誘電体面の気中放電におよぼす影響
4 0
俊 雄 ・ 赤 上 陽 出 男 * 一 ・ 沓 沢
長 谷 川 誠
The e f f e c t o f d i e l e c t r i c surface i n a i r breakdown
S e i i c h i Hasegawa ， Toshio Kutsuzawa ， Hideo Akagami
(昭和47
年1 1
月10
日受理〕および誘電体面からの垂直高さ
H
(cm) を 自 由 に 調 節 できるように配置した。 これらの試験装置を約0.9rreの 糟に収納し，調湿を行なった。R
き 古t ま え
T.T:
試験用変圧穏(200V/150kv. 15KVA) S.L:
ス ラ イ ダ ッ クS.V:
静 電 電 圧 計Sy
:シンクロスコープ (DC~15MHz)R :保護用水抵抗(1 M!!) r 電流観視JI用抵抗
H.C: 調湿 H~i (0.9rre)
(A)
実 験 回 路， ̲ ̲ {
極
電
針IHh
・ 回
N !
実験回路および電機配置の概略を第l図に示した。誘 電休としては市販のくもりガラス(3∞
x200x2mm)
を用い，そのくもり面を放電商として一方に半円板電級〈半径
60mm
，厚さ1.2mm)
を密着した。 なお，半円 板電極の電界側の上縁を丸く研磨している。針電極は半 径が1.0
，0 . 7 5
，0 . 5
，0 . 3 5
，O.25mm
の タ ン グ ス テ ン 線を用い，その針端を半球状に研磨した。芳1:'.ラス板tは主両 端を高さ3 0
仇cmの合成樹脂製絶縁台で9
剣￨電極は第
l
図の(B)
のようにそのカガFラスのくもり而 に亦対I
し0
。の角度をもつて，水平ギャップの長さ0G ( c m )
ホ秋田大学鉱山学部電気工学科教綬 法
験 方
2 .
実(B) 電 綴 配 lぜ 実験回路および電極配院
試験電圧は商用周波 50Hz で1. 5~2.0kv/s の上昇速 秋田高専研究紀要第
8
号 沿面放電に関する研究は数多いが，これらの大部分は衝撃電圧によるものであり，商用周波電圧によるものは 比較的少ない。 また商用周波電圧による研究であって も，懸垂がL、しゃがい管などに適応しやすい汚損面や，
背後電極のある場合についてで あって.同一面上におけ る沿函放電についてはあまり報告されていない。
筆者らは実際上ありがちな，たとえば長幹がし、しそ予の ような背後電極のない同一面上の商用
50Hz
電圧による 沿商放電について基礎的な研究を行なってきた。その過 程において電極の密着状態や，その形状が沿面フラッシ オーパ電圧に大きく影響し，その影響の度合は大気相対?限度に大きく支配されることを見いだした
1 ) . 2 ) . 3 )
。 これらの現象を解明するため，モテ・ノレ的に一方の電阪 を金' I
m:概とし電械の配置，大気相対減度等:の各種の条件 のもとで実験的に検討を行なった。その結果， 1'
1
電概を誘電休商より沼気中に浮かし，そ の直線距離を延ばしてもフラッシオーパ電圧は変化しな い，とL、ぅ工学的に重要なる現象を発見しその条件を 決定した。第
1
図度で印加した。 なお，垂￨電i阪を高電圧側とし，半円板 電極は電
i
荒波形観測用の抵抗を通して接地した。 印加 電庄の上昇過程におけるコロナ電流波形を周波数 帯 域15MH
7.のシンクロスコープで観測した。3
実験結果ならびに考察3 ・ 1
誘電体面の有無によるフラ Yシオーバ電圧特t性
第 l図の電極配置のもとで誘電体としてのガラス板の 有無によるフラッシオーパ電圧特性を第
2
図に示した。これは針端の曲率半径
p
が0.35mm.
金￨電極の傾き角 度3 0
0におけるものである。誘電
1 *
のない場合，フラッシオーパ電圧は水平ギャッ プの長さG .
