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業界の知識

電圧クラスが電力ケーブルの構造を徹底的に決定する方法

電圧分類は、単一の最も重要な設計パラメータです。 電源ケーブル そして、導体、絶縁体、シールド、ジャケットなど、あらゆる層での構造上の決定を推進します。電力ケーブルは、低圧（LV、1kVまで）、中圧（MV、1kV～35kV）、高圧（HV、35kV以上）に大別されます。電圧クラスが上がるごとに、単に絶縁壁の厚さを増やすだけではない、建設上の要件が求められます。

低電圧レベルでは、主な絶縁機能は、通電された導体との接触を防止し、存在する適度な電界勾配に耐えることです。 0.6/1 kV 定格ケーブルには、0.7 ～ 1.0 mm の PVC および XLPE 絶縁壁で十分です。この電圧での電界分布は比較的均一であり、フィールドグレーディング層は必要ありません。しかし、中電圧ケーブルは電界強度の下で動作し、導体表面の不規則性 (素線の端、表面の酸化、微細な突起) での電界集中により、時間の経過とともに絶縁体を侵食する部分放電が発生する可能性があります。これが、MV ケーブルが導体スクリーンを必要とする理由です。導体上に直接適用される半導体化合物の層で、絶縁体に連続した均一な等電位面を提供することで電場を平滑化します。断熱材の外面上の対応する断熱スクリーンは、断熱材とシールドの境界面で同じ機能を果たします。

MV ケーブルの絶縁スクリーンは、終端方法に応じて接着 (剥離不可) または半接着 (剥離可能) にする必要があります。非剥離性スクリーンには、絶縁表面に傷を付けないように、ケーブル端に切断工具と慎重な技術が必要です。剥離可能なスクリーンでは、半導体層をきれいに剥がすことができますが、スクリーンと断熱材の境界での湿気の侵入を防ぐために管理する必要がある明確な界面が導入されます。 15 kVを超える電圧では、絶縁スクリーン上の金属スクリーンがケーブルの全容量性充電電流を流す必要があり、これは長いケーブル配線では重要になります。これは、障害電流要件とは無関係にスクリーン導体の断面積を決定する要因です。

中電圧電力ケーブル用途における XLPE と EPR 絶縁の比較

高圧用 電源ケーブル 架橋ポリエチレン (XLPE) 絶縁体とエチレン プロピレン ゴム (EPR) 絶縁体の選択は、最も重要な材料決定の 1 つであり、価格のみに基づいて決定されることが多く、要求の厳しい環境では一貫して性能の不一致が生じます。各材料は、特定の用途条件に対応する真に異なる性能プロファイルを持っています。

2 つの材料間の実用上最も重要な違いは、耐水トリー性です。水トリーは、湿気および交流電場ストレスの存在下でポリエチレンベースの絶縁体を通って伝播する樹枝状の分解チャネルです。標準の XLPE は、湿式または直接埋設の設置で 10 ～ 20 年の使用期間にわたって水トリー現象の影響を受けやすくなります。樹木の発生を抑制する添加剤を含む難樹性 XLPE (TR-XLPE) コンパウンドが入手可能であり、公共配電ケーブルで広く使用されていますが、コストがかかり、メーカーは特定のコンパウンド配合物を調達して認定する必要があります。 EPR は、根本的に異なる分子構造と透湿特性を備えたゴム化合物であり、添加剤を追加しなくても本質的に耐水トリー性を備えています。直接埋設、浸水した導管、または海底用途に設置されたケーブルの場合、EPR の耐湿性により、コストに関係なく、技術的に正しい選択となります。

XLPE は誘電率が低いため、負荷が接続されていない場合でも流れる容量性充電電流は誘電率に比例するため、中電圧および高電圧での長いケーブル配線での伝送効率が向上します。充電電流がケーブルの熱電流容量の重要な部分を表すケーブル システム (通常、33 kV で 10 ～ 15 km を超えるケーブル) では、XLPE の低い εr が使用可能な耐荷重容量に直接変換されます。

電力ケーブルの外装選択: スチール ワイヤ、スチール テープ、アルミニウム ワイヤの比較

電力ケーブルが設置応力（引っ張り張力、埋め戻しによる圧縮、掘削機械からの衝撃、または長いスパンにわたる支持構造にかかるケーブルからの圧力）に耐える必要がある場合には、外装による機械的保護が必ず必要です。外装タイプの選択は、機械的性能だけでなく、仕様段階では見落とされがちなケーブルの AC 電気的動作、重量、耐食性にも影響します。

スチールワイヤーアーマー(SWA)

