JP2008536108A - 絶縁体中の拡散および漏洩電流評価のための試験方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】湿潤環境における複合材料の長期間の電気的絶縁特性を予測する方法に関わる。
【解決手段】この方法は、試料を供給する工程と、この試料を水分含有率および漏洩電流値を決定するために既定の間隔で試験する工程とを含む。この方法はさらに、この水分含有率とこの漏洩電流値とから水分−漏洩電流係数を決定する工程と、この水分−漏洩電流係数を用いて試料の電気的絶縁特性を決定する工程とを含む。
【選択図】なし

Description

本発明は一般に複合材料中の水分吸収と漏洩電流に対する試験方法の分野に関する。より詳細には、本発明は湿潤環境への短期間曝露に基づいて、ＧＲＰ複合材料の長期間の電気的絶縁特性を予測するための試験方法に関する。

関連出願の相互参照
本出願は２００５年８月１５日出願の仮出願番号６０／７０８，１３３の利益を主張するものである。

ガラス繊維強化ポリマー（ＧＲＰ）複合材料は電気的絶縁体に広く使用されている。ＧＲＰ複合材料は湿潤環境に置かれると長期間にわたって少しずつ水分を吸収する。その結果として生じる漏洩電流は電気的絶縁体としての材料特性を著しく損ねる可能性がある。特にこれまで湿潤環境におけるＧＲＰ複合材料の長期的な電気的絶縁特性を予測する実用的な方法がなかった。

過去において本出願人は、いろいろなガラス繊維強化ポリマー複合材料の水分に対する反応とそれが漏洩電流に及ぼす影響を評価するために、ＡＮＳＩ規格Ｃ２９．１１セクション７．４．２に準拠して、制御された水分拡散実験と絶縁破壊試験との組み合わせを用いて高電圧拡散実験を行ってきた。たとえば中実の複合材料棒を沸騰水および０．１％ＮａＣｌ溶液中に１００時間浸け、それから漏洩電流を試験した。異なる表面状態を持ついろいろな一方向性のＧＲＰ複合材料における吸収水分と漏洩電流との関係について非常に有用な情報が得られたという事実にも拘わらず、複合材料において発生した質量増加と漏洩電流との相関が見出せなかった。また水分吸収率を漏洩電流増加率に関係付ける試みもなされなかった。

別の規格ＡＳＴＭ Ｄ５２２９／Ｄ５２２９Ｍ−９２において、板を用いて材料の水分吸収を測定できる。それからいろいろな材料についての結果をフィックの単相モデルあるいは非フィックの二相あるいは多相モデルと比較できる。また非フィック拡散を扱うためにカーターとキブラーが提案した異常拡散モデルを適用することもできる（非特許文献１）。

この分野における従来技術とは対照的に、本発明は水分含有率と漏洩電流の変化との直線的関係を示す。さらに、本発明では薄い肉厚の試料を用いることによって、いろいろなクラスの誘電体により短期間に吸収される水分濃度を大きくできる。この方法を用いていろいろなクラスの誘電体により吸収されるいろいろな水分の量に対応する漏洩電流を測定することができる。またこの方法は、カーターとキブラーのモデルによる二相拡散に従って水分を吸収するいろいろなクラスの誘電体における最大水分含有率と最大漏洩電流とを予測するのに用いることができる。
Ｈ．Ｇ．カーターとＧ．キブラー，「複合材料樹脂における異常水分拡散に対するラングミュア型モデル」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｖｏｌ．１２， ｐｐ．１１８−１３１，１９７８

本発明は湿潤環境に短期間曝露したあとの試験に基づいて、湿潤環境における複合材料の長期間の電気的絶縁特性の予測をするための方法を提供する。特に、本発明はフィックおよび非フィックの拡散モデルのようないろいろなモデルを用いて、短期間の曝露後の測定漏洩電流から長期間の電気的絶縁特性を推定する。

