地中電力ケーブルにおける　　　　　絶縁劣化：原因、診断、対策

1. 序論：絶縁劣化の定義と重要性

地中電力ケーブルにおける絶縁劣化とは、ケーブルが使用される期間中に、　その絶縁材料の誘電特性が不可逆的に低下する現象を指す。この劣化プロセスは、材料が運用上の電気的ストレスに耐え、漏洩電流を防ぐ能力を損なう。特に、広く使用されている架橋ポリエチレン（XLPE）ケーブルにおいて、この劣化はその信頼性の高い寿命を制限する重要な要因となっている。

電力供給網、特に都市部における基幹をなす地中ケーブルの絶縁健全性を維持することは、電力供給の信頼性と安全性にとって極めて重要である。絶縁劣化は予期せぬ故障を引き起こし、大規模な停電やそれに伴う深刻な社会的・経済的影響をもたらす可能性がある。さらに、多くのケーブルインフラが老朽化している現状を踏まえると、絶縁劣化の理解と管理は、電力系統の安定性を確保し、壊滅的な故障を防ぐ上でますます重要性を増している。後述する故障の影響は、この重要性をさらに強調するものである。

絶縁劣化が「不可逆的」であるという事実は、根本的に予防保全的な管理哲学を必要とすることを示唆している。劣化は累積的な損傷を意味し、誘電強度のいかなる損失も永続的である。したがって、症状が深刻化するのを待つことは、絶縁体の回復力が既に損なわれているため、本質的に危険である。このため、焦点は純粋な事後対応（故障後の修理）から、早期発見（診断、第4章）と緩和策（対策、第6章）に基づいた予測的・予防的戦略へと移行しなければならない。この点は、基本的な定義から高度な資産管理の理論的根拠全体へと繋がっている。

また、XLPEケーブルの普及と、その特有の脆弱性（特に第3章で詳述する水トリー現象）は、現代の電力網にとって集中的な課題を生み出している。XLPEは初期の優れた誘電特性と費用対効果から採用されたが、運用ストレス下での特定の劣化メカニズム、特に水分存在下での水トリーに対する感受性は、長期的な負債となり得る。これは、XLPEが利点を提供する一方で、その広範な使用が長期的な信頼性を確保するために専門知識と管理技術（例：耐水トリーXLPE（WTR-XLPE）の使用、特定の診断法）を必要とすることを示唆している。

さらに、老朽化するインフラと破壊的な故障の可能性が重なることで、堅牢な劣化管理戦略の必要性が高まっている。数十年前に設置された多くのケーブルシステムは、現在、経年劣化を加速させる可能性のある条件下（負荷、環境要因）で運用されている。材料科学は、資産が寿命末期に近づくにつれて故障率が増加すると予測している。故障の影響が大きいことは、この老朽化傾向がグリッドの信頼性に対する重大なリスクをもたらすことを意味する。これは、劣化を理解するだけでなく、包括的な評価と更新プログラム（第6章d節に関連）を実施する必要性を示している。

2. 絶縁劣化の原因

絶縁劣化は、単一の要因によって引き起こされることは稀であり、むしろ複数のストレス要因が時間とともに相乗的に作用した結果として生じる。主な寄与要因は以下の通りである。

水分浸入: XLPEのような高分子絶縁体において、ケーブル構造内への水の存在は劣化の主要な触媒となる。水は、シースの損傷、不適切にシールされた接続部や終端部、あるいは高分子層を通るゆっくりとした拡散によって浸入する可能性がある。水トリーの形成には不可欠である。
熱的ストレス: 導体電流（I²R損失）、誘電損失、および周囲条件によって引き起こされる高温は、化学的な老化プロセスを加速する。ケーブルを定格温度を超えて運用すること（過負荷や不適切な設置環境、例えばケーブルの密集や高い土壌熱抵抗率などによる）は、絶縁寿命を大幅に短縮する。熱サイクルも機械的ストレスを誘発する。
電気的ストレス: 中・高圧ケーブルに存在する高電界は、いくつかの劣化メカニズムの駆動力となる。ストレスは、欠陥（ボイド、異物、遮蔽層の突起）や界面で増強され、部分放電（PD）や電気トリーを開始させる可能性がある。過渡的な過電圧（雷、開閉サージ）も追加的なストレスとなる。
機械的ストレス: 製造、輸送、設置（曲げ、引っ張り）、または運用中（振動、地盤変動、熱膨張・収縮）の物理的な力は、直接的な損傷（例：シース破損、絶縁体亀裂）を引き起こしたり、他の劣化メカニズムを促進する残留応力を生じさせたりする可能性がある。設置時の損傷は、早期故障の頻繁な根本原因となる。
化学的および環境的要因: 土壌中の攻撃的な化学物質、汚染物質、紫外線（埋設前）、および生物学的活動（例：昆虫、げっ歯類）への曝露は、ケーブルの外側の保護層を劣化させ、場合によっては絶縁体自体にも影響を与える可能性がある。

