電線絶縁材料にはどのような種類がありますか?あなたの用途に適したものはどれですか?

ワイヤーの絶縁材料の選択がエンジニアリング上の重要な決定である理由

ワイヤ絶縁体は、導体の周囲にある単なる保護スリーブではありません。ケーブル システムが意図された耐用年数にわたって確実に機能するかどうかを決定する、精密に設計されたコンポーネントです。絶縁材料は、導体間および導体と接地の間の電気的絶縁を維持し、摩耗、曲げ、圧潰などの機械的ストレスに耐え、設置場所の化学的および熱的環境に耐える必要があります。間違った絶縁材料を選択すると、早期の劣化、漏れ電流の増加、絶縁破壊、さらには深刻な場合には火災や感電につながります。このガイドでは、最も広く使用されている電線絶縁材料、その定義特性、温度定格、およびそれぞれが最も優れた性能を発揮する用途について説明します。

PVC (ポリ塩化ビニル) — 汎用規格

PVC は、世界中で最も広く使用されている電線絶縁材料であり、汎用の建物配線、家電配線、低電圧ケーブル製造の大部分を占めています。その広範な採用は、低コスト、加工の容易さ、良好な電気的特性、および固有の難燃性の実用的な組み合わせを反映しています。 PVC コンパウンドは汎用性も高く、可塑剤、熱安定剤、充填剤の種類と量を変えることで、メーカーは非常に柔らかく柔軟性のあるものから硬くて耐衝撃性のあるものまで幅広い配合物を製造でき、細いフックアップ ワイヤーから建築用装甲ケーブルまで幅広い用途をカバーできます。

標準の PVC 断熱材は、-20°C ～ 70°C の温度範囲で確実に動作します。熱安定化または架橋 PVC グレードは上限を 90°C または 105°C まで拡張し、家電製品の内部配線や自動車のハーネスに役立ちます。 PVC の主な弱点は、エンジニアリング ポリマーに比べて最大動作温度が比較的低いこと、時間の経過とともに可塑剤が移行しやすいこと (老朽化したケーブルの硬化と脆化を引き起こす)、燃焼時に塩化水素 (HCl) ガスと有毒な煙が発生することです。密閉空間、トンネル、公共の建物では、代わりに低煙ゼロハロゲン (LSZH) ケーブルの使用が義務付けられており、重大な懸念事項となっています。

XLPE (架橋ポリエチレン) — 電力ケーブル用の高性能

架橋ポリエチレン (XLPE) は、標準ポリエチレンのポリマー鎖を化学的または放射線架橋することによって製造され、熱可塑性材料を、熱的、機械的、および電気的特性が大幅に向上した熱硬化性樹脂に変換します。架橋プロセスにより、高温での材料の流動や変形を防ぐ三次元ネットワークが形成され、XLPE は連続的に最大 90 ℃、短絡状態では最大 250 ℃ の導体温度で機械的完全性と誘電性能を維持できます。これは、電力ケーブル用途において PVC を上回る重要な利点です。

XLPE は PVC よりも誘電率と誘電正接が低いため、中電圧および高電圧のケーブル システムにおける容量性充電電流と誘電損失が減少します。また、湿気の吸収にも耐性があり、多くの構成でフラッディングコンパウンドや追加の防湿層を必要とせずに、湿式または直接埋設の設置でも安定した電気特性を維持します。 XLPE は、中電圧 (1 kV ～ 35 kV) および高圧配電ケーブル、住宅地中配電ケーブル、および海底電力ケーブルの主要な絶縁材料です。熱性能、電気的特性、および長期的な化学的安定性の組み合わせにより、他の電力ケーブル絶縁体と比較するベンチマークとなります。

