高電圧ケーブルとのインターフェイスでよくある間違い

はじめに

高電圧間のケーブル・インターフェース XLPEケーブル¹ そして GIS開閉装置² コンパートメントは、グリッド・アップグレード・プロジェクトの中で、最も機械的・電気的に負荷のかかる接合部のひとつであり、組み立て後に見えなくなったり、日常的な目視検査では発見できなかったりする取り付けミスによって、最も頻繁に危険にさらされる部分のひとつである。 部分放電³ これは、最悪の瞬間に致命的な故障が発生する前に、何ヶ月もかけて接合部の絶縁を劣化させるものである。GIS開閉器ケーブル・インターフェース - エルボー・コネクター、プラグイン・ブッシング、セパラブル・コネクターあたり IEC 62271-209⁴ - AISの変電所作業で経験を積んだ高圧ケーブル接合工が行うケーブル終端作業とは質的に異なるレベルの表面処理、寸法調整、組立力制御が要求される。. 高圧 XLPE ケーブルを GIS 開閉装置と接続する際に、最も致命的な設置ミスは、即座にテストに失敗するような明らかなミスではありません。表面処理、潤滑剤の塗布、挿入深さの確認、ストレスコーンの取り付けなどの微妙なミスで、試運転の誘電体テストに合格しても、通常のサービス動作の熱サイクルや電圧ストレスの下では、インターフェイスで部分放電が発生します。. 本書は、GIS ケーブル・インターフェースの敷設品質を担当するグリッド・アップグレード・プロジェクト・エンジニア、EPC 敷設監督者、および変電所試運転チームのために、重大な誤りを特定し、それらが引き起こす故障メカニズムを説明し、それらを排除する正しい敷設手順を提供します。.

目次

• GIS高圧ケーブル・インターフェース・システムとは何か？
• GISケーブル・インターフェースにおける最も重大な設置ミスと、それが引き起こす故障メカニズムとは？
• グリッド・アップグレード・プロジェクトにおける正しいGISケーブル・インターフェース・システムの選択と検証方法とは？
• 正しいGISケーブル・インターフェイスの設置手順と、通電前にインターフェイスの完全性を確認する方法とは？

GIS高圧ケーブル・インターフェース・システムとは何か？

GISケーブル・インターフェース・システムは、XLPEケーブル終端とGISスイッチギアのSF6絶縁ケーブル・コンパートメントとの間に、ガスタイトで、電気的に連続し、機械的に安全な接続を実現するコンポーネントの集合体です。この接続は、同時にSF6ガスの完全性を維持し、ケーブル・スクリーンのカットバック全体で電気応力を制御し、絶縁インターフェースを損なうことなく、ケーブルの重量、熱膨張、設置のずれなどの機械的な力に対応しなければなりません。.

インターフェース・システムのコンポーネントと技術パラメーター

GISケーブル・インターフェース・アセンブリは、相互に依存する3つのコンポーネントで構成されている：

• プラグイン・エルボー・コネクターまたはストレート・コネクター： 分離可能なインターフェース部品 - 通常、定格12kV～40.5kV；挿入力500～2,500N（電圧クラスによる）；定格電流での接触抵抗≦20μΩ
• ケーブル ストレスコーン⁵: ケーブルスクリーン・カットバックでの電気的ストレス集中を制御するプレモールドまたはプッシュオン・シリコンゴム部品 - 汚染クラスに応じて沿面距離25～45 mm/kV、コネクタ内径に対する界面圧力0.3～0.8 MPa
• GISケーブルコンパートメントブッシング： SF6側インターフェース部品 - エポキシ樹脂またはシリコーンゴム、定格電圧はGISコンパートメントに適合、コンパートメントフランジで気密シール。

準拠IEC規格

スタンダード	スコープ	主な設置条件
IEC 62271-209	GIS用ケーブル接続 - インターフェース寸法とテスト要件	ケーブルコネクタとGISブッシングの間で一致しなければならないインターフェース形状を定義する。
IEC 60840	30kV以上の電力ケーブル - アクセサリ	ストレスコーンの設計と界面圧力要件
IEC 62067	150kV以上の電力ケーブル	EHVアプリケーション用拡張インターフェース要件
IEC 60502-4	ケーブル用アクセサリ 6 kV～30 kV	分離可能なコネクターの設置および試験手順

IEC 62271-209 インターフェース形状要件 は、GIS ケーブル・インターフェースの設置に最も重要な規格で、ケーブル・コネクタと GIS ブッシング間の嵌合面の寸法公差を定義しており、組み立てを開始する前に検証する必要があります。IEC 62271-209 のインターフェイス検証を行わずに、あるメーカーのケーブル・コネクタを別のメーカーの GIS ブッシングに嵌合することは、グリッド・アップグレード・プロジェクトにおける GIS ケーブル・インターフェイスの最も一般的な不具合の原因です。.

