最小表面漏洩距離について

最小表面漏洩距離について

著者 池尻 忠夫

雑誌名 福井大学工学部研究報告

巻 10

号 1.2

ページ 117‑127

発行年 1962‑03

URL http://hdl.handle.net/10098/5091

最 小 表 面 漏 洩 距 離 に つ い て

池 尻 ，^申tこρ

夫 普

On t h e  Minimum S u r f a c e  Leakage D i s t a n c e s .  

Tadao IKEJIRI 

117 

On the insulation design about the electrical machines， the cleaned surface of insulating  materials are generally treated， without objecting the materials which are wet or dirty.  On  the other hand， from the stand point of practical use， the later case will be more important  thanthe"Jormer case.  One important phase of  this broad problem is  the establishment of  minimum surface  leakage distance， and in  an effort  to establish reliable values for leakage  distance， the factors which effect them， were examined and evaluated.  A knowledge of these  factors will lead to the establishment of minimum safe leakage distances which is  mandatory  if complete freedom from insulation breakdown is  to be obtained in a compact design. 

1 .

緒 言

電気機器等を小型にまとまりよく設計する場合に，その信頼度を向上するためには，そこに使用 されている誘電体の性能及び制約となるものを充分に把握しておく必要があるO 普通の設計では絶 揚物材料表面が清浄な場合を対象としており，材料表面が湿気，不純物等で汚れている場合は取扱 っていない口しかし実用的な使用面から見ると，湿気等で汚れている場合の方が重要な問題とな るD これらの広範な問題の中で重要なものの一つに最小表面漏洩距離の問題があるが，乙れに関す る知識は未だ充分なものではない。従って，この最小表面漏洩距離に対する信頼すべき結果をうる ためにそれに影響する諸因子を調べ，且つその特性を明らかにした。これ等の諸結果は絶縁破壊を 避け，自由にまとまりよく機器を製作する場合の重要なー資料を提供するもので，その安全限界を 規定することになるものと考えられるO

2 .  

トラツキソグ電圧とその測定

供試絶縁物の表面が湿分文は汚損物層lこ覆われているようなときは電圧を印加した場合，表面漏 洩電流が流れるO との表面漏洩電流の電力損失によって絶縁材料は損傷をうけるoすなわちトラッ キング又はエロージョンを生じ表面破壊へと進展するO 今このような損傷を生じ始める最小の電圧 をトラッキング電圧と定義すれば，乙れは湿潤汚損高等の絶縁破壊を規定する重要な要目であるこ とを示している^D 従って各種絶縁材料主として有機材料のトラツキシグ電圧を各種の条件に於て求

保 福 井 大 学 講 師

118  福井大学工学部研究報告.第10巻 第1・2号

める為に，第 1図に示されるような実験装置によ り直流及び交流 (60r ‑ '  ) について実験的に求め た。乙乙で湿潤汚損面を模疑する為には NaCl， KCl， N H4Cl， Na2S04， HC1， NaOH等の電解 液文はそれ等に銅粉，鉄粉，黒鉛，炭素等の導体 粉或いはブエノーノレレヂン等の合成樹脂の粉体を 混合したもので薄い被膜を作製したもの，更に界 面活性剤を混合したもの等を絶縁物上に作り使用 したO 電圧印加後30秒乃至数分後ζlトラッキング は生成されるが，(諸条件が発生範囲内にあれば) そこで一応電圧切断後洗い去り表面を肉眼的又は 顕微鏡lとより観察しトラッキング又はエロジョン の生成状況を判定した。電極としても種々のもの を用い第 2図の如く裏面に凹みを附したものを用 いた。もし乙の凹みを設けなければ試料上の電解

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直;えの場%(K-252 司ヒー7-t~i定により制{卸する)

第

一 一 二 一 一 三

2 図

一 一 一 一 一 口 口 一

液が毛細管現象によって試料と電極との聞に吸込まれて正確な漏洩距離を測定できない事になるO

3 .

表 面 漏 洩 電 流

第 3 図

一般に表面漏洩電流は試料面上の湿分，汚損!酉及び高電位傾度等により生じ炭化或いは他の損傷 第4図 ビニーノレテープ の 場 合

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A. C. 

