電験三種 学習ノート

はじめに

電線はなぜ銅？ 送電線はアルミだと聞いたけど

コードの芯は銅、まわりはビニル、モーターには薄い鉄の板

送電線はアルミ、変圧器には油、遮断器にはガス

通す・通さない・磁気を通すの3つの役割で整理できる

導電材料、絶縁材料、耐熱クラス、磁性材料の順に学ぶ

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「電線はなぜ銅でできているの？ 送電線はアルミだと聞いたけど……」

身の回りの電気製品を分解してみると、いろいろな材料が使われています。コードの芯は銅、そのまわりはビニルやゴム、モーターの中には薄い鉄の板が何枚も重ねてあります。どれも、なんとなく選ばれているわけではありません。

例えば、送電線の鉄塔に張られた電線は、銅ではなく主にアルミでできています。変電所の変圧器の中には油が満たされ、遮断器の中には特別なガスが詰められています。それぞれに、はっきりした理由があります。

実は、電気の設備に使う材料は、「電気をよく通す」「電気を通さない」「磁気をよく通す」の3つの役割に分けると、すっきり整理できます。そして、それぞれの役割に求められる性質を押さえれば、材料の使い分けが分かります。

そこで登場するのが、今回の主役 導電材料・絶縁材料・磁性材料 です。電力の科目で学んできた設備を、材料の目線から見直していきます。

前回の記事では、単相3線式や力率の違う負荷の、電圧降下と損失の計算を学びました。今回の記事では、電線に使う導電材料、絶縁油や六ふっ化硫黄などの絶縁材料と耐熱クラス、そして鉄心に使うけい素鋼板やアモルファス合金について解説します。

導電材料：電気をよく通す材料

電気を流すための導電材料。電線や巻線に使う

抵抗率が小さく、引っ張りに強く、さびにくく安い

軟銅を100%として、硬銅は約97%、硬アルミは約61%

密度は銅が約8.89、アルミは約2.70g/cm³と軽い

小さく重いリュックより、大きめでも軽いほうが楽

アルミは、中心に鋼線を入れた鋼心アルミより線で使う

同じ抵抗なら、アルミ線は断面積1.64倍で質量は約0.5倍

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はじめに、導電材料について紹介します。

電気を流すために使う材料を 導電材料 と呼びます。電線、ケーブルの芯、変圧器やモーターの巻線などに使います。

導電材料に求められる性質は、主に次のとおりです。

【導電材料に求められる性質】

• 抵抗率が小さく、電気をよく通す
• 引っ張りに強く、加工しやすい
• さびにくく、安く手に入る

代表は 銅 と アルミニウム です。理論で学んだように、電気の通しやすさは導電率で表します。導電材料では、基準になる軟銅（やわらかい銅）の導電率を 100% として、何％かで比べることがよくあります。

【銅とアルミの比較】

• 軟銅： 導電率 100%。やわらかく曲げやすい。屋内配線やケーブル、巻線に使う
• 硬銅： 導電率 約 97%。引っ張りに強い。架空の電線に使う
• 硬アルミ： 導電率 約 61%。密度が銅の約 3 分の 1 で軽い。送電線に使う

アルミは、銅より電気を通しにくい材料です。それでも送電線に使われるのは、とても軽いからです。銅の密度は約 8.89g/cm³、アルミは約 2.70g/cm³ です。

リュックにたとえると分かりやすいです。少し大きめでも軽いリュックのほうが、小さくて重いリュックより、長い山道を楽に歩けます。鉄塔の間に長く張る送電線では、太さより軽さが大事なのです。アルミは引っ張りに弱いので、中心に鋼線を入れて強くした鋼心アルミより線として使います（架空送電線路の記事で学びました）。

例題：同じ抵抗の銅線とアルミ線

長さと抵抗が同じ銅線とアルミ線を比べます。アルミの導電率を銅の 61%、密度を銅 8.89g/cm³、アルミ 2.70g/cm³ とすると、アルミ線の断面積と質量は、銅線の何倍でしょうか？

【解き方】

1. 抵抗率の比を求める： 導電率が 0.61 倍なので、抵抗率は $1 \div 0.61 \fallingdotseq 1.64$ 倍
2. 断面積の比を求める： $R = \rho L / A$ で $R$ と $L$ が同じなので、$A$ は $\rho$ に比例して約 1.64 倍
3. 質量の比を求める： 質量 = 密度 × 断面積 × 長さ なので、$1.64 \times 2.70 \div 8.89 \fallingdotseq 0.50$ 倍

