ）日時 電力量 （ MWh ） 10 0 0 20 40 60

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電力流通設備のアセットマネジメント支援ツール

電力流通設備の維持管理にかかるコストと供給信頼性を高度にバランスさせていく必要があるため、設備の保守管理部門においては、広い意味での設備診断技術に、経済的指標を採り入れる、いわゆるアセットマネジメント技術の導入を検討しており、一部で維持管理・更新支援への活用も試行されています。当所では設備診断情報の効果的な活用、設備保守費等も考慮した経済面の評価指標の導入を目指し、保守計画策定を支援する維持・更新計画支援プログラムの開発を進めています。 （１）平均保守コスト比較に基づく保守計画支援プログラム 保守施策として一般に想定される事後保全（ＣＭ）、定期更新による保全（ＴＢＭ）、状態診断結果に基づく保全（ＣＢＭ、ここでは寿命診断結果に基づく保全）の３種類について、設備量−経年分布を考慮した上で運用期間中の平均保守費用を算出し、保守計画策定を支援します（図１）。 （２）油入変圧器を想定したオーバーホール計画支援プログラム 毎年の保守費用が経年とともに増加する機器としてここでは油入変圧器を想定し、その増加率やオーバーホールによる「若返り」、経年による故障率の増大などを考慮して、想定運用期間中の平均保守費用を算出、適切なオーバーホール計画（実施時期と投入費用）の選択を支援します（図２、３）。各種電力流通設備の特性に合わせた維持・更新計画策定支援プログラムの開発を進めます。 図１平均保守コスト比較に基づく保守計画支援プログラム（画面例）

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今後

電力設備保守計画コスト評価ソフト 運用する設備の設備量−経年分布を考慮した上で、各種保守施策（ＣＭ、ＴＢＭ、ＣＢＭ）による運用期間中の平均保守費用を算出して保守計画の選択支援を行います。

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電力流通設備のアセットマネジメント支援ツール

基本的な考え方 年間の保守費が経年で直線的に上昇し、オーバーホールで経年の浅い頃の値に戻る（「若返る」）とすると（図２上）、その累積値はオーバーホールの有無によって図２下のように変化します（ここでは毎年の保守費のみ表示。計算時はオーバーホール自体の費用も積算する）。オーバーホール（２回まで）の時期と規模を変えたときの効果を評価して最適施策選択を支援します。経年で増加する故障処理費用想定値も同様に扱います。 計算に必要なパラメータ ①年間保守費の増加特性（ベース費用、増加開始経年、増加率）、②オーバーホール効果（投入費用に対する保守費低減効果）、③ 平均寿命と事故時の処理費用（経年に応じた想定事故処理費用を算出）、および④想定運用期間（評価期間）を指定する必要があり、対象設備の実績ベースから選択することが望ましい（必須と考えられる項目を入力、反映できるプログラムの提供を目的としています）。 図３油入変圧器を想定したオーバーホール計画支援プログラム（画面例） 図２「若返り効果」の考え方 オー バーホ ールなし オーバーホール １回目実施 オーバーホール２回目実施 経年経年 0 0 年間保守費 累積保守費 オーバーホールあり 累積保守費 低減分 オーバーホールによる 保守費低減 この分「若返り」する （低い値だった経年の 浅い頃に戻るとみなす） 年間保守費経年特性を この３パラメータで指定 想定運用期間を指定 （ここでは５０年） 故障確率を 正規分布で設定 オーバーホール特性・ 効果を表現するために 導入したパラメータ １回目の各条件（実施経年と投入費用）において、２回 目に最適条件を選択した場合の５０年間の平均保守費を 表示している。縦横線（カーソル）の交点が最適条件。 上図（１回目）でカーソル位置の条件を選択した場合の、２回目の 各条件について平均保守費を表示している。上図でカーソルを動か し、１回目の条件を手動で設定する事も可能。

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大電流アーク対策技術

落雷などにより送配電設備で短絡故障が発生すると、その箇所には通常の数倍から数十倍の故障電流（数千∼数万アンペアの大電流）が流れることがあります。絶縁破壊などにより放電を伴って故障電流が流れる場合には、膨大なエネルギーを持つ故障アークが発生するため、公衆安全の確保や電力機器の保護が必要です。当所では、安全・安心な電力流通設備を目指し、故障が発生しても送電設備に流れる電流を速やかに遮断する研究や、故障により電力流通設備内に発生する圧力に適切な対策を施す研究を行っています。 （１）故障電流を瞬時に遮断する続流遮断型アークホーンの開発 故障電流を瞬時に遮断することができる６６／７７ｋＶ送電用の続流遮断型アークホーンを共同研究で開発しました。現在、電力系統に導入されています。

また、ＥＭＴＰ（Electromagnetic Transients Program）に適用可能な続流遮断型アークホーンの電流遮断シミュレーションモデルを開発しました。このモデルを用いて系統解析を行うことにより、リレーとの保護協調の観点から効果的な導入箇所を検討できます。 （２）大電流アークで発生する圧力のシミュレーション技術の開発 電力機器を模擬した密閉容器内、地下の電力ケーブルを収納する防護管内、地中配電用の電線共同溝で使用されている特殊部内などで故障アークが発生した場合の、圧力上昇・伝搬特性をシミュレーションできる技術を開発しました。実規模短絡試験と組合せて種々の条件での圧力の上昇や伝搬を推定できます。 （３）送配電設備で事故時に発生する大電流アーク現象の解明 事故箇所に発生する大電流アークの温度、噴出特性などを検討し、電流５０ｋＡの大電流アークジェット（電極付近のアーク）の温度が約１万度であることなどが分かりました。・低コストで効果的な故障電流を遮断する技術を開発します。・実規模短絡試験を補完するデジタル短絡試験技術ツールを開発し、適切で効率的な送配電設備の短絡性能評価および短絡現象解明を行います。 ６６／７７ｋＶ送電用 最大遮断電流：実効値１０ｋＡ（最大波高値２５ｋＡ） 関西電力㈱、東京電力㈱、日本カタン㈱、電中研の共同研究 送電線で発生する大電流アーク（電流：３０ｋＡ） アークは、落雷などで電力系統に異常な高電圧が発生して絶縁が破れ、放電によって電流が流れることにより生じます。アークの経路となる媒体の分子は、電子やイオン、中性粒子に分解されてプラズマ状態になり、膨大な熱、光と音を発生します。 アーク

