JP2014072133A

JP2014072133A - 直流電力ケーブル

Info

Publication number: JP2014072133A
Application number: JP2012219455A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Sakurai; 貴裕櫻井; Toshiya Tanaka; 俊哉田中
Original assignee: Viscas Corp
Current assignee: Viscas Corp
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2014-04-21

Abstract

【課題】直流破壊特性に優れる直流電力ケーブルを、製造工程における特別な湿度管理なしで、安価に提供する。
【解決手段】本発明は、直流電力ケーブルが、分割導体である導体と、前記導体を被覆する内部半導電層と、前記内部半導電層を被覆する絶縁層と、を有し、前記絶縁層が、無機充填剤が添加された架橋ポリオレフィン組成物で形成され、前記内部半導電層が、ポリオレフィン系樹脂１００質量部に対して、ヨウ素吸着量６０〜１００ｍｇ／ｇであるファーネスカーボンブラックを４０〜８０質量部添加した半導電性樹脂組成物で形成されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流特性を改善させる無機充填剤が添加された架橋ポリオレフィン組成物で絶縁層を形成する直流用の電力ケーブル（本願において「直流電力ケーブル」）に関する。

交流用の電力ケーブルに汎用されている架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）系の組成物を、高電圧直流電力ケーブル（２２ｋＶ以上）の絶縁層に適用すると、ジクミルパーオキサイド（ＤＣＰ）の分解残渣（アセトフェノン、クミルアルコールなど）が、直流高電圧を印加した時に空間電荷を形成する。その結果、直流特性を顕著に低下することが知られている。

この空間電荷の形成を抑制する手段として、絶縁層を形成するＸＬＰＥ系の組成物にカーボンブラックや酸化マグネシウムなどの無機充填剤を添加することが行われている（特許文献１〜４、特許文献６〜８）。これらの特許文献には、無機充填剤を添加することにより、直流電力ケーブルの絶縁層に空間電荷が蓄積されるのを抑制して、直流特性を向上させることが記載されている。

ところが、無機充填剤は数十ｎｍ〜数十μｍの微粒子であり、吸湿性が高いため、絶縁層に含まれる水分量が高まり、電気特性に影響を与えるという懸念がある。このため、特許文献３では、コンパウンド調製前の充填剤の保管時に湿度管理を行うことにより、初期の絶縁層水分量を低く抑えることが提案されている。また、特許文献４では、絶縁層上に遮水層を設けることにより、絶縁層の吸湿を阻止することが提案されている。

また、分割導体の内部、及び、周囲に配置される介在物や半導電テープの中に含まれる水分が絶縁層に移行することが課題として認識され、その解決手段がいくつか提案されている。
特許文献５では、内部半導電層の内側（半導電テープとの間）に遮水テープによる遮水層を設ける方法が提案されている。特許文献６では、介在物そのものを吸水紙の間に高吸水性高分子材料を設けた複合シートとする方法が提案されている。

特許第３６０２２９７号公報特開平１１−８６６３４号公報特許第３４３０８７５号公報特開昭５１−４１８８５号公報特開平５−１６６４２０号公報特開平１０−２６１３２０号公報特許第３８７４８６２号公報特開２０１０−１２１０５６号公報

しかしながら特許文献５のように、内部半導電層の内側に遮水テープによる遮水層を設ける方法では大きなコストアップを招き実用的ではないという問題点がある。また、特許文献６のように、介在物として吸水紙の間に高吸水性高分子材料を設けた複合シートを用いる場合には、ケーブル製造工程において、常に複合シートの湿度管理が必要であるという問題点がある。
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものである。その目的とすることは、直流破壊特性に優れる直流電力ケーブルを、製造工程における特別な湿度管理なしで、安価に提供することである。

