XLPEが中・高電圧ケーブルに広く使用されている理由

架橋ポリエチレン（一般にXLPEとして知られる）は、1960年代以降、中高電圧電力ケーブルの絶縁材として主流となっています。XLPEが登場する以前は、紙絶縁鉛被覆（PILC）ケーブルが標準でしたが、重量があり、設置が難しく、油によるメンテナンスが必要でした。XLPEはこれらの問題を解決し、他のどの材料も匹敵できない電気的、熱的、機械的特性をリーズナブルな価格で提供しました。現在、XLPEケーブルは500kV以上の電圧で使用され、世界の電力の大部分を発電所から都市や産業施設へと送電しています。この記事では、XLPEが中高電圧ケーブルの主要材料となった理由を解説します。

1. XLPEとは何ですか？

ポリエチレン（PE）は、炭素原子と水素原子の長い鎖からなる熱可塑性ポリマーです。優れた誘電特性を持つ一方で、標準的なPEは比較的低い温度（連続運転時で約70～80℃）で軟化・溶融するため、電力ケーブルへの使用が制限されます。

架橋処理によってこの性質は変化します。XLPEでは、ポリマー鎖が化学的に結合し、三次元ネットワークを形成します。この架橋処理によって、熱可塑性ポリエチレンは熱硬化性材料へと変化します。架橋処理されたXLPEは、溶融や再溶融が不可能となり、高温下でも形状と特性を維持します。

架橋は、過酸化物架橋、電子線照射、シラングラフト重合など、いくつかの方法で実現できる。電力ケーブルにおいては、過酸化物架橋が最も一般的に用いられる。

2.優れた熱性能

XLPEの最も重要な利点の1つは、その高い耐熱性です。標準的なPVC絶縁材は連続使用温度が70℃に制限されていますが、XLPEは90℃で連続運転が可能です。緊急時の過負荷状態では、XLPEは限られた時間であれば130℃までの温度に耐えることができ、短絡時には最大5秒間、250℃の温度に耐えることができます。

これが重要な理由：

• 耐熱温度が高いということは、同じ導体サイズでもケーブルがより多くの電流を流せることを意味します。

• これにより、ケーブルは劣化することなく、熱限界に近い状態で動作することが可能になります。

• 一時的な過負荷時に安全マージンを提供する。

中電圧および高電圧ケーブルにとって、90℃で連続運転できることは大きな利点です。これにより、一定の許容電流に必要な導体サイズを小さくすることができ、材料とコストの節約につながります。

3. 優れた絶縁耐力

XLPEは、一般的に20～40kV/mmという高い絶縁耐力を有しており、これはPVC（約10～15kV/mm）よりも大幅に高い値です。そのため、同じ電圧定格であればXLPE絶縁体をより薄くすることができ、ケーブル全体の直径と重量を削減できます。

これが重要な理由：

• 絶縁体が薄ければケーブルも細くなり、取り扱いや設置が容易になる。

• 他の多くの材料よりも誘電損失（tan δ）が低いため、発熱が抑えられ、効率が向上します。

• 高い絶縁耐力により、高電圧下でも絶縁破壊を起こすことなく、信頼性の高い動作を保証します。

XLPEの低い誘電損失は、特に高電圧ケーブルにとって重要である。高電圧ケーブルでは、わずかな損失でも長距離にわたってかなりの熱を発生させる可能性があるからだ。

4. ウォーターツリー現象に対する耐性

ウォータートリーイングとは、湿潤環境下でポリエチレン絶縁ケーブルに発生する劣化メカニズムです。水分と電気的ストレスが組み合わさることで、絶縁体を貫通して微細な樹状構造が形成され、最終的に絶縁破壊に至ります。標準的なポリエチレンはウォータートリーイングの影響を受けやすいですが、架橋ポリエチレン（XLPE）ははるかに耐性があります。

これが重要な理由：

• XLPEケーブルは、鉛被覆（紙絶縁ケーブルに必要な被覆）を必要とせずに、湿った土壌に直接埋設することができる。

• これらは、地下、海底、その他の湿潤環境での使用に適しています。

• 耐水性・耐樹木性XLPE配合物（樹木抑制XLPE、またはTR-XLPEなど）は、湿潤条件下での性能をさらに向上させる。

このウォータートリーイングに対する耐性は、XLPEが地下ケーブルの絶縁材として紙／油に取って代わった主な理由の一つである。

5. 優れた機械的特性

XLPEは優れた機械的強度と柔軟性を兼ね備えています。PVCよりも丈夫で、ダクト内を通したり、角を曲がったり、衝撃に耐えたりといった、設置時の機械的ストレスにも耐えることができます。

主な特性:

• 引張強度：PVCよりも高く、引っ張りや伸びに対する耐性が優れています。

• 柔軟性：XLPEは低温（-40℃まで）でも柔軟性を維持するため、寒冷地での使用に適しています。

• 耐摩耗性：設置時の摩耗に対する耐性が良好です。

高電圧ケーブルは大型で重量もあるため、機械的な堅牢性が不可欠です。XLPEケーブルは、過度に硬くなることなく、厚い絶縁体と頑丈なシースで製造できます。

6. 耐薬品性および耐環境性

XLPEは、酸、アルカリ、油など、多くの化学物質に対して耐性があります。また、（カーボンブラックを配合した場合）紫外線やオゾンにも耐性があります。そのため、XLPEケーブルは屋外、産業用、地下への設置に適しています。