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大電流アーク対策技術

特殊部内でアークが 発生した場合の圧力 伝搬のシミュレーショ ンモデル技術の開発 特殊部の仕切り板の下部でアーク故障が発生した時の圧力上昇・伝搬特性を解析しました。接続管を通して隣の特殊部へ圧力が伝搬している様相や、仕切り板が圧力を効果的に封じ込めている状況が分かります。 ケーブル防護管内を伝搬する圧力の シミュレーションモデル技術の開発 圧力が防護管内を減衰しながら伝搬してく様子をシミュレーションでき、実験の結果と良く一致することを確認しました。防護管の内径やケーブルの太さを変えた場合に、全てのケースで実規模短絡試験を実施しなくても圧力伝搬の様相を推定することができます。 続流遮断型アークホーンの電流遮断 シミュレーションモデルの開発 図中の青線は、短絡電流遮断試験で得られた電流・電圧の実測波形、赤線が開発したシミュレーションモデルを用いた計算波形。両者は良く一致しており、故障発生から遮断までの全過程を模擬することができます。 ６６／７７ｋＶ送電用 続流遮断型アークホーン 関西電力㈱、東京電力㈱、日本カタン㈱との共同開発。最大遮断電流１０ｋＡ、遮断時間１サイクル以内。電力系統に多数導入されています。 シミュレーション結果 圧力上昇 ［ kPa ］ 0 300 0 300 0 300 0 300 _20msec 290.2kPa 137.8kPa 218.2kPa 270.1kPa 短絡点からの距離 9.85m 4.85m 1.85m 0.15m ６６／７７ｋＶ送電用 続流遮断型アークホーン 短絡発生 1.2 × 105 （Pa） 1.1 × 105 1.0 × 105 電線共同溝のイメージ （国交省のHPから作成） 大電流領域のアークジェット 電流［k A ］ 故障発生 電圧［k V ］ 電流零点近傍のアークジェット 線路側 ホーン 接地側 ホーン 線路側 ホーン 接地側 ホーン 故障除去 通電開始からの時間［ms］ 実測波形 計算波形 地上機器 地上機器 特殊部 特殊部 接続部 接続部 地上機器 解析対象 仕切り板 アーク故障発生箇所 特殊部 接続部

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雷インパルス高電圧標準計測システム

電力機器の絶縁性能検証のためのインパルス耐電圧試験において、規定の電圧が機器に印加されたことを保証するため、国際規格ＩＥＣ６００６０−２では、測定システムを国家標準と直接または間接的に比較して校正することを義務付けています。このため我が国では、日本高電圧インパルス試験所委員会※ （ＪＨＩＬＬ）のもと、当所が中心となって国家標準級雷インパルス高電圧標準計測システム（以下、国家標準級計測システム；下記イラスト）の完成を目指しています。国家標準級計測システムの構築には，雷インパルス電圧波形の波高値、波頭長および波尾長測定の不確かさを評価する必要があります。当所は、ＪＨＩＬＬの委託で維持・保管している雷インパルス高電圧標準計測システムの測定不確かさを評価し、高電圧計測の分野を主導する主要各国の国家標準計測システムの不確かさよりも小さく、世界最高の水準にあることを検証しました。国家標準級計測システムの安定的な維持、国内外認定試験所等の基準システムとの比較・校正試験をＪＨＩＬＬと連携して推進し、国家標準級システムを頂点とする国内外雷インパルス高電圧計測システムのトレーサビリティー体系を確立するとともに、インパルス高電圧計測技術の標準化を通じて、電気事業・産業界へ貢献していきます。 高圧側抵抗 測定ケーブル 低圧側抵抗 雷インパルス電圧 雷インパルス電圧 標準雷インパルス電圧波形 電圧 波高値 波頭長（約1.2μs） 波尾長（約50μs） 時間 水平リード棒 制動抵抗 500kV 雷インパルス 標準分圧器 シールドルーム 低電圧校正器 ディジタルレコーダー Dr.Strauss社製 TR-AS 200-14 （垂直分解能：14ビット, サンプリングレート：200MS/sec） 国家標準級雷インパルス高電圧標準計測システム 主として、５００k V 雷インパルス標準分圧器（シールド抵抗補償型分圧器）、ディジタルレコーダー、低電圧校正器から構成されます。

※日本高電圧インパルス試験所委員会（JHILL：Japan High-Voltage Impulse Testing Laboratory Liaison）

日本電機工業会主管の委員会組織であり、高電圧試験所、学識者及び使用者業界で構成され、高電圧試験に関して日本を代表して活動しています。

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雷インパルス高電圧標準計測システム

国家標準級計測システムの長期安定性評価 国家標準級システムとしての維持には長期的な安定性評価が不可欠です。上の写真は直角波応答試験により標準分圧器の周波数特性の長期安定性を評価しています。 国家標準級計測システムと当所基準測定 システムとの比較試験 比較試験により、基準測定システムの指定スケールファクタと拡張不確かさを評価し、国家標準級システムとのトレーサビリティーを確保しています。 主要各国の国家標準による雷インパルス 高電圧測定の拡張不確かさとの比較 基準測定システムに要求される測定の不確かさは下記の通り規定されていますが、国家標準に対しては規定されていません。このため、各機関が不確かさに寄与する種々の要因に対して不確かさを評価し、システムの不確かさを評価しています。右図から、我が国の標準計測システムによる測定の不確かさは世界最高の水準であることが示されました。 国家標準システムに関するヒエラルキーとトレーサビリティー IEC60060-2（高電圧試験での測定システムに関する規格）では、国家標準を頂点とする階層構造が規定されており、国家標準と比較して校正した基準測定システムを用いて下位の測定システムを校正します。 ※IEC60060-2の基準測定システムへの要求性能は、波高値測定：1%，波頭長・波尾長測定：5%です。 ※右図の各国データは、国際度量衡局（BIPM）のデータベース（http://kcdb.bipm.org/）上の記載値です。（2012/12/18現在） ◇ 日本：JHILL（電中研で実施） ◇ ドイツ：PTB（ドイツ連邦物理工学研究所） ◇ フィンランド：HUT（ヘルシンキ工科大学） ◇ オーストラリア：NMI（オーストラリア計量研究所） 波高値測定 波頭長測定 波尾長測定 オーストラリア フィンランド ドイツ 日本 （電中研で実施） 不確かさ［％ ］ 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 認可測定システム Approved Measuring Systems （A.M.S.） 認定試験所 Accredited Testing Laboratories 基準測定システム Reference Measuring Systems （R.M.S.） 校正 トレーサ ビリティ 校正 トレーサ ビリティ 認定校正機関 Accredited Calibration Laboratories 国家標準 National Standards （N.S.） 国立研究所など National Laboratories 1.6 MV 分圧器 1.6 MV IG 電圧印加線 接地用銅板 当所基準分圧器 国家標準級分圧器 リード棒接続用台座 リード棒 リード棒

