JP2009054361A - ソリッドケーブル及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイド(油枯渇部)の存在による絶縁層の電気的特性の低下を低減できるソリッドケーブル、及びこのケーブルの製造方法を提供する。
【解決手段】ソリッドケーブル1は、導体10の外周に絶縁油が含浸された絶縁層12を具える。絶縁油は、絶縁層12の少なくとも一部における圧力が負圧になったときに絶縁ガスとして出現する絶縁性ガス物質(例えば、窒素)が溶存されている。ケーブル1は、絶縁材を巻回して形成した絶縁層12に、絶縁性ガス物質を溶存させていないガス無し油を含浸させた後、絶縁性ガス物質を溶存させたガス入り油を含浸させることで製造される。絶縁層の一部の圧力が負圧になったときに絶縁ガスが発生することで、絶縁層の圧力を均衡化して、ボイドの発生を低減できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、絶縁油が含浸された絶縁層を有するソリッドケーブル及びその製造方法に関する。特に、絶縁層にボイド(油枯渇部)が存在することで電気的特性が低下することを低減できるソリッドケーブルに関する。

長距離大容量の電力ケーブルとして、導体の外周にクラフト紙を巻回して比較的高粘度の絶縁油を含浸させた絶縁層を具えるソリッドケーブルが利用されている。特許文献1には、ポリプロピレンといったプラスチックフィルムとクラフト紙といった絶縁紙とからなる複合テープを巻回してなる主絶縁層を具えるソリッドケーブルが開示されている。

このようなソリッドケーブルは、ケーブルの負荷(電流)の変動に起因する導体の温度変化に伴って絶縁油が膨張・収縮することで、絶縁油が絶縁層内をケーブルの径方向に移動したり、重力などにより長手方向に移動したりする。負荷遮断時、上記絶縁油の収縮に追従する絶縁油の移動が不十分であると、特に絶縁層の導体直上近傍の圧力が負圧となり、この負圧箇所に油が存在しないボイドが発生することがある(特許文献1段落0010参照)。

特開平11-149831号公報

特に、ケーブルの径方向や長手方向に連続して大きなボイドが形成されると、ボイドでの放電により電気破壊を招く恐れがある。

そこで、本発明の目的の一つは、ボイドの存在による絶縁層の絶縁強度の低下を抑制することができるソリッドケーブルを提供することにある。また、本発明の別の目的は、このソリッドケーブルの製造方法を提供することにある。

本発明は、負圧になったときに絶縁性の高い絶縁ガスが出現する構成とすることで、上記目的を達成する。具体的には、本発明ソリッドケーブルは、導体の外周に絶縁油が含浸された絶縁層を具えており、絶縁油に絶縁性ガス物質が溶存されている。この絶縁性ガス物質は、絶縁層の少なくとも一部の圧力が負圧になったときに気化し、絶縁ガスとして出現する。

上記構成を具える本発明ソリッドケーブルは、例えば、負荷遮断時に絶縁層の少なくとも一部の圧力が負圧になると、圧力の低下により絶縁油内に溶存していた絶縁性ガス物質が絶縁ガスとして出現する。この絶縁ガスは、絶縁層内の圧力を均すように存在する。この絶縁ガスにより、絶縁層の圧力バランスがとれることから、ボイド(絶縁油が枯渇して絶縁強度が低い状態にある箇所)そのものの発生を低減できる。つまり、ボイドが形成される際にボイド部分に絶縁ガスが満たされるため、ボイドが存在し難くなる。そして、絶縁ガスが満たされた部分は、絶縁強度を高められることから、この部分で放電が起こり難い。従って、本発明ケーブルは、ボイドが存在することによる電気破壊を効果的に抑制することができる。

本発明ケーブルに具える絶縁層は、代表的には、絶縁材をギャップ巻きして構成する。絶縁材は、クラフト紙といった紙テープ、プラスチックからなるプラスチックテープ、プラスチックフィルムと絶縁紙とからなる複合テープが挙げられる。プラスチック部分を有する絶縁層は、油移動抑制効果及び絶縁性能が高い。従って、絶縁層は、主として複合テープを巻回したり、クラフト紙や複合テープとプラスチックテープとを交互に巻回してなることが好ましい。プラスチック部分を有する絶縁層の一部にクラフト紙からなる部分(例えば、1〜3枚程度)を設けることで、クラフト紙が機械的、電気的な緩衝材として機能することが期待できる。

上記絶縁層に含浸させる絶縁油は、公知のソリッドケーブルに利用されているものを利用することができる。特に、60℃で10〜500cstの粘度を有する絶縁油(以下、中粘度油と呼ぶ)とすると、絶縁層に含浸させ易く好ましい。このような中粘度絶縁油は、例えば、ポリエステル系絶縁油、ポリブテン系絶縁油、鉱油系絶縁油、アルキルベンゼン系絶縁油、或いはその一種である重質アルキレートなどの1種以上の混合絶縁油を用いて粘度を調整したものなどが利用できる。60℃で500cst超の粘度を有する絶縁油(以下、高粘度油と呼ぶ)を利用してもよい。