PTFE (ポリテトラフルオロエチレン) — 高温、高信頼性の選択肢

PTFE (商業的にはテフロンとして知られています) は、標準的なポリマーでは用途の要求を満たせない場合に指定される、ワイヤ絶縁材料のプレミアム層を表します。その特徴的な特性は、炭素とフッ素の結合の極度の安定性に由来しており、PTFE にほぼ普遍的な耐薬品性、-65 °C ～ 260 °C の動作温度範囲、非常に低い誘電率 (広い周波数範囲で約 2.1)、および本質的に非粘着性である非常に低い摩擦係数を与えます。 PTFE は空気中では燃焼せず、HCl やその他の腐食性燃焼生成物を生成しません。

ワイヤおよびケーブルの用途では、動作環境で優れた耐薬品性、極端な温度性能、または高周波電気特性が要求される場合には、PTFE 絶縁体が使用されます。一般的な用途には、航空宇宙および軍用のワイヤリング ハーネス、工業用オーブンや炉の内部配線、石油化学プラントの計装ケーブル、RF およびマイクロ波システム用の高周波同軸ケーブル、高温のエンジン コンポーネントの近くに配線される配線などがあります。 PTFE の加工上の課題 (従来の押出成形では溶融加工できず、ペースト押出成形またはテープ巻き付けが必要である) が、熱可塑性絶縁体に比べてコストが高くなる原因となっています。

シリコーンゴム - 極端な温度に対する柔軟性

シリコーンゴム絶縁体は、電線絶縁材料の分野で独自の位置を占めています。非常に広い動作温度範囲 (-60°C ～ 180°C、一部のグレードは 200°C 以上に定格) と、他のエラストマーが硬くなり脆くなる極低温でも維持される優れた柔軟性を兼ね備えています。シリコーンの分子骨格は、炭素-炭素鎖ではなく、ケイ素原子と酸素原子が交互に並んだ構造になっており、熱安定性と、酸化、オゾン、紫外線、および有機ポリマーを劣化させる多くの工業用化学物質に対する耐性を備えています。

シリコーン絶縁ケーブルは、工業用加熱システム、熱源近くの電気製品配線 (オーブン、トースター、工業用乾燥機)、医療機器、照明器具、および低温での繰り返しの曲げに耐える柔軟性の高いケーブルを必要とするあらゆる用途で広く使用されています。シリコーンの実際的な制限は、熱可塑性材料に比べて機械的強度と耐摩耗性が比較的低いことです。シリコーンは破れやすく、鋭いエッジを伴う設置、激しい機械的酷使、または編組や導管などの追加の機械的保護なしでの粗い表面での引きずりによる設置にはあまり適していません。また、シリコーンは油や作動油に対する耐性が低いため、保護ジャケットなしでは自動車や産業用油圧環境での使用が制限されます。

電線の絶縁材料を一目で比較

LSZH (ロースモーク ゼロ ハロゲン) — 密閉空間向けの安全第一の断熱材

低煙ゼロハロゲン (LSZH) 絶縁コンパウンドは、PVC などのハロゲン化材料の火災安全上の制限に対処するために特別に配合されています。 PVC が燃焼すると塩化水素ガスが発生し、湿気と結合して塩酸が生成されます。これは電子機器に対して非常に腐食性が高く、密閉された空間にいる人にとっては重大な有害です。 LSZH 化合物は、通常、アルミニウム三水和物 (ATH) や水酸化マグネシウムなどの鉱物系難燃剤とポリオレフィンのブレンドをベースにしており、炎にさらされたときに発生する煙は最小限で、ハロゲン酸ガスも発生しません。

LSZH ケーブルは現在、大量輸送鉄道システム、地下鉄の駅やトンネル、海軍船舶、海上プラットフォーム、空港、病院、データセンターなど、火災時の煙の毒性や腐食性が避難を妨げたり、二次被害を引き起こす可能性があるあらゆる環境を含む、多くの用途や管轄区域で必須または強く推奨されています。その代償として、LSZH コンパウンドは一般に PVC よりも柔軟性が低く、機械的損傷を受けやすく、若干高価であることが挙げられます。ただし、火災安全性のケースが明らかな場合、これらのトレードオフは指定者によって広く受け入れられています。

