高電圧線路向けの適切な絶縁体を選ぶ方法

高電圧用途における主要な絶縁体の種類と材料選択について理解する

サスペンション、ポスト、ロングロッド、ストレイン絶縁体：HVシステムにおける機能と構造的役割

高圧送電システムでは、重要な役割を果たす4つの主要な種類の絶縁体があります。懸垂絶縁体（サスペンション・インシュレータ）は、個々のディスクを連ねたストリングによって導体の重量を支える方式です。この構成により、エンジニアはさまざまな形状のタワーを設計でき、線路が複雑な地形に沿って走行する必要がある場合にも対応しやすくなります。柱型絶縁体（ポスト・インシュレータ）は変電所に見られる太い母線（バスバー）をしっかりサポートするもので、数百キロボルトに達する電圧にも耐えられるように頑丈に作られています。ロングロッド絶縁体は、陶器または複合材料でできた単一の長い一体成型構造が特徴です。これは汚れの付着に対して特に強く、長さのある表面が部品間の危険なフラッシュオーバーを防ぐためにEHV（超高圧）用途で頻繁に使用されています。また、ストレイン絶縁体は送電線の端に設置され、高低差の変化や大量の積雪、大地を吹き渡る強風など、さまざまな力が加わってもすべてをしっかりと保持する役割を担っています。それぞれのタイプは、風圧、氷雪の付着、さらには地震といった異なる課題に対処するために特別に設計されています。興味深いことに、研究によると、繰り返されるストレス下での寿命は、古いディスクストリング構造と比べてロングロッド絶縁体の方が約30％長くなることが示されており、多くの現代の設備において賢明な選択となっています。

セラミック、ガラスおよび複合絶縁体：性能、耐久性、および用途への適合性

高電圧環境における機器の性能と耐久性を考える上で、使用される材料は非常に重要です。電気的絶縁強度が1フィートあたり150kV以上あり、温度変化に対しても安定しているため、昔から陶磁器が広く使われてきました。しかし、衝撃に弱く割れやすいという欠点があり、点検や保守が容易でない、あるいは安全でない場所では大きな問題となります。強化ガラス製の絶縁体は、自然に自浄作用が働き、完全に破損する前にひび割れが見えるため、安全性の面で優れています。ただし、海岸線近くのように空気中に塩分が多い環境では、表面が時間とともに劣化し、耐久性が十分ではありません。複合ポリマー絶縁体は、特に汚染がひどい、あるいは湿気の多い環境で最近特に注目されています。内部にガラス繊維を、外側にシリコーンゴムを用いた構造で、撥水性により汚れを通常の材料に比べて約40％速く除去できます。いくつかの現場報告では、乾燥した気候下において、従来の陶磁器製品に比べて約15年長く使用できる可能性があるとされています。しかし、長期間の太陽光による紫外線（UV）照射にさらされると劣化しやすいため、劣化をできるだけ遅らせるための特別な配合の開発が求められています。現在の超高電圧システムの動向を見ると、ガラスまたは陶磁器の芯材の利点と、複合被覆材の耐候性を組み合わせた新しいハイブリッド方式が登場しつつあります。

電気的および機械的性能要件の評価

絶縁強度および電圧定格：110 kV超超高圧（UHV）およびHVDCシステムに適合する絶縁体の選定

適切な絶縁材料を選ぶには、システム電圧と実際に発生する電気的応力の両方を慎重に考慮する必要があります。110kVから800kVの交流システムでは、標準的なセラミック絶縁体は一般的に1センチメートルあたり約10～12kVに耐えられます。しかし、超高圧（UHV）や高圧直流（HVDC）の用途になると、要求される性能は大幅に高まります。このようなシステムでは、電界がはるかに強くなるため、少なくとも15kV/cm以上の耐電圧性能を持つ材料が必要です。HVDCを扱う際にはさらに課題が生じます。電界の分布は極性に依存し、これらのシステムは他のシステムよりも表面汚染物質を速く集めてしまいます。この汚染問題は実際には絶縁体の劣化プロセスを加速させ、時間の経過とともに漏れ電流が増加する原因となります。ほとんどのエンジニアは、こうした偶発的な電圧スパイクに対して安全を確保するため、通常の運転条件を超えて20～30％程度の余裕を持たせて設計しています。超高圧絶縁体の例として、1800kVで1分間という厳しい試験を実施し、過酷な条件下でも耐えられるかを確認することがあります。多くの企業は現在、HVDC用途に複合ポリマー絶縁体の採用を進めています。これらの絶縁体は表面に電界をより均等に分散させることができ、汚れや汚染によるフラッシュオーバーに対して、従来の選択肢よりも優れた耐性を発揮します。

