高電圧ケーブル

高電圧ケーブル( HVケーブル) は、高圧ケーブル( HT ケーブル)とも呼ばれ、高電圧での電力伝送に使用されるケーブルです。ケーブルには、導体と絶縁体が含まれます。ケーブルは完全に絶縁されていると見なされます。つまり、絶縁体、半導体層、金属シールドで構成される、定格が完全に満たされた絶縁システムを備えているということです。これは、絶縁体を含んでいても動作電圧が完全に定格されていない架空線( 例 : ツリーワイヤ ) とは対照的です。さまざまな種類の高電圧ケーブルは、計器、点火システム、交流(AC) および直流(DC) 電力伝送でさまざまな用途に使用されています。すべての用途において、ケーブルの絶縁体は、高電圧ストレス、空気中の放電によって生成されるオゾン、またはトラッキングによって劣化してはなりません。ケーブルシステムは、高電圧導体が他の物体や人と接触するのを防ぎ、漏れ電流を抑制および制御する必要があります。ケーブルジョイントと端子は、絶縁体の破壊を防ぐために高電圧ストレスを制御するように設計する必要があります。

高電圧ケーブルの切断長は数フィートから数千フィートまでさまざまで、比較的短いケーブルは装置に使用され、長いケーブルは建物内や工場内の埋設ケーブルとして、または配電用に使用されます。切断されるケーブルの最長の長さは、多くの場合、海底に敷設される電力伝送用の 海底ケーブルです。

他の電力ケーブルと同様に、高電圧ケーブルは、1つまたは複数の導体、絶縁システム、および保護ジャケットの構造要素を持っています。高電圧ケーブルは、導体の周りの電界を制御するために絶縁システムに追加の内部層がある点で低電圧ケーブルと異なります。これらの追加層は、導体間で2,000ボルト以上で必要です。これらの半導体層がないと、ケーブルは数分以内に電気的ストレスのために故障します。この技術は、1916年にMartin Hochstadterによって特許を取得しました。^[1]シールドはHochstadterシールドと呼ばれることもあり、シールドケーブルはHタイプケーブルと呼ばれていました。接地方式に応じて、ケーブルのシールドはケーブルの一端または両端で接地できます。ケーブルの中央のスプライスも、回路の長さと直接埋設回路に半導体ジャケットが使用されているかどうかに応じて接地できます。

1960 年以降、固体誘電体押し出しケーブルが配電市場を支配してきました。これらの中電圧ケーブルは、一般に EPR または XLPE ポリマー絶縁体で絶縁されています。EPR 絶​​縁体は、4 ～ 34kV のケーブルで一般的です。EPR は損失のため 35KV 以上では一般的に使用されませんが、69kV ケーブルでは使用されています。XLPE は、600V クラス以上のすべての電圧レベルで使用されます。EAM 絶縁体が販売されることもありますが、市場浸透率は依然としてかなり低いままです。EPR や XLPE などの固体押し出し絶縁ケーブルは、今日生産される配電ケーブルと送電ケーブルの大部分を占めています。ただし、初期の XLPE は信頼性が低かったため、送電電圧での採用は遅れました。今日では、330、400、500 kV のケーブルは XLPE を使用して構築されるのが一般的ですが、これはここ数十年のことです。

ますます一般的ではなくなった絶縁タイプは、PILCまたは紙絶縁鉛被覆ケーブルです。一部の電力会社は、配電回路の新設または交換用にこれを設置しています。セバスチャン・ジアーニ・デ・フェランティは、1887年に、慎重に乾燥および準備されたクラフト紙が11,000ボルトで満足のいくケーブル絶縁体を形成できることを初めて実証しました。それ以前は、紙絶縁ケーブルは低電圧の電信および電話回線にのみ使用されていました。紙が湿気を含まないようにするために、紙ケーブルの上に押し出し鉛シースが必要でした。質量含浸紙絶縁中電圧ケーブルは、1895年までに商業的に実用化されました。第二次世界大戦中、数種類の合成ゴムおよびポリエチレン絶縁体がケーブルに適用されました。 ^[2]現代の高電圧ケーブルは、絶縁用にポリマー、特に架橋ポリエチレン（XLPE）を含むポリエチレンを使用しています。

