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CVケーブルの水トリー絶縁診断法と事故点測定法の原理

送電
第二種電気主任技術者 2021年度 電力・管理 問5

地中送電線の絶縁劣化診断法と事故点測定法について，次の問に答えよ。

(1)　表1は，CV \mathrm {CV} ケーブルの絶縁劣化である水トリーに関する絶縁劣化診断法についての記述である。表中の(A) \left( \mathrm {A}\right) ～(D) \left( \mathrm {D}\right) に当てはまる適切な語句についてそれぞれ答えよ。

　　　　　　　　　　　　　　　　　表 1
絶縁劣化診断法原理損失電流法水トリー劣化ケーブルの充電電流の中に，課電電圧と同位相の損失電流成分が含まれることから，この損失分を測定し劣化の状況を把握する手法である。劣化したケーブルの測定波形には  A  歪みが観測される。  B  電荷法最初に  C  課電によって水トリー部に電荷を蓄積させ，次に  D  課電で蓄積した電荷を放出させる，  C  課電と  D  課電を組み合わせた手法である。検出された電荷の量は，水トリーの数や長さによって変化するため水トリーの発生状況を検知することが出来る。\begin{array}{|c|l|} \hline 絶縁劣化診断法 & 原理 \\ \hline 損失電流法 & 水トリー劣化ケーブルの充電電流の中に，課電電圧と同 \\ & 位相の損失電流成分が含まれることから，この損失分を測 \\ & 定し劣化の状況を把握する手法である。劣化したケーブル \\ & の測定波形には \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {A}$ $\hskip 1em $} \ 歪みが観測される。 \\ \hline \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {B}$ $\hskip 1em $} \ 電荷法 & 最初に \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {C}$ $\hskip 1em $} \ 課電によって水トリー部に電荷を蓄積 \\ & させ，次に \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {D}$ $\hskip 1em $} \ 課電で蓄積した電荷を放出させる， \\ & \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {C}$ $\hskip 1em $} \ 課電と \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {D}$ $\hskip 1em $} \ 課電を組み合わせた手法であ \\ & る。検出された電荷の量は，水トリーの数や長さによって \\ & 変化するため水トリーの発生状況を検知することが出来る。 \\ \hline \end{array}

(2)　表2は，地中送電線の事故点測定法である「マーレーループ法」と「パルスレーダ法（送信形パルス法）」の原理並びにそれぞれの長所及び短所についての記述である。表中の(E) \left( \mathrm {E}\right) ～(I) \left( \mathrm {I}\right) に当てはまる適切な語句についてそれぞれ答えよ。

　　　　　　　　　　　　　　　　表 2
 事故点 測定法 原理 長所 短所マーレー  E  の原理に・導体抵抗を利用した・  G  事故にループ法より，事故点までの E  法のため，適用できない。抵抗値を高精度に測測定精度が高く，誤・  H  同時地定する方法である。差は 1 ％程度以下で絡事故のように並ある。行健全相がない場・ケーブル事故の多く合，測定は困難でが  F  地絡である。あるため，適用範囲，使用実績が最も多い。パ ル ス事故ケーブルにパル・並行健全相が不要で・測定操作，パルスレーダース電圧を加え，健全あるので，  H  波形の判読に熟練法（送信相と異なるサージイ同時地絡事故の測定を必要とする。形パルスンピーダンスをもつに適している。・測定精度が若干低法）事故点からの・線路こう長がはっきい。（誤差は一般  I  パルスをりしていない場合的に 2～5 ％）検知して，パルスのでも測定できる。伝搬時間を測定し，事故点までの距離を求める方法である。\begin{array}{|l|l|} \hline {\displaystyle \ 事故点}\atop {\displaystyle \ 測定法} & \ 原理 & \ 長所 & \ 短所 \\ \hline マーレー & \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {E}$ $\hskip 1em $} \ の原理に & ・導体抵抗を利用した & ・ \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {G}$ $\hskip 1em $} \ 事故に \\ ループ法 & より，事故点までの & \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {E}$ $\hskip 1em $} \ 法のため， & 適用できない。 \\ & 抵抗値を高精度に測 & 測定精度が高く，誤 & ・ \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {H}$ $\hskip 1em $} \ 同時地 \\ & 定する方法である。 & 差は \ 1 \ ％程度以下で & 絡事故のように並 \\ & & ある。 & 行健全相がない場 \\ & & ・ケーブル事故の多く & 合，測定は困難で \\ & & が \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {F}$ $\hskip 1em $} \ 地絡で & ある。 \\ & & あるため，適用範囲， & \\ & & 使用実績が最も多い。 & \\ \hline パ \ ル \ ス & 事故ケーブルにパル & ・並行健全相が不要で & ・測定操作，パルス \\ レーダー & ス電圧を加え，健全 & あるので， \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {H}$ $\hskip 1em $} \ & 波形の判読に熟練 \\ 法（送信 & 相と異なるサージイ & 同時地絡事故の測定 & を必要とする。 \\ 形パルス & ンピーダンスをもつ & に適している。 & ・測定精度が若干低 \\ 法） & 事故点からの & ・線路こう長がはっき & い。（誤差は一般 \\ & \ \fbox {$\hskip 1em $ $\mathrm {I}$ $\hskip 1em $} \ パルスを & りしていない場合 & 的に \ 2～5 \ ％） \\ & 検知して，パルスの & でも測定できる。 & \\ & 伝搬時間を測定し， & & \\ & 事故点までの距離を & & \\ & 求める方法である。 & & \\ \hline \end{array}