本発明ケーブルの絶縁層に含浸された絶縁油は、絶縁性ガス物質が溶存された状態とする。絶縁性ガス物質は、絶縁油に溶存可能で、ケーブル使用時において通電状態から負荷を遮断したり、低負荷状態に移行したときなどで、絶縁層の少なくとも一部、代表的には導体直上及びその近傍の圧力が負圧となった際、絶縁ガスとして出現可能な絶縁性物質であればよい。例えば、窒素(N₂)、CO₂、SF₆などが挙げられる。特に、窒素は、絶縁性能が高い点、及び環境面の点から好ましい。

絶縁層に含浸された絶縁油中の絶縁性ガス物質の溶存量は、多いほど好ましく、飽和溶解量以下の任意の量が考えられるため、上限は特に規定しない。絶縁層の圧力バランスをとったり、発生するボイド部分に絶縁ガスが十分に満たされるために必要な溶存量は、少なくとも体積割合で1000ppm超と考えられ、特に10000ppm(1％)以上が好ましい。飽和溶解量は、温度や圧力によって変動するため、上記溶存量の下限値は、常温常圧下での値とする。

このような本発明ケーブルは、例えば、以下の製造方法により製造することができる。本発明ソリッドケーブルの製造方法は、導体の外周に形成した絶縁層に絶縁油を含浸させてソリッドケーブルを製造するものであり、以下の工程を具える。
1. ケーブル使用時に絶縁層の少なくとも一部の圧力が負圧になったときに絶縁ガスとして出現する絶縁性ガス物質を溶存させたガス入り油と、上記絶縁ガスを溶存させていないガス無し油とを準備する工程。
2. 導体の外周に絶縁層を形成した後、絶縁層に上記ガス無し油を含浸させる工程。
3. 上記ガス無し油を含浸させた絶縁層に上記ガス入り油を含浸させる工程。

ソリッドケーブルに利用される絶縁油は、当初、体積割合で10％程度の空気と数十％ppm程度の水分とを溶解している。従って、空気が体積割合で0.1％(1000ppm)以下、水分が数ppm以下となるように、絶縁油は、通常、真空脱気処理を施す。そのため、従来のソリッドケーブルの絶縁層に含浸される絶縁油は、窒素などの溶存量が1000ppm以下である。ガス無し油には、上記真空脱気された絶縁油を利用することができる。ガス入り油は、ガス無し油に絶縁性ガス物質を溶存させることで製造することができる。なお、脱気処理を行っていない絶縁油は、窒素を高濃度に含むことに加え、水分及び酸素を高濃度に含むため好ましくない。

上記ガス無し油に絶縁性ガス物質を溶存させるには、例えば、脱気処理後の絶縁油を絶縁性ガス物質からなる絶縁ガス雰囲気下に置いて、ガス無し油に絶縁ガスを溶解させることが挙げられる。このとき、ガス無し油の温度を高温(例えば、100℃程度)にしたり、絶縁ガスを絶縁油内に吹き込んで循環させたり(バブリングしたり)、雰囲気の圧力を高くすることで、溶解時間を短縮させることができる。

絶縁層を形成した導体を容器に配置しておき、絶縁層に絶縁油を含浸させる前、絶縁油を絶縁層に浸透し易くするため、また、不純物や水分などが含有されないようにするため、通常、容器内を真空状態にする。真空状態の容器に上述のようにして用意したガス入り油を導入すると、ガスが出てきて真空度が悪くなり、絶縁油が絶縁層に含浸し難くなる。また、含浸時間を短縮させるために、絶縁油を高温(中粘度油:80〜100℃、高粘度油:100〜130℃)にすると、ガスが更に放出され易くなる。そのため、得られたケーブルは、所定量の絶縁性ガス物質が溶存されない恐れがある。

そこで、本発明製造方法、まずガス無し油を含浸させてから、ガス入り油を含浸させる。具体的には、ガス無し油を予め含浸させて、絶縁層内の圧力を徐々に上昇させる。そして、絶縁性ガス物質がガス化しない圧力となった時点でガス入り油を含浸させると、絶縁層内に含浸されたガス入り油から絶縁ガスが放出されることを効果的に抑制できると考えられる。例えば、ガス入り油をある程度高温にしても絶縁ガスの放出を低減できると期待される。ガスが放出された場合は、容器内でガスの圧力を高めて、ガスを絶縁油に再溶解させてもよい。

