高分子絶縁材料に蓄積する空間電荷が部分放電発生へ与える影響

摘要

放電現象においては、大気、金属、固体絶縁体のいわゆる三重点(triple junction)が弱点であるといわれており、絶縁材料の表面帯電状態が問題視されてきたが、固体絶縁体中に蓄積する空間電荷が放電に与える影響については、あまり考慮されてこなかった。一般に、三重点からなる交流高電圧の絶縁システムにおいて、放電の危険性を回避するための絶縁設計を行う場合は、固体絶縁体の誘電率をもとにした電界計算が行われるが、近年では、再生可能エネルギーの導入にともなう、直流高電圧(HVDC)による送電システムの開発が盛hになり、固体絶縁材体に直流高電圧が印加される状況が多く見受けられるようになってきた。一般に、固体絶縁体に直流高電圧を印加すると、絶縁体内部に空間電荷が蓄積するため、見かけの誘電率が変化し、計算とは異なった電界分布が発生するため、予想外の放電が発生する可能性がある。また、交流高電圧に使用する絶縁システムにおいても、高温化では空間電荷が蓄積することで、やはり見かけの誘電率が変化する可能性が高まる。近年開発されたSiC(炭化ケイ素)半導体は、高温・高電界下での使用が可能であるが、これと組み合わせる固体絶縁体においては、空間電荷の影響が無視できなくなるものと考えられる。また、電気自動車の普及にともない、今後ますますモータのコンパクト化、高効率化が求められるが、その際に、モータ卷き線の被覆絶縁材料には、比較的高温下で、高電圧の矩形波が印加され、部分放電(Partial discharge)を引き起こす原因となる。この部分放電の発生機構に、固体絶縁体内に蓄積する空間電荷が関与するとの指摘があるものの、具体的な調査はあまり行われていない。さらに、一見、高電圧とは無縁だと考えられる電子基板においても、コンパクト化により配線間が極めて短くなり、また固体絶縁体である基板材料が薄くなることで、固体絶縁体には高電界が発生することになるため、高温や高湿度下のような、空間電荷が蓄積しやすい環境下においては、空間電荷の蓄積を考慮しなければならなくなる可能性が高いが、基板材料としての固体絶縁材体の空間電荷蓄積特性が考慮された例は、ほとhどない。