前述した目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有する。
（１）導体と、前記導体を被覆する内部半導電層と、前記内部半導電層を被覆する絶縁層とを有し、前記絶縁層が、無機充填剤が添加された架橋ポリオレフィン組成物で形成され、前記内部半導電層が、ポリオレフィン系樹脂１００質量部に対して、ヨウ素吸着量６０〜１００ｍｇ／ｇであるファーネスカーボンブラックを４０〜８０質量部添加した半導電性樹脂組成物で形成されることを特徴とする直流電力ケーブル。
このような構成を有する直流電力ケーブルによると、直流破壊特性に優れる直流電力ケーブルを、製造工程における特別な湿度管理なしで、安価で得ることができる。
（２）前記導体が、複数のセグメント導体と、前記セグメント導体間に配される介在物とを有する分割導体であることを特徴とする直流電力ケーブル。
このような構成を有する直流電力ケーブルによると、通常の導体（非分割導体）を用いた場合に比べて、分割導体を用いるため、表皮効果による電流低減の影響を抑制することができる。なお、分割導体に用いられる介在物に含まれる水分は、内部半導体層のファーネスカーボンブラックに保持されるため、介在物に含まれる水分が、絶縁層へ拡散することを抑制することができる。

本発明は、直流破壊特性に優れる直流電力ケーブルを、製造工程における特別な湿度管理なしで、安価に提供できる。

本発明の実施形態に係る直流電力ケーブル１を示す斜視図。図１のＡＡ断面図。

以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。

＜直流電力ケーブル＞
（直流電力ケーブルの構造）
図１に示すように、本実施形態に係る直流電力ケーブル１は、導体３を内部半導電層５、絶縁層７、外部半導電層９で順次被覆した構造である。なお、図１には記載していないが、直流電力ケーブル１は、必要に応じて、外部半導電層９の外周に、金属遮蔽層やシース等を備えた構成とすることもできる。図２に示すように、導体３として、分割導体１５を用いることができる。分割導体１５は、複数本の、例えば５本のセグメント導体１１を撚り合わせた構造を持つ。この分割導体１５の各セグメント導体１１の間には、紙などからなる介在物１３が介在されている。

（直流電力ケーブル製造方法）
複数本の素線を撚り合わせて、さらに断面扇形状に成形してセグメント導体１１を製造する。複数本のセグメント導体１１を、介在物１３を介在させながら撚り合わせて分割導体１５を製造する。内部半導電層５用の半導電性樹脂組成物、絶縁層７用の絶縁性樹脂組成物、外部半導電層９用の半導電性樹脂組成物を導体３上に押し出し、内部半導電層５、絶縁層７、外部半導電層９を３層同時押出しにより形成する。これを加圧下で加熱することで前述の絶縁層７用の絶縁性樹脂組成物の架橋を完了する。
外部半導電層９には、内部半導電層５に用いられる半導電樹脂組成物と同一の組成物を用いてもよいが、交流電力ケーブル等で一般に用いられる半導電樹脂組成物を用いることができる。
組成物の混練工程、内部半導電層５、絶縁層７、外部半導電層９等の押出被覆工程及び架橋処理工程については、定法にしたがって行うことができる。架橋条件は、樹脂組成によって適宜選択され、特に限定されるものではない。例えば、シリコーンオイルや窒素ガス下において、温度１６０〜３２０℃、圧力０．２〜３ＭＰａで架橋することができる。また、本実施形態に係る直流電力ケーブル１に用いる導体３は、分割導体１５以外にもその用途により適宜選択することができ、特に限定されず、電力ケーブルに通常用いられる導体を使用することができる。

