電力系統解析研究室

教員

馬場　吉弘（教授）Yoshihiro BABA

DB

研究内容

1．概要

「系統」あるいは「システム」という用語は，多くの異なる要素がリンクして構成されたものや事柄を表す際に用いられます。この用語に「電力」が付けられた「電力系統」や「電力システム」とは，天然ガスや石油を電気エネルギーに変換する発電所，工場やビルや家庭（これらは需要家あるいは負荷と呼ばれる）に電気エネルギーを輸送する送電線や配電線，そして工場やビルや家庭の電気機器や家電製品など多くの要素が電線で繋げられ構成されている巨大な電気回路のことです。

　一昔前までは，電気エネルギーは発電所から需要家や負荷への一方通行でしたが，最近は，太陽光発電パネルが工場や家庭などにも設置され，電気エネルギーの流れも双方向化し，複雑化してきています。他の形態のエネルギーに対する電気エネルギーの利点は，細い電線で大量のエネルギーを光速で輸送できる点にあり，大型の送電線は数十万世帯分の電気エネルギーを発電所から瞬時に輸送しています。一方，この特徴あるいは利点は，弱点にもなり得ます。例えば，送電線が雷を受けて，複数の相で地絡故障が発生すると，負荷での電力の使用状態によっては，停電に至ることもあり，また，局所的な擾乱も光速で広範囲に伝わってしまいます。このため，電力系統には，各所に安全装置や保護装置を設けておく必要があります。出力が不安定な太陽光発電や風力発電の割合も年々増えていく一方で，それらの変動を受け止められる大型の電池は主としてコスト的な理由で今も実用化には至っていません。近未来には，昼間はほとんど利用されることのない通勤用の電気自動車群をこの目的で利用するアイデアも出されています。約 140 年前にエジソンが開発し実用化した電力系統も大きな変革期にあると言えます。

　「電力系統解析研究室」では，電力系統の高度化や改善に関わるテーマを中心に，それ以外の分野にも対象を広げて，研究を行っています。

2．キーワード

電力系統（電力システム），電気エネルギー，発電，送電，配電，保護装置，酸化亜鉛（ZnO）素子，電磁界，電磁環境（EMC），雷，帰還雷撃，雷電磁界パルス（LEMP），高高度電磁界パルス（HEMP），誘導電圧，落雷位置標定システム（LLS），人工知能（ＡＩ），電離圏，航空機，マンション，過渡現象解析，電磁界解析，時間領域有限差分（FDTD）法，連成解析

3．研究テーマの例

・酸化亜鉛（ZnO）素子の電磁界，発生熱および熱応力の時間領域有限差分（FDTD）法による連成解析法の開発

・高高度電磁界パルス（HEMP）による超急峻波誘導電圧への ZnO 素子の応答特性の解析

・温度ヒューズ付き ZnO バリスタの過渡電界および発生熱の解析

・長波尾雷電流に対する ZnO 素子の簡易熱計算アルゴリズムの開発

・落雷位置標定システム（LLS）の 高度化のための雷電磁界パルス（LEMP）波形判別への人工知能（ＡＩ）の応用

・電離圏と地表面間に構成される導波路での LEMP 伝搬の FDTD 解析

・LLS による雷電流波形・移動電荷量推定アルゴリズムの開発

・帰還雷撃および雲放電のモデリング

・航空機の帯電電荷量制御による避雷の基礎的検討

・ドローン等の避雷の基礎的研究

・土壌の周波数特性を考慮した接地電極の電磁界・サージ解析

・マンションの雷被害再現シミュレーションと耐雷対策の立案

4．発表論文リスト（２０２３年度のジャーナル論文）

[1] K. Kutsuna, S. Koike, N. Nagaoka, Y. Baba, and V. A. Rakov, “Wave propagation speed and equivalent impedance of dielectric-coated conductor representing lightning return-stroke channel,” IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol. 65, no. 2, pp. 601-604 (2023-4)

[2] Y. Nishimura, Y. Baba, and K. Shinjo, “Numerical analysis of electromagnetic field, heat and thermal stress of a transmission line surge arrester for lightning currents,” IEEJ Trans. EEE, vol. 18, no. 7, pp. 1208-1210 (2023-7)

[3] S. Koike, Y. Baba, T. Tsuboi, and V. A. Rakov, “Lightning current waveforms inferred from far-field waveforms for the case of strikes to tall objects,” IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol. 65, no. 4, pp. 1162-1169 (2023-8)

[4] Y. Tanaka, and Y. Baba, “Study of a numerical integration method using the compact scheme for electromagnetic transient simulations,” Electric Power Systems Research, vol. 223, pp. 109666-1–109666-8 (2023-10)

[5] Y. Tanaka, and Y. Baba, “Development of a method for calculating the capacitance of cables installed in a rectangular tunnel considering the permittivity of the outer sheath,” IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol. 65, no. 5, pp. 1422-1431 (2023-10)

[6] M. E. M. Rizk, A. Ghanem, S. Abulanwar, A. Shahin, Y. Baba, F. Mahmood, I. Ismael, "Induced electromagnetic fields on underground cable due to lightning-struck wind tower," IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol. 65, no. 6, pp. 1684-1694 (2023-12)