鋼線装甲は、外側ジャケットの下の被覆層の上に螺旋状に適用された個々の亜鉛メッキまたはステンレス鋼線で構成されています。 SWA は、あらゆる装甲タイプの中で最も高い引張強度を提供するため、設置中に大きな軸方向の引っ張り力を受けるケーブル (長距離にわたって導管を通して引っ張られるケーブルや、設置張力を受ける海底ケーブルなど) に最適です。ワイヤーの本数と直径は、目標の破断荷重を達成できるように選択されます。大型電力ケーブルの場合、50 ～ 200 kN の SWA 破壊荷重が達成可能です。ただし、単芯 AC 電源ケーブルの鋼線外装は重大な磁気損失メカニズムを生み出します。外装は電流が流れる導体の周囲に閉磁気回路を形成し、外装ワイヤ内の誘導電流により熱が発生します。単芯ケーブルでは、SWA 損失が導体損失の 30 ～ 50% に達する可能性があり、実効電流容量が大幅に減少します。このため、導体断面積が約 70 mm² を超える単芯 AC ケーブルには、スチールの代わりにアルミニウム ワイヤ アーマー (AWA) を使用する必要があります。

スチールテープアーマー(STA)

スチールテープ装甲は、反対方向に適用された 2 つの重なり合ったスチールテープを使用して、半径方向の圧縮抵抗と粉砕力に対する保護を提供します。 STA は SWA より軽量で経済的ですが、引張強度は最小限です。引っ張り設置には対応しておらず、軸方向の荷重がかかると解凍されます。 STA は、偶発的な衝撃やげっ歯類の攻撃に対する機械的保護が主な関心事であるが、重大な引っ張り張力が予想されない、安定した地面に直接埋設されたケーブルに適しています。また、テープ・オン・テープ構造では、ワイヤーアーマーよりも被覆範囲が均一ではないため、テープ層の間に螺旋状の隙間が残り、そこに集中した衝撃力が侵入する可能性があります。

アルミワイヤーアーマー（AWA）

アルミニウム ワイヤ アーマーは、引張性能において SWA と機械的に同等です (アルミニウムの低い引張強度を補うためにワイヤ直径がわずかに大きくなります) が、単芯 AC ケーブルの磁気損失の問題を解消します。アルミニウムは非磁性であるため、AWA は導体の周囲に磁気回路を形成せず、重大な誘導電流損失を生成しません。また、AWA は SWA よりも大幅に軽量であり、アルミニウムの密度は鋼鉄の約 3 分の 1 であるため、大規模な設置における設置重量とケーブルを引く労力が軽減されます。トレードオフは、化学的に攻撃的な土壌環境での耐食性です。酸性土壌や電気化学的活動のある地域では、アルミニウム製装甲には堅牢な床材とオーバーシース保護が必要です。その場合、アルミニウム製装甲と接触する鋼構造の間の電解腐食が、装甲劣化の加速を引き起こす可能性があります。

短絡電流定格: 電源ケーブルの短絡電流定格の意味と計算方法

すべての電源ケーブルには 2 つの異なる電流定格があり、設置する場合は両方とも満たす必要があります。通常動作時の連続電流定格 (電流容量) と、障害状態時の短絡電流定格です。簡素化されたケーブル選択プロセスには短絡定格が含まれていないことがよくありますが、設置場所で予想される故障電流に耐えられないケーブルは、最初の故障イベントで焼損し、火災、機器の損傷、および人的危険を引き起こす可能性があります。

短絡電流定格は、断熱加熱の仮定に基づいて計算されます。短い故障期間中 (通常、保護装置が故障を解消するまでの 0.1 ～ 3 秒)、絶縁体または周囲の媒体に意味のある熱を伝達する時間が不十分であるため、基本的にすべての故障エネルギーが導体を加熱します。断熱温度上昇方程式は、許容短絡電流 (I)、導体断面積 (S)、故障期間 (t)、および導体の材料定数を関連付けます。

障害時の許容ピーク導体温度は絶縁材料によって制限されます。XLPE および EPR では最大 250°C の短絡導体温度 (最大連続動作時の開始温度 90°C から) が許容されますが、PVC 絶縁ケーブルは導体の断面積に応じて 160°C または 140°C に制限されます。これらの制限が存在するのは、たとえ導体自体が生き残っていたとしても、制限を超えると、溶解、炭化、または機械的完全性の損失など、不可逆的な絶縁損傷が発生するためです。 IEC 60364-5-54 および IEC 60949 規格は、さまざまな絶縁システムを備えた銅およびアルミニウムの導体に特定の定数を提供します。