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全固体変電所の要素技術

高度成長期に多数導入されてきた電力流通設備は、今後次々に設計寿命（一般に３０年）を越えてくるため、近い将来、大量のリプレースが必要となります。将来の電力流通設備には、従来にも増して環境面の配慮が求められます。現在多くの設備で絶縁油や S F6ガスが絶縁材料として使われていますが、これらには防災面や地球温暖化問題の面から厳密な管理が必要となります。これに対し、固体の絶縁材料には漏洩による環境負荷がなく、保守・管理が容易です。当所では固体絶縁材料を最大限活用した新型変電所の開発を目指して、その基礎設計技術を開発しています。 （１）全固体変圧器の概念設計 モールド絶縁材料への充填材料（窒化アルミニウム粒子など）と充填量を適切に選定すれば、絶縁性能と熱伝導性能が両立し、油入変圧器と同程度の寸法で６０ｋＶ級２０ＭＶＡの全固体変圧器を設計できる見通しを得ました。 （２）コンパクト固体絶縁接続機構の開発 機器相互を接続するフレキシブルな接続機構として、コンパクトな接合部（ハイパーコネクタ）を提案し、接合界面形状、コネクタ部の接続手法等の検討から、実適用の見通しを得ました。 （３）外層接地型の全固体変圧器モデルの製作 これまでの研究で蓄積した絶縁設計やモールド成型手法等の知見に基づき、ハイパーコネクタ端子を採用した６０ｋＶ級の変圧動作が可能な外層接地型の全固体変圧器モデルを設計・製作しました。外層接地型全固体変圧器モデルを用いて、６０ｋＶ級全固体変圧器の設計に必要な基礎データを取得し、実規模の６０ｋＶ級全固体変圧器の基礎設計技術を確立していきます。 最新鋭地下変電所（左）と、次世代の全固体変電所の予想図（右）

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主な成果

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１２１１ 4 3 2 1 0 0 40 60 80 所要特性 窒化アルミニウム 複合粒子 40vol％充填 アルミナ破砕粒子 35vol％充填 熱伝導率 （ W/m/K ） 絶縁破壊強さ（kVrms/mm） エポキシ樹脂単体 鉄心鉄心 モールド巻線 モールド巻線 冷却用ファン 冷却用ファン ハイパーコネクタ端子 ハイパーコネクタ端子

全固体変電所の要素技術

試験用全固体変圧器モデル ハイパーコネクタを端子に採用した 6 0 k V 相当の変圧が可能な外層接地型のモールド変圧器を設計・製作しました。本モデルを用いて、 6 0 k V 級全固体変圧器の設計に必要な基礎データの取得を進めます。 ハイパーコネクタのモデル 山型の断面形状を有する接続コネクタに、接続コネクタ部への分割型真空容器の設置などによる真空下（1Pa程度）での接続手法の適用により、絶縁耐力が３割以上向上し、コンパクト固体絶縁接続部への適用が可能となります。 60kV級全固体変圧器の概念図 当所で開発した窒化アルミニウム粒子充填エポキシ樹脂の高温電気絶縁特性等をベースに設計した 20MVA、60kV級変圧器の試設計例です。各種設計仕様を満たし、かつ環境性を考慮し変圧器の製造から運用、廃棄に至る過程での全CO2排出量が最小となる条件で、外寸約 3.7m×2.1m×1.3m（同容量の油浸絶縁変圧器と比較して同程度）、総重量約28t（同約80％）程度で実現可能であることが示されました。 全固体変圧器用モールド絶縁材料の特性 窒化アルミニウム複合粒子やアルミ粒子を充填したエポキシ樹脂をモールドして用いることで60kV級20MVA全固体変圧器が可能です。 ケーブル側コネクタモデル 機器側コネクタモデル 鉄心 モールド巻線 冷却用ファン ハイパーコネクタ端子 油絶縁変圧器と同等容積で 6 0 k V 級全固体変圧器を 実現する上で、モールド絶縁材料が満足すべき絶縁性 能と熱伝導性能。 鉄心 低圧側 コイル △結線用 ケーブル 2110 mm 1300 mm 3670 mm 高圧側 コイル 低圧 引き出し口 高圧 引き出し口 中性点 引き出し口 総重量：28.1t 効率：99.71％（定格） 99.74％（負荷率60％）

