JP2015211003A - 電力ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性を向上させるとともに部分放電を低減させることができる新規な構造の電力ケーブルを提供する。【解決手段】電力ケーブルは、複数本の素線を撚り合わせて形成された撚線を、複数本撚り合わせて形成された複合撚り構造を有する導体と、導体に巻回された半導電テープで形成され、導体との界面ですべりが生じるように配置された内部半導電テープ層と、内部半導電テープ層の外側に形成された内部半導電押出層と、内部半導電押出層の外側に形成された絶縁層と、絶縁層の外側に形成された外部半導電層とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力ケーブルに関し、特に、鉄道車両用の特別高圧ケーブルに好適な電力ケーブルに関する。

鉄道車両用の特別高圧ケーブルは、車両に配設された各種装置等の間隙を縫うように配設できることが望まれる。このため、可撓性が高いことが好ましい。さらに、部分放電による絶縁層の劣化を生じにくいことが好ましい。

電力ケーブルについて、種々の技術が提案されている（例えば特許文献１〜４参照）。

特開平６−１５０７１５号公報 特開昭６３−６７０７号公報 特開平１−１３０４１７号公報 特開昭６４−４１１１４号公報

本発明の一目的は、可撓性を向上させるとともに部分放電を低減させることができる構造を有する電力ケーブルを提供することである。

本発明の一観点によれば、
複数本の素線を撚り合わせて形成された撚線を、複数本撚り合わせて形成された複合撚り構造を有する導体と、
前記導体に巻回された半導電テープで形成され、前記導体との界面ですべりが生じるように配置された内部半導電テープ層と、
前記内部半導電テープ層の外側に形成された内部半導電押出層と、
前記内部半導電押出層の外側に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の外側に形成された外部半導電層と
を有する電力ケーブル
が提供される。

導体との界面ですべりが生じるように内部半導電テープ層を形成し、内部半導電テープ層上に内部半導電押出層を形成することにより、内部半導電テープ層を形成しない場合と比べて、可撓性を向上させるとともに部分放電を低減させることができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、本発明の実施形態による電力ケーブルの概略構造例を示す全体的な断面図および内部半導電テープ層近傍の拡大断面図であり、図１Ｃは、内部半導電テープ層の巻回構造を概略的に示す平面図である。 図２Ａは、電力ケーブルのたわみ量を調べたたわみ試験の状況を概略的に示す側面図であり、図２Ｂは、実験結果をまとめた表である。 図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、比較形態による電力ケーブルの概略構造例を示す全体的な断面図および内部半導電押出層近傍の拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態による電力ケーブルおよび比較形態による電力ケーブルについて説明する。実施形態による電力ケーブルおよび比較形態による電力ケーブルは、主として、鉄道車両に配設される特別高圧ケーブル（以下、車両用特別高圧ケーブルと呼ぶこととする）としての用途が想定される。車両用特別高圧ケーブルは、鉄道車両の屋根上に配置されたパンタグラフと床下に配置された変圧器とを接続するように、屋根部や壁部に沿って配設される。車両用特別高圧ケーブルは、例えば定格電圧３０ｋＶである。ここで、特別高圧とは、７ｋＶを超える電圧をいう。

車両用特別高圧ケーブルは、屋根部や壁部に配設された各種装置等の間隙を縫うように配設できることが望まれるので、可撓性が高いことが好ましい。さらに、部分放電による絶縁層の劣化を生じにくいことが好ましい。

本発明の実施形態による電力ケーブルについて説明する前に、まず、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、比較形態による電力ケーブルについて説明する。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、比較形態による電力ケーブル６０の概略構造例を示す全体的な断面図および内部半導電押出層５３近傍の拡大断面図である。

比較形態による電力ケーブル６０は、導体５１、内部半導電押出層５３、絶縁層５４、外部半導電層５５、遮蔽層５６、セパレータ５７、およびシース５８により形成されている。

導体５１は、複数本の素線を撚り合わせて形成された子撚り線５１ａを、複数本撚り合わせて親撚り線とした複合撚り構造を有する。

導体５１の外側に、押出成形により内部半導電押出層５３が形成されている。導体５１の表面は、撚り合された子撚り線５１ａの外形に沿った凹凸（撚り目）を有する。内部半導電押出層５３は、押出成形により導体５１に密着して形成され、導体５１の撚り目を反映した凹凸を持つ表面形状となっている。

