落雷時、ケーブル接続部内部では何が起こるのか？

落雷は、自然界で最も強力かつ予測不可能な力の一つです。一回の落雷で最大20万アンペアの電流が流れ、温度は3万℃に達します。これは太陽表面の5倍の温度です。このような落雷が送電線やその周辺に直撃すると、エネルギーは導体を伝わり、ケーブルシステム（接続部や終端部を含む）はこの巨大なサージに耐えなければなりません。では、落雷時にケーブル接続部内部では実際に何が起こるのでしょうか？この記事では、これらの重要な接続部を保護するための物理学、リスク、そして工学について解説します。

1. 雷：その脅威についての簡単な紹介

雷は、雲間、あるいは雲と地上の間で発生する大規模な静電放電です。雷が送電線やその近くの地面に落ちると、サージ（突発的で極めて高い電圧と電流の過渡現象）が発生し、それがほぼ光速で導体を伝わります。

雷サージの主な特徴：

• 電圧：数百万ボルトまで（主放電時は通常1～10MV）。

• 電流：10,000～200,000アンペア（標準：30,000A）。

• 持続時間：非常に短い（数マイクロ秒から数百マイクロ秒）。

• 立ち上がり時間：非常に速い。電流は1～10マイクロ秒でピークに達する。

このサージ電流は送電線に沿って伝わり、変電所、変圧器、ケーブルシステムへと侵入します。電流は場所を選ばず、ケーブルの導体を含む、あらゆる導電経路を辿ります。

2. サージ電流の経路：雷がケーブルシステムに侵入する仕組み

落雷によるサージ電流は、いくつかの経路でケーブルシステムに侵入する可能性があります。

A. 架空線への直接攻撃
架空送電線に直接落雷があった場合、雷電流は導体に沿って流れ、終端部または接続部に到達すると、地下ケーブルへと流れ込む可能性がある。

B. 架空送電線における誘導サージ
たとえ電線に直接落雷がなくても、近くで落雷があった場合、電磁誘導によって電線に高電圧サージが発生する。

C．接地電位上昇（ステップ電圧）
変電所やケーブル終端付近の地面に落雷があると、地電位が上昇し、逆放電（地面から機器に伝わるサージ電流）が発生する可能性がある。

D. 変圧器または開閉装置を介して
変電所の避雷器はサージ電流の大部分を遮断するが、それでも一部のエネルギーはケーブルに伝わる可能性がある。

サージ電流がケーブルに入り込むと、接続部へと伝わり、そこで本当の影響が始まる。

3. 関節にかかるもの：電圧、電流、および応力

雷サージがケーブル接続部に到達すると、接続部には同時に3つの応力がかかります。

A. 高電圧（過電圧）
サージ電圧は、ケーブルの通常の動作電圧の数倍にも達することがあります。66kVケーブルの場合、350kV以上のサージ電圧が発生する可能性があります。この極端な電圧は、接続部内部に通常の動作時のストレスをはるかに超える強烈な電界を発生させます。

B．高電流（サージ電流）
サージ電流によって導体とコネクタが加熱されます。大電流の影響で、ほんの一瞬のうちに導体の温度が著しく上昇する可能性があります（ただし、短時間です）。

C. 高い変化率（ダイ/dt）
電流の急激な増加は強力な電磁場を発生させ、それが隣接する部品に電圧を誘導したり、機械的な力を発生させたりする可能性がある。

接合部の絶縁体、コネクタ、およびシーリングはすべて、この複合的な攻撃に耐えなければならない。

4. ケーブル接続部の脆弱性

ケーブル接続部は、ケーブル本体よりも落雷に対して脆弱である。その理由は以下のとおりである。

• それらには界面が存在する。異なる材料（絶縁体、応力制御、コネクタ）間の移行部は、電界が集中するポイントを生み出す。

• これらは現場で組み立てられるため、設置品質にばらつきが生じ、隙間、汚染、または不完全な接触が発生する可能性があります。

• これらは複数の構成要素から成り立っており、各構成要素（応力コーン、コネクタ、絶縁体）は電圧と電流に対してそれぞれ独自の応答を示します。

落雷によるサージ電流では、接合部の中で最も弱い部分が最初に破損する。

5. 最初の数マイクロ秒：電界歪みと部分放電

サージ電流が接合部に到達すると、電界が一時的に歪みます。シールド切断部（もともと最も応力が集中する箇所）の応力はさらに集中します。電圧が部分放電開始電圧（PDIV）を超えると、微小な火花（部分放電）が発生し始めます。

PD中に何が起こるか：

• 放電のたびに、少量のエネルギー（熱、紫外線、オゾン）が放出される。

• 断熱材の表面に炭化の跡が残ることがある。

• 放電は伝播し、絶縁材の中に樹木のような構造を形成する可能性がある。

適切に設計された接合部では、応力制御システム（コーン、こんにちは-K、またはNLR）がこの電界歪みを抑制し、サージ条件下でも部分放電（PD）を防ぎます。応力制御が不十分であったり、位置がずれていたりすると、PDは急速にフラッシュオーバーへと発展する可能性があります。

6. フラッシュオーバー：アークパス

電界の歪みが十分に大きい場合、放電はフラッシュオーバー、つまり導体からシールドへ、あるいはある相から別の相へとアークが飛び移る現象に発展する可能性がある。フラッシュオーバーは絶縁の完全な破壊を意味する。

