交流と直流：電流の種類がケーブル設計に与える影響

電気は主に2つの形態で伝わります。交流（AC）そして直流（DC）交流（AC）は常に方向が反転する（1秒間に50回または60回）のに対し、直流（DC）は一定方向に流れます。ケーブルはただのケーブルだと思うかもしれませんが、電流の種類によってケーブルの設計は大きく異なります。導体自体から絶縁体、シールドに至るまで、エンジニアは交流システムと直流システムで全く異なる選択をします。この記事ではその理由を説明します。

1. 根本的な違い：定常状態と脈動状態

直流ケーブルでは、電子は一定の単方向速度で移動します。電流密度は導体の断面全体で均一です。交流ケーブルでは、電子は前後に振動します。この変化する磁場がスキン効果そして近接効果―ワシントンDCには存在しない現象。

これらの効果により、交流電流は導体の断面全体ではなく、主に表面付近を流れるようになる。これは、導体の構造を根本的に変える必要があることを意味する。

2．表皮効果：交流ケーブルに細い導線が必要な理由

スキン効果高周波交流電流が導体の外面に集中する傾向のことである。50/60Hzでは、その影響は小さいものの無視できない。特に太い導体では顕著である。

DCの場合、太い銅棒を使用できます。ACの場合、太い銅棒では内部の材料が無駄になります（電流がほとんど流れないため）。代わりに、ACケーブルでは撚り線導体– 個別に絶縁された多数の細い撚り線。これにより表面積が増加し、表皮効果による損失が低減されます。非常に大きな交流ケーブルでは、ミリケン建設（絶縁され、転置された）ストランドにより、表皮効果をさらに軽減する。

一方、直流ケーブルは、単線導体でも太い撚り線導体でも、何ら問題なく使用できる。

3. 近接効果：ケーブルが密集している場合

交流ケーブルが互いに接近して敷設されると、隣接する導体の磁場が電流を各導体の反対側に押し出す。近接効果これにより、特にケーブルが密集している場合、抵抗と発熱が増加します。

直流システムでは、磁場が一定であるため、近接効果は存在しない。

近接効果に対処するため、ACケーブルの設計者は以下の対策を講じています。

• ケーブル間の間隔を適切に保つ。

• 三相システムでは、位相の転置を利用する。

• 相互インダクタンスを最小限に抑える導体撚り線パターンを選択してください。

大電流交流バスバーの場合、中空構造になっているか、複数の薄い積層板に分割されていることが多いが、直流ではこのような設計は必要ない。

4. 絶縁ストレス：直流と交流

絶縁体は電圧に耐え、破壊されてはならない。しかし、交流と直流では絶縁体にかかる負荷が異なる。

• AC電圧は正のピークから負のピークへと変化します。絶縁体は両方向からストレスを受けます。誘電損失（絶縁体の発熱）が発生し、特に高周波の場合や極性材料（紙、一部のポリマーなど）を使用した場合に顕著になります。

• ワシントンDC電圧は安定しています。極性反転による誘電損失はありません。ただし、絶縁体内部に空間電荷が時間とともに蓄積され、局所的な電界増強を引き起こす可能性があります。

のために高電圧直流（HVDC）ケーブルの絶縁体は、多くの場合架橋ポリエチレン（XLPE）または大量含浸紙―空間電荷の蓄積が少なく、直流絶縁耐力が高い材料が選ばれています。交流ケーブルも同様の材料を使用しますが、直流では関係のない誘電正接（tan δ）も考慮する必要があります。

興味深いことに、交流定格のケーブルは、直流定格が交流実効値定格の1.5～2倍と、より高い場合があります。これは、交流のピーク電圧にはすでに安全マージンが含まれているためです。しかし、これは単純なルールではなく、絶縁体は特定の直流ストレスに対して適合している必要があります。