第5図 漏洩電流による焼けの顕微鏡写真 (x180) 

ボ ー ノ レ 紙

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1/ 

3ωo 

を与えるD 印加電圧が大になる と絶縁破壊を起すが，汚損層等 の膜の厚みが大であれば熱破壊 を起し，薄ければ局部的に高電 位傾度の部分を生じ気中閃絡即 ち電気破壊となる。本実験の場 合に於ても膜が比較的うすい為 最初電解液膜の抵抗により定ま る漏洩電流が流れるが，ジュー ノレ熱による蒸 発により膜の面積 を減ずるように働き，且つ膜の 厚さも不同の為，局部的に切断 され従って電流は遮断されるD

然して液膜面lと急激に火花放電 が発生し，その熱により絶縁材料は劣化 をうけるO この場合の電流波形を示すと 第3図の如くで徴小火花による電流の急 増過程がよく観察される。又乙の場合の 傷損の一例を示すと第4図のようで同図 等の顕微鏡写真を掲げると第5図のよう になっている^O これ等は電解液の濃度，

微粉体の大きさ及び混入割合等によって も更に異るものと思われる^O 本実験 lζ 於 ては印加電圧としては略々 900‑‑‑3000 V  の範囲のもので一般の同系統の試験時の 印加電圧より高い(ギャップ長が大なる 範囲にある為)更に 400V程度の低電圧 の場合についても， 液滴々下の場合を試

第 6・1図 最小表 而 漏 洩 距 離 について，

1/ 

第一6・1I豆 D.C.

1500 

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1500 

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3000 

印 加 電 芹ω

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119 

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第 6・1図

77ソル樹脂 N.acl  10 

Y .   A .

仁

福井夫学工学部研究報告第10在 第1・2号

3000 

1500  印加電斥川 み，その特性を第6図等に示した。(この よ う に 低 電 圧 で も 回 数 を 増 せ ば 生 成 さ れ るO 又ギャッフo長を小にすれば，乙の電圧 でも充分である口〉概してトラッキングの 生成は電極問中央部付近より発生するが，

いづれの極かに移動する事もあり，又電極 近傍よりの高電位傾度の為に発生し易くな ることもあるO その生成も幾分確率的要素 を帯びるが印加電圧が高くなれば100%生 成されるようになるo (第7図)

120 

第 6・2図

イ色曹庄でli掛II1f、'J(l時 抽 的51t.$，局長滴下する

d01tnt.)  20 

図 7 

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第

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第 8・1図 予 言 ホ ・ ダ 生 セ

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トラツキソグ電圧の諸特性

トラッキング電圧は，ギャップ長，電解 液等の濃度，絶縁材料の種類，電圧印加繰 返し回数等により異なり，更に印加波形に よってもいくらか変動がある^O 今各項ごと にその大要をのべると次の様になる口

( 4

・1) ギャップ長との関係 ギャップ 長とトラツキシグ電圧との関係を電解液と してNaCl，KCl， Na2S04， N H4Cl等の 0.1‑‑10 %溶液を用いた場合，ポリエチν

ン， アクリノレ樹脂，塩化ビニーノレ樹脂， フ ァイプレヅクス〈東洋レーヨY)

，

エ ポ ナ

4 .  

最小表而漏洩距離について 121 

第 8・2図 イト板等上での結果を示すと第8図等

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酔ーーーー.N .... cf  !()" 

エポナ1HC圃2dり ~ sr. 

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して存在する為に，ギャップ長が大にな っても微小火花の電位似度は殆んど同じ で液膜の部分が長くなる丈であり， しか もこの部分の抵抗増加があまり変化ない と考えられるからであるO

(4

・

²⁾ 電 解 液 濃 度 と の 関 係 電 解 液 濃度との関係は概して濃度の増大と共に トラツキシグ電圧が低下する傾向にあり 交 直 何 れ の 印 加 電 圧 に 於 て も 認 め ら れ

るO 即ち第10図等に示す如くであるO こ れは電解液の濃度大なる為，絶縁抵抗小 となり，抵抗値低下小で，従って徴小火 花の電位傾度は殆んど同じで電流は増大 し放電範聞が低濃度の場合に比して正規