＜半導電性樹脂組成物＞
内部半導電層５にはポリオレフィン系樹脂に、特定のカーボンブラックを添加した半導電性樹脂組成物を用いる。

（ポリオレフィン系樹脂）
ポリオレフィン系樹脂としては、オレフィン系炭化水素を重合した樹脂で、代表的なものとして、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、より具体的には、高圧ラジカル重合法で製造される高圧法低密度ポリエチレン、高圧法中密度ポリエチレン、高圧法高密度ポリエチレン及びポリプロピレンを挙げることができる。
ポリオレフィン系樹脂は、オレフィンを含む２種以上のモノマーを重合した共重合体であっても良い。共重合体としては、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレンエチルアクリレート共重合体、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、エチレン−α−オレフイン（炭素数３〜１２）共重合体、エチレン−α，β−不飽和カルボン酸（あるいはそのエステル誘導体）共重合体、エチレンカルボン酸ビニルエステル共重合体、エチレン−アクリル酸ブチル共重合体、エチレン−メタクリル酸エチル共重合体、エチレン−メタクリル酸ブチル共重合体等を例示できる。
これらの樹脂は、単独で用いても、２種以上を混合して用いてもよい。
前記半導電性樹脂組成物に用いるポリオレフィン系樹脂としては、効率良く導電性を発揮する、カーボンブラックとの混合性が良いなどの観点から、ポリエチレンと、エチレン−α−オレフイン（炭素数３〜１２）共重合体、エチレン−α，β−不飽和カルボン酸（あるいはそのエステル誘導体）共重合体、エチレンカルボン酸ビニルエステル共重合体から選ばれるいずれか１種とを混合したものが好ましい。ポリエチレンとエチレン−酢酸ビニル共重合体とを混合したものがより好ましい。

（カーボンブラック）
前記半導電性樹脂組成物に添加されるカーボンブラックとしては、ファーネスカーボンブラックを用いることが好ましい。一般的には平滑な絶縁層／内部半導電層界面を得るためにアセチレンカーボンブラックが好ましいとされるが、アセチレンカーボンブラックはファーネスカーボンブラックに比べて吸湿性が低い。このため、分割導体の内部、及び、周囲に配置される介在物、半導電テープから発生する水分を十分に保持することができない。よって絶縁層への水分の拡散を抑制することが困難である。これに対し、ファーネスカーボンブラックは吸湿性が高いため、分割導体の内部、及び、周囲に配置される介在物、半導電テープから発生する水分を十分に保持、捕捉し、絶縁層への水分の拡散を抑制することができる。

前記カーボンブラックはヨウ素吸着量６０〜１００ｍｇ／ｇのものを用いるのが好ましい。ヨウ素吸着量が６０ｍｇ／ｇ未満では水分を捕捉する能力が十分ではなく、１００ｍｇ／ｇを超えるとジブチルフタレ−ト（ＤＢＰ）のポリオレフィン系樹脂への分散が悪化し、絶縁層／内部半導電層界面の平滑性が失われて雷インパルス破壊特性が低下する。
ヨウ素吸着量は、ＡＳＴＭＤ−１５１０に規定された方法により測定できる。
前記半導電性樹脂組成物へのファーネスカーボンブラックの添加量は、前記ポリオレフィン系樹脂１００質量部に対して４０〜８０質量部、好ましくは４０〜６０質量部である。添加量が４０質量部未満では半導電層として必要な導電性を付与することが困難となる。添加量が８０質量部を超えると、押出特性や半導電層の機械的特性が低下し、電気特性への影響が出現する。

また、前記ファーネスカーボンブラックは、ジブチルフタレ−ト（ＤＢＰ）吸油量１７０ｍｌ／１００ｇ以下のものを用いるのが好ましい。ＤＢＰ吸油量が１７０ｍｌ／１００ｇを超えると粗粒を生じ易くなり、雷インパルス破壊特性が低下する。このようなファーネスカーボンブラックとして、ＣＡＢＯＴ製キャボットＶＵＬＣＡＮＸＣ５００を挙げることができる。
ＤＢＰ吸油量は、ＡＳＴＭＤ−２４１４に規定された方法により測定できる。

