高電圧ケーブルにおける電気的ストレスとは何か？

高圧ケーブルは現代の電力網の陰の立役者であり、都市部、海底、山岳地帯を横断して膨大な電力を輸送している。しかし、これらのケーブル内部では、目に見えない力が常に働いている。電気的ストレスこのストレスは、適切に管理されないと、ケーブルを内部から破壊してしまう可能性があります。高電圧ケーブルシステムの設計、設置、保守に携わるすべての人にとって、電気的ストレスとは何か、その発生源、そして制御方法を理解することは不可欠です。

1. 基本概念：力としての応力

日常会話では、"stress"は圧力や張力を指します。電気工学では、この用語は次のように同義です。電気的ストレス電界強度とは、誘電体（絶縁体）内部の電界強度のことである。より正確には、電圧勾配、すなわち単位距離あたりの電圧変化であり、ボルト/ミリメートル（V/mm）またはキロボルト/ミリメートル（kV/mm）で表される。

パイプの中を水が流れる様子を想像してみてください。水圧はパイプの壁を押します。同様に、ケーブルでは電圧が絶縁体を押します。電圧が高いほど、あるいは絶縁体が薄いほど、材料にかかるストレスは大きくなります。

こう考えてみてください。絶縁体の厚さが10mmで、両端に10kVの電圧差がある場合、平均応力は1kV/mmとなります。同じ電圧を維持したまま絶縁体の厚さを5mmに減らすと、応力は2倍の2kV/mmになります。この応力が絶縁体の絶縁耐力を超えると、絶縁体が破壊される可能性があります。

2. 電気的ストレスはどこから発生するのか？

ケーブル内の電気的ストレスは、電圧と距離の基本的な関係から生じます。適切に設計されたケーブルでは、ストレスはラジアル―応力は導体から金属シールドに向かって均一に作用する。応力は導体表面で最も高く、導体からの距離の二乗に反比例して減少する（逆二乗法則）。

• 導体表面応力これはケーブル内で最も応力がかかる箇所です。応力は導体の直径と印加電圧によって決まります。

• 断熱材の体積応力－断熱材の厚さ全体にわたる平均応力。

• シールド表面応力―シールドが接地電位にあるため、はるかに低い値になります。

健全なケーブル内の応力分布は予測可能で管理しやすい。問題は、この分布が歪。

3．ストレス集中：本当の問題点

ケーブルの故障を理解する上で、「集中」という言葉が鍵となります。電気的ストレスは、均等に分散されている場合は通常問題になりません。しかし、一点に集中すると、その点が弱点となります。

ストレス集中は以下で発生します。

• 鋭利なエッジ―金属シールドの切断面、コネクタの鋭いバリ。

• 空隙断熱材内部に気泡が発生している。

• 汚染物質－断熱材内部に金属粒子や水分が含まれている。

• インターフェース– 異なる材料間（例：ケーブル絶縁体と終端ボディ間）。

• 形状の変化―ケーブルの直径が急激に変化する箇所。

これらの箇所では、ケーブル内の平均応力よりも応力が何倍も高くなる可能性があります。この局所的な応力は材料の絶縁耐力を超える可能性があり、部分放電そして最終的には失敗に終わる。

4. 電気的ストレスの種類

A. 半径方向応力
ケーブルにかかる通常の応力は、導体から外側に向かって作用する。これは、絶縁体が耐えられるように設計された応力である。

B. 縦方向の応力
ケーブルの長さに沿って作用する応力。これは、電界線が急激に曲がるケーブルシールドの端部で発生します。終端部や接続部は、この応力に耐えなければなりません。

C. 接線応力
絶縁体の表面に平行に作用する応力。これは、ケーブルとアクセサリの界面で特に重要です。接線方向の応力が表面の絶縁耐力を超えると、表面追跡（炭化）が起こる可能性がある。

D. スイッチングと雷サージ
一時的な過電圧は、通常の動作時のストレスよりもはるかに高いストレススパイクを発生させる可能性があります。定常状態のストレスに耐えられる終端部でも、落雷やスイッチング動作中に破損する可能性があります。

5. 重要なポイント：ケーブルの終端処理と接続部

最も深刻な電気的ストレスはケーブルの端―終端部と接続部。これは、ケーブルのシールドがこれらの箇所で終端するためです。

連続ケーブルでは、シールドが絶縁体内部の電界を閉じ込めます。シールドが切断されると、電界線はもはや閉じ込められなくなり、切断面から溢れ出して集中します。シールド切断部における最大応力は、ケーブル全体の平均応力の5～10倍にも達することがあります。

