電力ケーブルの説明: 電気ケーブルの種類とワイヤ絶縁

とは何ですか 電源ケーブル ?

電力ケーブルは、電気エネルギーを電源から負荷 (負荷が建物、機械、インフラストラクチャ、民生用機器など) に伝送するように設計された絶縁された電気導体です。すべての電源ケーブルは 2 つの機能を同時に実行します。1 つは最小限の抵抗損失で電流を流すこと、もう 1 つは人、機器、または環境との接触を防ぐ絶縁および保護された構造内にその電流を安全に封じ込めることです。

最も基本的なレベルでは、電源ケーブルは次のもので構成されます。 指揮者 そして 絶縁層 。実際には、産業用、商業用、およびインフラストラクチャ用途で使用されるほとんどのケーブルはかなり複雑で、複数の導体、半導体スクリーン、金属シールド、外装層、および外側シースが組み込まれており、それぞれが定義された機械的または電気的目的を果たします。ケーブルの構造は、ケーブルが伝送しなければならない電圧、処理しなければならない電流、ケーブルが動作する設置環境、および耐用期間中に遭遇する機械的ストレスによって決まります。

電源ケーブルは、電圧定格によって次の 3 つの広いカテゴリに分類されます。 低電圧 (LV) 最大 1 kV 定格のケーブル。建物の配線、電気製品の接続、軽工業用配電に使用されます。 中電圧（MV） 定格 1 kV ～ 36 kV のケーブル。産業用配電および電力供給装置に使用されます。そして 高電圧（HV） 定格 36 kV 以上のケーブルで、送電網や大規模な電力インフラで使用されます。各電圧クラスには、その設計と使用を管理する独自の導体サイズ規格、絶縁体の厚さの要件、設置規定があります。

導体の材料はほぼ普遍的に次のいずれかです。 銅 または アルミニウム 。銅は、優れた導電率 (約 58 MS/m 対アルミニウムの 35 MS/m)、より高い引張強度、接続点の耐腐食性が優れているため、ほとんどの固定配線やフレキシブル ケーブルの用途に適した導体です。アルミニウムは大幅に軽く、単位導電率当たりのコストが低いため、重量と材料コストが主に考慮される架空送電線や大断面の地下配電ケーブルでアルミニウムが主流となっています。

電気ケーブルの種類

電気ケーブル配線は単一の製品カテゴリではなく、電圧クラス、設置方法、環境への曝露、および機械的要求の特定の組み合わせに合わせてそれぞれが最適化された幅広い構造です。配電および建物の配線において最も重要なケーブルの種類を以下に説明します。

非外装 PVC または XLPE ケーブル (NYY / N2XY)

PVC または XLPE 絶縁体と PVC 外側シースを備えた非外装低電圧ケーブルは、建築設備、軽工業用配線、電線管への直接埋設用途で最も広く設置されているケーブル タイプです。 NYY 指定 (PVC 絶縁、PVC シース) および N2XY 指定 (XLPE 絶縁、PVC シース) は、ヨーロッパおよびほとんどの国際市場で使用されている IEC 命名規則に従っています。これらのケーブルは、導体断面積が 1.5 mm² ～ 300 mm² 以上のシングルコア構成とマルチコア構成で入手できます。 XLPE 絶縁バリアントは、同じ導体サイズの PVC 同等品よりも高い電流定格を伝送します。 架橋ポリエチレン断熱材の優れた熱性能によるものです。

外装ケーブル (SWA および AWA)

外装ケーブルには、絶縁体と外側のシースの間に機械的保護層が組み込まれています。 鋼線装甲 (SWA) ケーブルは、絶縁されたコアアセンブリの周りに螺旋状に巻かれた亜鉛メッキ鋼線の層を使用しており、圧壊、げっ歯類の攻撃、偶発的な衝撃に対する耐性を備えています。 SWA は、導管を使用しない直接埋設、地下配線、および機械的損傷を受けやすい工業環境での表面実装配管の標準的な選択肢です。 アルミワイヤー外装（AWA） ケーブルは鋼鉄の代わりにアルミニウム線を使用しているため、重量が軽減され、アルミニウム導体ケーブルの電気腐食のリスクがなくなり、AC システムで鋼鉄の外装が許容できない渦電流損失を生み出す地下の単芯ケーブルに好まれます。

