2021 Fiscal Year Annual Research Report
Multiscale modeling of degradation of electrical insulating material
| Project/Area Number |
20H02140
|
|---|
| Research Institution | Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology |
|---|
Principal Investigator |
岩田 晋弥 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主任研究員 (10642382)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木谷 亮太 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 研究員 (90761619)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 絶縁劣化 / 電気トリー / 水トリー / 分子動力学計算 / 量子化学計算 / 有限要素解析 / 空間電荷 / 電流積分電荷法 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
高分子電気絶縁材料は、電力インフラを支える重要な要素のひとつであり、その劣化や破壊の原理を解明することが喫緊の課題である。2021年度は、主に以下の項目について研究を実施した。
[1]絶縁劣化の典型例である電気トリーの発生と進展には、電界に加え残留応力が影響を与える可能性がある。高分子絶縁材料の劣化にともなう分子の構造変化を評価するため、Raman散乱分光測定を実施した。外力と外部電界の両方の影響を考慮する必要があり、2021年度は外部電界に着目し実験を進めた。試料にはポリエチレンシートを用い、外部電界を印加した試料に対しスペクトルを観測した。これまで実施してきた外力を加えたときの実験データと比較し、振動モード等の考察を進めた。また、量子化学計算を利用し、分子の開裂力の計算を実施した。
[2]架橋ポリエチレンは、もっとも広く使用されている電気絶縁材料のひとつであり、その劣化抑制のために様々な添加剤が導入さる。例えば、ポリエチレンの架橋に用いられるDCP(Dicumyl peroxide)の分解残渣、界面活性剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤などがある。2021年度は、鎖式飽和炭化水素の分子集団中に存在するDCPおよびDCPの分解残渣の運動について、分子動力学計算によって温度および外部電界の影響を評価した。既報の実験結果と比較し、各分子の拡散や凝集の特徴について考察を進めた。
[3]電気トリーの発生と進展は、絶縁劣化の典型例のひとつであるが、その駆動力については未解明な点が多い。有限要素解析等を活用した電界解析に着目し、針電極先端から1次元的にき裂が発生する3次元解析モデルを作成した。き裂近傍でのMaxwell応力を求め、破壊力学とのアナロジーを用いて、駆動力と類推されるエネルギー解放率を算出した。
得られた成果については、電気学会およびIEEEの学会発表、論文を中心に報告した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、以下の理由により、おおむね順調に推移している。
[1]予定通り、Raman散乱分光測定によるポリエチレン試料の劣化要因の評価実験を進めることができた。また、外部機関の大型計算機を活用し、外部電界の影響を考慮したCOGEF(Constrained geometries simulate external force)法による分子の開裂力の計算を進めることができた。
[2]高分子電気絶縁材料に使用される添加剤の影響について、他機関の研究者、技術者の協力を得ることによって、シミュレーション結果に対し、専門性の高い議論を進めることが可能となっている。特に、電流積分電荷法を使用した実験結果と比較することで、空間電荷や絶縁体内を流れる電流といった観点からの考察を進めることができている。また、外部温度の影響についても評価を進めている。
[3]外部機関の研究者の協力を得ることで、有限要素解析等を活用した電界解析に関する研究を円滑に進めることができた。また、発展的な計算対象とし、電気トリーの分岐構造を表現するモデル等に関する議論を進めることができた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、主に以下の[1]～[3]の内容を実施する。
[1]高分子材料の絶縁劣化の物理化学的要因は、構成する分子間および分子内の結合変化と考えることができる。2022年度も引き続き、量子化学計算を活用したCOGEF(Constrained geometries simulate external force)法によって、分子の開裂力を評価する。具体的には、アルカン分子鎖およびその酸化物を対象とし、外部からの張力と電界が同時に加わった場合の開裂力を算出する。特に、外部電界の方向や大きさが、最大分子開裂力に与える影響を詳細に評価する。また、理論的側面からのアプローチとして、現在知られているポテンシャルモデルを改良し、分子の永久双極子モーメントおよび分極率といった基本的な情報から電界下での開裂力を推定できるようにする。
[2]一般的に、水トリー劣化においては、水分子の凝集が多大な影響を与えるとされている。2022年度は、分子動力学計算を使用し、ポリエチレンを模擬した分子集団中における、ポリエチレン架橋剤分解残渣や水分子の動的挙動を評価する。特に、複数の分解残渣分子が混在する系において、分子拡散に着目し、絶縁劣化に支配的な要因を特定する。また、共同研究者が進める電流積分電荷法による絶縁体内を通過する電荷の測定実験とも比較し、架橋剤分解残渣の影響を総合的に評価する。
[3]電気トリーの発生と進展は、高分子絶縁材料の劣化の典型例であるが、その駆動力については未解明な点が多い。これまでに、有限要素解析などによる電界解析により、き裂発生のエネルギーに着目し、1次元的な破壊の駆動力（エネルギー解放率）に関する解析モデルを構築した。2022年度は、主に電気トリーの多次元構造（例えば分岐構造の形成）についての考察を進め、計算可能なモデルを検討する。また、確率論的な電気トリー進展モデルを構築する。
|