（老化防止剤、添加剤）
前記半導電性樹脂組成物には、必要に応じて老化防止剤などその他の添加剤を添加することができる。老化防止剤としては、一般に使用される老化防止剤を適宜選択して添加することができる。特にフェノール系、ホスファイト系、チオエ
−テル系の老化防止剤を用いることが好ましい。また、４，４’−チオビス（３−メチル−６−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール）は、押出時の樹脂組成物の架橋反応抑制効果がある点で好ましい。

（架橋剤、架橋助剤）
前記半導電性樹脂組成物は架橋型でも非架橋型でもよい。架橋型とする場合には架橋剤として、ジクミルパーオキサイド、２，５−ジメチル−２，５−ジ（第３ブチル−ペルオキシ）ヘキサン、２，５−ジメチル−２，５−ジ（第３ブチル−ペルオキシ）へキシン、１，３−ビス（第３ブチル−ペルオキシイソプロビル）ベンゼンなどの有機過酸化物を用いる。これら有機過酸化物は、ポリオレフィン系樹脂１００質量部に対して０．２〜２質量部添加すればよい。
また、架橋剤助剤を併用することもできる。架橋剤助剤としては、後述する
＜絶縁性樹脂組成物＞の欄に記載したものと同様なものを用いることができる。

＜絶縁性樹脂組成物＞
次に絶縁層７に用いられる絶縁性樹脂組成物について説明する。絶縁層７は、ポリオレフィン系樹脂に架橋剤と無機充填剤が添加された架橋ポリオレフィン組成物で形成される。

（ポリオレフィン系樹脂）
架橋ポリオレフィン組成物に用いられるポリオレフィン系樹脂としては、前記＜半導電性樹脂組成物＞の欄で説明した、ポリオレフィン系樹脂を利用できる。但し、製造上の要請等があるときは、内部半導電層とは異なるポリオレフィン系樹脂を、絶縁層に使用しても良い。

（無機充填剤）
直流特性を改善させるのに好ましい無機充填剤として、カーボンブラックや酸化マグネシウムなどを挙げることができるが、これに限定されるものではない。無機充填剤の最大粒子径は、ポリオレフィンへの分散性、雷インパルス破壊特性等の点から１００μｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは１５μｍ以下である。無機充填剤の添加量は０．１〜５重量％であることが好ましい。０．１重量％未満では直流特性の改善効果が得られず、５重量％超では雷インパルス破壊特性の低下や、製造過程（押出工程）において、樹脂圧力の上昇を招き長尺ケーブルの製造が困難となる。

（架橋剤、架橋助剤）
架橋ポリオレフィン組成物には架橋剤として有機過酸化物を添加する。架橋剤としては、通常の架橋に用いる有機過酸化物であればよい。例えば、ジクミルパーオキサイド（ＤＣＰ）、ｔ−ブチルクミルパーオキサイド、α，α’−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ−ｍ−イソプロピル）ベンゼン等を用いることができる。架橋剤の添加量は、使用する有機過酸化物、ポリオレフィンの種類等により適宜調整されるが、ポリオレフィン１００質量部に対して０．１〜５質量部が好ましく、０．５〜３質量部がより好ましい。架橋剤の添加量が少なすぎると架橋が不充分であり、絶縁層の機械的特性及び耐熱性が低下する。一方、架橋剤の添加量が多すぎると、架橋ポリオレフィン組成物を押出しする際、押出機内で樹脂焼けが生じる。樹脂焼けが生じると、押出し中に樹脂圧力が上昇し、安定した直流電力ケーブルの製造ができなくなる。また、直流電力ケーブルの電気性能も低下する。

必要により、架橋剤助剤を併用することもできる。架橋剤助剤としては、トリアリルイソシアヌレート、トリメタリルイソシアヌレート、トリアリルシアヌレート、Ｎ，Ｎ−ｍ−フェニレンジマレイミド、ビス（３−エチル−５−メチル−４−マレイミドフェニル）メタン、２，２−ビス［４−（４−マレイミドフェノキシ）フェニル］プロパン、Ｎ，Ｎ’−（４，４’−ジフェニルメタン）ビスマレイミド等が挙げられる。スコーチを引き起こしにくいという観点から、特にトリアリルイソシアヌレート、トリメタリルイソシアヌレート、トリアリルシアヌレートが好ましい。架橋助剤は１種あるいは２種以上混合して使用することもできる。