これらのストレス要因は高度に相互依存しており、劣化経路を加速させている点に留意が必要である。例えば、機械的損傷は水の浸入経路を作り出す可能性がある。水の浸入と電気的ストレスの組み合わせは、水トリーを駆動する。熱的ストレスは、水の拡散、化学反応（酸化）、および潜在的にPD活動を加速する。この相乗効果は、一つのストレス要因を軽減すること（例：設置損傷の防止）が、これらの複合効果を断ち切ることによって、不釣り合いに大きな利益をもたらす可能性があることを意味する。効果的な対策（第6章）のためには、全体的な視点が不可欠である。

また、初期のケーブル品質と設置作業が長期的な信頼性の基盤となる。製造上の欠陥（異物、ボイド）は、PD やトリー現象の開始点として機能する。設置時の誤り（過度の曲げやシース損傷など）は、即時の弱点や環境攻撃（例：水の浸入）への経路を作り出す。これは、製造時の厳格な品質管理と、細心の注意を払った設置手順が、単なるベストプラクティスではなく、早期劣化を防ぐための重要な投資であることを示唆している。ケーブルの「初期状態」が、その後の経年劣化の軌跡に大きく影響するのである。

さらに、熱的ストレスは高分子絶縁体にとって普遍的な劣化加速因子として作用する。水トリーのような特定のメカニズムは水分などの要因に依存するが、ほとんどの化学的劣化プロセス（例：酸化）の速度は、基本的に温度によって支配される（アレニウスの関係）。したがって、負荷管理と適切な設置設計を通じて動作温度を制御することは、絶縁材料の他の特定の脆弱性に関わらず、経年劣化を遅らせるための基本的かつ広範に効果的な戦略を提供する。

3. 絶縁劣化のメカニズム

絶縁体の健全性の低下には、いくつかの異なる物理的および化学的プロセスが寄与している。

部分放電 (Partial Discharge, PD): 導体間の絶縁体を部分的に橋渡しする局所的な放電。ガスで満たされたボイド（空隙）、異物界面、または電界が集中する遮蔽層の突起などで発生する。PD現象は、プラズマ化学、イオン衝撃、局所的な加熱を伴い、周囲の絶縁体を徐々に侵食し、化学的に変質させる。持続的なPDは、電気トリーの主要な前駆現象である。
電気トリー (Electrical Treeing): 高電界下で絶縁体中を伝播する、微細で分岐した炭化放電路の形成。多くの場合、欠陥部位でのPDや深刻な過渡過電圧によって開始される。電気トリーは比較的急速に成長し（ストレスと材料に応じて数分から数ヶ月）、必然的に完全な絶縁破壊（短絡）に至る。
水トリー (Water Treeing): 湿潤環境下で交流電圧が印加された高分子絶縁体（特にXLPE）に特有の現象。絶縁体内部に微視的な水で満たされた樹枝状構造が形成される。通常、欠陥や半導電層界面から発生する。主に2つのタイプが認識されている：「ボウタイ（蝶ネクタイ）型トリー」（絶縁体バルク内部から発生）と「ベント（外部）型トリー」（半導電層から発生し、内向きまたは外向きに成長）。その成長は遅く（数年単位）、電界強度、周波数、温度、水の導電率、材料特性などの要因に影響される。水トリー自体は導電性ではないが、絶縁体の交流およびインパルス破壊強度を著しく低下させ、ケーブルを通常または過渡条件下での故障に対して脆弱にする。しばしば、電気トリーの開始点となる。
熱劣化 (Thermal Degradation): 高温への長期間の曝露による不可逆的な化学変化。これには、酸化（酸素との反応、しばしば導体金属によって触媒される）、主鎖切断（高分子鎖の破壊）、またはさらなる架橋などのプロセスが含まれる。これらのプロセスは、脆化、亀裂、収縮、および機械的・誘電的特性の両方の低下につながる。絶縁体中の酸化防止剤添加物は時間とともに徐々に消費され、その後、劣化が加速する。
その他のメカニズム: ケーブルの種類、材料、および運用条件によっては、電気化学トリー（しばしば直流ストレスや特定の汚染物質に関連し、導電性の経路を形成する）や、環境要因（化学的攻撃、紫外線）による劣化なども役割を果たすことがある。