GISケーブル・インターフェースにおける最も重大な設置ミスと、それが引き起こす故障メカニズムとは？

故障後の調査で確認されたGISケーブル・インターフェースの故障の大半は、6つの設置ミスによるもので、それぞれ、試運転テストに合格しても、数カ月から数年後にサービス障害が発生する理由を説明する、明確な故障メカニズムを持っている。.

間違い1：界面潤滑剤の不足または不適切な塗布

ストレス・コーンとコネクター・ボアの界面に塗布されるシリコン・グリースは、2つの機能を果たします。それは、表面に損傷を与えることなく挿入を容易にすることと、そうでなければ部分的な放電部位となる界面の微小空隙を埋めることです。最も一般的な潤滑剤の間違いは、次の2つです：

• 塗布不足： 潤滑剤不足により、界面にドライ・コンタクト・ゾーン（0.1～0.5mmの微小空隙）が生じ、電気的ストレスが集中し、設計耐電圧レベルをはるかに下回る電圧ストレス・レベルで部分放電が始まる。
• 潤滑油の種類が違う： 非シリコーン潤滑剤（石油系グリース、汎用潤滑剤）はシリコーンゴムストレスコーンと化学的に不適合であり、6～18ヶ月の使用で膨潤、表面劣化、界面圧力の損失を引き起こします。

故障のメカニズム 潤滑剤ボイド部位での部分放電は、PD活動1,000時間あたり約0.01～0.05mmでシリコーンゴム表面を侵食し、最終的に界面全長を橋渡しし、相間地絡を開始する進行性トラッキングチャネルを生成します。.

間違い2：界面での表面汚染

ストレス・コーンの外表面またはコネクタ・ボアの内表面上のあらゆる汚染（ほこり、切断作業によるケーブル絶縁の切りくず、結露による湿気、指紋の油など）は、界面に導電性または半導電性の層を形成します：

• 汚染部位の界面抵抗を10¹² Ω以上から10⁸ Ω未満に低減。
• シリコーンゴムの局所的な誘電耐力を超える容量性応力集中が生じる。
• 標準試験時間での試運転電源周波数耐力試験で検出できない部分放電を発生させる。

検出に失敗した： 汚染されたインターフェースは通常、定格試験電圧で1分間の電源周波数耐力試験に合格する。汚染現場でのPD活動は、測定可能な絶縁劣化を生じさせるために10～100時間の電圧ストレスを必要とし、試運転試験時間をはるかに超える。.

間違い3：不適切な挿入深さ - ストレスコーンが完全に固定されていない。

応力緩和ジオメトリをケーブルスクリーン・カットバッ ク上に正しく配置するには、ストレスコーンをメーカー指定の深 さまで挿入する必要があります。わずか5～10mmの挿入深さの誤差が、スクリーン・カットバック位置に対してストレス・コーン・フィールド制御ジオメトリを変位させ、スクリーン端に制御不能な電気応力集中領域を作り出します：

$E_{max} = \frac{U_{phase}}{{varepsilon_r ↪Times d_{gap}}}.$

どこで $E_{max}$ は最大電界強度（kV/mm）である、,$U_{phase}$ は相電圧（kV）、,$\ヴァレプシロン$ は絶縁体の比誘電率、そして $d_{gap}$ は応力集中点のギャップ寸法（mm）です。24 kVの相電圧で2 mmの応力集中ギャップと $\ヴァレプシロン$ = 2.3（XLPE）：

$E_{max} = ㏄{13.9}{2.3 ㏄×2} = 3.0 ㏄{kV/mm}。$

この電界強度は、スクリーンのカットバック・エッジにある空気で満たされたマイクロ・ボイドの部分放電開始電圧を上回り、試運転時には目に見えず、数ヶ月の使用で破壊的なPDを開始する。.