PILC の終焉は、都市部の電力会社が EPR および XLPE 絶縁ケーブルの設置を増やし始めた 1980 年代および 1990 年代に始まったと考えられます。PILC の使用が減少した要因は、鉛の接合に高度な職人技が必要であったこと、接合時間が長くなったこと、国内で製品が入手しにくくなったこと、環境および安全上の理由から鉛の使用を中止するよう圧力がかかったことなどです。また、ゴム絶縁鉛被覆ケーブルは、1960 年以前に低圧および中圧市場で短期間人気を博しましたが、ほとんどの電力会社では広く使用されませんでした。既存の PILC フィーダーは、ほとんどの電力会社で寿命が近づいていると考えられており、交換プログラムの対象となっています。

加硫ゴムは1844年にチャールズ・グッドイヤーによって特許を取得しましたが、ケーブル絶縁体として応用されたのは1880年代になって照明回路に使用されたときでした。^{[1]ゴム絶縁ケーブルは1897年に}ナイアガラフォールズ発電プロジェクトのために設置された11,000ボルト回路に使用されました。

オイル充填ケーブル、ガス充填ケーブル、パイプ型ケーブルは、1960 年代以降、ほとんどが時代遅れと見なされてきました。このようなケーブルは、ケーブルを流れるオイルの量が多いように設計されています。標準の PILC ケーブルにはオイルが染み込んでいますが、オイルはケーブルを流したり冷却したりするようには設計されていません。オイル充填ケーブルは、通常、鉛絶縁されており、リールで購入できます。パイプ型ケーブルは、通常鋼鉄製の剛性パイプに取り付けられる点で、オイル充填ケーブルとは異なります。パイプ型ケーブルでは、最初にパイプが構築され、その後、ケーブルが引き抜かれます。ケーブルには、引き抜きプロセス中の損傷を防ぐためにスキッド ワイヤが付いている場合があります。パイプ型ケーブルの断面積のオイル量は、オイル充填ケーブルよりも大幅に多くなっています。これらのパイプ型ケーブルは、公称低圧、中圧、高圧でオイル充填されています。電圧が高いほど、ケーブル絶縁体内で部分放電が発生する可能性のある空隙の形成を防ぐために、より高いオイル圧力が必要になります。パイプ型ケーブルには通常、電圧をかけて駆動する陰極保護システムがありますが、油入りケーブル回路にはそのようなシステムはありません。パイプ型ケーブル システムは、アスファルト コーティングによって破断から保護されることがよくあります。現在でも、こうしたパイプ型回路は数多く稼働しています。しかし、初期コストが高く、ポンプ プラント群を維持するために膨大な O+M 予算が必要であるため、人気が下がっています。

高電圧とは、1000ボルトを超える電圧のことです。^[3] 2～33kVのものは通常中電圧ケーブルと呼ばれ、50kVを超えるものは高電圧ケーブルと呼ばれます。

現代の高圧ケーブルは、導体、導体シールド、絶縁体、絶縁シールド、金属シールド、ジャケットといういくつかの部品で構成されたシンプルな設計になっています。その他の層には、防水テープ、リップコード、外装ワイヤなどがあります。銅線またはアルミニウム線が電流を運びます (図 1 の (1) を参照)。(銅ケーブルの詳細については、メイン記事「銅導体」を参照してください。 ) 絶縁体、絶縁シールド、導体シールドは、まれな例外を除いて、通常はポリマーベースです。

2000 KCM未満の単一導体設計は、一般的に同心です。個々のストランドは、より線プロセス中に変形されることが多く、全体の円周がより滑らかになります。これらは、コンパクト導体および圧縮導体として知られています。コンパクトでは導体外径が 10% 減少しますが、圧縮バージョンでは 3% しか減少しません。圧縮導体またはコンパクト導体を選択すると、接続時に別のコネクタが必要になることがよくあります。2000 KCM以上の伝送ケーブルには、表皮効果による損失を減らすために、セクター スタイルの設計が採用されていることがよくあります。ユーティリティ電力ケーブルは、導体温度が最大 75C、90C、および 105C で動作するように設計されることがよくあります。この温度は、構造標準とジャケットの選択によって制限されます。