これらのメカニズムの中でも、水トリーと電気トリーは、XLPEケーブルにおける共通の故障経路における異なる段階を表している点を理解することが重要である。水トリーは、絶縁体の耐電界強度を低下させるが、即時の故障を引き起こさない、遅く広範な劣化メカニズムである。電気トリーは、急速で壊滅的な破壊プロセスである。両者には決定的な関連性があり、広範囲に及ぶ水トリーは、絶縁耐力が低下しストレスが集中する領域を作り出し、通常の運用ストレス下、またはより可能性が高いのは過渡過電圧時に、電気トリーを開始させる可能性を非常に高くする。この「遅い劣化に続く急速な故障」というモデルは、リスクを理解し、診断に基づいて介入のタイミングを計る上で極めて重要である。

また、PDは劣化メカニズムであると同時に診断指標としての二重の役割を果たしている。PD活動は直接的に材料の侵食を引き起こし、電気トリーにつながる可能性がある。同時に、PDによって生成される電気パルスは外部で検出可能である。これにより、PD測定（第4章）は、より全体的な平均的な状態変化を示す誘電正接測定などとは異なり、絶縁体内部で活発で有害なプロセスが発生していることを直接示すため、特に価値が高い。メカニズムと測定可能な信号とのこの直接的な関連性は、PDを致命的な欠陥を特定するための強力なツールにしている。

一方で、熱劣化はしばしば局所的な性質を持つトリー現象とは対照的に、全体的な経年劣化プロセスを表している。酸化のような熱効果は、温度が十分に高い場所であればどこでも発生し、ケーブルの広範囲または全長にわたってバルクポリマー特性に影響を与える。これにより、材料の回復力（機械的および電気的）が徐々に、広範囲にわたって低下する。対照的に、トリー現象は特定の欠陥部位から開始する。この違いは、対策が全体的な経年劣化（例：熱管理、第6章b節）と局所的な欠陥（例：製造/設置時の品質管理、第6章a節、およびPD/トリー検出、第4章）の両方に対処する必要があることを示唆している。

4. 診断および検出技術

設置された地中ケーブルの状態を評価することは、状態基準保全（CBM）を実施し、故障を未然に防ぐために不可欠であり、様々な診断技術に依存している。これらの方法は、大別してオフライン（ケーブルの停電が必要）またはオンライン（運用中に実施）に分類できる。主要な技術は以下の通りである。

