絶縁材料の種類と性質｜絶縁破壊・耐熱クラス・SF6 と絶縁油の特徴を図解

導電材料が電気を通す材料なら、絶縁材料は電気を通さない材料です。電線の被覆も、変圧器の油も、がいしも、すべて絶縁材料で、通さない材料が電気設備の安全を支えています。電験三種の電気材料では、絶縁破壊と絶縁耐力、気体・液体・固体それぞれの特徴、耐熱クラスと劣化が中心になります。

• 絶縁材料とは
  • 絶縁抵抗・絶縁耐力・誘電損・耐熱性・機械的な強さ
• 絶縁破壊と絶縁耐力
  • $E = V/d$、単位は kV/mm
• 気体絶縁とパッシェンの法則
  • 空気と SF6、破壊電圧は U 字の曲線
• 液体絶縁と固体絶縁
  • 絶縁油、磁器、ポリエチレン、$\varepsilon_{\mathrm{r}}$ と $\tan\delta$
• 耐熱クラスと絶縁物の劣化
  • Y から R まで、熱・電気・水分
• 例題
  • 破壊電圧、電界と安全率、正誤、劣化の 4 問

絶縁材料とは

絶縁材料（絶縁物）とは、電気をほとんど通さず、導体どうしや導体と大地を電気的に隔てる材料です。電圧の高い線路では、がいしを何枚も連ねたがいし連で電線を鉄塔から絶縁して支えます（図1）。

1磁器の円盤2ひだ3金具4連結金具

1. 磁器の円盤　電気を通さない磁器でできている
2. ひだ　表面をつたう電流の道のりを長くする
3. 金具　円盤どうしをつなぐ
4. 連結金具　次の円盤や電線へつなぐ

絶縁材料に求める性質は、次の 5 つです。

求める性質	意味
絶縁抵抗が大きい	漏れ電流が流れにくい
絶縁耐力が大きい	強い電界でも破壊されない
誘電損が小さい	交流で熱になる損失が少ない
熱に強い	高温でも劣化しにくい
機械的に強い	荷重や振動に耐える

絶縁物にも、ごくわずかな漏れ電流は流れます。その流れにくさが絶縁抵抗で、大きいほど良い材料です。ただし、絶縁抵抗が大きいことと、強い電圧に耐えることは別の性質なので、次の節で絶縁耐力を扱います。

絶縁破壊と絶縁耐力

絶縁物に加える電圧を上げていくと、はじめはごくわずかな漏れ電流しか流れません。ところが、電界がある強さを超えると、急に大電流が流れて絶縁が失われます。これが絶縁破壊です（図2）。

図2は概形で、実際の測定曲線ではありません。絶縁破壊を起こす電圧を破壊電圧、絶縁破壊を起こす電界の強さを絶縁耐力といい、単位は $\mathrm{kV/mm}$ です。平行な電極の間に一様な電界ができているとき、電極の間隔を $d\ \mathrm{[mm]}$、加える電圧を $V\ \mathrm{[kV]}$ とすると、電界の強さは次のとおりです。

$$E = \frac{V}{d}\ \mathrm{[kV/mm]}$$

絶縁耐力を $E_{\mathrm{b}}$ とすると、破壊電圧は次の式で求まります。

$$V_{\mathrm{b}} = E_{\mathrm{b}}\,d\ \mathrm{[kV]}$$

実際の設備では、加わる電界が絶縁耐力に近づかないように、余裕を持たせて設計します。その余裕を表すのが安全率です。

$$\text{安全率} = \frac{E_{\mathrm{b}}}{E}$$

材料の絶縁耐力は、電極の形・温度・湿度・電圧の加え方でも変わるので、表や本に書かれた値は目安として使います。また、気体は放電が止まると絶縁が元に戻りますが、固体は破壊されると穴などが残り、元には戻りません。実際の設備にどれだけの電圧を加えて耐えることを確かめるかは、絶縁耐力試験の試験電圧で扱います。

気体絶縁とパッシェンの法則

気体の絶縁材料の代表は空気です。大気圧の空気の絶縁耐力は、約 $3\ \mathrm{kV/mm}$ が目安です。間隔 $1\ \mathrm{mm}$ の電極で約 $3\ \mathrm{kV}$ になります。大気圧より圧力を上げると、絶縁耐力は上がります。