本発明のこれらおよびその他の利点、特長および目的は、以下の詳しい説明と図面を参照することによりさらに容易に理解されよう。

本発明のこれらおよびその他の目的は、湿潤環境における複合材料の長期間の電気的絶縁特性を予測する方法を提供することにより、以下に開示される好ましい実施の形態において達成される。この方法は試料を供給する工程と、既定の時間間隔で水分含有率値および漏洩電流値を決定するために該試料を試験する工程と、該水分含有率値および漏洩電流値から水分−漏洩電流係数を決定する工程と、および該水分−漏洩電流係数を用いて該試料の電気的絶縁特性を決定する工程とを含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの試料の水分吸収特性を決定する工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、最大水分含有率、最大漏洩電流および飽和までの時間を、異常拡散モデルを用いて予測する工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この水分−漏洩電流係数は漏洩電流値の変化対水分含有率値のグラフから決定される。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この漏洩電流値とこの水分含有率値との間に直線的な関係がある。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの試料を拡散性材料に曝す工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの試料に高電圧をかける工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この電圧は試料長のミリメートルあたり５ボルトと試料長のミリメートルあたり５００ボルトの間の最大電圧まで上昇される。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、湿潤環境において複合材料の長期間の電気的絶縁特性を予測する方法が、複合材料を中空円筒の形状で供給する工程と、該円筒を拡散性材料に曝す工程と、既定の時間間隔で該円筒の水分含有率を測定する工程とを含む。この方法はさらに該円筒に高電圧をかけて既定の時間間隔で漏洩電流を測定する工程と、水分含有率と漏洩電流とから水分−漏洩電流係数を決定する工程と、試料の電気的絶縁特性を決定するために水分−漏洩電流係数を標準化したデータに関連づける工程とを含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの円筒を環境室に置き、この円筒を一定の温度と一定の湿度に保持する工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらに水分含有率を決定するためにこの円筒の重量を測定する工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの円筒を拡散性材料に曝す前にこの円筒の初期質量を測定する工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの円筒を拡散性流体に曝す前にこの円筒の初期漏洩電流を測定する工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この拡散性流体は水、液体金属、溶液、および蒸気からなる群から選択される。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、湿潤環境における複合材料の長期間の電気的絶縁特性を予測するための方法が、複合材料を中空円筒の形状で供給する工程と、該円筒の初期質量を記録する工程と、該円筒の初期漏洩電流を記録する工程と、該円筒を環境室に放置する工程とを含む。この方法はさらに該円筒を拡散性流体に曝す工程と、該円筒を既定の時間間隔で環境室から取り出して該円筒の質量と漏洩電流とを記録する工程と、該円筒の質量から該円筒の水分含有率を決定する工程と、該水分含有率と該漏洩電流とから水分−と漏洩電流係数を決定する工程と、該水分−漏洩電流係数を用いて試料の電気的絶縁特性を決定する工程とを含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの円筒を高電圧室に置き、この円筒に高電圧をかける工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの円筒に高電圧をかける工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、温度が約５０℃に保たれ、また湿度が約８０パーセントの相対湿度に保たれる。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらに水分吸収率を次の式を用いて漏洩電流の増加に関連づける工程を含む。
Ｉ_L(AC)（ｔ）＝Ｆ_M-LC・Ｍ（ｔ）

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この円筒が約０．１ミリメートルから約５０ミリメートルの長さを有する。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この円筒が約２ミリメートルから約１００ミリメートルの外径を有する。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この円筒が約１ミリメートルから約９９ミリメートルの内径を有する。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この円筒が約３０ミリメートルの長さと約１５．９ミリメートルの外径を有する。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この円筒が１ミリメートル、２ミリメートルおよび４ミリメートルからなる群から選択した肉厚を有する。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの円筒を２個の電極の間に置く工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、さらにこの円筒に高電圧をかける工程を含む。

本発明の他の好ましい実施の形態によれば、この電極が真鍮である。

本発明は添付の図面と併せることにより、さらに容易に理解されよう。

本発明は、誘電体材料の流体（液体あるいは蒸気）の拡散への反応とその漏洩電流への影響とを評価するために、制御された拡散と絶縁破壊試験とを組み合わせた高電圧拡散実験に関する。たとえば本発明を用いて、いろいろなポリマーやガラス繊維を基本にした複合高電圧絶縁体において水分吸収率を漏洩電流の増加に関連づけることができる。拡散はフィックあるいは非フィックモデルのいずれかに基づいて特性化できる。しかし本発明は他の多数の応用にも用いることができる。

（水分拡散解析）多くの一方向性複合材料における水分拡散過程は、フィック的な性質であると想定される。このことは材料中への水分の拡散がフィックの第２法則に従うことを意味しており、この同じ法則はまた熱伝導も支配している。フィックの第２法則では、

ここにｃは水分の濃度、ｔは時間、ｘは試料の横断方向の距離、Ｄ_xは横断方向における拡散係数である。適切な境界条件を用いて、任意の時間における水分含有率（Ｍ）、試料の最大水分含有率（Ｍ_MAX）、その厚さ（ｈ）および拡散定数（Ｄ_x）との関係は次式で与えられる。

