絶縁体（電気）
| 電磁気 |
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電気絶縁体とは、電流が自由に流れない物質です。絶縁体の原子は、容易に移動できない強固に束縛された電子を持っています。半導体や導体といった他の物質は、より容易に電流を伝導します。絶縁体を区別する特性は抵抗率であり、絶縁体は半導体や導体よりも抵抗率が高いです。最も一般的な例は非金属です。
完全な絶縁体は存在しません。なぜなら、絶縁体として使用される材料でさえ、電流を運ぶことができる移動電荷（電荷キャリア）を少数含んでいるからです。さらに、十分に大きな電圧が加えられ、電界が電子を原子から引き剥がすと、すべての絶縁体は導電性になります。これは電気破壊として知られており、それが起こる電圧は絶縁体の破壊電圧と呼ばれています。ガラス、紙、PTFEなど、抵抗率の高い材料は非常に優れた電気絶縁体です。より広範囲の材料は、バルク抵抗率が低くても、通常使用される電圧で大きな電流が流れるのを防ぐのに十分であるため、電気配線やケーブルの絶縁体として使用されます。例としては、ゴムのようなポリマーや、熱硬化性または熱可塑性のほとんどのプラスチックがあります。
絶縁体は、電気機器において、電流を通さずに導体を支え、分離するために使用されます。電気ケーブルやその他の機器を包むためにバルクで使用される絶縁材料は、絶縁体と呼ばれます。 「絶縁体」という用語は、より具体的には、配電線や送電線を電柱や送電塔に固定するために使用される絶縁支持材を指すこともあります。絶縁体は、吊り下げられた電線の重量を支え、電流が塔を通って地面に流れるのを防ぎます。
固体における伝導の物理学
電気絶縁とは、電気伝導がない状態です。電子バンド理論（物理学の一分野）は、物質の量子状態において電子が励起される際に電荷が流れることを説明しています。このため、物質に電位差が加えられると、電子はエネルギーを得て、金属などの導体中を移動することができます。このような状態が存在しない場合、物質は絶縁体です。
ほとんどの絶縁体は大きなバンドギャップを持っています。これは、最もエネルギーの高い電子を含む「価電子帯」が満たされており、このバンドとすぐ上のバンドとの間に大きなエネルギーギャップがあるためです。電子がこのバンドに励起されるのに十分なエネルギーを与える電圧（ブレークダウン電圧）が常に存在します。この電圧を超えると、電気的破壊が起こり、物質は絶縁体としての役割を失い、電荷を通過させるようになります。これは通常、物理的または化学的変化を伴い、物質とその絶縁特性を永久に劣化させます。
絶縁物質に印加された電界が、その物質の絶縁破壊閾値電界を超えると、絶縁体は突然導体となり、電流が大幅に増加し、物質全体に電弧が発生します。絶縁破壊は、物質内の電界が十分に強く、自由電荷キャリア（常に低濃度で存在する電子とイオン）が原子に衝突した際に電子を弾き飛ばし、原子を電離させるのに十分な速度まで加速されたときに発生します。これらの自由電子とイオンは、さらに加速されて他の原子に衝突し、連鎖反応としてさらに多くの電荷キャリアを生成します。絶縁体は急速に移動可能な電荷キャリアで満たされ、抵抗は低いレベルまで低下します。固体では、絶縁破壊電圧はバンドギャップエネルギーに比例します。コロナ放電が発生すると、高電圧導体の周囲の空気は、電流の壊滅的な増加を伴うことなく絶縁破壊を起こし、電離する可能性があります。しかし、空気の絶縁破壊領域が異なる電圧の別の導体にまで及ぶと、それらの間に導電経路が形成され、大電流が空気中に流れ、電弧が発生します。真空であっても、ある種の破壊を起こすことはありますが、この場合の破壊または真空アークは、真空自体によって生成されるものではなく、金属電極の表面から放出される電荷を伴います。
さらに、すべての絶縁体は、価電子の熱エネルギーが伝導帯に入るのに十分であるため、非常に高温で導体になります。[ 1 ] [ 2 ]