内部半導電押出層５３の外側に、押出成形により絶縁層５４が形成されている。絶縁層５４は、押出成形により、理想的には、内部半導電押出層５３と絶縁層５４との間に空隙が生じないように、内部半導電押出層５３に密着して形成される。しかし、実際には、内部半導電押出層５３の凹部と絶縁層５４との間に空隙ＶＯが生じる場合がある。

絶縁層５４の外側に外部半導電層５５が形成され、外部半導電層５５の外側に遮蔽層５６が形成され、遮蔽層５６の外側にセパレータ５７が形成され、セパレータ５７の外側にシース５８が形成されている。比較形態における外部半導電層５５、遮蔽層５６、セパレータ５７、およびシース５８は、後述の実施形態における外部半導電層５、遮蔽層６、セパレータ７、およびシース８と同様なものである。

次に、図１Ａ〜図１Ｃを参照して、本発明の実施形態による電力ケーブルについて説明する。図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、実施形態による電力ケーブル１０の概略構造例を示す全体的な断面図および内部半導電テープ層２近傍の拡大断面図である。図１Ｃは、内部半導電テープ層２の巻回構造を概略的に示す平面図である。

実施形態による電力ケーブル１０は、導体１、内部半導電テープ層２、内部半導電押出層３、絶縁層４、外部半導電層５、遮蔽層６、セパレータ７、およびシース８により形成されている。

導体１は、複数本の素線を撚り合わせて形成された子撚り線１ａを、複数本撚り合わせて親撚り線とした複合撚り構造を有する。素線として、例えば直径０．４５ｍｍの銅素線が用いられる。導体１の全体としての直径（導体外径）は、例えば１０ｍｍから１５ｍｍ程度であり、例えば約１２ｍｍである。

内部半導電テープ層２は、半導電テープ２ａを導体１の周りに１層分、螺旋状に巻回することにより形成されている。半導電テープ２ａの縁部同士が導体１の長手方向について重なり２ｂを持つように、半導電テープ２ａが巻回されており（ラップ巻きされており）、導体１の表面は、内部半導電テープ層２により覆われている。

半導電テープ２ａとして、例えば、カーボンを含有させたゴムを布地に浸透させたものを用いることができる。半導電テープ２ａは、導体１に対する粘着性を持たず、導体１との界面ですべりを生じさせられるものが好ましい。半導電テープ２ａの厚さは、後に図２Ｂを参照して詳しく説明するように、０．１０ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲の厚さであることが好ましい。内部半導電テープ層２を形成する半導電テープ２ａを、内導テープと呼ぶこともある。

導体１の表面は、複合撚り構造の撚り目を反映した凹凸を有する形状となっているが、内部半導電テープ層２の表面は、導体１の凸部の周りに半導電テープ２ａが巻回されることにより、導体１の表面と比べて平滑化され真円に近い形状となっている。

内部半導電テープ層２の外側に、内部半導電押出層３が形成されている。内部半導電押出層３は、例えばカーボンを含有させた樹脂で形成され、押出成形により形成され、厚さが例えば０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ、例えば１ｍｍである。内部半導電テープ層２の表面が平滑化されていることにより、内部半導電押出層３の表面は、比較形態の内部半導電押出層５３の表面と比べて平滑化されている。なお、内部半導電テープ層２と内部半導電押出層３とをまとめて、内部半導電層と捉えることもできる。

内部半導電押出層３の外側に、絶縁層４が形成されている。絶縁層４は、例えばエチレンプロピレン（ＥＰ）ゴムで形成され、例えば内部半導電押出層３と同時に押出成形により形成され、厚さが例えば１２ｍｍ〜２０ｍｍ、例えば１６ｍｍである。

内部半導電押出層３の表面が平滑化されていることにより、比較形態と比べて、絶縁層４を内部半導電押出層３に密着して形成することが容易であり、内部半導電押出層３と絶縁層４との間に空隙が生じにくくなっている。

