35kV XLPEケーブルの故障原因と修復技術の包括的分析

1. ケーブル終端の欠陥による故障

ケーブルの端末部と接合部は絶縁の脆弱な部分であり、その設置品質は運用上の安全性に直接影響を及ぼします。電力会社による2023年の故障報告書の統計によると、端末部の故障の72%は、以下の問題に起因しています。

（１）ストレスコーンの設置不良
冷間収縮終端は、ストレスコーン構造を利用して電界分布を変化させ、シールド遮断点における電界強度を低減します。現場でよくある施工ミスには、以下のようなものがあります。
① ストレスコーンのずれが半導体カットオフポイントから5mmを超える（仕様要件：±2mm）ため、電界が歪み、局所的な電界強度が25kV/mmに達する（正常：≤12kV/んん）。
② 銅シールドのカットオフポイントの平滑化が不十分でバリが残り、先端放電が発生します（先端で測定された電界強度は 3 ～ 5 倍に増加する可能性があります）。
③ 設置時の引張速度が速すぎる（50mm/秒以下）と、ストレスコーンにしわが生じ、エアギャップが形成される（部分放電レベル10pC以下）。

（２）半導体層の不適切な取り扱い
ある製鉄所で発生した35kVケーブルの断線事故において、解剖の結果、主絶縁体表面に0.3mmの深さの傷跡が見つかりました（図2参照）。これは、半導体層の除去時にカッターナイフを急角度（約45°）で使用したことが原因です。GB50150では、半導体層の除去には専用の剥離工具を使用し、切断面に15°の緩やかな傾斜を付け、傷跡の深さは0.1mmを超えないことが明確に規定されています。

（３）シーリング・防水不良
雨量の多い地域の統計によると、端末の故障の43%は水分の浸入によるものです。典型的なエラーには以下のようなものがあります。
① トリプルシール工程（外被、銅シールド、半導体層）を遵守していない。
② シーリング材の厚さが不十分（2mm未満）で、定荷重スプリングの圧縮が不十分（圧縮は元の長さの1/3に達する必要があります）。
③ 冷収縮チューブとケーブル本体の隙間（隙間ゲージ検査では 0.05mm 以上の隙間がないことを確認してください）。

2. 主絶縁劣化のメカニズム

（１）電気トリーイングの老化
XLPE絶縁体は、局所的な電界強度が10kV/mmを超えると電気トリーの成長を引き起こす可能性があります。研究施設における加速劣化試験では、以下のことが実証されています。
① 気温が10℃上昇するごとに、樹木の成長率は2.3倍に増加します。
②水分が存在すると、樹木のチャンネルの伝播が3〜5倍加速します（水分含有量が0.02％の場合に顕著）。
③ 不純物粒子（>50µm）は電界集中を引き起こし、トリーの発生起点となりやすい。

（２）熱老化による故障
ケーブルに継続的に過負荷（定格電流の120%）がかかり、絶縁体温度が90°Cを超えると、XLPE分子鎖が切断されます。
① 酸化誘導時間（OIT）が30分から5分未満に短縮されます（イギリス/T 11026.1では20分以上が必要です）。
②誘電正接（tanδ）が0.002から0.01以上に上昇します（20℃で測定）。
③引張強度は25％以上低下し、破断伸びは40％減少します。