特定のコンデンサでは、印加電界を減少させると、誘電破壊によって形成された電極間の短絡が消失することがあります。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
用途
電線やケーブルには、絶縁体の柔軟なコーティングが施されることが多く、この構造は絶縁電線と呼ばれます。固体（プラスチックなど）のコーティングが現実的でない場合は、絶縁コーティングを使用せず、空気のみで被覆することもあります。電線同士が接触すると、交差接続、短絡、火災の危険が生じます。同軸ケーブルでは、電磁波の反射を防ぐため、中心導体を中空シールドの中央に正確に支持する必要があります。高電圧が印加された電線は、人体にショックや感電の危険をもたらす可能性があります。
ほとんどの絶縁電線・ケーブル製品には、電圧と導体温度の最大定格が定められています。電流容量（電流容量）は周囲の環境（周囲温度など）に依存するため、製品によっては定格電流が定められていない場合があります。
電子システムにおいて、プリント基板はエポキシ樹脂とグラスファイバーで作られています。この非導電性基板は銅箔導体の層を支えています。電子機器では、微細で繊細な能動部品が非導電性のエポキシ樹脂やフェノール樹脂、あるいは焼成ガラスやセラミックコーティングの中に埋め込まれています。
トランジスタやICなどのマイクロエレクトロニクス部品において、シリコン材料は通常はドーピングによって導体として機能しますが、熱と酸素を加えることで容易に選択的に優れた絶縁体へと変化させることができます。酸化シリコンは石英、すなわち二酸化ケイ素であり、ガラスの主成分です。
変圧器やコンデンサを含む高電圧システムでは、アーク放電を防止するために液体絶縁油が一般的に用いられます。この油は、絶縁破壊を起こすことなく高い電圧に耐えなければならない空間内の空気と置き換わります。その他の高電圧システムの絶縁材料としては、セラミックまたはガラス製の電線ホルダー、ガス、真空、そして単に電線を十分に離して配置し、空気を絶縁体として利用する方法などがあります。
電気機器の絶縁
最も重要な絶縁材料は空気です。電気機器には、固体、液体、気体など、様々な絶縁体が使用されています。小型の変圧器、発電機、電動モーターでは、巻線コイルの絶縁体は、最大 4 層の薄いポリマーワニスフィルムで構成されています。フィルム絶縁マグネットワイヤを使用すると、メーカーは利用可能なスペース内で最大の巻数を得ることができます。太い導体を使用する巻線には、補助的なグラスファイバー絶縁テープが巻かれることがよくあります。また、電気コロナを防ぎ、磁気誘導による巻線の振動を減らすために、巻線に絶縁ワニスを含浸させることもあります。大型電力変圧器の巻線は、現在でも主に紙、木材、ワニス、鉱油で絶縁されています。これらの材料は 100 年以上使用されていますが、経済性と十分な性能のバランスが取れています。配電装置のバスバーと遮断器は、ガラス強化プラスチック絶縁体で絶縁され、火炎伝播を抑制し、材料全体の電流トラッキングを防止するように処理される場合があります。
1970年代初頭までに製造された古い機器には、圧縮アスベスト製のボードが使用されている場合があります。これは電力周波数においては十分な絶縁体ですが、アスベスト材の取り扱いや修理の際に危険な繊維が空気中に放出される可能性があるため、慎重に行う必要があります。フェルト状アスベストで絶縁された電線は、1920年代から高温や過酷な用途に使用されていました。このタイプの電線は、ゼネラル・エレクトリック社によって「デルタベストン」という商標で販売されていました。[ 6 ]
20世紀初頭まで、活線配電盤はスレートまたは大理石で作られていました。一部の高電圧機器は、六フッ化硫黄などの高圧絶縁ガス中で動作するように設計されています。電力周波数や低周波数では良好な性能を示す絶縁材料は、過度の誘電損失による発熱のため、 無線周波数では不十分となる場合があります。