鉱物絶縁ケーブル（MICC/MIケーブル）

鉱物絶縁ケーブルは、圧縮酸化マグネシウム (MgO) 粉末を絶縁材料として使用し、銅導体とシームレスな銅またはステンレス鋼の外側シースの間に詰められます。その結果、ケーブルが完成しました。 優れた耐火性 — MgO は不燃性であり、金属シースはいかなる火災条件下でも燃えたり、有毒なガスを放出したりしません。 MI ケーブルは 1,000°C を超える温度でも回路の完全性を維持し、多くの建築基準法で火災警報回路、非常照明、排煙システム、その他の生命安全配線に義務付けられています。それらの制限は、コストが高いこと、柔軟性が限られていること、切断端から湿気が侵入しやすいことであり、そのためには密閉された終端が必要です。

フレキシブルケーブルとトレーリングケーブル

フレキシブル ケーブルは、数十から数百の細いワイヤを撚り合わせて構成された細かく撚られた導体を使用し、家電製品のコード、携帯工具、延長リード、機械のトレーリング リードなどの可動接続に必要な曲げ半径と屈曲サイクル耐久性を実現します。撚り線のクラスによって柔軟性が決まります。IEC 60228 に基づくクラス 5 (細いより線) およびクラス 6 (極細より線) 導体は、頻繁に屈曲する用途に使用され、クラス 2 (より線) は固定配線の標準です。柔軟なケーブルの絶縁体とシースは、純粋に熱性能を最適化するのではなく、耐摩耗性、耐油性、繰り返しの屈曲性を考慮して配合されています。

中電圧および高電圧 XLPE ケーブル

1 kV を超えると、ケーブルの構造が大幅に複雑になります。 MV および HV ケーブルには次のものが必要です 指揮者 screens and insulation screens — 導体上および絶縁体の外表面上に直接適用される半導体材料の薄い層 — 導体表面および絶縁体とシースの界面での電界集中を平滑化します。これらのスクリーンがないと、撚り線の不均一な形状により、時間の経過とともに絶縁劣化を引き起こすほどの局所的な電界強化が発生します。 XLPE は世界中の MV および HV ケーブルの主要な絶縁材料であり、その優れた耐湿性、軽量性、およびより高い導体温度 (PVC の場合は連続 90 °C に対して 70 °C) で動作する能力により、過去 30 年間で紙油絶縁ケーブル (PILC) に大きく取って代わりました。

電力導体付きのデータおよび信号ケーブル (ハイブリッド ケーブル)

ハイブリッド ケーブルは、単一のシース内で電力導体と信号またはデータ導体を結合し、電力と通信の両方が同じエンドポイントに到達する必要があるアプリケーション (産業機械、CCTV システム、ビルディング オートメーション、再生可能エネルギーの監視など) での設置の複雑さを軽減します。電力要素と信号要素は物理的に分離されており、信号回路を破壊する電力導体からの電磁干渉を防ぐためにケーブル内で個別に遮蔽されることがよくあります。

電線の絶縁の種類

ワイヤ絶縁は導体を囲む材料層であり、電流が意図した経路から逃げるのを防ぎます。絶縁体は、動作電圧の電気的ストレス、負荷時の導体温度の熱ストレス、および設置環境によって課される機械的または化学的ストレスに耐える必要があります。絶縁材料の選択は、ケーブル仕様において最も重要な決定事項の 1 つであり、動作温度定格、通電容量、耐薬品性、火災挙動、耐用年数が決まります。