或いは、絶縁層にガス無し油を含浸させた後、この含浸体を絶縁ガス雰囲気下に曝して、絶縁層内のガス無し油に絶縁ガスを溶解させることができる。

本発明ソリッドケーブルは、ボイドの発生を低減し、ボイドの存在による絶縁層の電気的特性の低下を低減することができる。また、本発明ソリッドケーブルの製造方法は、上記本発明ソリッドケーブルを製造することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明ソリッドケーブルの断面図である。ソリッドケーブル1は、中心から順に、導体10、絶縁層12(内部半導電層11、主絶縁層12m、外部半導電層13)、金属シース14を具える。このケーブル1の最も特徴とするところは、絶縁層12に含浸される絶縁油にある。以下、絶縁層及び絶縁油を中心に説明する。

主絶縁層12mは、ポリプロピレン(PP)フィルム(プラスチックフィルム)の両面にクラフト紙(絶縁紙)を具えるPPLP(住友電気工業株式会社の登録商標)から構成される複合テープ部12cと、クラフト紙から構成される低ρ部(内側低ρ部12ρi,外側低ρ部12ρo)とを具える。

複合テープ部12cは、PPLP(登録商標)を一様な巻き方向に所定数巻回するごとに巻き方向を逆転して構成され、曲げや強度といった機械的特性に優れる構成である。PPLP(登録商標)は、その厚さにおけるPPフィルムの厚さの割合kが約70％、厚さ100μmのものを用いている。

低ρ部は、複合テープ部12cの内周側及び外周側に設けられている。内側低ρ部12ρiは内部半導電層11上に、外側低ρ部12ρoは複合テープ部12c上に配置されている。内側低ρ部12ρi及び外側低ρ部12ρoの厚さはそれぞれ、主絶縁層12mの厚さの5％であり、複合テープ部12cの厚さは、主絶縁層12mの厚さの90％である。なお、図1は、低ρ部を誇張して示す。

上記絶縁層12には、絶縁油が含浸される。特に、この絶縁油は、ケーブル1の使用中に絶縁層の少なくとも一部の圧力が負圧になったときに絶縁ガスとして出現する絶縁性ガス物質が溶存されている。ここでは、絶縁性ガス物質含有絶縁油として、60℃で200cstの粘度を有するポリブテンに、窒素を体積割合で50000ppm(5％)溶存するものを用いている(常温常圧下)。

このようなソリッドケーブル1は、以下の手順で製造する。
(1) 絶縁性ガス物質を溶存させていないガス無し油と、絶縁物質を溶存させたガス入り油とを準備する。
ガス無し油は、例えば、所望の絶縁油を真空脱気処理することで得られる。真空脱気は、真空槽内に絶縁油を噴霧したり、油膜状にして流下させることで行う。流下された絶縁油は、更に精製する。精製は、真空脱気した絶縁油に不純物吸着材(活性白土など)を混入して撹拌し、不純物を吸着材に吸着させた後、ろ過することで行う。この工程により、ガス無し油が得られる。

ガス入り油は、上記ガス無し油を用いて作製する。具体的には、窒素を充填した容器にガス無し油を導入した後、ガス無し油を100℃に加熱し、加熱した油に別途用意した窒素を吹き込み、油内で窒素を循環させて作製する。このガス入り油は、窒素ガスを充填した容器に保存させておき、窒素が油外に放出され難いようにする。

(2) 導体の外周に形成した絶縁層にガス無し油を含浸させる。
図1に示すように導体10の外周に内部半導電層11、絶縁層12、外部半導電層13を順に形成しておく。そして、導体10、内部半導電層11、絶縁層12、外部半導電層13を一体に具えるコア体にガス無し油を含浸する。例えば、マス浸潤方式が利用できる。具体的には、真空乾燥タンクにコア体を導入し、タンク内を加熱及び真空引きして、絶縁層12内の水分などを除去する。コア体の乾燥後、真空状態を保持しながら、真空乾燥タンクにガス無し油を充填し、コア体にガス無し油を含浸させる。含浸は、ガス無し油を100℃に加熱して粘度を低下させた状態で行う。また、含浸時、タンク内の圧力を測定しておく。

(3) 導体の外周に形成した絶縁層にガス入り油を含浸させる。
タンク内の圧力が所定の大きさ、具体的には、ガス入り油の窒素が窒素ガスとなって油外に放出され難い程度の大きさになったら、ガス無し油をガス入り油に切り換えて、ガス入り油を真空乾燥タンクに導入する。余分なガス無し油を一旦タンクから排出してからガス入り油を導入してもよい。ガス入り油は、100℃に加熱して含浸を行うが、上述のようにタンク内の圧力がガス無し油により高められていることで、絶縁層に含浸されたガス入り油内の絶縁性ガス物質が絶縁ガスとなって油外に放出されることを低減することができる。従って、絶縁性ガス物質が溶存した状態の絶縁油が絶縁層の内部(導体側)にまで十分に含浸される。なお、タンク内でガスに圧力をかけて、絶縁油にガスを溶存させてもよい。