ここにＭ_MAXおよびＤ_xは共に水分含有率／重量対時間の平方根のプロットから得られる。これには次式を用いる。

ここに見かけの拡散定数Ｄ_Aが横断拡散定数Ｄ_xにほぼ等しいと仮定している。式（３）においてＭ_MAXは曲線上の平均平衡値であり、項

は水分含有率／重量増加対

曲線の初期直線部分の勾配に等しい。フィックの拡散数値予測の応用に関するさらに詳細な情報についてはＣ．Ｈ．シェンとＧ．Ｓ．スプリンガー，「水分吸収と複合材料の解説」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｖｏｌ．１０， ｐｐ．２−２０，１９７６を参照のこと。任意の時間における水分含有率のパーセント値は次式を使って決定できる。

湿潤環境における材料の挙動はその環境の条件に大きく依存する。湿度は一定だが温度が変化する環境における材料は、同じ水準の最大水分吸収を示すが吸収率は異なる。涼しい環境にある試料が平衡に達するまでに要する時間は暖かい環境にある試料よりも長い。温度は一定だが湿度が変化する場合、水分吸収率は同じであるが、吸収する水分の全量は周囲湿度の増加と共に増加する。

環境変数だけが水分吸収曲線に影響するのではなく、溶解、マイクロクラック、分子結合、あるいは構造緩和のような材料特性も影響する。これらの現象はフィックの単相拡散から外れており、したがって説明した計算処理を使って正確に解析することができない。それゆえ多相モデルが必要になる。

（異常拡散の解析）前節までに説明した解析は、平衡に達するまで単相の水分吸収だけがある、単相拡散を取り扱っている。異常拡散とは多数の異なる水分吸収の相が最終的な平衡に導くことを意味している。この研究で調べたいくつかの複合材料の挙動は、既に以前に異常（非フィック的）であることが判っている。このタイプの拡散は上述の単相法を使って容易に解析することができない。この材料の物理的挙動を説明する多相拡散モデルが必要である。

このようなモデルの１つがカーターとキブラーにより提案された。このモデルは、異常拡散（２相）をする材料の水分は２つの相異なる無関係の相で起こるという仮定を用いている。まず拡散係数ＤΓを持つ材料への移動相における水分子の吸収である。次に分子は樹脂の分子構造に確率Γで束縛されており、確率Ｂで解放される。これらの仮定を用いて、カーターとキブラーは異常拡散特性を持つ材料における水分吸収解析のためのモデルを考案した。このモデルの簡便な近似式を以下に示す。

ここに、
２Γ，２Ｂ＜＜κ
また
κ＝π²Ｄ_Γ／（ｈ）²
値Ｄ_Γは式（３）の簡単な単相拡散から仮定できる。Ｄ_Γを計算するのに用いるＭ_MAX値は、水分含有率対時間の平方根曲線において初期勾配および最初の曲がりについて拡散の第２の相まで最もよく適合するように仮定する。

（試験装置）本発明で使用した試験装置の実施例を図１に示す。いろいろな誘電体材料の中空円筒１１を中実の円筒から機械加工により、あるいは管として作成する。この試験試料１１はそれから水分あるいはその他の拡散性材料（たとえば水、液体金属、溶液あるいは蒸気）に曝され、これによって試料１１は拡散性材料のさまざまな量を含む。それから円筒試料１１を図１に示すように電極１２と１３との間に置いて、試料１１の漏洩電流を測定する。続いて漏洩電流の変化を吸収した拡散材料の量と関連づける。

たとえば直径が数ミリメートルから１００ｍｍの中実棒をベースにした複合材料絶縁体の場合、水分吸収実験は湿った空気から液体浸漬、また温度が室温から沸騰温度までの湿った環境で行うことができる。電圧範囲は約０から１００ｋＶまで、上昇率が約０から１５ｋＶ／秒まで行うことができる。試料１１の寸法範囲は円筒外径が約２ｍｍから１００ｍｍ、内径が約１ｍｍから９９ｍｍ、円筒の長さは約０から５０ｍｍである。

材料の拡散がフィック的である場合（単相拡散）、吸収材料の最大含有率および最大漏洩電流は直接測定できよう。完全に飽和するまでの曝露に非常に長い時間（たとえば数年間）を要する２相非フィック的拡散の場合、カーターとキブラーモデルに基づく計算手順が使用できる。したがって最大漏洩電流もまたこの計算手順に基づいて推定できる。

（実験的研究）たとえば以下に説明する実験データは水分に曝した、ＥＣＲ（低シード）ガラス繊維およびエポキシでできた薄い肉厚の中空複合材料円筒１１に基づいている。好ましい試料１１の寸法は長さ”Ｌ”が約３０±０．５ｍｍで、外径”Ｄ”が約１５．９±０．１ｍｍである。以下に提供する実験データにおける円筒１１の肉厚は１，２および４ｍｍである。図１の電極１２および１３の寸法は、”Ｗ１”＝６４±０．１ｍｍ、”Ｗ２”＝５０±０．１ｍｍ、”Ｌ２”＝２５±０．１ｍｍ、”ａ”＝６０°±１°である。寸法はすべてＡＮＳＩ規格Ｃ２９−１１に準拠している。

