電気材料¶
📋 v0.7 — 過去問データ充填済み
出題実績（R01〜R07）を充填済み。公式・数値は参考書で必ず確認してください。
1. 直感的理解¶
電気材料の本質: 電力設備を構成する材料の性質を理解する。「何のために使うか」「なぜその材料か」の理由まで理解すれば暗記量が減る。
材料選択の4軸:
① 導電率（電気を流しやすいか）
② 機械的強度（力に耐えられるか）
③ 熱的性質（熱に耐えられるか、冷えやすいか）
④ コスト（経済性）
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材料の選択基準: 導電率・機械的強度・熱的性質・コスト
覚え方
「送電線がアルミ（Al）なのに高圧変電機器の導体は銅（Cu）が多い」理由 → 送電線は軽量化が最優先。変電機器は導電率・コンパクト性優先。
2. 材料の分類と比較（最重要: 4つの比較表）¶
A. 導電材料の比較¶
| 材料 | 導電率（銅比） | 引張強さ | 比重 | 特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| 銅（Cu） | 100%（基準） | 大きい | 8.9 | 高導電率・高価・重い・耐食性良好 | 変圧器巻線・ケーブル導体・バスバー |
| アルミニウム（Al） | 約61% | 中程度 | 2.7 | 銅の約1/3の重さ・安価・加工しやすい | 架空送電線・大容量ケーブル |
| ACSR（鋼心アルミより線） | 外層アルミ部：約61% | 大きい（鋼芯で補強） | 中 | アルミの軽さ＋鋼の強度。架空送電の主流 | 超高圧架空送電線 |
| 鋼（Fe） | 約17% | 非常に大きい | 7.8 | 導電率低・強度大。架空地線・ACSR芯線に使用 | 架空地線・ACSR芯線 |
重量比の重要ポイント: - アルミは銅の約1/3の重さ（比重 Al: 2.7、Cu: 8.9） - 同一断面積なら銅の方が導電率が高いが、同一質量ならアルミの方が多くの電流を流せる - 長距離送電線では重量＝張力コストに直結 → ACSRが採用される
B. 絶縁材料の比較¶
| 材料 | 耐熱クラス | 最高使用温度 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 綿・絹 | Y | 90℃ | 自然素材・吸湿性大 | 古い変圧器巻線の絶縁 |
| ポリエチレンテレフタレート（PET） | A | 105℃ | 電気特性良好 | 小型変圧器・電線被覆 |
| エポキシ樹脂 | B〜F | 130〜155℃ | 機械的強度大・GIS用 | GIS絶縁・モールド変圧器 |
| 架橋ポリエチレン（XLPE） | — | 90℃ | CVケーブルの主流絶縁材、tanδ小 | CVケーブル |
| SF6ガス | — | — | 高絶縁性・高消弧性能、温暖化係数23,500倍 | GIS（ガス絶縁開閉装置） |
| 磁器（ポーセレン） | — | — | 機械的強度大・耐候性大 | 送電線のがいし |
耐熱クラス一覧（超頻出数値）:
| クラス | 最高使用温度 | 代表的材料 |
|---|---|---|
| Y | 90℃ | 綿・絹 |
| A | 105℃ | 含浸綿・紙 |
| E | 120℃ | ポリエステル・エポキシ |
| B | 130℃ | マイカ・ガラス繊維（有機接着材） |
| F | 155℃ | マイカ・ガラス繊維（無機接着材） |
| H | 180℃ | シリコーン樹脂・シリコーンゴム |
| C | 180℃超 | 純マイカ・セラミック |
C. 磁性材料の比較¶
| 材料 | 透磁率 | 保磁力 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 珪素鋼板（軟磁性） | 高い | 小さい | 交番磁界に適す・鉄損が小さい | 変圧器鉄心・電動機コア |
