要旨
送電システムの安全保護システムにおいて、絶縁材料は重要な「番人」の役割を果たしている。本稿では、ポリ塩化ビニル（PVC）、架橋ポリエチレン（XLPE）、ポリエチレン（PE）、アクリレートゴム（EPR）、シリコーンゴム（SIR）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）という6つの主要な絶縁材料の性能特性を深く分析する。国際電気標準会議（IEC）の規格とアンダーライターズ・ラボラトリーズ（UL）の認証データを組み合わせ、耐熱性、機械的強度、環境保護性能などの主要指標を比較・分析することで、工学的選択のための科学的根拠を提供する。研究によると、90℃の長期使用温度におけるXLPEの絶縁破壊強度は30kV/mmに達する（データソース：IEEE Std 404）一方、PTFEは-200℃～260℃の極限環境でも安定した誘電特性を維持できる。
1.ポリ塩化ビニル（PVC）：経済的な断熱材のモデル
世界使用量38%（データソース：Grand View Research 2023）の絶縁材料であるPVCは、優れた費用対効果で低電圧電気システムの安全ラインを構築します。体積抵抗率は1×10¹²Ω・mに達し、定格電圧範囲は0.6～1kVで、ビル配線のニーズに完全に適合しています。ただし、上限温度が70℃であるため、高温環境下では難燃剤と併用する必要がある。ダウ・ケミカルの新しい環境に優しいPVC配合は、鉛安定剤の含有量を0.01%未満に抑え、RoHS認証に合格している。
2.架橋ポリエチレン（XLPE）：中高圧システムの守護聖人
照射または化学架橋技術により、XLPEの結晶構造は三次元ネットワークシステムを形成する。XLPEの熱伸度は、通常のPEの400%から50%以下（試験規格：IEC 60811）に低下し、90℃の長期運転条件下での経年劣化寿命は40年に達する。特に35kV以上の高圧ケーブルの分野では、XLPEの誘電正接（tanδ）は含油紙絶縁よりも50%低く、伝送損失を大幅に低減することができる。日本の住友電工の500kV XLPE海底ケーブルは、北海の風力発電プロジェクトで成功裏に使用されている。
3.ポリエチレン（PE）：低温環境に適したソリューション
HDPE素材は-50℃でも良好な柔軟性を維持し、密度1.0g/cm³、吸水率0.02%（ASTM D570）は特に寒冷地での敷設に適している。しかし、酸素指数が17%しかないという固有の欠点には注意が必要である。ドイツのBASF社は、ナノ・モンモリロナイト改質技術によって難燃グレードをUL94 V-0に引き上げ、太陽光発電ケーブルへの適用範囲の拡大に成功した。
4.EPR（イーピーアール）：フレキシブル断熱材のブレークスルー
EPR素材のユニークな「ソフトセグメント-ハードセグメント」構造により、200%の破断伸度（ISO 37）を実現し、振動の多い鉄道輸送の分野で優れた性能を発揮します。耐油性はASTM D471試験に合格しており、IRM903オイルに168時間浸漬した後の体積変化は10%未満です。PrysmianのEPR絶縁機関車ケーブルは、EN 45545-2耐火性認証に合格しており、発煙密度は50%未満です。
5.シリコーンゴム（SIR）：高温絶縁のための究極のソリューション
シリコーン主鎖構造により、SIR材料は180℃の高温でも安定した性能を維持でき、CTI値（比較トラッキング指数）は600V（IEC 60112）と高い。製鉄所の高温エリアでは、信越化学のシリコーンゴムケーブルは瞬間的な1000℃の火炎衝撃に耐えることができ、そのセラミック特性は火災時に絶縁保護層を形成することができる。
6.ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）：特殊絶縁の王様
PTFEのF-C結合エネルギーは485kJ/molと高く、不活性に優れています。強酸・強アルカリ環境においても、表面抵抗は1×10¹⁶Ω（ASTM D257）を維持しています。ゴア社が開発したエキスパンデッドPTFE技術を用いた同軸ケーブルは、5Gミリ波周波数帯において誘電率が1.3と低く、信号の減衰を40%低減する。
材料選択決定マトリックス
| インデックス | PVC | XLPE | 高密度ポリエチレン | イーピーアール | IR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 温度範囲 (℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| 絶縁破壊強度 (kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| コスト指数 | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| 環境保護レベル | B | A | A | B | A | C |
概要
経済的な汎用性を持つPVCから極限の性能を持つPTFEまで、6種類の絶縁材料が送電用の多次元的な保護システムを構築している。選定にあたっては、「GB/T 12706-2020」規格と具体的な使用条件を総合的に考慮する必要がある：PVC/PEは低圧配電に、XLPEは中高圧送電に、EPRはダイナミックなシーンに、SIRは高温環境に標準的に、PTFEは特別なニーズに対応するためにロックされています。EU REACH 規則による可塑剤規制の強化に伴い、ハロゲンフリーの難燃性 XLPE (データソース: European Cables 2023 Annual Report) は年間 7% の成長率で従来の材料に取って代わりつつあり、絶縁材料が高性能と環境保護に向けて進化し続けていることを示している。
(権威ある文献
- IEC 60502 電源ケーブル規格 https://www.iec.ch
- UL 44 ゴム絶縁ケーブル規格 https://www.ul.com
- ダウ・ケミカル塩ビ技術白書 https://www.dow.com
- 住友電工XLPE応用事例 https://global-sei.com
- 信越シリコーンゴム耐火試験報告書 https://www.shinetsu.co.jp )