解説

問題のポイントと全体像

本問は、地中送電線（CVケーブル）における「絶縁劣化診断法（予防保全）」と「事故点測定法（事後保全）」の2つの重要分野から出題されています。

  • 設問(1) 水トリー劣化診断法：架橋ポリエチレン（CV）の主たる劣化要因である「水トリー」を検知する代表的手法（損失電流法および残留電荷法）の動作原理を問うています。
  • 設問(2) 事故点測定法：地中送電線で事故が発生した際にその位置を特定するマーレーループ法（ブリッジ平衡）とパルスレーダ法（電磁波の反射）の原理、適用条件、長所・短所を比較・整理することが求められます。

設問(1) CVケーブルの水トリー劣化診断法

1. 損失電流法と空欄 [ A ] の原理

CVケーブルは導体と外部遮へい層の間に架橋ポリエチレン絶縁層が介在するため、等価的に巨大なコンデンサ（静電容量 CC）とみなせます。

健全なケーブルに交流電圧 v(t)=Vmsin⁡(ωt)v(t) = V_m \sin(\omega t) を印加すると、流れる充電電流 iC(t)i_C(t) は進み位相 90∘90^\circ の無効電流成分となります。

iC(t)=Cdv(t)dt=ωCVmcos⁡(ωt)i_C(t) = C \frac{dv(t)}{dt} = \omega C V_m \cos(\omega t)

しかし、絶縁体に水トリー（樹枝状微小欠陥）が発生すると、絶縁抵抗が低下し、印加電圧と同位相の微小な「損失電流（有効電流成分 ilossi_{\mathrm{loss}}）」が重畳します。

水トリー内部の導電特性は電界強度に対して非線形性を示します。そのため、損失電流は単純な正弦波にはならず、基本波に対して奇数次高調波（特に第3高調波）を多く含んだ歪み波形となります。

iloss(t)=I1sin⁡(ωt)+I3sin⁡(3ωt+ϕ3)+⋯i_{\mathrm{loss}}(t) = I_1 \sin(\omega t) + I_3 \sin(3\omega t + \phi_3) + \cdots

充電電流から進み 90∘90^\circ 成分を除去し、この「高調波」成分の歪みをフーリエ解析・抽出することで、水トリーの進展度を非破壊で診断します。したがって、[ A ] には「高調波」（または「第3高調波」）が入ります。

2. 残留電荷法と空欄 [ B ] [ C ] [ D ] の原理

水トリー劣化部には、直流電界下で空間電荷（不純物イオンや電子）を局所的にトラップ（捕集・蓄積）しやすいという特異な物理的性質があります。この性質を利用した診断法を「残留電荷法」と呼びます。