絶縁抵抗 (IR) 測定: 直流電圧（通常500V～5kV）を印加し、抵抗値を測定する。単純、迅速であり、深刻な水分浸入、短絡、導通問題などの重大な欠陥の検出に有効である。しかし、一般的に、交流破壊強度を支配する小さなボイド、異物、または初期段階の水トリー/電気トリーのような局所的な欠陥には感度が低い。基本的な安全性チェックや合否判定テストとしてしばしば用いられる。
誘電正接 (Tan δ) 測定: 損失係数または力率試験としても知られる。交流電圧下での絶縁体の誘電損失を測定する。誘電損失は劣化（例：水分、イオン性汚染、広範な水トリー）とともに増加する。試験されたケーブル長にわたる絶縁状態の全体的な評価を提供する。試験装置のサイズと電力定格を削減し、水トリーのような特定の欠陥に対する感度を高める可能性があるため、しばしば超低周波（VLF、通常0.1 Hz）交流電源を使用してオフラインで実施される。異なる電圧レベルでのTan δ値を分析する（「チップアップ」テスト）ことで、PD活動の兆候を得ることができる。解釈には、経時的な傾向分析や、基準値または姉妹ケーブルとの比較が必要である。
部分放電 (PD) 測定: 絶縁体内部または付属品（接続部、終端部）でのPD現象に関連する高周波（kHz～GHz範囲）の電気信号または他の物理現象（音響、光学）を検出する。オフライン（しばしば耐電圧試験と組み合わせて実施）またはオンラインで実施可能である。様々なセンサー（容量性、誘導性、音響、UHFアンテナ）と測定システムが使用される。PD試験は、即時の故障脅威をもたらす局所的な欠陥に対して非常に感度が高い。主な課題には、外部ノイズ（特にオンライン）からのPD信号の識別と、ケーブル長に沿ったPD発生源の正確な位置特定が含まれる。
直流漏れ電流測定 / 直流高電圧 (Hipot) 試験: 高い直流電圧を印加し、結果として生じる漏れ電流を測定する。歴史的には、紙絶縁鉛被（PILC）ケーブルに使用されてきた。しかし、XLPE絶縁体に高い直流電圧を印加することは、空間電荷の蓄積を誘発し、ケーブルが交流運用に戻されたときに早期故障を引き起こす可能性があるため、広く推奨されていない。また、水トリーのような交流特有の劣化を検出するのに効果的ではない。低電圧の直流試験は、IRと同様の基本的なチェックに使用される場合がある。
その他の技術: 回復電圧法（RVM）や誘電分光法（周波数領域分光法 – FDS）などの高度なオフライン手法は、絶縁体の分極および脱分極特性を分析して、経年劣化や水分含有量を評価する。ケーブルに統合された、または並行して設置された光ファイバーを使用する分布型温度センサー（DTS）は、ケーブル長に沿った連続的なオンライン温度プロファイルを提供できる。終端部やアクセス可能なケーブル部分の目視検査も、定期的な保守の一部である。

複合的アプローチ: 個々の方法には限界があるため、技術の組み合わせがケーブル状態の最も信頼性の高い評価を提供することが多い。例えば、Tan δは全体的な劣化や水分を示す可能性があり、PD試験は局所的な致命的欠陥を特定する。

地中ケーブル絶縁診断技術の比較

技術	原理	主な検出対象	評価範囲 (全体/局所)	実施モード (オフライン/オンライン)	主な利点	主な限界
絶縁抵抗 (IR)	直流抵抗測定	重大欠陥、水分	全体	オフライン	単純、迅速、基本チェック	局所的な交流欠陥に鈍感
Tan δ (VLF含む)	交流誘電損失測定	一般的な経年劣化、水分、水トリー	全体	オフライン (主にVLF)	全体状態把握に良好、VLFは実用的	小さな致命的欠陥への感度低い、解釈に専門知識が必要
部分放電 (PD)	放電パルス/信号の検出	ボイド、異物、電気トリー、付属品欠陥	局所	オフライン & オンライン	致命的欠陥に高感度	ノイズ除去、位置特定精度、オンラインの複雑さ
直流漏れ電流 / Hipot	高電圧下での直流電流測定	(PILC: 一般状態)	全体	オフライン	(PILC: 確立)	XLPEに損傷を与える可能性、交流欠陥に鈍感 (XLPE)
誘電分光法 / RVM	分極/脱分極特性分析	水分、界面分極、経年劣化	全体	オフライン	詳細な材料状態情報	複雑な解釈、オフラインのみ
分布型温度センサー (DTS)	光ファイバーによる温度測定	ホットスポット、温度プロファイル	分布型局所	オンライン	リアルタイム熱監視	ファイバー必要、間接的な絶縁評価

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この表は、資産管理における意思決定に不可欠な構造化された比較を提供する。技術者や管理者は、目的（例：定期スクリーニング vs 詳細調査）、ケーブルタイプ（XLPE vs PILC）、運用上の制約（オフライン vs オンライン）、予算に基づいて適切な診断ツールを選択する必要がある。この比較表は、特定の劣化メカニズム（例：局所欠陥に対するPD、全体的な水トリーに対するTan δ）を検出するためにどの技術が適しているかを迅速に把握し、その実用的な意味合い（オフライン/オンライン、全体/局所評価、XLPEに対するDC試験の制限など）を理解するのに役立つ。これにより、効果的かつ効率的な診断プログラムの設計が促進される。