機械的負荷容量：風圧、氷雪、張力、地形による課題に耐える能力

過酷な環境下での信頼性の高い運転においては、機械的性能が極めて重要です。高電圧絶縁体は以下の条件に耐えられる必要があります。

• 風圧および氷雪荷重 ：氷雪蓄積の多い地域における345kV線路では、70kNを超える曲げ強度（カンチレバー強度）が必要
• 導体の張力 ：線路障害や極端な気象条件下でも連鎖的破損を防ぐため、120kNを超える引張強度が必要
• 地震および地形による応力 ：地震多発地域では振動ダンパーを使用し、山岳地帯または開けた地形ではガロッピング防止設計を採用
  複合絶縁体は、約40 MPaの陶磁器と比較して、500 MPaを超える優れた引張強度を備えており、シリコーンゴム製の外装は氷の剥離性能を向上させます。沿岸地域では、絶縁体が25～30 mm/kVの漏れ電流距離と疎水性表面を備えることで、塩分によるトラッキングに抵抗します。IEC 61109およびANSI C29.11規格への適合により、実際の条件下での機械的および電気的性能が保証され、長期間にわたる信頼性の高い運用が可能になります。

過酷な環境下における耐環境性と長期信頼性を評価

沿岸、工業地帯および乾燥気候における漏れ電流距離および汚染性能

絶縁体の性能と耐用年数は、その周囲の環境に大きく依存します。特に爬電距離（2つの電極間で絶縁体表面に沿った実際の最短距離）については、汚染レベルが高い場所では危険なフラッシュオーバーを防ぐために、その値を調整する必要があります。海岸地域では、塩分が時間とともに蓄積し、表面に導電性の層を形成するため、特別な問題が生じます。そのため、多くの製造業者が水分や汚れを重要な部品から遠ざける性能に優れた疎水性シリコーンゴム複合材料を採用しています。これにより、最小化したいリーク電流を低減できます。工業地域では、硫化物やセメントダストなどの化学汚染物質によって絶縁体が攻撃されるという別の課題があります。これらの物質は湿ると導電性のパスを形成する傾向がありますが、リブ状のプロファイル設計と定期的な清掃により、この問題の解決に大きく貢献しています。砂漠地帯でも、砂による材料の摩耗と強い紫外線による劣化という独自の困難があります。研究によれば、強化ガラスはこうした過酷な条件に対して、従来の陶磁器製品より約30％優れた耐久性を示します。汚染された環境下での適切な動作を保証するため、エンジニアはリーク電流を密接に監視し、高湿度時に熱暴走を防ぐために50mA以下の閾値に抑えることを目指しています。試験手順には、マイナス40度からプラス80度までの極端な温度変動を何十年にもわたって模擬する加速老化試験が含まれており、これにより製造業者は長期間にわたる材料の耐久性について確信を持てます。そしてもちろん、推奨される爬電距離は、絶縁体が設置される場所に応じて変化します。

気候に最適化された形状を持つ絶縁体を選定することで、表面抵抗、撥水性、自浄能力のバランスが取れ、25年以上にわたり信頼性の高い運転が可能になります。

電圧および用途に基づく選定フレームワークを適用する

33 kV-345 kV AC と UHV/HVDC 用絶縁体の選定：串の構成、kVあたりの単位数、および信頼性のベンチマーク

適切な絶縁体を選定するには、取り扱う電圧レベルと現場での実際の使用方法が大きく影響します。33kVから345kVまでの交流（AC）システムを扱う場合、柔軟な串型構成と汚染物質の付着に対する優れた耐性が求められます。環境条件が極端に厳しい地域でなければ、通常は100kVあたり8〜10個のセラミックまたはガラス製ユニットで十分な性能が得られます。しかし、超高圧（UHV）や高圧直流（HVDC）システムでは状況が異なります。このような設備ではより堅牢なものが求められ、通常は25mm/kV以上の長い沿面距離を持ち、汚れの蓄積に対して優れた保護性能を発揮する複合ポリマー絶縁体が用いられます。また、同様の交流システムと比較して、こうしたシステムでは強い電界に対応するために、絶縁体ユニットの数を約1.5倍程度必要とするケースが多いです。ここでの信頼性基準も非常に厳しく、多くのUHVプロジェクトでは年間故障率0.05％未達を目指しています。また、機械的強度についても忘れてはなりません。特に厚氷の付着や強風が頻発する地域では、絶縁体が50kNを超える静的張力にさらされることもあり、この点も重要です。業界の専門家は一般的に、漏れ距離に関してはIEC 60383のガイドラインを、機械的負荷に関してはANSI C29の仕様に従い、長期的に安定した運転を行い、送電網全体の安定性を維持しています。

よくある質問