地中送電線路

電力-13　発電・変電・送配電・電気材料

直接埋設式
管路式
暗きょ式
CVケーブル
充電電流
誘電損
シース損
水トリー
マーレーループ法

はじめに

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「都会の駅前には、鉄塔も電線もほとんど見当たらない。あの街の電気は、どこを通ってきているんだろう？」

郊外では空にたくさんの電線が見えるのに、都市の中心部に入ると、急に電線の姿が消えます。電気がなくなったわけではありません。電線が、道路の下にもぐっているのです。

地下の電線は、雷にも風にも塩にもさらされず、街の景観もすっきりします。いいことずくめに見えますが、実は、地下ならではの悩みもあります。熱がこもりやすいこと、事故が起きたときに場所が見えないこと、そして、電気を送っていなくても流れる電流があることです。

そこで登場するのが、今回の主役 地中送電線路 と、その中心になる CVケーブル です。

前回の記事では、雷から送電線と機器を守るしくみと、絶縁協調の考え方を学びました。今回の記事では、地中送電線路の敷設方式、CVケーブルと水トリー、ケーブルの充電電流と損失、そして事故の場所を探すマーレーループ法について解説します。

地中送電線路の敷設方式

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はじめに、地中送電線路の敷設方式について紹介します。

地中送電線路は、ケーブルを地面の下に通して電気を送る線路です。架空送電線路と比べると、次のような特徴があります。

【地中送電線路の長所】

雷・風・雪・塩などの自然の影響を受けにくい
街の景観をそこなわない
人が触れるおそれが少なく、安全性が高い

【地中送電線路の短所】

建設費が高い
事故の場所を見つけにくく、復旧に時間がかかる
熱がこもりやすく、同じ太さの電線でも流せる電流が小さい

ケーブルを地中に通す方法を敷設方式と呼び、主に3つあります。1つずつ見ていきましょう。

1. 直接埋設式

直接埋設式 は、地面を掘り、ケーブルを丈夫なトラフ（ふた付きのとい）や管で保護して、そのまま埋める方式です。

工事が簡単で、費用が安く、工期も短いのが長所です。一方で、あとからケーブルを増やしたり取り替えたりするには、また道路を掘り返さなければなりません。また、ほかの工事で傷つけられるおそれがあります。ケーブルの本数が少ない所に向いています。

2. 管路式

管路式 は、あらかじめ地中に管を何本も埋め、一定の間隔にマンホールを設けておき、ケーブルをマンホールから管の中へ引き入れる方式です。

管の中を通すので、ケーブルの増設や取り替えが、道路を掘り返さずにできます。外からの傷にも強くなります。ただし、管の中は熱が逃げにくく、流せる電流が小さくなりがちです。また、マンホールの所にケーブルの接続部がたくさんでき、そこが弱点になりやすくなります。

3. 暗きょ式

暗きょ式 は、人が歩いて入れる地下のトンネル（洞道）をつくり、その壁の棚にケーブルを並べる方式です。電気・ガス・水道・通信をまとめて収める共同溝も、この仲間です。

トンネルの中を歩いて点検できるので、保守がしやすく、熱も逃げやすくなります。たくさんのケーブルを通す幹線に向いています。ただし、建設費が最も高く、工期も長くなります。

道路にたとえると、直接埋設式は「舗装せずに通した細い道」、管路式は「決まった車線のある道路」、暗きょ式は「点検用の歩道まで付いた地下の大通り」です。

試験のポイント：建設費は直接埋設式＜管路式＜暗きょ式の順に高くなります。多くの条数を通し、保守がしやすいのは暗きょ式、工事が安く早いのは直接埋設式です。

このように、地中送電線路は自然の影響を受けにくい反面、費用が高く、ケーブルの本数や保守のしやすさに合わせて、直接埋設式・管路式・暗きょ式を使い分けます。

以上が、地中送電線路の敷設方式についてです。

CVケーブルと水トリー

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次に、CVケーブルと水トリーについて紹介します。

地中送電線路では、電線を絶縁物でしっかり包んだケーブルを使います。いま最も広く使われているのが CVケーブル です。

CVケーブルは、銅やアルミの導体のまわりを 架橋ポリエチレン で絶縁し、いちばん外側を ビニル のシースで覆ったケーブルです。架橋ポリエチレンは、ポリエチレンの分子どうしを橋をかけるようにつなぎ、熱に強くしたものです。導体と絶縁体の間、絶縁体の外側には、電界をなめらかにする半導電層があります。また、絶縁体の外側には、事故の電流を流したり電界を閉じ込めたりする金属の遮へい層があります。