（老化防止剤）
架橋ポリオレフィン組成物には、必要に応じて＜半導電性樹脂組成物＞欄で説明したのと同様な老化防止剤などその他の添加剤を添加することができる。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態においては、無機充填剤が添加された架橋ポリオレフィン組成物で絶縁層を形成する直流電力ケーブルにおいて、内部半導電層に所定の特性を持つファーネスカーボンを所定量用いた半導電性樹脂組成物を用いることより、ケーブル内部から絶縁層への水分移行を抑制できる。その結果、直流破壊特性に優れる直流電力ケーブルを製造工程における特別な湿度管理なしで、安価に提供できる。
また、本実施形態においては、直流電力ケーブルを使用する際に発生する、分割導体の介在物や、半導電テープから絶縁層への水分移行を抑制できる。

以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明する。

＜内部半導電層用樹脂組成物の製造＞
表１または表２に示す配合量（質量部）で、ポリオレフィン系樹脂、ファーネスカーボンブラック、架橋剤、架橋助剤及び老化防止剤を配合し、バンバリーミキサー、ニーダー等の通常用いられる混合装置により混練した。造粒工程を経て内部半導電層用の半導電性樹脂組成物を得た。用いた、ファーネスカーボンブラックのヨウ素吸着量を表に付記する。

＜絶縁性樹脂組成物の製造＞
ポリエチレン、ファーネスカーボンブラック、架橋助剤、架橋剤を添加して架橋ポリエチレン組成物を製造した。ポリエチレンとしては、直鎖低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）であるＤＯＷ製のＮＵＣ−９０２６を用いた。このＬＤＰＥ１００質量部に対して、ファーネスカーボンブラック、Ｖｕｌｃａｎ９Ａ３２（Ｃａｂｏｔ製）を１．０質量部、架橋助剤、トリアリルイソシアヌレート（日本化成株式会社製））０．１４質量部を添加し、これらをバンバリーミキサーにより混練した。その後、単軸押出機を用いて目開き３４μｍの金属製スクリーンメッシュに通して造粒した。こうして製造されたコンバウンドにペンシェル混合機により、架橋剤、ジクミルパーオキサイド（日油株式会社製）をＬＤＰＥ１００質量部に対して１．４質量部混合することで絶縁層用の絶縁性樹脂組成物を得た。

＜直流電力ケーブルの製造＞
導体として、実施例１〜４及び比較例１〜５においては、クレープ加工を施したクラフト紙を介在紙とした分割導体を用いた。これら導体の周上に、ポリエステル製基布に導電性加硫ブチルゴムを塗布した半導電テープを巻いた。この導体上に、内部半導電層用の半導電性樹脂組成物、絶縁層用の絶縁性樹脂組成物、外部半導電層用の半導電性樹脂組成物を３層同時に押出被覆した。引き続いて、加熱架橋ゾーンに導いて圧力８ｋｇ／ｃｍ^２のシリコーンオイル中で温度２２０℃の加熱下で加圧加熱を行い、架橋反応を完了させた。実施例では、外部半導電層に内部半導電層と同じ半導電性樹脂組成物を用いたが、交流電力ケーブル等で一般に用いられる半導電コンバウンド、例えば、ＮＵＣＶ−９５６３（ダウケミカル日本株式会社製）などを用いることもできる。完成したケーブルコアは引き続きドラムに巻いた状態で、室内の温度が６０℃に管理された部屋で１週間保持し、架橋剤分解残渣の１つであるメタンガスを取り除く処理を行った。
次いで、常法により、金属遮蔽層及び防食層を設け、直流電力ケーブルを製造した。電力ケーブルの導体は断面積１０００ｍｍ^２、内部半導電層の厚さは１ｍｍ、絶縁層の厚さは１２ｍｍ、さらにその上の外部半導電層は厚さ１ｍｍとした。