接合部におけるフラッシュオーバーの種類：

• 内部フラッシュオーバー – アーク放電が接合部内部で発生し、絶縁材を焼き尽くす。

• 外部フラッシュオーバー – アークは接合部の表面または界面に沿って発生します。

• 相間 – 三相接続部では、アークが1つの導体から別の導体へ飛び移ることがあります。

フラッシュオーバーは、ほんの一瞬のうちに大量のエネルギーを放出します。その結果生じる圧力波は、接続部のケーシングを破裂させ、アーク放電によって導体やコネクタが蒸発する可能性があります。接続部は破壊されます。

7. 熱効果：サージの熱

フラッシュオーバーが発生しなくても、サージ電流によって導体とコネクタが加熱されます。温度上昇は断熱加熱の公式を用いて計算できます（短時間のサージ中に熱が失われないと仮定した場合）。短時間（例えば20マイクロ秒）であれば、導体の温度は数十℃上昇する可能性があります。

コネクタの発熱は、コネクタ自体が導体よりも高い抵抗値を持つため（材質と形状による）、より深刻な問題となります。コネクタが適切に圧着されていない場合、抵抗値が高くなり、ホットスポットが発生して接続部が溶融したり、強度が低下したりする可能性があります。

熱膨張 – 急激な加熱により、導体とコネクタが膨張します。これにより、コネクタおよび周囲の部品に機械的な応力がかかり、応力コーンがずれたり、シールが損傷したりする可能性があります。

8. 機械的効果：爆発力

導体の急激な加熱とアーク放電（発生した場合）によって、接続部内部に圧力波が発生します。接続部のケーシングはこの圧力に耐え、破裂してはいけません。現代の接続部のほとんどは、フラッシュオーバーの圧力に耐えられる耐破裂性ケーシング（例えば、ガラス繊維強化ポリエステル製）を備えています。

機械的力 – 高電流は、導体同士を押し離そうとする強い電磁力も発生させます。これにより、コネクタやケーブルに負荷がかかる可能性があります。

9. サージアレスターの役割

ケーブル接続部を落雷から保護するため、サージアレスター（避雷器とも呼ばれる）がネットワークの主要箇所に設置されます。

• 変電所の入口で、サージ電流を地面に逃がすため。

• 電柱に取り付けられた終端部では、ケーブルが架空線に接続されます。

• 露出した場所にある接合部（例えば、風力発電所や送電線沿いなど）。

サージアレスターは、通常電圧では高い抵抗値を示す非線形抵抗器ですが、高電圧になると導通状態になり、サージ電流を接地へと流します。接続部に到達する電圧を制限することで、アレスターはフラッシュオーバーや損傷のリスクを低減します。

10．落雷耐性を考慮した接合部の設計

エンジニアは、落雷に耐えられるケーブル接続部を設計するために、いくつかの戦略を用いています。

A. 堅牢なストレス制御
ストレス制御システム（コーン、こんにちは-K、NLR）は、部分放電（PD）を発生させることなくサージ電圧に耐えるように設計されています。これは、インパルス電圧を用いた型式試験で検証されています。

B. 高い誘電強度
絶縁材料（シリコーン、EPDM、XLPE）は、高電圧サージに耐える能力に基づいて選定されています。

C. 機械的堅牢性
コネクタと筐体は、サージによる熱的および機械的な力に耐えられるように設計されています。

D. シーリングと防水処理
シーリングによって湿気の侵入を防ぎ、それによって絶縁体の誘電強度が低下し、フラッシュオーバーのリスクが高まるのを回避できます。

E. インパルスによる型式試験
ケーブル接続部は、型式試験の一環として雷インパルス試験を受けます。接続部には、関連規格（例：IEC 60840、IEC 62067）で規定されたレベルの、落雷をシミュレートする電圧波形（通常は1.2/50 µsのインパルス）が印加されます。この試験に合格した接続部は、落雷に対する耐性を実証したことになります。

11. 現実世界：落雷シナリオ

変電所から風力発電所まで伸びる66kVの地下ケーブルを想像してみてください。近くの電柱に落雷があり、サージ電流が架空線を通ってケーブルに伝わります。最初の接続点（電柱から100m）で、サージ電流が到達します。

• 0～2 µs：シールド切断部における電圧が急速に上昇する。応力コーンがその役割を果たし、電界を拡散させる。

• 2～10 µs：電圧は350 kVでピークに達する。応力コーンと絶縁体は応力に耐え、フラッシュオーバーは発生しない。

• 10～50マイクロ秒：サージ電流がコネクタを流れ、わずかに加熱します。コネクタは膨張しますが、バネ機構またはエラストマーの圧力によって接触が維持されます。

• 50～200マイクロ秒：サージが収まり、関節は正常な動作に戻ります。

応力コーンの位置がずれていたり、断熱材に隙間があったりすると、フラッシュオーバーが発生し、接合部が破壊されて停電を引き起こす。

落雷時のケーブル接続部は、まるで包囲された要塞のようだ。100万ボルトのサージ電圧、10万アンペアの大電流、そしてそれに伴う強烈な熱と機械的力に耐えなければならない。接続部の応力制御システム、絶縁体、コネクタ、そしてケーシングはすべて連携して、この猛攻撃に耐え抜く。

綿密な設計、堅牢な素材、そして厳格な試験を経て、ケーブル接続部は落雷にも耐えられるように設計されています。これにより、自然界で最も強力な力に直面しても、電力網の信頼性が維持されます。次に嵐が吹き荒れても電気が消えなかったら、思い出してください。ネットワークのどこかで、ケーブル接続部が落雷に耐え、音もなくその役割を果たしたのです。