導体シールドは、固体誘電体ケーブルの EPR または XLPE ケーブル絶縁体に常に恒久的に接着されています。半導体絶縁シールドは、購入者の希望に応じて接着または取り外しが可能です。電圧 69KV 以上では、絶縁シールドは通常接着されています。剥離可能な絶縁シールドは、接続時間とスキルを軽減するために購入されます。剥離可能な半導体は、中電圧での作業上の問題が少ないと言えます。^{[4]紙絶縁ケーブルの場合、半導体層は、導体と紙絶縁体の上に貼り付けられたカーボン含有テープまたは金属化テープで構成されています。これらの層の機能は、空気で満たされた空洞を防​​ぎ、金属導体と誘​​電体間の電圧ストレスを抑えて、小さな}放電が発生して絶縁材を危険にさらさないようにすることです。 ^[5]

絶縁シールドは、銅、アルミニウム、または鉛の「スクリーン」で覆われています。金属製のシールドまたはシースはアース層として機能し、漏れ電流を排出します。シールドの機能は障害を伝導することではありませんが、必要に応じてその機能を設計できます。使用できる設計には、銅テープ、同心銅線、縦方向の波形シールド、銅のフラット ストラップ、または押し出し鉛シースなどがあります。

ケーブル ジャケットはポリマー製であることが多いです。ジャケットの機能は、機械的保護を提供するとともに、湿気や化学物質の侵入を防ぐことです。ジャケットは、土壌条件や必要な接地構成に応じて、半導体または非導電性にすることができます。ジャケットの完全性テストに役立つように、ケーブルに半導体ジャケットを使用することもできます。ジャケットの種類には、LLDPE、HDPE、ポリプロピレン、PVC (市場の最低価格)、LSZH などがあります。

約半世紀をかけて開発された高電圧絶縁体では、2 つの特性が極めて重要であることが証明されました。まず、半導体層の導入です。これらの層は、数μmほどの突起さえなく、完全に滑らかでなければなりません。さらに、絶縁体とこれらの層との融合は完全でなければなりません。^[6]分裂、エアポケット、その他の欠陥 (これも数 μm の欠陥です) は、ケーブルに悪影響を及ぼします。次に、絶縁体に、介在物、空洞、または同様のサイズのその他の欠陥があってはなりません。これらのタイプの欠陥があると、30 年以上とされるケーブルの電圧寿命が短くなります。^[7]

ケーブルメーカーと材料メーカーの協力により、XLPE のグレードは厳しい仕様になっています。XLPE 化合物のほとんどの製造業者は、異物の数とサイズが保証されている「超クリーン」グレードを指定しています。ケーブル製造機では、原材料を梱包し、クリーンルーム環境内で荷降ろしする必要があります。プラスチックの押し出しと架橋のための押し出し機の開発により、欠陥のない純粋な絶縁体を製造するためのケーブル製造設備が実現しました。最終的な品質管理テストは、非常に高い感度 (5 ～ 10 ピコクーロンの範囲) を備えた高電圧 50 または 60 Hz の部分放電テストです。このテストは、出荷前にケーブルのすべてのリールに対して実行されます。^{[引用が必要]}

高電圧直流送電（HVDC）用の高電圧ケーブルは、図1に示すACケーブルと同じ構造です。物理的性質と試験要件は異なります。^{[8]この場合、半導体層（2）と（4）の滑らかさが最も重要です。絶縁体の清浄さは依然として不可欠です。半導体材料は、カーボンブラックを含むプラスチックXLPE（}架橋ポリエチレン）です。^[9]

多くのHVDCケーブルは、約100 kmを超える距離ではACが使用できなくなるため、 DC海底接続に使用されます。2021年現在、最も長い海底ケーブルは、ノルウェーと英国を結ぶ北海リンクケーブルで、長さは720 km（450マイル）です。

