ケーブル故障の特定：種類・原因・位置特定テストの完全ガイド

ケーブル故障の種類、原因、および各種テストによる故障位置の特定方法

ケーブル故障の概要

発電所で発電された電気エネルギーは、都市、町、村などのさまざまな負荷（需要家）へ配電されます。この過程では、熱損失を最小限に抑えるため電圧を昇圧します。昇圧された電圧は変電所（グリッドステーション）で降圧され、配電用トランスでさらに降圧されて需要家へ供給されます。

電気エネルギーの配電は電気ケーブルを介して行われます。ケーブルは絶縁・非絶縁のいずれかです。絶縁・非絶縁（架空線・地中線）の選択は、主に地中配線工事でエネルギーを伝送する際に検討されます。

非絶縁ケーブルでは、最も一般的な故障がケーブル・導体の切断・断線であるため、故障検出は容易です。

一方、特に多心ケーブルなどの絶縁ケーブルでは、故障の種類が多岐にわたり、原因も多様です。
よく遭遇する故障の位置特定方法を説明する前に、ケーブル故障の種類と原因、特定方法を見ていきましょう。

ケーブル故障の種類

地中ケーブルでよく見られるケーブル故障の種類は以下の通りです：

• 開放回路故障（オープンサーキット故障）：導体が断線した、またはジョイントから導体が抜けたことで発生します。導体が断線しているため（電流の伝導路が途絶）、電流は全く流れません。
• 短絡故障または相間故障（ショートサーキット・クロス故障）：2本のケーブル間、または多心ケーブルの芯線間の絶縁が損傷した場合に発生します。負荷に接続されたメイン芯線を電流が流れず、ケーブル間または芯線間で直接流れてしまいます。負荷側は短絡状態になります。
• 地絡故障（アース・グラウンド故障）：ケーブルの絶縁が損傷し、ケーブル芯線から大地またはシース（ケーブル保護層）へ電流が流れる故障です。負荷には電流が流れません。

ケーブル故障の原因

ケーブル故障の主な原因は、ケーブルの紙絶縁への浸水（湿気）です。これによりケーブルを保護する鉛シースが損傷する可能性があります。鉛シースの損傷原因は多岐にわたります。主なものは、埋設時の土壌による化学作用、機械的損傷、振動による鉛の結晶化などです。

損傷ケーブルの故障位置を特定する方法

ケーブルの故障を修復する前に、まず故障を特定する必要があります。ケーブル故障を特定する方法は多数あり、以下で説明します：

ケーブル故障位置特定のための各種テスト

1. ブラビアテスト（単一ケーブル故障用）

単一ケーブルで地絡故障が発生し、他に健全なケーブルがない場合（マレーループテストのように健全ケーブルとループを形成できない場合）、片端からの抵抗測定により故障位置を特定するブラビアテストを実施できます。

ブラビアテストでは、抵抗を以下の2通りで測定します：

• ケーブル遠端を開放（絶縁）する
• ケーブル遠端を接地（アース）する（図参照）

単一ケーブルの地絡故障はブラビアテストで特定できます。このテストでは、低電圧電源、電流計、電圧計をブリッジネットワークで使用します。ケーブル片端（送電端）と大地間の抵抗を測定しながら、「遠端」を大地から絶縁します。

故障前の単心ケーブル総抵抗がRΩだと既知の場合、以下を定義します：

故障点〜大地抵抗 = r
遠端〜故障点抵抗 = r1
試験端〜故障点抵抗 = r2

遠端の大地接続を接続・開放して2つの抵抗値を測定します。これらは低圧（LT）電源とブリッジネットワークで測定可能です。

まず、遠端を開放して線間〜大地抵抗を測定：

R₁ = r₂ + r … (1)

次に、遠端を接地して線間〜大地抵抗を再測定：

故障前の総抵抗は：

R = r₁ + r₂ … (3)

上記式からr₂（故障位置・距離）について解くと：

x = r₂ の値は一般的にR₂より小さいため、上記式では（±）の代わりに（-）を採用します。

ループテストによるケーブル故障位置特定

これらのテストは、地中ケーブルの短絡故障や地絡故障で実施されます。健全なケーブルが故障ケーブルと並行して敷設されている場合、故障位置を容易に特定できます。ループテストの種類：

• マレーループテスト
• バーレイループテスト
• アースオーバラップテスト

2. マレーループテスト

マレーループテストによるケーブル故障位置特定の接続図を以下に示します。

ブリッジ（ホイートストンブリッジ）の原理を用いてケーブル故障を特定します。RaとRbは抵抗からなる2つの比例アーム、Gは検流計です。故障ケーブル（Rx）を低抵抗リンクで遠端側の健全ケーブル（Rc）に接続します。比例アームRa、Rbの抵抗を調整し、検流計の偏向がゼロになるまでブリッジを平衡させます。

したがって…

xについて解くと：

ここで、

l = 単一ケーブルの長さ（メートルまたはヤード）
2l = 2本のケーブル総長
x = 上側（試験端）から故障点までの距離

3. バーレイループテスト

マレーループテストとバーレイループテストの唯一の違いは、バーレイループテストでは総ループ抵抗の測定が可能である点です（マレーループテストでは関係式から求める）。

このテストでは、比例アームRaとRbを固定し、既知の可変抵抗（リオスタット）を変化させて平衡位置を得ます。

マレーループテストの式解説と同様です…

ケーブルの地絡故障または短絡故障の場合、スイッチキーをまず位置1に投入し、可変抵抗Sを調整してブリッジを平衡させ、抵抗値S1を得ます。キーが位置1の時：

キーが位置2の時

式1と式2から、

Ra、Rb、S1、S2の値が既知のため、Rxの値を決定できます。
ループ抵抗 =

rをケーブル単位長さあたりの抵抗とすると、試験端からの故障距離は：

4. アースオーバラップテスト

アースオーバラップテストでは、ブラビアテストの1回測定ではなく、2回の測定を行います。第1測定はR1（試験端から遠端（接地済み）までの線間〜大地抵抗）、第2測定はR2（遠端から試験端（接地済み）までの線間〜大地抵抗）です。両測定値は以下のように等しくなります：

ブラビアテストと同様、故障前のケーブル実抵抗Rを既知と仮定します。
R = r₁ + r₂

5. 開放回路テスト

開放回路故障は、ケーブルがジョイントから抜けたり、ケーブルが断線したりして発生します。この故障は容量テストで追跡できます。故障ケーブルの静電容量を、ボールガルバノメータまたはブリッジ法で両端から測定します。ケーブルの対地静電容量はケーブル長に比例します。

6. 電位降下テスト

電位降下テストでは、電流計、電圧計、可変抵抗（リオスタット）、電池を下図のように接続し、健全ケーブル（故障なし）が故障ケーブルと並行して敷設されている状態で故障位置を特定します。

故障点距離は以下で求められます：

産業技術

製造プロセス

3Dプリント

自動制御システム

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