〈一般研究課題〉 低環境負荷に資する電力機器用低誘電率
ナノポーラス絶縁体の開発
助 成 研 究 者

名古屋大学

栗本

宗明

低環境負荷に資する電力機器用低誘電率
ナノポーラス絶縁体の開発
栗本 宗明（名古屋大学）

Development of Low Permittivity Nanoporous Insulator forElectric Power Apparatus Reducing Environmental Load
Muneaki Kurimoto(Nagoya University)

Abstract：
Size reduction of gas-insulated switchgears (GISs) decreases the consumption of SF6 gas whichis insulating gas used inside the apparatus but has high global warming potential. The developmentof solid insulators with lower permittivity is one of the effective solutions for the size reduction of
GISs. We focused on nanoporous solid insulators. The insulators were prepared by filling epoxy
resin with nanoporous-silica particles. As a result, the permittivity of the nanoporous solid
insulators was lower than that of nonporous solid insulators. We concluded that the nanoporous
solid insulator could potentially be used as a low permittivity solid insulator.
1．はじめに安定した電力供給の確保は、生活の維持と更なる質の向上に不可欠であるが、送電・変電設備の絶縁ガスとして使用されるSF6 ガスは地球温暖化係数が高い。環境性と生活の質向上の両立には、
SF6 の使用量を削減した低環境負荷型の電力機器の実現が必要である。本研究では、例えばガス絶縁開閉装置(GIS)のSF6 封入量を削減するため、電力機器をコンパクト化する技術開発に取り組む。
これら機器内部は、高電圧導体を機械的に支持する固体絶縁体と、その周囲を絶縁ガスで封入した構造を取っている。固体絶縁体の材料には、アルミナ粒子又はシリカ粒子を充填したエポキシ樹脂
が、電気絶縁特性や機械的強度が総合的に優れることから用いられている[1-7]。これら樹脂は気－ 161 －

