電力ケーブルにおける定格電圧とは？電圧表示を理解するためのガイド

すべての電源ケーブルには、シースに定格電圧が刻印されています。例えば、"0.6/1 kV" や "6/10 kV." などです。これらの数値は恣意的なものではなく、ケーブルの電気的性能と限界を定義するものです。定格電圧が不適切なケーブルを選択すると、絶縁不良、安全上の危険、そして高額なダウンタイムにつながる可能性があります。では、これらの数値は具体的に何を意味するのでしょうか？この記事では、定格電圧の概念、その重要性、そして電源ケーブルの刻印の解釈方法について解説します。

1. 基本事項：定格電圧とは？

ケーブルの定格電圧とは、通常の動作条件下でケーブルが安全に耐えられる最大連続電圧のことです。これは、電気的破壊を防ぐために必要な絶縁体の厚さと品質を決定する設計パラメータです。

ケーブルの定格電圧は単一の数値ではなく、通常はU₀/U (えっと) のような値のペアで表されます。これらの記号はそれぞれ特定の意味を持っています。

• U₀ = 導体とシールド、金属シールド、またはアース間の定格商用周波数電圧。これは対地電圧です。

• U = 2つの相導体間の定格商用周波数電圧。これは相間電圧です。

• えっと = ケーブルが短時間（例えば、一時的な過電圧時）耐えることができる最大システム電圧。

例：0.6/1 kVと表示されたケーブルには、以下の特徴があります。

• U₀ = 0.6 kV (600 V) – 導体と接地間の電圧。

• U = 1 kV (1000 V) – 2つの相間の電圧。

6/10 kVと表示されたケーブルには以下の特徴があります。

• U₀ = 6 kV – 対地電圧。

• U = 10 kV – 相間電圧。

2. なぜ数字が2つあるのですか？

この2つの数値（U₀とU）は、ケーブルがシステムの異なる部分で受ける電圧ストレスの違いを反映しています。

• 対地電圧（U₀）：これは、導体とシールド（または大地）間の絶縁体が耐えなければならない電圧です。完全に接地されたシステムでは、U₀はほぼ相電圧と等しくなります。

• 相間電圧（U）：これは2本の導体間の電圧です。三相システムでは、相電圧の√3倍になります。

両方が重要な理由：絶縁体は、任意の2点間の最高電圧に耐えなければなりません。三相システムの場合、相間電圧は対地電圧よりも高くなります。ケーブルは両方の電圧に対応できる定格でなければなりません。

例：

• 230/400Vシステム（ヨーロッパで一般的）では、U₀ = 230V、U = 400Vとなります。0.6/1kVと表示されたケーブルで十分です。

• 6.6/11 kV システムでは、U₀ = 6.6 kV、U = 11 kV です。

3. "Um"値：最大システム電圧

Um値は、スイッチングや落雷などによる一時的な過電圧時など、ケーブルが短時間耐えられる最大電圧です。通常、定格電圧Uよりも高くなります。

例：定格電圧0.6/1kVのケーブルの場合、Um値は1.2kVになることがあります。6/10kVのケーブルの場合、Um値は12kVになることがあります。

過渡的な過電圧は絶縁体の定格電圧を超える負荷をかける可能性があるため、Umはシステム設計において重要です。ケーブルは、これらの過電圧に規定された時間（通常は数秒から数分）耐えられるよう試験されます。

4. 定格電圧はどのように決定されるのですか？

ケーブルの定格電圧は、いくつかの要因によって決まります。

A. 断熱材
異なる材料はそれぞれ異なる絶縁耐力を持つ。XLPE絶縁体を使用したケーブルは、同じ厚さのPVC絶縁体を使用したケーブルよりも高い電圧に耐えることができる。

• PVC：通常、0.6/1 kVまでの定格電圧。

• XLPE：500kV以上の定格電圧に対応可能。

B. 断熱材の厚さ
絶縁層が厚いほど、より高い電圧に耐えることができます。絶縁体の厚さは、定格電圧と材料の絶縁耐力に基づいてメーカーによって指定されます。

C. 運転条件
定格電圧は、特定の周囲温度と設置方法に基づいて規定されています。ケーブルが高温環境に設置される場合や、他のケーブルと束ねて設置される場合は、同じ定格電圧を維持するために絶縁体を厚くする必要がある場合があります。

D. システム接地
接地方式（直接接地、インピーダンス接地、非接地）は、絶縁体にかかる電圧ストレスに影響を与えます。非接地方式では、相間地絡故障が発生すると、健全な相の電圧が相間電圧（U）まで上昇する可能性があります。そのため、ケーブルによっては、接地方式ごとに異なるU₀値が表示されている場合があります。

