Medium-Voltage/Low-Voltage Aerial Insulated Cables Suppliers

業界の知識

架空絶縁ケーブルが裸の架空導体を置き換える理由と、移行に必要なもの

裸の架空導体を次のものに置き換えます。 空中絶縁ケーブル 配電ネットワークにおける (AIC) は、安全性、信頼性、およびメンテナンスの要素の組み合わせによって推進され、特定の設置環境ではこれらの要素が大幅に複雑になります。木製またはコンクリートの柱上の裸導体は、1 世紀以上にわたって標準的な架空配電技術でしたが、植生が密集した地域、海岸環境、および故障率の高い都市ネットワークでのパフォーマンスにより、1970 年代にスカンジナビアで始まり、その後数十年にわたってアジア、アフリカ、ラテンアメリカ全体で徐々に絶縁代替品が広く採用されるようになりました。

裸導体に対する空中絶縁ケーブルの主な技術的利点は、導体間および導体と樹木の接触による故障電流の低減です。樹冠を通過する裸の 11 kV 配電線には、風荷重による枝の接触を防ぐために両側に 2 ～ 3 メートルの隙間の通路が必要です。絶縁架空ケーブルは、絶縁が接触イベントの間の接触電圧に耐えるため、故障が発生することなく直接分岐接触に耐えることができます。これにより、用地幅を 40 ～ 60% 削減することができ、森林地域における開墾コストと環境への影響を大幅に削減できます。絶縁体は永続的な接触耐性を提供しません。分岐圧力が持続すると、最終的にジャケットが摩耗し、導体に浸透します。しかし、これにより、致命的な可能性のある瞬間的な障害が、停止に至る前に検出して解消できる、管理可能なゆっくりと進行する状態に変換されます。

裸の空中システムから断熱された空中システムへの移行には、ハードウェア、設置方法、および保護システムの調整の変更が必要ですが、プロジェクト計画では過小評価されることがよくあります。裸の導体ポールのフィッティング (クランプトップ絶縁体、スプール絶縁体、クロスアーム ハードウェア) は、特定のケーブル外径と機械的張力定格に合わせて設計されたメッセンジャー ワイヤ サポート システム、予備成形ヘリカル グリップ、サスペンション クランプ、およびひずみクランプを必要とする AIC の取り付けと互換性がありません。裸導体の故障電流に対して校正された保護リレーの設定は、絶縁されたケーブルに対して再校正する必要があります。絶縁により故障の進行が遅れ、過電流リレーで見られる時間と電流のプロファイルが変化します。裸導体用に設計されたハードウェアに AIC 導体を設置する電力会社、または保護リレー設定の調整に失敗する電力会社では、移行期間中に故障検出の見逃しや迷惑なトリップが頻繁に発生します。

低圧架空束線ケーブルのメッセンジャー ワイヤ設計とそのたるみと張力への影響

低電圧架空束線ケーブル (ABC、通常定格 0.6/1 kV) は 2 つの機械構成で使用できます。1 つは専用の裸線または絶縁メッセンジャー ワイヤで束の機械的負荷をすべて伝達するもの、もう 1 つは絶縁導体の 1 つが機械的ニュートラルとして機能する自立構成です。これらの構成の選択は、スパン長の能力、設置張力、温度変化時のたわみ挙動、および長期的な機械的信頼性に重​​大な影響を及ぼします。

メッセンジャーでサポートされる ABC では、メッセンジャー ワイヤは通常、電流要件とは関係なく選択された亜鉛メッキ鋼線または鋼鉄強化アルミニウム導体 (ACSR) です。メッセンジャーはケーブル束全体の架線荷重を支え、絶縁導体はケーブルタイまたは成形グリップを使用して一定の間隔 (通常はスパンに沿って 0.5 ～ 1.0 メートルごと) で吊り下げられます。メッセンジャーの機械設計は、ケーブルの最大設計スパン、設置地域に適用される風と氷の荷重条件、および最大許容たわみ (地上に必要なポール高さのクリアランスに影響します) によって決まります。 4 芯 4×70 mm² ABC バンドルを使用した中程度の風域での 60 メートルのスパンの場合、最大荷重条件下でのメッセンジャー張力は 8 ～ 12 kN に達する可能性があり、安全係数 3 で少なくとも 24 ～ 36 kN のメッセンジャー破断強度が必要です。夏場（熱膨張によりアルミニウム導体が伸びるとき）に過度のたるみが発生する過小なメッセンジャーを使用すると、バンドルが構造物や真下の植生に接触する可能性があります。設計上のクリアランスの高さ。