電線の絶縁材には、ポリエチレン、架橋ポリエチレン（電子ビーム処理または化学架橋）、PVC、カプトン、ゴム状ポリマー、油含浸紙、テフロン、シリコーン、または変性エチレンテトラフルオロエチレン（ETFE）が用いられる。大型電力ケーブルでは、用途に応じて 圧縮無機粉末が使用される場合がある。
PVC（ポリ塩化ビニル）などの柔軟な絶縁材料は、回路を絶縁し、600ボルト以下の電圧がかかっている通電中の電線への人体接触を防ぐために使用されます。EUの安全・環境規制によりPVCの経済性が低下しているため、代替材料の使用が増加すると予想されます。
モーター、発電機、変圧器などの電気機器では、様々な絶縁システムが使用されており、許容される動作寿命を達成するために推奨される最高動作温度によって分類されています。材料は、改良された紙から無機化合物まで多岐にわたります。
クラスIおよびクラスIIの絶縁
すべてのポータブルまたは手持ち式の電気機器は、使用者を有害なショックから保護するために絶縁されています。
クラスI絶縁では、機器の金属本体およびその他の露出金属部品を、主配電盤で接地された接地線を介してアースに接続する必要がありますが、導体には基本的な絶縁のみが必要です。この機器では、アース接続用に 電源プラグに追加のピンが必要です。
クラスII絶縁とは、機器が二重絶縁されていることを意味します。これは、電気シェーバー、ヘアドライヤー、ポータブル電動工具などの一部の家電製品に使用されています。二重絶縁とは、機器が基礎絶縁と補助絶縁の両方を備え、それぞれが感電を防ぐのに十分な絶縁を備えていることを意味します。すべての内部通電部品は、絶縁された筐体内に完全に封入されており、通電部との接触を防ぎます。EUでは、二重絶縁機器にはすべて、2つの四角形が内側に重なったシンボルが表示されています。[ 7 ]
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電信および電力伝送用絶縁体
架空高圧送電用の導体は裸線であり、周囲の空気によって絶縁されています。配電用の低電圧導体は、ある程度の絶縁が施されている場合もありますが、裸線である場合も少なくありません。電線が電柱や送電塔に支持されている箇所には、絶縁支持が必要です。また、電線が建物や変圧器、遮断器などの電気機器に引き込まれる箇所にも、ケースとの絶縁のために絶縁体が必要です。これらの絶縁体は、多くの場合ブッシングと呼ばれ、導体を内部に収容した中空の絶縁体です。
材料
高電圧送電に使用される絶縁体は、ガラス、磁器、または複合ポリマー材料から作られています。磁器絶縁体は粘土、石英、またはアルミナと長石から作られ、水をはじく滑らかな釉薬で覆われています。アルミナを多く含む磁器製の絶縁体は、高い機械的強度が基準となる場合使用されます。磁器の誘電強度は約 4～10 kV/mm です。[ 8 ]ガラスは誘電強度が高いですが、結露を招きやすく、絶縁体に必要な厚くて不規則な形状を内部歪みなく鋳造するのは困難です。[ 9 ] 1960 年代後半にガラス絶縁体の製造を中止し、セラミック材料に切り替えた絶縁体メーカーもありました。
一部の電力会社は、一部の絶縁体にポリマー複合材料を使用しています。これらは通常、繊維強化プラスチック製の中央ロッドと、シリコーンゴムまたはエチレンプロピレンジエンモノマーゴム（EPDM ）製の外側のウェザーシェッドで構成されています。複合絶縁体は低コストで軽量であり、優れた疎水性を備えています。この組み合わせにより、汚染地域での使用に最適です。[ 10 ]しかし、これらの材料は、ガラスや磁器のような長期の耐用年数がまだ実証されていません。
- 米国カリフォルニア州のセラミックピン型絶縁体で支えられた電力線
- 10 kVセラミック絶縁体、シェッド表示
デザイン
