JP2007103247A

JP2007103247A - 絶縁組成物および電線・ケーブル

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Publication number: JP2007103247A
Application number: JP2005293932A
Authority: JP
Inventors: Yoshinao Murata; 義直村田
Original assignee: J Power Systems Corp
Current assignee: J Power Systems Corp
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-04-19
Also published as: WO2007040275A1

Abstract

【課題】電気特性を低下させることなく、耐水トリー性を向上させることのできる絶縁組成物および電線・ケーブルを提供する。
【解決手段】ケーブル１は、導体２を中心にして、その外側に、内部導電層３、絶縁体４、外部半導電層５、遮蔽層６及びシース７が順次形成されており、絶縁体４は、非導電性で平均粒径がナノサイズの無機充填剤をポリオレフィン樹脂中に分散させた絶縁組成物を用いて構成されている。ポリオレフィン樹脂として低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）を用い、無機充填剤としてナノサイズのＭｇＯを用いている。ナノサイズのＭｇＯを添加することで、湿潤雰囲気下でケーブルを使用した場合でも水トリー発生数を抑止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポリオレフィン樹脂中に無機充填剤が分散された絶縁組成物、及びこの絶縁組成物を被覆材に用いた電線・ケーブルに関し、特に、電気特性を低下させることなく、耐水トリー性を向上させた絶縁組成物および電線・ケーブルに関するものである。

例えば、電線・ケーブルを湿潤雰囲気下で用いた場合、絶縁体中に水トリーを発生することが知られている。絶縁体中に水分が浸入した状態で絶縁体の外部から電界が加えられると、絶縁体中の水分が高電界部に向かって移動する（これを誘電泳動という）。水トリーは、絶縁体中に進入した水分がこの誘電泳動によって、絶縁体中の異物、ボイド、突起などの高電界部に移動集中することにより発生する。水トリーが発生すると、数１０年間と長期間に亘って使用される電線・ケーブルの絶縁性能が次第に低下することになり、水トリーを抑止する対策は重要であり、従来より種々の方法が検討されてきた。

その１つに絶縁体に添加剤を加えて水トリーの発生を抑止する方法があり、ＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）をポリエチレン等のポリオレフィン樹脂に添加する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。

また、絶縁体中にカーボンブラックを添加する方法（例えば、特許文献３参照。）や、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂中に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含有させる方法が知られている（例えば、特許文献４参照。）。
特開平５−８９７２５号公報特開平２００２−２８９０４３号公報特開平１０−３１２７１７号公報特開平５−２５０９１９号公報

しかし、特許文献１，２に記載された方法は、ポリエチレン（ＰＥ）中に点在したＥＶＡが海島構造のように分散し、そのＥＶＡに水分が捕獲されることで水トリー発生を抑止できるという反面、ＥＶＡの添加は体積抵抗率等の電気特性の低下を招くことから、ＥＶＡ添加量の上限に制約が生じて満足できる耐水トリー性が得られなかった。

また、特許文献３に記載された方法は、ＰＥ中に添加剤としてカーボンブラックを配合するわけであるが、カーボンブラックの添加量を増すにつれて絶縁体中にカーボン粒子の凝集物が生成され、この凝集成分が絶縁性能に影響を及ぼすという問題から、カーボンブラックの添加量が制限され十分な耐水トリー性が得られなかった。

さらに、特許文献４は絶縁体の体積抵抗率の改善を目的としてＭｇＯの添加量について種々検討を重ねているが、ＭｇＯによって絶縁体の体積抵抗率が上がり絶縁抵抗等の電気特性は向上しているものの、耐水トリー性の特性については何ら検討がなされていない。
これは、添加したＭｇＯの平均粒径が大きいことから耐水トリー性を向上させるほどの効果を見出すことができなかったからであると思われる。

従って、本発明の目的は、電気特性を低下させることなく、耐水トリー性を向上させることのできる絶縁組成物および電線・ケーブルを提供することにある。

第１の発明は、上記目的を達成するため、ポリオレフィン樹脂中に無機充填剤が分散された絶縁組成物であって、前記無機充填剤の平均粒径が直径５００ｎｍ以下であることを特徴とする絶縁組成物を提供する。

