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電気絶縁体とは、電流が自由に流れない物質のことです。絶縁体の原子は電子が強く結合しており、容易に移動できません。半導体や導体といった他の物質は、電流をより容易に伝導します。絶縁体を特徴づける性質は抵抗率であり、絶縁体は半導体や導体よりも高い抵抗率を持ちます。最も一般的な例は非金属です。
完全な絶縁体は存在しません。絶縁体として使用される材料でさえ、電流を運ぶことができる少数の移動電荷（電荷キャリア）を含んでいるからです。さらに、すべての絶縁体は、電界が原子から電子を引き剥がすほど十分な電圧が印加されると、電気伝導性を持つようになります。これは電気的破壊として知られており、それが起こる電圧は絶縁体の破壊電圧と呼ばれます。ガラス、紙、PTFEなどの高抵抗率の材料は、非常に優れた電気絶縁体です。はるかに多くの種類の材料は、体積抵抗率は低いかもしれませんが、通常使用される電圧で大きな電流が流れるのを防ぐのに十分な性能を備えているため、電気配線やケーブルの絶縁体として使用されます。例としては、ゴム状のポリマーや、熱硬化性または熱可塑性のほとんどのプラスチックが挙げられます。
絶縁体は、電気機器において、電流を流さずに電気導体を支え、分離するために使用されます。電気ケーブルやその他の機器を包むために大量に使用される絶縁材料は、絶縁体と呼ばれます。絶縁体という用語は、より具体的には、配電線や送電線を電柱や送電塔に取り付けるために使用される絶縁支持部材を指す場合にも使用されます。これらは、電流が塔を通って地面に流れるのを防ぎながら、吊り下げられた電線の重量を支えます。
電気絶縁とは、電気伝導がない状態を指します。電子バンド理論（物理学の一分野）によれば、電子が励起される量子状態が存在する場合に電荷が流れます。これにより、電子はエネルギーを得て、金属などの導体に電位差が加えられた場合に、導体内を移動することができます。そのような状態が存在しない場合、その物質は絶縁体となります。[ 1 ]
ほとんどの絶縁体は大きなバンドギャップを持っています。これは、最もエネルギーの高い電子を含む「価電子帯」が満たされており、このバンドと次のバンドとの間に大きなエネルギーギャップが存在するためです。[ 1 ]電子がこのバンドに励起されるのに十分なエネルギーを与える電圧（破壊電圧と呼ばれる）が常に存在します。この電圧を超えると、電気的破壊が発生し、材料は絶縁体ではなくなり、電荷が通過します。これは通常、材料とその絶縁特性を永久的に劣化させる物理的または化学的変化を伴います。
絶縁物質に印加される電界が、その物質のしきい値破壊電界をどの場所でも超えると、絶縁体は突然導体となり、電流が大幅に増加し、物質を電気アークが通過します。電気破壊は、物質内の電界が、自由電荷キャリア（常に低濃度で存在する電子とイオン）を、原子に衝突して電子をはじき飛ばし、原子をイオン化するのに十分な速度まで加速するのに十分な強さになったときに発生します。これらの解放された電子とイオンは、今度は加速されて他の原子に衝突し、連鎖反応でさらに多くの電荷キャリアを生成します。絶縁体は急速に移動可能な電荷キャリアで満たされ、その抵抗は低いレベルまで低下します。固体では、破壊電圧はバンドギャップエネルギーに比例します。コロナ放電が発生すると、高電圧導体の周囲の領域の空気は、電流の壊滅的な増加なしに破壊され、イオン化することができます。しかし、空気の破壊領域が異なる電圧の別の導体まで広がると、それらの間に導電経路が形成され、空気中に大きな電流が流れ、電気アークが発生します。真空状態でも一種の放電現象は起こり得るが、この場合、放電現象、すなわち真空アークは、真空自体によって生成される電荷ではなく、金属電極の表面から放出される電荷によって生じる。
さらに、すべての絶縁体は、価電子の熱エネルギーが伝導帯に移動するのに十分であるため、非常に高い温度では導体になります。[ 2 ] [ 3 ]
特定のコンデンサでは、誘電破壊によって形成された電極間の短絡は、印加電界が減少すると解消されることがある。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
