JP2018523268A - 電気電力ケーブルおよび電力ケーブルの製作のためのプロセス - Google Patents

Abstract

本発明は、電気電力ケーブル（１）、および金属導体（２）と、改善した電気的特性を有し同軸的にかつ上記導体の外に向かって半径方向に上記導体を取り囲んでいる電気絶縁システムとを備える上記ケーブル（１）の製作のためのプロセスに関する。上記絶縁システムは、絶縁層によって外に向かって半径方向に取り囲まれた内側半導電層を備え、上記絶縁層が、外側半導電層によって外に向かって半径方向に取り囲まれている。上記電気電力ケーブルは、上記導体内におよび／または外に向かって半径方向に上記導体（２）を取り囲むように配置された内側遮水性材料（６）と、上記絶縁システムから外に向かって半径方向に配置された外側遮水性材料（１８）とをさらに備える。内側バリア層（８）が、上記内側遮水性材料（６）と上記絶縁システム（２０）との間に拡散阻害層として配置され、外側バリア層（１６）が、上記絶縁システム（２０）と上記外側遮水性材料（１８）との間に拡散阻害層として配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、添付の特許請求の範囲に規定したような電気電力ケーブルおよび電気電力ケーブルの製作のためのプロセスに関する。

高電圧電気電力ケーブルは、中電圧または高電圧で電力を伝送するために使用される。ケーブルは、通例は、導体と、この導体を取り囲むポリマ絶縁システムとを含む。地中に埋設することができる電気電力ケーブルを、地上ケーブルと呼ぶ。海水中の２つの固定点間に自由に延伸することができ海底中に埋設することができる電気電力ケーブルを、海底ケーブル、海水ケーブルまたは水中電力ケーブルと呼ぶ。例えば、風力発電プラントなどの沖合の再生可能エネルギープラントを含め、沖合のエネルギー源からの電力伝達の必要性の増加に起因して、水中電力ケーブルの使用量が、今日では増加している。また、様々な地域電気伝送ネットワークを相互接続してエネルギーのグローバルトレーディングを可能にする必要があるので、電力伝達ケーブルの長さが増加している。一方ではエネルギーが必要とされる領域と、他方ではエネルギーが作られる領域とが互いに離れていることもあり、これが安全な電力伝達の必要性をさらに増加させている。

安全な電力伝達に関する要求を満足するために、絶縁システムの保護は、電力の伝送中の正確な電気的および機械的な振る舞いを確実にするために高い品質のものであることが必要である。導体を電気的に絶縁するために、半導電性ポリマ層および絶縁性ポリマ層を含んでいる絶縁システムを、導体を取り囲むように配置する。電力ケーブルを適切に絶縁しない限り、著しいリーク電流が、ケーブルの半径方向に、導体から取り囲んでいる接地したスクリーンへと流れるであろう。高電圧電力ケーブルの絶縁システムおよび導体を保護するため、金属積層体または例えば、押し出し成形した導線被覆を、防水バリアとして絶縁システムの周りに設けることができる。ポリマジャケットを、次いで積層体または被覆の最上部に付けることができる。高電圧ケーブルは、多くの場合にケーブルの絶縁システムを取り囲み、また膨潤テープとしても知られている遮水性テープ（ＷＢＴ）をやはり含む。遮水性テープは、ケーブルが損傷を受けたケースにおいてケーブル内の水の長手の広がり止めるために主に設けられる。遮水性テープは、水と接触して膨潤しそしてケーブルの長手（および半径）方向の水の漏れを防止する吸湿性材料、すなわち吸水性材料を含み、その結果ケーブルの損傷部分を最小にすることができる。

遮水性材料の使用が、先行技術において論じられてきている。出版物「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ．２９、Ｎｏ．５，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ／Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９３； Ｗ．Ｆ．（Ｂｕｄｄｙ）Ｐｏｗｅｒ、Ｊｒ；『Ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｗａｔｅｒ−Ｒｅｓｉｓｔｎａｔ Ｃａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎｓ』」は、ケーブルの長手の遮水を成し遂げるために導体撚線内でのプラスチック化合物および吸水性材料の使用を開示している。上記文書は、遮水性材料としての封止ジャケットおよび金属積層体テープの使用もやはり開示している。

