電験3種・法規で出題される絶縁耐力試験の試験電圧や対地充電電流の計算問題対策について解説します。
高圧ケーブルのA種接地
絶縁耐力試験の試験電圧や対地充電電流の計算問題について解説する前に、試験問題が何を想定しているのかイメージできるよう、高圧ケーブルのA種接地について解説します。高圧ケーブルは、通常使用状態では碍子（サポート含む）で支持されています。また、碍子は金属体に支持されており、この金属体はA種接地されています。A種接地は、高圧機器の鉄台・金属製外箱、避雷器、屋内配線の高圧ケーブルの金属遮蔽層(遮蔽銅テープ)に行われます。
【高圧ケーブルの金属遮蔽層とA種接地】
高圧ケーブルの金属遮蔽層(遮蔽銅テープ)を接地する際、実際には前述の金属体へ接続されることが多いです。
絶縁耐力試験(耐電圧試験)
絶縁耐力試験（耐電圧試験）とは、電気機器や部品が、使用電圧に対して十分な絶縁性能を有しているか（絶縁破壊を起こさないか）を確認するための試験です。
対象物に規定の電圧を一定時間加え、絶縁の「強度」が基準を満たしているかを判定します。
電気設備技術基準 第15条に基づき、高圧および特別高圧の電路における絶縁耐力試験では、電路と大地との間に試験電圧を10分間連続して印加します。
① 絶縁破壊：電圧に耐えきれず、絶縁物に火花放電や電流の通り道（貫通）が生じ、絶縁機能が失われる現象。
② 絶縁耐力：絶縁破壊を起こさずに耐えられる電圧の限界値。
多芯ケーブルの絶縁耐力試験
高圧ケーブルのような多芯ケーブルの場合、以下の箇所において絶縁性能を確認します。
芯線相互間： 各芯線間に試験電圧を印加します。
芯線と大地間： すべての芯線を一括し、芯線と遮蔽銅テープ（接地側）との間に試験電圧を印加します。
これにより、線間短絡および一線地絡に対する安全性を評価できます。
合否の判定基準
一般的に、絶縁耐力試験における「合格」とは、以下の条件を満たすことを指します。
- 絶縁破壊を起こさないこと：漏洩電流の急激な増加や、火花放電、異音、発熱などの異常が発生しないこと。
- 絶縁性能の維持：試験後、通常使用状態でも絶縁物の特性が損なわれず、安全に使用できる状態であること。
電路の試験電圧
電路に対して絶縁耐力試験を行う場合、試験電圧は以下のように計算します。
① 使用電圧(公称電圧=その電線路を代表する線間電圧)から最大使用電圧 $E_m$ を計算します。最大使用電圧 $E_m$ は使用電圧が1kV以下ならその1.15倍、使用電圧が1kVを超え500kV未満ならその $\frac{1.15}{1.1}$ 倍となります。
② 計算した最大使用電圧 $E_m$ から、以下表により試験電圧を計算します。
| 最大使用電圧 | 試験電圧 |
|---|---|
| 7kV以下 | 交流の電路:最大使用電圧の1.5倍の交流電圧 直流の電路:最大使用電圧の1.5倍の直流電圧、又は1倍の交流電圧 |
| 7kVを超え15kV以下(中性点接地方式) | 最大使用電圧の0.92倍 |
| 7kVを超え60kV以下 | 最大使用電圧の1.25倍(※最低値は10500V) |
| 60kVを超える | 最大使用電圧の1.1倍(電験3種の対象外なので参考) |
また、電線にケーブルを使用する場合、上表の交流試験電圧の2倍の直流電圧で絶縁耐力試験を行うことができます。
計算例
高圧受電設備(6.6kV)の電路(ケーブルを使用している)の試験電圧(交流、直流)を求めます。
① 電路の使用電圧(公称電圧=電路を代表する線間電圧)は6.6kVなので、「最大使用電圧=使用電圧×1.15/1.1=6.9kV」になります.