＜評価＞
（ヒートサイクル試験）
端末を除いた有効長２０ｍの電力ケーブルに直流（−）２３０ｋｖを課電し、導体温度９０℃、８時間保持と導体温度２５℃、１６時間保持のヒートサイクルを１０回加えた。１０回のヒートサイクルを加えても破壊しなければ合格、１０回未満で破壊した場合は不合格と判断した。

（絶縁層水分量の測定）
１０回のヒートサイクル後に内部半導電層から約１ｍｍ離れた絶縁層から試料を採取し、カールフィッシャー法にて水分量を測定した。

（雷インパルス試験）
端末を除いた有効長１０ｍの電力ケーブルを用意し、導体温度が９０℃になる様に通電しながら、スタート電圧を雷インパルス（ＩＭＰ）−２００ｋＶ／３回として−４０ｋＶ／３回のステップアップで昇圧し、電圧が−１０００ｋＶ以上を超えれば合格とした。

評価結果を表３に示す。なお、表３中の実施例１（６０）の括弧内の数字はファーネスカーボンブラックの添加量を表す。この点は実施例１〜４、比較例４、５で共通するが、比較例１〜３の括弧内の記号は添加したカーボンブラックの種類を意味する

実施例１〜４において、直流ヒートサイクル試験は１０サイクルでも絶縁層が破壊することはなく合格し、絶縁層の水分量はいずれも２５０ｐｐｍ以下だった。また、雷ＩＭＰ試験もＩＭＰ破壊電圧が−１０００ｋＶ以上となり合格だった。

アセチレンブラックを用いた比較例１、ヨウ素吸着量６０ｍｇ／ｇ以下のファーネスカーボンブラックを用いた比較例３、ファーネスカーボンブラックの添加量が４０質量部以下の比較例４において、直流ヒートサイクル試験は、１０サイクル以前に破壊を生じてしまい不合格となり、水分量は２５０ｐｐｍを超えていた。これは、分割導体の内部およびその周囲に配置された介在物や半導電テープから絶縁層への水分移行を十分に抑制できなかったためと考えられる。
一方、雷ＩＭＰ試験ではＩＭＰ破壊電圧が−１０００ｋＶ以上をクリアすることができた。

ヨウ素吸着量１００ｍｇ／ｇ以上のファーネスカーボンブラックを用いた比較例２、ファーネスカーボンブラックの添加量が８０質量部以上の比較例５において、直流ヒートサイクル試験は１０サイクルで破壊することはなく合格し、水分量はいずれも２５０ｐｐｍ以下だった。一方、雷ＩＭＰ試験においてＩＭＰ破壊電圧が−１０００ｋＶをクリアすることができず、不合格となった。これはファーネスカーボンブラックのポリオレフィン系樹脂への分散が悪化し、絶縁層／内部半導電層界面の平滑性が失われたためと思われる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………直流電力ケーブル
３………導体
５………内部半導電層
７………絶縁層
９………外部半導電層
１１………セグメント導体
１３………介在物
１５………分割導体

Claims

導体と、
前記導体を被覆する内部半導電層と、
前記内部半導電層を被覆する絶縁層と、を有し、
前記絶縁層が、無機充填剤が添加された架橋ポリオレフィン組成物で形成され、
前記内部半導電層が、ポリオレフィン系樹脂１００質量部に対して、ヨウ素吸着量６０〜１００ｍｇ／ｇであるファーネスカーボンブラックを４０〜８０質量部添加した半導電性樹脂組成物で形成される
ことを特徴とする直流電力ケーブル。
前記導体が、複数のセグメント導体と、前記セグメント導体間に配される介在物とを有する分割導体であることを特徴とする請求項１に記載の直流電力ケーブル。