しかしながら、満足できる遮水性特性が例えば遮水性テープの使用によって実現されてきているとはいえ、遮水性テープが、高電圧直流（ＨＶＤＣ）電力ケーブルの電気的性能に悪影響を与えることがあることが分かっている。遮水性テープに由来する物質が、絶縁物中へと移動することがあり、絶縁物の電気ＤＣ伝導度を上昇させる。これが、ケーブル内の誘電損失を増加させ、したがって熱暴走についてのリスクを増加させるであろう。したがって、耐水ケーブル設計に関する解決策が知られているとはいえ、依然として、知られている設計を改善する必要性がある。

絶縁システム中への化学物質の拡散に関する先行技術のケーブル設計にともなう問題を最小にするケーブル設計およびこのケーブル設計の製作のための方法を提供することが本発明の一目的である。特に、絶縁物における電気ＤＣ伝導度を最小にし、したがってケーブル内の誘電損失および熱暴走についてのリスクなどの付随する問題を最小にすることが一目的である。

押し出し成形したＤＣケーブルの堅牢さおよび品質を向上させることが、本発明のさらなる目的である。

ＤＣ電圧下で絶縁物内の電場分布を改善することが、またさらなる目的である。

さらに、より高い電圧および／またはより高い動作温度に達する可能性を与えることが目的である。

本発明によれば、上記の目的は、添付の特許請求の範囲に規定されたような本電気電力ケーブルにより達成される。

上記の目的は、金属導体と、同軸的にかつ上記導体の外に向かって半径方向に上記導体を取り囲んでいる電気絶縁システムとを備えている電気電力ケーブルにより達成される。上記絶縁システムは、絶縁層によって外に向かって半径方向に取り囲まれた内側半導電層を備え、上記絶縁層が、外側半導電層によって外に向かって半径方向に取り囲まれる。上記電気電力ケーブルは、上記導体内におよび／または外に向かって半径方向に上記導体を取り囲むように配置された内側遮水性材料と、上記絶縁システムから外に向かって半径方向に配置された外側遮水性材料とをさらに備える。上記発明によれば、内側バリア層が、上記内側遮水性材料と上記絶縁システムとの間に拡散阻害層として配置される。さらに、外側バリア層が、上記絶縁システムと上記外側遮水性材料との間に拡散阻害層として配置される。

上記ケーブルの上記遮水性材料と上記内側半導電層との間に中間バリア層を導入することにより、上記遮水性材料からの可動化学物質の拡散を阻止するまたは阻害することが可能であり、上記可動化学物質の拡散は、上記絶縁システムの電気ＤＣ伝導特性に負の影響を及ぼすことがある。特に、上記第１の内側バリア層が、上記内側遮水性材料と上記内側半導電層との間に設置されると、上記ケーブルの製造中には上記内側遮水性材料に由来する物質の上記移動を阻害することが可能である。同様の方法で、上記外側バリア層は、上記外側遮水性材料から上記絶縁システムへの拡散を防止する。これは、特に、上記絶縁システムの上記電気的特性を劣化させることがある上記遮水性材料からの物質の移動の増加につながる上記絶縁システムの押し出し成形および硬化中に上記ケーブルの温度を昇温させるという観点である。したがって、拡散阻害層として機能している上記バリア層は、上記ケーブルの上記電気的特性を向上させる際に、そして例えば、上記ケーブルの上記絶縁システムのＤＣ電気伝導度を減少させる際に不可欠である。

上記発明の１つの態様によれば、上記内側バリア層および上記外側バリア層が、上記絶縁システムを封止するように配置される。このようにして、上記絶縁システムの内側および外側からの化学物質の拡散を、上記バリア層により阻害することができる。