体より高い誘電率を持つため、絶縁劣化を引き起こし、機器コンパクト設計の障害になっている。
体より高い誘電率を持つため、絶縁劣化を引き起こし、機器コンパクト設計の障害になっている。
そこで、物質の中で誘電率が最も低い気体を固体絶縁体内部に封入した低誘電率ナノポーラス絶縁体より高い誘電率を持つため、絶縁劣化を引き起こし、機器コンパクト設計の障害になっている。
体より高い誘電率を持つため、絶縁劣化を引き起こし、機器コンパクト設計の障害になっている。
そこで、物質の中で誘電率が最も低い気体を固体絶縁体内部に封入した低誘電率ナノポーラス絶縁体の開発に取り組む。
そこで、物質の中で誘電率が最も低い気体を固体絶縁体内部に封入した低誘電率ナノポーラス絶縁
そこで、物質の中で誘電率が最も低い気体を固体絶縁体内部に封入した低誘電率ナノポーラス絶縁体の開発に取り組む。
すでに、マイクロサイズのガラスバルーンをポリマーに充填したマイクロポーラス絶縁体がある体の開発に取り組む。
体の開発に取り組む。
すでに、マイクロサイズのガラスバルーンをポリマーに充填したマイクロポーラス絶縁体があるが、バルーン直径がマイクロサイズであるため内部で放電し、電力用の固体絶縁体としては使用用
すでに、マイクロサイズのガラスバルーンをポリマーに充填したマイクロポーラス絶縁体がある
すでに、マイクロサイズのガラスバルーンをポリマーに充填したマイクロポーラス絶縁体があるが、バルーン直径がマイクロサイズであるため内部で放電し、電力用の固体絶縁体としては使用用
途が大幅に制限される。本研究では、ナノサイズの狭空間内の気体ほど、電子衝突が持続的に起こが、バルーン直径がマイクロサイズであるため内部で放電し、電力用の固体絶縁体としては使用用が、バルーン直径がマイクロサイズであるため内部で放電し、電力用の固体絶縁体としては使用用
途が大幅に制限される。本研究では、ナノサイズの狭空間内の気体ほど、電子衝突が持続的に起こる電子なだれ放電を形成しにくいことを予想するPaschen法則に着目し、ナノサイズのポーラス構
途が大幅に制限される。本研究では、ナノサイズの狭空間内の気体ほど、電子衝突が持続的に起こ途が大幅に制限される。本研究では、ナノサイズの狭空間内の気体ほど、電子衝突が持続的に起こる電子なだれ放電を形成しにくいことを予造を持つセラミックス粒子[8，9]を用い低誘る電子なだれ放電を形成しにくいことを予る電子なだれ放電を形成しにくいことを予想する Paschen 法則に着目し、ナノサイズ
電率ナノポーラス絶縁体を開発する。低誘
想する Paschen 法則に着目し、ナノサイズ
想する
Paschen 法則に着目し、ナノサイズのポーラス構造を持つセラミックス粒子[8，電率ナノポーラス絶縁体としては、図1に示のポーラス構造を持つセラミックス粒子[8，のポーラス構造を持つセラミックス粒子[8，9]を用い低誘電率ナノポーラス絶縁体を開すようなナノポーラスシリカ/エポキシコン9]を用い低誘電率ナノポーラス絶縁体を開9]を用い低誘電率ナノポーラス絶縁体を開発する。低誘電率ナノポーラス絶縁体としポジットを提案する。ナノポーラスシリカ/発する。低誘電率ナノポーラス絶縁体とし発する。低誘電率ナノポーラス絶縁体としては、図 1 に示すようなナノポーラスシリ
エポキシコンポジットは、ナノサイズ空孔ては、図 1 に示すようなナノポーラスシリては、図1 に示すようなナノポーラスシリ
カ/エポキシコンポジットを提案する。ナノを持つナノポーラスシリカ粒子をエポキシ
カ/エポキシコンポジットを提案する。ナノ
カ/エポキシコンポジットを提案する。ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットは、
ポーラスシリカ/エポキシコンポジットは、樹脂に充填したポリマーコンポジットであポーラスシリカ/エポキシコンポジットは、ナノサイズ空孔を持つナノポーラスシリカ
ナノサイズ空孔を持つナノポーラスシリカ
る。比誘電率が4であるシリカ材料部分に空ナノサイズ空孔を持つナノポーラスシリカ
粒子をエポキシ樹脂に充填したポリマーコ
粒子をエポキシ樹脂に充填したポリマーコ
孔を導入することにより、無充填エポキシ
粒子をエポキシ樹脂に充填したポリマーコ
ンポジットである。比誘電率が 4 であるシ
図1. 低誘電率ナノポーラス絶縁体と低誘電率ナノポーラス絶縁体として提案する
図１．
して提案するナノポーラ
ンポジットである。比誘電率が 4 であるシ樹脂よりも低誘電率な固体絶縁体の実現がンポジットである。比誘電率が4 であるシ
リカ材料部分に空孔を導入することによ
図 1. 低誘電率ナノポーラス絶縁体として提案する
スシリカ/エポキシコンポジット
図 1. ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット
低誘電率ナノポーラス絶縁体として提案する
リカ材料部分に空孔を導入することによ期待できる。
リカ材料部分に空孔を導入することにより、無充填エポキシ樹脂よりも低誘電率な
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット
り、無充填エポキシ樹脂よりも低誘電率な ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット
り、無充填エポキシ樹脂よりも低誘電率な固体絶縁体の実現が期待できる。
固体絶縁体の実現が期待できる。
2．ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットの作製
固体絶縁体の実現が期待できる。
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを作製するため、平均細孔径が2.3-2.7nmのナノポー
2. ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットの作製
2. ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットの作製
ラスシリカ粒子をエポキシ樹脂に充填した。表1に作製に用いた材料を示す。比較のため、多孔質
2. ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを作製するため、
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットの作製
平均細孔径が 2.3-2.7 nm のナノポー
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを作製するため、平均細孔径が 2.3-2.7 nm のナノポー
でないノンポーラスシリカ粒子を充填したノンポーラスシリカ/エポキシコンポジットと、無充填
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを作製するため、平均細孔径が 2.3-2.7 nm のナノポー
ラスシリカ粒子をエポキシ樹脂に充填した。表1 に作製に用いた材料を示す。比較のため、多孔質
ラスシリカ粒子をエポキシ樹脂に充填した。表 1 に作製に用いた材料を示す。比較のため、多孔質
エポキシ樹脂も作製した。エポキシ樹脂中には絶縁材料として一般的に用いられるビスフェノール
ラスシリカ粒子をエポキシ樹脂に充填した。表1 に作製に用いた材料を示す。比較のため、多孔質でないノンポーラスシリカ粒子を充填したノンポーラスシリカ/エポキシコンポジットと無充填エ
でないノンポーラスシリカ粒子を充填したノンポーラスシリカ/エポキシコンポジットと無充填エA型の樹脂を用い、硬化させるために酸無水物系の硬化剤を添加した。ナノポーラスシリカ粒子をでないノンポーラスシリカ粒子を充填したノンポーラスシリカ/エポキシコンポジットと無充填エ
ポキシ樹脂も作製した。
エポキシ樹脂中には絶縁材料として一般的に用いられるビスフェノール A