これが解雇の理由ですストレスコントロール―電界を分散させ、ピーク時の応力を安全なレベルまで低減する装置。

類推：大勢の人々が広い廊下（ケーブル）を移動している様子を想像してみてください。突然、廊下が狭くなり、一枚の扉（シールドカット）が現れます。人々は押し合いへし合い、扉に強い圧力がかかります。ストレスコントロールとは、この移行をスムーズにし、圧力を軽減するために、徐々に狭くなる通路を複数設置するようなものです。

6．ストレスをコントロールする方法

ケーブル付属品の応力制御には、複数の技術が用いられ、多くの場合、それらが組み合わされます。

• 幾何学的応力制御－応力コーンは絶縁体の厚さを徐々に増加させ、電圧降下をより長い距離に分散させる。

• 屈折（こんにちは-K）応力制御絶縁体の上に誘電率の高い材料を配置すると、電圧が再分配され、ピーク応力が低減される。

• 非線形抵抗（NLR）応力制御―電界強度に応じて導電率が増加する材料。高応力下では導電性を示し、効果的に遮蔽効果を拡大する。

これらの技術により、遮蔽切断部にかかる応力が、断熱材と周囲の空気が耐えられるレベルまで低減される。

7. 応力と材料の破壊

すべての断熱材には誘電強度―破壊する前に耐えられる最大応力。架橋ポリエチレン（XLPE）の場合、これは通常20～40 kV/mm程度である。空気の場合、標準状態ではわずか3 kV/mm程度である。

電気的ストレスが絶縁耐力を超える場合：

• 固体材料において– A穿刺発生する事象：断熱材に永久的な穴が開く。

• 表面上–フラッシュオーバー―弧が表面を横切る。

• 虚無の中で–部分的な放電―材料を侵食する繰り返し発生する火花。

部分放電は、即座に故障を引き起こすわけではないものの、時間の経過とともに絶縁体を劣化させ、最終的に完全な絶縁破壊に至るため、特に危険である。

8. 電気的ストレスを増加させる要因

ケーブルにかかるストレスが設計上の限界を超える要因はいくつかあります。

これらの要因を管理することは、ケーブルの信頼性を維持するために不可欠です。

9. ストレスの検出と測定

エンジニアは現場で電気的ストレスを直接測定するのではなく、その影響を測定します。

• 部分的な放電―過度のストレスを示す最も敏感な指標。

• 絶縁抵抗抵抗値の低下は、ストレスによる劣化を示している。

• 誘電損失（タン δ）損失の増加は、断熱材の加熱と応力を示しています。

• サーマルイメージング・ホットスポットは、接続部におけるストレス関連の発熱を示している可能性があります。

ケーブル設計においては、有限要素解析（FEA）ソフトウェアを用いて応力が計算される。このソフトウェアは電界分布をモデル化し、高応力領域を特定する。

電気的ストレスは本質的に悪いものではありません。それはケーブルが電力を伝送することを可能にする力です。適切に設計されたケーブルでは、ストレスは管理され、分散され、材料の能力の範囲内に保たれます。問題はストレスそのものではなく、制御不能なストレス―応力が集中し、誘電強度を超え、劣化を引き起こす。

電気的なストレスを理解することは、信頼性の高いケーブルの設計、適切な付属品の選定、そして慎重な設置作業を行う上で不可欠です。高電圧工学の世界では、ストレスは常に付きまとうものですが、適切な設計と設置を行うことで、ストレスを安全なレベルに抑え、ケーブルが何十年にもわたって安定した電力供給を継続できるようにすることができます。