診断手順は次の3つのステップから構成されます。

  1. 直流課電（電荷の蓄積）：ケーブルに直流（DC）電圧を一定時間課電し、水トリー欠陥部に空間電荷をトラップさせます。
  2. 短絡接地（健全部の除電）：導体を接地して、健全なバルク部分に充電された静電電荷のみを速やかに放電・除去します（このとき水トリー内部にトラップされた電荷は抜けずに残留します）。
  3. 交流課電（残留電荷の励起放出）：ケーブルに交流（AC）電圧を印加すると、水トリー内部に捕集されていた残留電荷が交流電界によって揺さぶられて放出され、接地線に放出電流として流出します。

この放出された電荷量を積分して測定することで、水トリーの進展度（長さや密度）を定量評価します。したがって、[ B ] には「残留」、[ C ] には「直流」、[ D ] には「交流」が入ります。

設問(2) 地中送電線の事故点測定法

1. マーレーループ法（空欄 [ E ], [ F ], [ G ], [ H ]）

【原理 [ E ]】
マーレーループ法は、ホイートストンブリッジの平衡条件を応用した測定法です。

線路全長を LL、測定端から地絡事故点までの距離を xx とします。事故相と健全相の遠端（相手端）を太い導線で短絡してループ回路を構成し、測定端に可変抵抗比アーム（R1,R2R_1, R_2）を接続して直流電源と検流計を組み込みます。

導体の単位長さ当たりの抵抗を rr とすると、事故点までの抵抗は rxr x、健全相を経由して事故点の反対側へ至る抵抗は r(2L−x)r(2L - x) と表されます。ブリッジが平衡したとき、対向辺の積が等しくなる条件より：

R1R2=rxr(2L−x)=x2L−x\frac{R_1}{R_2} = \frac{rx}{r(2L - x)} = \frac{x}{2L - x} x=2R1R1+R2Lx = \frac{2R_1}{R_1 + R_2} L

これにより、温度変化等による導体抵抗率の変動に影響されることなく、極めて高精度（誤差1％程度以下）に事故点距離 xx を標定できます。したがって、[ E ] には「ホイートストンブリッジ」が入ります。

【長所と短所 [ F ], [ G ], [ H ]】

  • 適用実績 [ F ]：地中送電ケーブルの事故は、外傷や絶縁破壊に伴う「1線（一線）」地絡事故が圧倒的多数を占めます。マーレーループ法は健全相が1線でも残っていれば測定できるため、実務上の適用範囲が最も広くなります。したがって、[ F ] には「1線」が入ります。
  • 適用限界 [ G ]：導体抵抗を利用して電流ループを構成する測定法であるため、導体が途中で切断されている「断線」事故ではループ電流が流れず、測定できません。したがって、[ G ] には「断線」が入ります。
  • 並行健全相の必要性 [ H ]：健全なリターン線（戻り線）を必要とするため、同一ルートの3相すべてが地絡してしまった「三相（全相）」同時地絡事故では健全相が存在せず、測定が困難になります。したがって、[ H ] には「三相」（または「全相」「3相」）が入ります。

2. パルスレーダ法（空欄 [ I ]）

【原理 [ I ]】
事故ケーブルの端端から急峻な高周波パルス電圧（進行波）を送信すると、パルスは線路を伝搬します。地絡点や断線点などの事故点では、線路のサージインピーダンス Z0Z_0 が急変（不連続）するため、波動伝搬理論に基づいてパルスの「反射」が生じます。

ケーブル中の電磁波の伝搬速度を vv（通常 CVケーブルでは約 160∼170 m/μs160 \sim 170\,\mathrm{m/\mu s}）、送信パルスから反射波が戻るまでの往復時間を tt とすると、事故点までの距離 xx は次式で求まります。

x=v⋅t2x = \frac{v \cdot t}{2}

したがって、[ I ] には「反射」が入ります。

【特徴と利点】
事故相1線のみで測定が完結するため、マーレーループ法では測定が困難な三相同時地絡事故（[ H ]）に対しても適用できるという大きな強みがあります。

解答のまとめ

各空欄に入る適切な語句は以下の通りです。

(1)
(A)：高調波（または 第3高調波）
(B)：残留
(C)：直流
(D)：交流

(2)
(E)：ホイートストンブリッジ
(F)：1線（または 一線）
(G)：断線
(H)：三相（または 全相、3相）
(I)：反射