高電圧機器に特別な絶縁設計が必要な理由

高電圧ケーブルは、驚くべき工学的成果物です。その絶縁体は、電界に耐え、熱応力に対処し、数十年にわたる経年劣化に耐えるように綿密に設計されています。しかし、これらのケーブルが終端部で終端したり、スプライスで接続されたりすると、絶縁に関する課題は劇的に変化します。付属品（接続部と終端部）は、ケーブル自体よりもはるかに厳しい条件下で動作する必要があります。特殊断熱設計これは単にケーブルの絶縁を延長するだけにとどまりません。この記事では、高電圧機器に独自の絶縁システムが必要な理由と、それらがケーブルとどのように異なるのかを説明します。

1. ケーブル絶縁体：制御された環境

付属品に特別な設計が必要な理由を理解するには、まずケーブルの絶縁について理解することが役立ちます。高電圧ケーブルは、厳密に管理された条件下で工場で製造されます。

• 清潔な環境―粉塵や汚染物質を最小限に抑えます。

• 精密押出成形断熱材の厚さは均一で、空隙はありません。

• 均質な材料断熱層全体に同じ素材を使用。

• インターフェースなし―絶縁体は導体からシールドまで連続した層である。

ケーブル内の電界はラジアルそして、応力は均一です。導体表面で応力が最も高く、シールドに向かって滑らかに減少します。絶縁体は、その耐用期間にわたってこの予測可能な応力分布に対応できるように設計されています。

ケーブルでは、絶縁体は単一の途切れない層です。界面はなく、形状の急激な変化もなく、電界の歪みもありません。課題は、バルク応力―断熱材の厚さ全体にわたる平均応力。

2. 付属断熱材：複雑な課題

終端部や接合部では状況は大きく異なります。絶縁体はもはや連続した均質な層ではなく、複数の構成要素の集合体となります。

• 元のケーブル絶縁体。

• 応力制御要素（コーン、こんにちは-K層、NLR材料）。

• 付属品の絶縁体（シリコンまたはEPDM）。

• これらの異なる材料間の界面。

これらの各構成要素はそれぞれ異なる電気的特性（誘電率、絶縁耐力、導電率）を有しています。それらの界面は、電界歪み、部分放電、および水分侵入の潜在的な発生箇所となります。

さらに、形状はもはや単純ではありません。鋭利なエッジ（シールド切断部）、直径の変化（コネクタ部）、空気やその他の絶縁媒体に露出した表面があります。電界はもはや放射状ではなく、大きな縦断的（軸方向）および接線コンポーネント。

付属品の断熱材は、全てこうした複雑さゆえに、特別な設計が必要となるのです。

3. 音場歪みの問題

ケーブル内の電界は放射状で均一です。アクセサリ内の電界は歪いくつかの点で：

シールド切断時のピーク応力は、ケーブルの平均応力の5～10倍にも達する可能性があります。これは、ケーブル絶縁体が耐えられる設計値をはるかに超えています。アクセサリは減らすこのピーク応力を安全なレベルまで低減する――通常は、電圧降下をより長い距離に分散させたり、より高い表面応力に耐えられる材料を使用したりすることによって実現される。

4．インターフェース：アキレス腱

ケーブル絶縁とアクセサリ絶縁の最も重要な違いは、インターフェースケーブルには絶縁体内部にインターフェースはありませんが、アクセサリには複数あります。

誘電率の異なる2つの物質の界面では、電界線が屈折（曲がる）します。これにより、以下のような現象が生じる可能性があります。

• 界面に沿った接線方向の応力が増加する。

• 界面における電荷の蓄積。

• 界面が完全でない場合、部分放電が開始される。

インターフェースを管理するために、アクセサリーデザイナーは次のような素材を使用します。一致する誘電率（屈折を減らすため）または導入する応力勾配層移行を円滑にする。

アクセサリ本体とケーブル絶縁体との接合部は特に重要です。この接合部に隙間（空気の空隙）があると、電界がその空隙に集中し、部分放電が発生します。そのため、熱収縮式アクセサリが広く用いられています。熱収縮式アクセサリは、放射状の圧力によって隙間のない密着した接合部を実現します。

