エポキシ樹脂と空気の絶縁耐力を比較：MV絶縁設計における主な違い

はじめに

高圧スイッチギヤパネルのあらゆる寸法は、最終的に1つの数値によって決定されます。それは、活線導体と接地構造物間の絶縁媒体の絶縁耐力です。1センチメートルあたりキロボルトで測定されるこの単一の材料特性は、相間クリアランス、相間距離、沿面経路の長さ、および絶縁破壊せずに定格雷インパルス電圧に耐えるために必要な絶縁体の物理的体積を決定します。.

鋳造エポキシ樹脂の絶縁耐力はバルクで180-200kV/cmであり、大気圧の空気（30kV/cm）の約6倍です。この単一の材料特性の違いが、固体絶縁開閉装置が空気絶縁開閉装置よりも40-60%小さいパネルフットプリントを達成すると同時に、汚染された産業環境で空気絶縁性能を制限する表面汚染の故障モードを排除する技術的基盤となっています。.

MV絶縁システムを設計する電気エンジニアや、AISとSISのスイッチギアを評価する調達マネージャーにとって、エポキシ樹脂と空気の絶縁耐力の比較を理解することは学術的な背景知識ではありません。.

この記事では、エポキシ樹脂絶縁システムと空気絶縁システムの絶縁耐力について、基礎的な絶縁破壊の物理学からフィールドグレーディング・エンジニアリング、環境性能、MV開閉器の仕様と設計に対する実際的な影響まで、アプリケーションに焦点を当てた厳密な分析を行います。.

目次

• エポキシ樹脂と空気中の絶縁耐力とその測定方法とは？
• エポキシ樹脂と空気断熱材は、実際のMV運転条件下でどのような性能を発揮するか？
• 絶縁耐力の違いはSISスイッチギヤ設計の優位性をどのようにもたらすか？
• エポキシ断熱システムの仕様と品質検証の要件とは？

エポキシ樹脂と空気中の絶縁耐力とその測定方法とは？

絶縁耐力とは、絶縁材料が絶縁破壊を起こすことなく維持できる最大電界強度（kV/cmまたはkV/mmで表される）のことで、極端な電界応力下で材料が雪崩イオン化することによって絶縁状態から導電状態へと壊滅的に移行することをいう。.

誘電破壊物理学

空中分解 - タウンゼント雪崩メカニズム：

大気圧の空気中では、誘電破壊は次のような方法で起こる。 タウンゼント雪崩プロセス¹:

1. 自由電子（宇宙放射線または光電離による）は、印加された電場で加速する。
2. 加速された電子が中性の空気分子と衝突してイオン化し、さらに電子を放出する。
3. 電離現象が起こるたびに、電子の数が増える。
4. アバランシェが臨界密度に達すると、導電性のプラズマ流路（ストリーマ）が電極ギャップを埋める。
5. ストリーマーはフルアークに移行し、ブレークダウンを完了する。

標準条件（20℃、1bar、50% RH）における均一電極形状の空気の絶縁破壊電界は約 30 kV/cm. .この値は非常に敏感である：

• 電極の形状： 不均一なフィールド（シャープエッジ、小さな半径）は、実効絶縁破壊強度を5～15kV/cmに低下させる。
• 湿度： 湿度が50% RHを超えると、絶縁破壊強度が最大15%低下する。
• 公害だ： エアギャップに隣接する絶縁体の表面汚染は、清浄空気のブレークダウン値をはるかに下回る電界でフラッシュオーバを引き起こす導電パスを形成する。
• 高度： 高度（1,000m以上）で空気密度が低下すると、それに比例して故障強度も低下する。

エポキシ樹脂の破壊-電子的および熱的メカニズム：

固体エポキシ樹脂の絶縁破壊は、ガス中とは根本的に異なるメカニズムで起こる：

• 電子機器の故障： 非常に高い電界（> 500 kV/cm）では、電極からポリマーマトリックスへの直接電子注入により、固体内でアバランシェ電離が開始される。
• 熱破壊： 誘電損失² (発熱が熱放散を上回ると、材料が劣化するまで温度が上昇します。
• 部分的な放電浸食： ボイドや介在物が存在する場合、部分放電は周囲のポリマーを徐々に侵食する。

の下でキャストしたエポキシ樹脂の絶縁耐力を測定した。 アイエック60243³ 短時間テスト条件は 180-200 kV/cm - 空気値の約6倍。部分放電を伴う長期使用条件下では、30年の絶縁寿命を確保するため、有効設計電界は20～40kV/cmに制限される。.

