絶縁材料とは？気体・液体・固体の違いとSF6・絶縁油の特徴

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絶縁材料は、電験三種の電力科目で毎回のように出題される「電気材料」の柱のひとつです。名前を覚えるだけでは、言い回しを変えた選択肢に対応できません。この記事では、それぞれの材料が「なぜその性質なのか」までつなげて整理します。

絶縁材料に求められる5つの性質

絶縁材料のよしあしは、5つの性質で決まります。論説問題の選択肢は、ほぼこの5つの「大きい・小さい」を入れ替えてつくられています。

性質	望ましい向き	理由
抵抗率（電気の通しにくさ）	大きい	漏れ電流を小さくする
絶縁破壊の強さ	大きい	薄い絶縁で高い電圧に耐えられる
誘電率	小さい	静電容量と充電電流を小さくする
誘電正接（tanδ）	小さい	絶縁材料の中で熱になる損失（誘電損）を小さくする
耐熱性・化学的安定性	高い	長い年月、劣化しにくい

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つまり、「通さない・破れない・ためない・熱くならない・長持ち」の5つです。誘電率と誘電正接だけが「小さいほうがよい」ことを、まず押さえてください。

気体絶縁材料：空気とSF6ガス

気体の絶縁材料は、抵抗率が非常に大きく、誘電率と誘電正接が小さいのが特徴です。一方、同じ厚みなら絶縁破壊の強さは液体や固体より小さいので、圧力を上げて強くして使います。架空送電線のまわりの空気も、立派な絶縁材料です。

SF6ガス（六ふっ化硫黄）の特徴

項目	特徴
見た目・におい	無色・無臭・無毒
燃えやすさ・安定性	不燃性で、化学的に安定
重さ	空気より重い（比重は空気の約5倍）
絶縁の強さ	同じ圧力の空気の2〜3倍程度。圧力を上げるとさらに強くなる
アークを消す力（消弧能力）	空気よりはるかに高い
環境への影響	オゾン層への影響はほぼないが、温暖化への影響が非常に大きい
使われる機器	ガス遮断器（GCB）、ガス絶縁開閉装置（GIS）、ガス絶縁変圧器

SF6ガスで機器を満たすと、空気で絶縁するより機器どうしの間隔を短くできるので、変電所を小さくできます。都市部の地下変電所などで使われるのはこのためです。

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液体絶縁材料：絶縁油は「絶縁」と「冷却」の二刀流

絶縁油は、変圧器やOFケーブル（油で満たした電力ケーブル）に使われる液体の絶縁材料です。絶縁破壊の強さは同じ圧力の空気より高く、さらに機器の中をめぐって熱を運ぶ冷却の役割もはたします。

種類	特徴
鉱油（石油から精製した油）	古くから一般的に使われてきた。安価
合成油（化学的につくった油）	より低損失・高信頼性が求められる機器に使う

絶縁油の大敵は水分と酸化

絶縁油に水分が混じったり、空気にふれて酸化したりすると、絶縁破壊の強さが下がり、誘電正接が大きくなります。そのため、変圧器では油が外気にふれにくい構造にし、定期的に油を分析して劣化を確かめます。

固体絶縁材料：がいし・ケーブル・モールド変圧器

固体の絶縁材料は、絶縁破壊の強さが大きく、形を保って電線や機器を支えられるのが強みです。ただし、一度絶縁破壊すると元に戻らない（自己回復しない）のが弱みです。

材料	使われる場所	特徴
磁器・ガラス	がいし	雨や日光に強く、長持ち。表面の汚れ（塩分）に弱い
架橋ポリエチレン	CVケーブル	ポリエチレンの分子を橋かけして耐熱性を高めた。誘電率・誘電正接が小さい
エポキシ樹脂	モールド変圧器・計器用変成器	巻線を固めて燃えにくくできる
絶縁紙	油入変圧器の巻線・OFケーブル	絶縁油をしみこませて使う

ボイドと部分放電：固体がじわじわ壊れるしくみ

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CVケーブルでは、水分が入りこんで木の枝のような劣化（水トリー）が進むことも知られています。つまり固体の絶縁材料は、目に見えない小さな欠陥から、年単位でじわじわ壊れていくのが特徴です。

誘電損を計算する：誘電正接が小さいほどよい理由

絶縁材料に交流の電圧をかけると、わずかな電力が熱に変わります。これが誘電損で、誘電正接（tanδ）に比例します。誘電正接は、絶縁材料がどれだけ「理想のコンデンサ」からずれているかを表す数字です。