【CVケーブルの長所】

絶縁の性能が高く、誘電損（あとで学ぶ）が小さい
熱に強く、導体の温度を高くして使える
油を使わないので、保守が簡単

以前は、絶縁紙に油をしみ込ませた OF ケーブルが多く使われていました。しかし、油の圧力を保つ設備が必要なため、いまでは高い電圧でも CV ケーブルが主流です。また、単心の CV ケーブル3本をより合わせた CVT ケーブルもよく使われます。

ところが、CVケーブルには特有の弱点があります。それが 水トリー です。

水トリーは、絶縁体の中に入り込んだ水分と電界の働きで、絶縁体の中に、木の枝のような細い劣化の筋が伸びていく現象です。トリーは「木」という意味です。最初は目に見えないほど細いのですが、年月をかけて伸びていき、やがて絶縁が破れる原因になります。

ガラスに入った小さなひびが、温度の変化をくり返すうちに少しずつ伸び、ある日割れてしまうのに似ています。

水トリーは、絶縁体の中の小さな異物やすき間、半導電層との境目の突起などを起点に発生しやすくなります。

【水トリーの対策】

内部半導電層・絶縁体・外部半導電層を同時に押し出して、境目の突起やすき間をなくす
水蒸気を使わない乾式の方法で架橋し、絶縁体の中に水を残さない
遮水層を設けて、外から水が入らないようにする

補足（ここは読み飛ばしてOK）：ケーブルの劣化の具合は、直流の漏れ電流や、次の節で学ぶ誘電正接（tanδ）を測って調べます。

このように、CVケーブルは架橋ポリエチレンで絶縁した、性能が高く保守のしやすいケーブルで、その弱点である水トリーは、水と異物を絶縁体に入れないことで防ぎます。

以上が、CVケーブルと水トリーについてです。

充電電流とケーブルの損失

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続いて、充電電流とケーブルの損失について紹介します。

1. 充電電流

ケーブルは、中心の導体と外側の遮へい層が、絶縁体をはさんで向かい合っています。これは、コンデンサと同じ形です。しかも、導体と遮へい層の間隔は数cmしかなく、絶縁体の比誘電率も空気より大きいので、架空送電線よりはるかに大きな静電容量を持ちます。

交流の電圧をかけると、この静電容量に充電と放電がくり返され、負荷がなくても電流が流れます。これを 充電電流 と呼びます。三相のケーブルでは、1線あたりの充電電流は次の式で求めます。

I_c = \omega C \frac{V}{\sqrt{3}} = 2 \pi f C \frac{V}{\sqrt{3}}

記号の意味は、 $I_c$ が充電電流［A］、 $f$ が周波数［Hz］、 $C$ が1線あたりの静電容量［F］、 $V$ が線間電圧［V］です。 $V/\sqrt{3}$ は、前に学んだ三相交流の相電圧です。言葉で言うと、「充電電流は、周波数・静電容量・相電圧に比例する」です。

充電電流は、進み位相の電流です。ばねを押したり引いたりするのに力が要るように、コンデンサに充電と放電をくり返すだけで電流が流れ、ケーブルの電流の容量の一部を使ってしまいます。また、軽い負荷のときに受電端の電圧を押し上げる原因にもなります。これは、送電電力と調相設備の記事で学ぶフェランチ効果です。