5. 接地係数：U₀が変化する理由

一部の規格では、ケーブルが異なる接地システムに適していることを示すために、複数のU₀値でマークされています。

• U₀ = 6 kV: 中性線が直接接地され、故障除去時間が短いシステムで使用します。

• U₀ = 6 kV (または 6 kV/10 kV): 中性線が直接接地されていないシステムで使用する場合。

理由：非接地システムでは、単相地絡故障が発生すると、他の相の電圧が相間電圧（U）まで上昇する可能性があります。絶縁体は、故障期間中、この電圧上昇に耐えられる必要があります。一方、完全接地システムでは、電圧上昇はそれほど大きくないため、U₀定格が低くても問題ありません。

例：6/10 kVと表示されたケーブルは、接地されたシステムでの使用に適している場合があります。同じケーブルでも、6/10 kV（非接地システム用）や、異なる電圧クラスである8.7/15 kVと表示される場合もあります。

6. 電圧クラスと代表的な用途

7. 間違った電圧定格を使用するとどうなりますか？

定格電圧以下のケーブル（ケーブルの電圧が高すぎる）：

• 絶縁体は過度の電気的ストレスにさらされることになる。

• 部分放電（PD）が発生し、絶縁材が徐々に侵食されます。

• ケーブルは早期に故障し、場合によっては壊滅的な被害をもたらす可能性がある。

定格電圧が高すぎるケーブル（用途に対して定格電圧が高すぎる）：

• そのケーブルは必要以上に高価になるだろう。

• 物理的にサイズが大きく、設置がより困難になる可能性がある。

• より高い評価を得ても、性能面でメリットがない場合もある。

ヒント：ケーブルを選ぶ際は、必ずシステム電圧以上の定格電圧を持つものを選んでください。定格電圧の高いケーブルを使用することも可能ですが、必ずしも費用対効果が高いとは限りません。

8. 定格電圧と試験の関係

ケーブルは定格電圧を確認するために試験されます。型式試験（IEC 60502またはIEC 60840など）には以下が含まれます。

• 商用周波数耐電圧試験：ケーブルに定格電圧（通常、U₀の2.5～3倍）を超える電圧を規定の時間印加します。

• 雷インパルス耐電圧試験：ケーブルに高電圧インパルス（落雷をシミュレート）を印加し、過渡的な過電圧に耐える能力を検証します。

これらの試験は、ケーブルが通常時および異常時において定格電圧に耐えられることを保証するものです。

9. ケーブルのマーキング：読み方

ケーブルの表示には通常、U₀/U の形式で定格電圧が含まれています。

例：

• 0.6/1 kV：230/400 Vシステム用の低電圧ケーブル。

• 6/10 kV：6.6/11 kVシステム用の中電圧ケーブル。

• 8.7/15 kV：10/15 kVシステム用の中電圧ケーブル。

• 18/30 kV：20/30 kVシステム用の高電圧ケーブル。

ケーブルによっては、Um値（例：0.6/1（1.2）kV）が記載されている場合があります。

10．結論：定格電圧は安全仕様である

ケーブルの定格電圧は単なる数値ではなく、ケーブルが故障することなく電気的ストレスに耐えられる能力を決定する重要な安全仕様です。U₀、U、Umの違いを理解し、これらの値がシステムにどのように関係するかを知ることは、用途に適したケーブルを選択するために不可欠です。

ケーブルを選ぶ際は、必ずシステム電圧と同等以上の定格電圧を持つものを選び、接地システムと過渡過電圧状態を考慮してください。適切な定格のケーブルは数十年にわたり信頼性の高いサービスを提供しますが、定格が不足しているケーブルは時限爆弾のようなものです。次にケーブルの表示を見たときには、その数字の意味と重要性を正確に理解できるでしょう。