答えは、断面積が約 1.64 倍、質量が約 0.5 倍です。同じ抵抗なら、アルミ線は太くなるものの、重さは銅線の約半分で済みます。

このように、導電材料には抵抗率の小さい銅とアルミが使われ、軽さが大事な送電線にはアルミ、それ以外の多くの場所には銅が選ばれます。

以上が、導電材料についてです。

絶縁材料：電気を通さない材料

導電材料が水道管なら、絶縁材料は水が漏れない管の壁

絶縁耐力が大きく、誘電損が小さく、熱に強い

絶縁材料には、気体・液体・固体がある

絶縁油は変圧器に満たし、絶縁と冷却を兼ねる

絶縁油は引火点が高く、粘度と凝固点が低いのがよい

酸化するとスラッジができる。窒素で空気から遮る

六ふっ化硫黄は、ガス遮断器などの中に詰める気体

空気の約2〜3倍の絶縁耐力と、優れた消弧能力

温室効果がとても大きいので、漏らさず回収する

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次に、絶縁材料について紹介します。

電気が流れてほしくないところで、電気を止めるために使う材料を 絶縁材料 と呼びます。電線の被覆、がいし、変圧器の巻線のまわりなどに使います。導電材料が「水道管」なら、絶縁材料は「水が漏れないようにする管の壁」です。

絶縁材料に求められる性質は、主に次のとおりです。

【絶縁材料に求められる性質】

• 絶縁抵抗が大きく、高い電圧でも壊れにくい（絶縁耐力が大きい）
• 誘電損が小さい
• 熱に強く、時間がたっても劣化しにくい

絶縁材料には、気体・液体・固体があります。固体では、がいしに使う磁器、CVケーブルに使う架橋ポリエチレン、機器の部品を固めるエポキシ樹脂などがあります。ここでは、試験によく出る液体と気体を見ていきましょう。

1. 絶縁油

絶縁油 は、変圧器などの中に満たす油です。主に石油からつくる鉱油が使われます。巻線の間を絶縁するだけでなく、巻線で出た熱を外へ運ぶ冷却の役目も果たします。

【絶縁油に求められる性質】

• 絶縁耐力が大きい
• 引火点が高く、燃えにくい
• 粘度が低く、流れやすい（熱をよく運ぶ）
• 凝固点が低く、寒くても固まらない
• 化学的に安定で、酸化しにくい

絶縁油は、空気にふれて酸化すると、酸やどろどろの沈殿物（スラッジ）ができて、絶縁と冷却の力が落ちます。そこで、空気にふれる面を小さくする工夫や、窒素ガスで油を空気から遮る工夫がされています。

2. 六ふっ化硫黄

六ふっ化硫黄（$\text{SF}_6$）は、硫黄にふっ素が6つ結びついた気体で、ガス遮断器やガス絶縁開閉装置の中に詰めて使います。

【六ふっ化硫黄の性質】

• 無色・無臭・無毒で、燃えない。化学的に安定している
• 同じ圧力の空気に比べて、絶縁耐力が約 2〜3 倍大きい
• アークを消す力（消弧能力）が非常に優れている
• 空気の約 5 倍重い

優れたガスですが、二酸化炭素の2万倍以上という非常に大きな温室効果を持ちます。そのため、点検や撤去のときに大気中へ漏らさないよう、回収して管理することが大切です。

試験のポイント：絶縁油は「引火点が高く、粘度と凝固点が低い」ことが求められます。六ふっ化硫黄は「無色・無臭・無毒・不燃で、絶縁耐力と消弧能力に優れる」が定番です。