間違い4：寸法検証なしのメーカー間インターフェイス嵌合

あるクライアントのケース： 中国の広東省にあるEPCコントラクターのプロジェクトエンジニアが、110kVグリッドアップグレード変電所の試運転開始から14ヶ月以内にGISケーブルインターフェイスの故障が2件発生したため、Beptoに連絡しました。故障後の調査により、ケーブルエルボコネクタがGISケーブルコンパートメントブッシングとは異なるメーカーから調達されていたことが判明しました。この2つのコンポーネントは公称定格電圧クラスは同じでしたが、インターフェース内径がIEC 62271-209の規定公差から1.8mm異なっていました。寸法の不一致により、ストレスコーン表面積の40%にわたって不十分なインターフェース接触圧が発生し、試運転の誘電体試験では検出されなかった部分放電ゾーンが分布しました。両方の故障したインターフェースは、ケーブルコンパートメントの完全な交換を必要とし、修復費用は合計185万円、グリッドアップグレードのスケジュールは31日遅れました。Beptoのアプリケーション・エンジニアリング・チームは、IEC 62271-209インターフェース寸法検証チェックリストを提供し、プロジェクトの残りの18のケーブル・インターフェースに導入しました。.

間違い5：ケーブルスクリーンのカットバック寸法が正しくない

ケーブル・スクリーンのカットバック長（スクリーンの端からケーブル絶縁表面までの距離）は、±2 mm 以内でストレス・コーンの設計ジオメトリと一致する必要があります。不適切なケーブル準備ツールや測定エラーによって生じたスクリーン・カットバック長さのエラーは、上記の挿入深さのエラーと同じように、ストレス・コーンのフィールド制御ジオメトリを変位させます。.

間違い6：不適切なケーブルサポート - インターフェースへの機械的ストレス

GISのケーブル・インターフェースは、インターフェースでの持続的な機械的負荷がゼロになるように設計されています。ケーブルの重量と設置時のミスアライメントの力は、コネクタのインターフェースに伝わらず、ケーブル・サポート・クランプによって運ばれなければなりません。ケーブル・サポートが不十分だと

• コネクターとブッシングの界面における持続的な曲げモーメント - 引張側の界面接触圧力を漸減
• 熱サイクル下での界面の微小運動 - 熱サイクルあたり0.001～0.01 mmのシリコーンゴム表面のフレッティング摩耗

グリッド・アップグレード・プロジェクトにおける正しいGISケーブル・インターフェース・システムの選択と検証方法とは？

ステップ1：電気的要件の定義

• 定格電圧： ケーブル・インターフェース・システムがGISコンパートメント電圧（12kV、24kV、または40.5kV）に適合していることを確認する。
• 現在の評価 コネクタの定格電流がケーブル回路の定格電流と一致するか、またはそれを上回ることを確認する - 熱ディレーティングは周囲温度が40℃を超える場合に適用されます。
• 短絡定格： コネクタの短絡耐電流がGISコンパートメントの故障レベルに適合していることを確認する。

ステップ 2: IEC 62271-209 インターフェースの寸法適合性の確認

インターフェース・パラメータ	IEC 62271-209 許容差	検証方法
コネクタ内径	±0.1 mm	校正済みボアゲージ測定
ブッシングスピゴット径	±0.1 mm	校正済み外径マイクロメーター
インターフェース接点長	±0.5 mm	デプスゲージ測定
スクリーン・カットバックの長さ	±2.0 mm	準備後のスチールルール測定
挿入深さマーク	±1.0 mm	ストレスコーンにメーカー指定のデプスマーク

ステップ3：環境条件を考慮する

• 屋内GIS変電所： 標準シリコンラバーストレスコーン - 動作温度 -25°C～+90°C
• 屋外または沿岸設置： 耐トラッキング性を強化した疎水性シリコーンゴムを指定する - IEC 60507 クラスIVに準拠した塩霧試験を最低実施
• 高高度グリッドのアップグレード（1,000m以上）： インターフェイスの絶縁耐力検証に IEC 62271-1 高度補正係数を適用 - 1,000m 以上 100m ごとに 1.13%

ステップ4：単一メーカー・インターフェース・システムの確認

2番目のクライアントのケース： 中国の山東省にある地域送電網運営会社の調達マネージャーは、工業団地にサービスを提供する35kV GIS変電所送電網のアップグレード用のケーブル・インターフェース・システムを指定するため、Beptoに連絡しました。当初の仕様では、ケーブルコネクタとGISブッシングは認可を受けた異なるベンダーのものを使用していましたが、これはコスト最適化のための決定であり、ベプトのアプリケーションエンジニアリングチームは寸法互換性のリスクとして指摘しました。Beptoは、24のケーブル・インターフェースすべてについて、工場でIEC 62271-209の寸法コンプライアンスが検証された単一メーカーのインターフェース・システムを推奨し、供給しました。試運転時の部分放電テストでは、全24インターフェイスで5 pCを超えるPDアクティビティがゼロであることが確認されました。.