5. 磁場と遮蔽

交流ケーブルは時間とともに変化する磁場を発生させます。この磁場は次のような効果をもたらします。

• 近くの金属製品に電流を誘起する（発熱、損失）。

• 隣接する信号ケーブルに干渉する（電磁干渉 – EMI）。

これを制御するには、ACケーブルは多くの場合、スクリーニング電界を封じ込めるために（銅テープやワイヤー編組など）が用いられる。三相交流ケーブルはしばしば非磁性渦電流加熱を避けるため、材料（アルミニウム）を使用する。

DCケーブルは静的磁場は、静止物体に電流を誘導せず、干渉もほとんど引き起こしません。そのため、直流ケーブルは一般的に磁気シールドを必要としません。ただし、磁気コンパスや高感度機器の近くに敷設すると、影響を与える可能性があります。

6. 鎧と金属製鞘

交流ケーブルの場合、金属製の外装や被覆は慎重に取り扱う必要があります。

• 鋼線装甲（SWA）装甲が非磁性（アルミニウム）またはケーブルが3芯構造になっているため、磁場が相殺される。単芯交流の場合、渦電流によって鋼鉄製の外装が過熱する。

• アルミニウム線装甲（AWA）シングルコアACにはこちらが推奨されます。

直流ケーブルの場合、鋼鉄製の外装は渦電流や発熱がなく、非常に効果的です。これにより、鉄道、太陽光発電所、高圧直流送電（HVDC）などの用途における直流ケー​​ブルの設計が簡素化され、コストも削減されます。

7. 損失と効率

長距離送電においては、直流送電は表皮効果や近接効果がなく、無効電力の流れも発生しないため、損失が少なくて済みます。そのため、変換所の建設コストが高いにもかかわらず、海底ケーブルや非常に長い架空送電線には高圧直流送電（HVDC）が好まれます。

8. 実践例

例１：家庭用配線（230V交流）
ケーブルは表皮効果を低減するために撚り線構造になっています。装甲は施されていません（三相回路では磁界が相殺されるため鋼鉄製でも問題ありませんが、単相回路では多少の発熱が生じます）。絶縁材はPVCまたはXLPEで、交流電圧定格です。

例２：太陽光発電所の直流ストリングケーブル（1500V直流）
ケーブルは、柔軟性を高めるため（表皮効果のためではなく）、細い撚り線構造を採用しています。シールドは不要です。鋼線鎧装を使用すれば、発熱の心配なく埋設できます。絶縁体は直流定格のXLPEです。

例３：鉄道直流牽引（750V／1500V直流）
ケーブルは機械的保護のために鋼鉄製の外装材を使用することが多い。導体は単線または太い撚り線である。磁気シールドは不要である。

9. HVDCの台頭とそれがケーブル設計に及ぼす影響

HVDCは急速に普及しています（洋上風力発電、連系線など）。これらのケーブルは非常に高い電圧（最大600kV）を扱う必要があります。特別な設計上の特徴は以下のとおりです。

• 大量含浸紙またはXLPE絶縁材直流ストレスおよび空間電荷制御に最適化されています。

• 帰還導体（金属帰還またはアース帰還） – 多くの場合、一体型です。

• 分割導体敷設時の曲げ力を軽減するため。

• 二重装甲深海保護のため。

これらの設計の多くは、同じ電圧クラスの交流ケーブルとは大きく異なっている。

交流（AC）と直流（DC）はどちらも銅線を流れるが、その銅線を覆うケーブルの設計は大きく異なる。交流の場合、設計者は表皮効果や近接効果への対策、磁場の管理、そして被覆材の慎重な選定といった課題に直面する。一方、直流はこれらの課題から解放されるが、絶縁体における空間電荷の問題が生じる。

その違いを理解することで、エンジニアは用途に合ったケーブルを選ぶことができ、また、私たち一般人も、風力発電所のケーブルと鉄道ケーブルが、どちらも「電気」を運ぶにもかかわらず、なぜ見た目が異なるのかを理解できるようになります。次に太い撚り線の交流電源ケーブルや、鋼鉄で覆われた直流電源ケーブルを目にしたとき、電流の種類が内部の各層の形状を決定づけていることに気づくでしょう。

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