このように、絶縁材料は電気を通さず高い電圧に耐える材料で、変圧器には冷却も兼ねる絶縁油、遮断器などには消弧能力に優れた六ふっ化硫黄が使われます。

以上が、絶縁材料についてです。

耐熱クラス：絶縁材料が耐えられる温度

高い温度で長く使うと、絶縁材料はもろくなって破れる

耐熱クラスはY 90℃からH 180℃まで順に高くなる

冷蔵品を常温に置くと傷むように、温度を超えると劣化

綿や紙はY、油に浸すとA。マイカやガラスでさらに上

高いクラスなら、同じ大きさでも多くの電流を流せる

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続いて、耐熱クラスについて紹介します。

絶縁材料は、熱に弱いという弱点があります。高い温度で長く使うと、だんだんもろくなり、ひびが入って絶縁が破れます。温度が少し上がるだけで、寿命は大きく縮みます。

そこで、絶縁材料を「何℃まで使い続けられるか」で分類したものを 耐熱クラス と呼びます。機器を設計するときは、運転中の最高温度がこの温度を超えないようにします。

【耐熱クラスと許容最高温度】

さらに上には、200℃、220℃、250℃ のクラスもあります。

食べ物の「保存温度」にたとえると分かりやすいです。冷蔵品を常温に置くとすぐ傷むように、絶縁材料も決められた温度を超えると、急に劣化が進みます。耐熱クラスは、材料ごとの「ここまでなら大丈夫」という温度の目安です。

例えば、綿や紙をそのまま使うとクラス Y ですが、絶縁油に浸すとクラス A になります。マイカやガラス繊維などを使うと、さらに高いクラスにできます。高いクラスの材料を使えば、同じ大きさの機器でも、より多くの電流を流して温度が上がっても耐えられます。

試験のポイント：耐熱クラスの順番と温度（Y 90℃、A 105℃、E 120℃、B 130℃、F 155℃、H 180℃）は、空欄補充でよく問われます。「ワイ・エー・イー・ビー・エフ・エッチ」と順番で覚えましょう。

このように、耐熱クラスは絶縁材料が使い続けられる最高の温度で分けた区分で、Y の 90℃ から H の 180℃ へと順に高くなります。

以上が、耐熱クラスについてです。

磁性材料：磁気をよく通す材料

鉄心は磁束の通り道。変圧器やモーターに使う

鉄損にはヒステリシス損と渦電流損があり、熱になる

渦電流損は厚さの2乗に比例。薄い板を重ねてつくる

けい素鋼板は、鉄にけい素を数％加えた0.35mm以下の板

方向性けい素鋼板は変圧器に、無方向性は回転機に

アモルファス合金は急に冷やし、原子の並びを持たない

鉄損はけい素鋼板の約3分の1。ただしもろく高価

整列していない人混みのように、向きを変えやすい

ずっと電圧がかかる柱上変圧器に使うと損失が減る

0.35mmを0.23mmにすると、渦電流損は約0.43倍

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最後に、磁性材料について紹介します。

磁気を通したり、磁石になったりする材料を 磁性材料 と呼びます。変圧器やモーターの鉄心に使う材料と、永久磁石に使う材料に分かれます。ここでは、鉄心に使う材料を中心に見ていきましょう。

1. 鉄心に求められる性質

鉄心は、磁束の通り道です。交流で使うと、磁化の向きが1秒間に何十回も入れ替わり、そのたびに 鉄損 という損失が出て、熱になります。鉄損には、磁化の向きを変えるときの ヒステリシス損 と、鉄心の中に流れるうず状の電流による 渦電流損 があります。

【鉄心の材料に求められる性質】

• 透磁率が大きく、磁束を通しやすい
• 飽和磁束密度が大きく、多くの磁束を通せる
• ヒステリシス損が小さい（磁化の向きを変えやすい）
• 抵抗率が大きく、渦電流が流れにくい

渦電流損は、鉄板の厚さの2乗に比例します。そのため、鉄心は1枚の厚い鉄ではなく、表面を絶縁した薄い板を何枚も重ねてつくります。

2. けい素鋼板

けい素鋼板 は、鉄にけい素を数％加えた鋼板です。けい素を加えると抵抗率が大きくなって渦電流損が減り、ヒステリシス損も小さくなります。厚さは 0.35mm 以下の薄い板が多く使われます。

けい素鋼板には、圧延した方向に特に磁化しやすくした 方向性けい素鋼板 があり、磁束の向きが決まっている変圧器の鉄心に使われます。回転機には、どの向きにも同じように磁化しやすい無方向性けい素鋼板を使います。

