XLPE ケーブルに関する一般的な問題は何ですか?
I. 避けられない正直な質問
海外プロジェクトでは架橋ポリエチレン(XLPE) ケーブルは、中電圧および高圧電力システムではほぼ標準装備されています。優れた誘電特性、高い耐熱性、大きな伝送容量、軽量、簡単な設置により、数十年にわたって紙絶縁ケーブルの代替品として使用されてきました。
ただし、彼らは無敵ではありません。
いくつかの国際的な電力会社の運用統計によると、絶縁損傷は XLPE ケーブルの故障の主な原因であり、全故障の約 86.7% を占めています。このうち、部分放電経年劣化、電気経年劣化、水トリー現象による故障が65.7%を占めます。熱老化と熱機械的変形によって引き起こされる故障は 10.5% を占めます。残りの 10.5% は、機械的損傷と電気機械的経年劣化によって引き起こされる故障です。
言い換えれば、XLPE ケーブルに問題がある場合は、絶縁体の劣化に関連している可能性が高くなります。さらに、ケーブルの障害は通常、製造段階で残った欠陥、設置および敷設中に発生した損傷、および運用中に徐々に進行する経年劣化の 3 つの段階で発生します。
以下では、わかりやすくするために、これらの最も一般的な問題を分類して説明します。
II.ツリーイング – 絶縁破壊の前の警告サイン
まず、核となる概念であるツリーイングを理解することが重要です。
電力ケーブル工学における「ツリー化」とは、完全に破壊される前に固体絶縁媒体内に形成される微細な木のような亀裂や放電チャネルを指します。ツリーイングは本質的に故障前の現象です。木が電極から電極へと成長すると、絶縁が破壊され、ケーブルが故障します。
ツリー化はその形成に基づいて、次の 3 つのタイプに分類されます。
電気的トリーイング: 長期間の動作電圧下で、エアギャップ、不純物、導体表面の突起など、絶縁体内に微細な欠陥が存在すると、その箇所の電場が深刻な歪みを起こし、部分放電が発生し、最終的にツリー状のチャネルが形成されます。電気ツリーは急速に成長し、一度形成されると元に戻すのが難しく、ケーブルの残りの寿命を直接的に短くします。
AC 電圧下では、電気樹木は 2 つの典型的な形態を示すことがあります。1 つは木の枝に似た分岐構造、もう 1 つはより密集した茂みのような構造です。電圧が高いほど、ブッシュ状のツリーが形成されやすくなります。
33kV XLPE ケーブルの絶縁破壊に関する研究では、電気ツリー現象は高電圧ケーブルの早期故障につながる故障前の現象であり、設計寿命に重大な悪影響を与えることが示されました。ワイブル分布に基づいた別の研究では、印加電圧が高くなるほど、電気ツリーの伝播速度が速くなり、ケーブルの絶縁寿命が短くなることがわかりました。
水トリー現象: 水トリーの形成には、水分、電場、可溶性不純物の 3 つの条件が必要です。
高電界、特定の湿度レベル (相対湿度 70% 以上)、水中の塩分や汚染物質の存在が複合的に影響することにより、XLPE 絶縁体内に水で満たされた非常に小さな空隙とチャネルの密集したネットワークが成長します。これがウォーターツリーイングです。水トリー自体は放電チャネルではありませんが、絶縁材料の体積抵抗率を大幅に低下させ、誘電損失を大幅に増加させ、顕微鏡レベルでの機械的損傷を引き起こします。
水樹の本当の危険性はその「潜伏期間」にあります。通常、それらはゆっくりと成長し、肉眼では見えず、すぐには故障を引き起こしません。ただし、時間の経過とともに、水のツリーは徐々に電気のツリーに変化する可能性があります。水トリー領域に十分な水分や不純物が蓄積すると、電界歪みが増大し、最終的には電気ツリーの急速な成長を引き起こし、動作中に突然の絶縁破壊を引き起こします。
ケーブルを乾燥させることで問題は一時的に軽減されますが、水トリー現象は一般に永続的であり、時間の経過とともに悪化するだけであることに注意することが重要です。