第 8・4図 AC.  1

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(V) 

o  10  20  d<^{椛 句}J 3000 

1500 

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のようになるO 又湿潤汚損面を模擬し た合成樹脂粉磁器粉，硝子粉等混合の 場合を第9図等に示す。後者の場合に 於ては徴小火花の発生機構が前者の場 合と少しく異なりイオン分布の変動等 が加味されるので相異はあると考えら れるが，大凡その傾向は略々類似した ものを示しているロ一般にギャップ長 が大になるにつれトラツキシグ電圧は 飽和に到る傾向にあるが，これはトラ ッキングが徴小火花lとより生成される 為，電位傾度の大部分がその部分にか かり被膜の部分はただ単に直列抵抗と

第 8・3図 A.c.  I\~ セ~"17λ

Nι‑l 0./;: 

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第8・5図

A .

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C(r^{問 問 )}

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J

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10  20 

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122  福井大学工学部研究報告第10迭 第1・2号

グローより異常グローに近くなり発熱 量が大になる為と考えられるO しかし NaCl溶液の薄膜をエボナイト板上に 作製した場合の結果では前記の如く単 調に減少する曲線とはならず，複雑な 形状を呈し，むしろ低濃度に於て降下 し中濃度で上昇し更に高濃度で降下す るような傾向を示しているC 乙れ等の 原因が何に基因するかは目下の所不明 であるが，界面状態及びエボナイトの 吸湿，温度等による漏洩電流等への影 響ではないかと思われるD 概して試料 の温度上昇のトラツキyグ電圧に与え る変化は常温ではあまり認め難いが，

エボナイト等のように溶融点の低いも のでは約 100⁰Cで溶融軟化しトラッ キング等の生成にも影響を与えるよう になる口塩化ビニーノレ，ポ日スチロー ノレ，アクリノレ，エボナイト，ブエノー ノレ，メラミシ各樹脂等について温度上 昇の与える効果に関して調べた結果が 第11図であるO 相対湿度の影響も一般 に特別の変化を与えないようである口 何となれば，アーク抵抗，電解液の導 電性，湿気等は，乙れ等の影響をうけ ぬからであるo f;.こだ表面の凝結した湿 気は電解液の存在の下で影響があるこ とがいわれているtヘ す な わ ち ， 表 面 の粗滑程度，ぬれの状態が関係するD

(4

・

3) 絶 韓 材 料 の 種 類 の 影 響 各 種絶縁材料に対し最小の漏洩距離を示 すと各電圧に対して第 l表のようにな るo トラッキング及びエロージヨシ等 は本実験の場合に於ては，徴小アーク の熱エネノレギーにより生ずるので耐ア ーク性に関連があり，一般に

ASTM

試験法より知られるように乾燥時に於 ては， (1)磁器，マイカ，硝子等の無 機質絶縁物(2)ガラス十メラミシ，フ ァイパー，ガラス十ポリエステノレ (3) ブエノーノレ樹脂，ナイロシ+ブエノ‑

Jレ等の各階級に大別されるが，この場

何J即O 加 菅Ji. 

(V) 

/51叩

第8・6図

A . 仁

ノlイずヲ?J，. Na.cl 10;: 

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10  20  01.(例?11)

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第 9・1図 KClO.1%に混合混合比 15% (重量比) D. C.  雌嘉勅点

( a s . . . a

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第 9・2図 Na2S040.1 

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D.C.  11'子λ板上 点下ピニサレ i'lvJ‑1レ

(重合度3000)

t‑2分

0.5  /.0  /.5 之o 25  3.0  d(C11t) 

最小表面漏洩距離について

第10・1図

A，c./¥1セペソ7λ Na..ι‑t 

即加電斥

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2  6  ^{3  10  /2}  Na.d.. ~j夜樺度伊J 4 

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第10・2図 エボナイト栴

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3500 

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123 

合にもこれ等の区分方法は厳密には適 用し難いが(電流密度小なる為〉大体 の見当はつけうるようであるo

(4

・

⁴⁾ 電圧印加繰返し回数との関 係 印加繰返し回数の増加に従い低電 圧にてトラッキシグの容易に生成せら れることは既に J.E.  Hart， W.W. 