標準測定法

IEC 60243-1 - 短時間絶縁耐力試験：

• 電極：直径25mmの平らな面を持つ直径25mmの真鍮製シリンダー、表面引火を防ぐために絶縁油に浸漬する。
• 電圧印加：ゼロからブレークダウンまで2kV/sでランプ
• 試料の厚さ：1～3mm（バルク材料の特性評価用
• 結果絶縁破壊電圧÷試料厚さ＝絶縁耐力（単位：kV/mm

IEC 60060-1 - 高電圧試験技術：

• 電源周波数耐性試験：50Hzの電圧を60秒間印加、絶縁破壊なし＝合格
• 雷インパルス耐性試験：1.2/50μsインパルス波形、定格BILでの耐電圧＝合格
• これらの試験は、材料サンプルではなく、完全な開閉器アセンブリに適用される。

絶縁耐力基準値

素材	絶縁耐力	テスト条件	スタンダード
空気（均一なフィールド）	30 kV/cm	20℃、1バール、均一	IEC 60060
空気（不均一フィールド）	5-15 kV/cm	シャープな電極形状	IEC 60060
空気（汚染された表面）	1-5 kV/cm	絶縁体表面の汚染	IEC 60507
SF6 (1バール)	89 kV/cm	均一なフィールド	IEC 60052
SF6（3バール）	~220 kV/cm	均一なフィールド	IEC 60052
キャストエポキシ（APG、バルク）	180-200 kV/cm	IEC 60243、短時間	IEC 60243
キャスト・エポキシ（設計分野）	20-40 kV/cm	長期サービス、30年の寿命	IEC 62271
XLPEケーブル絶縁	200-300 kV/cm	バルク、短時間	IEC 60502
磁器（バルク）	60-100 kV/cm	バルク、短時間	IEC 60672
シリコーンゴム	150-200 kV/cm	バルク、短時間	IEC 60243

短時間での強さとデザインフィールドが異なる理由

エポキシの短時間絶縁耐力（180-200kV/cm）と実用設計電界（20-40kV/cm）の間の6倍の比率は、30年の絶縁寿命に必要な安全係数を反映している：

• 連続AC電圧ストレス - 電源周波数電圧は1秒間に50回、30年間で16億サイクルの繰り返し応力を加える
• 過渡過電圧 - 雷インパルスとスイッチングサージは、定格電圧の3～5倍のピーク電界を発生させる。
• 熱老化 - 高温はポリマー鎖の切断を促進し、絶縁耐力を徐々に低下させる。
• 部分放電活動 - ボイドや界面で起こるサブスレッショルドPDでさえ、時間とともに周囲のポリマーを侵食する。

20～40kV/cmの設計電界は、適切な安全マージンをもってこれらすべての劣化メカニズムを組み込んでおり、絶縁システムが定格寿命を通じて適切な絶縁耐力を維持することを保証している。.

エポキシ樹脂と空気断熱材は、実際のMV運転条件下でどのような性能を発揮するか？

エポキシ樹脂と空気の実験室での絶縁耐力値は、均一な電界、清浄な表面、制御された温度と湿度という理想的な条件を表しています。実際のMV開閉装置は、空気絶縁性能を系統的に低下させる一方で、固形エポキシ絶縁にはほとんど影響を与えない環境で作動します。実際の条件下でのこの性能の乖離は、固体絶縁技術の実用的なエンジニアリングケースです。.