PVC（ポリ塩化ビニル）

PVC は、世界中で最も広く使用されているケーブル絶縁材および外装材であり、低電圧ケーブル生産量の大部分を占めています。その優位性は、適切な絶縁耐力、湿気や多くの化学物質に対する良好な耐性、適度な機械的靭性、標準的な押出装置での加工の容易さなど、低コストでの特性の有利な組み合わせによってもたらされます。標準の PVC 絶縁体の連続導体温度は次のとおりです。 70℃ 、90℃ および 105°C の用途に特化した配合が利用可能です。

PVC の主な制限は、その発火挙動です。 PVC の燃焼により塩化水素ガスやその他の有毒なハロゲン化化合物が放出され、PVC ケーブルは火災時に濃密な黒煙を生成します。これが、高占有率の建物、閉鎖空間、トンネル、公共交通インフラでの PVC の使用がますます制限または禁止されている理由です。特にヨーロッパでは、ロースモーク ゼロ ハロゲン (LSZH) 要件が多くの仕様カテゴリで PVC に取って代わりています。

XLPE (架橋ポリエチレン)

XLPE は、ポリエチレンのポリマー鎖を架橋し、熱可塑性材料を熱硬化性材料に変換することによって製造されます。架橋により、温度が上昇すると徐々に軟化する標準的なポリエチレンや PVC とは異なり、高温でも溶融したり流動したりしない 3 次元ポリマー ネットワークが形成されます。その結果、次の連続導体温度に耐える絶縁材料が得られます。 90°C PVC の連続 70 °C および短絡 160 °C の制限と比較して、(電力ケーブル) および短絡回路の温度は 250 °C までです。

XLPE のより高い温度定格は、特定の導体サイズでのケーブルの電流容量を直接増加させます。95 mm² の XLPE 絶縁ケーブルは、同等の設置条件で PVC 絶縁を使用した同じ導体サイズよりも約 15 ～ 20% 多くの電流を流すことができます。 XLPE は優れた誘電特性も備えているため、すべての中電圧および高電圧ケーブルの絶縁材として最適です。その制限には、PVC と比較して材料費と加工コストが高いこと、および架橋が不可逆的であるという事実 (XLPE ケーブルの端材やスクラップは再溶解によってリサイクルできない) が含まれます。

LSZH / LS0H (低煙ゼロハロゲン)

LSZH 絶縁およびシースコンパウンドは、ハロゲンフリーの熱可塑性または熱硬化性ポリマーから配合されています。通常は、難燃剤としてアルミニウム三水和物 (ATH) または水酸化マグネシウムを充填したポリオレフィンブレンドをベースとしています。 LSZH 材料は火にさらされた場合でも煙の発生が最小限で、ハロゲン酸ガスも発生しません。これにより、閉鎖空間での生存性と避難状況が劇的に改善されます。 燃焼した PVC ケーブルから発生する塩化水素は、建物火災における行動不能の主な原因です 、熱や炎自体から独立しています。

LSZH ケーブルは、ほとんどの先進市場のトンネル、空港、鉄道駅、データ センター、軍艦、高層ビルで使用が義務付けられています。 PVC とのトレードオフとして、コストが高くなり、一部の配合では低温での柔軟性が低下します。これは、寒冷地や冷蔵環境での設置に関連します。

EPR（エチレンプロピレンゴム）

EPR は、広い温度範囲 (通常 -40 °C ～ 90 °C 連続) で優れた柔軟性、オゾン、紫外線、耐候性に対する優れた耐性、および良好な誘電特性を備えた合成ゴム絶縁材料です。 EPR ケーブルは、PVC や XLPE が著しく硬化する寒冷条件でも柔軟性を維持するため、EPR は鉱山ケーブル、海洋および海洋用途、溶接ケーブル、および屋外または過酷な環境で繰り返し屈曲する必要があるあらゆる設置に推奨される絶縁材となります。 EPR は中電圧ケーブルの絶縁としても使用され、その柔軟性により混雑したケーブルルートへの設置が簡素化されます。