3. アモルファス合金

アモルファス合金 は、溶かした金属を急速に冷やして、原子が規則正しく並ぶ前に固めた合金です。「アモルファス」は「形のない」という意味で、結晶の並びを持ちません。

【アモルファス合金の特徴】

• 鉄損が、けい素鋼板の約 3 分の 1 と非常に小さい
• 抵抗率が大きく、厚さ約 0.025mm ととても薄い
• 飽和磁束密度が小さいので、鉄心が大きくなる
• 硬くてもろく、加工しにくい。値段も高い

鉄損は、負荷がなくても電圧がかかっていれば出続けます。夜中も昼間もずっと電圧がかかっている柱上変圧器などの配電用変圧器に使うと、損失を大きく減らせます。

整列していない人混みは、どの方向にも少しずつ動けるので、向きを変えるのが楽です。アモルファス合金も、原子の並びがばらばらなので、磁化の向きを変えやすく、ヒステリシス損が小さいのです。

例題：鋼板を薄くしたときの渦電流損

厚さ 0.35mm のけい素鋼板を、厚さ 0.23mm のけい素鋼板に替えました。ほかの条件が同じとき、渦電流損は元の何倍になるでしょうか？

【解き方】

1. 渦電流損は厚さの2乗に比例することを使う
2. 厚さの比を求める： $0.23 \div 0.35 \fallingdotseq 0.657$
3. 2乗する： $0.657^2 \fallingdotseq 0.43$

答えは約 0.43 倍です。厚さを 3 分の 2 ほどにするだけで、渦電流損は半分以下になります。

試験のポイント：けい素鋼板は「けい素で抵抗率を上げ、薄い板を重ねて渦電流損を減らす」、アモルファス合金は「鉄損が小さいが、飽和磁束密度が小さく、もろい」が定番です。

このように、鉄心の磁性材料には、鉄損の小さいけい素鋼板とアモルファス合金が使われ、薄い板を重ねて渦電流損を抑えています。

以上が、磁性材料についてです。

今回のまとめ

アルミは導電率約61%。同じ抵抗なら質量は銅の約半分

絶縁油は引火点が高く、粘度と凝固点が低い

六ふっ化硫黄は無色・無臭・無毒・不燃で消弧に優れる

耐熱クラスはY 90℃、A 105℃からH 180℃まで

鉄心はけい素鋼板やアモルファス合金。薄い板で損失減

キーワードは導電材料・絶縁材料・磁性材料など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、電気を通す・通さない・磁気を通す材料の性質と使い分けを紹介しました。どの材料も、その場所で何が大事か（軽さ、絶縁と冷却、損失の小ささ）で選ばれています。これまで学んできた発電所・変電所・送配電線の設備は、こうした材料に支えられています。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 導電材料は銅とアルミ。アルミは導電率が約 61% だが軽く、同じ抵抗なら質量は銅の約半分。
• 絶縁油は、絶縁と冷却を兼ねる。引火点が高く、粘度と凝固点が低いことが求められる。
• 六ふっ化硫黄は、無色・無臭・無毒・不燃で、絶縁耐力と消弧能力に優れる。
• 耐熱クラスは Y 90℃、A 105℃、E 120℃、B 130℃、F 155℃、H 180℃。
• 鉄心にはけい素鋼板やアモルファス合金を使う。渦電流損は板の厚さの2乗に比例する。

キーワードのおさらい

• 導電材料: 電気を流すために使う材料。銅やアルミ
• 絶縁材料: 電気を止めるために使う材料。気体・液体・固体がある
• 絶縁油: 変圧器などに満たし、絶縁と冷却を兼ねる油
• 六ふっ化硫黄: 絶縁耐力と消弧能力に優れた気体。ガス遮断器などに使う
• 耐熱クラス: 絶縁材料を、使い続けられる最高の温度で分けた区分
• 磁性材料: 磁気を通したり磁石になったりする材料
• けい素鋼板: 鉄にけい素を加えた鋼板。鉄心に使い、鉄損が小さい
• アモルファス合金: 結晶の並びを持たない合金。鉄損がとても小さい

以上が、今回のまとめです。

さて、電力の科目は、これでおしまいです。発電所で電気をつくり、変電所で電圧を変え、送電線と配電線で家まで届ける流れを、ひととおり学びました。では、その電気を受け取って、ものを動かしたり、電圧を変えたりする機械は、どんなしくみで動いているのでしょうか？

次回からは、いよいよ機械の科目に入ります。最初は、モーターと発電機の基本となる、直流機の原理と構造について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。