電線やケーブルには、柔軟な絶縁体の被覆が施されることが多く、この構造は絶縁電線と呼ばれます。固体（例えばプラスチック）被覆が実用的でない場合、電線は絶縁被覆を使用せず、空気のみを使用することもあります。電線同士が接触すると、交差接続、短絡、火災の危険が生じます。同軸ケーブルでは、電磁波の反射を防ぐため、中心導体を中空シールドの中央に正確に支持する必要があります。高電圧にさらされる電線は、人体に感電や電気ショックの危険をもたらす可能性があります。
ほとんどの絶縁電線・ケーブル製品には、電圧と導体温度の最大値が規定されています。ただし、許容電流（電流容量）は周囲環境（例えば周囲温度）によって変動するため、製品によっては許容電流値が規定されていない場合があります。
電子システムにおいて、プリント基板はエポキシ樹脂とグラスファイバーで作られています。非導電性の基板上に銅箔導体の層が積層されています。電子機器では、微細で繊細な能動部品が、非導電性のエポキシ樹脂やフェノール樹脂、あるいは焼成ガラスやセラミックコーティングの中に埋め込まれています。
トランジスタや集積回路（IC）などのマイクロエレクトロニクス部品において、シリコン材料は通常、ドーピングによって導体となるが、熱と酸素を加えることで容易に選択的に優れた絶縁体へと変化させることができる。酸化シリコンは石英、すなわち二酸化ケイ素であり、ガラスの主成分である。
変圧器やコンデンサを含む高電圧システムでは、アーク放電を防止するために液体絶縁油が一般的に用いられます。この油は、電気的破壊を起こさずに高電圧を支えなければならない空間の空気を置き換えます。その他の高電圧システムの絶縁材料としては、セラミックまたはガラス製のワイヤホルダー、ガス、真空、そして単にワイヤを十分に離して配置し、空気を絶縁体として利用する方法などがあります。
最も重要な絶縁材料は空気です。電気機器には、さまざまな固体、液体、気体の絶縁体も使用されています。小型の変圧器、発電機、電動機では、電線コイルの絶縁は、最大4層のポリマーワニスフィルムで構成されています。フィルム絶縁マグネットワイヤを使用すると、メーカーは利用可能なスペース内で最大の巻数を得ることができます。より太い導体を使用する巻線は、多くの場合、補助的なグラスファイバー絶縁テープで巻かれます。巻線は、電気的コロナを防ぎ、磁気誘導によるワイヤの振動を低減するために、絶縁ワニスで含浸されることもあります。大型電力変圧器の巻線は、依然として主に紙、木材、ワニス、鉱物油で絶縁されています。これらの材料は100年以上使用されていますが、経済性と十分な性能のバランスが依然として良好です。開閉装置のバスバーと回路ブレーカーは、ガラス繊維強化プラスチック絶縁体で絶縁され、難燃性があり、材料全体に電流が追跡されないように処理されています。
1970年代初頭までに製造された古い機器には、圧縮アスベスト製の板が見られることがあります。これは電力周波数では十分な絶縁体ですが、アスベスト材料の取り扱いや修理は危険な繊維を空気中に放出する可能性があるため、慎重に行う必要があります。フェルト状アスベストで絶縁された電線は、1920年代から高温や過酷な用途で使用されていました。この種の電線は、ゼネラル・エレクトリック社が「Deltabeston」という商標で販売していました。[ 7 ]
20世紀初頭までの活線前面配電盤は、スレートまたは大理石で作られていました。一部の高電圧機器は、六フッ化硫黄などの高圧絶縁ガス中で動作するように設計されています。電力および低周波で優れた性能を発揮する絶縁材料は、過剰な誘電損失による発熱のため、高周波では不十分な場合があります。
電線は、ポリエチレン、架橋ポリエチレン（電子ビーム処理または化学架橋による）、 PVC、カプトン、ゴム状ポリマー、油含浸紙、テフロン、シリコーン、または変性エチレンテトラフルオロエチレン（ETFE）で絶縁される。より太い電力ケーブルでは、用途に応じて圧縮無機粉末が使用される場合もある。
PVC（ポリ塩化ビニル）などの柔軟な絶縁材料は、回路を絶縁し、600ボルト以下の電圧の「活線」への人体接触を防ぐために使用されます。EUの安全および環境規制によりPVCの経済性が低下するため、代替材料の使用が増加すると予想されます。
モーター、発電機、変圧器などの電気機器では、許容可能な動作寿命を達成するために、推奨される最大使用温度によって分類された様々な絶縁システムが使用されています。使用される材料は、改良された紙から無機化合物まで多岐にわたります。
携帯型または手持ち式の電気機器はすべて、使用者を有害な感電から保護するために絶縁されています。