診断技術の現状は、全体的な評価と局所的な欠陥感度の間のトレードオフを反映している。IR やTan δ のような技術は、ケーブル区間の健全性の平均的または全体的な評価を提供する。これらは広範な問題（水分や一般的な経年劣化など）の検出には適しているが、小さく致命的な欠陥を見逃す可能性がある。逆に、PD試験は、差し迫った故障につながる可能性のある局所的な「弱点」を見つけるのに優れているが、全体的な経年劣化状態を反映しない場合がある。この本質的な違いは、リスクを効果的に管理するために、包括的な戦略がしばしば両方のタイプの測定を必要とすることを示唆している – 全体的なテストで一般状態と優先順位付けを行い、局所的なテストで致命的な脅威を特定する。

診断における技術進化は、実用性と運用条件下での関連性の必要性によって推進されている。Tan δ測定におけるVLFへの移行は、長尺ケーブルでの商用周波数試験の非実用性（高い容量性充電電流）に対処するものである。オンラインPD監視の開発は、停電を必要とせずに実際の運用ストレス下でケーブルを評価することを目的としている。XLPEに対するDC試験に関する注意喚起は、交流運用に関連する材料物理学と故障モードのより良い理解を反映している。これらの傾向は、より中断が少なく、現場で実用的であり、通常の交流運用条件下でのケーブルの性能とリスクにより直接関連する情報を提供する診断方法への明確な推進を示している。

効果的な診断は、単なる測定だけでなく、解釈と資産管理への統合に関するものでもある。Tan δ やPD などの技術を使用してデータを取得することは、最初のステップにすぎない。真の価値は、結果を正しく解釈し、限界を理解し、経時的な傾向を追跡し、この情報を使用して情報に基づいた保守決定（CBM）を行ったり、交換を計画したり（第6章d節）することからもたらされる。これは、より広範な資産管理フレームワーク内で、熟練した人材、堅牢なデータ管理システム、および明確な診断基準の必要性を強調している。

5. 絶縁劣化の影響

絶縁劣化が臨界点まで進行すると、必然的に故障に至り、重大な悪影響をもたらす。

ケーブル故障: 最も直接的な結果は絶縁破壊であり、導体と金属遮蔽/接地間、または多心ケーブルの場合は導体間で短絡が発生する。これは電力系統における地絡または短絡事故となる。
停電: ケーブル故障は電力の流れを中断させ、その回路から供給を受けている需要家の停電を引き起こす。ネットワーク構成（放射状 vs ループ状）やケーブルの重要度（送電 vs 配電）に応じて、これらの停電は多数の需要家や重要インフラに影響を与える可能性がある。
経済的コスト: 故障は、直接的な修理費用（人件費、材料費、掘削費）、電力会社の逸失利益、ダウンタイムによる影響を受けた企業の経済的損失、および信頼性パフォーマンスに関連する規制上の罰金など、多大なコストを発生させる。地中ケーブルの修理は、故障点の特定と掘削が必要なため、特に費用と時間がかかることが多い。
安全上のリスク: ケーブル故障、特に大きな故障電流を伴うものは、重大な安全上の危険をもたらす可能性がある。これには、火災、爆発（特にマンホールのような密閉空間や古いタイプのケーブルで）、電力会社の作業員や公衆への感電リスク、および近隣インフラへの損傷の可能性が含まれる。
電力品質問題と機器損傷: 故障は、接続されたネットワーク上で電圧低下、電圧上昇、または過渡現象を引き起こし、敏感な需要家機器の動作に影響を与えたり、他の電力会社資産に損傷を与えたりする可能性がある。

ケーブル故障の影響は、ケーブル自体のコストを大幅に上回り、予防保全的な管理を正当化する。ケーブルセグメントの直接コストは、その故障による連鎖的な結果、すなわち広範囲の停電、需要家と電力会社双方の大きな経済的損失、複雑で高価な修理、深刻な安全リスクと比較すると、比較的小さいかもしれない。この高い「故障の影響」は、経済的な計算を根本的に変え、診断（第4章）や予防的/予測的保守（第6章）への投資を、故障に至るまで運用するアプローチと比較して非常に費用対効果の高いものにする。