汚染パフォーマンス

汚染下の空気断熱：

IECの汚染度分類（IEC 60815）では、絶縁体表面の等価塩析密度（ESDD）に基づいて4つの汚染レベル（a～d）が定義されています。汚染レベルが高くなるにつれて、信頼性の高い空気絶縁に必要な最小沿面距離は劇的に長くなります：

• 汚染レベルa（軽度）： 16mm/kV沿面距離
• 汚染度b（中）： 20mm/kV沿面距離
• 汚染レベルc（重い）： 25mm/kV沿面距離
• 汚染レベルd（非常に重い）： 31mm/kV沿面距離

重汚染環境に12kVのスイッチギアを設置する場合、必要な沿面距離は25×12＝300mmであり、これは空気絶縁部品の最小サイズを直接決定する物理的制約である。沿岸、工業、砂漠などの環境では、AISで十分な沿面距離を確保するには、絶縁体の形状を大きくするか、定期的に洗浄メンテナンスを行う必要があります。.

汚染下のエポキシ樹脂：

SISスイッチギアの鋳造エポキシ絶縁には、外部汚染にさらされるエアギャップ面がありません。すべての活線導体が強固に封止されているため、塩霧、セメント粉塵、化学蒸気、結露などの空気中の汚染は一次絶縁媒体には到達しません。唯一の露出面は、IEC 60587 (CTI > 600V)準拠の耐トラッキング性とIEC 61621 (> 180 seconds)準拠の耐アーク性を備えたエポキシ封止の外側面です。.

結果 SISスイッチギアは、AISでは沿面距離の拡大、頻繁な清掃、または追加のエンクロージャ保護が必要となる汚染度クラスdの環境でも、完全な定格誘電性能を維持します。.

温湿度性能

空気断熱の温湿度感度：

• 空気の絶縁破壊強度は、20℃を超えると1℃につき約0.3%減少する。
• 周囲温度55℃（中東や熱帯の施設では一般的）では、空気の絶縁耐力は～10%低下する。
• 80%以上の相対湿度で絶縁体表面に結露がある場合、有効沿面抵抗が30～50%減少する。
• 高温多湿（熱帯沿岸環境）の組み合わせは、標準試験条件より40～60%も断熱性能を低下させる。

エポキシ樹脂の温湿度性能：

• エポキシのバルク絶縁耐力は、20℃を超えると1℃につき約0.1%減少する。
• 鋳造エポキシの吸湿は、完全浸漬条件下で重量比0.1～0.3%に制限される。通常の開閉器サービスでは、吸湿はごくわずかである。
• 熱クラスF（155°C）は、105°C（周囲40°C + 温度上昇65°C）までの連続使用温度において、断熱システムが完全な性能を維持することを意味します。

部分放電性能

部分放電（PD）とは、絶縁システム内の空隙、介在物、または界面において、局所電界が空隙絶縁破壊強度を超えた場合に発生する局所的な放電のことで、完全な絶縁破壊を引き起こすことはありません。PDは固体絶縁システムにおける主な老化メカニズムであり、絶縁品質の主な診断指標です。.

空気断熱のPD：
空気絶縁開閉器では、通常の動作電圧の下で、導体端、絶縁体表面、汚染堆積物でPDが発生します。空気絶縁は本質的に表面PDに寛容であり、放電が発生するたびにエアギャップが自己回復します。しかし、隣接する固体絶縁体表面（サポート絶縁体、ケーブル終端部）のPDは、表面の侵食とトラッキングを進行させます。.

エポキシ樹脂のPD：
ソリッドエポキシ絶縁では、PDはもっぱらボイド、介在物、または製造中に導入された界面欠陥で発生する。1.5×UmでPD＜5pCのボイドフリーAPGキャストエポキシは、通常の使用電圧ではPD活性が実質的にゼロであり、設計電界（20～40kV/cm）はボイドフリー材料のボイド開始電界をはるかに下回る。設計電界（20-40kV/cm）は、ボイドのない材料のボイド開始電界をはるかに下回っている。.