| 鉄（純鉄、軟磁性） | 高い | 小さい | 加工しやすいが鉄損は珪素鋼板より大 | 電磁石・継電器鉄心 |
| フェライト（軟磁性） | 中 | 小さい | 高周波損失小 | 高周波変圧器・コイル |
| アルニコ（硬磁性） | — | 大きい | 永久磁石。熱安定性高 | 発電機・メーター永久磁石 |
| フェライト磁石（硬磁性） | — | 大きい | 安価な永久磁石 | 小型モータ・スピーカー |
珪素鋼板の珪素含有率と鉄損の関係: - 珪素（Si）含有量を増やすと → 電気抵抗率が上昇 → 渦電流損が減少 → 鉄損が減少 - ただし Si を増やしすぎると → もろくなる（機械的強度低下） → 含有率は通常3〜5%程度
D. 半導電材料・保護材料¶
| 材料 | 特性 | 用途 |
|---|---|---|
| 半導電ゴム・半導電プラスチック | 中程度の導電率（電界均一化） | CVケーブルの半導電層 |
| 酸化亜鉛（ZnO）素子 | 非直線性抵抗（低電圧で高抵抗、高電圧で低抵抗） | アレスタ（避雷器）素子 |
| 炭化ケイ素（SiC） | 非直線性抵抗（旧来型） | 旧型アレスタ |
3. 電線・ケーブル材料の詳細¶
ACSRの構造と選定理由¶
ACSR（Aluminum Conductor Steel Reinforced）の断面:
外層: アルミ線（複数本を撚り合わせ）
↓
中心: 鋼芯（1本〜複数本）
役割:
アルミ → 電流を流す（導電性担当）
鋼芯 → 引張強さを担う（強度担当）
ACSRが架空送電線の主流である理由: 1. アルミ単体: 引張強さが不足（スパン間のたるみが大きくなる） 2. 銅: 重くて高価（鉄塔設計コストが上がる） 3. ACSR: 軽量なアルミの導電性 + 鋼芯の強度 → 最適解
電線の許容電流と温度上昇¶
- 許容電流の制限要因: 電線の温度上昇（抵抗→発熱→温度上昇→絶縁劣化）
- 架空電線: 空気冷却で放熱しやすい → 許容電流は大きめ
- 地中ケーブル: 土壌依存の放熱 → 許容電流が制限される
絶縁電線の種類（頻出）¶
| 記号 | 名称 | 絶縁材料 | 最高導体温度 | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|
| IV | 600V 架橋ポリエチレン絶縁電線 | ビニル | 60℃ | 屋内配線 |
| CV | 架橋ポリエチレン絶縁ビニルシースケーブル | XLPE | 90℃ | 地中ケーブル |
| CVT | トリプレックス型CV | XLPE | 90℃ | 地中ケーブル（3心） |
| OC | 屋外用絶縁電線 | ポリエチレン | 75℃ | 低圧架空配電線 |
4. 知識整理テーブル（超頻出数値）¶
導電材料の数値比較¶
| 材料 | 導電率 [%] | 比重 | 融点 [℃] | 引張強さ |
|---|---|---|---|---|
| 銅（Cu） | 100 | 8.9 | 1,085 | 大 |
| アルミ（Al） | 61 | 2.7 | 660 | 中 |
| 鉄（Fe） | 17 | 7.8 | 1,535 | 非常に大 |
試験で狙われるポイント: - 「アルミの導電率は銅の約60%（61%）」 - 「アルミの比重は銅の約1/3（2.7 vs 8.9）」 - 「ACSRの外層はアルミ、中心は鋼」
絶縁クラスの最高温度一覧¶
| Y | A | E | B | F | H | C |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 90℃ | 105℃ | 120℃ | 130℃ | 155℃ | 180℃ | 180℃超 |
語呂合わせ: Y（ゆうきゅう=90）→ A（あいこ=105）→ E（えーと120）→ B（ばんと130）→ F（ふっかつ155）→ H（はんぱない180）