この技術を用いてＡＳＴＭ規格Ｄ５２２９／５２２９Ｍ−９２による制御された水分拡散条件の下における、ＥＣＲ（低シード）ガラス繊維およびエポキシでできた中空円筒１１について、水分吸収率を漏洩電流に関連付けることができる。ＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ複合材料による水分吸収は非フィック的な性質であり、単相モデルを用いて正確に記述できないので、異常拡散（２相）モデルを実験結果に適用できる。たとえば、Ｈ．Ｇ．カーターとＧ．キブラー「複合材料樹脂における異常水分拡散に対するラングミュア型モデル」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｖｏｌ．１２， ｐｐ．１１８−１３１， １９７８）により開示されている異常拡散に対するモデルに基づく手法をいろいろな厚さの試料について絶縁複合材料中での非フィック的拡散を取り扱うのに使用できる。

複合材料における水分の測定漏洩電流に対する影響もまた中空複合材料円筒１１を使って調べた。実験データにいくらかばらつきが見られるものの、直線的な関係がＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ複合材料中の水分の量とＡＣ漏洩電流の水準との間に見られる。ＡＣ漏洩電流の変化対水分含有率のプロットにおける直線的な傾向により、電気的絶縁特性の正確な予測が可能である。したがって、カーターとキブラーのモデルを用いて、複合材料に対する最大水分含有率、最大漏洩電流および飽和時間が引き続いて予測できる。水分吸収率Ｍ（ｔ）と漏洩電流Ｉ_L(AC)の変化との関係を予測する能力を次式のように表すことができた。

ここに、Ｆ_M-LCは水分／漏洩電流係数である。単相フィック的および異常水分拡散モデルの両方がこの関係式に使用できる。さらに重要なのは、水分吸収と漏洩電流の予測が、複合材料での拡散過程が完全に飽和するのに長期間を要するという特異な性質にも拘わらず、比較的短期間の水分データに基づいて可能であったことである。

制御された水分と高電圧条件の下での中空円筒試験は、適切なガラス／ポリマー複合材料を絶縁用途に選択するための標準的なスクリーニング試験に成る可能性を持っている。水分−漏洩電流係数を測定することにより、いろいろな絶縁体コア複合材料を使用条件の関数として湿潤下での電気的反応について順位づけができる。本発明は、これをＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシシステムと改質ポリエステル樹脂に埋め込まれたＥＣＲ（高シード）ガラス繊維に基づく別のシステムとを比較することにより実際に示すことを試みている。

この作業で行う電気的試験のため、２つの材料を選んだ。ＥＣＲ（低シード）エポキシはＥＣＲガラス繊維により提供される優れた耐応力腐食クラッキング特性と水分のある環境での好ましい挙動のゆえに選択した。エポキシ樹脂は改質ポリエステルの場合のように水分を急速に吸収するわけではないが、ビニールエステルや改質ポリエステル材料のようにその環境で速く完全に平衡に達しない傾向がある。一方ＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステルは水分吸収特性が劣っているので選択した。この材料についてこれまで異常拡散の証拠は見つかっていない。

中空円筒１１はＧｌａｓｆｏｒｍｓ，Ｉｎｃ．から入手した直径１５．９ｍｍのいろいろな長さの一方向性引き抜き棒を機械加工した。それからこれらの棒から３０±０．５ｍｍ長の断片を切り取り、その中心に７．９ｍｍのパイロット孔を穿孔した。こうして１８個の４ｍｍ厚の中空円筒を作った。これらのうちの６個はきれいにして脇に取っておき、残りの１２個は旋盤にかけて所定の直径の孔を中心に開けた。旋盤での切削は２段階で行った。まず試料の一方の側を半分まで切削し、それから反対側を最初の孔に合うように切削した。これは複合材料のクラッキングを、特に１ｍｍ厚の試料の場合に最少にするための試みである。その結果、１，２，および４ｍｍ厚の１８個の試料（各材料あたり９個）、肉厚ごとにそれぞれ３個を作成した。