自立型 ABC は、中性線を電気的中性線と機械的負荷キャリアの両方として使用することにより、別個のメッセンジャーを排除します。この構成の中性線は、完全な架線負荷に対して機械的に定格される必要があります。つまり、多くの場合、位相導体で使用される焼きなまされたアルミニウムではなく、ACSR (アルミニウム導体鋼鉄強化) または硬引きアルミニウム合金で構築されます。最大の氷および風荷重の下での中性線の張力は、達成可能な最大スパンを制限する導体の定格張力制限内になければなりません。自立型 LV ABC の場合、通常の最大スパンは、導体のサイズと地域の負荷クラスに応じて 40 ～ 80 メートルの範囲になります。これらのスパンを超えると、スパン上の電圧降下によって電気的スパンが長くなったとしても、中間の支持ポールが必要になります。自立型構成は設置が簡単ですが (別途メッセンジャーをインストールする必要はありません)、異常なスパン形状や重い氷の荷重条件に対してメッセンジャーサポート型システムよりも設計の柔軟性が低くなります。

厳しい環境における中電圧架空ケーブルの絶縁材料の選択

高圧 空中絶縁ケーブル s (通常 10 ～ 35 kV) は、持続的な UV 曝露、広範囲の温度サイクル、および直接的な天候接触下で動作します。これらの条件では、地下または屋内のケーブル敷設の保護された環境よりも絶縁材の性能に対して大幅に高い要求が課せられます。絶縁体は同時に、電圧クラスに適切な絶縁耐力を提供し、30 ～ 40 年の耐用年数にわたって光劣化と熱酸化に耐え、低温での設置に適切な機械的柔軟性を維持する必要があります。これらの要件は、熱可塑性材料ではなく架橋ポリマー断熱システムを指しています。

XLPE (架橋ポリエチレン) は、高絶縁耐力、低誘電率、適切なカーボン ブラックまたは UV 安定剤添加剤による優れた UV 耐性、連続 90 °C/短絡 250 °C の温度定格を組み合わせているため、中電圧 AIC の主要な絶縁材料です。熱可塑性 PE とは異なり、XLPE は高温で持続的な機械的負荷を受けても軟化したり流動したりしません。これは、夏のピーク負荷下で高温で動作する可能性がある架空ケーブルにとって重要な特性です。架橋ネットワークは、結晶融解温度 (~125°C) を超える温度でストレート PE に発生するであろう寸法変化を防ぎ、あらゆる動作条件下で絶縁形状を維持し、したがって特性インピーダンスを維持します。

EPR (エチレンプロピレンゴム) は、低い設置温度での高い柔軟性や本質的に優れた耐湿性が必要な用途向けの中電圧 AIC に使用されます。 EPR 絶​​縁 AIC ケーブルは、-40°C でも柔軟性を維持し、XLPE 絶縁ケーブルが危険なほど脆くなる北極や高地の環境でも、絶縁亀裂のリスクなく設置および取り扱いが可能です。また、EPR の非晶質分子構造は、XLPE に必要な防樹添加剤パッケージなしでも、水トリーに対する固有の耐性を提供します。これは、断熱材表面での結露が常に発生する高湿度の沿岸環境での AIC 設置に関連します。トレードオフは、EPR のより高い誘電率 (2.8 ～ 3.5 対 XLPE の 2.3) であり、これによりケーブルの容量性充電電流が増加します。これは中電圧ではあまり考慮されませんが、充電電流が熱電流の測定可能な部分を表す田舎の長い給電線には関係があります。

中電圧 AIC の外側ジャケットは、絶縁体の上に適用された別の UV 安定化黒色ポリエチレンまたは HDPE 層です。ジャケットの主な機能は、UV 保護 (重量比 2 ～ 3% のカーボン ブラックが広範囲の UV 吸収を実現します)、分岐接触による磨耗に対する機械的保護、および鳥のくちばしからの保護です。鳥のくちばしからの保護は、ケーブル絶縁体をつつく大型のカラスやオウムが生息する地域では重大な問題となります。ジャケットの硬さと壁の厚さは、鳥の攻撃に耐えるように指定されています。一部の AIC 仕様では、特に影響を受けやすい地理的領域でのこの故障モードに対処するために、最小ジャケットのショア D 硬度 50 ～ 55 と最小ジャケット壁厚 1.5 ～ 2.0 mm が必要です。

