高抵抗ケーブル地絡の検出方法：地中ケーブルの実践的な現場手法

現場技術者にとって、これは、ケーブルが低電圧でも負荷を運ぶ可能性があり、絶縁抵抗計が正常の境界線を示し、TDR が明確な反射を示さない可能性があることを意味します。しかし、ケーブルは障害状態でトリップしたり、負荷がかかると断続的に故障したりします。これらの障害を特定するには、障害に測定可能な兆候を積極的に強制する特殊な技術が必要です。この記事では、高抵抗の障害がなぜ非常に難しいのかを説明し、プロのケーブル障害検出者が使用する実証済みの方法について説明します。

1. 高抵抗ケーブルの障害とは何ですか?

高抵抗故障とは、絶縁体が損傷しているものの、直接的な金属間短絡には至っていなかった絶縁破壊です。代わりに、障害点は、固体の金属経路ではなく、抵抗経路 (多くの場合、炭化した絶縁体、水トリー、または湿気で汚染された欠陥) を介して電流を伝えます。一般的な障害抵抗値の範囲は、数百キロオームから数メガオームです。

高抵抗故障の一般的な原因は次のとおりです。

• XLPE 断熱材における水トリー現象 — 水分は長年にわたって断熱材を通って移動し、弱い伝導を示す木のようなマイクロチャネルを形成します。これらの障害は、多くの場合、数百キロオームの大きさになります。
• 以前の過電圧イベントによる炭化したトラッキング - 絶縁体を通る導電性トラックを部分的に焼損させた以前のサージにより、中程度から高い抵抗を持つ炭化したパスが残ります。
• 接合部または端子内の水分 - 接合部内の水分汚染により、直接的な短絡ではなく、抵抗性の漏れ経路が形成されます。
• 部分的な機械的損傷 - 設置中にケーブルに傷がついた、または磨耗した場合、絶縁体が損傷している可能性がありますが、完全な短絡を回避するのに十分な絶縁耐力が保持されています。
• 半導体層の欠陥 - ナイフの跡や終端部の半導体スクリーンの不完全な除去により、高電圧下でのみ破壊される電界集中が生じます。

1.1 標準 TDR がそれらを検出できない理由

TDR は、低電圧パルスを送信し、インピーダンスの不整合による反射を測定することによって機能します。確実な短絡 (抵抗がゼロに近い) では、簡単に認識できる強い反射が発生します。しかし、高抵抗障害では、ケーブルの特性インピーダンス (通常は 20 ～ 50 Ω) に近いインピーダンスが示されるため、反射は小さく、多くの場合、ノイズに埋もれているか、まったく存在しません。実際には、TDR は約 100 Ω 未満の障害を確実に検出します。それを超えると、反射振幅が急激に低下し、通常のケーブルの特徴 (ジョイント、スプライス、分岐) と区別することが困難になります。

これが、技術者が TDR を障害のあるケーブルに接続し、完全にきれいなトレースを確認しても、ケーブルに欠陥があることを認識できる理由です。故障抵抗が高すぎるため、低電圧パルスで測定可能な反射を生成できません。

2. 高抵抗の故障を特定する実証済みの方法

2.1 アーク反射法(ARM)/サージウェーブ法

アーク反射法 (ARM、サージ波法、インパルス電流法とも呼ばれる) は、高抵抗の障害を特定するための業界標準です。低電圧 TDR パルスを使用する代わりに、障害を強制的に破壊する高電圧サージ (8 ～ 35 kV) を印加します。絶縁破壊中、アークが形成されると、故障抵抗は瞬間的にほぼゼロに低下します。アークがアクティブである間、TDR パルスは、あたかも固体短絡であるかのように、障害点からの強い反射を測定します。

高電圧サージはサンパ (サージ発生器) によって生成され、コンデンサを充電してケーブルに放電します。サージのエネルギー (通常は 500 ～ 2450 ジュール) は、障害抵抗を橋渡しし、アークを数マイクロ秒維持するのに十分な量でなければなりません。アークが形成されると、TDR 反射は明確になり、パルスの往復時間とケーブル伝播速度から障害までの距離が計算されます。