ポキシ樹脂も作製した。エポキシ樹脂中には絶縁材料として一般的に用いられるビスフェノール A
エポキシ樹脂中に配合した後、自転公転式ミキサーを用いて分散させた。熱硬化後に、試料内部断
ポキシ樹脂も作製した。
エポキシ樹脂中には絶縁材料として一般的に用いられるビスフェノール A
型の樹脂を用い、硬化させるために酸無水物系の硬化剤を添加した。ナノポーラスシリカ粒子をエ型の樹脂を用い、硬化させるために酸無水物系の硬化剤を添加した。ナノポーラスシリカ粒子をエ
面をSEM観察した結果を図2に示す。白色部分が、ナノポーラスシリカ粒子であり、黒色部分がエ型の樹脂を用い、硬化させるために酸無水物系の硬化剤を添加した。ナノポーラスシリカ粒子をエ
ポキシ樹脂中に配合した後、自転公転式ミキサーを用いて分散させた。熱硬化後に、試料内部断面
ポキシ樹脂中に配合した後、自転公転式ミキサーを用いて分散させた。熱硬化後に、試料内部断面
ポキシ樹脂である。ナノポーラスシリカ粒子がよく分散していることが確かめられる。
ポキシ樹脂中に配合した後、自転公転式ミキサーを用いて分散させた。熱硬化後に、試料内部断面
をSEM 観察した結果を図 2 に示す。白色部分が、ナノポーラスシリカ粒子であり、黒色部分がエを SEM 観察した結果を図 2 に示す。白色部分が、ナノポーラスシリカ粒子であり、黒色部分がエを表SEM2 に示す。白色部分が、ナノポーラスシリカ粒子であり、黒色部分がエ
1. 観察した結果を図
ナノポーラスシリカ/エポキシ
表 1 . 作製に用いたナノポーラスシリカ粒子とノンポーラ
表 1. ナノポーラスシリカ/エポキシ
表 1.
ナノポーラスシリカ/エポキシ
コンポジットの作製に用いた材料
スシリカ粒子
コンポジットの作製に用いた材料
コンポジットの作製に用いた材料
NanoporousNonporoussilica filler
silica filler
NanoporousNonporousNanoporousNonporoussilica
fillersilica filler
Mean diameter ofsilicafillersilica1 m
2.2 filler
mprimaryMean
particles
diameter of
1 m
2.2 mMean diameter
primaryofparticles
1 m
2.2 mHexagonal
Pore morphology
primary
particles
Hexagonal
Pore morphology
Hexagonal
Pore morphology
2.3-2.7 nm
Mean diameter of pore
2.3-2.7 nm
Mean diameter of pore
図 2. 作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
Calculated
volumefraction
2.3-2.7 nm
Meandiameterof pore
図 2作製したナノポーラスシリカ/エポキシ. 作製したナノポーラスシリカ/エポキシコ
70 vol%図 2.
of pore inside
particles
Calculated
volume fraction
図 2. 作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
コンポジット内部断面
SEM 画像
ンポジット内部断面SEM画像70
vol%Calculated
volumefractionof poreinsideparticles 70 vol%コンポジット内部断面
SEM 画像of pore inside particles
コンポジット内部断面 SEM 画像