② 試験電圧(交流)は、表より 「最大使用電圧(6900V)×1.5倍=10350V」となります。
③ 試験電圧(直流)は、試験電圧(交流)の2倍なので「10350V×2倍=20700V」となります。
機械器具類の試験電圧
機械器具類に対して絶縁耐力試験を行う場合、試験電圧は以下のように計算します。
① 使用電圧から最大使用電圧を計算する。
使用電圧が1kV以下ならその1.15倍、使用電圧が1kVを超え500kV未満ならその(1.15/1.1) 倍が最大使用電圧となります。
② 最大使用電圧Emから、以下表により試験電圧を計算する。
| 種類 | 最大使用電圧Em | 試験電圧 |
|---|---|---|
| 変圧器、開閉器、遮断器、電力用コンデンサ、計器用変成器、母線等 | 7kV以下 | Em×1.5(最低500V) |
| 変圧器、開閉器、遮断器、電力用コンデンサ、計器用変成器、母線等 | 7kVを超え60kV以下、Emが15kV以下の中性点接地式電路に接続するもの | Em×0.92 |
| 変圧器、開閉器、遮断器、電力用コンデンサ、計器用変成器、母線等 | 7kVを超え60kV以下、上記以外のもの | Em×1.25(最低1.05kV) |
| 回転変流機 | ー | 直流側のEm(最低500V) |
| 回転変流機以外の回転機 | 7kV以下 | Em×1.5(最低500V) |
| 回転変流機以外の回転機 | 7kV超え | Em×1.25(最低1.05kV) |
| 整流器 | 60kV以下 | 直流側のEm(最低500V) |
| 燃料電池・太陽電池モジュール | ー | Em×1.5(直流電圧)、またはEm(交流電圧)(最低500V) |
計算例
太陽電池モジュール(最大使用電圧40V)を20直列並べた太陽電池アレイに対して、絶縁耐力試験を行うときの試験電圧(直流及び交流)を計算せよ。
(解答)
試験電圧(交流)・・・40V×20直列 = 800V
交流電圧(直流)・・・40V×20直列×1.5倍 = 1200V
逆変換装置(PCS)の試験電圧
近年増加している太陽電池発電設備や風力発電設備等の分散型電源については、それらを系統に接続するにあたり、交流・直流を変換する電力変換装置が必要となります。電技省令第5条第2項で「事故時に想定される異常電圧を考慮し、絶縁破壊による危険のおそれがないものでなければならない」と定められています。
（電路の絶縁）
第5条 電路は、大地から絶縁しなければならない。ただし、構造上やむを得ない場合であって通常予見される使用形態を考慮し危険のおそれがない場合、又は混触による高電圧の侵入等の異常が発生した際の危険を回避するための接地その他の保安上必要な措置を講ずる場合は、この限りでない。
2 前項の場合にあっては、その絶縁性能は、第22条及び第58条の規定を除き、事故時に想定される異常電圧を考慮し、絶縁破壊による危険のおそれがないものでなければならない。
3 変成器内の巻線と当該変成器内の他の巻線との間の絶縁性能は、事故時に想定される異常電圧を考慮し、絶縁破壊による危険のおそれがないものでなければならない。
そして電技解釈１６条では、電技省令第5条第2項の規定を満たす具体的な仕様が例示されています。
このうち、太陽電池発電設備に接続する逆変換装置（電力変換装置の一種）の絶縁性能については、電技解釈第16条第６項第５号に以下のとおり定めがあります。
【機械器具等の電路の絶縁性能】（省令第5条第2項、第3項）
第16条 変圧器（放電灯用変圧器、エックス線管用変圧器、吸上変圧器、試験用変圧器、計器用変成器、第191条第1項に規定する電気集じん応用装置用の変圧器、同条第2項に規定する石油精製用不純物除去装置の変圧器その他の特殊の用途に供されるものを除く。以下この章において同じ。）の電路は、次の各号のいずれかに適合する絶縁性能を有すること。第16条 （略）
2〜5 （略）
6 （略）
⼀〜四 （略）五 電力変換装置が、1,500V以下の直流電路に施設されるものである場合は、電気学会電気規格調査会標準規格JEC-2470(2005)「分散形電源系統連系用電力変換装置」の「6.2 一般試験」の交流耐電圧試験により絶縁耐力を有していることを確認したものであって、常規対地電圧を電路と大地との間に連続して10分間加えて確認したときにこれに耐えること。
【補足】
ただし、太陽電池発電設備以外の分散型電源に接続する電力変換装置であって、使用電圧が低圧のものには、電技解釈第16条第6項第1号イや同条第6項第3号等が適用され、電路の種類に応じて、以下の表のとおり、最大使用電圧の1倍～1.5倍の試験電圧を電路と大地との間に連続して10分間加えたときに、これに耐える性能を有することが求められており、現地での絶縁耐力試験について、太陽電池発電設備に接続する逆変換装置に比べて、より厳しい仕様が例示されています。
【電技解釈第16条第6項第1号イ、第3号】