短絡定格の重要かつ見落とされがちな側面は、供給点ではなく、ケーブルの設置点で予想される最大故障電流に対して検証する必要があることです。予想故障電流は、介在するケーブルと変圧器のインピーダンスにより、電源からの距離が離れるにつれて減少します。変圧器から 200 メートル離れたケーブルでは、変圧器の端子のケーブルよりも故障電流が低くなり、より離れた場所での短絡要件を満たすために断面積を小さくすることができます。システム全体に 1 つの保守的な値を適用するのではなく、各ケーブル セグメントでこの計算を実行すると、導体断面積の要件と全体の設置コストを大幅に削減できます。

ハロゲンフリー難燃性電力ケーブル: 必要とされる場所と規格の実際のテスト内容

ハロゲンフリー難燃性 (HFFR) または低煙ハロゲンフリー (LSHF/LS0H) ケーブル仕様は、建設およびインフラストラクチャ プロジェクトでますます一般的になってきていますが、この仕様は、指定の背後にあるテストで何を測定するのか、何を測定しないのかを十分に理解せずに適用されることがよくあります。

標準の PVC 絶縁ケーブルは、燃焼すると PVC 化合物中の塩素が燃焼生成物と反応して塩化水素 (HCl) ガスを放出します。 HCl は腐食性があり、人体に有毒な濃度よりはるかに低い濃度であっても電子機器に損傷を与えます。トンネル、船舶、データセンター、地下交通システムなどの閉鎖空間では、ケーブルの燃焼から放出される HCl が空間全体の電子システムを破壊し、火災発生後数か月間環境を腐食させる可能性があります。 HFFR コンパウンドは、PVC を、金属水酸化物難燃性充填剤 (通常はアルミニウム三水和物または水酸化マグネシウム) を含むポリオレフィンベースの材料に置き換えます。この材料は、加熱時に水蒸気を放出し、酸性ガスを生成することなく燃焼ゾーンを冷却します。

HFFR ケーブルの性能を管理する主な規格には次のものがあります。

• IEC 60332-1 (単一ケーブルの火炎伝播): 定義された炎を 60 秒間当てたときに 1 本のケーブルが自然に消えるかどうかをテストします。これは、あらゆる難燃剤を含む事実上すべてのケーブルが通過できる最小しきい値です。このテストに合格しても、グループ化されたケーブルを使用した実際の設置環境でのパフォーマンスが示されるわけではありません。
• IEC 60332-3 (グループ化されたケーブルの火炎伝播 — カテゴリ A、B、C、D): ラダートレイに取り付けられたケーブルの束を、規定の炎の下で 20 分間テストします。カテゴリ A は、設置されるケーブルの量が最も多く (1 メートルあたり 7 リットル)、要求が最も厳しいものです。カテゴリ A IEC 60332-3 に合格することは、実際のケーブル トレイ設置における火炎伝播性能の有意義な指標です。
• IEC 60754-1 および -2 (ハロゲン含有量): 酸性ガスの放出と燃焼ガスの pH をテストします。 IEC 60754-2 に適合するケーブルは、燃焼試験で pH が 4.3 以上、導電率が 10 μS/mm 未満であり、ハロゲン含有量が低いことが確認されています。これは、HFFR を標準の難燃性 PVC ケーブルと区別するテストです。
• IEC 61034 (煙密度): 3m × 3m × 3m の試験室内で燃焼したケーブルサンプルからの煙を通した光の透過率を測定します。最低 60% の透過率が低煙指定の閾値であり、建物火災時の避難視認性に関連します。

重要なニュアンスは、「難燃性」と「ハロゲンフリー」は独立した特性であり、特定のケーブルに組み合わされる場合と組み合わされない場合があるということです。ケーブルは、特に難燃性を持たずにハロゲンフリーにすることもできます (難燃性フィラーを含まない純粋なポリオレフィン)、またはハロゲンフリーでなく難燃性を持たせることもできます (標準 FR-PVC)。 LSHF または HFFR を指定するには、両方の特性を同時に必要とします。これらの用語は市場全体で統一的に定義されていないため、調達文書では、ラベル表示のみに依存するのではなく、合格する必要がある特定の IEC テスト規格を参照する必要があります。

カスタム電源ケーブル設計: アプリケーション要件を構造仕様に変換

カスタム電源ケーブルの調達は、定格電圧や導体断面積の指定をはるかに超える要件定義から始まります。適切に指定されたカスタム電源ケーブルは、相互に依存する 6 つのパラメータ グループをカバーします。各パラメータ グループは、メーカーが利用できる設計スペースを制限します。