2－ 162 －

22

ポキシ樹脂である。ナノポーラスシリカ粒子がよく分散していることが確かめられる。
ポキシ樹脂である。ナノポーラスシリカ粒子がよく分散していることが確かめられる。
作製したナノポーラスシリカ/エポキシコン
作製したナノポーラスシリカ/エポキシコン
作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
ポジット内部に粒子空孔が残存しているかを
ポジット内部に粒子空孔が残存しているかを
コンポジット内部に粒子空孔が残存してい確認するため、作製試料の比重を測定した。
確認するため、作製試料の比重を測定した。
るかを確認するため、作製試料の比重を測図
図 33 に比重測定結果を示す。同図より、作製に比重測定結果を示す。同図より、作製定した。図3に比重測定結果を示す。同図
したナノポーラスシリカ/エポキシコンポジッ
したナノポーラスシリカ/エポキシコンポジッ
より、作製したナノポーラスシリカ/エポトの比重は、ノンポーラスシリカ/エポキシコ
トの比重は、ノンポーラスシリカ/エポキシコ
キシコンポジットの比重は、ノンポーラス
ンポジットよりも軽いことが確かめられた。
ンポジットよりも軽いことが確かめられた。
シリカ/エポキシコンポジットよりも軽い
これは、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポ
これは、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポ
ことが確かめられた。これは、ナノポーラ
ジット内部に粒子空孔が残存したためである。
ジット内部に粒子空孔が残存したためである。
スシリカ/エポキシコンポジット内部に粒作製した試料内部に残存する粒子空孔を定作製した試料内部に残存する粒子空孔を定子空孔が残存したためである。
量的に評価するため、作製試料の比重から、量的に評価するため、作製試料の比重から、作製した試料内部に残存する粒子空孔を
粒子空孔率
粒子空孔率 PP を計算した[10]。
を計算した[10]。作製したナノポ
作製したナノポ
定量的に評価するため、作製試料の比重かーラスシリカ/エポキシコンポジットの粒子空ーラスシリカ/エポキシコンポジットの粒子空
ら、粒子空孔率Pを計算した[10]。作製し孔率は、最大で孔率は、最大で 28
28 vol%であることがわかった。
vol%であることがわかった。 図 3 . 作製したナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット
た
ナ
ノ
ポ
ー
ラ
ス シ リ カ/エ ポ キ シ コ ン ポ 図 3.(NPS-EC)の比重測定結果(ノンポーラスシリカ/エポキシ
また、ポーラスシリカ粒子単体が持つ粒子空孔
ポーラスシリカ粒子単体が持つ粒子空孔作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
また、
図 3.コンポジッ
作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
ト:EC, 無充填エポキシ樹脂:Unfilled epoxy)
ジットの粒子空孔率は、最大で28
vol%で
率は
70
vol%であるため、
粒子空孔率の低下は、
コン
ポ
率は 70 vol%であるため、粒子空孔率の低下は、
コンポジ
ジッ
ット
ト (NPS-EC)(NPS-EC) の
の比
比重
重測
測定
定結
結果
果
あることがわかった。また、ナノポーラス
樹脂が粒子空孔内部に部分的に侵入したこと(ノンポーラスシリカ/エポキシコンポジ
樹脂が粒子空孔内部に部分的に侵入したこと(ノンポーラスシリカ/エポキシコンポジ
シリカ粒子単体が持つ粒子空孔率が70vol%であるため、樹脂が粒子空孔内部に部分的に侵入し、が考えられる。作製した試料の中で、
ット:EC,が考えられる。作製した試料の中で、粒子空孔
粒子空孔
ット:EC, 無充填エポキシ樹脂:Unfilled
無充填エポキシ樹脂:Unfilled
粒子空孔率が低下したことが考えられる。作製した試料の中で、粒子空孔率が比較的高い18
vol%epoxy)
率が高い 18
18 vol%とvol%と 28
28 vol%の試料の誘電特性
vol%の試料の誘電特性
epoxy)
率が高いと28 vol%の試料の誘電特性を測定した結果を次節で述べる。
を測定した結果を次節で述べる。
を測定した結果を次節で述べる。
3．ナノポーラスシリカ/エポキシコンポ
33 ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットの誘
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットの誘
ジットの誘電率特性
電率特性
電率特性