第２の発明は、上記目的を達成するため、上記絶縁組成物を、導体を絶縁する絶縁体として形成したことを特徴とする電線・ケーブルを提供する。

第１の発明に係る絶縁組成物によれば、平均粒径が直径５００ｎｍ以下のナノサイズの無機充填剤がポリオレフィン樹脂中に分散されていることにより、無機充填剤は、その吸水効果によって絶縁組成物内の水分の移動を抑止するので、水トリーの発生を抑止することができる。

第２の発明に係る電線・ケーブルによれば、絶縁組成物内の水分の移動を抑止し、水トリーの発生を抑止する絶縁組成物を絶縁体として形成したことにより、湿潤雰囲気下でケーブルを使用しても水トリーの発生数を抑止することができる。従って、絶縁破壊特性、絶縁抵抗等の電気特性を低下させることなく、耐水トリー性を向上させることのできる絶縁組成物および電線・ケーブルを得ることができる。

（ケーブルの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るケーブルの構成を示す。このケーブル１は、中心に略真円断面形状の導体２を有し、この導体２の外周に、内部半導電層３、絶縁体４、外部半導電層５、遮蔽層６及びシース７を順次被覆して構成されている。

（絶縁体の構成）
絶縁体４は、非導電性で平均粒径が直径５００ｎｍ以下であるナノサイズの無機充填剤をポリオレフィン樹脂に分散させた絶縁組成物を用いて構成されている。

ポリオレフィン樹脂として、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）を用いることができる。このポリオレフィン樹脂は、ＬＤＰＥのほかに、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、超低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン等であってもよく、また、これらを架橋したものであってもよい。

また、無機充填剤は、ポリオレフィン樹脂１００重量部に対して１重量部以上を分散させている。そして、無機充填剤は、平均粒径が５００ｎｍ以下の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）であり、高い耐水トリー性が得られるように、ＬＤＰＥ中に均一に分散させている。なお、無機充填剤は、ＭｇＯのほかに、酸化チタン、炭酸カルシウム、水酸化マグネシウム、シリカ等であってもよい。

無機充填剤をポリオレフィン樹脂に分散させる方法としては、二軸押出機を用いた方法があり、ポリオレフィン樹脂と無機充填剤を混練するものである。この混練方法は、無機充填剤の平均粒径が直径５００ｎｍ以下になるように制御可能であれば、上記方法に限定されるものではない。他の方法として、例えば、二軸押出機とロール機を併用し、高濃度に無機充填剤を添加したポリオレフィン樹脂の材料をロール機によって低濃度に希釈する方法がある。

また、無機充填剤は、ビニルシランによる表面処理を施した後、ジェット粉砕による粉砕処理を施している。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（イ）絶縁体４は、ポリオレフィン樹脂中に平均粒径が５００ｎｍ以下の無機充填剤を分散させた構成にしたため、無機充填剤の吸水効果により、ポリオレフィン樹脂内の水分の移動を抑止でき、絶縁破壊特性や絶縁抵抗等の電気特性に影響を与えることなく、ケーブル１の水トリー抑止効果を高めることができる。
（ロ）ポリオレフィン樹脂中にナノサイズの無機充填剤を均一に分散させた絶縁体４は、より高い耐水トリー性を得ることができる。無機充填剤は粒径が小さくなるほどポリオレフィン樹脂中に分散した無機充填剤の粒子間距離が短くなり、水分の捕獲確率が高くなる。すなわち、粒径が小さく、かつ粒子間距離が短いほど、ケーブル１の水トリー抑止効果を高めることができる。
（ハ）また、同一粒径の無機充填剤であれば、ポリオレフィン樹脂１００重量部に対して、１重量部以上を分散させることにより、ポリオレフィン樹脂中における無機充填剤の粒子間距離が短くなり、水分の捕獲確率が高くなるため、水トリー抑止効果を高めることができる。
（ニ）無機充填剤は、ビニルシランによる表面処理及びジェット粉砕による粉砕処理を施すことによって、ポリオレフィン樹脂中における再凝集を防止することができ、より均一な分散状態を得ることができる。