高電圧ケーブルの端末は、端部の電界を管理する必要があります。 ^[10]このような構造がなければ、図8に示すように、電界は接地導体の端部に集中します。

ここに示されている等電位線は、山岳地帯の地図上の等高線に例えることができます。これらの線が互いに近いほど、傾斜が急で危険（この場合は、絶縁破壊の危険）が大きくなります。等電位線は、天気図の等圧線にも例えることができます。線の密度が高いほど、風が強くなり、損傷の危険が大きくなります。等電位線を制御する（つまり、電界を制御する）ために、ストレスコーンと呼ばれる装置が使用されます（図9を参照）。^[11]応力緩和の要点は、シールド端を対数曲線に沿って広げることです。1960年以前は、ストレスコーンはケーブルの設置後にテープを使用して手作りされていました。これらはポットヘッドで保護されていました。ポッティング化合物/誘電体が金属/磁器本体の絶縁体の内側のテープ周囲に注がれたため、このように呼ばれています。 1960年頃、ケーブルの端に張られたゴムまたはエラストマー製の成形済み終端が開発されました。 ^[12]このゴム状の本体Rにはシールド電極が取り付けられており、等電位線を広げて低電界を保証します。

1964年にデルフトのNKFによって発明されたこの装置^[13]の核心は、弾性体の内径がケーブルの直径よりも狭いことです。このようにして、ケーブルとストレスコーンの間の（青い）界面に機械的な圧力がかかり、ケーブルとコーンの間に空洞や空気ポケットが形成されなくなります。このようにして、この領域での電気的な破壊が防止されます。

この構造は、屋外で使用するために磁器またはシリコン絶縁体で囲むこともできるし、 ^{[14]油下の}電力変圧器やガス圧下の配電装置にケーブルを入れるための装置で囲むこともできる。 ^[15]

2本の高電圧ケーブルを相互に接続すると、2つの主な問題が生じます。まず、ケーブル端末の作成と同様に、両方のケーブルの外側の導電層を電界集中を起こさずに終端する必要があります。 ^[16]次に、切断されたケーブル絶縁体と2本の導体のコネクタを安全に収容できる電界のない空間を作成する必要があります。^[17]これらの問題は、 1965年にデルフトのNKFによってバイマンシェットカフと呼ばれるデバイスが導入されることで解決されました。 ^[18]

図 10 は、このようなデバイスの断面写真です。この写真の片側には、高電圧ケーブルの輪郭が描かれています。ここで、赤はケーブルの導体、青はケーブルの絶縁体を表します。この写真の黒い部分は半導体ゴム部品です。外側の部分はアース電位にあり、ケーブル端末と同様に電界を拡散します。内側の部分は高電圧にあり、導体のコネクタを電界から保護します。

図 11 に示すように、磁場自体は方向転換され、等電位線はケーブルの内側からバイマンシェットの外側部分へとスムーズに導かれます (デバイスの反対側ではその逆になります)。

ここでの重要な点は、ケーブル端末と同様に、このバイマンシェットの内径がケーブル絶縁体の直径よりも小さく選ばれていることです。^[19]このようにして、バイマンシェットとケーブル表面の間に恒久的な圧力が生成され、空洞や電気的な弱点が回避されます。

ターミナルカフまたはバイマンシェットカフの取り付けは熟練した作業です。ケーブルの端にある外側の半導体層を除去し、電界制御体を配置し、導体を接続するなどの技術的な手順には、熟練度、清潔さ、および精度が求められます。

手作業でテープを貼るジョイントは、ケーブルを接合して終端処理する昔ながらの方法です。このジョイントの構築には、数種類のテープを使用し、適切な応力緩和を手作業で構築する必要があります。使用されるテープには、ゴムテープ、半導体テープ、摩擦テープ、ニスを塗ったキャンブリックテープなどがあります。この接合方法は、信じられないほどの労力と時間がかかります。構築する層の直径と長さを測定する必要があります。多くの場合、接合部に窓や空隙ができないように、テープを半分重ねてしっかりと引っ張る必要があります。手作業でテープを貼った接合の防水は非常に困難です。

プレモールドジョイントは、2 段階以上で作成された射出成形ボディです。自動化により、ファラデーケージはテープジョイントでは実現できない正確な形状と配置になります。プレモールドジョイントには、ケーブルセミコンの外径に合わせる必要のあるさまざまなボディサイズがあります。防水性を確保するには、タイトなジョイントインターフェイスが必要です。これらのジョイントは押し付けられることが多く、職人の軟部組織に損​​傷を与える可能性があります。