シリコーンゴム

シリコーンゴム絶縁体は、例外的な温度範囲で動作します。通常、 −60℃〜180℃ 連続的に使用でき、一部のグレードでは 200°C 以上に耐えられます。他のほとんどの絶縁材料が脆くなる極低温でも柔軟性を保ち、PVC や EPR が劣化する温度でも電気特性を維持します。シリコーン絶縁ケーブルは、炉の配線、発熱体、航空宇宙および防衛用途、高温産業機器に使用されます。シリコーンは、より硬い絶縁材料に比べて機械的強度が比較的低く、表面の磨耗を避けるために慎重な取り扱いが必要ですが、高温の用途では、多くの場合、実行可能な唯一の絶縁オプションとなります。

PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）

PTFE は、一般的な電線絶縁材料の中で最も高い耐薬品性を備えています。PTFE は、260°C までの温度ですべての酸、塩基、および溶剤に対して本質的に不活性です。 PTFE 絶縁ワイヤは、実験器具、化学処理装置、航空宇宙配線、および攻撃的な化学薬品や極端な温度にさらされると他の絶縁材料が破壊されるあらゆる用途で使用されます。 PTFE は高価で加工が難しいため、その独自の特性の組み合わせを低コストの代替品では再現できない特殊な用途に使用が限定されます。

酸化マグネシウム (鉱物絶縁)

上記のケーブル タイプのセクションで説明したように、圧縮 MgO 粉末は鉱物絶縁ケーブルの絶縁媒体として機能します。これは、一般的に使用されている唯一の真に不燃性のケーブル絶縁体です。燃えたり、ガスを放出したりせず、他のあらゆる種類の絶縁体を破壊するような火災条件下でも劣化しません。そのアプリケーションは特殊ですが、火災状況下での回路の完全性が人命の安全要件となる場合には常に重要です。

設置環境がケーブルと絶縁体の選択を決定する方法

単一のケーブル タイプや絶縁材料が普遍的に最適であるということはありません。正しい仕様は、電気的要件とケーブルが耐用年数にわたって耐えなければならない物理的環境の組み合わせによって常に決定されます。

• 導管を使わない直接埋葬 地面の湿気、土壌化学物質、および時折の機械的外乱に耐える堅牢な外側シースを備えた外装ケーブル (SWA または AWA) が必要です。 XLPE 絶縁は、耐湿性と電流容量が大きいため、PVC よりも好まれます。
• 囲まれた建物と公共スペース 火災安全規制に基づく LSZH ケーブルの必要性がますます高まっており、特に避難経路、工場室、ケーブルが大量に配線されている吊り天井の上のエリアでは顕著です。
• 屋外露出ランニング 紫外線安定化シース (黒色のポリエチレンまたは耐紫外線性 PVC) が必要です。また、機械的損傷のリスクがあるケーブルの場合は、外装または電線管の保護が必要です。
• 高温環境 — 炉、エンジン、または排気システムの近くでは、周囲温度と負荷時の導体温度上昇を考慮した定格のケーブルが必要です。周囲温度が 70°C を超える場合は、通常、シリコンまたは EPR 絶​​縁が指定されます。
• 化学物質への曝露 製薬、石油化学、または食品加工工場では、標準的な PVC や XLPE は特定の溶剤や油にさらされると膨張したり、亀裂が入ったり、誘電性が失われたりする可能性があるため、存在する特定の化学物質に耐性のある PTFE 絶縁体や特別に配合されたシースが必要になる場合があります。

設置環境、ケーブル構造、絶縁材料の間のこれらの関係を理解することが、正しいケーブル仕様の基礎となります。 誤った環境向けに定格されたケーブルを選択することは、ケーブルの早期故障の最も一般的な原因の 1 つです — そして、配電アプリケーションでは、ケーブル障害は計画外のダウンタイム、アクセスできないルートでの高価な交換、および潜在的な安全上のインシデントを意味します。