実際の事例では、最終的に 1 つの水ツリーが電気ツリーの故障を引き起こし、700 メートルのケーブルの交換に 20 万ドルを超える直接費用が発生しました。
電気化学ツリー
電気化学ツリーは通常、絶縁材料中の不純物と関連しています。無機不純物（塩や金属粒子など）が絶縁層または半導体層に残ると、電場の影響下で電気化学的劣化が起こり、ツリー状の構造が形成されます。これらの化学的不純物は電界中で解離し、微量の水分とともに局所的な劣化を促進します。
顕微鏡分析により、半導電性層内にサイズが 15 ～ 150 マイクロメートルの範囲のボイドがあることが明らかになりました。これらの空隙は電気化学的樹枝状結晶の開始点と空間的に相関しており、その周囲には NaCl 不純物も存在していました。
Ⅲ．製造時に発生した初期不良
製造中に発生する初期欠陥は、ケーブル本来の弱点です。 XLPE 絶縁体の押出および架橋時のプロセス制御が不適切であると、絶縁体内にいくつかの典型的な問題が残る可能性があります。
ボイド
ボイドは最も一般的な種類の微細欠陥です。これらは通常、有機過酸化物（メタン、アセトフェノンなど）の分解生成物が架橋中に完全に逃げられず、絶縁体内に微細孔が閉じ込められることが原因で発生します。これらの気泡のサイズは通常 15 ～ 150 マイクロメートルです。
研究によると、空隙のサイズ、数、面積、分布がケーブルの電気強度を直接決定します。空隙が大きくなると、AC 破壊強度がより大幅に低下します。動作電圧下では、空隙内で部分放電が発生し、周囲の絶縁材料が徐々に侵食されます。
不純物（汚染物質）
架橋副生成物が十分に除去されていない場合や、外部からの不純物（ゴミや金属粒子など）が絶縁材料に混入している場合、これらの不純物は絶縁の「弱点」となります。電界の影響下では、不純物の周囲に電荷が蓄積し、電界集中が生じ、局部的な劣化が加速されます。
導体の突起と半導体層の凹凸
ケーブルの導体シールド層に凹凸や突起があると、「スパイク」のように絶縁層に埋め込まれ、動作電圧下で局所的に非常に高い電界強度が発生し、電気トリーの起点となります。ケーブル端子の内部半導体層にある球状の空隙、ピンホール、凹凸のシミュレーション解析により、これらの欠陥が電界強度に大きな変化を引き起こすことがわかりました。たとえば、2mm のエアギャップでは、導体の近くで 2.45×10⁶ V/mm もの高い電界強度が発生する可能性があります。
IV.設置および敷設中に品質上の問題が発生する
製造上の欠陥がケーブルの「固有の欠陥」である場合、設置品質の問題は「後天的な栄養失調」であり、これらの問題は保守要員の日常業務でより一般的です。いくつかの国際送電網会社の運用統計によると、ケーブル付属品と接続部が最も頻繁に故障の原因となっています。
付属品の故障: 35kV XLPE ケーブルの故障の原因に関する包括的な分析レポートが 2025 年に発行され、全故障インシデントの 58% が端子故障、32% が主絶縁故障、そして 10% が外部要因であることが示されています。
実際の送電網事業者による別のケースでは、24 の変電所で 129 本の 10kV および 35kV XLPE 電力ケーブルが運用されていました。動作データの分析により、故障の主な原因は電気的経年劣化、熱的経年劣化、および機械的損傷であり、その大部分は付属品 (接合部と終端) の取り付け品質に直接関係していることがわかりました。
別の一連の統計もこの傾向を裏付けています。6,214 件のケーブル障害 (2010 年から 2020 年) を対象とした調査報告書では、ケーブルの絶縁障害が 57% を占め (そのうち XLPE ケーブルは主に水トリーが原因でした)、ケーブル接続部の障害が 23%、第三者による掘削による損傷が 11%、二次変電所の障害が 9% を占めていました。
不適切な接合部の製造