図
に作製した試料の比誘電率の周波数特性
図4
4 図4に作製した試料の比誘電率の周波数に作製した試料の比誘電率の周波数特性特性を示す。ナノポーラスシリカ/エポキを示す。ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジ
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジを示す。
シコンポジットの比誘電率は、ノンポーラ
ットの比誘電率は、
ノンポーラスシリカ/エポキ
ットの比誘電率は、
ノンポーラスシリカ/エポキ
シコンポジットよりも低く、無充填エポキシ樹
スシリカ/エポキシコンポジットよりも低シコンポジットよりも低く、無充填エポキシ樹脂よりも低いことが確かめらた。これは、ナノ
く、無充填エポキシ樹脂よりも低いことが脂よりも低いことが確かめらた。これは、ナノ
ポーラスシリカ/エポキシコンポジットの粒子確かめらた。これは、ナノポーラスシリカ
ポーラスシリカ/エポキシコンポジットの粒子
空孔内部に、比誘電率が小さい気体が残存した/エポキシコンポジットの粒子空孔内部に、空孔内部に、比誘電率が小さい気体が残存したためと考えられる。
比誘電率が小さい気体が残存したためと考ためと考えられる。
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットえられる。
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット

図 4 . 作製したナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット
図4.
図 (NPS-EC)の比誘電率測定結果(ノンポーラスシリカ/エ
4. 作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
ポキシコンポジッ
ト:EC, 無充填エポキシ樹脂: Unfilled
コンポジット(NPS-EC)の比誘電率測定結コンポジット(NPS-EC)の比誘電率測定結に検証するため、
粒子空孔から計算されるナノポ
epoxy)
ジットの低誘電率化が、粒子空孔によるもに検証するため、
粒子空孔から計算されるナノポの低誘電率化が、粒子空孔によるものかを定量的
ナノポーラ
ス シ リ カ/エ ポ キ シ コ ン ポの低誘電率化が、粒子空孔によるものかを定量的果(ノンポーラスシリカ/エポキシコンポ
果(ノンポーラスシリカ/エポキシコンポ
ーラスシリカ/エポキシコンポジットの比誘電率
ーラスシリカ/エポキシコンポジットの比誘電率のかを定量的に検証するため、粒子空孔かジジッ
ット
ト :EC,:EC, 無
無充
充填
填エ
エポ
ポキ
キシ
シ樹
樹脂
脂:
:
の計算値と実測値を比較した。
ここで、の計算値と実測値を比較した。
ここで、コンポジ
コンポジ
ら計算されるナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットの比誘電率の計算値と実測値を比較した。
Unfilled
Unfilled epoxy)epoxy)
ット内部では樹脂が粒子空孔内部に部分的に侵ット内部では樹脂が粒子空孔内部に部分的に侵前節でも述べたように、樹脂が粒子空孔内部に部分的に侵入したことが考えられる。そこで、エポキシ樹脂が部分的に侵入したナノポーラス粒子の比誘電率を、図5に示すようなモデルとして考33え、その最小値と最大値を評価した[11]。最小値は、粒子空孔以外がすべてエポキシ樹脂であると－ 163 －