EPR (エチレンプロピレンゴム) — 柔軟性と電気的性能を両立

エチレンプロピレンゴム (EPR) は、優れた電気絶縁特性と、優れた柔軟性、耐湿性、耐熱老化性を兼ね備えた合成エラストマーです。 EPR は、-55°C の低温でも柔軟性を維持し、最大 90°C まで連続的に確実に動作し、短絡定格が大幅に高くなります。誘電率が低く、電気ツリー現象に対する優れた耐性があるため、要求の厳しい物理環境における中電圧電源ケーブルとして強力な選択肢となります。

EPR 絶​​縁ケーブルは、鉱山用途で広く指定されており、ケーブルは継続的な屈曲、水や地面の湿気への曝露、および時折の機械的衝撃に耐える必要があります。船上の電力および制御ケーブルには、柔軟性、耐湿性、甲板下の塩気環境における電気的性能を兼ね備えた EPR 絶​​縁材がよく使用されます。 EPR は、通常の使用中にケーブルが定期的に動き、機械的ストレスを受ける産業環境のポータブル電動工具、水中ポンプ ケーブル、および柔軟なトレーリング ケーブルでも優れた性能を発揮します。

用途に適した電線絶縁材料を選択する方法

適切な断熱材を選択するには、特定の設置の動作条件と性能要件を体系的に評価する必要があります。すべてのカテゴリで優れた単一の材料はなく、最適な選択は、熱、化学、機械、電気、および規制要件の交差点によって決まります。

• 最大導体温度を定義します。 これは、必要な電流容量 (アンペア容量) と設置場所の周囲温度によって決まります。通常の負荷で導体温度が 90°C を超える場合は、PVC を除外し、XLPE、PTFE、またはシリコンを考慮する必要があります。
• 化学物質への曝露を特定する: 油、溶剤、燃料、酸、アルカリはそれぞれ、特定のポリマー ファミリを異なる方法で攻撃します。 PVC は多くの油に耐性がありますが、ケトンやエステルには侵されます。 PTFE は事実上すべての化学薬品に耐性があります。シリコーンはオゾンや紫外線には耐性がありますが、石油には耐性がありません。絶縁化学物質を実際の露出に合わせてください。
• 機械的要件を評価します。 継続的な屈曲、摩耗、または押しつぶしを伴う用途には、適切な伸び、引裂き強度、および硬度を備えた材料が必要です。シリコーンとEPRは柔軟性に優れています。 PTFE と XLPE はより優れた耐摩耗性を提供します。
• 防火性能の要件を確認します。 設置環境が地域の建築基準法、運輸局の基準、または業界の規制 (IEC 60332、BS 6387、EN 50200 など) に基づいて、LSZH、難燃性、または耐火性のケーブル仕様を義務付けるかどうかを判断します。
• 電圧クラスを考慮してください。 低電圧アプリケーション (最大 1 kV) では、ほとんどの場合、PVC、LSZH、またはシリコンを使用できます。中電圧および高電圧システムには、それらの電圧レベルでの電界ストレスに合わせて特別に設計された絶縁システム (XLPE、EPR) が必要です。
• 設置と耐用年数の要素: 初期費用は安くても 5 年で交換が必要な材料は、アクセスが難しい設置場所では耐用年数 30 年の高級断熱材よりも高価になる可能性があります。長期的なインフラストラクチャ プロジェクトでは、総所有コストが材料選択の指針となるはずです。

電線絶縁材 選択は最終的には多変数のエンジニアリング上の決定によって行われます。熱、化学、機械、電気、規制要件の構造化されたチェックリストに基づいて作業し、適用されるケーブル規格とともに材料データシートを参照することで、指定された絶縁が、設置の予定された耐用年数全体にわたり確実に機能することを保証します。