圧力と電極間隔が気体の破壊電圧にどう効くかを表すのがパッシェンの法則です。一様な電界の気体では、破壊電圧は圧力 $p$ と電極間隔 $d$ の積 $pd$ で決まります。$pd$ に対する破壊電圧は、図3のように U 字形になり、最小値があります。

図3は概形で、目盛は書いていません。空気の最小値は数百 V 程度です。U 字になる理由は、次のとおりです。

• $pd$ が小さい（気体が薄い）と、電子が気体の分子にぶつかる回数が少なく、電離が起こりにくいので、破壊電圧は高くなる
• $pd$ が大きい（気体が濃い、間隔が長い）と、電子が衝突のたびに勢いを失い、電離に必要なエネルギーまで加速されにくいので、破壊電圧は高くなる

右側では、圧力を上げて $pd$ を大きくするほど破壊電圧が上がります。気体を高い圧力で容器に封入するのは、この性質を使うためです。

SF6（六ふっ化硫黄） は、空気より絶縁耐力が大きい気体で、目安は空気の 2〜3 倍程度です。電子を捕まえて重いイオンにする電気的に負性の気体で、電子が増えにくく、放電が育ちません。無色・無臭・不燃・無毒で、ガス絶縁開閉装置（GIS）の容器の中に封入して使われます（図4）。遮断器の消弧にも使われますが、遮断器の分類は遮断器と断路器の違いで扱います。

気体	絶縁耐力	特徴
空気	約 3 kV/mm	身近で安価
SF6	空気の 2〜3 倍	不燃・無毒

SF6 は地球温暖化係数が二酸化炭素の 2 万倍を超えるため、大気に漏らさない管理が必要です。

1縦の容器2フランジ3円筒容器4架台

1. 縦の容器　横の円筒につながる枝
2. フランジ　容器どうしをボルトで結ぶ
3. 円筒容器　中に導体と絶縁ガスが入る
4. 架台　容器を床に固定して支える

液体絶縁と固体絶縁

気体の次は、液体と固体の絶縁材料です。変圧器の中は液体と固体、ケーブルは固体が主役です。

液体絶縁（絶縁油）

絶縁油（鉱油）は、変圧器などに使われる液体の絶縁材料で、絶縁耐力は 10〜15 kV/mm 程度が目安です。役割は次の 2 つです（図5）。

• 巻線や鉄心のすき間に入り込んで、電気的に絶縁する
• 巻線や鉄心の熱を運んで、冷やす

水分や不純物が混じると破壊電圧が大きく下がるので、使用中の油の状態を確かめて管理します。

1ブッシング2放熱フィン3円筒タンク

1. ブッシング　導体を外へ出し、タンクと絶縁する
2. 放熱フィン　油の熱を逃がす
3. 円筒タンク　油の膨張・収縮を受け止める例

固体絶縁材料

固体の絶縁材料は、電線の被覆、がいし、機器の支持部など、広い場所で使われます。主なものと用途は次のとおりです。

材料	特徴	用途
磁器	硬く、風雨に強い	がいし
ポリエチレン	軽く、加工しやすい	電線の被覆
架橋ポリエチレン	熱に強い	CV ケーブル
エポキシ樹脂	成形しやすく強い	モールド変圧器
油浸紙	紙に絶縁油を含ませる	変圧器・OF ケーブル

図6はケーブルの切り口です。中心の導体のまわりを、絶縁体の層が囲んでいます。ケーブルの構造と誘電損は、地中送電線路とケーブルの充電電流で扱います。

1導体2絶縁層3外側の黒い層

1. 導体　細い銅線をより合わせた電流の通り道
2. 絶縁層　導体と外側を電気的に隔てる
3. 外側の黒い層　絶縁層の外を覆う

比誘電率と誘電正接

絶縁物は、コンデンサの電極の間に入れる誘電体としても働きます。真空の誘電率に対する比が比誘電率 $\varepsilon_{\mathrm{r}}$ で、電極の間に入れると静電容量が $\varepsilon_{\mathrm{r}}$ 倍になります。空気はほぼ 1、ポリエチレンは約 2.3、水は約 80 です。磁器、エポキシ樹脂、絶縁油は、いずれも空気より大きくなります。静電容量の考え方は、コンデンサの合成容量で確かめられます。