ケーブル接合部の製造中の不適切な操作は、障害の重大な要因となります。一般的な問題としては、半導電層の不均一な切断、XLPE 絶縁表面の傷や破れ、残留異物の除去の不完全、絶縁界面間の空隙、不適切な導体の圧着などが挙げられます。ある研究によると、絶縁表面上の小さな傷や残留半導体粒子や金属粉塵でも、絶縁表面に局所的な電気応力集中が生じ、部分放電が引き起こされる可能性があります。
湿気の侵入
湿気の侵入も過小評価されているリスクです。地下環境では、設置中にケーブルの被覆が損傷したり、接続部の密閉が不十分な場合、地下水が徐々に絶縁層に浸透する可能性があります。水分が接合部に入ると、電場と結合して電気化学的腐食と水トリーの成長を引き起こします。
XLPE 絶縁体の含水率が 0.1% に達すると、誘電損率が乾燥状態の 3 倍以上に増加し、エネルギーの無駄と異常な温度上昇につながることが研究で示されています。
したがって、絶縁性能テストは、ケーブルの試運転前、終端または中間ジョイントの再作成後、およびシースの損傷や水の浸入が疑われる場合に実行する必要があります。銅シールド抵抗と導体抵抗の比を測定することは重要なステップです。
敷設品質
現場での敷設プロセスもケーブルの寿命に影響します。指定された最小曲げ半径を超えてケーブルが敷設されると、絶縁体に不均一な応力が発生し、時間の経過とともに機械的損傷や電気機械的複合老化が発生し、絶縁破壊が加速する可能性があります。さらに、事故が発生した場合にケーブル終端を再作成できるように、一定のケーブル長を確保しておく必要があります。
V. 運用中に遭遇する環境ストレス
熱老化
通常の動作時、XLPE ケーブルの導体動作温度は通常 90°C (XLPE の長期許容動作温度) です。ただし、ケーブルが過負荷状態で長時間動作する場合、または熱放散が不十分な環境 (密な電線管の設置など) で動作する場合、絶縁温度が常に設計値を超える可能性があります。
熱老化は、分子鎖の切断、フリーラジカルの生成、分子量の減少、ポリマーの断片化などの絶縁材料の構造変化を引き起こし、物理的、電気的、化学的特性の不可逆的な劣化につながります。空間電荷の蓄積は、熱老化が絶縁品質に影響を与える重要なメカニズムの 1 つです。空間電荷は電界分布を歪め、電界の不均一性を悪化させ、それによってケーブル絶縁の劣化を加速し、早期の故障を引き起こします。
研究によると、160°C の湿潤老化温度では、ポリマー絶縁体の空間電荷分布が化学劣化に直接関係していることがわかりました。 130°C の熱老化温度では、トラップ準位密度と空間電荷密度の両方が大幅に増加します。これは、絶縁材料の電荷トラップ能力が強化され、絶縁性能がさらに低下することを意味します。
湿気と化学腐食
前述の水トリーに加えて、湿気の侵入は銅導体の腐食という別の直接的な影響ももたらします。
沿岸の産業施設や高湿度の地域で運用されている地下ケーブルでは、銅導体が硫酸塩関連の腐食により黒くなったり、湿気の侵入により酸化して緑色の酸化物層 (緑青) を形成したりすることがあります。
マルチストレス複合老化
実際の運用では、XLPE ケーブルの劣化は単一の要因によって引き起こされるのではなく、熱、電気、機械的ストレス、湿気などの複数のストレスの複合的な影響によって引き起こされることがよくあります。
半結晶性ポリマーである XLPE ケーブルは、動作中に必然的に徐々に老化します。この老化は、熱サイクル、湿気への曝露、継続的な電場、機械的負荷など、さまざまな環境ストレスの複合的な影響によって発生します。時間の経過とともに、これらの要因により誘電特性が徐々に弱まり、最終的には絶縁不良が発生します。
VI. XLPE ケーブルの健全性を検出および評価する方法
実際の運用や保守において、XLPE ケーブルに上記の問題があるかどうかを判断するには、いくつかの方法があります。
AC耐電圧試験と部分放電検出
非常に重要な注意事項: XLPE ケーブルは DC 高電圧を使用してテストしないでください。