ωは角周波数（2π×周波数）、Cは静電容量、Vは対地電圧（相電圧）です。

例題：6.6kVケーブル1kmの誘電損

周波数50Hz、線間電圧6,600V、1相あたりの静電容量0.3μF（1km）、誘電正接0.05%（0.0005）とします。

劣化して誘電正接が10倍の0.5%になると、誘電損も10倍の約20Wになります。熱は絶縁材料の中で生まれるので、温度が上がってさらに劣化が進む、という悪循環につながります。

耐熱クラス：何℃まで使えるかの目安

絶縁材料は、温度が高いほど早く劣化します。そこで、使い続けられる最高温度によって「耐熱クラス」が決められています（JIS C 4003）。モーターや変圧器の銘板に書かれている「F種」「H種」は、これのことです。

耐熱クラス	許容最高温度
Y	90℃
A	105℃
E	120℃
B	130℃
F	155℃
H	180℃

覚え方は、低いほうから「Y・A・E・B・F・H」の順番と、「Aが105℃、Fが155℃、Hが180℃」の3つです。つまり、クラスが上がるほど高温に耐え、機器を小さくできます。

電験三種の過去問で問われているポイント

電験三種の電力科目では、令和3年度から令和7年度下期まで、問14が毎回「電気材料」の問題でした。そのうち絶縁材料は、次の4回出題されています。

年度・問題	テーマ	誤り・正解のポイント
令和4年度上期 問14	SF6ガス（論説）	「アーク放電を発生させないので消弧能力に優れる」が誤り。アークは発生するが、消す力が強い
令和4年度下期 問14	絶縁油（空欄）	誘電正接が「小さい」油で「発熱」を抑える。古くから「鉱油」、低損失・高信頼には「合成油」
令和6年度上期 問14	気体・固体の絶縁材料（論説）	「気体は抵抗率が低い」が誤り。気体の抵抗率は高く、誘電率が低い
令和7年度上期 問14	SF6ガス（論説）	「特有の臭いがある」が誤り。SF6は無色・無臭・無毒

ひっかけパターン1：正しい文の一部だけを変える

令和6年度上期は「気体は抵抗率と誘電率が低い」という文で、後半の誘電率は正しく、前半の抵抗率だけが誤りでした。令和7年度上期も「比重が大きく、安定した不燃性で、特有の臭いがある」と、最後の一言だけが誤りです。選択肢は、読点で区切られた部分ごとに正誤を確かめてください。

ひっかけパターン2：理由をすり替える

令和4年度上期の「アーク放電を発生させないため消弧能力に優れる」は、「消弧能力に優れる」という結論は正しいのに、理由がおかしい文でした。「〜ため」「〜ので」がついた選択肢は、理由の部分を疑ってください。

ひっかけパターン3：SF6はくり返し出る

SF6ガスは、4回のうち2回出ました。この記事のSF6の表（無色・無臭・無毒、不燃、空気より重い、絶縁と消弧に優れる、温暖化への影響が大きい）は、すべて言えるようにしておくと確実です。

よくある間違い・つまずきポイント

1. 誘電率・誘電正接も「大きいほどよい」と考える

抵抗率と絶縁破壊の強さは大きいほどよく、誘電率と誘電正接は小さいほどよい、と向きが分かれます。誘電正接が大きいと、誘電損で発熱します。

2. 気体は抵抗率も低いと思いこむ

気体は「絶縁破壊の強さ」が液体・固体より小さいだけで、抵抗率はとても高い材料です。弱いのは強さ、高いのは抵抗率、と分けて覚えます。

3. SF6にはにおいや毒性があると考える

SF6そのものは無色・無臭・無毒です。ただし、アークで分解してできる物質には注意が必要なので、機器の点検では取り扱いの決まりに従います。

4. SF6は環境にやさしいと考える

オゾン層への影響はほぼありませんが、温暖化への影響は非常に大きいガスです。そのため、漏れを防ぎ、回収して再利用することが求められています。

5. 誘電損の計算で線間電圧をそのまま使う

W＝ωCV²tanδ のVは、1相あたりの対地電圧（線間電圧÷√3）です。線間電圧を入れると、3倍の値になってしまいます。

よくある質問

まとめ：絶縁材料は「5つの性質」と「SF6の表」で解ける

まずは「5つの性質の向き」と「SF6の表」を、何も見ずに書き出せるか試してみてください。問14の絶縁材料の問題は、この2つでほとんど解けます。