低圧および中圧架空絶縁ケーブルの構造の比較

低圧でも中圧でも 空中絶縁ケーブル は屋外の頭上設置用に設計されており、その構造は、さまざまな電圧クラス、機械的負荷要件、および設置環境によって決まるいくつかのパラメータによって基本的に異なります。これらの違いを理解することは、電力会社やプロジェクト エンジニアが正しい仕様を作成し、LV ケーブルの慣例を MV 設備に適用したり、その逆を回避したりするのに役立ちます。

中電圧 AIC における半導体導体と絶縁スクリーンの要件は、構造上の最も重要な違いであり、低電圧ケーブル仕様のみに精通している調達チームによって頻繁に誤解されます。導体スクリーンがないと、より線導体の表面の電場は非常に不均一になり、より線の端と表面の突起に集中し、これらの集中点で部分放電が始まります。 10 kV AIC ケーブルでは、遮蔽されていない導体表面の電界勾配は、絶縁体内の平均電界の 5 ～ 10 倍になる可能性があり、XLPE の部分放電開始閾値をはるかに超えています。半導体スクリーンは、絶縁体に滑らかで連続した等電位面を提供することでこの電界を均一化し、ピーク電界を平均値近くまで低減します。中電圧 AIC ケーブルで導体スクリーンを省略したり不適切に適用したりすると（LV ケーブルにはそのような要件がなく、単純に建設ステップが存在しないため、低電圧ケーブルではこのようなことは起こり得ません）、部分放電による劣化が生じ、ケーブルの耐用年数が予想される 30 ～ 40 年から潜在的に 3 ～ 5 年に低下します。

架空ケーブルの機械設計における風氷荷重基準: 地域の気候が導体の選択をどのように決定するか

空中絶縁ケーブルの機械設計 (導体合金、断面、より線設計、およびサポートハードウェアの定格) は、ケーブルが永久変形やより線破損なしに耐えなければならない風と氷の合計荷重の最大値によって決まります。さまざまな地域規格が現地の気候データに基づいて設計荷重ケースを定義しており、ヨーロッパの温暖な気候に最適化されたケーブルの機械設計を選択し、氷荷重の多いカナダまたはノルウェーの環境に設置することは系統的な設計エラーであり、使用開始から最初の数年間で過度のたるみ、コネクタの抜け、または導体の疲労故障が発生します。

IEC 60826 規格は、架空線の機械設計のフレームワークを提供し、設計の風氷事象の 50 年、150 年、および 500 年の復帰期間に対応する 3 つの荷重信頼性レベル (I、II、III) を定義します。ほとんどの配布ユーティリティ仕様では、レベル I または II の信頼性が使用されます。 IEC の枠組み内では、氷荷重は導体上の同等の氷の厚さ (通常は 0 mm (氷なし)、10 mm、20 mm、または 30 mm) と同時の風圧の組み合わせによって特徴付けられます。 95 mm² の導体上の 30 mm の氷スリーブにより、導体に約 2.5 kg/m の死荷重が加わります。 100 メートルのスパンでは、これは、導体とポールのハードウェアがサポートしなければならない追加の架線重量 250 kg に相当します。この条件下での最大導体張力は、最初の設置張力と合わせて、導体の定格日常張力 (RET) 未満に保つ必要があります。通常、配電ネットワークのアルミニウム合金導体の場合、導体の定格引張強度 (RTS) の 20 ～ 25% です。

絶縁架空ケーブルの風荷重は、裸導体の風荷重とは異なります。これは、絶縁ケーブルの外径が大きいほど、風圧に対する断面積が大きくなるためです。 95 mm² の裸の ACSR 導体の外径は約 13.5 mm です。 10 kV サービス用に XLPE で絶縁された同じ導体の外径は 28 ～ 32 mm になる場合があり、単位長さあたり 2 倍を超える風抵抗力を生成します。絶縁ケーブルアセンブリの空気力学的な直径の増加を考慮せずに、導体断面積に基づいて機械的仕様を提供するケーブルサプライヤーは、系統的に設計風荷重を過小評価することになり、その結果、たとえ氷荷重がない場合でも、設計風条件下でケーブルの日常最大張力を超える可能性があります。調達仕様では、機械設計の計算で、裸の導体の特性だけでなく、ケーブル全体の外径を考慮することを明示的に要求する必要があります。