開閉器、遮断器、電力用コンデンサ、誘導電圧調整器、計器用変成器その他の器具（第1項から第5項までに規定するもの及び使用電圧が低圧の電気使用機械器具（第142条第九号に規定するものをいう。）を除く。以下この項において「器具等」という。）の電路並びに発電所又は変電所、開閉所若しくはこれらに準ずる場所に施設する機械器具の接続線及び母線（電路を構成するものに限る。）は、次の各号のいずれかに適合する絶縁性能を有すること。
一 次に適合するものであること。
イ 使用電圧が低圧の電路においては、16-4表に規定する試験電圧を電路と大地との間（多心ケーブルにあっては、心線相互間及び心線と大地との間）に連続して10分間加えたとき、これに耐える性能を有すること。(略)
三 日本電気技術規格委員会規格 JESC E7001（2018）「電路の絶縁耐力の確認方法」の「３．３ 器具等の電路の絶縁耐力の確認方法」により絶縁耐力を確認したものであること。
16-4表
| 電路の種類 | 試験電圧 |
|---|---|
| 交流 | 最大使用電圧の1.5倍の交流電圧（500V未満となる場合は、500V） |
| 直流 | 最大使用電圧の1.5倍の直流電圧又は1倍の交流電圧（500V未満となる場合は、500V） |
参考:「電気設備の技術基準の解釈」の一部改正について
参考:太陽電池発電所の使用前自己確認制度について
【例題1】交流及び直流の絶縁耐力試験の試験電圧と対地充電電流
公称電圧6.6kV、周波数50Hzの電路に接続する高圧ケーブルの交流絶縁耐力試験を行う。
高圧ケーブルは3線一括で交流試験電圧を印加し、そのときの対地静電容量は0.2μFである。
このときの①交流試験電圧 ②電路の対地充電電流Ic ③交流でなく直流で絶縁耐力試験を実施するときの直流試験電圧 ④試験時間(試験電圧を電路と大地との間に連続して加える時間)を求めよ。
解説
【①交流試験電圧】
電路の使用電圧(公称電圧=電路を代表する線間電圧)は6.6kVなので、最大使用電圧は「使用電圧×1.15/1.1=6.9kV」になります.
また、交流試験電圧は表より 「最大使用電圧(6900V) × 1.5倍=10350V」となります。
【②電路の対地充電電流Ic】
● ①の試験電圧10350Vと題意より、対地充電電流Ic=0.65Aとなります。
$$I_c=\frac{V}{X_c}=\frac{V}{\frac{1}{2\pi fC}}=2\pi fCV=2\cdot 3.14 \cdot 50(0.2\times 10^{-6})10350=0.65$$
【③交流でなく直流で絶縁耐力試験を実施するときの直流試験電圧】
電線にケーブルを使用する場合、交流試験電圧の2倍の直流電圧で絶縁耐力試験を行うことができます。
よって、直流試験電圧(10350V)の2倍の20700Vが正解。
【④試験時間(試験電圧を電路と大地との間に連続して加える時間)】
10分以上
【令和3年度・問12】高圧ケーブルの交流絶縁耐力試験(三相一括)に必要な皮相電力
下図のような試験回路で高圧ケーブルを3線一括で交流試験電圧を印加して絶縁耐力試験を実施することを考える。各試験機器の損失を無視するとき、必要な皮相電力の値は何kVAとなるか。
解説
高圧機器(今回は「高圧ケーブル」)のもつ対地静電容量によって、充電電流 $I_c$ が発生します。絶縁耐力試験に必要な「皮相電力S=試験電圧V×充電電流Ic」となります。絶縁耐力試験に使用する試験装置は、この皮相電力S以上の定格出力である必要があります。
題意より、1線で1kmあたりの静電容量は0.45[μF]、ケーブルの亘長が220[m]=0.22[km]なので、1本当りの静電容量C[F]は以下のようになります。
$$C=\times 0.45\times 10^{-6}\times 0.22=0.099\times 10^{-6}$$
ケーブルは3本あるので、合成静電容量$C_0$は以下のとおり0.279[μF]と求まる。
$$C_0=3C=0.279$$
合成静電容量$C_0$にf=50[Hz]の試験電圧V=10350[V]を加えたとき、充電電流Ic[A]は以下のとおり0.965[A]と求まる。
$$I_c=\frac{V}{X_c}=3\times \frac{V}{\frac{1}{2\pi fC=0}}=2\pi fCV=0.965$$
よって、絶縁耐力試験に必要な皮相電力Sは以下のとおり。
$$S = VI_c=10350 \times 0.965 = 9988[VA] = 10[kVA]$$
【補足】Excel計算シート
【補足】電技解釈 15条、16条 の解説
「電気設備の技術基準の解釈の解説」に、「電技 第15条【高圧又は特別高圧の電路の絶縁性能】の解釈(p24-26) 」と「第16条【機械器具等の電路の絶縁性能】 の解釈(p26-30)」について記載されています。
●絶縁耐力試験の実施が義務ではないことの説明
なお、本条をはじめ、この解釈で規定する電気工作物の絶縁耐力というのは、電気工作物の有すべき絶縁性能について規定しているのであって、絶縁耐力試験を行うことを義務づけているものではない。したがって、この解釈では「…
絶縁性能を有すること。」、「…耐える性能を有すること。」という表現を用いている。
●試験電圧を10分間加える件