入したことが考えられる。エポキシ樹脂が部考えた場合であり、最大値は、粒子空孔以外が入したことが考えられる。エポキシ樹脂が部分的に侵入したナノポーラス粒子の比誘電率
すべてシリカ材料であると考えた場合である。
分的に侵入したナノポーラス粒子の比誘電率
は、図 5 に示すようなモデルを考え、その最図6に、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポ
は、図5 に示すようなモデルを考え、その最小値と最大値を評価した[11]。最小値は、粒子ジットの比誘電率の計算値と実測値を示す。横
小値と最大値を評価した[11]。最小値は、粒子空孔以外がすべてエポキシ樹脂であると考え軸は、粒子充填率であり、実測値の測定周波数
空孔以外がすべてエポキシ樹脂であると考えた場合であり、最大値は、粒子空孔以外がすた場合であり、最大値は、粒子空孔以外がすは、測定確度が高い2
MHzを用いた。ナノポー
べてシリカ材料であると考えた場合である。
図図
5.5 . 作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
作製したナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット
べてシリカ材料であると考えた場合である。
ラスシリカ/エポキシコンポジットの比誘電率測図 5.の比誘電率を推定するモデル作製したナノポーラスシリカ/エポキシ
図 6 に、ナノポーラスシリカ/エポキシコン
コンポジットの比誘電率を推定するモデル
図6に、ナノポーラスシリカ/エポキシコン
定値が、計算値の最小値と最大値の間
コンポジットの比誘電率を推定するモデル
ポジットの比誘電率の計算値と実測値
ポジットの比誘電率の計算値と実測値に入っていることが確かめられる。こを示す。横軸は、粒子充填率であり、実を示す。横軸は、粒子充填率であり、実のことから、ナノポーラスシリカ/エ
測値の測定周波数は、
測定確度が高い 2

