用語解説　第183回テーマ：傾斜機能材料（FGM）

保科 好一 〔（株）東芝〕

1. 傾斜機能材料（FGM）とは

一様な材料よりも電気性能等を向上させるため，材料内部で組成や組織を連続的または段階的に変化させる傾斜機能材料（FGM：Functionally Graded Material）の適用が様々な分野で考えられている。一例として，ガス絶縁開閉装置（GIS）において，誘電率を変化させたFGM スペーサの開発が行われている(1)。図1 に簡略化したGIS 母線形状と絶縁スペーサ表面の電界分布を示す。誘電率が一定の場合，同軸円筒構造で決まる電界分布となり，高電圧導体近傍の電界強度が最大となる。雷インパルス電圧など過電圧に対して絶縁性能を確保するため，絶縁距離を保つ必要があり機器サイズ縮小化に限界がある。FGM スペーサでは誘電率分布の適正化により，スペーサ表面の電界分布をより平坦とし，最大電界を低減，機器サイズの縮小化が期待できる。

2. ガス絶縁開閉装置での実施例

1. 比誘電率を4 から10 まで変化させた245 kV級FGMコーン型スペーサを作製，負極性雷インパルス電圧の絶縁特性を調査した結果，比誘電率4 の一様なスペーサと比較して，SF6 ガス圧力0.5 MPa で21%，0.6 MPa で19%の絶縁性能向上が確認された。これによりGIS 小型化の可能性が示された(2)。
2. FGM スペーサ作製技術として，誘電率の異なる樹脂の配合を変化させながら金型に樹脂を充填する可変配合注型法が提案され，流動・硬化解析手法を開発，樹脂粘度改良・注型条件適正化により良好な誘電率傾斜が得られることが確認された(3)。

文献

(１) N. Hayakawa, et al. : “Electric Field Grading Techniques in Power Apparatus Using Functional Materials”, CIGRE Paris Session, D1-309 (2014)
(２) K. Okamoto, et al. : “Development of Sophisticated Cone-Type Insulating Spacer for 245 kV Class GIS by Functional Insulating Materials”, CIGRE Paris Session, D1-10648 (2022)
(３) Y. Hoshina : “3D Fluid Dynamic Simulation of Insulation Spacer with Graded Permittivity for GIS”, ISEIM2020, SP2-4 (2020)

【電気学会論文誌B，146巻，6号，2026に掲載】

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