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超電導電力機器の基盤技術

超電導は電気抵抗がゼロになる現象で、電力を送電する際の抵抗損失を回避することができるため、エネルギー効率の高い電力機器を作ることができます。このため、超電導ケーブルや、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、超電導変圧器、さらには超電導限流器などの開発が行われ、実用レベルまで開発の進んでいる機器があります。当所では、超電導線を交流で使用するために、交流損失の精密な計測技術、低交流損失化手法、超電導性能向上技術等を開発してきました。これは、超電導を交流で使用する電力機器に適用すると、超電導特有の交流損失が発生し、機器の効率低下や冷凍負荷の増大につながってしまい、電気抵抗がゼロによる高効率化、小型・軽量化等のメリットが少なくなってしまうからです。また、超電導発電機、超電導電力貯蔵（ＳＭＥＳ）、超電導限流器、超電導ケーブル等の系統導入効果も合わせて研究してきました。さらには、より経済性の高い超電導機器の実現に不可欠な、超電導線材の性能向上に関わる研究にも取組んでいます。 （１）金属系超電導線材の開発と交流超電導技術（低温超電導） 低交流損失の金属系超電導線材の開発を行うことにより、電力機器等の交流機器に超電導技術が適用できることを示しました。さらに、交流超電導技術を用いて超電導電磁攪拌など、超電導技術の産業応用への可能性を示しました。 （２）酸化物系超電導機器（高温超電導） 高温超電導については、５００ｍ高温超電導ケーブルフィールド試験による実用化に向けた基本的な技術を確立しました。また、電力系統の故障電流を抑制するために、磁気遮へい型限流器やそれに用いる厚膜円筒超電導体を開発しました。 （３）ナノ構造制御による高温超電導線材の高性能化 さらに、高温超電導薄膜の高性能化のために、超電導体にナノサイズの球形もしくは柱状の非超電導物質を混入することにより、磁束捕捉性能を強化し、超電導の臨界電流密度を向上させる研究を行っています。これまでに、ＹＢＣＯ薄膜、Ｆｅ系薄膜の微細構造評価を行うことで、これらのナノ構造体の形状と実際の超電導特性の関係を明らかにしてきました。 （４）超電導機器の系統導入効果 各種の超電導電力機器を系統に導入した際の効率向上効果、送電安定度向上効果など、様々な効果を解析により検証してきました。超電導機器の飛躍的な性能向上に繋がる高温超電導線材技術として、ナノ構造体による臨界電流密度向上方策を確立することを目的として、ナノ構造と超電導特性の関係性を解明します。また、電力系統の設備形成上の大きな制約要因である短絡電流を抑制することのできる高信頼・低コストの限流器技術の実用化が望まれています。このため、超電導限流器の導入方策の検討を進めていきます。

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今後

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超電導電力機器の基盤技術

人工ピンニングセンターを導入した YBCO 超電導薄膜の透過電子顕微鏡写真 超電導薄膜の微細構造評価 磁場中の臨界電流密度向上のために、超電導薄膜内部に侵入した磁束の動きを止める人工ピンニングセンターの導入が検討されています。人工ピンニングセンターは、超電導材料の内部に数 nm 程度の人工的に作った常電導部分です。人工ピンニングセンターを導入した超電導薄膜の微細構造を評価することで、最適な人工ピンニングセンターの構造を明らかにします。 nm：１mmの百万分の１ 磁気遮へい型超電導限流器の瞬時値解析用動作モデルの開発 小型磁気遮へい型限流器の試験結果を基に、ＸＴＡＰ上で解析可能な基本動作モデルを開発しました。超電導円筒体がフルクエンチした場合は、実験結果とシミュレーション結果の合致度が良く、部分クエンチの場合にも超電導材料の不均一性の考慮により、かなりの精度で合致する動作モデルを開発することがきました。 SN 転移型超電導限流器の配電系統への導入方法 瞬時値解析用動作モデルを用いて、ループ配電系統へのＳＮ転移型超電導限流器の導入方法を検討し、最適設置個所および限流器のパラメータの設定方法を示しました。限流器の適用により、系統内の短絡に対して系統全体を停電させないで事故を除去ができることが分りました。 ループ配電系統 部分クエンチの比較例 一次巻線 鉄心 限流器通過電流 （A） 限流器通過電流 （A） フルクエンチの比較例 小型磁気遮へい型超電導限流器 時間（sec） 時間（sec） 試験結果 試験結果 シミュレーション結果 シミュレーション結果

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雷害対策・雷リスク評価技術

雷は電力設備の事故の主要な原因の一つです。また最近は、社会の高度情報化に伴い、通信機器や家電製品の雷被害も増加の一途をたどっています。当所では、雷撃特性の観測、発生する雷過電圧の解析、各種耐雷方策の評価など、雷に関する広範囲な研究を実施し、雷によるリスクの最小化技術の確立に努めています。雷の被害を防ぐには、まず雷の性質を知ることが必要です。当所では各種の雷自動観測装置を開発し、種々の構造物に対する雷撃特性の解明を進めています（写真１）。また雷による事故防止のために、実験と理論の両面から研究し、雷害防止対策を提案・実証してきました。電力設備に対するそれらの成果は、耐雷設計ガイドとしてとりまとめられています。今後は、ますます増えると考えられる太陽光や風車など自然エネルギー発電設備や屋内のコンピュータや通信・制御装置の雷害防止に向けた研究を進め、雷害リスクを考慮した費用対効果の高い設計法を提案し、安全・安心な社会の実現を目指した研究を進めていきます（図１）。 東京スカイツリーにおけるロゴスキーコイルによる雷撃電流観測（写真１） 雷リスク評価の概念図（図１） 雷リスクマップ （概念図）

雷リスク評価

送電線雷事故率計算 配電線雷事故率計算 風車雷被害率計算 低圧回路被害率計算

各種計算モジュール

雷ＤＢ 設備データ 地形、 地図情報 ・・・

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主な成果

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主な成果

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今後

損失評価計算 ロゴスキーコイル（全長約３０ｍ） タワートップ（６３４ｍ） ロゴスキーコイル 設置位置（４９７ｍ） 天望回廊（４５０ｍ） 天望デッキ（３５０ｍ）

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雷害対策・雷リスク評価技術

雷害対策・雷リスク評価技術に関する当所の研究成果の例

落雷位置標定システムで得られた落雷頻度マップ 日本海沿岸での風車への雷撃の観測例 当所で開発した 送電線雷事故率 予測計算プログラム 電荷量（C） 件/km2 _件_/_km2 ◆：負極性 ▲：正極性 ○：両極性 電荷量の累積頻度 0.01 0.99 0.95 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 0.05 0.01 0.1 1 10 100 1000 送電線・発変電所・配電線の 耐雷設計ガイドおよび 送電用避雷装置の適用ガイド 冬季 夏季