熱収縮ジョイントは、絶縁性および導電性のさまざまな熱収縮チューブで構成されています。これらのキットは、テーピングよりも手間がかかりませんが、プレモールドよりは手間がかかります。マンホールや建物の金庫室に裸火を置くことには懸念があります。また、トーチを使用する場合は、チューブを焦がさずに完全に回復させる必要があり、使用したマスチックは空隙に流れ込んで空気を排除する必要があるため、職人技の問題もあります。十分な時間と熱を与える必要があります。また、ジョイントの中心に対して正しい順序と位置に配置する必要があるコンポーネントも多数あります。

コールドシュリンクは、最新のジョイントファミリーです。そのアイデアは、ポリマーチューブをケーブルに適した直径に形成することです。次に、工場でフォーム上で拡張し、ホールドアウトチューブ上に配置します。その後、設置の準備が整うと、ジョイントはケーブル端に非常に簡単に滑り込みます。コネクタを取り付けた後、スプライサーはジョイント本体を中央に配置し、ホールドアウトを解放するだけです。チューブは自動的に元のサイズに戻ります。唯一の問題は、コールドシュリンクの保存期間が約 2 ～ 3 年であることです。その期間が過ぎると、ゴムは形状を記憶し、意図したサイズまで回復しません。推奨日までに設置しないと、ジョイントが故障する可能性があります。ユーティリティの観点からは、在庫を追跡したり、重要な顧客のために緊急スペアを保持したりすることが困難になります。コールドシュリンクは、配電スプライスのより急速に成長している分野であり、最も短い設置時間で職人技の問題が最も少ないと考えられています。

X線ケーブル^[20]は、数メートルの長さで、高電圧源とX線管または科学機器内の他の高電圧装置を接続するために使用されます。これらのケーブルは、30～200kV、場合によってはそれ以上の直流電圧で、ミリアンペア単位の小電流を伝送します。ケーブルは柔軟性があり、ゴムまたはその他のエラストマー絶縁体、撚線導体、編組銅線の外装を備えています。構造は他の高電圧電力ケーブルと同じ要素を備えています。

固体誘電体または紙絶縁を考慮すると、ケーブル絶縁不良の原因は異なります。したがって、ケーブルが完全に機能していることを証明したり、不良ケーブルを検出したりするためのさまざまなテストおよび測定方法があります。紙ケーブルは主に DC 絶縁抵抗テストでテストされますが、固体誘電体ケーブル システムで最も一般的なテストは部分放電テストです。ケーブル テストとケーブル診断を区別する必要があります。

ケーブルのテスト方法では合格/不合格の判定が出ますが、ケーブル診断方法ではケーブルの現在の状態を判断できます。一部のテストでは、故障する前に絶縁体の欠陥の位置を特定することも可能です。

場合によっては、電気トリー（水トリー）はタンジェントデルタ測定によって検出できます。測定結果を解釈することで、新しいケーブルと水トリーが強く発生したケーブルを区別できる可能性があります。残念ながら、誤って高タンジェントデルタとして現れる問題は他にもたくさんあり、固体誘電体の欠陥の大部分はこの方法では検出できません。絶縁体の損傷と電気トリーは、部分放電測定によって検出され、その場所が特定される場合があります。測定手順中に収集されたデータは、受け入れテスト中に収集された同じケーブルの測定値と比較されます。これにより、テストされたケーブルの誘電状態を簡単かつ迅速に分類できます。タンジェントデルタと同様に、この方法には多くの注意点がありますが、工場テスト基準に厳密に準拠していれば、現場での結果は非常に信頼できます。

• 電力伝送
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• 電源ケーブル
• VLFケーブルテスト

クルーガー、フレデリック H. (1991)。工業用高圧。 Vol. 1. デルフト大学出版局。ISBN 90-6275-561-5。

クルーガー、フレデリック H. (1991)。工業用高圧。 Vol. 2. デルフト大学出版局。ISBN 90-6275-562-3。

Kuffel, E.; Zaengl, WS; Kuffel, J. (2000).高電圧エンジニアリング(第 2 版). Butterworth-Heinemann/Newnes. ISBN 0-7506-3634-3。

ウィキメディア・コモンズには、高電圧ケーブルに関連するメディアがあります。

• 中電圧および高電圧ケーブルのタンデルタ測定 2013-04-12 にWayback Machineでアーカイブ
• 部分放電測定による電気樹木の検出と位置特定 Archived 2011-03-24 at the Wayback Machine
• 200kV高電圧ケーブルのオンサイトAC耐圧試験