機械加工の後、試料１１は完全に洗浄し、６０℃で乾燥した。続いて乾燥直後の試料１１の初期質量および初期漏洩電流を記録した。それから試料１１を環境室に置き、温度を２０℃から１００℃に、また相対湿度を１０％から１００％に保持した。この場合、試料１１は５０℃と相対湿度８０％に保持した。試料１１の質量は読み取り精度０．１ｍｇの化学天秤で時間間隔を増やしながら測定した。試料１１は水分データに影響を与えないように３０分以上環境室の外に存在しないことを確保するため、一回に３個の試料を計量した。約４ヶ月の期間に対して水分吸収は相当減速するので、試料１１の計量は時間間隔を変化させて行った。試料１１はそれぞれ計量のあと、次に述べるようにその電気的特性を試験した。

図１に示すように、高電圧試験の間、複合材料円筒１１は高電圧室の２個の真鍮電極１２と１３との間に置かれる。ＡＮＳＩ規格は電圧を約１ｋＶ／ｓで１２ｋＶまで上げることを要求している。この電圧は試料の長さのミリメートルあたり５Ｖから試料の長さのミリメートルあたり５００Ｖの間の最大値まで上げられる。このユニットは最大電圧上昇率に設定され、１２ｋＶで停止するように設定されて、図２に示す初期の電圧時間曲線を得た。ＡＣ最大漏洩電流値を記録するために、５ｍＡ目盛で０．１μＡの分解能を持つＰｒｏｔｅｋ６０８デジタルマルチメータを使用した。試験の間、高電圧室の内部に保たれていた乾燥標準試料のＡＣ漏洩電流を各試験時の最初と最後に測定し、各試験時の環境条件における変化の徴候が得られた。標準試料による環境条件におけるこれらの変化はあとで示すデータ解析から差し引いた。

１，２，および４ｍｍ厚の円筒１１で試験したＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステルおよびＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ複合材料に関する水分と漏洩電流実験からの最も重要な結果を表１Ａと１Ｂに示す。また、例として、１ｍｍ厚のＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ試料と１ｍｍ厚のＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル試料に対する水分吸収対時間の平方根曲線を図３に示す。実験データに加えて、単相モデルおよび非フィック的拡散による適合線も図３にプロットした。この図から改質ポリエステルをベースとする試料は湿潤曝露の約４日後に飽和に達することが観察される。しかしエポキシをベースとするシステムの場合３ヶ月の試験後でも飽和に到達しなかった。他の１ｍｍ、２ｍｍおよび４ｍｍ厚の２つの複合材料でまったく同様の挙動が観察され、すべてのエポキシ試料は飽和せずにつねに水分を吸収し、またすべての改質ポリエステルベースの円筒は比較的短期間に飽和に到達した。

２ｍｍ厚のＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ円筒と２ｍｍ厚のＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステルに対する漏洩電流対時間の平方根曲線をそれぞれ例として図４Ａおよび４Ｂに示す。これに対応する水分吸収曲線もこれらの図に示す。実験による水分と漏洩電流のデータに加えて、フィックおよび異常拡散モデルに従ったこれに対応する適合線も水分と漏洩電流結果の図４Ａおよび４Ｂに示す。１ｍｍおよび４ｍｍ厚の試料を用いた２つの複合材料システムについてまったく同様の関係が観察された。

エポキシベースの複合材料について表１Ａに示す水分吸収率ｋ_Mおよび拡散係数Ｄ_Aを実験的に水分含有率対時間の平方根曲線の初期部分から決定した。しかし最大水分含有率および飽和時間、ならびに最大漏洩電流はカーターとキブラーの非フィック拡散モデルに従った手順を用いて推定した。改質ポリエステルベースの試料は飽和に到達しているので、最大水分含有率および最大漏洩電流は水分および高電圧実験から直接に決定できた。また、表１Ｂに示す水分吸収率（ｋ_M）および拡散係数（Ｄ_A）を水分含有率対時間の平方根曲線から直接に決定した。

下の表１ＡはＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ複合材料試料に対する水分吸収率（ｋ_M）の初速度、拡散係数（Ｄ_A）の値、および最大水分含有率（Ｍ_MAX）、水分−漏洩電流係数（Ｆ_M-LC）、最大漏洩電流（Ｉ_L(AC)-MAX）、９９％に飽和する時間（ｔ_SAT）の予測値を示す。

＊Ｄ_Aの値は最初の拡散相について決定される。
＊＊Ｍ_MAX、Ｉ_L(AC)-MAXおよびｔ_SATの値は異常拡散に対するカーター・キブラーモデルに基づく予測値である。

下の表１ＢはＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル複合材料試料に対する水分吸収率（ｋ_M）の初速度、拡散係数（Ｄ_A）の値、および最大水分含有率（Ｍ_MAX）、水分−漏洩電流係数（Ｆ_M-LC）、最大漏洩電流（Ｉ_L(AC)-MAX）、９９％に飽和する時間（ｔ_SAT）の予測値を示す。

