熊田 亜紀子/KUMADA Akiko

熊田 亜紀子 准教授

【研究分野】
環境・エネルギー分野
【研究領域】
高電圧工学、放電プラズマ工学
【研究室URL】
http://www.hvg.t.u-tokyo.ac.jp/

研究内容

高電圧・放電プラズマ現象の不思議から生まれる新技術創成へのチャレンジ

低炭素消費社会の構築に向け、パワー機器を取り巻く環境は近年急速に変化しています。国際的な直流高電圧送電網の開発、再生可能エネルギ-の大量導入、そして電力の一層の有効利用など、環境問題に配慮したうえでシステムとして具現化するには、丁寧に問題を解決していく必要があります。このような社会的背景のもと、高電圧・放電プラズマ現象を対象として、計測手法の開発、物理現象の解明、現象の工学的制御、そして新しい応用分野の創出などに関連する下記の研究テーマに、日高邦彦教授と共同で取り組んでいます。

量子化学計算に基づいた絶縁材料開発

電力分野においてはエポキシ樹脂やポリエチレンなどのポリマー材料が用いられています。しかし、今までその移動度・絶縁破壊強度・誘電率(の周波数特性)・熱伝導率といった物性量を理論的・定量的に評価するのは難しく経験側に頼っていました。量子化学計算により、経験則に頼る点の多かった従来型材料開発・評価手法から、その導電機構を理解し、導電性を制御した分子構造の材料設計手法への転換を目指しています。

X線を用いた電気トリー可視化

ポリマー絶縁材料は電気トリーにより劣化・破壊に至りますが、その詳細な機構は未解明です。X線を用いた新しい観察技術により、エポキシ樹脂やポリエチレンなど不透明なポリマー材料中のトリー進展現象を可視化し、その進展機構、ポリマー劣化機構の解明を目指しています。

直流電界下の絶縁物の帯電現象

ガス絶縁機器は電力系統において広く用いられています。これらの機器において導体を支える固体絶縁物近傍の電界分布は、交流電界下においては物質の誘電率により決定されますが、直流機器においては材料の抵抗率を考慮する必要があります。絶縁材料の導電には不明な点も多く、また、表面状態が絶縁に及ぼす影響に関しても未解決な課題が多く残されています。センサや信号処理解析手法を駆使して、帯電現象の解明、電力機器絶縁の合理化を図っています。

真空遮断器と直流遮断技術

直流送配電の需要の増加に伴い、安全で信頼性の高い直流遮断技術の開発が求められている。真空アークの特性を利用し、効果的に直流電流を遮断する技術の開発を行っています。

インバータ駆動機器の絶縁

インバータ駆動機器は、その省エネルギー性から高圧大出力機器においても導入がすすめられていますが、インバータ駆動波形の高周波成分に起因する絶縁上の問題が、解決すべき課題として残されています。ポッケルスセンサによる電界緩和層の電界分布測定と、電界-熱連成解析により、絶縁性能の抜本的向上を図っています。日本発の技術として世界への展開を目指しています。

IGBTの高耐圧・高信頼化

代表的な電力用半導体デバイスであるIGBTモジュールの絶縁材としては、ゲルが用いられています。ゲル中の放電現象を定量的に解析することで劣化メカニズムを解明し、IGBTモジュールの高耐圧化を図っています。

学生へのメッセージ

日高・熊田研で取り組んでいる研究テーマの対象サイズはnm(10-9m)のデバイスから数千km(106m)のシステムまで、またその分野は電力技術に関連したものから、化学、情報、光デバイス技術等々までと広範囲に渡ります。電力系、情報系、デバイス系、と多岐にわたる分野の出身の先輩学生が在籍していますが、出身分野にかかわらず取り組めるテーマを用意していると自負しています。

図1:ポリエチレンのホッピング伝導モデル
図2:X線を用いた電気トリー可視化
図3:真空遮断器の構造と真空アーク現象
図4:インバータ駆動機器の絶縁