測値の測定周波数は、測定確度が高い 2
ポキシコンポジットの低誘電率化は粒MHzを用いた。ナノポーラスシリカ/エMHzを用いた。ナノポーラスシリカ/エ
子空孔による効果であると考えられる。
ポキシコンポジットの比誘電率測定値
ポキシコンポジットの比誘電率測定値
が、計算値の最小値と最大値の間に入っが、計算値の最小値と最大値の間に入っ
4．
ナノポーラスシリカ/エポキシコンていることが確かめられる。
このことかていることが確かめられる。
ポジットの絶縁強度の評価 このことから、ナノポーラスシリカ/エポキシコン
ら、ナノポーラスシリカ/エポキシコン
作 製 し た 粒 子 空 孔 率 18 vol%、28
ポジットの低誘電率化は粒子空孔によ
ポジットの低誘電率化は粒子空孔によvol%のナノポーラスシリカ/エポキシ
ることが確かめられた。
ることが確かめられた。
コンポジットにおいて、空孔内部の電4界強度を算出した上で、電子なだれ放ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジッ 図 6 . 作製したナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット(NPS-EC)
作製したナノポーラスシリカ/エポキシコンポの比誘電率の測定値と計算値の比較(ノンポーラスシリカ/エ
4 ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジッ 図 6.
トの絶縁強度の評価
電が形成しにくくなる空孔サイズ範囲
ポキシコンポジッ
ト:EC, 無充填エポキシ樹脂: Unfilled
図
6. 作製したナノポーラスシリカ/エポキシコンポ
ジット(NPS-EC)の比誘電率の測定値と計算値のepoxy)
トの絶縁強度の評価
作製した粒子空孔率 18 vol%、28 vol%を明らかにする。
ジット(NPS-EC)の比誘電率の測定値と計算値の比較(ノンポーラスシリカ/エポキシコンポジッ
作製した粒子空孔率 18 vol%、28 vol%のナノポーラスシリカ/エポキシコンポ
空孔内部の電界を推定するために、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを、空気、エポ比較(ノンポーラスシリカ/エポキシコンポジッ
ト:EC, 無充填エポキシ樹脂: Unfilled epoxy)のナノポーラスシリカ/エポキシコンポ
ジットにおいて、空孔内部の電界強調率
キシ、シリカからなる直列コンデンサとしてモデル化した。これにより、空孔内部の電界を最も高
ト:EC, 無充填エポキシ樹脂: Unfilled epoxy)
ジットにおいて、空孔内部の電界強調率を算出した上で、Paschen
法則から予想く評価できる。図7に、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットにおける空孔内部の電界強調を算出した上で、Paschen 法則から予想される、電子なだれ放電が形成しにくくなる空孔サイズ範囲を明らかにする。空孔内部の電界を推率を示す。電界強調率は、空孔内部の電界を、平均電界で規格化している。空孔率の減少とともされる、電子なだれ放電が形成しにくくなる空孔サイズ範囲を明らかにする。空孔内部の電界を推定するために、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを、空気、エポキシ、シリカからなるに、電界強調率が増加することがわかる。これは、構成材料の中で最も高い誘電率であるシリカの定するために、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを、空気、エポキシ、シリカからなる
直列コンデンサとしてモデル化した。これにより、空孔内部の電界を最も高く評価できる。
割合が、粒子空孔率の減少とともに増加するためである。粒子空孔率18 vol%、28 vol%のナノポー
直列コンデンサとしてモデル化した。これにより、空孔内部の電界を最も高く評価できる。
図 7 に、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットにおける空孔内部の電界強調率を示す。電ラスシリカ/エポキシコンポジットにおける空孔内部の電界強調率は、それぞれ3.32倍と3.26倍で
図 7 に、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットにおける空孔内部の電界強調率を示す。電界強調率は、空孔内部の電界を、平均電界で規格化している。空孔率の減少とともに、電界強調率あった。ここで両者の電界強調率を3.3倍とし、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット内部の界強調率は、空孔内部の電界を、平均電界で規格化している。空孔率の減少とともに、電界強調率が増加することがわかる。これは、構成材料の中で最も高い誘電率であるシリカの割合が、粒子空平均電界をGISのインパルス試験電圧印加時の固体絶縁体部分の平均電界30 kV/mmと想定した場が増加することがわかる。これは、構成材料の中で最も高い誘電率であるシリカの割合が、粒子空孔率の減少とともに増加するためである。粒子空孔率 18 vol%、28 vol%のナノポーラスシリカ/エ
合に、空孔内部の電界強度は99kV/mmと計算される。 18 vol%、28 vol%のナノポーラスシリカ/エ
孔率の減少とともに増加するためである。粒子空孔率
ポキシコンポジットにおける空孔内部の電界強調率は、それぞれ 3.32 倍と 3.26 倍であった。ここ
次に、空孔内部に99 kV/mmが印加されても電子なだれ放電が形成しにくくなる空孔サイズ範囲
ポキシコンポジットにおける空孔内部の電界強調率は、それぞれ
3.32 倍と 3.26 倍であった。ここで両者の電界強調率を 3.3 倍とし、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット内部の平均電界をを評価する。ここでは、空孔内部の放電開始電界をPashcen法則により説明可能であると仮定す
で両者の電界強調率を 3.3 倍とし、ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジット内部の平均電界を
GIS のインパルス試験電圧印加時の固体絶縁体部分の平均電界 30 kV/mm と想定した場合に、空孔る。図8に放電開始電界を示す。このとき、大気圧下のタウンゼント放電を想定し、二次電子放出
GIS のインパルス試験電圧印加時の固体絶縁体部分の平均電界 30 kV/mm と想定した場合に、空孔
内部電界は 99kV/mmと計算される。
-2-6
係数γは10とし、ストリーマ放電よりも放電開始しやすい状況を想定した。同図より、空内部電界は～10
99 kV/mmと計算される。
次に、99 kV/mm においても電子なだれ放電が形成しにくくなる空孔サイズ範囲を評価するため、孔サイズが0.34µm以下のナノサイズ空孔は、99kV/mmよりも高い放電開始電界を持つと考えら
次に、99 kV/mm
においても電子なだれ放電が形成しにくくなる空孔サイズ範囲を評価するため、空孔内部の放電開始電界を Pashcen 法則により説明可能であると仮定する。図 8 に放電開始電界をれる。つまり、0.34µm以下のナノサイズ空孔であれば、GISスペーサのインパルス試験電圧が印
空孔内部の放電開始電界を
Pashcen 法則により説明可能であると仮定する。図 8 に放電開始電界を加されても、空孔内で電子なだれ放電が形成しにくくなると考えられる。また、作製したナノポー
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示す。このとき、大気圧下のタウンゼント放電を想定し、二次電子放出係数γは 10-2〜10-6 とし、ストリーマ放電よりも放電開始しやすい状況を想定した。同図より、空孔サイズが 0.34 µm 以下のナノサイズ空孔は、99 kV/mm よりも高い放電開始電界を持つと考えられる。つまり、0.34 µm 以下のナノサイズ空孔であれば、GIS スペーサのインパルス試験電圧が印加されても、空孔内で電子な
ラスシリカ／エポキシコンポジットに充填したナノポーラスシリカ粒子の平均細孔径は2～3nmとだれ放電が形成しにくくなると考えられる。また、作製したナノポーラスコンポジットに充填した
十分に小さいため、GISのインパルス試験電圧下においても十分な絶縁強度を有していることが予
ナノポーラス粒子の平均細孔径は 2〜3nm であり、十分に小さいため、GIS のインパルス試験電圧
想される。
下においても十分な絶縁強度を有していることが予想される。