絶縁層４の外側に、外部半導電層５が形成されている。外部半導電層５は、例えば、押出成形による被覆層として、絶縁層４に密着して形成される。

外部半導電層５の外側に、遮蔽層６が形成されている。遮蔽層６は、例えば、直径０．１２ｍｍの銅素線を編み込むことにより形成される。遮蔽層６の外側に、遮蔽層６とシース８とを分離するセパレータ７が形成されている。セパレータ７として、例えば、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの布地のテープを用いることができる。セパレータ７の外側に、シース８が形成されている。シース８は、例えば、厚さ３ｍｍのゴム製であり、押出成形により形成される。電力ケーブル１０の全体での直径（仕上がり外径）は、例えば４０ｍｍから６０ｍｍ程度であり、例えば約５２ｍｍである。

次に、実施形態による電力ケーブル１０の比較形態による電力ケーブル６０に対する利点について説明する。比較形態による電力ケーブル６０は、導体５１と内部半導電押出層５３とが密着して形成されており、導体５１と、その外側の内部半導電押出層５３等とが一体的に動く。これに起因して、可撓性を高めることが難しい。一方、実施形態による電力ケーブル１０は、内部半導電テープ層２が導体１との界面ですべりを生じさせることができるので、導体１と、その外側の内部半導電テープ層２等とがある程度独立して動くことができ、可撓性が向上している。

また、比較形態による電力ケーブル６０は、内部半導電押出層５３と絶縁層５４との間に空隙ＶＯが生じやすい。これに起因して、内部半導電押出層５３と絶縁層５４との間で部分放電が生じやすく、絶縁層５４が劣化しやすい。一方、実施形態による電力ケーブル１０は、内部半導電テープ層２により内部半導電押出層３の表面が平滑化されていることにより、内部半導電押出層３と絶縁層４との間に空隙が生じにくい。このため、内部半導電押出層３と絶縁層４との間での部分放電が生じにくく、絶縁層４の劣化を抑制することができる。

このように、実施形態による電力ケーブル１０は、内部半導電テープ層２を形成したことにより、可撓性を向上できるとともに、部分放電による絶縁層４の劣化を抑制することもできる。

次に、実施形態による電力ケーブルと比較形態による電力ケーブルのたわみ量および部分放電発生電圧を調べた実験（実施例および比較例）について説明する。実施例の電力ケーブルについては、内部半導電テープ層を形成する半導電テープ（内導テープ）の厚みを変化させて、内導テープ厚みによる影響も調べた。

図２Ａは、電力ケーブルのたわみ量を調べたたわみ試験の状況を概略的に示す側面図である。試験台１００上に、電力ケーブル１０１を、一端側を長さ１ｍ張り出させた状態で載置し、先端部に８ｋｇの重り１０２を取り付けて、たわみ量を測定した。なお、重り１０２を取り付けない状態でも、破線で示すように、電力ケーブル１０１の一端は、自重でややたわんだ状態となる。自重でたわんだ状態を基準とし、重り１０２によってさらにたわんだ変位量ＤＰを、たわみ量として測定した。

たわみ量および部分放電発生電圧を測定した電力ケーブル１０１は、実施例では図１Ａに示したような構造のものであり、比較例では図３Ａに示したような構造（実施例から内部半導電テープ層を省略した構造）のものである。導体外径は約１２ｍｍで、仕上がり外径は約５２ｍｍである。

図２Ｂは、実験結果をまとめた表である。たわみ量をｃｍ単位で示し、部分放電発生電圧をｋＶ単位で示す。実施例では、内導テープ厚みを、０．０９ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．１６ｍｍと変化させた。

たわみ量は、比較例では５ｃｍであり、実施例では内導テープ厚み０．０９ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．１６ｍｍでそれぞれ８ｃｍ、２２ｃｍ、２２ｃｍであった。内部半導電テープ層を形成することにより、比較例と比べてたわみ量が増加すること、つまり可撓性が向上することがわかった。また、内導テープをある程度厚くすることが、大きなたわみ量を得るために好ましいことがわかった。

実施例の電力ケーブルにおいて、内部半導電テープ層が導体との界面ですべりを生じさせることにより、比較例の電力ケーブルと比べて可撓性を向上させられるものと考えられる。ただし、内部半導電テープ層が薄すぎると、この上に内部半導電押出層が押出形成される際に、導体表面の凹部への内部半導電テープ層のめり込みが生じるのではないかと考えられる。これに起因して、内部半導電テープ層と導体との間のすべり性が悪くなるものと推測される。比較例に比べると、内導テープ厚み０．０９ｍｍでも可撓性が向上しているが、可撓性をより効果的に向上させるためには、内導テープ厚みを例えば０．１０ｍｍ以上とすることが好ましいであろう。たわみ量は、２０ｃｍ以上であることが特に好ましい。