交流電圧を加えると、絶縁物の中でもわずかな電力が熱に変わります。これが誘電損で、損失の大きさを表す値が誘電正接 $\tan\delta$ です。$\tan\delta$ が小さい材料ほど、誘電損が小さく、発熱が少なくなります。

耐熱クラスと絶縁物の劣化

絶縁物は、温度が高いほど早く劣化します。そこで、絶縁物が耐えられる温度で区分したものが耐熱クラスです。JIS C 4003 に、指定文字と温度の関係が決められています（図7）。

耐熱クラスは、その温度までの使用を想定した区分です。クラスと材料の種類は一対一に決まるとは限りません。温度が高いクラスほど、高温に耐える絶縁物を使っています。

絶縁物が劣化する要因は、おもに次の 3 つです。

劣化	きっかけ	起こること
熱的	高い温度	脆くなり寿命が縮む
電気的	部分放電・トリー	内部が傷む
吸湿	水分	抵抗・耐力が下がる

熱による劣化は、使用温度が高いほど早く進みます。温度が 8〜10 ℃ 程度上がるごとに寿命がおよそ半分になる、という簡易な目安がありますが、材料によって異なります。

電気的な劣化には、部分放電とトリーがあります。部分放電は、固体の中のすき間や電極の先など、電界が集中する所で起こる、絶縁全体には至らない放電です。部分放電や電界の集中がくり返されると、絶縁体の内部に樹の枝のような形の劣化が進みます。これがトリーです（図8）。

図8は概形で、実際のトリーの形ではありません。トリーが進んで電極の間をつなぐと、絶縁破壊につながります。

絶縁材料の例題

絶縁材料の計算は、$E = V/d$ と絶縁耐力の関係を使う問題が中心です。次の 4 問で、手順を確かめましょう。

例題	求めるもの	使う関係
1	破壊電圧と厚さ	$V_{\mathrm{b}} = E_{\mathrm{b}}d$
2	電界と安全率	$E = V/d$
3	性質の正誤	各材料の特徴
4	劣化の組合せ	熱・電気・水分

解答と解説を見る

空気の破壊電圧は、絶縁耐力に間隔を掛けて求めます。

$$\begin{aligned} V_{\mathrm{b}} &= 3\times 12 \\ &= 36\ \mathrm{[kV]} \end{aligned}$$

固体絶縁物が同じ $36\ \mathrm{kV}$ を受け持つのに必要な厚さは、式を $d$ について解きます。

$$\begin{aligned} d &= \frac{V_{\mathrm{b}}}{E_{\mathrm{b}}} \\ &= \frac{36}{18} \\ &= 2.0\ \mathrm{[mm]} \end{aligned}$$

固体は空気の 6 倍の絶縁耐力があるので、厚さは 6 分の 1 で済みます。

答え：空気の破壊電圧は $36\ \mathrm{kV}$、固体の厚さは $2.0\ \mathrm{mm}$ 以上

解答と解説を見る

電界の強さは、電圧を厚さで割って求めます。

$$\begin{aligned} E &= \frac{12}{5} \\ &= 2.4\ \mathrm{[kV/mm]} \end{aligned}$$

安全率は、絶縁耐力を電界で割ります。

$$\begin{aligned} \text{安全率} &= \frac{20}{2.4} \\ &\fallingdotseq 8.3 \end{aligned}$$