実際の条件下での比較パフォーマンス

パフォーマンス・パラメーター	エアインシュレーション（AIS）	エポキシ樹脂（SIS）
汚染度dパフォーマンス	300mmの沿面距離／クリーニングが必要	影響を受けない - 表面が露出していない
湿度 > 80% RH	30-50%の低減に耐える	< 5%耐力低下
温度 55°C	~10%の強度低下	~3%の強度低下
表面結露	重大な引火の危険性	影響なし（密閉された表面）
塩霧（沿岸）	クリープの強化が必要	影響なし
化学雰囲気	サーフェス・トラッキングのリスク	密閉 - 影響なし
標高1,000m以上	ディレーティングが必要	ディレーティング不要
部分放電活動	表面固有	ゼロインボイド

お客様のケース海岸沿いの工業プラントでSISに交換されたAISスイッチギヤの絶縁破壊

東南アジアの海岸沿いの化学処理施設で12kV配電変電所を運営する品質重視の企業オーナーは、既存のAISスイッチギヤで位相対地間フラッシュオーバーが発生したことを受け、Beptoに連絡しました。この施設は海から200mの距離にあり、化学処理の蒸気と相まって汚染度クラスdの環境を作り出していたため、オリジナルのAIS絶縁システムは四半期に一度の清掃メンテナンスなしでは耐えられるように設計されていませんでした。メンテナンス・スケジュールは生産のピーク時にずれ込み、蓄積した汚染層が湿度の高い夜間にフラッシュオーバーを引き起こした。.

影響を受けたパネルをBeptoのSISスイッチギアに交換した後、施設のエンジニアリングチームは、密閉されたエポキシ絶縁システムがその後30ヶ月の監視期間中、沿岸の塩霧や化学雰囲気の影響を全く受けなかったことを確認しました。固体断熱材の表面汚染に対する耐性が、当初の故障の根本原因を完全に排除したのです。.

絶縁耐力の違いはSISスイッチギヤ設計の優位性をどのようにもたらすか？

鋳造エポキシ樹脂の空気に対する6倍の絶縁耐力の利点は、SIS開閉装置の設計における定量化可能な工学的利点に直接変換されます。.

クリアランス縮小の計算

定格雷インパルス電圧(BIL)に耐えるために必要な最小絶縁厚さは次式で決定される：

$d_{min} = \frac{BIL}{E_{design}}$

どこで $BIL$ は定格雷インパルス耐電圧であり $E_{design}$ は絶縁媒体の設計磁場である。.

12kVスイッチギア（BIL = 75kV）の場合：

• 空気断熱： $d_{min} = ㎤{75 ㎤{ kV}}{15 ㎤{ kV/cm}} = 50 ㎤{ mm｝$ (不均一なフィールド設計値を使用）
• エポキシ樹脂： $d_{min} = \frac{75 \text{ kV}}{200 \text{ kV/cm}} = 3.75 \text{ mm}$ (バルク短時間値を使用、実用設計では安全係数20～40kV/cmを使用→全絶縁19～38mm）

実際の結果：12kVでのエポキシ絶縁は、空気絶縁が120～160mmのクリアランスを必要とするのに対し、15～25mmの固形物を必要とする。.

電圧レベル間のクリアランス比較：

電圧	BIL	エアクリアランス (IEC 62271-1)	エポキシ樹脂の厚さ（実用的）	スペース削減
12kV	75kV	120mm（フェーズアース）	15-20mm	~85%
24kV	125kV	220mm（フェーズアース）	25-35mm	~85%
40.5kV	185kV	320mm（位相アース）	40-55mm	~85%

エポキシシステムにおけるフィールドグレーディング工学

エポキシのバルク絶縁耐力は180-200kV/cmですが、実用的な設計は幾何学的な不連続面における電界集中によって制約を受けます。導体の端、接続界面、材料の境界では、局所的な電界がバルクの値を2～5倍上回ることがあり、平均電界が設計限界内であっても部分放電の始点が生じます。.