部分放電発生電圧は、比較例では３５ｋＶであり、実施例では内導テープ厚み０．０９ｍｍ、０．１２ｍｍ、０．１６ｍｍでそれぞれ３５ｋＶ、７５ｋＶ、４５ｋＶであった。内部半導電テープ層を形成することにより、比較例と比べて部分放電発生電圧を高くできること、つまり部分放電を抑制できることがわかった。また、部分放電発生電圧を高くするには、内導テープをある程度厚くすること好ましいが、部分放電発生電圧は、内導テープのある厚みで最大となり、その厚みを超えると低下していく傾向があることがわかった。

実施例の電力ケーブルにおいて、内部半導電テープ層により内部半導電押出層の表面が平滑化され、内部半導電押出層と絶縁層との密着性が向上することにより、比較例の電力ケーブルと比べて部分放電を抑制できるようになるものと考えられる。ただし、内導テープが薄すぎると、上述のような内部半導電テープ層のめり込みが生じ、内部半導電押出層の表面平滑化効果が得られにくいので、部分放電抑制効果が得られにくいのではないかと推測される。

一方、内導テープが厚くなりすぎると、巻回した内導テープの重なり部分（図１Ｃの重なり部分２ｂ）での内部半導電テープ層の厚さと、その外側部分での内部半導電テープ層の厚さの差が大きくなりすぎるものと推測される。つまり、内導テープの重なり部分とその外側部分とで形成される段差が大きくなりすぎるものと推測される。この段差に起因して、内部半導電押出層の表面平滑性が低下し、内部半導電押出層と絶縁層との間に空隙が形成されやすくなり、部分放電が生じやすくなるのではないかと推測される。比較例に比べると、内導テープ厚み０．１６ｍｍでも部分放電が抑制されているが、部分放電をより効果的に抑制するためには、内導テープ厚みを例えば０．１５ｍｍ以下とすることが好ましいであろう。部分放電発生電圧は、７０ｋＶ以上であることが特に好ましい。

以上説明したように、実施形態による電力ケーブルは、導体との界面ですべりが生じるように内部半導電テープ層が形成され、内部半導電テープ層上に内部半導電押出層が形成されていることにより、可撓性の向上効果と、部分放電の抑制効果とを得ることができる。可撓性を向上させるとともに部分放電を低減させるための内導テープの特に好ましい厚さは、０．１０ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲の厚さである。このような電力ケーブルは、特に好ましくは、鉄道車両に配設される特別高圧ケーブルとして用いられる。

以上、実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１、５１ 導体
１ａ、５１ａ 子撚り線
２ 内部半導電テープ層
２ａ 半導電テープ
２ｂ （半導電テープの）重なり部分
３、５３ 内部半導電押出層
４、５４ 絶縁層
５、５５ 外部半導電層
６、５６ 遮蔽層
７、５７ セパレータ
８、５８ シース
１０、６０ 電力ケーブル
ＶＯ 空隙
１００ 試験台
１０１ 電力ケーブル
１０２ 重り
ＤＰ 変位

Claims (5)

1. 複数本の素線を撚り合わせて形成された撚線を、複数本撚り合わせて形成された複合撚り構造を有する導体と、
   前記導体に巻回された半導電テープで形成され、前記導体との界面ですべりが生じるように配置された内部半導電テープ層と、
   前記内部半導電テープ層の外側に形成された内部半導電押出層と、
   前記内部半導電押出層の外側に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層の外側に形成された外部半導電層と
   を有する電力ケーブル。
2. 前記半導電テープの厚さは、０．１０ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲の厚さである請求項１に記載の電力ケーブル。
3. 鉄道車両に配設される特別高圧ケーブルである請求項１または２に記載の電力ケーブル。
4. 試験台から１ｍｍ張り出させた一端の先端部に取り付けた８ｋｇの重りによるたわみ量が２０ｃｍ以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力ケーブル。
5. 部分放電発生電圧が７０ｋＶ以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力ケーブル。

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