• 電気的パラメータ: システム電圧 (U0/U)、意図した設置条件での最大連続電流 (自由空気電流容量ではない)、予想される短絡電流と障害解除時間、および中性点のサイジングに影響を与える高調波成分などの電力品質の制約。
• 機械的設置条件: 設置方法 (直接埋設、電線管、ケーブル トレイ、空中、潜水艦)、設置中の引張り張力、最小曲げ半径、設置後にケーブルが連続的に動くかどうか、電線管の充填率やケーブル トレイの荷重制限によって課せられる重量または直径の制約。
• 環境暴露: 周囲温度範囲、湿度と水への曝露、UV曝露の継続時間と強度、化学的接触（特定の物質を列挙）、埋設ケーブルの土壌抵抗率（電流容量と腐食保護要件の両方に影響する）、げっ歯類の攻撃からの保護が必要かどうか。
• 防火性能要件: 設置に火炎の広がりの制限 (IEC 60332 カテゴリ)、火災時の回路の完全性 (IEC 60331 - 非常用電源など、火災中に機能し続ける必要があるケーブル用)、酸性ガスの制限 (IEC 60754)、または煙密度の制限 (IEC 61034) が必要かどうか。
• 規制および認証要件: ケーブルはどの国または地域の規格 (IEC、BS、UL、CSA、GB/T) を満たす必要があるか、また、同様の基準ケーブルではなく注文された特定の構造に対して、認定された試験機関からの第三者認証が必要かどうか。
• 期待耐用年数: 設計寿命が 20 年、30 年、または 40 年であるかどうかは、断熱材の選択 (XLPE の熱劣化率と EPR)、および設計を検証するために必要な加速劣化試験のレベルに影響します。インフラストラクチャ用途のケーブルは多くの場合、耐用年数 40 年に指定されており、これには長期の熱安定性を示す絶縁材料の系統データが必要です。

6 つのパラメータ グループすべてが定義されると、メーカーは個々の要素を過剰に設計することなく、それぞれの制約を満たす構造を開発できます。ある分野で過剰な仕様を示しながら、別の分野で過小な仕様を指定することは、カスタム ケーブルの調達でよくある間違いです。最大の引張強度を実現する外装を指定しながら、化学物質への曝露環境を省略した購入者は、記載されているすべての仕様を満たしているにもかかわらず、酸性の工業用土壌で 3 年以内に腐食する鋼製外装ケーブルを受け取る可能性があります。

高圧電力ケーブルのスクリーン接着方法とその損失と安全性への影響

中電圧電力ケーブルの金属製のスクリーンまたはシースには 2 つの目的があります。1 つは容量性充電電流と故障電流の戻り経路を提供し、もう 1 つはケーブルの外側の電界をほぼゼロに制限して人員と隣接する機器を保護することです。ケーブルの終端と接合部でスクリーンをどのように接着するか (スクリーン接着方法) は、ケーブル システムの発熱、電流容量、作業員の安全に大きな影響を与えますが、過小評価されがちです。

一点接合システムでは、ケーブル シールドの一端のみがアースに接続され、反対側の端はフローティング状態になります (またはサージ保護デバイスを介してアースに接続されます)。これにより、固体接合システムにおけるスクリーン損失の主な原因である循環電流がスクリーンを流れることが防止され、スクリーン内の I²R 損失がなくなるため、固体接合と比較してケーブルの電流容量を 10 ～ 30% 増加させることができます。トレードオフとして、通常の負荷では、接地端から非接地端までスクリーンに沿って電圧が増加します。この「誘導シース電圧」は、ケーブルの長さ、負荷電流、および相間の間隔とともに増加するため、実稼働中に接地されていないスクリーン端に接触する可能性のある人員にとって安全な限度内にあることを確認するために計算する必要があります。長いケーブル システムの場合、開放端の誘導電圧は全負荷時に数百ボルトに達する可能性があるため、スクリーン端へのアクセスを慎重に管理し、スイッチング過渡現象や障害状態時の過電圧を防ぐためにサージ電圧リミッターを使用する必要があります。

クロスボンディングは、3 つのほぼ等しい小さなセクションに分割された長いケーブル システムで使用されます。ケーブルの 3 つの相のスクリーンは、各マイナー セクションのジョイントで置き換えられます。つまり、A 相のスクリーンは B 相のスクリーンに、B 相は C 相に、C 相は A 相に接続されます。そのため、3 つのマイナー セクションにわたって、各スクリーンには各相からの正相電圧寄与の 3 分の 1 が表示されます。セクションの長さが等しい場合、3 つのスクリーンセグメントの誘導電圧はほぼ完全に相殺され、その結果、循環スクリーン電流はほぼゼロになり、主要セクションの端では誘導電圧はほぼゼロになります。クロスボンディングは、シングルポイントボンディングの低損失の利点と固体ボンディングの低い定常電圧の利点を組み合わせたもので、11 kV 以上で約 500 メートルを超えるケーブル回路に推奨される方法です。これには、設置のより複雑な設置 (各接合部に 1 つではなく 6 つのスクリーン接続) と、設計中のセクションの長さの慎重な均等化が必要です。