これが重要な理由：

• 屋外の終端部やケーブルは、日光や汚染物質に耐えることができます。

• 地下ケーブルは土壌中の化学物質による攻撃に耐性がある。

• 工業用ケーブルは油や溶剤に耐性がある。

湿気や化学物質から保護するために鉛の被覆が必要な紙絶縁ケーブルと比較すると、XLPEケーブルははるかにシンプルで環境に優しい。

7. 設置とメンテナンスの容易さ

XLPEケーブルは、紙絶縁ケーブルよりも設置やメンテナンスが容易です。

• 油やガスは不要：紙絶縁ケーブルは絶縁性を維持するために加圧された油やガスを必要としますが、XLPEは固体であるため、漏洩の心配がなく、圧力監視も不要です。

• 接続と終端処理が簡素化：XLPEケーブルは、コールドシュリンクまたはヒートシュリンクアクセサリを使用して接続および終端処理できます。これは、PILCケーブルに必要なオイル充填アクセサリよりも迅速かつ簡単です。

• 軽量性：XLPEケーブルは同等のPILCケーブルよりも軽量であるため、取り扱いが容易です。

• より長い設置長：XLPEケーブルはより長い長さで製造できるため、必要な接続部の数を減らすことができます。

これらの利点により、設置時間とコストが削減され、ケーブルの耐用期間全体にわたるメンテナンスも簡素化されます。

8. 長寿命

XLPEケーブルは、通常の使用条件下で40年以上という実績のある耐用年数を誇ります。加速劣化試験および現場での実績により、XLPEは数十年にわたり電気的特性と機械的特性を維持することが確認されています。

長寿に貢献する要因：

• 熱老化に対する耐性（架橋構造による）。

• ウォータートリーイング耐性（最新処方の場合）。

• 酸化および紫外線劣化に対する耐性。

• 経時的に安定した誘電特性。

1970年代から1980年代にかけて設置された多くのXLPEケーブルは現在も使用されており、この素材の耐久性を証明している。

9．経済的利点

XLPE絶縁材はPVCよりも高価ですが、XLPEケーブルシステムの全体的なコストは多くの場合低くなります。

• より高い許容電流：同じ電流に対してより細い導体を使用できるため、銅やアルミニウムの使用量を削減できます。

• 断熱材を薄くすることで、全体の直径が小さくなり、外装材や装甲材の使用量を削減できます。

• 設置コストの削減：軽量化、長尺化、シンプルな接合部。

• メンテナンスコストの削減：石油やガスのメンテナンスが不要。

• 長寿命：長期間にわたって交換頻度が少なくなる。

中電圧および高電圧ケーブルの場合、これらのコスト削減効果は、材料費の増加分をすぐに上回ります。

10．他の断熱材との比較

XLPEは、中電圧および高電圧ケーブルにおいて、最も優れた特性バランスを提供します。EPRも、特にフレキシブルケーブルや船舶用途で使用されますが、静止型電力ケーブル市場ではXLPEが圧倒的なシェアを占めています。

11. XLPEの限界

XLPEには利点がある一方で、いくつかの限界もある。

• XLPEは本来難燃性ではありません。炭化水素であるため、燃焼します。難燃性配合の製品も入手可能ですが、コストが高くなります。

• （特定の条件下では）ウォータートリーイングが発生しやすい：XLPEはPEよりも耐水性に優れていますが、湿潤環境で長期間使用するとウォータートリーイングが発生する可能性があります。ウォータートリーイング抑制剤配合が効果的です。

• 取り扱いには注意が必要です。鋭利な工具や過度の曲げによって絶縁体が損傷する可能性があります。

• 熱硬化性樹脂：熱可塑性樹脂とは異なり、溶融によるリサイクルはできません。ただし、XLPEは粉砕して充填材や燃料として使用できます。

これらの制約は十分に理解されており、現代のケーブル設計と設置方法によって効果的に軽減されている。

XLPEは、熱特性、電気特性、機械的特性、経済性において比類のない利点を兼ね備えているため、中電圧および高電圧ケーブルの材料として広く採用されています。高い耐熱性により高電流容量を実現し、優れた絶縁強度により絶縁体を薄くすることが可能です。また、ウォータートリーイングに対する耐性により湿潤環境にも適しており、機械的堅牢性により確実な設置と長寿命を保証します。

地下配電網から海底送電線、再生可能エネルギー発電所まで、XLPEケーブルは現代の電力網を支える、まさに陰の立役者です。世界がよりクリーンなエネルギーとより強靭なインフラへと移行する中で、XLPEは今後も安全かつ効率的な電力供給において中心的な役割を果たし続けるでしょう。次に電力ケーブルを目にしたときは、その黒や灰色の被覆の中で、XLPE絶縁体が静かにその役割を果たし、何十年にもわたって電力供給を支えていることを思い出してください。