Rosenberry， A. T  McClinton(ll ~こ より報告されているが，本実験 l乙於て も又確かめられたロ (第 6・2図の場合 もこの事を示している口〉一回の印加 に要する時閣を略々 5分と見て，全所 要時間をとり，それに対してトラツキ シグ電圧との関係を求めると第12図等 の如くで割合単調に減少している。各 印加電圧波高値によっても曲線の低下 の模様は幾分変化するが，これは電解 液の種類及び濃度等の影響も相当ある ものと思われる口又ギャップ長大にな れば，小なる場合に比し，幾分低下の 割合は減少しなめらかになる口然し粉 体等混入の場合は生成原因に少し異な る要素を含んでいる為最初曲線は急激 に降下し，それ以後殆んど一定電圧に 近くなる。すなわちこの一定電圧を要 しなければ何回印加しでも焼損は起ら ぬことがわかり乙れが限界電圧だと考 えられる。これは微小火花の発生迄の 経過がただ単に膜の切断によるもので はなくイオγの移動を促し且つ面試供 の 液 部 の 抵 抗 の 大 な る 為 と 考 え ら れ るO しかもこれは粉体の性質により非 常に異っており，確率的要素を帯びて いるD

(4

・

5) 電 匝 波 形 と の 関 係 前 記 の 如く電圧波形としては， 直流， 交流 (60‑‑)並びに両者の重畳波形を用い た口直流並びに交流の場合のトラツキ シグ電圧特性は交流電圧の実効値を取 れば両者のそれは略々一致するようで ある口乙れはトラツキシグの生成が熱 的現象であることを考えれば当然の事

福井大学工学部研究報告第10巻 第1・2号 124 

第 1表 D.C. (V) 

電 極 距 離 d (cm)  O. 5  1. 0 

被 の 濃 度 NaCl(労) I 0.5， 1，2.5， 5， 1o 

i 

o. 5 ， 1， 2.5， 5， 10  塩 化 ビ ニ ー Jレ I2000， 2050， 2050， 2100， 2000  I 2100， 2100， 2000， 2000， 2100  酷 酸 ビ ニ ー Jレ I1950， 1弼0，1980， 2000， 2000  I 2000， 2ω0， 1900， 1900， 2

∞

^o 

ポリエチレン(ハイゼツクス 1500 (KCl上100  ‑/ N) ^I  1900 

ア ク リ ノ レ 樹 脂

i

‑ ー ， ー ， 700， 一 ， 一 ， 800， ー 尿 京 樹 脂 I ‑ 一 ， 一 ， 3200， 3300  I ー ， 一 ‑， 3300， ー ベ ー ク ラ イ ト I1200， 1100， 1700， 1600， 1400  I 1100， 1300， 1450， 1500， 1300  エ ボ ナ イ ト I1000， 1200， 1500， 1200， 1300  I 1100， 1300， 1200， 1500， 1300  フ ァ イ ブ レ ツ ク ス 1‑‑‑‑1200 (

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K

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‑

l 11~^ 00  ‑N) ‑/  I 1400  ( 1 1 )   ビ ニ ー ル テ ー プ 12250， ー ， ー ， 1800， ー I 2170，ー， 19肌 ー

A.C.  (V) 

﹁ 一 別 刷 則 一 一

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一 一

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d (cm) 

D. C (V)  2500  2000 

5， 10， 15， 20  1.0， 1.2， 1.2  o ， 1.0， 1.3， 1.0  1.0， 1.3， 1.3  1. 0 ， 1. 2， 1. 2  2.8  混

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5 10， 15， 

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水 + フ エ ノ ー ル レ ヂ ン 粉 末 1. 5， 2. 5， 3. 0， 3. 0  71<.+ポリビニールアルコール o ， 1.4， 2.2， 3.0， 3.0 

十 Ba 50₄  o ， 1.3， 2.2， 3.2， 3.5  J.k  十 ~Jょ 粉 2. 4， 3. 0， 3. 0 

/ 1 <   + 

^磁 岩3 粉 ミt; 3.5， 4.0 

; k   + 

と の 乙 3.8  水

+ 

^{黒 鉛 3.0， 4.2} 

; 1 <  

^十 Zn 0 

一 一 一 一 一 一 ， 

2.5  2.5 

のように思われる口重畳波形の場合も特性等には目立った特徴も認められなかった。

5 .