その理由は、DC 耐電圧試験中に、ケーブル絶縁内の既存の「樹木」を通じて空間電荷が絶縁層に注入される可能性があるためです。 XLPE 絶縁材は抵抗率が非常に高いため、放電後の残留電荷の消散が困難になります。この残留電荷により、動作中の AC 電界に重畳する電界が発生し、DC 耐電圧試験に合格して動作を開始した後、ケーブルが故障しやすくなります。
したがって、XLPE 電源ケーブルの場合は、AC 耐電圧試験と部分放電検出を組み合わせて評価することを推奨します。
絶縁抵抗測定：主ケーブル絶縁体の絶縁抵抗を測定することは、絶縁体全体の吸湿、全体的な劣化、貫通欠陥の検出に有効です。ただし、直接埋設ケーブルのPVC外被が長期間の地下水浸漬や外力損傷を受けたが完全破壊には至っていない場合には、絶縁抵抗の低下だけでは外被の損傷・浸水と直接判断することはできないので注意が必要です。
誘電損失測定: 前述したように、XLPE 絶縁材料の誘電損失係数は、含水率が 0.1% に達すると大幅に増加します。定期的な誘電損失測定は、絶縁体の吸湿と経年劣化の状態を監視する重要な手段です。
VII.海外の顧客がこれらの問題に注意を払う必要がある理由
これまで、XLPE ケーブルが実際のアプリケーションで遭遇する可能性のあるさまざまな問題について詳しく説明してきました。
これらの問題を理解しても、XLPE ケーブルの使用を「恐れる」わけではありません。逆に、これは経験豊富なケーブル メーカーが顧客に提供すべきエンジニアリング知識です。真のプロフェッショナリズムとは、製品を完璧に梱包することではなく、製品がどのような条件で故障するのか、なぜ故障するのかを知り、顧客がこれらの問題を回避できるよう支援することです。
海外のお客様がXLPEケーブルを一括購入する際に気になるのは、「このケーブルは不良品ではないか？」ということではなく、「仕様通りに設置して使用した場合、寿命はどのくらいになるのか？」、「動作中にどのような異常信号に注意すべきか？」、「予防テストはいつ行うべきか？」ということです。
これらの質問に答えられるサプライヤーは、長期的な信頼に値します。
Ⅷ.まとめ
XLPE ケーブルに関する一般的な問題は、いくつかのレベルに要約できます。
最も基本的な問題はツリー化です。電気ツリー、水ツリー、および電気化学ツリーは、絶縁破壊に先立つ破壊前の信号です。それらは、顕微鏡レベルで断熱材の完全性を徐々に侵食します。
製造段階でのエアギャップ、不純物、半導電層の凹凸などの初期欠陥は、ケーブル本来の弱点となります。これらの欠陥の原因は、架橋プロセスまたは材料の清浄度に対する不適切な制御に遡る可能性があります。
設置および敷設段階では、ケーブル アクセサリと接合部が最も故障の影響を受けやすい箇所です。端子故障が 58%、接合部故障が 23% を占めます。一般的な原因としては、不適切な接合部の製造、湿気の侵入、ケーブルの曲げ半径が小さすぎることが挙げられます。
動作段階では、熱老化により絶縁劣化が促進され、湿気や化学腐食によりシールド層と導体がさらに損傷します。複数の応力の累積的な影響により、最終的には故障が発生します。
XLPE ケーブルの寿命全体を通じて、絶縁損傷が主な原因であり、全故障の 86.7% を占めます。熱老化、変性、部分放電、および表面沿面距離は、XLPE 絶縁材料の主な故障モードです。
テストに関しては、XLPE ケーブルの DC 耐電圧テストは避けるべきです。代わりに、AC 耐電圧試験と部分放電試験を組み合わせた方が信頼性が高くなります。
XLPE ケーブルを現在使用している、または購入しようとしている場合は、納入前の品質検査レポート (特に部分放電テストの結果)、設置時の付属品の品質 (資格のある建設チームの選択)、動作中の状態監視方法 (赤外線熱画像や部分放電検出などの定期検査) の 3 つの重要な側面に重点を置くことをお勧めします。