および垂直高さH
の増大にとむなって上 昇する。
しかし.水平ギャップの長さG
の橋大にしたが って，霊直高さH = 0
のフラッシオーパ特性曲線に収 束するような傾向がみられる。これはフラッシフj:"ーパ時 の火花が平板電樋端と針電極との直線方向に橋絡するた め， 水平ギャップの増大によって垂直高さH
の直線距 離の土強大におよぼす影響が小さくなるためである。 ま た.t l
電極正極時のコロナの進展性が大きい。 以上のよ うに誘電体のない電極配置では一般の垂￨対平板，あるい は引九jJ: 1
の気中放電の特性に類似している。5 0
40
実線・誘屯体なし
破線・3茸
i
巨体あり(相対湿度60%)n U A U 内 d η L
(埋 設
拭)
﹀ 正出 叫
Hv
v
︑
l L
官ふ
It
、
ト
1 0
2 3 4 5 6 水平ギャップの長き
G(o ， ， )
ρ=0.35... 8=30'
第
2
図 誘電体の有無によるフラッシオーバ 電圧特性誘電休のある場合のフラッシオーパ電圧は， 一般に大 気相対湿度に大きく支配され，水平ギャップの長さの大 きい範囲では大気相対湿度が高くなるにともなって，フ ラッシオーメ電圧は著しく低下する。第
2
図には誘電体 のない場合に比較する意、味で，大気相対湿度の比較的低 い60%
の場合のフラッシオーバ電庄特性を示した。誘電 体のない場合のそれに比べて，水平ギャップの長さG
の 小さい範囲においては，水平ギャップの長さの増大にともなうフラッシオーパ電圧の変化は著しく小さい。 これ は大気中の場合と異なって平板電極端から誘電体に沿う
コロナの進展が正，負ともに大きいためである4)。そし て水平ギャップの長さ
G
のある値のもとで，フラッシオ ーノ=電圧曲線は垂直高さH =0
，すなわちこの場合の金￨ 対平板端の沿面フラッシオーパ電圧曲線に収束するの。この収束点に対応する水平ギャップの長さ
G
は針電極を 誘電体面から浮かした高さH
の増大にともなって大き くなる。この収束点以上の水平ギャップの長さの電極配 置のもとでは，針端正極限f
におし、て誘電体面に沿っては う，正のストリーマ状コロナがあらわれる。また，フラyシオーバ時の火花も第
3
図の写真のように誘電体面の 一部をはって， 電極間を橋絡する色。3 ・ 2
針電極を浮かした場合のフラγシオーバ電圧 特1'生第
4
図に水平ギャップの長さG
をパラメータにして， 針電極を誘電体面から浮かした垂直高さH
とフラッシオ ーパ電圧との関係を示した。 これは大気相対湿度が比較 的高い82%
のもとで， 金' I * J
の出l
率半径ρ
を0.35mm
， 金￨電極の傾き角度を3 0
0とした場合の結果で、ある。水平ギャップの長さ
G
に対して， 垂直高さH
の比較的 小さい範囲ではアラッシオーバ電圧は不規則1)
~こなる。浮かした高さHの増大にともなうフラッシオーパ電圧の
俊 雄・赤 上 陽 出 男
架 線 相 対 温 度
ω %
破線.相対温度90%ー占鎖線:相対湿度90%の場合的正司ストJ'ー マ 状 コロナ開始電圧
5 0
長谷川 誠 一・沓 沢H =
1cm‑ ̲ . 一 ‑ 一‑ 一一
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正
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40
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官 ふ 子 小 ト
水 平 ギ ャ ッ プ 町 長 さ
G ( 聞) ρ=0.35
輔 、0=30'
大気相対湿度とフラッシオーバ電圧 および正のス トリーマ状 コ ロナ開始 電圧特性
第
5
図60
誘電体面から浮かした高き
H ( m m )
相対湿度82 % ， p =0 . 3 5
mm， 8=30
・針電極を誘電体面から浮かした高さ とフラ ッシオーパ電圧)
1
5 0
140
13 0
12 0
11 0
長さ
Gの増大にともなって
上昇する。図中では正の久ト リーマ状コロナの発生を示していないが，そのI ) J I
始電圧 はフラッシオーバ電圧とほとんど一致しているものと見 られる。なお，フラッシオーバ持の火花を第6
図に示し たが，前述の高湿度における第3
図の写真に比べて誘屯 体面をはいがたくなる。
上昇率は水平ギャップの長さ
Gが小
さいほど大きく，さ らに極小部を経て水平ギャップの長さG
に無関係なフラ ッシオーパ電圧曲線を描く。 このフラッシオーパ電圧曲 線をあらわす電極配置においては，誘電体面の影響はな く，大気中の針対平板電極放電と同一視できる。図中のA
点の極小部においては， 正のストリーマ状コロナの 発生が安定し， 火花が誘電{本面の一昔s
をはって橋絡す る1)。またB
点においては， 正のス トリーマ状コロナが 誘電体面をはわず，直接王子板電紐面上に到達する境界を 示したものである。第 4
図大気相対湿度のフラ・γシオーバ電圧特性にお よ
l
ます影響3 . 3
相対湿度が高い場合は水平ギャップの長さ
G
の小さい 範囲では，火花の形態は大気中の針対平板電極放電に類 似し， フラッシオーバ時の火花は直接電施間を橋絡す秋田高専研究紀要第
8
号 第5
図に大気相対湿度の低い場合の例として60%.