SISスイッチギアにおけるフィールドグレーディング技術：

幾何学的グレーディング：
すべての導体エッジと終端インターフェイスは、半径を制御して設計されています。導体半径の関係 $r$ と最大電界増強係数 $k$ である：

$k = 1 + \frac{2d}{r}.$

どこで $d$ は絶縁厚さである。半径5mmの導体を20mmのエポキシ絶縁体で被覆した場合、,$約9$ - つまり、導体表面の局所磁場は平均磁場の9倍になる。このため、導体半径を大きくするか、界面に電界勾配材料を使用する必要がある。.

半導電性フィールドグレーディングレイヤー：
バスバー接合部、ケーブル終端部、およびインターラプタ界面では、導体とバルク絶縁体の間に半導電性エポキシ化合物の薄い層（抵抗率10²-10⁴Ω-cm）が適用されます。この層は、界面に沿って電界勾配を均一に再分配し、導体端での電界集中をなくし、ピーク電界をPDフリー設計範囲内に低減します。.

キャパシティブ・グレーディング：
XLPEケーブルの絶縁体とスイッチギアのエポキシ絶縁体が接するケーブル終端界面では、容量性グレーディング層を持つプレモールドストレスコーンが界面境界全体に電界を再分配し、ケーブルスクリーンカットバックポイントでの電界集中を防ぎます。.

比誘電率ミスマッチの考察

固形断熱システム特有の設計上の課題として、次のようなものがある。 比誘電率⁴ (εr)界面における異なる絶縁材料間の不一致：

• 鋳造エポキシ樹脂： εr = 3.5-4.5
• 空気だ： εr = 1.0
• XLPEケーブル絶縁： εr = 2.3
• SF6ガス： εr = 1.006

εrの値が異なる2つの物質の界面では、電界は誘電率比に反比例して分布する：

$\Efrac{E_1}{E_2} = \frac{varepsilon_{r2}}}{varepsilon_{r1}}$

つまり、エポキシと空気の界面では、空気中の電界は隣接するエポキシ中の電界よりも3.5～4.5倍高くなります。このため、エポキシ表面の空隙やギャップは、バルクのエポキシ設計値をはるかに下回る電界で部分放電の開始点となります。これが、SISスイッチギア製造において、ボイドのないAPG鋳造とすべての材料界面での適切な電界等級付けが譲れない品質要件である物理的な理由です。.

エポキシ断熱システムの仕様と品質検証の要件とは？

空気に対するエポキシ樹脂の絶縁耐力の優位性は、絶縁システムがボイドのない品質基準で製造され、適切な電気試験によって検証された場合にのみ、サービスにおいて実現されます。製造ボイド、界面欠陥、または不適切なフィールドグレーディングがあるエポキシ絶縁システムは、適切に設計された空気絶縁よりも性能が低下する可能性があります。.

ステップ1：断熱材の品質要件の指定

• 部分放電レベル： 個々の鋳造部品については、1.5 × Um/√3でPD < 5 pC（工場試験）、完全に設置されたアセンブリについては、1.2 × Um/√3でPD < 10 pC（現場受入試験）を指定する。
• 絶縁耐力： 2 × Um + 1kV で 60 秒間の電源周波数耐量、および IEC 62271-1 に準拠した定格 BIL での雷インパルス耐量を指定する。
• 絶縁抵抗： 工場受入時および現場試運転時に、相間および相-接地間 DC2.5kV で IR > 1,000 MΩ を指定する。
• 耐トラッキング性： すべての露出したエポキシ表面について、IEC 60112に従ってCTI（比較トラッキング指数）＞600Vを指定する。
• 耐アーク性： スイッチング素子に隣接する表面には、IEC 61621 に従って 180 秒を超えるアーク抵抗を指定してください。

ステップ2：製造品質の検証

• APGプロセス認証： 鋳造部品が、文書化されたプロセス・パラメーター（射出圧力、鋳型温度、硬化サイクル）とともに、自動加圧ゲル化法によって製造されていることの証明を求める。
• 各コンポーネントの PD テスト記録： 鋳造バスバー、CT、絶縁スペーサーごとに工場でのPD試験証明書を要求 - バッチサンプリングではない
• 素材認証： 絶縁耐力、耐熱クラス、CTI、耐アーク性値を確認できるエポキシ樹脂システムの材料データシートを要求する。
• ボイド検査： 重要な部品については、直径0.5mm以上の内部空洞がないことを確認するX線検査または超音波検査の記録を要求する。

