現代の電力システムにおいて、高圧ケーブルは極めて重要な役割を果たしています。都市の地下送電網から山や河川を横断する長距離送電線まで、高圧ケーブルは電力の効率的、安定的、かつ安全な送電を支えています。この記事では、高圧ケーブルの構造、分類、製造プロセス、性能特性、設置、メンテナンスなど、高圧ケーブルに関連する様々な技術について詳しく解説します。
1.高圧ケーブルの基本構造
高電圧ケーブルは主に導体、絶縁層、シールド層、保護層で構成されています。
導体は電流の伝送経路であり、通常は銅またはアルミニウムで作られています。銅は優れた導電性と延性を備え、アルミニウムは比較的安価で軽量です。これらの導体は、柔軟性を高めるために、一般的に多芯撚線の形状をしています。
絶縁層は高電圧ケーブルの重要な部分であり、漏電を防ぎ、導体を外界から絶縁する役割を果たします。一般的な絶縁材料には、架橋ポリエチレン（XLPE）や油紙などがあります。XLPEは優れた電気特性、耐熱性、機械的強度を備えており、現代の高電圧ケーブルに広く使用されています。
シールド層は内シールドと外シールドに分かれています。内シールドは電界を均一化し、局所放電による絶縁層の損傷を防ぐ役割を果たします。外シールドは、ケーブルへの外部電磁場の干渉を低減し、ケーブルが外部に電磁影響を与えるのを防ぎます。
保護層は主に、機械的損傷、化学的腐食、浸水などの外的要因によるケーブルの損傷から保護します。通常、金属装甲と外被で構成されます。金属装甲は機械的強度を提供し、外被は防水性と防食性を備えています。
2. 高電圧ケーブルの分類
高圧ケーブルは、電圧レベルに応じて、中圧ケーブル（一般的に3～35kV）、高圧ケーブル（35～110kV）、超高圧ケーブル（110～500kV）、超高圧ケーブル（500kV以上）に分類されます。電圧レベルによって、ケーブルの構造設計や絶縁要件などが異なります。
絶縁材料の観点から見ると、前述のXLPEケーブルと油紙ケーブルに加え、エチレンプロピレンゴムケーブルもあります。油紙ケーブルは長い歴史がありますが、メンテナンスコストの高さなどの理由から、徐々にXLPEケーブルに置き換えられてきました。エチレンプロピレンゴムケーブルは柔軟性と耐候性に優れており、特殊な用途に適しています。
3. 高電圧ケーブルの製造工程
高電圧ケーブルの製造は複雑かつ繊細なプロセスです。
導体の製造には、まず銅またはアルミニウムの原材料を延伸、撚り合わせなどの工程を経て、導体の寸法精度と機械的特性を確保する必要があります。撚り合わせ工程では、導体の導電性を向上させるために、素線を密に配列させる必要があります。
絶縁層の押し出しは重要な工程の一つです。XLPE絶縁層では、XLPE材料を高温で押し出し、導体に均一に巻き付けます。押し出し工程では、温度、圧力、押し出し速度などのパラメータを厳密に制御し、絶縁層の品質と厚さの均一性を確保する必要があります。
シールド層は通常、金属線を編み込むか、金属テープで巻くことで作られます。内側シールドと外側シールドの製造工程は若干異なりますが、どちらもシールド層の完全性と良好な電気接続を確保する必要があります。
最後に、保護層の製造には、金属外装の敷設と外被の押出が含まれます。金属外装はケーブルにしっかりとフィットし、外被の押出は気泡やひび割れなどの欠陥のない滑らかな外観を確保する必要があります。
4. 高電圧ケーブルの性能特性
電気性能の観点から、高圧ケーブルには高い絶縁抵抗、低い誘電損失、そして優れた耐電圧性が求められます。高い絶縁抵抗は漏電を効果的に防止し、低い誘電損失は伝送時の電気エネルギー損失を低減し、優れた耐電圧性はケーブルが高電圧環境において安全に動作することを保証します。