図 7 . ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットにおける図 空孔内部の電界強調率
7. ナノポーラスシリカ/エポキシ

図 8 . Paschen法則における放電開始電界

図 8. Paschen 法則における放電開始電界

コンポジットにおける空孔内部
4．まとめの電界強調率
本研究では、低誘電率ナノポーラス絶縁体としてナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを提案し、実際に作製した。その誘電特性を評価し、ノンポーラスシリカ/エポキシコンポジットお4. まとめよび無充填エポキシ樹脂よりも低誘電率化することを明らかにした。さらに、作製したナノポーラ
本研究では、低誘電率ナノポーラス絶縁体としてナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットを提スシリカ/エポキシコンポジット内部の空孔における放電開始電界を評価した結果、GISのインパ案し、実際に作製した。その誘電特性を評価し、ノンポーラスシリカ/エポキシコンポジットおよルス試験電圧が印加された場合でも空孔内部の放電が形成しにくい可能性が示された。以上より，
び無充填エポキシ樹脂よりも低誘電率化することを明らかにした。さらに、作製したナノポーラス
ナノポーラスシリカ/エポキシコンポジットが電力機器用低誘電率ナノポーラス絶縁体として利用
シリカ/エポキシコンポジット内部の空孔における放電開始電界を評価した結果、GIS のインパルスできる可能性を示した。
試験電圧が印加された場合でも空孔内部の放電が抑制される可能性が示された。以上より，ナノポ

ーラスシリカ/エポキシコンポジットが低誘電率ナノポーラス絶縁体として利用できる可能性を示
した。
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