クラスI絶縁では、機器の金属本体およびその他の露出した金属部分を、主配電盤で接地された接地線を介して大地に接続する必要がありますが、導体には基本的な絶縁のみが必要です。この機器には、接地接続用に電源プラグに追加のピンが必要です。
クラスII絶縁とは、機器が二重絶縁されていることを意味します。これは、電気シェーバー、ヘアドライヤー、携帯用電動工具などの一部の機器で使用されています。二重絶縁では、機器に基本絶縁と補助絶縁の両方が必要であり、それぞれが感電を防ぐのに十分です。内部の通電部品はすべて絶縁された筐体内に完全に封入されており、「通電」部分との接触を防ぎます。EUでは、二重絶縁機器にはすべて、2つの四角が内側になったシンボルが付けられています。[ 8 ]
架空送電線用の導体は裸線で、周囲の空気によって絶縁されています。配電線用の低電圧導体は絶縁されている場合もありますが、多くの場合、やはり裸線です。電柱や送電塔で支持される箇所には、絶縁支持具が必要です。また、電線が建物や変圧器、遮断器などの電気機器に入る箇所にも、筐体からの絶縁のために絶縁体が必要です。多くの場合、これらはブッシングと呼ばれる、導体を内部に収めた中空の絶縁体です。
高電圧送電に使用される碍子は、ガラス、磁器、または複合ポリマー材料で作られています。磁器碍子は、粘土、石英またはアルミナと長石から作られ、水をはじくために滑らかな釉薬で覆われています。アルミナを多く含む磁器製の碍子は、高い機械的強度が基準となる場合に使用されます。磁器の絶縁耐力は約 4～10 kV/mm です。[ 9 ]ガラスは絶縁耐力は高いですが、結露を誘引し、碍子に必要な厚くて不規則な形状は、内部応力なしに鋳造するのが困難です。[ 10 ]一部の碍子メーカーは、1960 年代後半にガラス碍子の製造を中止し、セラミック材料に切り替えました。
電力会社によっては、一部のタイプの碍子にポリマー複合材料を使用しているところもあります。これらは通常、繊維強化プラスチック製の中心棒と、シリコーンゴムまたはエチレンプロピレンジエンモノマーゴム（EPDM ）製の外側の耐候性カバーで構成されています。複合碍子は、コストが低く、軽量で、優れた疎水性を持っています。この組み合わせにより、汚染された地域での使用に最適です。[ 11 ]ただし、これらの材料は、ガラスや磁器のような長期にわたる実証済みの耐用年数はまだありません。
過電圧による絶縁体の電気的破壊は、次の2つの方法のいずれかで発生する可能性があります。
ほとんどの高電圧絶縁体は、損傷を防ぐために、貫通電圧よりも低いフラッシュオーバー電圧で設計されているため、貫通する前にフラッシュオーバーが発生します。
高電圧絶縁体の表面に付着した汚れ、汚染物質、塩分、特に水は、絶縁体全体に導電経路を形成し、漏洩電流やフラッシュオーバーを引き起こす可能性があります。絶縁体が濡れている場合、フラッシュオーバー電圧は 50% 以上低下する可能性があります。屋外用高電圧絶縁体は、表面に沿って一方の端からもう一方の端までの漏洩経路の長さ（沿面長と呼ばれる）を最大化するように成形されており、これらの漏洩電流を最小限に抑えます。[ 12 ]これを実現するために、表面は一連の波形または同心円状の円盤形状に成形されます。これらには通常、1 つ以上のシェッドが含まれます。下向きのカップ状の表面は傘のように機能し、雨天時に「カップ」の下の表面漏洩経路の部分が乾燥していることを確認します。最小沿面距離は 20～25 mm/kV ですが、高汚染地域や大気中の海塩地域ではこれを増加する必要があります。
絶縁体は、いくつかの一般的な分類に分けられます。
シース絶縁体は、底部接触式第三レールの全長を包み込むように設計された保護カバーであり、偶発的な電気伝導や活線電源への人体接触を防ぐ連続的な安全バリアを形成します。[ 14 ]
シース絶縁体は、エポキシ樹脂が長期間安定しており、意図しない電流の流れを防ぐため、エポキシ樹脂を用いて製造されることが多い。これらの部品は、ケーブルや電気システムの導電部分を囲む保護バリアとして機能し、金属層を絶縁することで、不要な電流が周囲環境に漏れるのを防ぐ。
セラミックはこれらの絶縁体の代替材料として用いられ、プラスチック部品と併用することでアセンブリ全体の強度を高める。プラスチックは柔軟性と軽量性を提供する一方、セラミックは高温・高電圧下でもその物理的特性を維持する。
