電気材料¶

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）

送電線がアルミで変電機器が銅の理由（因果理解）

送電線（架空）: 軽量化が最優先。電線の重さは鉄塔への張力に直結し、鉄塔設計コストを決定する。同じ重さで比べると、アルミは銅より単位質量あたりの導電量が多い（比重が1/3であり、軽い分だけ多くの断面積を使える）。
変電機器の導体（バスバー・巻線）: 導電率とコンパクト性優先。据付なので重さは問題にならず、高導電率の銅が選ばれる。

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¶

導電材料の重要数値（必ず覚える）

材料	導電率（銅比）	比重	融点 [℃]
銅（Cu）	100%（基準）	8.9	1,085
アルミニウム（Al）	約61%	2.7（銅の約1/3）	660
鋼（Fe）	約17%	7.8	1,535

試験で狙われる数値: - 「アルミの導電率は銅の約61%（試験では「約60%」も正解）」 - 「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」

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¶

耐熱クラスと最高使用温度（Y→C の順に温度上昇）

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

なぜ「Y A E B F H C」の順か: アルファベットは定義された順。数値を直接覚える方が確実。F=155℃とH=180℃の混同が試験で最も多い誤答パターン。

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
含浸綿・油浸紙	A	105℃	ワニス・油含浸で耐熱向上	油入変圧器巻線の絶縁
ポリエチレンテレフタレート（PET）	E	120℃	ポリエステル系・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

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因果関係

鉄損 = ヒステリシス損 + 渦電流損
珪素（Si）を鉄に添加すると： 1. Siが鉄の電子構造に入り込み、電気抵抗率（固有抵抗）が上昇する 2. 電気抵抗率が高いと、交番磁界による誘導電流（渦電流）が流れにくくなる 3. → 渦電流損が減少 → 鉄損が減少

ただしSiを増やしすぎると結晶格子の歪みが大きくなりもろくなる（機械的強度低下）。実用範囲は通常3〜5%。なお方向性珪素鋼板は圧延方向の磁気特性を最適化してさらに鉄損を低減させた材料。

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

ZnO素子が避雷器に使われる理由（因果理解）

避雷器は「平常時はほぼ絶縁、雷サージ電圧が来たら瞬時に導通してサージを大地に逃がす」という機能が必要。
ZnO（酸化亜鉛）は非直線性電圧-電流特性を持ち、印加電圧が低いときは抵抗が非常に高く電流をほぼ通さない。サージ電圧が加わると抵抗が急激に低下して大電流を流し、サージエネルギーを消費・バイパスする。この非線形特性（バリスタ特性）により、直列ギャップなしでサージ保護ができる（ギャップレスアレスタ）。

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 ビニル絶縁電線	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	屋外用架橋ポリエチレン絶縁電線	架橋ポリエチレン(XLPE)	90℃	高圧架空配電線
OW	屋外用ビニル絶縁電線	ビニル(PVC)	60℃	低圧架空配電線

4. 引っかけパターン¶

【頻出引っかけ1】アルミの導電率と送電線への使用可否

「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。
導電率は低いが（約61%）、比重が銅の約1/3。送電線では重量あたりの導電量が重要で、同じ質量の銅よりアルミの方が多くの断面積を確保できる。長距離送電では重量＝鉄塔コストに直結するためACSRが主流。

【頻出引っかけ2】珪素含有と鉄損の関係（方向が逆）

「珪素鋼板の珪素含有量を増やすと鉄損が増える」→ 誤り。
Si含有量を増やすと電気抵抗率が上がり、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。ただし多すぎるともろくなる。方向を間違えた出題が多い。

【頻出引っかけ3】SF₆の毒性と問題点の取り違え

「SF₆（六フッ化硫黄）ガスは毒性があるため取り扱いに注意が必要」→ 誤りの記述がある。
SF₆は無色・無臭・無毒で化学的に安定（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。大気放出禁止・回収義務が課されている。「毒性」と「温暖化」の取り違えを狙った出題が頻出。

【頻出引っかけ4】耐熱クラスFとHの混同

「絶縁クラスFの最高使用温度は180℃である」→ 誤り。Fは155℃。180℃はクラスH。
「絶縁クラスHの最高使用温度は155℃である」→ 誤り。Hは180℃。155℃はクラスF。
F=155、H=180 をセットで覚える。

5. 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

📊 出題実績¶

📚 横断一覧: 分野別一覧（該当分野）／年度別一覧

年度	問	出題内容	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