導体合金の選択は、クリープの概念を通じて氷荷重性能と直接相互作用します。張力が持続したアルミニウム導体は、弾性伸びとは異なる時間依存の伸び (クリープ) を経験します。クリープは荷重を取り除いても回復せず、耐用年数にわたって永久的なたるみの増加を引き起こします。焼き鈍しアルミニウム (柔軟性を高めるために LV ABC 導体に使用) は、同等の張力下で硬伸アルミニウム合金 (AAAC、AAAR) よりも大幅に高いクリープ速度を示します。氷の負荷時に導体が定期的に高い張力にさらされる氷の多い地域では、焼き鈍しアルミニウム導体を使用すると、10 ～ 15 年にわたってたわみが徐々に増加し、最終的に地上高要件に違反します。設置時にクリーププリテンションを備えた硬質引抜きアルミニウム合金導体を指定することは、氷負荷が定期的に発生する地域では標準的な設計対策です。

空中絶縁ケーブルの接合と結線: 長期信頼性を決定する実践

架空絶縁ケーブルの接合部と終端は、統計的に、架空配電ネットワークにおいて早期故障が最も発生しやすい箇所です。すべての電気的および機械的仕様を満たし、適切に製造されたケーブルであっても、1 つの接合部の施工不良や不適切な終端によって信頼性が低下する可能性があります。架空設置では、接合部の故障により通常、架空線保護リレーが迅速に検出して解消するように最適化されている地絡ではなく、停電を引き起こす開回路故障が発生します。架空ケーブルの接続と終端の重要な手順を理解すると、これらの作業に専門のトレーニングと工具が交渉の余地がない理由がわかります。

LV アンテナ バンドル ケーブル ジョイント

低電圧 ABC ジョイントは、絶縁を剥がすことなく絶縁ケーブルにクランプするピアシング コネクタ (絶縁ピアシング コネクタまたは IPC とも呼ばれる) を使用して作られています。コネクタ本体には、絶縁体を貫通して導体と接触するステンレス鋼の穿孔歯が含まれており、シャーヘッド ボルトを使用してコネクタに指定のトルクを加えると、ボルトが規定のトルクで剪断され、正しい接触力が達成されたことを触覚的に確認でき、導体素線を損傷する可能性のある締めすぎを防ぎます。ピアシング コネクタ本体は、貫通点周囲の湿気の侵入を防ぐセルフシール機能を備えています。重要な取り付けパラメータはせん断トルクです。標準的なレンチを使用し、感触によってトルクを推定すると、高速で圧縮不足 (高い接触抵抗) または過剰圧縮 (ストランド損傷) する一貫性のない終端ジョイントが生成されます。 IPC は、校正されたトルク レンチ、または特定のコネクタ シリーズ用にコネクタ メーカーが提供する独自のトルク制限ドライバを使用して取り付ける必要があります。

MV 架空ケーブルのジョイントと終端

高圧 AIC joints and terminations require restoration of each insulation layer in the correct sequence — conductor screen, insulation, insulation screen, metallic screen, and outer jacket — using materials that are electrically and mechanically compatible with the cable's original construction. Pre-formed cold-shrink or heat-shrink joint kits from reputable manufacturers provide calibrated material volumes and assembly sequences for specific cable families. The most critical step is the preparation of the insulation screen at the joint interface: the transition from screened to unscreened insulation must be smooth and gradual (typically a penciled taper of 15–25 mm length) to prevent field concentration at the screen cutback. An abrupt screen cutback — caused by using cutting tools that score the insulation surface or failing to taper the semiconductor layer — creates a triple point (conductor screen, insulation, and surrounding air meet at a single geometric point) where the electric field concentration can be 10–20 times the average field in the insulation, initiating partial discharge at operating voltage even when the rest of the joint is correctly assembled.