ARM の主な利点:

• TDR の実用範囲をはるかに超え、数メガオームまでの障害に対応します。
• パルス当たり必要な時間はわずか数秒です。障害位置は数分で取得できます。
• 経験豊富なオペレータが解釈して検証できる視覚的な波形を提供します。
• (ブリッジ方式とは異なり) 優れた戻り導体を必要としません。

2.2 パルス電流方式

パルス電流方式 (サージ電流方式とも呼ばれます) は ARM と密接な関係があります。別個の低電圧 TDR パルスを送信する代わりに、高電圧サージ自体がケーブルを伝わり、障害アークから反射して戻ってくるときの電流波を測定します。電流カプラ (クランプオン CT) がテスト リードまたはケーブルの近端に配置され、受信機は発信サージとその反射を表示します。

この方法は、高エネルギー サージを障害アクティベータと測定信号の両方として使用するため、非常に高抵抗の障害や長いケーブルに特に効果的です。高電圧パルスは、低電圧 TDR パルスよりもはるかに大きなエネルギーを持ち、少ない減衰で遠くまで伝わるため、長いケーブルや減衰したケーブルに最適です。

2.3 バーンダウン/障害調整

障害抵抗が非常に高く、35 kV のサージでも破壊できない場合は、バーンダウン (障害調整) 手順が使用されます。バーンダウンでは、破壊しきい値のすぐ下のレベルで持続的な DC 電圧が印加され、継続的なエネルギーが障害点に供給されます。数分が経過すると、エネルギーによって絶縁体が炭化して導電路が形成され、障害抵抗がメガオームから数百オーム以下まで徐々に低下します。

障害耐性が低下すると、標準の TDR または ARM をプリロケーションに使用できます。バーンダウンは慎重に使用する必要があります。バーンダウンは障害点に永久的な損傷を与えますが (いずれにせよ修理が必要なので許容できます)、ケーブル内の他の場所に二次障害が発生しないように制御する必要があります。専用のバーンダウン セットには、過電流による損傷を防ぐための電流制限と自動カットオフが含まれています。

2.4 ブリッジ方式 (マレー/バーリー ループ)

ブリッジ法は最も古い故障箇所特定技術の 1 つですが、並列の良好な導体が利用可能な場合には、依然として高抵抗故障に対して有用です。マレー ループ法とバーレー ループ法では、ホイートストン ブリッジ構成を使用して、同じケーブル内の障害のある導体と正常な導体の間の抵抗比を測定します。ケーブル全長の抵抗とテスト端から障害までの抵抗を比較することで、障害までの距離が計算されます。

ブリッジ法は、DC 抵抗を直接測定し、パルス反射に依存しないため、高抵抗地絡 (相からスクリーンまたは相からアース) に特に効果的です。ただし、ループを形成するには同じゲージと長さの良好な導体が必要であり、適切なリターンパスがなければ開回路故障や相間故障を特定することはできません。精度は通常、ケーブル長の ±1 ～ 2% です。

2.5 VLF / 高電圧ストレス活性化

一部の高抵抗故障、特に水トリー故障は、AC 過電圧が持続した場合にのみ故障します。このような場合、0.1 Hz の VLF (超低周波) AC 電圧 (通常は定格電圧の 1.5 ～ 2.0 倍) を数分間印加すると、強制的に故障が繰り返しかつ一貫して破壊されます。電圧が持続した状態で故障が積極的にアーク放電すると、ARM またはパルス電流の事前位置特定を実行できます。

VLF ストレスは、高抵抗の故障が電圧に依存しているかどうかを診断するのにも役立ちます。故障が 1.5 U0 で現れ、1.0 U0 で消える場合、その状態は通常、永久的な炭化トラックではなく、水トリーまたはボイド放電です。