次に、本発明の実施例１、２、３について説明する。
試料として、図１に示した構成のケーブル１を以下の要領で作製した。導体２として、断面積が１００ｍｍ^２の銅を主成分とする導体の外周上に、内部半導電層３を厚さ０．７ｍｍとなるように押出し成形した。次に、内部半導電層３の外周上に表１に示す絶縁組成物を絶縁体４として厚さ３ｍｍとなるように押出し成形し、更に、絶縁体４外周上に外部半導電層５を厚さ１ｍｍ、遮蔽層６及びシース７を各々厚さ３ｍｍとなるように順次押出し成形して、ケーブル１を作製した。

（実施例の詳細）
表１は、ＭｇＯの平均粒径を一定にし、その添加量を変化させた場合を示し、図１の絶縁体４として、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）によるベースポリエチレンに対して、平均粒径５０ｎｍのナノサイズのＭｇＯ（以下、ナノサイズＭｇＯという。）を１ｐｈｒ添加した絶縁組成物によるケーブル１を実施例１、同様に５ｐｈｒ添加したケーブル１を実施例２、同様に１０ｐｈｒ添加したケーブル１を実施例３として、水トリー発生を評価した。

（比較例の詳細）
また、ＭｇＯを添加しないＬＤＰＥを絶縁体４としたケーブル１を比較例１とした。更に、平均粒径が１μｍのマイクロサイズのＭｇＯ（以下、マイクロサイズＭｇＯという。）を１０ｐｈｒ添加した絶縁組成物を絶縁体４に用いたケーブル１を比較例２とした。

（水トリー発生の評価）
水トリー発生については、次のようにして評価した。ケーブル１のシース７の一部を剥ぎ取り、ケーブル１を常温水中に入れ、外部半導電層５が水に直接触れる状態とし、５００Ｈｚ、４．５ｋＶの交流高電圧を導体２と遮蔽層６の間に印加した。課電開始から９０日経過した時点で課電を停止し、絶縁体４を１ｍｍの厚さでスパイラル状にスライスし、これを水トリー観察サンプルとした。このスライスしたサンプルを所定のサイズのスパイラル片にし、その２０枚をメチレンブルー水溶液で染色し、絶縁体４中に発生しているボウタイトリー（ＢＴＴ）の大きさと発生個数を光学顕微鏡で調査した。ＢＴＴの発生個数は、体積当たりの累積発生個数で評価し、大きさ１５０μｍ以下のＢＴＴ累積発生個数、大きさ３００μｍ以下のＢＴＴ累積発生個数をそれぞれカウントして評価し、表１に示す結果を得た。

（体積抵抗率の評価）
また、体積抵抗率は、次のようにして評価した。ケーブル１の遮蔽層６を接地し、導体２と遮蔽層６との間に直流電圧２４０ｋＶ（電界にして８０ｋＶ／ｍｍ）を印加し、遮蔽層６と接地間に流れる体積漏れ電流を測定し、体積抵抗率を求めて評価した。体積漏れ電流の測定は、ケーブル１を９０℃に加熱した状態で実施した。

（絶縁破壊強度の評価）
更に、絶縁破壊強度は、次のようにして評価した。ケーブル１の遮蔽層６を接地し、導体２に６０ｋＶの交流高電圧を印加し、６０ｋＶから１０分毎に３ｋＶ昇圧し、ケーブル１が絶縁破壊する電圧を測定し評価した。このときのケーブル温度は常温とした。

（実施例１〜３の評価）
表１から以下のことが分かる。まず、ＬＤＰＥからなる絶縁体４中にナノサイズＭｇＯを添加した実施例１〜３は、ＭｇＯを添加しない比較例１に比べ絶縁体４中のＢＴＴの発生個数が大幅に少ない。更に、実施例２及び３のように、ナノサイズＭｇＯの添加量を増やすことにより、ＢＴＴの発生個数が更に少なくなっている。一方、マイクロサイズＭｇＯを添加した比較例２は、実施例１〜３と比較してＢＴＴの抑止効果が小さい。