MV AIC の屋外終端は、定期的な湿潤と結合した汚染物質の堆積によって引き起こされる、絶縁表面に沿った導電性カーボン パスの形成であるトラッキングの対象となります。トラッキングは徐々に進行します。絶縁表面上の湿潤ゾーンと乾燥ゾーンの境界で発生するドライ バンド アークは、絶縁表面を局所的に炭化させるのに十分なエネルギーを生成し、アーク発生サイクルが繰り返されることで、数か月または数年かけて炭素経路が通電導体に向かって延長されます。標準的な対策は、耐トラッキング性の高いシリコーン ゴム製のウェザー シェッドを組み込んだ熱収縮または常温収縮の屋外終端キットを使用することです。ウェザー シェッドは、通電された導体と接地された金属スクリーン間の漏れ経路長を増加させ、雨を降らせて継続的な湿った汚染層の形成を防ぐ一連の傘型のリブです。高汚染環境（沿岸地域、工業地帯、アルカリ性粉塵の多い砂漠地域）では、定格電圧の kV あたりに必要な沿面距離が標準の IEC 60071 仕様を超えて増加するため、シェッドの終端を長くするか、ウェザーシェッドの汚染防止用シリコン グリース処理が必要になります。

裸架空線と架空絶縁ケーブルネットワークの障害検出と保護調整の違い

配電ネットワークを裸の架空導体から空中絶縁ケーブルに変換すると、保護リレーの設定、再閉路動作シーケンス、および障害検出の考え方に対応する変更が必要になるなど、ネットワークの障害動作が変化します。保護調整の検討や調整を行わずに AIC を導入した電力会社では、頻繁に故障検出の失敗 (絶縁が遅れて高インピーダンス故障に対して作動しない保護) または迷惑動作 (絶縁が制限された一時的な故障をロックアウトが必要な永続的な故障と誤って解釈する保護) が発生します。

最も重要な変更は、導体間および導体とツリー間の接触障害の動作です。裸の架空線では、風によるギャロッピングや倒れた木の枝による相間接触により、非常に低いインピーダンス (通常、アーク抵抗が 1 Ω 未満) のボルト故障が発生し、過電流要素によってミリ秒以内に容易に検出される故障電流が生成されます。絶縁架空ケーブルでは、同じ接点によって故障電流が発生します。この故障電流は、導体間を直接流れるのではなく、ケーブルの絶縁抵抗と静電容量を通って流れる必要があります。損傷していない絶縁体を介した新しい接点の場合、故障電流はわずか数アンペアになる可能性があります。これは、裸の導体故障用に校正された過電流リレーのピックアップしきい値を下回ります。持続的な電気的ストレスにより絶縁は徐々に劣化し、故障電流はリレーのピックアップしきい値に達するまで数分から数時間かけて増加します。この障害の発生の遅れは、裸の導体ネットワークでは 0.3 秒で解消されるはずの障害が、絶縁されたケーブル ネットワークではリレーをトリップさせるレベルにまで発達するまでに 30 ～ 90 分かかる可能性があることを意味します。これにより、持続的な絶縁劣化、ケーブルの加熱、およびケーブルが設置されている乾燥した植生での発火を引き起こす可能性があります。

AIC ネットワークの適切な保護理念の変更には、標準の過電流保護を、絶縁制限された接触故障によって生成される低レベルの故障電流を検出するのに十分な感度を備えた地絡保護で補完することが含まれます。検出しきい値が 1 ～ 5 A の高感度地絡 (SEF) リレー (裸導体ネットワークの標準地絡保護の場合は 10 ～ 50 A と比較) は、損傷した絶縁体を通る初期漏れ電流を検出し、完全な絶縁破壊点に至るまで故障が進行する前にフィーダをトリップさせることができます。トレードオフは、通常のシステムの不均衡と高調波電流に対する感度が高まることです。これには、長い単相タップの側線を備えた田舎のネットワークで負荷の不均衡による迷惑なトリップを回避するために、慎重な SEF リレーのしきい値設定と時間遅延の調整が必要です。中電圧ネットワークの中性点接地（効果的に接地されているか、共振接地（ピーターセンコイル）であるか、または絶縁された中性点であるか）は、地絡電流の大きさと適切な SEF リレー感度の両方を決定するため、裸の空中配電から絶縁された空中配電に移行する際に、保護理念の検討を接地システム構成と切り離すことができません。