2.6 音響磁気による正確な位置特定

事前位置特定によって断層が特定のセクションに絞り込まれた後、正確な地表位置を見つける必要があります。この最終ステップでは、音響磁気法が一般的です。サンパー サージによって故障にアークが発生し、音響音 (故障箇所の急速な熱膨張による) と磁気信号 (サージ電流による) の両方が発生します。地上マイクと磁気センサーを備えたハンドヘルド受信機がケーブル ルートに沿って歩きます。オペレータはまず磁気信号を使用して大まかなエリアを見つけ、次に音響聴取に切り替えて、10 ～ 30 cm 以内の正確な障害位置を特定します。

3. 段階的な手順

4. ベストプラクティス

• 最低の実効サージ電圧から始めます。過剰な電圧は健全なケーブル部分を損傷する可能性があります。一貫した破壊が発生するまで電圧を上げてください。
• 伝播速度を確認します。ケーブル製造元から正しい VF (速度係数) を入力します。 VF が正しくないと、5 ～ 15% の距離誤差が生じます。
• 複数の波形を保存して比較します。真の障害反射は複数のパルスにわたって一貫していますが、ノイズはランダムに表示されます。
• すべての導体をテストします。高抵抗の障害は、1 つの相とアース間、相間、またはシースに影響を与える可能性があります。それぞれの組み合わせをテストします。
• 適切なサージ エネルギーを使用します。高抵抗の障害では、電圧だけでなくエネルギーも重要です。
• 安全性を優先します — ロックアウト/タグアウトに従い、絶縁された PPE を使用し、パルス中は安全な距離を維持し、テスト後は常にケーブルを放電して接地します。

5. 高抵抗の故障位置に対する XZH テスト ソリューション

XZH TEST は、高抵抗および断続的な障害向けに特別に設計された完全なケーブル障害位置特定システムを提供します。

• 統合型故障探知器 — TDR、ARM (アーク反射)、およびパルス電流方式を、タッチスクリーン ディスプレイを備えた 1 台のポータブル受信機に組み合わせます。自動モードでは、障害の種類に基づいて最適な方法が選択されます。
• 高電圧サージ発生器 — 調整可能なエネルギー (最大 2450 J) を備えた最大 35 kV のポータブルおよびトロリー搭載サンパで、中電圧および高電圧ケーブルの非常に高抵抗の障害さえも破壊するのに十分です。
• 音響磁気ピンポイント受信機 — フィールドノイズ除去のための相関関係が組み込まれており、±10 ～ 30 cm の精度でピンポイントを特定し、故障アークからの音響信号と磁気信号の両方を検出します。
• バーンダウン機能 — 選択されたサージ ジェネレータ モデルには、ARM の事前配置の前に非常に高いフォールト抵抗を下げるための制御されたバーンダウン出力が含まれています。
• 完全なシステム パッケージ — TDR/ARM ロケーター、サージ ジェネレーター、音響磁気ピンポインティング、およびケーブル ルート トレースを 1 つのポータブル セットアップに組み合わせたオールインワン キットです。

結論

高抵抗のケーブル障害は、現実世界の地下ケーブル システムでは例外ではなく、標準的なものです。標準的な TDR は、障害抵抗が高すぎて測定可能な反射を生成できないため、これらの障害では失敗します。解決策は、ARM またはパルス電流の事前位置決めには高電圧サージを使用し、最も頑固な故障にはバーンダウンまたは VLF ストレスを使用し、最終的な接地位置には音響磁気によるピンポイントを使用して、故障に低インピーダンスの兆候を積極的に示すことです。適切な機器、体系的な手順、電圧、エネルギー、伝播速度に注意を払えば、メガオームレベルの障害であっても正確かつ効率的に位置を特定できます。

XZHテストについて

XZH TEST はケーブル障害検出および電気試験装置を専門とし、電力会社、電気請負業者、試験会社、フィールド エンジニアに実用的なソリューションを提供しています。製品範囲には、ケーブル障害探知器、高電圧サージ発生器、音響磁気ピンポインタ、TDR 機器、VLF テスト システム、ケーブル ルート トレーサが含まれており、これらはすべて現場での耐久性、測定精度、オペレータの安全性を考慮して設計されています。