（３）累積的な機械的損傷
設置中によく発生する機械的損傷には次のようなものがあります。

• 曲げ半径が不十分です（単芯ケーブル：外径の20倍以上、多芯ケーブル：外径の15倍以上）。

• 過度の引っ張り張力（銅ケーブル：≤3kN、アルミニウム：≤2kN）。

• 修復されていない損傷した外側のシースにより、湿気が浸入します (半径方向の湿気浸透率: 約 0.1 んん/日)。

3. 外部環境要因の影響

（1）過電圧サージ
雷とスイッチングサージは重大な誘因となります。

• 直撃雷は最大 200kV を発生する可能性があり、これは 35kV ケーブルの定格インパルス耐電圧 32kV をはるかに超えます。

• 真空ブレーカーによる電流遮断により、相電圧の 3.5 倍に達する過電圧が発生する可能性があります。

• システムの単相接地故障時には、正常な相電圧が線間電圧（35kV システムの場合：60.6kV）まで上昇します。

（２）化学腐食
工業地帯での測定では、pH <4または>9の土壌では次のことが示されています。

• 外皮腐食速度は0.2mm/年（一般土壌：0.05mm/年）に達します。

• スチールテープによる外装は 5 年以内に穴が開き、湿気が断熱材に直接侵入する可能性があります。

• 微生物腐食による有機酸により、XLPE の絶縁強度は毎年 5% 低下します。

（３）温度サイクルストレス
屋外端末は日中の温度差（15°C）により周期的な熱膨張/収縮を経験します。

• 界面のせん断応力は 1.2MPa に達します (EPDM 材料の疲労限界を超えます)。

• シーリングコンパウンドに微小な亀裂が発生します (顕微鏡で観察すると最大 0.5 んん の深さ)。

• 金属アクセサリと絶縁物の間に 0.1 んん を超える隙間が生じ、部分放電が発生します。

故障診断・故障箇所特定技術

1. 障害の特性評価

1. （1）絶縁抵抗試験
   2500Vメガオームメーターの使用:
   • 相間絶縁抵抗 < 1000 MΩ または対地絶縁抵抗 < 500 MΩ の場合は重大な欠陥を示します。
   • 吸収率 (R60s/R15s) < 1.3 は湿気の浸入を示唆します。
   • 分極指数（R10min/R1min）< 2.0 は絶縁の劣化を示します。

2. （２）部分放電検出
   極超高周波（UHF）と超音波方式の併用：
   • 端末での放電量が 5 パソコン (1.73U₀で) を超える場合は、直ちに対処する必要があります。
   • 典型的な放電パターン：先端放電は散在したパルス振幅を示し、ボイド放電は規則的なパルスクラスターを示します。

3. （３）誘電損失係数（tanδ）測定
   10 kV試験電圧の場合：
   • 通常のケーブルの 日焼け δ < 0.005。値 0.01 は重大な絶縁劣化を示します。
   • 電圧の上昇とともにtan δが大幅に増加する場合（Δtan δ シーッ 0.002/kV）、欠陥の存在が示唆されます。

2. 高精度位置推定技術

1. （１）時間領域反射率測定法（TDR）による位置特定
   パルス反射計（最小分解能0.5 m）の使用：
   • 断層距離の計算式：L = v × t / 2（v = 波の速度、XLPEケーブルの場合は172 m/μs）。
   • 低抵抗故障（< 100 Ω）には低電圧パルス法を使用し、高抵抗故障には DC 高電圧フラッシュオーバー法を使用します。
   • 波形特性: 反射パルスの極性は入射パルスと反対 (低抵抗) または同じ (高抵抗)。

2. （２）音響磁気同期定位
   故障点にインパルス高電圧（U₀の3～5倍）を印加する：
   • 磁場信号はコイルを介して検出され、音響信号は圧電センサーを介して受信されます。
   • 時間差による局在：Δt = ΔS / v（v = 340 m/s）、局在誤差< 0.5 m。
   • 周囲の騒音が低い場合（夜間は 40 dB 未満）に最適です。ノイズキャンセリング ヘッドフォンの使用を推奨します。

3. （３）分散光ファイバー監視
   DTS (分散温度センシング) システムの使用:
   • 空間分解能：1 m、温度精度：±0.5°C。
   • 故障箇所での異常な温度上昇（正常箇所より5～10℃高い）。
   • 振動感知ファイバーと組み合わせることで、外部の損傷箇所を特定できます（振動周波数 5 Hz でアラームがトリガーされます）。

35kVケーブル故障修理技術仕様

1. ケーブル終端の再終端手順
35kV 冷収縮終端（モデル WLS-35/1×300）を例にとると、主な手順は次のとおりです。

（１）前処理段階

• ケーブルの矯正: 専用の矯正機 (2 ～ 3 kN の張力を適用) を使用して、直線度誤差が 1 ‰ 未満であることを確認します。

• 外装の剥離: 端から 550 んん のところでリングカットし、装甲を 30 んん 残し、外装の切断部分から 50 んん の領域を 80 番のサンドペーパーで粗くします。

• 銅シールド処理: 銅シールドを 20 んん 残し、いいえ. 0 サンドクロスを使用して切断部分を滑らかなアーク遷移 (R ≥ 2 んん) に研磨します。

（２）半導体層処理

• ストリップ長さ: 外側の半導体層を 15 んん 残し、専用のストリップナイフ (角度 15°) を使用してリングカットし、主な絶縁体を損傷しないように注意してください。