上記(1)〜(3)の工程の後、絶縁油を含浸した絶縁層を具える含浸体を被鉛機といったシース形成機に送り出し、絶縁層の外周に金属シース14を形成する。この工程により、絶縁油中に絶縁性ガス物質が溶存された絶縁層を具えるソリッドケーブル1が得られる。なお、真空シース方式により、ケーブル1を製造することができるが、この方式は、シース被覆後に、被覆体の一端側から絶縁層に絶縁油を注入するため、含浸に時間がかかる。従って、製造性を考慮すると、マス浸潤方式が好ましい。

上記構成を具えるソリッドケーブル1は、ケーブルの使用状態の変化に伴って絶縁層内の少なくとも一部の圧力が負圧となっても、圧力が低下することで絶縁性ガス物質(窒素)が絶縁ガス(窒素ガス)となって放出され、絶縁層内の圧力が均衡化される。即ち、ボイドが発生しようとしても、ボイド部分が絶縁ガスに満たされるため、この部分の絶縁性能が高められる。従って、ケーブル1は、ボイド内での放電を抑制し、放電による電気破壊の低下を低減することができる。また、このケーブル1は、上述のようにガス入り油とガス無し油を用意することで簡単に製造することができる。

更に、ケーブル1は、複合テープよりも抵抗率(ρ)が小さい材料(クラフト紙)からなる低ρ部を、複合テープで構成される部分の内周側及び外周側の双方に具えることで、主絶縁層においてストレスが高く、導体の影響を受け易い部分が受けるストレスを低減できる。従って、導体直上近傍にボイドが生じても、上述のようにボイド内に絶縁ガスが満たされることに加えて、上記ストレスの低減により、ボイド内での放電を抑制することができる。

なお、上述した実施例は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、以下の構成が考えられる。

1. 絶縁層が複合テープのみで構成される。
複合テープからなる絶縁層は、クラフト紙からなる絶縁層よりも、絶縁性能が高く、また、油移動に対する抵抗が高いため、ボイドを生じ難くすることができる。

2. 割合kが異なる複数種の複合テープを用い、絶縁層の厚さ方向に割合kが異なる構成、いわゆるρグレーディングやεグレーディングが施された構成にする。
ρグレーディングやεグレーディングを施すことで、負荷時や負荷遮断時において絶縁層が受けるストレスの緩和を図ったり、サージなどのインパルス特性を向上することができる。

3. 絶縁層の内周側領域及び外周側領域の少なくとも一方は、割合kが高い複合テープで構成され、大部分の中間領域は、割合kが低いテープで構成する。
絶縁層の内周側領域は常温時(無負荷又は低負荷時)に、外周側領域は高温時(負荷時)に電気的ストレスが高くなる領域であり、これらの領域を絶縁性能に優れる割合kが高いテープで構成すると、絶縁層の電気強度が向上する。また、比較的高価である割合kが高い複合テープの使用量を低減できる。

本発明ソリッドケーブルは、電力供給、特に、長距離大容量の電力供給に好適に利用することができる。本発明ソリッドケーブルの製造方法は、本発明ソリッドケーブルの製造に好適に利用することができる。

ソリッドケーブルの断面図である。

符号の説明

1 ソリッドケーブル 10 導体 11 内部半導電層 12 絶縁層
12c 複合テープ部 12m 主絶縁層 12ρi 内側低ρ部 12ρo 外側低ρ部
13 外部半導電層 14 金属シース

Claims (4)

1. 導体の外周に絶縁油が含浸された絶縁層を具えるソリッドケーブルであって、
   前記絶縁油は、絶縁性ガス物質が溶存されており、絶縁層の少なくとも一部の圧力が負圧になったときに前記ガス物質が絶縁ガスとして出現することを特徴とするソリッドケーブル。
2. 絶縁性ガス物質の含有量は、体積割合で1000ppm超であることを特徴とする請求項1に記載のソリッドケーブル。
3. 絶縁性ガス物質は、窒素であることを特徴とする請求項1に記載のソリッドケーブル。
4. 導体の外周に形成した絶縁層に絶縁油を含浸させてソリッドケーブルを製造するソリッドケーブルの製造方法であって、
   ケーブル使用時に絶縁層の少なくとも一部の圧力が負圧になったときに絶縁ガスとして出現する絶縁性ガス物質を溶存させたガス入り油と、前記絶縁性ガス物質を溶存させていないガス無し油とを準備する工程と、
   導体の外周に絶縁層を形成した後、絶縁層に前記ガス無し油を含浸させる工程と、
   前記ガス無し油を含浸させた絶縁層に前記ガス入り油を含浸させる工程とを具えることを特徴とするソリッドケーブルの製造方法。

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