5. 断熱材の厚さ：単純な延長ではない

アクセサリの絶縁体は、ケーブルの絶縁体と同じ厚さでよいと考える人もいるかもしれない。しかし、そうではない。アクセサリの最適な厚さは、以下の理由から異なる。

• 磁場分布が異なる（非放射状）。

• これらの材料は誘電強度が異なる。

• 付属品は、機械的な支持機能と密閉機能も備えていなければならない。

実際、絶縁体を厚くしすぎると悪影響を及ぼす可能性があります。終端部の絶縁層が厚くなると、シールド切断部にかかる応力が増加します（表面が接地面から遠くなるため）。すべての箇所で応力が均等になるように、形状を慎重に最適化する必要があります。

エンジニアは有限要素解析（FEA）を用いて、各アクセサリ設計における最適な断熱材の形状と厚さを計算する。

6. 材料：異なる要件

付属品の絶縁に使用される材料は、ケーブルに使用される材料とは異なります。高電圧ケーブルのケーブル絶縁は通常XLPE（架橋ポリエチレン）ですが、付属品の絶縁には多くの場合シリコーンゴムまたはEPDM。

なぜ異なる素材を使うのか？

例えば、シリコーンゴムは優れた疎水性（撥水性）と耐トラッキング性を備えているため、屋外での終端処理に最適です。EPDMは機械的強度が高く、ジョイント部分によく使用されます。

7. 熱管理：共通の課題

ケーブルとアクセサリの両方が導体から発生する熱（I²R損失）を管理する必要があります。しかし、アクセサリは多くの場合、放熱性が低いなぜなら、かさばるため、筐体の中に収められる可能性があるからです。

アクセサリの絶縁材料は、ケーブルと同じ動作温度（XLPEの場合は通常90℃、一部のアクセサリの場合は最大105℃）に耐える必要があります。しかし、さらに以下の温度にも耐える必要があります。局所的な加熱コネクタ部分は導体自体よりも高温になる可能性がある。

断熱設計においては、あらゆる箇所の温度が材料の定格値内に収まるようにする必要があります。そのためには、放熱機能を追加したり、熱伝導率の高い材料を使用したりすることがしばしば必要となります。

8. 電気的ストレスと機械的ストレス

付属絶縁体は電気的および機械的ストレスの両方にさらされます。ケーブル絶縁体は主に電気的部品ですが、付属絶縁体には以下の機能も必要です。

• シーリング－湿気の侵入を防ぐ。

• 機械的サポートコネクタとケーブルを所定の位置に固定するため。

• ストレス解消コネクタを曲げ力から保護するため。

• 沿面距離―屋外終端部において、地表フラッシュオーバーを防止するため。

つまり、絶縁設計では電気的、機械的、熱的、環境的な要件のバランスを取る必要があり、これはケーブル絶縁設計よりもはるかに複雑な作業である。

9. 試験および資格認定

付属品の絶縁特性の特殊性は、試験および認定基準に反映されています。高電圧付属品は、ケーブルとは異なる一連の基準に基づいて試験されます。

• IEC 60840/IEC 62067―ケーブル付属品については、部分放電試験、絶縁耐力試験、および熱サイクル試験を実施。

• IEC 60502-4―中電圧アクセサリ用。

• IEEE 48―解雇の場合。

• IEEE 404関節のために。

これらのテストには、アクセサリが実際に直面するであろうストレスを模倣した電気的、機械的、および環境的条件が含まれます。ケーブルはこれらのテストに合格するかもしれませんが、アクセサリはより多くの機能を求められるため、より広範なテストに合格する必要があります。

ケーブル絶縁体は、制御された均質な材料内で均一な放射状電界を制御するように設計されています。一方、付属絶縁体は、界面、露出面、機械的負荷を有する異なる材料の集合体において、歪んだ多方向電界を制御する必要があります。

そのため、高電圧アクセサリーには特殊断熱設計これは単にケーブルの絶縁体を延長すれば良いという問題ではありません。異なる材料、異なる形状、異なる試験方法を必要とする、根本的に異なる課題なのです。次に高電圧ケーブルの終端部を目にしたときは、そのことを思い出してください。内部の絶縁体はケーブルの単なるコピーではなく、はるかに複雑な問題に対する綿密に設計された解決策なのです。