誘電ガス
誘電ガス、または絶縁ガスは、気体状の誘電体です。主な目的は、放電を防止または急速に消火することです。誘電ガスは、変圧器、遮断器（六フッ化硫黄遮断器）、配電装置（高電圧配電装置） 、レーダー導波管など、 高電圧用途における電気絶縁体として使用されます。
高電圧用途では、優れた誘電ガスは、高い誘電強度、高い熱安定性、使用される構成材料に対する化学的不活性、不燃性、低毒性、低沸点、優れた熱伝達特性、低コストを備えている必要があります。[ 1 ]
最も一般的な誘電ガスは、その普遍性と低コストのため、空気です。他によく使用されるガスは乾燥窒素です。
高電圧スイッチなどの特殊なケースでは、優れた誘電特性と非常に高い絶縁破壊電圧を持つガスが必要です。ハロゲンなどの電気陰性度の高い元素は、放電チャネル内のイオンと急速に再結合するため、好まれます。ハロゲンガスは非常に腐食性が高いため、放電経路内でのみ解離する他の化合物が好まれます。最も一般的なのは 、六フッ化硫黄、有機フッ化物（特にパーフルオロカーボン）、クロロフルオロカーボンです。
気体の絶縁破壊電圧は、おおよそ密度に比例します。また、ガス圧力の上昇に伴い絶縁破壊電圧も増加します。多くの気体は液化しやすいため、許容圧力の上限が制限されています。
ハロゲン化化合物の分解生成物は腐食性が極めて高いため、コロナ放電の発生を防止する必要があります。
水分の蓄積はガスの誘電特性を低下させる可能性があります。水分分析はこれを早期に検出するために使用されます。
誘電ガスは冷却剤としても機能します。
いくつかの用途では、真空がガスの代替として使用されます。
必要に応じてガス混合物も使用できます。六フッ化硫黄を添加すると、ヘリウムや窒素などの絶縁体として劣る物質の誘電特性が劇的に改善されます。[ 2 ]多成分ガス混合物は優れた誘電特性を示すことがあります。最適な混合物は、電子付着性ガス（六フッ化硫黄、オクタフルオロシクロブタン）と、加速された電子を熱化（減速）する分子（テトラフルオロメタン、フルオロホルムなど）を組み合わせたものです。ガスの絶縁特性は、電子付着、電子散乱、電子イオン化の組み合わせによって制御されます。[ 3 ]
大気圧は空気の絶縁特性に大きな影響を与えます。キセノンフラッシュランプなどの高電圧用途では、高高度では電気絶縁破壊が発生する可能性があります。
| ガス | 式 | 空気に対する破壊電圧 | 分子量（g/mol） | 密度* (g/L) | ODP | 地球温暖化係数 | 電子付着 | プロパティ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 六フッ化硫黄 | SF6 | 3.0 | 146.06 | 6.164 | 22800 | 最も一般的な絶縁ガスです。密度が高く、優れた放電消弧剤であるフッ素を豊富に含んでいます。優れた冷却特性と優れたアーク消弧能力を備えています。腐食性の分解生成物を生成します。ほとんどの分解生成物はすぐにSFを再形成する傾向があります。6アーク放電やコロナ放電によって、二フッ化硫黄（S2F10六フッ化硫黄は、ホスゲンに匹敵する毒性を持つ非常に有毒なガスです。電気アーク中の六フッ化硫黄は他の物質と反応して有毒な化合物を生成する可能性があり、例えば酸化ベリリウムセラミックからはフッ化ベリリウムが生成されます。窒素や空気などとの混合ガスとして使用されることが多いです。 | ||
| 窒素 | 北2 | 1.15 | 28 | 1.251 | – | – | ない | 高圧で使用されることが多い。燃焼を促進しない。SF 6の低コスト代替品として、 10～20%のSF 6と併用できる。単独でもCO 2と組み合わせても使用可能。電子を付着させないため、電子の減速に効果的である。 |
| 空気 | 29/混合物 | 1 | 1.2 | – | – | 破壊電圧は1気圧で30kV/cm。非常に綿密に研究されている。放電すると、特に水分が存在する場合、腐食性の窒素酸化物やその他の化合物を生成する。腐食性の分解生成物を生成する。特に圧縮すると燃焼を促進する可能性がある。 | ||
| アンモニア | NH3 | 1 | 17.031 | 0.86 | ||||
| 二酸化炭素 | 二酸化炭素2 | 0.95 | 44.01 | 1.977 | – | 1 | 弱い | |
| 一酸化炭素 | 二酸化炭素 | 1.2 [ 4 ] | 弱い | 電子を遅くするのに効果的。有毒。 | ||||
| 硫化水素 | H2S | 0.9 | 34.082 | 1.363 | ||||
| 酸素 | お2 | 0.85 | 32.0 | 1.429 | – | – | 燃焼を非常に促進します。特に高濃度または圧縮状態の場合は危険です。 | |
| 塩素 | 塩素2 | 0.85 | 70.9 | 3.2 | ||||
| 水素 | H2 | 0.65 | 2.016 | 0.09 | 事実上そうではない | 絶縁破壊電圧は低いが、熱容量は高く、粘度は非常に低い。例えば、水素冷却タービン発電機の冷却に用いられる。取り扱いと安全性に問題がある。非常に速い脱励起特性を持ち、高繰り返し率のスパークギャップや高速サイラトロンに使用可能。 | ||
| 二酸化硫黄 | それで2 | 0.30 | 64.07 | 2.551 | ||||
| 亜酸化窒素 | 北2お | 約1.3 | 弱い | 電子を弱く付着させる。電子を減速させるのに効果的である。[ 4 ] | ||||