ステップ3：規格と認証の一致

• IEC 60243-1： 固体絶縁材料の絶縁耐力測定
• IEC 60270： 部分放電測定-固体絶縁の主要な品質検証基準
• IEC 60112： 固体絶縁材料の耐トラッキング性（CTI）
• IEC 61621： 固体絶縁材料の耐アーク性
• IEC 62271-1： HVスイッチギヤの共通仕様 - 耐電圧要件
• IEC 62271-200： 金属封止型MVスイッチギヤ - パネル誘電型試験要件一式
• IEC 60587： 表面放電条件下における絶縁材料の耐電食性

絶縁検証試験の概要

テスト	スタンダード	合格基準	適用時
部分放電	IEC 60270	< 5 pC at 1.5 × Um（コンポーネント）	工場、すべての部品
PD（インストールされたアセンブリ）	IEC 60270	< 10 pC at 1.2 × Um	サイト・コミッショニング
電源周波数耐性	IEC 62271-1	2×Um+1kV、60sで絶縁破壊なし	工場型＋定期テスト
耐雷インパルス	IEC 62271-1	定格BILで故障なし	工場型式試験
絶縁抵抗	IEC 60270	2.5kV DCで> 1,000 MΩ	工場＋現場での試運転
トラッキング抵抗（CTI）	IEC 60112	> 600V	材料資格
耐アーク性	IEC 61621	> 180秒	材料資格
絶縁耐力（バルク）	IEC 60243-1	> 180 kV/cm	材料資格

よくある絶縁仕様と検証の間違い

• 個々の部品記録の代わりにバッチPD試験証明書を受け入れる - バッチ中の単一のボイド含有部品は、バッチ平均試験には合格するが、個々のPD基準には不合格となる可能性がある。
• 設置後のサイトPDテストの省略 - 輸送の振動、設置の取り扱い、バスバーのジョイントの組み立ては、工場での試験にはない絶縁不良を引き起こす可能性がある。
• PDレベルを指定せずに絶縁耐力を指定する - 部品は、絶縁破壊しきい値以下のPDを発生するボイドを含みながら、耐電圧試験に合格することができる。
• ケーブル界面での誘電率不整合の無視 - XLPE(εr=2.3)とエポキシ(εr=4.0)間のケーブル終端インターフェイスは、プレモールドストレスコーンを必要とする電界集中を引き起こす。 iec-62271-200⁵ 配電盤

結論

鋳造エポキシ樹脂と空気との絶縁耐力比較は、単なる材料科学の学問的な演習ではありません。それは、空気で絶縁された従来のスイッチギヤに対する固体絶縁スイッチギヤのあらゆる寸法、性能、および環境上の利点を説明する定量的な工学的基礎です。エポキシ樹脂の6倍のバルク絶縁耐力の優位性は、85%のクリアランス低減、汚染耐性、湿度依存性、高度依存性のない性能に直接反映されます。一方、空隙のないAPG製造プロセスと部分放電検証プロトコルは、設置されたすべてのパネルで理論的な材料の優位性が完全に実現されることを保証します。.

なぜなら、固体絶縁技術では、5 pCと50 pCの差が、30年の絶縁システムと早期の故障の差になるからです。.

エポキシ樹脂と空気の絶縁耐力に関するFAQ

1. 気体絶縁における電子破壊プロセスを理解する。. ↩

2. エネルギー散逸がポリマーの熱破壊にどのように影響するかを学ぶ。. ↩

3. 固体絶縁材料の試験に関する国際規格を見る。. ↩

4. 誘電率が電界分布にどのような影響を与えるかを探る。. ↩

5. 金属製密閉型MVスイッチギヤの主要規格。. ↩