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電気環境・電磁環境評価技術

送電線は、電力エネルギーを輸送する基幹ルートして活用されています。送電線の建設・運用に際しては、電気環境（磁界、電界、騒音、イオン流帯電など）や電磁（電波）環境を考慮した設備設計が必要です。また近年、情報通信技術（ I C T：Information and Communication Technologies）を活用した機器が広く社会で利用されています。ＩＣＴ機器の利用に際しては、放射性・伝導性の電磁雑音に曝されても正常に動作することが必要です。このため当所では、電力設備の電気環境対策に関わる研究に加え、ＩＣＴを活用した社会での電力供給設備のあり方を考え、社会全体における電磁環境調和を目指した研究に取り組んでいます。 （１）交流および直流送電線の電気環境評価技術 当所では、交流架空送電線のコロナ障害（騒音・電波雑音）、直流送電線のイオン流帯電の測定・評価など、電力設備に関わる電磁雑音の測定・予測・評価を行っています。特に、コロナケージや試験送電線など、実規模の実験設備を用いて得られた電線のコロナ特性などの成果は、超高圧送電線の導体設計などへ活用されています。 （２）電磁界の人体防護に関わる評価技術 電力設備の電磁界の人体防護に関わる、電磁界の測定・計算評価手法、および低減技術などを開発してきました。また、電磁界の人体防護ガイドラインの指標となる、人体中に生じる誘導電界・電流を、数値計算により評価する手法を開発し、ガイドライン適合性評価などへ活用しています。 （３）パルス性電磁雑音評価技術 台風などの自然災害や経年劣化が原因で電力設備から放射電磁波が発生することがあります。当所赤城試験センターに設置した電波雑音評価設備を用いて、各種の電波雑音の放射特性評価や電磁雑音のディジタル無線通信・放送への影響評価手法の開発を進めています。また、インバータ機器のスイッチング等に起因する伝導性電磁雑音がICT機器に与える影響について実態把握を進めています。

これまでの

研究と

主な成果

これまでの

研究と

主な成果

背景

塩原実験場コロナケージ 塩原実験場直流試験送電線

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１３１１

電気環境・電磁環境評価技術

社会変化に対応した電力供給設備のあり方を考え、社会全体における電磁環境調和を実現するために、以下の研究開発を進めます。（１）これまでに蓄積した、交流および直流送電線に関わる各種電気環境要因や電磁界の人体防護に関連した評価技術の集約化、ツール化を進めるとともに、社会の変化に対応した新たな電磁環境課題の解決に取り組みます。（２）放射性電磁雑音による電子機器類および無線通信システムへの影響を実験的に明らかにし、影響範囲の推定と対策法の開発を行います。（３）需要家設備を含む、機器間の電磁両立性を目指し、インバータ機器などによる伝導性電磁雑音によるＩＣＴ機器への影響の現象解明と、対策法の開発を行います。

今後

赤城試験センター電波雑音評価設備 （6.6 k V 配電線の例） 日本人人体詳細モデルにおける 磁界による体内誘導電界の計算例。 直立（左）および着座時（右）の例 劣化がいしからの放射電磁波（火花放電）の 測定例 （c m） 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 20000 16000 12000 8000 4000 0 ［μV/m］ jy_090

Scalar Electric Field

-20 0 20 （cm） （c m） 100 80 60 40 20 0 10000 8000 6000 4000 2000 0 ［μV/m］ ix_088

Scalar Electric Field

-20 0 20 （cm） 体内誘導電界の計算に使用する人体モデルは、ＮＩＣＴ（独立行政法人情報通信研究機構）が中心となり開発された日本人詳細モデルであり、２ｍｍの解像度、要素数約８００万、約５０の組織を模擬し、任意の姿勢が模擬可能です。

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１３１１

過渡電磁界現象の評価技術

現在、電力・通信・鉄道・道路などの重要な社会インフラに大量のＩＣＴ（ Information and Communication Technologies）機器が導入されています。これらの機器は、システム制御・情報通信など、社会インフラを安定に稼働させるために必要となる重要な機能を担っています。しかしながら、これらの機器は、雷などの放電現象に伴って発生する過渡的な電磁界やサージ（過電圧・電流）に脆弱であり、障害が発生することがあります。当所では、ＩＣＴ機器や通信ネットワークを雷などの放電現象に伴うノイズから適切に保護するために、過渡電磁界・サージ現象を予測する技術や過渡電磁界の発生源となる放電発生箇所を探査する技術の開発に取り組んでいます。 （１）過渡電磁界・サージ現象解析プログラム（ＶＳＴＬ）の開発

数値電磁界解析手法の一つであるＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法に基づく過渡電磁界・サージ現象解析プログラムＶＳＴＬ（Virtual Surge Test Lab.）を開発しました。ＶＳＴＬでは、ワイヤなどの細長い導体、過電圧対策として一般に用いられる避雷器やアークホーンの放電特性などの非線形要素、落雷時に雷によって生じる電磁界を模擬するための雷放電路など、雷サージ解析において必要となる各種のモデルを利用することができ、実用的な解析を行うことができます。 （２）放電発生源探査システムの開発 絶縁劣化箇所などにおいて放電が発生した際に放射される電磁波を４本のアンテナで受信し、アンテナ間に生じる電磁波の到達時間差に基づいて放電発生箇所を探査するシステムを開発しました。なお、受信信号から推定した複数の到達時間差の推定結果から外れ値を除去することによって、測定ノイズに対する推定結果のロバスト性を向上させています。数値電磁界解析と回路解析のハイブリッド化により両者の利点を活用できる機能の追加、ＧＰＵコンピューティングによる解析プログラムの高速化によって、ＶＳＴＬの実用性の向上に取り組みます。

これまでの

研究と

主な成果

これまでの

研究と

主な成果

背景

今後

放電発生源探査システム 過渡電磁界・サージ現象解析プログラム（VSTL）

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１３１１

過渡電磁界現象の評価技術

本システムでは、４本のダイポールで電磁波を受信し、当所で開発した測定ノイズに対してロバスト性の高い推定方法により、受信信号からアンテナ間の到達時間差を推定します。次に、到達時間差から電磁波の到来方向を推定し、ＣＣＤカメラを推定した方向に向けることによって推定方向の画像を取得することができます。鉄塔などの多数の金属が存在するマルチパス環境下においてテストを行い、放電発生箇所を高精度に推定できることを確認しました。建物に雷撃が生じた状況を模擬し、建物の簡易モデル上部から電流を注入して、建物内部の磁界分布を実測し、ＶＳＴＬを用いて計算した結果と比較しました。計算結果と実測結果は良好に一致しており、三次元構造物となる建物の過渡電磁界・サージ現象を実用的な精度で予測できることを確認しました。ＶＳＴＬはＧＵＩを備えており、三次元空間における計算モデルの作成やその形状の確認を容易にしています。大地の電気パラメータを簡単に設定でき、鉄塔や建物など多数の部品（導体など）で構成される複合部品を取り扱うこともできるため、複雑なモデルを作成する際の作業効率を大幅に向上できます。 放電源探査システム