上記内側遮水性材料および／または上記外側遮水性材料は、遮水性テープ（ＷＢＴ）を含むことができる。遮水性テープを、電気ケーブルに関連して通例では使用し、単純な方法でケーブル構造物に付けることができる。上記遮水性テープは、半導電特性を有することができる。このようにして、上記ケーブルの上記電気的特性は、負の影響を受けない。さらに、上記遮水性テープは、好ましくは水膨潤性材料を含み、これにより上記ケーブルの軸方向の水保護を実現することができる。

上記電気電力ケーブルでは、上記導体を撚線にすることができる。このケースでは、上記内側遮水性材料は、粉末として上記導体に配置された吸水剤粉末を含むことができ、または上記吸水剤粉末を、上記粉末を含んでいる撚糸もしくはテープにより上記導体に含ませることができる。

上記発明の１つの実施形態によれば、上記導体は、導体テープと直接接触し、上記導体テープによって外に向かって半径方向に取り囲まれる。このようにして、上記導体テープは、例えば、製造プロセス中には上記導体をシールドすることができる。

上記発明の１つの変形形態によれば、上記導体テープは、拡散阻害層として機能する上記内側バリア層を構成することができる。このようにして、上記ケーブルについての単純な構成を提供することができる。

さらなる実施形態によれば、上記内側遮水性材料は、外に向かって半径方向に上記導体を取り囲む遮水性テープを含むことができ、上記遮水性テープが、拡散阻害層として機能する内側バリア層によって外に向かって半径方向に取り囲まれている。この構成により、効果的な遮水を、成し遂げることができる。上記内側バリア層に加えて、上記導体を、追加の拡散バリアを形成する導体テープによって取り囲むことができる。両方の上記導体テープ、上記遮水性テープおよび内側バリア層を含んでいることにより、遮水能力のさらなる改善を実現することができ、一方で上記遮水性テープからの可動化学物質の上記絶縁システム中への拡散を阻止することができる。

上記内側バリア層および／または上記外側バリア層は、上記遮水性テープからの可動化学物質の拡散を阻害することができる任意の材料を含むことができ、またはこの任意の材料から構成することができる。例えば、上記内側バリア層および／または上記外側バリア層は、導体テープまたは金属積層体を含むことができる。導体テープが、電力ケーブル内で普通には使用され、これゆえ、電力ケーブル内で機能することが証明されている材料を提供することができ、これにより電力ケーブルについての単純な構成および製造プロセスを提供することができる。金属積層体を、上記内側バリア層および／または外側バリア層として使用してもよく、これにより効果的な拡散バリアを形成することができる。

上記内側半導電層、上記絶縁層および上記外側半導電層は、ポリオレフィン系のベースポリマを含むことができる。１つの実施形態によれば、上記絶縁システムの上記層内の上記ベースポリマ、すなわち上記内側半導電層、上記絶縁層および上記外側半導電層は、ポリエチレン系のベースポリマを含み、またはポリエチレン系のベースポリマから構成される。ポリエチレン系のベースポリマは、良い機械的特性を有する柔軟な電力ケーブルを形成することができる。上記ポリエチレン系のベースポリマの上記機械的特性をさらに改善するために、上記ベースポリマを架橋することができる。

上記電気電力ケーブルは、高電圧直流ケーブルに適している。ふさわしくは、上記電気電力ケーブルは、海底ケーブルであるが、上記電気電力ケーブルを、地上ケーブルとしても使用することができる。