2. ケーブルの損失

ケーブルで電気を送ると、熱となって失われる電力があります。主な損失は次の3つです。

【ケーブルの3つの損失】

抵抗損：導体の抵抗に電流が流れて生じる熱。最も大きい
誘電損：絶縁体に交流の電圧がかかって生じる熱
シース損：金属のシースや遮へい層に流れる電流で生じる熱

誘電損 は、絶縁体が完全な絶縁物ではないために生じる損失です。交流の電界で、絶縁体の中の分子がわずかに向きを変えるときに、摩擦のように熱が出ます。三相3線分の誘電損は、次の式で求めます。

W_d = \omega C V^2 \tan\delta

記号の意味は、 $W_d$ が3線分の誘電損［W］、 $\omega$ が角周波数［rad/s］、 $C$ が1線あたりの静電容量［F］、 $V$ が線間電圧［V］、 $\tan\delta$ が誘電正接です。誘電正接は、絶縁体の「損失の起こりやすさ」を表す値で、小さいほどよい絶縁体です。

ここがポイントです。誘電損は電圧の2乗に比例します。電圧が高いケーブルほど、誘電損の小さい絶縁体が大切になります。

シース損 は、ケーブルの導体を流れる電流がつくる磁界で、金属のシースに電圧が誘導されて生じます。シースの両端を接地すると、シースに電流がぐるぐる流れて熱が出ます。これを抑えるために、シースを区間ごとに入れ替えてつなぎ、誘導された電圧を打ち消し合わせる クロスボンド接地方式 が使われます。

例題：ケーブルの充電電流と誘電損

線間電圧 66kV、周波数 50Hz の三相ケーブル線路があります。1線あたりの静電容量は 0.3μF/km、こう長は 10km です。

（a）1線あたりの充電電流は何Aでしょうか？

（b）誘電正接 $\tan\delta$ を 0.0005 とすると、3線分の誘電損は何kWでしょうか？

【解き方】

静電容量を求める： $0.3 \times 10 = 3$ μF = $3 \times 10^{-6}$ F
角周波数を求める： $\omega = 2\pi \times 50 \fallingdotseq 314$ rad/s
充電電流を求める： $I_c = 314 \times 3 \times 10^{-6} \times \dfrac{66000}{\sqrt{3}} \fallingdotseq 35.9$ A
誘電損を求める： $W_d = 314 \times 3 \times 10^{-6} \times 66000^2 \times 0.0005 \fallingdotseq 2.05 \times 10^{3}$ W

答えは、（a）約 35.9A、（b）約 2.05kW です。

試験のポイント：誘電損は「電圧の2乗・周波数・静電容量・ $\tan\delta$ 」に比例し、負荷の電流には関係しません。抵抗損は電流の2乗に比例します。

このように、ケーブルは大きな静電容量を持つので充電電流が流れ、抵抗損・誘電損・シース損の3つの損失が生じます。

以上が、充電電流とケーブルの損失についてです。

故障点の探し方：マーレーループ法

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最後に、故障点の探し方について紹介します。

地中のケーブルで事故が起きても、外からは場所が見えません。何kmもの道路を順番に掘り返すわけにもいきません。そこで、電気的な測定で、事故の場所までの距離を割り出します。

代表的な方法が マーレーループ法 です。理論の記事で学んだホイートストンブリッジの平衡条件を使って、地絡事故の場所までの距離を求めます。

【マーレーループ法の手順】

事故を起こした心線と、同じ太さの健全な心線を、遠い側の端でつなぎ、ひと回りのループをつくる
手前の側で、ループの両端に2つの比例辺の抵抗 $P$ 、 $Q$ をつなぐ
比例辺の接続点と大地の間に電源を、2本の心線の手前の端の間に検流計をつなぐ
検流計の振れが 0 になるように、 $P$ と $Q$ を調整する

ケーブルのこう長を $L$ 、手前の端から事故点までの距離を $x$ とします。ループの抵抗は長さに比例するので、事故点から手前の側は $x$ ぶん、事故点から先は、遠い端まで行って健全な心線で戻ってくるので $2L - x$ ぶんです。 $P$ を事故の心線の側の比例辺とすると、ブリッジの「向かい合う辺の積が等しい」という平衡条件から、次の式が成り立ちます。