高い場合の{9
J I
として90%
のもとにおけるフラッシオーλ
電 圧特性，および針端よりの正のストリーマ状コロナ開始 電圧特性を示した。 なお， 針電極の世i
率半径P
は0 . 3 5
mm.
誘電体面に対する傾き角度。は3 0
0である。 相対 湿度が低い場合，一般に針端正短時のス トリーマ:伏コロ ナは進展しがたく，フラッシオーパ時の火花も誘電体面 をはいがたいの。フラッシオーパ電圧は水平ギャップのる。フラッジオーバ電圧曲線上の
C
点まではこのような 水平ギャ ップの長さG
の範囲をあらわし，フラッシオー パ電圧は水平ギャップの長さG
を変えても， ほ ぼ一 定5)となる。ところが，水平ギャップの長さG
をさらに 噌大すると，水平ギャップの長さG
および浮かした高さH
のある相関のもとで;;)，量￨端正極i寺のλ
トリーマ状コロナが安定に， 誘電体面をはって橋絡するのが見られ る。さらに水平ギャップの長さ
G
を婚すと，フラッシオ ーパ電圧は沿面フラッシオーバ電圧特性曲線にほぼ一致 する。この境界点を図中にP
で示した。このC
点とP
点 との間では，未だ正のストリーマ状コロナの発生が安定 していなL
、。P
点に夕、I
泌する水キギャップの長さより大 きい範凶では.正のスト リーマ状コロナは針電極の延長 方向に，おおよその。の角度で3)誘電体面に向かつて展 開し， その局部に員l i
¥，、たスポγ トを形成する。己の場合 のコロナ電流の波形の一例を第7
凶に示した。この正の ストリーマ:伏コロナは，著しく導電的であり8 )
.そのパ ノレスの波高値は数m A
に達する。 また， このコロナは 間欠的にあらわれる8 )
。この間欠性は誘電体面のコロナ 電流による乾燥と吸湿との繰り返しによるものである。また，この正のストリーマ状コロナの開始電圧は，水平
第
7
図ギャップの長さ
Gに関せず一定となる。
この理由として は，このような条例においては吸湿した水分によって誘 電体面が平板電極と同電{立に近づいている7)と考えられ る。すなわち，水平ギャップの長さ Gが変化しで
も，大 気中の針対平板'f[極配置のギャップの長さが変化しない 場合に対応しているωι
の正のストリーマ状コロナが安 定に発生するためには あ あ 最小水平ギ¥.';1プの長さG mむを~し，こ，f Lは浮かした高さ H
ならびに大気相対 湿度によって変化する。しかるに， フラッシオーバ電圧は
P
点より大きい水 平ギ十ップの長さにおいては，正のストリーマ状コロナu g
の開始電圧のように一定とはならず，水平ギャップの長 さGの増大にともなって，ほぼ直線的に橋大している。 これはフラッシオーバの前段として発生する，正のスト
リーマ状コロナが誘電体面に吸湿された水分を局部的に 発散させるためである。
つぎに，水平ギャップの長さ
G
を一定として，大気相 対湿度を変えた場合のフラッシオーパ電圧を第8
図に示 した。 これは針電極の針端曲率半径ρ
が0 . 3 5 m m
，誘 電体面に対する傾き角度。は3 0
。である。水平ギャップ の長さG
の小さい範囲では，針電極を浮かした場合のフ5 0
o H=3
酬通 4 0 ト 6 H =2
酬震 I X H =l
酬~ ，
^，・H =O
酬出。u 組
I I ← + ー‑‑0 一一『
t 叶 日 一 →
klO L にて之こコ
。
60 80 100 大気相対湿度(%)ρ =0 . 3 5 ‑ ̲
，8 =3 0 '
(A) G= 1.5=
5 0
~'" r~
It'‑ ト
10
ω
80 大気相対溢I!l:(%)(8) G=8cm
第
B
図 大気相対湿度とフラッシオーパ電F E
100
ラッシオーバ電圧の変化は少ない。しかし，水平ギャッ プの長さを増して，火花が誘電体面をはう条件に達する と相対湿度の増加にともなってプラッシオーハ電圧は低 下し，相対湿度
75%
近くで最小値を示す。3 . 4
針電極の針端の曲率半径とその傾き角度 以上のように，とくに高湿時においては，針電極を誘 電体面より浮かした効果がなくなる電極配置条件が存在 する。このような高湿王寺において，針電極の金￨端の幽率 半径pのフラッシオ
ーパ電圧に対する影響を第9
図に示 した。 この図は童￨電極の傾き角度。が30
0，大気相対湿 度が90 %
におけるものである。水平ギャップの長さG
がlc m
と小さい場合は針端の曲率半径p