地中ケーブルの隠れた性質は、修理の困難さと故障の影響の可能性の両方を増大させる。損傷が目に見え、修理が迅速な場合がある架空線とは異なり、地中ケーブルの故障は専門的な位置特定技術と大規模な土木工事（掘削）を必要とし、より長い停電時間とより高い修理コストにつながる。さらに、都市部の道路や歩道の下で発生する故障は、より大きな公衆安全リスクをもたらす。地中資産に関連するこの固有の困難さとリスクは、劣化を理解し管理することによって故障を防ぐ努力を強く動機付ける。

ケーブルの信頼性は、本質的に公衆安全と規制遵守に結びついている。特に人口密集地域でのケーブル故障に伴う火災、爆発、感電のリスクは、絶縁の健全性を単なる運用パフォーマンスの問題ではなく、公衆安全の問題にする。電力会社は、安全性と信頼性に関する規制当局の監督に直面している。これは、これらのリスクを最小限に抑え、公共サービス義務を果たすために、堅牢なケーブル評価および保守プログラムに投資する強力な非経済的動機を電力会社に課している。

6. 絶縁劣化への対策

絶縁劣化の管理には、ケーブルのライフサイクル全体にわたる多面的なアプローチが必要である。主要な戦略は以下の通りである。

(a) 適切なケーブル選定と施工方法

選定: 運用電圧、負荷、および環境条件に適したケーブル設計と材料を選択する。これには、既知のストレス要因に対する耐性が証明されている絶縁材料、例えば湿潤環境向けの耐水トリー（WTR）XLPEコンパウンドの選択が含まれる。シースシステムに強化された遮水機能を持つ設計（例：ラミネート金属層、吸水性粉末/テープ）を検討する。初期欠陥を最小限に抑えるために、厳格な製造品質管理を規定する。
施工: 設置中は、製造元の推奨事項と業界のベストプラクティスを厳守する。これには、最小曲げ半径の遵守、適切な引っ張り張力の使用、機械的損傷を避けるための適切な基礎材と埋め戻しの確保が含まれる。接続部および終端部の施工時には、汚染、水分浸入、および形状の不完全さ（例：滑らかな半導電層界面の確保）を防ぐために細心の注意が必要である。設置後の試験（例：シース健全性試験、初期のPD/Tan δベースライン測定）が重要である。

(b) 負荷管理と温度管理

運用: ケーブルを設計された熱的制限内で運用する。過度の温度上昇と熱的老化の加速につながる持続的な過負荷を避ける。適切な場合には、リアルタイムの条件に基づいた動的線路定格（DLR）を検討する。
監視: 重要な回路に対して温度監視を実施し、潜在的に分布型温度センサー（DTS）システムを使用してケーブル長に沿ったホットスポットを特定する。
システム設計: 適切な設置設計（間隔、熱的埋め戻し材）を通じて十分な放熱を確保する。適切なサージ保護デバイスを使用して、ケーブルを過渡過電圧から保護する。

(c) 状態監視と定期的な診断・保守

監視プログラム: 適切な診断技術（第4章）を使用した状態監視のための体系的なプログラムを確立する。試験の頻度と範囲は、ケーブルの年齢、種類、重要度、および履歴に基づいて決定されるべきである。
データ分析: 診断データを分析し、傾向を特定し、結果を解釈して現在の状態と劣化の速度を評価する能力を開発する。これには、しばしばベースライン測定、姉妹ケーブル、または確立されたベンチマークとの結果比較が含まれる。
状態基準保全 (Condition-Based Maintenance, CBM): 診断の洞察を活用して、時間基準の保守スケジュールからCBM戦略へと移行する。保守活動（詳細調査、修理、改修、交換）は、評価された状態によってトリガーされ、リソース配分を最適化し、信頼性を向上させる。

(d) 更新計画と予防保全

資産管理戦略: ケーブル状態評価を、より広範な資産管理フレームワークに統合する。これには、在庫管理、リスク評価（故障の確率と影響の両方を考慮）、および長期計画が含まれる。
優先順位付け: 診断結果、運用履歴、および故障データを使用して、改修または交換のためにケーブルまたは回路の優先順位を付ける。最も高いリスクをもたらす資産に焦点を当てる。
寿命評価: 残存寿命評価（RLA）モデル（しばしば診断データと経年劣化モデルを組み合わせる）を採用して、将来の状態を予測し、交換時期の決定に役立てる。
予防的交換: 問題があることが知られているケーブル群（例：湿潤地域にあるWTR機能を持たない初期のXLPE）や、評価に基づいて寿命末期に近いことが確認されたケーブル群に対して、故障が発生する前であっても計画的な予防的交換プログラムを実施する。