表１Ａおよび１Ｂに示す水分／漏洩電流係数Ｆ_M-LCは、各試料に対して得られたＡＣ漏洩電流の変化対水分含有率のプロットから決定した。これらのプロットは肉厚と材料について個々にランダムに選んだ試料に対して示されている。１ｍｍ厚のＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシおよび１ｍｍ厚のＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル試料に対するプロットをそれぞれ図５Ａおよび５Ｂに示し、また２ｍｍ厚の試料に対するプロットを図６Ａおよび６Ｂに示す。最後に４ｍｍ厚のＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシおよびＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル試料に対するプロットをそれぞれ図７Ａおよび７Ｂに示す。

これらのプロットの分析からいくつかの重要な観察が得られる。まず６つのプロットすべてがＡＣ漏洩電流の変化と吸収した水分との間にはっきりした直線的な傾向を示す。第２に薄い試料１１ほどより早く平衡に到達し、これらの試料１１は、試験の最初と完全な水分の飽和との間の充分なデータを提供しないという事実により、大きいばらつきを示す。またＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ試料１１は、漏洩電流値がずっと小さいので、ＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル材料よりも大きなばらつきを示す。

図５から７においてまた非常に似た全吸収水分量（約０．２０％）に対してＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル試料が５０−７０μＡの範囲で漏洩電流の最大変化を示すことが見られたが、ＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ材料は０．７μＡを超えることはなかった。ＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシとＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル材料との間のＡＣ漏洩電流の変化対水分含有率のプロットの勾配の差は約１５０−２００倍である。このことが表１Ａと１Ｂに示す水分／漏洩電流係数Ｆ_M-LCがエポキシと改質ポリエステルベースの試料１１で大きく異なる理由である。

明らかに２つの複合システムは水分と高電圧に対して非常に異なる反応をしている。２つの複合システム間の最後の比較を図８Ａと８Ｂで行う。図８Ａに各材料の全データ点のＡＣ漏洩電流の変化対水分含有率のプロットを示す。同じデータを片対数目盛でプロットしたものを図８Ｂに示す。これら２つの図は同様の吸収水分の水準に曝されたときこれらの２つの複合材料の電気的挙動が極端に異なることを非常によく示している。ＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシが湿潤環境における電気的絶縁用途にずっと良く適しているのに対し、ＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステルは、特にこれらの試験で存在するよりもずっと大きい周囲水分がある場合には、避けるべきである。

ＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステルシステムで発生した大きい漏洩電流はＥＣＲガラス繊維中のシードの存在によって引き起こされた。シードの存在は、Ｅガラスあるいは低シードＥＣＲガラス繊維に基づく複合材料と比較して、たとえこれらの複合材料が吸収する水分の量が非常に似ていても、高シードＥＣＲガラス繊維に基づく複合材料では大きな漏洩電流を引き起こす。ＥＣＲガラス繊維複合材料は、脆性破壊に非常に抵抗力があるので高電圧絶縁体用途用として考えられているが、シードの存在は絶縁体の特性を著しく低下させ、フラッシュオーバにより電気的故障を引き起こす可能性がある。したがって新しい複合材料はすべて水分と漏洩電流およびその水分／漏洩電流係数Ｆ_M-LCについて決定し、ある標準のデータと比較して選別することができる。ここで説明した試験方法は、図８Ａおよび８Ｂに示すデータを考えると、この目的に適していると思われる。

高電圧複合材料絶縁体に使用されるすべての可能な材料について、このような組織的な試験を実施することの利益を認識することが重要である。これらの実験を行うことによって我々は高電圧複合材料絶縁体の製造者および使用者に異なる環境条件でどの材料を使用するべきかという高品質の指針を提供することができる。しかしポリマー樹脂とＥガラスおよびＥＣＲガラス繊維の可能な組み合わせは広範囲で、これらのいろいろな複合材料が湿度のある環境でどのような電気的挙動をするかを決定しなければならない。

上記の実験研究は高電圧絶縁体用途に最も良好なものの１つ（ＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ）とおそらく最も良くないものの１つ（ＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル）の複合材料システムについて調べた。吸収した水分と漏洩電流との間に直線的な関係があることが判った。ＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ材料は非常に良好に反応、つまり小さい漏洩電流で増加も少ない、を示し、ＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル材料は吸収した水分の関数として漏洩電流が相当増加するという最も好ましくない反応を示した。しかし最も重要なのは、吸収した水分と漏洩電流の変化との間の直線的な関係のお陰で、複合材料の水分吸収特性の知識に基づいて電気的絶縁特性を正確に予測できるということである。また２つの複合材料の水分／漏洩電流係数Ｆ_M-LCが約１５０−２００倍異なっていることは、ＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステルシステムに比べてＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシシステムの優れた耐性を示している。最も重要なのは開発した試験方法がフィック的および異常拡散条件下の水分と漏洩電流を決定するのに極めて有用であることが示されたことである。