ピン型碍子は、 線間電圧が約 69 kV を超える場合には不向きです。高電圧送電線では、通常、モジュール式懸垂碍子設計が使用されます。電線は、金属製のクレビスピンまたはボールアンドソケットリンクで互いに接続された、同一の円盤状の碍子の「ストリング」から吊り下げられます。この設計の利点は、異なる線間電圧で使用するために、異なる絶縁破壊電圧を持つ碍子ストリングを、異なる数の基本ユニットを使用することで構築できることです。碍子要素をストリングに追加することで、任意の実用的な送電電圧に対応するストリング碍子を作成できます。[ 16 ]また、ストリング内の碍子ユニットの 1 つが破損した場合でも、ストリング全体を廃棄することなく交換できます。
各ユニットは、セラミックまたはガラスのディスクと、反対側に接着された金属製のキャップとピンで構成されています。欠陥のあるユニットを分かりやすくするために、ガラスユニットは、過電圧によってフラッシュオーバーではなくガラスを貫通するアーク放電が発生するように設計されています。ガラスは、破損したユニットが見えるようになるように熱処理されています。ただし、ユニットの機械的強度は変化しないため、絶縁体ストリングは一体のままです。対照的に、磁器は特定の高電圧用途で利点があります。ガラスとは異なり、磁器は非常に複雑で不規則な形状に鋳造できるため、冷却中の内部応力のためにガラスでは実現が難しいカスタム応力分布設計が可能になります。[ 17 ]この材料の高い絶縁耐力（約60 kV/cm）は、幅広い温度範囲で安定しており、過酷な環境でも一貫した性能を発揮します。[ 18 ]さらに、磁器の不透明な粘土体は、紫外線による劣化や化学腐食に対して自然に耐性があり、電気抵抗の低下なしに30年を超える耐用年数を保証します。[ 19 ]ガラス碍子は表面の欠陥や熱衝撃によって自然に割れやすいが、磁器は大きな引張荷重や圧縮荷重の下で優れた機械的安定性を維持するため、変電所機器の信頼できる標準となっている。[ 20 ]
標準的な懸垂ディスク碍子ユニットは、直径25センチメートル（9.8インチ） 、長さ15センチメートル（6インチ）で、 80～120キロニュートン（18,000～27,000ポンドf）の荷重を支えることができ、乾燥フラッシュオーバー電圧は約72kVで、動作電圧は10～12kVと定格されています。[ 21 ]ただし、電界がストリング全体に均等に分布せず、導体に最も近いディスクで最も強く、最初にフラッシュオーバーするため、ストリングのフラッシュオーバー電圧は構成ディスクの合計よりも低くなります。高電圧端のディスクの周囲に金属製のグレーディングリングを追加して、そのディスク全体の電界を低減し、フラッシュオーバー電圧を改善することがあります。
超高電圧線では、絶縁体はコロナリングで囲まれている場合があります。[ 22 ]これらは通常、線路に取り付けられたアルミニウム（最も一般的）または銅管のトーラスで構成されています。これらは、絶縁体が線路に取り付けられている点の電界を低減し、電力損失の原因となるコロナ放電を防ぐように設計されています。
絶縁体を利用した最初の電気システムは電信線でした。電線を木製の電柱に直接取り付ける方法は、特に湿気の多い天候では非常に悪い結果をもたらすことが分かったのです。
電信の初期の実験段階では、セラミックやガラスの規格が確立される前に、開発者たちは木材やゴムなどの一般的な工業材料を使用していた。ウィリアム・フォザーギル・クックは当初、グレート・ウェスタン鉄道沿いの裸線を支えるために磨かれた木片を使用し、耐湿性を向上させるためにタールやピッチで処理することが多かった。[ 23 ]同様に、天然ゴムやグッタペルカ（天然ラテックス樹脂）は、防水性のため、初期の配線や海底ケーブルの柔軟な絶縁体として使用された。[ 24 ]しかし、どちらの材料も長期的な屋外使用には不十分であることが判明した。木材は頻繁に水を吸収して導電性になり、信号障害を引き起こし、ゴム部品は紫外線による劣化や、風雨にさらされると深刻なひび割れに悩まされた。[ 25 ]天候にさらされることによるこれらの継続的な故障により、1840年代半ばまでに、より化学的に安定し耐候性のある炻器やガラスへの移行が必要となった。 [ 26 ]