効果的な劣化管理には、ライフサイクル全体を通じた全体的な視点が必要であり、初期段階での行動が高いレバレッジを持つことを認識する必要がある。対策は孤立した行動ではなく、仕様決定から設置、運用、そして廃棄（更新）に至るまでの継続的なプロセスの一部である。決定的に重要なのは、初期に行われる決定 – 適切な材料の選択、欠陥のない製造の確保、完璧な設置の実行 – が長期的な回復力の基盤を確立することである。ここでの誤りや省略は、後の運用管理や診断では管理できても排除できない固有の弱点を作り出す。これは、品質への初期投資の長期的な価値を強調している。

状態監視とCBMは、データ駆動型で最適化された資産管理への移行を表している。年齢や固定スケジュールのみに依存する保守は非効率的である。状態監視は、個々の資産の健全性に関する実際のデータを提供する。このデータを使用して保守活動を推進する（CBM）ことで、電力会社は最も必要とされる場所にリソースを集中させ、劣化しているケーブルに予防的に対処し、健全なケーブルに対する不必要な作業を回避することができる。これは、反応的または純粋に時間ベースのアプローチと比較して、信頼性の向上（故障の減少）と、潜在的により低い全体的なライフサイクルコストにつながる。

熱管理は、劣化を遅らせるための運用管理の礎石である。既に確立されているように（第2章および第3章での考察）、温度は基本的な経年劣化プロセス（酸化など）の主要な加速因子である。したがって、熱的制限内に留まるように負荷を注意深く管理し、潜在的に監視によって支援されることは、ケーブル寿命を延ばすための最も効果的な運用戦略の一つである。これは、普遍的な劣化要因に非侵襲的に対処し、ケーブル全長に利益をもたらす。

戦略的な資産更新は、老朽化するケーブル群を管理し、長期的なグリッドの健全性を確保するために不可欠である。CBMを通じて個々のケーブルを管理するだけでは、必要とされる寿命末期の交換の波に対処するには不十分かもしれない。戦略的でネットワークレベルのアプローチが必要である。これには、状態データを使用して高リスク群を特定し優先順位付けし、計画的な交換プログラムを実施し、技術的評価を長期的な財務計画およびリスク管理と統合して、持続可能なインフラを確保することが含まれる。

7. 最新の研究動向と新技術

研究開発は、材料、診断、および基礎的理解に焦点を当て、ケーブルの長寿命化と管理の改善を継続的に追求している。

先端絶縁材料:
- ナノコンポジット: ナノスケールのフィラー（例：シリカ、MgO、TiO2）を高分子マトリックス（PEやXLPEなど）に組み込むことで、絶縁耐力、熱伝導性、空間電荷抑制、電気トリーおよび水トリーへの耐性を向上させる。
- 改良配合: より優れた性能を持つXLPEコンパウンドの継続的な改良。これには、強化された耐水トリー性（WTR-XLPE）や向上した耐電圧寿命が含まれる。より高い動作温度や特定の用途（例：HVDCケーブル）向けの材料開発。
- 自己修復材料: 微小な内部損傷（例：マイクロクラック）を自律的に修復できる高分子に関する探索的研究。これにより、劣化経路を阻止できる可能性がある。
- 環境調和型材料: ケーブル絶縁用のリサイクル可能な熱可塑性材料や、火災時の環境影響を低減するためのハロゲンフリーコンパウンドに関する研究。
強化された診断技術:
- 感度と精度: PD検出（例：より良いセンサー、高度な信号処理）やTan δ測定（例：より広い周波数範囲の分析）などの既存の方法の感度、ノイズ除去能力、診断能力を向上させる。
- PD位置特定: 広範なケーブル長に沿ったPD発生源をより正確に特定する技術の開発。これは、対象を絞った修理に不可欠である。これには、時間領域反射測定（TDR）ベースの方法やマルチセンサー三角測量アプローチが含まれる。
- AIと機械学習: 診断測定（PDパターン、Tan δ曲線、温度プロファイル）からの大規模データセットを分析するためにAI/MLアルゴリズムを適用し、欠陥の自動分類、状態評価、故障予測、および残存寿命推定を行う。
- オンライン監視: 重要な回路の継続的な評価のための、堅牢で費用対効果の高いオンライン監視システムの進歩（例：統合PDセンサー、改良されたオンラインTan δ技術）。
- 新規手法: 劣化の化学的副生成物や高度な分光法に基づく可能性のある、新しい診断マーカーや技術の探索。
基礎的理解とモデリング:
- メカニズム研究: 劣化の基礎物理学と化学、特に水トリーの複雑な開始および伝播メカニズムと空間電荷の役割に関する継続的な調査。
- 経年劣化モデル: 様々なストレス要因下での絶縁劣化をシミュレートし、材料特性、運用条件、および診断データに基づいて残存耐用年数（RUL）を予測するための、より正確で検証されたモデルの開発。