上に記述した目的は、
ｉ）吸水性材料を任意選択で含んでいる導体を用意するステップと、
ｉｉ）上記導体が撚線であるケースでは外に向かって半径方向に上記導体を取り囲むように導体テープを付けるステップと、上記導体が単線であるケースでは外に向かって半径方向に上記導体を取り囲むように導体テープを任意選択で付けるステップと、
ｉｉｉ）上記導体が導体テープにより取り囲まれていないケースでは外に向かって半径方向に上記導体を取り囲むように遮水性テープを付けるステップと、上記導体が導体テープにより取り囲まれているケースでは外に向かって半径方向に上記導体を取り囲むように遮水性テープを任意選択で付けるステップと、
ｉｖ）遮水性テープがステップｉｉｉ）で付けられているケースでは、上記遮水性テープの外に向かって半径方向に拡散阻害層として内側バリア層を付けるステップと、
ｖ）外に向かって半径方向に上記導体を取り囲むようにベースポリマを含んでいる内側半導電層を押し出し成形するステップと、
ｖｉ）上記内側半導電層と接触するようにかつ外に向かって半径方向に上記内側半導電層を取り囲むようにベースポリマを含んでいる絶縁層を押し出し成形するステップと、
ｖｉｉ）上記絶縁層と接触するようにかつ外に向かって半径方向に上記絶縁層を取り囲むように、ベースポリマを含んでいる外側半導電層を押し出し成形するステップと、
ｖｉｉｉ）上記外側半導電層の外に向かって半径方向に拡散阻害層として外側バリア層を付けるステップと、
ｉｘ）外に向かって半径方向に上記外側金属層を取り囲むように外側遮水性材料を付けるステップと
を含む、電気電力ケーブルの製作のためのプロセスによっても達成される。

上記発明の１つの実施形態によれば、上記ベースポリマが、ポリエチレン系のポリマから構成され、これにより上記電力ケーブルの容易な製造を実現することができ、一方で良い機械的特性を、上記ケーブルに対して提供することができる。

１つの変形形態によれば、架橋剤が、押し出し成形に先立って上記ポリエチレン系のベースポリマに添加される。このようにして、上記絶縁システムの上記機械的特性をさらに改善することができる。

上記押し出し成形するステップｖ）〜ｖｉｉ）を、同時にまたは順に実行することができ、これが上記プロセスに柔軟性を与えている。

上記プロセスは、１５０〜３５０℃の硬化温度で硬化させるステップをさらに含むことができる。このようにして、上記ケーブルの上記機械的特性を修正することができ、例えば、架橋処理手順を実行することができる。上記プロセスは、硬化の後で、架橋副生成物を除去するために上記ケーブルを熱処理しかつ脱ガスするステップをさらに含むことができる。

好ましくは、上記外側遮水性材料は、既に存在する機器を用いて上記ケーブルに容易に付けることができる遮水性テープである。このように、単純な製造プロセスを提供することができる。

さらなる態様および利点は、添付した図面を参照して下記の詳細な説明においてここで説明されるであろう。

本発明の第１の実施形態による電気電力ケーブルの側面図である。 本発明の第１の実施形態による電気電力ケーブルの断面図である。 本発明の第２の実施形態による電気電力ケーブルの側面図である。 本発明の第２の実施形態による電気電力ケーブルの断面図である。 本発明の第３の実施形態による電気電力ケーブルの側面図である。 本発明の第３の実施形態による電気電力ケーブルの断面図である。 本発明の様々な実施形態による電気電力ケーブルの製作のためのプロセスのステップを示している流れ図である。

電気電力ケーブルは、電気伝送電力ケーブルとも呼ばれ、電力を伝送することを意図している。電気的特性および機械的特性に関する要求が、電力の需要増加のためおよび長距離電気伝送の必要性のために大きくなっている。本発明による電気電力ケーブルは、地上ケーブルまたは海底ケーブルとしての使用に適している、高電圧直流（ＨＶＤＣ）ケーブルなどの直流電力ケーブルである。

電気伝送電力ケーブルは、銅またはアルミニウムなどの金属により通常主に構成される導体を含む。導体を、撚線にすることができる、すなわち導体は、一緒に束ねられた複数の金属撚線を含む。撚線にした導体は、導体に柔軟性を与え、取り扱いが容易である。導体は、やはり単線であってもよい。導体は、第１の内側半導電層、絶縁層および第２の外側半導電層を備える電気絶縁システムにより取り囲まれる。絶縁層は、このように半導電層の間に設置される。