結 ^雪田

以上各種の電気絶隷材料の最小漏洩距離に関し綜合表示すると第1表のようになる口これ等の資 料は直流及び交流に対して得られたもので電圧波高値は900‑‑3000Vの範囲で電流は数mAでDI Nの試案等に使用される電圧範囲より大であるo (又液滴々下と異り作製した液膜に電圧を印加す

最小表面漏洩距離について 125 

1.5  2.0  3.0 

o. 5 ， 1， 2. 5 ， 5， 10  0.5 ， 1， 2.5， 5， 10  O. 5 ， 1， 2. 5 ， 5， 10  2ioo，200，20o，2‑i5o，200oi2200，n5o，2150，2200:

三 元

o 22肌 22

日

2350，2250， 2250  2100， 1950， 2000， 2150， 1950  2100， 2200， 2000， 2200， 2100  ' 2100， 2100， 2200， 2200， 2200  2200 庁 2500 ¹¹  I 2800 

ー ， ー ， ー ， 950， 2000 十 ー ， ー ， ー ， 1000， 2200  一， 3500， ‑ 一 ， ー 3500，3400  1400， 1700， 1450， 2000， 1400  I 1700， 1500， 1500， 2000， 1750  1250， 1400， 1250， 1900， 1500  i 1700， 1400， 1400， 1900， 1500  1500  //  I 1650  /1 

1500，一， 2800， 1700， 1900 ー ， 一 ， 一 1750

一 一 ， 1000， 2150  一 ， 一 ， 一 ， 3450， 3600  1600， 1800， 2000， 1750， 1640  1500， 1700， 2000， 1900， 2000  1950  ¹¹ 

一， 1940， 1850 

1.5  2.0  3. 0 

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ポリビニールアルコール ( 重 合 度 3000) 磁 器 粉 末 0.5‑0.7mmり フエノールレヂン

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鉄 粉 I200‑‑300  と の

黒

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鉛 メッシユ

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る方法である。〉乙れ等の結果より安全最小漏洩距離の決定には次のような事項を考慮に入れてな されるととができる白すなわち，

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最小安全距離は絶撮材料の表面漏洩電流に関係しトラッキング電圧によって定まる口乙れよ り電圧が大になるか或いは距離が小になるかによって材料の破壊が起る。然して直流電圧のそれは 交流電圧のそれの実効値に相当する口

2.  最小安全距離には電解液の種類及び濃度，更に不純物等の影響が関係し電圧印加回数によっ

福井大学工学部研究報告第10巻第ト2号 126 

第 11図

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D.C.蒸溜水 第12^・2図

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D.C.蒸溜水

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最小表面漏洩距離について ¹²⁷ 

ても変化するo又電気材料の種類により異る ので実用面に於ては充分の注意を要するD 特 に有機質絶縁材料に於ては顕著である口然し 温度，相対湿度，電極形状等の影響はあまり 見られない口 〈電極形状も印加回数大になれ ば影響するようになるo)湿気の凝縮の影響 は電解液の効果と共に認められる。即ち表面 の粗滑程度，ぬれの状態に関係するD

3.  アーク抵抗と安全漏洩距離はある程度 関係があり，従来の比較的低電圧の DINの 試案の結果よりは比例性が認められるO

4.  トラッキング電圧は確率的の要素を含 むので幾分高めの電圧で定める方が確度は大

二

⁶  となる。従って最小漏洩距離もそれに対応す

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るものを取った方が確実である口又粉体混入 の場合は曲線の変化が液膜のみの場合と幾分異りトラッキング電圧，すなわち最小安全漏洩距離も

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幾分異ってくる。

参 考 文 献

(1)  J. E.  Hart， W. W. Rosenberry， A. T.  McClinton:  T. A. I. E. E.  vol 70 p.  738.  1951.  ( 2 ) R. Vieweg， H.  Klingelhりf1er: Kunststoffe 33.  Jahrgang Heft 7 J uli  1943. 

(3)  W. Woebcken: Kunststoffe Bd.  42 Heft 9 1952. 

(受理年月日 昭和36年11月21日)