技術革新は、固有の材料耐性を高めることと、現場での状態評価を改善することという二つの経路を辿っている。研究努力は、より優れた材料を創出することによって劣化の根本原因を標的にすると同時に、より強力な診断法と予測モデルを通じて、膨大な既設基盤および将来の設備における劣化を管理するためのツールを改善することを目指している。これは、より良いケーブルが望ましい一方で、既存の不完全な資産の効果的な管理が依然として不可欠であることを認める現実的な戦略を反映している。

AI/MLは、診断と予測保全にとって変革的な可能性を秘めている。従来の診断解釈は、しばしば専門家の判断と単純な傾向分析に依存している。現代の技術（特に連続オンライン監視）によって生成されるデータの複雑さと量は、最適な分析を行う人間の能力を超えている。AI/ML は、微妙なパターンを自動的に識別し、複数のデータストリームを相関させ、欠陥タイプを分類し、より正確な故障確率またはRUL推定を提供する可能性を提供する。これは、より正確で予測的、かつ自動化された意思決定を可能にすることにより、CBM と資産管理を革命的に変える可能性がある。

水トリーのような基本的なメカニズムに、数十年の研究にもかかわらず、依然として重要な研究努力が注がれているという事実は、その複雑さと現在の知識の限界を浮き彫りにしている。より深い基礎的理解を達成することは、材料や高度にターゲット化された診断法において、漸進的な改良を超えた真に破壊的な改善を開発するために、おそらく必要である。

8. 結論

地中電力ケーブルにおける絶縁劣化は、その誘電特性の不可逆的な低下であり、電力供給におけるケーブルの不可欠な役割と故障時の甚大な影響から、極めて重要な課題である。劣化は、熱的、電気的、機械的、および環境的ストレスの複合的な作用によって引き起こされ、特にXLPEケーブルにおいては水分浸入が有害な影響を及ぼす。主要な劣化メカニズムには、水トリーや熱劣化のような回復力を低下させる遅いプロセスと、部分放電や電気トリーのような最終的な故障を引き起こす速いプロセスが含まれる。

ケーブルの状態診断は、絶縁抵抗測定、誘電正接測定、部分放電測定など、それぞれ長所と短所を持つ一連のツールに依存しており、複合的なアプローチと状態基準保全への移行が必要とされている。オンライン監視とAI/MLの活用は、診断技術の重要な発展方向である。絶縁劣化が進行した場合の結末は深刻であり、停電、莫大な経済的損失、そして重大な安全上のリスクを伴う。

効果的な管理には、適切なケーブルの選定と丁寧な施工、運用中の管理（特に温度管理）、堅牢な状態監視システム、そして戦略的な更新計画を含む、ライフサイクル全体を通じたアプローチが不可欠である。進行中の研究は、ナノコンポジットや改良型XLPEのような先端材料、およびより高度な診断技術に焦点を当てており、信頼性の向上と資産管理の最適化を目指している。

地中電力ケーブルインフラの長期的な信頼性を確保するためには、劣化現象の理解に基づき、先進的な診断技術を活用し、包括的なライフサイクル管理戦略を実行する、予防的かつ情報に基づいたアプローチが不可欠である。安全で安定した電力供給を維持するためには、継続的な警戒と新技術への適応が求められる。

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