本発明はたとえば誘電体において水分吸収に関連する潜在的な問題を指摘する選別方法として使用できる。いろいろな誘電体（たとえばポリマー、セラミック、木材、コンクリート、生体材料およびガラス、窒化珪素、炭化珪素、ポリマーおよび木材などのいろいろなクラスの繊維およびマトリックスに基づくそれらの複合材料）を水分と漏洩電流に関してほぼ同時の耐性について順位付けすることが可能である。特に本発明によりいろいろな絶縁体の製造者と使用者が異なる環境条件で異なる電気的用途に対して最良の絶縁材料（複合でない、あるいは複合の）を選択することができる。またこれらの材料の製造者および使用者が時間（時間、損傷、劣化など）の関数として水分／漏洩電流応答の変化を監視することができる。現在利用できる他の技術はこれらの目的に対してうまく適用できない。

たとえば複合材料ブッシングを水分と漏洩電流について試験できよう。これらのブッシングは引き抜きの代わりにフィラメントの巻き付けによって作られた多軸ガラス／エポキシ複合材料に基づいており、これは懸架および変電所絶縁体用の複合材料棒の製造に広く適用されている。このブッシングは直径が大きく、肉厚が薄く、大きく複雑な構造をしている。このブッシングの直径は１メートル、長さが１０メートルで肉厚が数ミリメートルのものまである。ブッシングの短い部分を水分に曝すことができ、それから漏洩電流を、本発明を用いて測定できる。図１に示す電極１２と１３、および電圧レベルと上昇率その他の寸法はずっと大きい試料１１に合わせて修正する必要がある。水分拡散と漏洩電流の計算処理は一般的に同じであろう。同様に配電システムで支持構造として用いられる木柱の水分のある状態での漏洩電流耐性を試験することもできよう。

本発明はまた電気的特性に影響するような他の相（水分以外の）の拡散に曝される誘電体材料にも適用できることが理解されよう。たとえばセラミックにより吸収され、その絶縁特性を変化させる液体金属の影響を評価することができる。この種の多数の例が考えられる。

図１は漏洩電流を測定するための高電圧試験の配置図である。 図２は漏洩電流試験について典型的な電圧対時間応答を示すグラフである。 図３はＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステルおよびＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシの１ｍｍ肉厚の中空円筒に対する水分吸収対時間の平方根（実測と予測）の例を示すグラフである。 図４ＡはＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシの、また図４ＢはＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステルの、肉厚２ｍｍの中空円筒に対する漏洩電流および水分含有率対時間の平方根（実測値と予測値）の例を示すグラフである。 図５Ａは１ｍｍ厚のＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ試料の、また図５ＢはＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル試料の、ＡＣ漏洩電流対水分含有率を示すグラフである。 図６Ａは２ｍｍ厚のＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ試料の、また図６ＢはＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル試料の、ＡＣ漏洩電流対水分含有率を示すグラフである。 図７Ａは４ｍｍ厚のＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシ試料の、また図７ＢはＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル試料の、ＡＣ漏洩電流対水分含有率を示すグラフである。 図８Ａおよび８ＢはＥＣＲ（低シード）ガラス／エポキシおよびＥＣＲ（高シード）ガラス／改質ポリエステル試料からの、線形（図８Ａ）および片対数（図８Ｂ）目盛にプロットした、ＡＣ漏洩電流の変化対水分含有率を示すグラフであり、図８Ａではすべてのデータ点について、また図８Ｂではすべての非ゼロのデータ点について、適合する直線が引かれている。

Claims (30)