体積抵抗率は、実施例１〜３では、ナノサイズＭｇＯの添加により向上し、しかも添加量を増やすことにより更に改善できている。絶縁破壊強度は、各実施例と各比較例は同等の値若しくは同程度の値であった。なお、比較例２は、比較例１よりも体積抵抗率は向上したが、絶縁破壊強度は比較例１に比べて低下し悪くなっている。

以上の結果から、実施例１〜３は、ナノサイズＭｇＯの添加によってＢＴＴ抑止効果が得られ、しかも他の電気特性には影響を及ぼさないことが分かる。一方、マイクロサイズＭｇＯを添加した比較例２は、充分なＢＴＴ抑止効果が得られず、しかも絶縁破壊強度が低下することが分かる。

（実施例４、５）
次に、本発明の実施例４、５について説明する。
図１に示したケーブル１において、絶縁体４として、ＬＤＰＥに平均粒径２００ｎｍのナノサイズＭｇＯを１０ｐｈｒ添加した絶縁組成物を用いてケーブル１を作製し、これを実施例４とした。同様に、平均粒径５００ｎｍのナノサイズＭｇＯを１０ｐｈｒ添加した絶縁組成物を適用したケーブル１を実施例５とした。これらのサンプルのＢＴＴ累積発生個数の評価結果が表２である。なお、比較例としては、上記実施例１で実施し表１に示した比較例２である。また、評価方法は、実施例１と同じ方法により行った。

表２は、ＭｇＯの添加量を一定にし、その平均粒径を変化させた場合を示す。

（実施例４，５の評価）
表２から明らかなように、実施例４，５は、ＭｇＯの平均粒径を実施例１〜３の４倍及び１０倍以上にしているが、この場合においても、比較例２に比べて絶縁体４中のＢＴＴの発生個数が大幅に少ない良好な結果が得られている。

（総合評価）
表１及び表２の結果から、ＭｇＯ添加量が同じであれば、ＭｇＯの添加によるＢＴＴ発生抑止効果は、ＭｇＯの平均粒径が小さいほど、より大きな効果が得られることが分かる。また、ＭｇＯの平均粒径が５００ｎｍ以下であれば、比較例１のＭｇＯ無添加の場合に比べて体積抵抗率は向上しており、絶縁破壊強度は低下しないことが分かる。即ち、無機充填剤の粒径がナノサイズと小さくなるほどＬＤＰＥ中に分散した無機充填剤の水分の捕獲確率が向上し、更に、粒子間距離が近いほど、ケーブルに対する水トリー抑止効果を高めることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、ケーブル１にシース７を設けていない導体が絶縁体で被覆された電線であってもよい。

本発明の実施の形態に係るケーブルの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ケーブル
２導体
３内部半導電層
４絶縁体
５外部半導電層
６遮蔽層
７シース

Claims

ポリオレフィン樹脂中に無機充填剤が分散された絶縁組成物であって、
前記無機充填剤の平均粒径が直径５００ｎｍ以下であることを特徴とする絶縁組成物。
前記ポリオレフィン樹脂は、架橋されたものであることを特徴とする請求項１に記載の絶縁組成物。
前記ポリオレフィン樹脂は、低密度ポリエチレンであることを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁組成物。
前記無機充填剤は、表面処理及び粉砕処理が施されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の絶縁組成物。
前記表面処理は、ビニルシランを表面処理剤として用いることを特徴とする請求項４に記載の絶縁組成物。
前記粉砕処理は、ジェット粉砕により行われることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の絶縁組成物。
前記無機充填剤は、酸化マグネシウムであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の絶縁組成物。
前記無機充填剤は、ポリオレフィン樹脂１００重量部に対して、１重量部以上を分散させたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の絶縁組成物。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の絶縁組成物を、導体を絶縁する絶縁体として形成したことを特徴とする電線・ケーブル。