5. 勘違いTOP3¶
勘違い①: 「アルミは銅より導電率が低いので送電線に使えない」¶
誤り。 アルミは銅より導電率が低いが（約61%）、重量比では軽量（比重は銅の約1/3）。同じ重さで比べると単位重量あたりの導電量はアルミの方が多い。長距離送電線では電線の重さが鉄塔設計コストに直結するため、アルミ（ACSR）が使われる。
勘違い②: 「珪素鋼板の珪素含有量を増やすと鉄損は増える」¶
誤り。 珪素（Si）含有量を増やすと電気抵抗率が上昇し、渦電流が流れにくくなる → 渦電流損（鉄損の一部）が減少する。ただし多すぎると機械的強度が低下してもろくなるため、通常3〜5%。
勘違い③: 「SF6（六フッ化硫黄）ガスは毒性があるので取り扱いに注意」¶
誤り。 SF6 は無色・無臭・無毒のガスで化学的に安定している（人体への直接毒性は低い）。問題は温暖化係数が CO2 の約23,500倍と非常に高いこと。GIS機器のメンテナンス時は大気放出せずに回収・再利用することが義務付けられている。
6. 正誤判定の急所¶
| 文 | 判定 | 解説 |
|---|---|---|
| アルミの導電率は銅の約60%である | 正 | 正確には61%程度。試験では「約60%」で正解 |
| 絶縁クラスFの最高使用温度は130℃である | 誤 | Fは 155℃。130℃はクラスB |
| ACSRの外層にアルミ線、中心に鋼線を使用する | 正 | 外層アルミ（導電担当）・中心鋼芯（強度担当） |
| 珪素鋼板の珪素含有量を増やすと鉄損が増加する | 誤 | 電気抵抗率が上がり渦電流損が減少 → 鉄損は減少 |
| SF6ガスは強い毒性を持つため取り扱いに注意が必要 | 誤 | SF6 は無毒。問題は温暖化係数が非常に高いこと |
| 銅の比重はアルミの約3倍である | 正 | Cu: 8.9、Al: 2.7。8.9/2.7 ≈ 3.3倍 |
| 絶縁クラスHの最高使用温度は155℃である | 誤 | Hは 180℃。155℃はクラスF |
| 純鉄より珪素鋼板の方が変圧器鉄心に適している | 正 | 珪素鋼板は渦電流損が少なく鉄損が小さいため |
7. 出題実績¶
| 年度 | 問 | タイトル | 問題タイプ | 難易度 |
|---|---|---|---|---|
| R07下 | 問14 | 磁性材料の種類と損失 | 論説 | — |
| R07上 | 問14 | 六ふっ化硫黄ガスの特徴 | 論説 | — |
| R06下 | 問14 | 導電材料として利用される銅 | 論説 | — |
| R06上 | 問14 | 気体絶縁材料及び固体絶縁材料の一般的な性質 | 論説 | — |
| R05下 | 問14 | 電線の導体に使用される材料 | 論説 | — |
| R05上 | 問14 | アモルファス鉄心材料を使用した柱上変圧器の特徴 | 論説 | — |
| R04下 | 問14 | 電気機器に使用される絶縁油に求められる特性 | 穴埋 | — |
| R04上 | 問14 | 電力用設備に使用される六フッ化硫黄ガス | 論説 | — |
| R03 | 問14 | 送電線路に用いられる導体 | 論説 | — |
| R02 | 問14 | 電力ケーブル・変圧器等に使用される絶縁油 | 論説 | — |
| R01 | 問14 | 電気絶縁材料 | 論説 | — |
| H30 | 問14 | 変圧器に使用される鉄心材料 | 論説 | — |
| H29 | 問14 | 電気絶縁材料 | 論説 | — |
| H28 | 問14 | 送電線路に用いられる導体 | 論説 | — |
| H27 | 問14 | 変圧器の鉄心に使用されている鉄心材料 | 論説 | — |
| H26 | 問14 | 六ふっ化硫黄 | 論説 | — |
詳細解説: 電験王 電気材料カテゴリ