• 面取り: メイン絶縁端を 45 度の角度 (深さ 0.5 んん) で面取りし、半導体の切断エッジを丸めます (R = 1 んん)。

• クリーニング手順: 無水エタノール (純度 ≥ 99.7%) に浸した糸くずの出ない布を使用して一方向に拭き、100 んん ごとに布を交換します。

（３）ストレスコーンの設置

• シリコングリースの塗布：半導体カットオフから5mm以内に、厚さ0.2mmの専用シリコングリース（日焼け δ < 0.001）を塗布します。

• 位置決めマーク：半導体カットオフから75mmの位置に位置決めテープ（幅10mm）を巻き付けます。

• 冷間収縮操作: コアライナーを 50 んん/秒の一定速度で引っ張り、収縮中に端末を回転させないようにします。

（4）シーリング工程

• 三重防水：半導電性防水テープ（25% 重ね）、シーリング剤（厚さ 2mm 以上）、ステンレススチール製ハウジングを順に巻き付けます。

• 接地接続: 25mm²の銅ケーブルを使用し、定力スプリングの圧縮が元の長さの 1/3 に達し、結合間隔が 10mm 以下になるようにします。

• 相識別: 相色の熱収縮チューブ (黄色の相 A、緑の相 B、赤の相 C) を適用します (長さ 100 んん)。

2. 主な断熱補修技術
局所的な絶縁破壊（面積 < 5 cm²）の場合、特許技術（特許番号 ZL202210666205.8）を使用して修復します。

（１）断層点処理

• リングカット絶縁材：絶縁破壊点を中心にして、1:5 の傾斜でダンベル形の溝（直径 50 んん、深さ 20 んん）を作成します。

• 表面処理: 新しい絶縁材 (炭化層なし) が露出するまで、200 番のサンドペーパーで円周を研磨します。

• 清浄度チェック: 粒子カウンターを使用して、クラス 100 の清浄度 (0.5 μm 以上の粒子の場合、< 3500 粒子/m³) を確認します。

（２）ナノリペア液注入

• 材料比率: ナノSiO₂ (粒子サイズ 50nm) 15%、エポキシ樹脂マトリックス 75%、硬化剤 10% (重量比)。

• 真空脱気：-0.09 MPaで30分間処理して気泡を除去します（気泡径<5μm）。

• 加圧注入: 修復液の浸透深度が 10 んん 以上になるように、0.3 MPa の圧力を 2 時間かけて加えます。

（３）養生と仕上げ

• 段階硬化: 60°C/2 時間 + 80°C/4 時間 + 100°C/2 時間、局所的な過熱を避けてください (加熱速度 ≤ 5°C/分)。

• 表面仕上げ: ダイヤモンド研削ホイール (400 グリット) を使用して、元の絶縁材と面一になるように研磨します (偏差 < 0.1 mm)。

• シールドの修復: 0.1 んん 厚の銅テープを重ね巻きし (20% の重なり)、はんだでシールします (はんだ接合部の長さ ≥ 30 んん)。

3. 関節置換手術
ケーブルの途中に破壊箇所がある場合は、35kV プレハブストレートジョイント（モデル JLS-35/1×400）を使用して交換します。

（1）ケーブル前処理

• 切断された障害部分: サウンド ケーブルの両端を 1.5 m 残し、絶縁表面に傷がないことを確認します (渦電流探傷器で確認)。

• 導体接続: 圧縮金型 (六角形) を使用し、中心から外側に向かって圧縮します (圧縮係数 ≥ 0.9)。

• 絶縁ステップ：1:10 のテーパーステップ（長さ 50 んん）を作成し、表面粗さ ラ ≤ 0.8 μm にします。

（２）合同総会

• 半導体シールドの修復: 半導体テープ (幅 50 んん) を巻き付けて、元の半導体との確実な接触を確保します (接触抵抗 < 50 mΩ)。

• 断熱材コンポーネントの取り付け: プレハブ断熱材を 70°C に加熱し、スライドさせて 5kN の軸圧力を 30 分間加えます。

• 金属ハウジングシール: デュアル O リング (フッ素ゴム素材) を使用し、圧縮を 25% ～ 30% に制御します。

（３）シールドと接地

• 銅シールド結合: 35mm² の銅編組、ボルト接続 (トルク 25 N·m) を使用します。

• 接地システム：両端接地を採用し、接地線断面積は50mm²以上、接地抵抗は10Ω未満。

• 防錆処理：ハウジングにエポキシプライマー（乾燥膜厚80μm）+ポリウレタントップコート（乾燥膜厚120μm）を塗布します。

35kV XLPE ケーブルの絶縁破壊障害の予防と修復には、「まず予防、次に修復」の原則に従う必要があります。次の領域での管理を強化することが推奨されます。

• 材料管理: サプライヤーのホワイトリスト システムを確立し、冷間収縮終端の受入検査を実施します (誘電損失、部分放電、およびシール性能のテスト)。

• プロセスの最適化: 半導体層の剥離やストレスコーンの設置などの重要なプロセスを自動化するためにインテリジェント建設ロボットの使用を促進します。

• 状態監視: 15 年以上使用されているケーブルの絶縁診断 (誘電損失、tanδ、部分放電) を実施して、残存寿命を評価します。

• 緊急対応能力: 音響磁気探知機、高電圧試験車両、その他のツールを備えた専門の緊急修理チームを編成し、2 時間以内に障害箇所を特定し、24 時間以内に復旧できるようにします。

この記事で概説した技術的手法は、35kVケーブルの断線故障率を効果的に低減できます。この技術システムを導入した電力網会社は、2024年にケーブル故障の平均修理時間を48時間から12時間に短縮しました。今後、ナノ修復材料とインテリジェントモニタリング技術の進歩により、ケーブル修理は正確な位置特定、低侵襲修理、そして状態認識へと進化していくでしょう。