安全率が 5 のときの電界は $20/5 = 4\ \mathrm{kV/mm}$ です。電界を $4\ \mathrm{kV/mm}$ 以下にする厚さは、

$$\begin{aligned} d &\geqq \frac{12}{4} \\ &= 3.0\ \mathrm{[mm]} \end{aligned}$$

答え：電界は $2.4\ \mathrm{kV/mm}$、安全率は約 8.3、安全率 5 には $3.0\ \mathrm{mm}$ 以上

解答と解説を見る

• (1) 正しい。絶縁耐力は、絶縁破壊を起こす電界の強さです。
• (2) 正しい。大気圧より高い範囲では、圧力を上げるほど破壊電圧は上がります（パッシェンの法則）。
• (3) 正しい。電子を捕まえるので、空気より絶縁性能が高くなります。
• (4) 誤り。水分や不純物が混じると、破壊電圧は下がります。
• (5) 正しい。たとえば耐熱クラス A は $105\ {}^{\circ}\mathrm{C}$、F は $155\ {}^{\circ}\mathrm{C}$ で、F のほうが高温に耐えます。

答え：(4)

解答と解説を見る

• （ア）使用温度が高いことによる劣化なので、熱的劣化です。
• （イ）温度が高いほど劣化が早く進み、寿命は短くなります。
• （ウ）電界の集中する所で起こるのは、部分放電です。吸湿は水分を吸うことで、放電ではありません。

答え：(2)

よくある質問

絶縁抵抗と絶縁耐力は何が違いますか？

絶縁抵抗は、絶縁物に電圧を加えたときの漏れ電流の流れにくさです。絶縁耐力は、絶縁破壊を起こす電界の強さで、単位は $\mathrm{kV/mm}$ です。前者は漏れ電流の大きさ、後者は電圧に耐える強さを表します。

SF6 は、なぜ絶縁性能が高いのですか？

SF6 は電子を捕まえて重いイオンにする、電気的に負性の気体です。電子が増えにくく、放電が育たないので、空気の 2〜3 倍程度の絶縁耐力が得られます。ただし温室効果が大きいので、大気に漏らさない管理が必要です。

絶縁油は、何のために使いますか？

変圧器の中で、巻線と鉄心を絶縁するためと、発生した熱を運んで冷やすためです。水分や不純物が混じると破壊電圧が下がるので、状態の管理が大切です。

パッシェンの法則の U 字は、なぜ起こりますか？

$pd$ が小さいと電子の衝突が少なく、電離が起こりにくいので破壊電圧は高くなります。$pd$ が大きいと、電子が衝突のたびに勢いを失い、電離に必要なエネルギーまで加速されにくいので、やはり高くなります。その間に最小値があります。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

絶縁耐力とは何ですか。平行平板での電界の式は何ですか？

絶縁破壊を起こす電界の強さで、単位は $\mathrm{kV/mm}$ です。電界は $E = V/d$ です。

パッシェンの法則では、破壊電圧は何で決まり、どんな形の曲線になりますか？

圧力と電極間隔の積 $pd$ で決まり、U 字形で最小値があります。

SF6 は、絶縁の面でどんな気体ですか？

電気的に負性で、空気の 2〜3 倍程度の絶縁耐力があります。無色・無臭・不燃・無毒で、温暖化係数が大きいので漏らさないようにします。

絶縁油の 2 つの役割と、水分が混じるとどうなりますか？

絶縁と冷却です。水分が混じると破壊電圧が下がります。

耐熱クラス A・B・F・H の温度はそれぞれ何 ℃ ですか？

105・130・155・180 ℃ です。

絶縁物の劣化の 3 つの要因は何ですか？

熱、電気（部分放電・トリー）、吸湿（水分）です。

まとめ

• 絶縁材料には、絶縁抵抗が大きい・絶縁耐力が大きい・誘電損が小さい・熱に強い・機械的に強い、という性質が求められる
• 絶縁破壊を起こす電界の強さが絶縁耐力 $\mathrm{[kV/mm]}$。平行平板では $E = V/d$、$V_{\mathrm{b}} = E_{\mathrm{b}}d$
• 空気は約 3 kV/mm が目安。SF6 は電気的に負性で、空気の 2〜3 倍程度。パッシェンの法則では、破壊電圧は $pd$ の U 字形
• 絶縁油は絶縁と冷却の役割で、水分が混じると破壊電圧が下がる
• 耐熱クラスは Y 90 ℃ から R 220 ℃ までで、劣化の要因は熱・電気（部分放電・トリー）・吸湿

電気を通す材料の性質は導電材料で、磁石や鉄心になる材料の性質は磁性材料で、続けて確かめましょう。