が増大するとフ ラッシオーバ電圧は上昇する。 しかるに，針電極を浮か した効果がなくなるような水平ギャップの長さG
の大き い，G = 7 cm
におけるフラッシオーパ電在は針端の曲 率半径ρ
には影響されず，ほぼ一定値を示す6)。すなわち， 正ののストリーマ状コロナが安定に発生 し，フラッシオーバ時の火花が誘電体面をはうような電
n υ A υ A υ a U 4・
q u n 4 1 4
{題 索隊 )益 出制 ミ
l
快 ふ ス
a h pト
44 長 谷 川 誠 一
J 沓 沢 俊 雄 ・ 赤 上 陽 出 男 5 0 o H =:3
IA'H =.2 ， X H = 1 ・ ， H = 。
G=7
冊ふ γ や お よ 品
G=l
棚。 0 . 2 5 0 . 3 5 0 . 5 0 0 . 7 5
針端の曲率半径p(
飾品)第
9
図 針端の曲率半径とフラッシオーパ電 圧1 . 0 0
極配置のもとでは，この範囲内の針電極の針端曲率半径
P
はフラッシオーパ電圧に変化をもたらさない。また，針電極の誘電体面に対する傾き角度。のフラッ ジオーパ電圧に対する影響は針端の曲率半径pの場合と ほぼ同様である
6 )
。つぎに，フラッシオーパ電圧がその水平ギャップの長
E 4注 目 2~. X
駒 l
・
俺 且 J
‑R 1 挫
4 水平ギャyプ町長さ
G ( c . )
(A)8 = 3 0 '
，相対湿度90%
E)Z
附姫 川
MJ9Qdhh
0 2
水平ギャップの長さ
(B)ρ=0.35
問、棺対m J
1:90%
第
1 0
図 フラッシオーバ電圧が沿面フラγシ‑オーパにに一致する領域
さGにおける
i &
菌ヲラッシオーパ電圧に一致する領域の 代表例をプロットし，第1 0
図に示じた。第1 0
図CA
うは 針電極の傾き角度。が3 0
0で針端の曲率半径 ρを0 . 2 5
mm~ 1. Omm と変化させた場合， また同図
(B)
は金￨端の曲率半径
P
が0.35mm
で， 針電極の傾き角度。を W~90。と変化させた場合である。 すなわち， 同一の 浮かした高さH
において，フラッシオーパ電圧が沿面フ ラッシオーパ電庄に一致する水平ギャップの長さGは， 針端曲率半径p
，傾き角度。が大きくなると，やや増加 する傾向を示す。 しかし，pおよびO
にば無関係に針電 極を誘電体面から空気中に浮かした効果がなく法る領 域6 )
が存在することになる。4 .
ま と め以上の結果から，同一面上にあい対した針対平仮電極 配置の放電特性についてつぎの諸点が明らかとなった。
1) ギャγプの長さが大きくなると誘電体面の存在に よって，フラッシオーパ電圧が一般に著しく低下し，そ の低下の度合は大気相対湿度が高くなるにともなって大
きくなる。
2 )
大気相対湿度が高い状態で，水平ギャップの長さ がある大きさ以上になると，主￨電極を空気中に浮かして もそのフラッシオーバ電圧は，その相対湿度における沿 面フラッシオーバ霞匡にほぼ一致するような領域が存在 する。3)
高湿時，上記のような領域においては，針端正極 時の正のストリーマ状コロナが安定に誘電体面の一部を はって橋絡し，フラッシオーパ待の火花の形態も同様で ある。4 )
水平ギャップの長さが小さい範囲では，火花の形 態は大気中の針対平板電極放電のそれに類似している が，高湿時においては誘電体面が導電的になるため，フ ラッ ンオーパ電庄は水平ギャップの長さを増大しても，ほぼ一定値を示す範囲がある。
以上のように電極を空気中に浮かし，電極聞の直線距 離を増大しても，フラッシオーパ電圧の上昇を期待でき ない領域が存在する。したがって，これらの諸点は高電 庄機器の絶縁設計上，注目を要する。
参 考 文 献
1) 赤上，門脇:電気学会東北支部連合大会
<14A ‑6 >
(19 6 0 )
2 )
赤上，成田，門脇:電気学会連合大会<54>( 1 9 6 2 )
3 )
赤上，成田，門脇:放電研究く1 2 号> ( 1 9 6 2 )
秋田高専研究紀要第8
号4 )
斎藤:電気学会雑誌<Vo
I.66>( 1 9 4 6 ) 7 )
赤上，加賀，長谷川:電気学会連合大会5 )
赤上，加賀，長谷川:電気学会東北支部連合大会<107> ( 1 9 6 8 )
<7 A‑21> ( 1 9 6 6 ) 8 )
赤上，沓沢，長谷川:電気学会東北支部連合大会6 )
赤上，加賀，長谷川:電気学会東北支部連合大会< 2 C ‑25> ( 1 9 6 8 )
<6 B‑5> ( 1 9 6 6 )
昭和