過電圧による絶縁体の 電気破壊は、次の 2 つの方法のいずれかで発生します。
- パンクチャーアークとは、絶縁体材料の絶縁破壊と伝導により、絶縁体内部にアーク放電が発生する現象です。アーク放電によって発生する熱は、通常、絶縁体に修復不可能な損傷を与えます。パンクチャー電圧とは、絶縁体（通常の設置状態）にかかる電圧で、パンクチャーアークを引き起こします。
- フラッシュオーバーアークとは、絶縁体表面の周囲または表面に沿った空気の絶縁破壊と伝導によって、絶縁体の外側に沿ってアークが発生する現象です。絶縁体は通常、フラッシュオーバーに対して損傷を受けないように設計されています。フラッシュオーバー電圧とは、フラッシュオーバーアークを引き起こす電圧です。
ほとんどの高電圧絶縁体は、パンクチャー電圧よりもフラッシュオーバー電圧が低くなるように設計されているため、損傷を避けるためにパンクする前にフラッシュオーバーします。
高電圧絶縁体の表面の汚れ、汚染物質、塩分、特に水分は、絶縁体を横切る導電経路を作り出し、漏れ電流やフラッシュオーバーを引き起こす可能性がある。絶縁体が濡れているとフラッシュオーバー電圧は 50% 以上低下することがある。屋外用の高電圧絶縁体は、表面に沿った漏れ経路の長さ（沿面距離）が最大化されるように形作られ、漏れ電流を最小限に抑える。[ 11 ]これを実現するために、表面は一連の波形または同心円状のディスク形状に成形される。これらには通常、1 つ以上のシェッドが含まれる。シェッドとは、下向きのカップ型の表面で傘のような役割を果たし、雨天時に「カップ」の下の表面漏れ経路が乾いた状態に保たれるようにする。最小沿面距離は 20～25 mm/kV だが、汚染度が高い地域や海塩分が飛来する地域では増やす必要がある。
種類
絶縁体はいくつかの一般的なクラスに分類されます。
- ピンがいし- ピン型がいしは、電柱の横木に固定されたピンに取り付けられます。がいしの頂部、頂部直下の付近には溝があります。導体はこの溝を通り、導体と同じ材質の焼鈍線でがいしに接続されます。ピン型がいしは、通信信号および最大33kVの電力の伝送・配電に使用されます。33kVから69kVの動作電圧用に作られたがいしは、かさばり、経済的に不利になる傾向があります。
- ポスト碍子 - 1930 年代に登場した碍子の一種で、従来のピン型碍子よりもコンパクトなため、69 kV までのラインで多くのピン型碍子に急速に取って代わり、構成によっては 115 kV までの動作が可能。
- 懸垂がいし - 33kVを超える電圧では、通常、吊り下げがいしが使用されます。吊り下げがいしは、複数のガラスまたは磁器製の円板を金属リンクで直列に接続した紐状の構造です。導体はこの紐の下端に吊り下げられ、上端は鉄塔の腕金に固定されます。使用される円板ユニットの数は電圧によって異なります。
- 張力碍子-引留柱またはアンカーポール、あるいは鉄塔は、直線部分の電線が終端する箇所、または別の方向に曲がる箇所で使用されます。これらのポールは、長い直線部分の電線の横方向（水平方向）張力に耐える必要があります。この横方向の荷重を支えるために、張力碍子が使用されます。低電圧送電線（11kV未満）では、シャックル碍子が張力碍子として使用されます。一方、高電圧送電線では、キャップアンドピン（サスペンション）碍子の列が使用され、水平方向にクロスアームに取り付けられます。河川の長いスパンなど、電線にかかる張力荷重が非常に高い場合は、2列以上の列が並列に使用されます。
- シャックル碍子 - シャックル碍子は、かつては張力碍子として使用されていました。しかし、現在では低圧配電線に多く使用されています。この碍子は、水平方向にも垂直方向にも設置でき、ボルトで電柱に直接固定することも、腕金に固定することもできます。
- ブッシング- 1本または複数本の導体を壁やタンクなどの仕切りに通過させ、導体を仕切りから絶縁します。[ 12 ]
- ラインポスト絶縁体