1. 湿潤環境における複合材料の長期間の電気的絶縁特性を予測する方法であって、
   （ａ）試料を供給する工程、
   （ｂ）水分含有率値および漏洩電流値を決定するために既定の時間間隔で該試料を試験する工程、
   （ｃ）該水分含有率値と該漏洩電流値とから水分−漏洩電流係数を決定する工程、
   （ｄ）該水分−漏洩電流係数を用いて試料の電気的絶縁特性を決定する工程、
   とを含む方法。
2. さらに前記試料の水分吸収特性を決定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. さらに最大水分含有率、最大漏洩電流および飽和時間を予測する工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記水分−漏洩電流係数を漏洩電流値の変化対水分含有率値のグラフから決定する、請求項１に記載の方法。
5. 前記漏洩電流値と前記水分含有率値との間に直線的な関係が存在する、請求項４に記載の方法。
6. さらに前記試料を拡散性材料に曝す工程を含む、請求項１に記載の方法。
7. さらに前記試料に高電圧をかける工程を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記電圧を試料の長さのミリメートルあたり約５Ｖから試料の長さのミリメートルあたり約５００Ｖの間の最大電圧まで上昇させる、請求項７に記載の方法。
9. 湿潤環境における複合材料の長期間の電気的絶縁特性を予測する方法であって、
   （ａ）複合材料を中空円筒の形で供給する工程、
   （ｂ）該円筒を拡散性材料に曝す工程、
   （ｃ）既定の時間間隔で該円筒の水分含有率を測定する工程、
   （ｄ）既定の時間間隔で該円筒を高電圧にかけて、該円筒の漏洩電流を測定する工程、
   （ｅ）該水分含有率と該漏洩電流とから水分−漏洩電流係数を決定する工程、
   （ｆ）該水分−漏洩電流係数を標準化したデータに関連づけて試料の電気的絶縁特性を決定する工程、
   とを含む、方法。
10. さらに前記円筒を環境室に置き、前記円筒を一定の温度と一定の湿度に保つ工程を含む、請求項９に記載の方法。
11. さらに前記円筒を計量して水分含有率を決定する工程を含む、請求項９に記載の方法。
12. さらに前記円筒を前記拡散性材料に曝す前に前記円筒の初期質量を測定する工程を含む、請求項９に記載の方法。
13. さらに前記円筒を前記拡散性流体に曝す前に前記円筒の初期漏洩電流を測定する工程を含む、請求項９に記載の方法。
14. さらに異常拡散モデルを用いて最大水分含有率、最大漏洩電流、および飽和時間を予測する工程を含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記水分−漏洩電流係数を漏洩電流の変化対水分含有率のグラフから決定する、請求項９に記載の方法。
16. 前記漏洩電流と前記水分含有率との間に直線的な関係が存在する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記拡散性流体が水、液体金属、溶液および蒸気から成る群から選択される、請求項９に記載の方法。
18. 湿潤環境における複合材料の長期間の電気的絶縁特性を予測する方法であって、
    （ａ）複合材料を中空円筒の形で供給する工程、
    （ｂ）該円筒の初期質量を記録する工程、
    （ｃ）該円筒の初期漏洩電流を記録する工程、
    （ｄ）該円筒を環境室に置く工程、
    （ｅ）該円筒を拡散性流体に曝す工程、
    （ｆ）既定の時間間隔で該円筒を環境室から取り出して、該円筒の質量と漏洩電流とを記録する工程、
    （ｇ）該円筒の質量から該円筒の水分含有率を決定する工程、
    （ｈ）該水分含有率と該漏洩電流とから水分−漏洩電流係数を決定する工程、
    （ｉ）該水分−漏洩電流係数を用いて試料の電気的絶縁特性を決定する工程、
    とを含む、方法。
19. さらに前記円筒を高電圧室に置き、前記円筒に高電圧をかける工程を含む、請求項１８に記載の方法。
20. さらに前記円筒に高電圧をかける工程を含む、請求項１８に記載の方法。
21. 環境室が前記円筒を一定の温度と一定の湿度に保つ、請求項１８に記載の方法。
22. 温度が摂氏約２０度から約１００度の間に保たれ、湿度が約１０パーセントから約１００パーセントの相対湿度の間に保たれる、請求項２１に記載の方法。
23. さらに水分吸収率を式
    Ｉ_L(AC)（ｔ）＝Ｆ_M-LC・Ｍ（ｔ）
    を用いて漏洩電流の増加率に関連付ける工程を含む、請求項１８に記載の方法。
24. 前記円筒が約０．１ミリメートルから約５０ミリメートルの長さを有する、請求項１８に記載の方法。
25. 前記円筒が約２ミリメートルから約１００ミリメートルの外径を有する、請求項１８に記載の方法。
26. 前記円筒が約１ミリメートルから約９９ミリメートルの内径を有する、請求項１８に記載の方法。
27. さらに前記円筒を２つの電極の間に置く工程を含む、請求項１８に記載の方法。
28. さらに前記円筒に高電圧をかける工程を含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記電圧を試料の長さのミリメートルあたり約５ボルトと試料の長さのミリメートルあたり約５００ボルトの間の最大電圧まで上昇させる、請求項２８に記載の方法。
30. 前記電極が真鍮である、請求項２７に記載の方法。

Images