ＶＳＴＬ

の計算例

ＶＳＴＬ

の

ＧＵＩ

放電発生箇所 木製架台 ダイポールアンテナ （電磁波受信） CCDカメラ（推定方向の撮影） オシロスコープ（波形観測） 到来方向推定 プログラム （到来方向の推定、 推定方向の表示） PC （到来方向推定 プログラム） 推定方向 中間フロアにおける磁界分布 水平磁界強度［A /m］ 実験計算 0.00 0.02 0.04 0.06 注入電流と逆極性の上向き電流 （帰還雷撃電流を模擬） 注入電流（建物を流 れる雷撃電流を模擬） 完全導体大地面を 模擬した銅板 雷放電路を模擬 建物の柱と梁を模擬した 簡易モデル 1.0m 1.0m 2.1m 【雷サージ解析のためのモデル】 ・ワイヤなどの細線導体 ・接地網などの大地内の細線導体 ・過電圧を抑制する避雷器などの 非線形要素 ・落雷時に生じる電磁界を模擬する ための雷放電路 【複合部品の作成】 ・多数の部品を入力 ・複合部品として保存 【複合部品の配置】 ・拡大、縮小 ・回転、移動 【大地の設定】 ・大地面の高さ ・電気パラメータが層状に分布して いるときの各層の深さ ・電気パラメータ 【計算結果】 ・電圧、電界、電流、 磁界の波形出力 ・電界、磁界分布の時 間変化アニメーション 部品の 配置計算実行

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１３１１

電力系統瞬時値解析プログラムXTAPの開発

電力系統に生じる様々な現象を、実効値ではなく波形レベルで解析するのが瞬時値解析プログラムです。従来、瞬時値解析プログラムは各種サージ性過電圧、励磁突入電流、鉄共振現象などの解析に用いられてきました。また、最近では各種電力品質の解析や太陽光・風力発電設備の連系用インバータの解析にも用いられ、そのニーズがますます高まっています。

当所では電力系統瞬時値解析プログラムＸＴＡＰ（eXpandable Transient Analysis Program ）の開発を進め、現在ではバージョン 1 . 2 1 をリリースしています（２０１３年７月現在）。このプログラムは、電力会社を中心に、７００以上のユーザに活用されています。瞬時値解析にはこれまで海外で開発されたＥＭＴＰなどが用いられてきましたが、ＸＴＡＰはこの分野初の国産プログラムであり、以下の特長があります。 （１）計算アルゴリズム ２Ｓ−ＤＩＲＫ積分アルゴリズムの採用により、インダクタ電流やキャパシタ電圧が急変しても数値振動＊を生じません。また、独自に開発した求解アルゴリズムにより、非線形性の強い回路であっても解析の途中で解が収束せず異常終了するようなことはありません。連系用インバータなどパワエレ回路の解析に有利です。＊実現象には生じない計算上の振動（誤差）。ＥＭＴＰなどで生じる。 （２）装備している解析モデル・機能 基本的な電気回路素子をはじめ送電線・地中ケーブルのモデル、同期発電機・誘導電動機のモデルなど、電力系統の瞬時値解析に必要なモデルを装備しています。また、制御ブロック模擬機能（Ｙ法互換）、潮流計算による定常初期化機能、線路定数計算機能、周波数特性解析機能などを有しています。 （３）ユーザ・インターフェース 視覚的なデータ入力が可能なユーザ・インターフェースを有しています。また、取扱説明書やヘルプ画面などは全て日本語で書かれています。 （４）解析の標準モデルや例題の整備 各種瞬時値解析のための標準モデルや例題の拡充を進めています。また、解析の勘所や実例を示した「電力系統瞬時値解析ガイドブック」の一つとして、開閉サージ性過電圧解析に関するガイド＊＊を刊行しました。今後もパワエレ機器の解析などに関するガイドの刊行を予定しています。＊＊電中研調査報告書Ｈ１２００５（２０１３．６）。将来のバージョンには、制御定数、リレー整定値、避雷器設置位置などを自動的に最適化する機能を追加する予定です。これにより、最適解を自動的に提案するプログラムとしての使い方が期待できます。

これまでの

研究と

主な成果

これまでの

研究と

主な成果

背景

今後

■ プログラムの入手希望・ お問い合わせはこちらまで

XTAPユーザーサポートページ：https://www.xtap.jp/

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１３１１

電力系統瞬時値解析プログラムXTAPの開発

X T A P のスクリーンショット 装備している解析モデル・機能とこれにより可能となった解析

電力系統

瞬時値解析

プログラム

XTAP

電力系統の運用・設計に 必要な解析 新しいニーズ（次世代グリッド） 従来のニーズ 装備されたモデル・機能 パワエレ回路模擬要素 制御スイッチ、デバイスモデル パワエレ回路の解析 自然エネ連系用インバータ等の解析 電力品質の解析 高調波、瞬時電圧低下等の解析 過電圧の解析 雷サージ、開閉サージ等の解析 過電流・異常共振の解析 突入電流、鉄共振等の解析 送電線・ケーブルモデル π型、一定定数、周波数依存 同期機・誘導機モデル Ｙ法との高い互換性 制御ブロック模擬機能 Ｙ法完全互換