- 駅柱碍子
- 切り取る
シース絶縁体
シース碍子は、下面接触型第三軌条の全長を保護する碍子です。シース碍子は、偶発的な導通や接触を防止するために、全長を保護する必要があります。また、シース碍子は第三軌条を物理的に保護します。
シース絶縁体は、長寿命と低導電性のため、一般的にエポキシ樹脂で作られています。セラミックも選択肢の一つで、プラスチックに加えて使用されることが多いです。
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懸垂碍子
| 線間電圧（kV） | ディスク |
|---|---|
| 34.5 | 3 |
| 69 | 4 |
| 115 | 6 |
| 138 | 8 |
| 161 | 11 |
| 230 | 14 |
| 287 | 15 |
| 345 | 18 |
| 360 | 23 |
| 400 | 24 |
| 500 | 34 |
| 600 | 44 |
| 750 | 59 |
| 765 | 60 |
ピン型碍子は、線間電圧が約69 kVを超える場合には不向きである。より高電圧の送電線では通常、モジュラー式の吊り下げ碍子設計が用いられる。電線は、金属製のクレビスピンまたはボールソケット式のリンクで互いに接続した同一の円盤状碍子を連ねた「ストリング」から吊り下げられている。この設計の利点は、異なる線間電圧で使用するために、異なる破壊電圧を持つ碍子ストリングを、異なる数の基本ユニットを使用して構成できることである。ストリング碍子は、碍子要素をストリングに追加することで、あらゆる実用的な送電電圧に合わせて作ることができる。[ 14 ] また、ストリング内の碍子ユニットの1つが破損した場合、ストリング全体を廃棄することなく、そのユニットを交換することができる。
各ユニットは、セラミックまたはガラスの円板で構成され、反対側には金属製のキャップとピンが接着されています。故障したユニットを判別しやすくするために、ガラスユニットは過電圧がかかった際にフラッシュオーバーではなく、ガラスを通してパンクチャーアークが発生するように設計されています。ガラスは熱処理されているため、破損したユニットが目視できます。しかし、ユニットの機械的強度は変わらないため、絶縁体列はそのまま保持されます。
標準的な吊り下げ式ディスクがいしユニットは、直径25センチメートル（9.8インチ）、長さ15センチメートル（6インチ）で、80～120キロニュートン（18,000～27,000 lb f）の荷重を支えることができ、約72 kVの乾燥フラッシュオーバー電圧を持ち、動作電圧定格は10～12 kVである。[ 15 ]しかし、ストリングのフラッシュオーバー電圧は、それを構成するディスクの合計よりも低くなります。これは、電界がストリング全体に均等に分布しているのではなく、最初にフラッシュオーバーする導体に最も近いディスクで最も強くなるためです。ディスク全体の電界を低減し、フラッシュオーバー電圧を改善するために、高電圧端のディスク周囲に 金属製のグレーディングリングが追加されることがあります。
超高圧線では、絶縁体がコロナリングで囲まれている場合があります。[ 16 ]これらは通常、アルミニウム（最も一般的）または銅管の環状構造体で、線路に接続されています。これらは、絶縁体が線路に接続されている箇所の電界を低減し、電力損失につながる コロナ放電を防止するように設計されています。
- 275 kV 吊り鉄塔の吊り碍子列（垂直に並んだ円板列）
- 高圧送電線の懸垂碍子列に使用される懸垂ガラスディスク碍子ユニット
歴史
絶縁体を利用した最初の電気システムは電信線でした。電線を木の柱に直接取り付けると、特に湿気の多い天候のときに非常に悪い結果しか得られないことがわかりました。