電路に加わる電圧には、正常の運転中の常規電圧のほかに、1線地絡等の事故時の異常電圧、電路の投入又は遮断時の異常電圧、雷電圧の侵入による異常電圧等があり、絶縁破壊の多くは、これらの異常電圧が原因となって起こるものであるから、電路の絶縁は、常規電圧に耐えるだけでなく、これらの異常電圧を考慮して定めなければならない。
しかし、雷電圧に対する絶縁の強度を雷インパルス耐電圧試験によって試験することは、現場試験としては甚だしく困難である
ので、雷電圧に対しては避雷器の施設（→第37条）を規定するにとどめ、絶縁の良否を試験する試験電圧値は、事故時や電路の遮断時の振動性の異常電圧を対象として定められている。しかし、これらの異常電圧に対応する短時間の高電圧を現場試験として加えることは困難であるので、15-1表に規定する一定電圧を連続して10分間加えたとき、これに耐える性能を有するものであることを規定している。
●試験電圧を直流電圧にする場合は、交流試験試験の2倍にする件
第二号は、長距離の高圧用又は特別高圧用ケーブルの場合には、静電容量が大きくなり、交流を用いて絶縁耐力試験を行うには、大容量の電源設備が必要となってその実施が困難な場合が多いため、このような場合にはケノトロン等を使用して、比較的簡単に実施し得る直流試験を行ってもよいこととしている。また、この場合の試験電圧は交流試験電圧の2倍に耐えれば安全であると考えている。
【令和6年度下期・問13】絶縁耐力試験
受電電圧 6 kV、契約電力 500 kW の自家用電気工作物の受電設備がある。「電気設備の技術基準の解釈」に基づき、周波数 50 Hz の交流電源を使用して受電設備の高圧電路の絶縁耐力試験を行うとき、次の(a)及び(b)の問に答えよ。
ただし、高圧電路の最大使用電圧は 6900 V とし、3線一括した高圧電路と大地との間の静電容量は 0.2 µF とする。
(a) 絶縁耐力試験における対地充電電流 [A] の値として、最も近いのは次のうちどれか。
(1) 0.32 (2) 0.43 (3) 0.54 (4) 0.65 (5) 0.71
(b) この試験に使用する試験装置に必要な容量 [kV・A] の値として、最も近いのは次のうちどれか。
(1) 2.2 (2) 3.5 (3) 6.8 (4) 8.9 (5) 10.4
解説
正解は (a)が(4)、(b)が(3)です。
(a) 最大使用電圧が $7000 \text{ V}$ 以下の交流電路における試験電圧 $V_t$ は、電気設備の技術基準の解釈 第15条第1項第1号（15-1表）の規定により、最大使用電圧の 1.5 倍となります。
$V_t = 6900 \times 1.5 = 10350 \text{ [V]}$
次に、3線一括の対地静電容量 $C_0 = 0.2 \text{ µF}$ に対する充電電流 $I$ を求めます。
$I = 2 \pi f C_0 V_t = 2 \times \pi \times 50 \times 0.2 \times 10^{-6} \times 10350 \approx 0.6503 \text{ [A]}$
よって、最も近い値は 0.65 A です。
(b) 試験装置に必要な容量 $P \text{ [kV・A]}$ を求めます。
$P = V_t \times I = 10350 \times 0.6503 \approx 6730.6 \text{ [V・A]} \approx 6.73 \text{ [kV・A]}$
よって、最も近い値は 6.8 kV・A となります。
【令和5年度上期・問4】太陽電池モジュールの絶縁性能
次の文章は、「電気設備技術基準の解釈」に基づく太陽電池モジュールの絶縁性能に関する記述の一部である。
太陽電池モジュールは、最大使用電圧の1.5倍の直流電圧又は(ア)倍の交流電圧（(イ)V未満となる場合は、(イ)V）を充電部分と大地との間に連続して(ウ)分間加えたとき、これに耐える性能を有すること。
上記の記述中の空白箇所(ア)から(ウ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)から(5)のうちから一つ選べ。
| – | (ア) | (イ) | (ウ) |
|---|---|---|---|
| (1) | 1 | 500 | 10 |
| (2) | 1 | 300 | 10 |
| (3) | 1.1 | 500 | 1 |
| (4) | 1.1 | 600 | 1 |
| (5) | 1.1 | 300 | 1 |
解説
正解は(1)です。
問題文の記述は、電気設備の技術基準の解釈 第16条第5項第1号（太陽電池モジュールの絶縁性能）が根拠となっています。
同条文には、「太陽電池モジュールは、最大使用電圧の1.5倍の直流電圧又は1倍の交流電圧（500V未満となる場合は、500V）を充電部分と大地との間に連続して10分間加えたとき、これに耐える性能を有すること。」と規定されています。
これにより、(ア)には「1」、(イ)には「500」、(ウ)には「10」が入ります。
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