第４章 液体, 固体および真空の絶縁破壊

４．１ 液体の絶縁破壊 ：気体の場合とほぼ同様

・絶縁破壊後に絶縁性の回復（自復性）

・気泡, 不純物によるVSの低下

絶縁油（変成器，コンデンサ，ケーブル等）

４．１．１ 液体絶縁物中の電気伝導

液体中での破壊機構

・4.1.2 電子的破壊（電子なだれ，空間電荷）

絶縁耐力：液体≫気体

CC

・4.1.3 気泡による破壊

・4.1.4 混入不純物による破壊

・不平等電界中での油中コロナを伴う破壊

４．１．２ 電子的破壊

(a) 電子なだれ

(b) 空間電荷

CCC

CC

hdeE

ln：　

2

2

1vmC :電子が得るエネルギーの臨界値

Ch :定数

14

12

c

cbcEC

b：実験で求まる定数（仕事関数に依存）

i

dec

2

油中の イオン移動度 誘導率

MV/cm ~ 数CE

：液中での電子の衝突電離による

陰極表面の空間電荷電界による電界放出

）（

４．１．３ 気泡発生源

・電極付着 ・電子衝突による液体分子の解離 ・ジュール熱による液体分子の気化

21

0

124

2241

rE

V

rE bgL

gL

C

・ ：液体，気体の誘電率 ・ ：液体の表面張力 ・ ：気泡の初期の半径（球体） ・ ：気体内の電圧降下 b

gL

V

r

,

Eにより気泡が（E方向に）細長に延びる

気泡内のEが となり放電

全路破壊

1）導電性液体不純物 ：気泡とほぼ同じ振舞い

2）固体不純物

誘導率が大の場合 ：固体表面で電界強度が大

→コロナ放電→気泡発生→絶縁破壊

４．１．４ 混入不純物による破壊

４．２ 固体の絶縁破壊

cmΩ 1012 Q値，漏れ電流

・貫通破壊 （cf. 表面破壊）

・自復性↔非自復性（有機物に多い）

４．２．１ 固体絶縁物中の電気伝導

V

0 t

ideal C real C

G

i

0 t

i i

i

0 t

：充電電流

：吸収電流 ・双極子分極 ・空間電荷分極 ・界面分極

変位電流

伝導電流 ・体積漏れ電流 ・表面漏れ電流

漏れ電流（Gによる）

４．２．２ 熱的破壊

固体：電界のエネルギー吸収による熱量集積（温度上昇） （ジュール熱）

周囲温度低下による破壊値の低下 ≑ 電気的破壊

Ej σ：導電率

E

j 2E

jEp

パワー密度 s)J/(m3

誘電体内の熱伝導（平衡）の基本式

発熱量 放熱量 （熱拡散（伝導）による）

※事象の理解のためには、両極端を考えるとよい（この場合は時間）

→解析的導出は困難

→破壊強度の特性

数ms～数十ms

：放熱する時間がない

t

TCE

2

TdivE grad2

vCC

定積比熱

K)J/(m3

K)W/(m :

kg/m :

K)J/(kg :

3

熱伝導率

密度

比熱

C

K)J/(m s

1）E(t)がきわめてゆっくり変化（～DC）

2）E(t)が急峻に変化

3）交流の場合

発熱源：誘電損失

誘電正接印加電圧実効値，　　

誘電率静電容量，　　　　

:tan:

::

efV

C

定常熱破壊

インパルス熱破壊

ep

４．２．３ 電子的破壊

固体内のわずかな伝導電子

・単一電子近似による理論

・集団電子近似による理論

破壊強度 ・最大の電界

・ψが臨界値をとるときの電界

ψ ：電子のエネルギー状態を示すパラメータ

単位時間に

（電界から得るエネルギー）＝（格子への衝突により失うエネルギー）

,,, TBTEA

(a) 真性破壊

(b) なだれ破壊

伝導電子の格子の衝突による電子なだれ→衝突回数

・単一電子によるなだれ誘発

・多数電子によるなだれ誘発

・充満帯から伝導帯への電界放出

詳しくは→大重・原 共著「高電圧現象」森北出版を参照

４．２．３ 電気・機械的破壊 ：可塑性高分子

∴機械的に破壊しない最大電圧

YEMC 0.6≒

マクスウェル応力 内部応力

よりEdVFF me , d

dYdV 0

22 ln

2

6.021exp21expat max. 0 dd

４．３ 複合系の絶縁破壊

固体，液体，気体 ・分担電圧（ε, σ, E(x), 形状, 配置･･･）

・部分放電（破壊）

全路破壊

E Fe d0 d Y：ヤング率

≥

破壊

４．３．１ 誘電体の直・並列配置における絶縁破壊

以上であれば全路破壊

へ全電圧が破壊後

で破壊（部分破壊）　　

であれば

,

小 ← f → 大

容量分圧（ε） 抵抗分圧（σ）

で全路破壊では

三重点（トリプルジャンクション）

陰極, 絶縁物, 真空（ガス）

絶縁破壊の起点

４．３．２ 沿面放電

誘導体（ε：大） に電界の強い部分

・正，負で特性が異なる．

沿面フラッシュオーバー（導体間を矯絡）

cf. 沿面バリア放電，パックドベット放電 ex. 絶縁がいしの塩害

・表面付着の不純物

・吸湿や結露

４．３．３ 劣化現象

絶縁物表面での微細放電による有機物の炭化

充電電流に急峻なパルス電流 →フラッシュオーバーへ

b) ボイド放電（空げき）

a) トラッキング

c) トリーイング

固体中の高電界部分やボイド放電からの樹脂状の局部破壊

→進展し，フラッシュオーバーへ

４．４ 真空破壊

なので, ガスの衝突電離によらない

フラッシュオーバー

経時変化

・電界電子放出と電極（陽, 陰）材料の蒸発 ・不純物(家電)の存在と電極（陽, 陰）材料の蒸発

電子の供給機構

トラッキング火災

（ほこり）

→部分放電の繰返し

１． p.37の図4·7(a)直列配置において，上層（E1）及び下層（E2）の絶縁破壊強度をそれぞれE1s ，E2s とすると，上層が先に絶縁破壊する条件は ε1E1s < ε2E2s である事を示せ．ただし，電極間に電圧（交流）V [V]が印加されているとし，各層の厚さ及び誘電率をd1 ，d2 ，ε1 ，ε2 とする．また，印加電圧が直流で各層の抵抗率をρ1 ，ρ2 とした場合に上層が先に絶縁破壊する条件を求めよ．

２．次の絶縁破壊機構について説明せよ． (a) 液体絶縁物 (b) 固体絶縁物