最初に大量に使用されたガラス碍子には、ネジ山のないピンホールが付いていました。これらのガラス片は、柱の横木から垂直に伸びる先細りの木製のピンに取り付けられていました（通常、柱には2つの碍子が、場合によっては柱の上に1つ取り付けられていました）。これらの「ネジ山のない碍子」に結び付けられた電線の自然な伸縮により、碍子がピンから外れ、手動で再取り付けする必要がありました。 1865年7月25日、ルイ・A・コーヴェは、ネジ山のあるピンホールを持つ碍子の製造方法に関する実用特許第48,906号を取得しました。この方法は、はるかに安全な取り付け方法であることが証明されました。
セラミック絶縁体を最初に製造した企業の中にはイギリスの企業があり、スティフ社とダウルトン社は1840年代半ばから石器を使用しており、ジョセフ・ボーン社（後にデンビー社に改名）は1860年頃から、ブラーズ社は1868年から製造していました。
懸垂がいしの発明により、高電圧送電が可能になりました。送電線電圧が60,000ボルトを超えると、必要ながいしは非常に大きく重くなり、安全マージン88,000ボルトで作られたがいしが、製造・設置の現実的な限界となりました。一方、懸垂がいしは、送電線電圧に応じて必要な長さの碍子を連結することができます。
電話用、電信用、電力用の碍子は多種多様に製造されており、歴史的価値だけでなく、碍子のデザインや仕上げの美しさも魅力として収集する人もいます。コレクター団体の一つに、世界中に9,000人以上の会員を擁する全米碍子協会があります。[ 17 ]
アンテナの絶縁
放送用ラジオアンテナは、多くの場合、マスト放射器として構築されます。つまり、マスト構造全体に高電圧が印加されるため、地面から絶縁する必要があります。架台にはステアタイトが用いられます。架台は、アンテナによっては最大400kVに達するマスト放射器と地面間の電圧だけでなく、マスト構造の重量や動的な力にも耐える必要があります。マストへの落雷は頻繁に発生するため 、アークホーンと避雷器が必要です。
アンテナマストを支える支線には通常、ケーブル経路に張力絶縁体が挿入されています。これは、アンテナの高電圧が地面に短絡したり、感電の危険を引き起こしたりするのを防ぐためです。支線ケーブルには複数の絶縁体が挿入されていることが多く、ケーブルを複数の長さに分割することで、支線内での不要な電気共振を防止します。これらの絶縁体は通常、セラミック製で、円筒形または卵形です（写真参照）。この構造の利点は、セラミックが張力ではなく圧縮力を受けるため、より大きな負荷に耐えられることです。また、絶縁体が破損してもケーブルの両端は連結されたままです。
これらの絶縁体には過電圧保護装置も装備する必要があります。支柱絶縁体の寸法については、支柱に帯電する静電気を考慮する必要があります。高所のマストでは、静電気による電圧が送信機によって発生する電圧よりもはるかに高くなる可能性があるため、最上部のマストでは支柱を絶縁体で複数のセクションに分割する必要があります。このような場合、アンカーベースメントでコイルを介して接地された支柱、または可能であれば直接接地された支柱がより良い選択肢となります。
アンテナを無線機器に接続する給電線、特にツインリード線は、金属構造物から離して設置する必要があることがよくあります。この目的で使用される絶縁支持材は、スタンドオフ絶縁体と呼ばれます。
参照
- スティーブン・グレイ – イギリスの物理学者
- 誘電体
- 電気伝導性
注記
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参考文献
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- Aayush Kejriwal 2024 年 7 月 12 日、電気絶縁体として最も優れているのはゴム、ガラス、プラスチック、セラミックのどれですか?
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