正しいGISケーブル・インターフェイスの設置手順と、通電前にインターフェイスの完全性を確認する方法とは？

正しい取り付け手順 - ステップ・バイ・ステップ

1. ケーブル端の準備： メーカー指定の切断工具を使用してケーブルを正方形に切断する - 切断面が 1° 以内で垂直であることを確認する - ストレスコーン仕様 ±2 mm に従ってスクリーンのカットバック長を測定し、印を付ける - 専用のスクリーン切断工具を使用する - XLPE 絶縁表面を傷つける危険性のあるナイフは絶対に使用しない。.
2. 表面クリーニング： イソプロピルアルコールを湿らせた清潔なリントフリーの布でXLPE絶縁表面とストレスコーンの内径を拭いてください - 潤滑剤を塗布する前に完全に蒸発させてください（最低5分）; その後のすべての取り扱いには清潔なニトリル手袋を着用してください - インターフェース表面には素手で触れないでください。.
3. 潤滑油の塗布： メーカー指定のシリコン・グリースをストレス・コーンの外表面とコネクター・ボアの内表面に均一に塗布し、ドライ・ゾーンがなく完全に塗布されていることを確認します。.
4. 挿入深さのマーキング： メーカー指定のデプスゲージを使用し、ケーブル絶縁面に正しい挿入深さをマークしてください。.
5. 制御された挿入： ストレスコーンアセンブリを安定した軸方向の力で挿入する - 挿入中に回転させない；完全に挿入した後、深さマークがコネクタ面と一直線上にあることを確認する；メーカー最小値以下の挿入力は、インターフェース接触圧が不十分であることを示す。.
6. ケーブルサポートの設置： コネクタのアライメントが変化していないことを確認し、クランプ取り付け後にコネクタにかかる横方向の力がゼロであることを確認する。.
7. トルクの検証： すべてのインターフェイスボルトを、クロスパターンの順序でメーカー指定のトルクで締め付ける。.

よくある設置ミスをなくすために

• エラー1 - 前に開封した容器の潤滑油を再使用する： 汚染されたシリコーングリースや部分的に硬化したシリコーングリースは、一貫性のない界面被覆を生成します。.
• エラー2 - 寒冷環境でのストレスコーンの挿入： シリコーンゴムは10℃以下では硬くなる - 挿入力が増加し、表面損傷の危険性が高まる; 寒冷地での設置では、挿入前にストレスコーンを最低15℃まで温める。.
• エラー 3 - 部分放電試運転テストをスキップする： IEC60270に基づく1.5×U0での部分放電測定は、通電前のすべてのGISケーブル・インターフェースに対して必須である。.

通電前検証チェックリスト

• 挿入深さマークがコネクタ面と一致していることを確認 - すべてのインターフェース。.
• ケーブルサポートクランプを取り付け、横方向の力がゼロであることを確認。.
• インターフェイスのボルトトルクを記録 - すべてのインターフェイス。.
• 1.5×U0での部分放電テスト：PDレベル＜10 pC - 全インターフェース。.
• SF6コンパートメントガス圧力は、ケーブルコンパートメント密閉後、定格充填圧力で確認。.

結論

GIS ケーブル・インターフェースの設置ミスは、試運転テストの成功を最も確実にサービス障害に変換するグリッド・アップグレードの試運転不良のカテゴリーです。なぜなら、これらの不具合メカニズムが引き起こす不具合は、電源周波数耐力テストの検出しきい値以下、部分放電測定の検出しきい値以上で動作するため、PD 試運転テストは、欠陥のある設置と通電された高電圧回路の間の唯一の信頼できる品質ゲートとなるからです。単一メーカーの IEC 62271-209 で認証されたインターフェイスシステムを指定し、例外なく表面処理と潤滑剤塗布の手順を実施し、すべてのインターフェイスの挿入深さを検証し、すべての GIS ケーブルインターフェイスを部分放電試験で試運転する。.

GISスイッチギア高圧ケーブル・インターフェース設置に関するFAQ

1. 高電圧ケーブルに使用される架橋ポリエチレン絶縁体で、優れた熱的・電気的特性を持つ。. ↩

2. コンパクトで信頼性の高い高圧配電を実現するSF6ガスを利用したガス絶縁開閉装置。. ↩

3. 絶縁体内や界面で発生する小さな電気スパークにより、絶縁不良が進行する。. ↩

4. ガス絶縁開閉装置にケーブルを接続するためのインタフェース寸法および試験要件を規定する国際規格。. ↩

5. ケーブルの金属スクリーンが切り返される箇所の電界応力を制御するために使用される必須部品。. ↩