| 1,2-ジクロロテトラフルオロエタン（R-114） | CF2ClCF2塩素 | 3.2 | 170.92 | 1.455 | ? | 強い | 23℃における飽和圧力は約2気圧で、破壊電圧は1気圧の窒素の5.6倍になります。腐食性の分解生成物が発生します。 | |
| ジクロロジフルオロメタン（R-12） | CF2塩素2 | 2.9 | 120.91 | 6 | 1 | 8100 | 強い | 蒸気圧は23℃で90psi（6.1気圧）で、1気圧の空気の17倍の破壊電圧を生じます。窒素を添加して圧力を高めることで、より高い破壊電圧を得ることができます。腐食性の分解生成物が発生します。 |
| トリフルオロメタン | CF3H | 0.8 | 弱い | |||||
| 1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン（R-236fa） | CF3CH2CF3 | 152.05 | 6300 | 強い | 腐食性の分解生成物。 | |||
| 四フッ化炭素（R-14） | CF4 | 1.01 [ 1 ] | 88.0 | 3.72 | – | 6500 | 単独で使用すると絶縁性が低い。SF 6と混合すると六フッ化硫黄の誘電特性は若干低下するが、混合物の沸点が大幅に低下し、極低温での結露を防ぐ。純粋なSF 6のコスト、毒性、腐食性を低減する。[ 5 ] | |
| ヘキサフルオロエタン（R-116） | C2F6 | 2.02 [ 1 ] | 138 | 5.734 | – | 9200 | 強い | |
| 1,1,1,2-テトラフルオロエタン(R-134a) | C2H2F4 | 強い | SF6の代替候補。[ 6 ]消弧特性は劣るが、誘電特性はかなり良好である。 | |||||
| パーフルオロプロパン（R-218） | C3F8 | 2.2 [ 1 ] | 188 | 8.17 | – | ? | 強い | |
| オクタフルオロシクロブタン（R-C318） | C4F8 | 3.6 [ 1 ] | 200 | 7.33 | – | ? | 強い | SF 6の代替品として考えられます。 |
| パーフルオロブタン（R-3-1-10） | C4F10 | 2.6 [ 1 ] | 238 | 11.21 | – | ? | 強い | |
| 30% SF6/70% 空気 | 2.0 [ 1 ] | |||||||
| ヘリウム | 彼 | ない | 電子を付着させないため、電子を減速させるのに効率的ではありません。 | |||||
| ネオン | ね | 0.02 [ 4 ] | ない | 電子を付着させないため、電子を減速させるのに効率的ではありません。 | ||||
| アルゴン | アル | 0.2 [ 4 ] | ない | 電子を付着させないため、電子を減速させるのに効率的ではありません。 | ||||
| 真空 | 高真空はコンデンサやスイッチに使用されます。真空維持に問題があります。高電圧はX線の発生につながる可能性があります。[ 7 ] [ 8 ] |
*密度は概算です。通常は大気圧で指定されますが、温度は変化する可能性がありますが、ほとんどの場合 0 °C です。
参考文献
- ^ a b c d e f g M S Naidu; NAIDU MS (1999年11月22日).高電圧工学. McGraw-Hill Professional. pp. 35–. ISBN 978-0-07-136108-8. 2011年4月17日閲覧。
- ^ Paul G. Slade (2008).真空遮断器：理論、設計、応用. CRC Press. pp. 433–. ISBN 978-0-8493-9091-3. 2011年4月17日閲覧。
- ^ Ramapriya Parthasarathy低エネルギー電子-分子相互作用を調べるためのマイクロスケール実験室としてのリュードベリ原子の利用
- ^ a b c d Loucas G. Christophorou著「純粋なSF6の代替物質に関する研究と調査結果」アメリカ国立標準技術研究所（NIST）、メリーランド州ゲイサーズバーグ、EPA.gov
- ^ Loucas G. Christophorou; James K. Olthoff (1998年1月1日).気体誘電体 VIII . Springer. pp. 45–. ISBN 978-0-306-46056-2. 2011年4月17日閲覧。
- ^地球温暖化係数が低い気体誘電体 – 米国特許出願20080135817 明細書2012年10月13日アーカイブ、 Wayback Machineより。Patentstorm.us (2006年12月12日)。2011年8月21日閲覧。
- ^ハンス・R・グリーム、ラルフ・ハーヴェイ・ロブバーグ (1970).プラズマ物理学. アカデミック・プレス. pp. 201–. ISBN 978-0-12-475909-1. 2012年1月9日閲覧。
- ^ラヴィンドラ・アローラ、ヴォルフガング・モッシュ（2011年2月25日）『高電圧および電気絶縁工学』ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、249頁～。ISBN 978-1-118-00896-6. 2012年1月9日閲覧。