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１３１１

アークプラズマによる廃棄物処理技術

循環型社会の構築が望まれています。アークプラズマ技術は、超高温で廃棄物を溶融でき、減容や無害化ができるため、廃棄物のリサイクルや処分場の延命が可能になります。多くの自治体では、都市ごみ焼却灰の溶融設備として、プラズマ溶融設備を導入しています。一方、アークプラズマを減圧下で形成すると、金属表面の酸化膜だけを選択的に除去できるという特長があります。当所は、（１）アークプラズマ技術の放射性廃棄物処理への適用性の評価、（２）アスベスト廃棄物の無害化・再資源化、（３）放射性金属廃棄物の酸化膜に存在する放射性核種の除去（除染）技術の開発、（４）溶融処理時における放射性核種の挙動解明、に関する研究に取り組んでいます。 （１）低レベル放射性雑固体廃棄物の減容処理への適用性評価 代表的な放射性廃棄物（鉄類、不燃物類、セラミックスや土壌等の高融点物質）と放射性核種を模擬した試料をプラズマで溶融し、得られた固化体の核種閉じ込め性などの特性や、溶融時の核種の挙動を明らかにし、アークプラズマ技術が、放射性廃棄物処理へ適用できることを明らかにしました。これらの成果は、電気事業における放射性廃棄物のプラズマ溶融処理の実用化と円滑な運転等に貢献しています。 （２）溶融処理時におけるセシウム残存率の評価 低レベル放射性廃棄物の高周波誘導加熱処理にて製作される溶融固化体に関して、無機物量を低減した場合のセシウム残存率を、当所開発のセシウム挙動推定モデルを用いて評価しました。これにより、無機物量に関する基準が緩和され、より合理的に廃棄物を溶融処理できる様になりました。 （３）アスベスト廃棄物の無害化・再資源化技術 アスベスト廃棄物は、溶かせばガラス状や岩石状の安全な物質（スラグ）になり、アスベストではなくなります。種々のアスベスト廃棄物を溶融し無害化できること、さらに、スラグは、路盤材料やコンクリート用細骨材などに有効にリサイクルできることを明らかにしました。 （４）減圧アークによる放射性酸化膜の表面除染 原子力発電所の冷却水環境を模擬した条件下で、板状の金属表面上に放射性核種を含む酸化膜を作製し、酸化膜に存在する放射性核種を９０％以上除去できることを明らかにしました。放射性廃棄物の対象を拡張し、溶融処理時の核種挙動解明を実施し、より普遍的な予測手法の確立に取り組んでいます。

これまでの

研究と

主な成果

これまでの

研究と

主な成果

背景

今後

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１３１１

アークプラズマによる廃棄物処理技術

アークプラズマを用いてフライアッシュ（飛灰）を溶融している状況。中心の白い部分が１万度以上のアークプラズマで、オレンジ色の部分が、溶けて1 5 5 0 ℃前後に達したフライアッシュです。アスベスト繊維の溶融処理後の様相：溶融処理により、岩石やガラス状のスラグになり、アスベストの有害性を消失させることができました。また、得られたスラグは、粒度 5 mm 以下の入手が容易な砕石ダストと混合すれば、下層路盤材の規格を満たし、またモルタル用の骨材としてリサイクルしても、天然の陸砂と同等の強度となり、再資源化できます。原子力発電所の冷却水環境を模擬した条件で作製した酸化膜を、減圧アークにより除去する前後の写真。左側の写真から、黒っぽい酸化膜がとれ金属光沢が現れていること、右側の電子顕微鏡写真から、酸化膜の結晶が消失している状況が分かります。減圧アークの繰返し処理により、最終的にCo-60除去率 90％以上を達成できました。金属表面の酸化膜上に形成した減圧アークプラズマの写真。アークが形成されている点（陰極点）は、酸化膜がなくなると新しい酸化膜を探して移動するため、表面の酸化膜を選択的に取り除くことができます。 アークプラズマ 溶けた フライ アッシュ アスベスト繊維 （岩石状） （ガラス状） 溶融 表面写真 処理前処理後 SEM 写真 酸化皮膜 陰極点 陽極減圧 アーク

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１３１１ 20nm

アークプラズマによる窒化アルミニウム超微粒子の創製

当所では、環境性や防災性の観点から固体の電気絶縁材料を利用した全固体変電所の開発を進めています。この電気絶縁材料の開発に向けて、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム（AlN）粒子を有機絶縁材料に高充填することが考えられます。ミクロンオーダーの粒子に100nm以下の超微粒子を添加することによりその実現が期待できますが、超微粒子は高価です。そこで、超微粒子の低コストな大量創製法として、大容量化が容易なアークプラズマを用いた気相からの粒子合成プロセスに着目し、高純度のAlN超微粒子の創製条件、原材料アルミニウム（Al）粒子の大量蒸発が期待できるプラズマへの注入条件について検討しています。超微粒子合成実験装置（写真１）を使って、アークプラズマにアルミニウム（A l ）粒子（ 20μm ）を注入し（写真２）、平均粒径 3 0 n mでA l N 純度が 9 9 ％以上の高い超微粒子を創製しました（写真３）。また、数値解析および実験により、原材料A l 粒子が大量蒸発するようなプラズマへの注入条件（位置、角度、搬送ガス流量）を明らかにしました。基礎実験装置を用いて、現在、AlN超微粒子を大量創製する研究、また有機絶縁材料に充填することを考慮して、高分散状態のAlN超微粒子を創生する研究に取り組んでいます。 超微粒子合成実験装置（写真１） 最大３００ｍｍまでの長いアークプラズマを発生でき、また反応ガス種も変えられるので、各種の超微粒子の創製実験が可能です。 創製した超微粒子 （写真３） 粒径が２０∼３０ｎｍ程度、ＡｌＮ純度が９９％以上の超微粒子を創製。 実験状況 （写真２） プラズマ中でAl粒子を蒸発させた後、下流域でアンモニア（NH3）ガスを吹付けてA l N 超微粒子を創製。さらに、この超微粒子をエタノールに通過させることにより９９％以上に高純度化。アークプラズマ Al 蒸気