ガラスは、製造コストが低く、誘電特性が優れていることから、当初は主要な絶縁材料として人気がありました。米国では、エズラ・コーネルが1844年までにガラス製の「ビューローノブ」を導入し、これがニューイングランド・グラス・カンパニーなどの企業によって大量生産される鐘型の絶縁体へと発展しました。[ 27 ]ガラスは乾燥した環境では非常に効果的で、内部の欠陥を目視で簡単に検査できましたが、表面に水分が溜まりやすく、熱衝撃に弱いため、1850年代まで鉄道通信では英国製の炻器が好まれる標準でした。[ 28 ] 1860年代までに、これらの初期の摩擦嵌合部品は、電信網の世界的な拡大を支えるねじ込み式の磁器および強化ガラス絶縁体へと発展しました。[ 29 ]
セラミック製の電気絶縁体が広く使われるようになったのは1855年から1860年の間である。[ 30 ]これらの初期の製品は釉薬をかけた磁器または茶色の炻器で作られており、湿気の多い環境では効果が低いことが判明したガラスの代替として開発された。[ 31 ]
セラミック碍子を最初に製造した企業の中には、英国の企業も含まれており、スティッフ社とドルトン社は1840年代半ばから炻器を使用し、ジョセフ・ボーン社（後にデンビー社と改名）は1860年頃から、ブラーズ社は1868年から製造していた。CFヴァーリーは1861年にいくつかの炻器デザインの特許を取得しており、その中には1870年代を通じて鉄道通信の標準となった「Z」型も含まれている。[ 32 ]
1890年代までに、磁器はその強度と誘電特性により、高電圧送電の世界標準となった。[ 33 ]
懸垂碍子の開発は、現代の高電圧送電網の拡大を可能にした重要な進歩でした。この革新以前は、業界はピン碍子設計に依存していましたが、送電線電圧が60,000Vに近づき、それを超えると、これらのユニットは非常に大きく重くなりました。[ 34 ]製造および設置の制約により、極めて大きな機械的および電気的ストレスがかかるため、一体型ユニットの実用的な限界は約88,000Vに設定されました。[ 35 ]
懸垂型碍子は、モジュール設計を採用することでこれらの制約を克服しました。各ユニットは、磁器またはガラス製のディスクと金属製のキャップおよびピンで構成されており、送電線の特定の電圧に合わせて必要な長さの碍子ストリングに接続できます。 [ 36 ]この柔軟性により、500,000 V を超えることが多い高電圧送電が可能になるだけでなく、機械的負荷が分散され、鉄塔と導体アセンブリの構造的完全性が維持されます。[ 37 ]
放送用ラジオアンテナは、多くの場合マスト型放射器として構築されます。これは、マスト構造全体に高電圧が印加され、接地から絶縁する必要があることを意味します。そのため、ステアタイト製の取付金具が使用されます。これらの取付金具は、アンテナによっては最大400kVにも達するマスト型放射器の接地電圧だけでなく、 マスト構造の重量や動的な力にも耐えなければなりません。マストへの落雷は頻繁に発生するため、アークホーンと避雷器が必要です。
アンテナマストを支える支線には、通常、ケーブル内にストレインインシュレーターが挿入されています。これは、アンテナの高電圧が接地短絡したり、感電の危険を引き起こしたりするのを防ぐためです。支線ケーブルには、ケーブルを分割して不要な電気的共振を防ぐために、複数のインシュレーターが配置されていることがよくあります。これらのインシュレーターは通常、セラミック製で、円筒形または卵形です（図を参照）。この構造の利点は、セラミックが張力ではなく圧縮状態にあるため、より大きな荷重に耐えることができ、インシュレーターが破損してもケーブルの両端が連結されたままになることです。
これらの絶縁体には、過電圧保護装置も装備する必要があります。支線絶縁体の寸法を決定する際には、支線に発生する静電荷を考慮しなければなりません。高マストの場合、静電荷は送信機によって発生する電圧よりもはるかに高くなる可能性があるため、最も高いマストでは支線を絶縁体で複数のセクションに分割する必要があります。この場合、アンカー基部でコイルを介して、あるいは可能であれば直接接地された支線がより良い選択肢となります。
無線機器にアンテナを接続する給電線、特にツインリードタイプの給電線は、金属構造物から一定の距離を保つ必要がある場合が多い。この目的で使用される絶縁支持部材は、スタンドオフ絶縁体と呼ばれる。
複合碍子は風雨に強く、風雨下でも優れた自己洗浄性能を発揮するため、汚染の点検は4～5年に一度で済み、修理や停電にかかる時間も短縮できます。