機械的特性の観点から、ケーブルは十分な引張強度、曲げ半径、耐衝撃性を備えている必要があります。敷設および運用中、ケーブルは伸張、曲げ、外力による衝撃を受ける可能性があります。機械的特性が不十分な場合、ケーブルの損傷が発生しやすくなります。
熱性能も重要な要素です。ケーブルは動作中、特に高負荷運転時には発熱します。そのため、ケーブルは優れた耐熱性を備え、一定の温度範囲内で絶縁劣化などの問題なく正常に動作する必要があります。XLPEケーブルは比較的耐熱性に優れており、高温下でも長期間動作可能です。
5. 高電圧ケーブルの設置と保守
敷設工事においては、まずケーブル敷設経路が合理的かつ安全であることを確認するために、経路を計画する必要があります。敷設工程においては、ケーブルの過度な伸張、曲げ、押し出しを避けるよう注意する必要があります。長距離ケーブル敷設では、通常、ケーブルコンベアなどの敷設補助機器が使用されます。
ケーブルジョイントの製造は、敷設プロセスにおける重要な工程です。ジョイントの品質は、ケーブルの動作信頼性に直接影響します。ジョイントの製造には、ケーブルの被覆剥ぎ、洗浄、接続、絶縁が必要です。各工程は、ジョイントの電気的特性と機械的特性が要件を満たすことを保証するために、プロセス要件に厳密に従って実施する必要があります。
高圧ケーブルの長期安定運用には、保守作業が不可欠です。定期的な点検により、ケーブルの外観やシースの損傷を迅速に検出できます。同時に、ケーブルの絶縁性能や部分放電を試験するための試験装置も使用できます。問題が発見された場合は、速やかに修理または交換する必要があります。
6. 高電圧ケーブルの故障と検出
高電圧ケーブルの一般的な故障には、絶縁破壊、導体の断線、接合部の破損などがあります。絶縁破壊は、絶縁の劣化、部分放電、または外部からの過電圧によって引き起こされる可能性があります。導体の断線は、通常、機械的な外力または長期間の過負荷によって引き起こされます。接合部の破損は、接合部の製造工程の不良や、運転中の過度の加熱によって引き起こされる可能性があります。
これらの欠陥を検出するには、様々な検出方法があります。部分放電検出は一般的に使用されている方法です。ケーブル内の部分放電によって発生する信号を検出することで、ケーブル内部の絶縁欠陥の有無を判定できます。耐電圧試験はケーブルの耐電圧容量を検出し、潜在的な絶縁不良を発見することができます。さらに、赤外線サーモグラフィ技術はケーブル表面の温度分布を検出し、局所的な過熱などのケーブルの不具合の有無を判定することができます。
7.電力システムにおける高電圧ケーブルの応用と開発動向
電力システムにおいて、高圧ケーブルは都市電力網の変電所、大規模発電所の送電線、海底ケーブル送電などの分野で広く利用されています。都市電力網では、限られたスペースのため、地中ケーブルの使用はスペースを節約し、都市の景観を向上させることができます。大規模発電所の送電線では、遠方の変電所へ電力を送るために高圧ケーブルを使用する必要があります。海底ケーブル送電は海を越えた送電を実現し、島嶼部や沿岸地域に安定した電力供給を提供します。
電力技術の継続的な発展に伴い、高圧ケーブルにもいくつかの発展傾向が見られます。一つは、より高い電圧レベルのケーブルの研究開発と応用です。長距離送電の需要の増加に伴い、超高圧ケーブルの開発が焦点となります。二つ目はケーブルのインテリジェント化です。ケーブルにセンサーなどの機器を組み込むことで、ケーブルの動作状態をリアルタイムで監視し、故障を警告することで、ケーブルの動作信頼性を向上させることができます。三つ目は、環境に優しいケーブルの開発です。人々の環境保護に対する要求が高まるにつれて、低汚染でリサイクル可能なケーブル材料の研究開発は、今後の発展方向となるでしょう。
投稿日時: 2024年9月24日