これまでの

研究と

主な成果

これまでの

研究と

主な成果

背景

今後

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１３１１ 高純度のAlN超微粒子の創製条件 化学反応平衡計算を行うとともに、プラズマを発生させる「トーチガス」、プラズマ下流部で Al蒸気に吹付ける「反応・急冷ガス」のガス種を変化させた実験を行いました。その結果、トーチガスとしてN（窒素）2 、反応・急冷ガスとしてNH（アンモニア）3 を利用することにより、AlN 純度９０％の高い超微粒子を創製できました（残りの１０％は未反応のAl）。また、この得られた超微粒子をAlと反応するエタノールに通過させることにより、未反応Al を除去でき、AlN純度を９９％以上に高くできました。（特願２００３-１７０９２８） 電気絶縁材料の熱伝導率 現在、放熱性が必要とされる電力機器の固体絶縁材料としては、エポキシにSiO2（シリカ）やAl2O3（アルミナ）の微粒子が充填されたものが使用されています。当所が開発を進めている全固体変電所で使用される機器は、大容量であるため、固体絶縁材料にはさらに高い放熱性が要求されます。このため、エポキシ充填材料として、A l Nを用いる研究を進めています。 粒子高充填のイメージ図 熱伝導率を高くするには、大きい粒子と小さい粒子をブレンドして、エポキシへの粒子の充填率を高める必要があります。市販のA l N粒子は数μm（ミクロン）であり、これよりも小さい 100nm以下の超微粒子を用いる必要があります。 選定条件におけるA l 粒子の蒸発挙動の 数値解析結果 数値解析によりプラズマ内の温度分布や流速分布などを計算しプラズマ中のAl粒子の蒸発挙動を求め、その蒸発挙動および注入位置の温度の観点から、注入位置、注入角度、搬送ガス流量を選定しました。また、この選定条件でAl粒子注入実験を行った結果、Al蒸発領域が数値解析結果とほぼ一致し、計算結果の妥当性が確認できました。 ミクロンオーダーの粒子 100nm以下の 超微粒子 材料名 熱伝導率 ［W/m/K］ 有機材料 無機材料 エポキシ 0.2 SiO2 1∼5 Al2O3 5∼10 AlN 100∼200 100 80 60 40 20 0 100 80 60 40 20 0 ガス中のNH3濃度［％vol.］ （混合ガス：N2） トーチ中心軸からの距離 ＡｌＮ純度［％ w t. ］ トーチ先端からの距離 トーチガス 反応・急冷ガス ・プロット点：2∼4個の平均値 ・エラーバー：最大値∼最小値 プラズマトーチ Al粒子の注入 温度［K］

3,000

7,000

11,000

はAl粒子温度が 沸点に達している領域

アークプラズマによる窒化アルミニウム超微粒子の創製

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１３１１ レーザー光 プラズマ コンクリート

レーザー・光応用計測技術

高経年電力設備の増加により、それらの維持・保全・改修コストが増大すると考えられます。そのため、設備診断技術は今後益々重要になると考えられます。遠隔・非接触・非破壊で情報を取得できるレーザー・光技術は、特に電力設備の遠隔状態監視や劣化診断等への適用が期待されています。また、地球環境への配慮から環境計測への応用も期待されます。当所ではこれまで、設備診断技術として、漏洩ガス遠隔計測技術、発電所煙道排ガス計測技術、高温金属材料の非接触温度計測技術、レーザー超音波探傷技術等の開発を行ってきました。また環境計測技術として、世界最高感度を有する大気中 SO2、NO2、O3計測用レーザーレーダー装置を開発しました。さらに、将来技術として、３０フェムト秒（３０兆分の１秒）という短い時間にエネルギーを集中した超短パルス高強度レーザーを用い、海塩粒子等の微粒子成分遠隔計測技術やＸ線イメージング技術等の開発を行ってきました。これまで培ってきたレーザー分光技術、テラヘルツ波応用計測技術、放射線計測技術等を発展させて、より現場に近い、電力設備の遠隔状態監視や劣化診断に資する計測技術の開発を行っていきます。これにより、高経年機器や設備の維持管理に必要なコスト低減と電力供給の信頼性維持の両立に貢献していきます。

これまでの

研究と

主な成果

これまでの

研究と

主な成果

背景

今後

コンクリート表面へのレーザー照射 LIBS による多元素の2次元濃度分布同時計測結果 レーザー誘起ブレイクダウン分光（LIBS）によるコンクリート含有塩分計測技術 コンクリート構造物の耐荷性能は、外部から浸入する塩化物イオンを原因とする鉄筋の腐食により低下します。そのため、塩素（Cl）濃度の定量計測は構造物の寿命を知る上で重要です。L I B S は、レーザー光を測定対象物に照射することによりプラズマを生成し、そのプラズマの発光スペクトルを分析することにより、測定対象物に含有されている元素の種類および濃度を計測する技術です。現場において、遠隔・非接触でリアルタイムの計測が可能です。当所では、コンクリート構造物の塩分浸透分布を迅速（上図の濃度分布の計測時間は 40 分程度）、高感度、高空間分解能で計測できる技術を開発しました。本技術は鉄筋の腐食が開始するコンクリート中のCl濃度0.6kg/m3_{を検出可能です。その他、腐食の原因となる金属表面} に付着した塩分も定量計測できる見通しも得られています。

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１３１１

レーザー・光応用計測技術

狭隘部診断用 X 線イメージングシステムの開発 プラント施設では配管が複雑に入り組んでいることが多く、特に狭隘部（∼10 cm 程度）にも適用できるＸ線イメージング技術の開発が望まれています。そこで、小型Ｘ線イメージセンサーとＸＹステージを組み合わせることで、プラント施設等の配管系狭隘部に適用でき、かつオンライン計測可能なＸ線イメージングシステムを開発しました。このシステムに併せて、スキャンした画像を連結させるソフトや人の目を通して見た画像に近づけるような画像処理（Retinex フィルター）ソフトも開発しました。また、将来的な技術として超短パルス高強度レーザーを利用したレーザープラズマＸ線源の開発も検討しています。 タービン翼の遮熱コーティング （TBC）の非破壊検査技術 火力発電用ガスタービン翼のTBCの保守管理の効率化に貢献するため、テラヘルツ波を用いてトップコート膜厚を精度よく測定できること、光ルミネッセンス法を用いて剥離の前兆である界面酸化層を検出できることを明らかにしました。界面酸化層の検出は、剥離の可能性が高い箇所を抽出し、剥離検査を効率化できると期待できます。 狭隘部診断用 X 線イメージングシステム エルボ配管の X 線透過画像 遮熱コーティング（TBC）の保守における重要な検査項目 効率化 テラヘルツ波を用いたTBC試験体のトップコート 膜厚測定結果と断面観察結果との比較 加熱したTBC試験体に形成された界面酸化層からの Cr3+_{のルミネッセンスの検出結果} センサー本体 センサー部 拡大 Xステージ 45m m 29mm 65mm 熱雑音低減 冷却機構 Yステージ トップコート こぶ状酸化物 連続酸化物層 20μm

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