通例では、導体は、一般に円形断面を有する、とはいえ代わりの形状が考えられるはずである。絶縁物および半導電層を有し半径方向に取り囲んでいる電気絶縁システムは、導体の外側周囲形状、通例では一般に円形の外側周囲に対応する外側周囲形状を有する断面を通常は有し、絶縁システムは、半径方向にかつ同心円的に導体を取り囲んでいる。このようにして、ケーブル内の一様な絶縁物を得ることができ、ケーブルの電気的特性を改善することができる。

電気電力ケーブルは、水中電力ケーブルもしくは海底電力ケーブルであってもよく、またはケーブルは、地上ケーブルであってもよい。ケーブルは、好ましくは、５０ｋＶ以上の定格電圧を有する電力伝送ケーブルであり、したがって高電圧伝送電力ケーブルとしての使用に適している。好適には、電気電力ケーブルは、海底ケーブルである。

絶縁システムでは、１つまたは複数の絶縁層は、絶縁特性を有し、そして本質的に導電性がないまたは非常に低い導電性であるはずである。１つまたは複数の半導電層には、例えば導電特性を有するフィラーを使用することにより半導電性を与えることができる。

絶縁材料は、電気の抵抗である。絶縁材料の導電率は、電場の強度に応じて、例えば、２０℃で約１＊１０^−８から約１＊１０^−２０Ｓ／ｍ、典型的には１＊１０^−９から１＊１０^−１６Ｓ／ｍであってもよい。

半導電性材料は、導体の導電率よりも低いが絶縁体ではない電気伝導度を有する。半導電性材料の導電率は、約１０または１０^２Ｓ／ｍに至るまでなどの、典型的には２０℃で１０^−５Ｓ／ｍよりも大きくてもよい。典型的には、導電率は、２０℃で約１０^３Ｓ／ｍよりも小さい。

導電率により、電気を伝送する特性を意味する。導電性材料の導電率は、２０℃で約１０^３Ｓ／ｍよりも大きい。基本的に、上限がないが、実際的な解では上限は、２０℃で約１０^８Ｓ／ｍである。

遮水性テープなどの遮水性材料は、電力ケーブルにおいて長手の水密性を与え、ケーブルを保護している層が損傷を受けるようになるケースでは、遮水性テープが水と接触して膨潤し、ケーブルの長手方向での水の漏れを防止し、その結果ケーブルの損傷を受ける部分を最小にすることができることを意味している。上記テープの目的は、可能性のある水を吸収し、そして水のさらなる漏れを回避することである。水の存在は、運用中のケーブルにとって有害であるはずである。

遮水性材料は、一般的に、吸水性の無機または有機材料を含む。好ましくは、遮水性材料は、水膨潤性およびやはり吸湿性であり、遮水性材料が空気から水を吸収できることを意味する。このような材料は、例えば、自重の約５００％に至るまでなどのそれ自体の質量に対して相対的に大量の液体を吸収しかつ保持でき、９９．９％液体に至るまでになるポリマである超吸収剤ポリマ（ＳＡＰ）であってもよい、すなわちＳＡＰ材料は水膨潤性である。塩分のある条件では、吸収能力は低下し、ＳＡＰ自重の約５０％に至るまでであり得る。このような吸水性材料が水を吸収すると、吸水性材料は、粘性ゲルになるであろう。このゲルは、そのときにはケーブル中へのより多くの水の侵入を阻止するであろう。

吸水剤材料を、例えば粉末として与えることができる。吸水剤粉末を、撚線にした導体の隙間へと直接付けることができる、または吸水剤粉末を、撚糸もしくはテープによって導体に含ませることができ、撚線にした導体の隙間に設置することができる。例えば、撚糸を、導体撚線の方向に長手に設置することができる、または撚糸を、１つまたは複数の導体撚線の周りに巻き付けることができる。あるいは、導体を、ＳＡＰなどの吸水性材料を含むテープの形態で遮水性材料により取り囲むことができる。テープは、例えば、ポリエステルおよび／もしくはポリアクリレートを含んでいる不織材料または任意の他の適した不活性不織材料などのキャリア材料の１つまたは複数の層をさらに含むことができる。遮水性テープの配置に応じて、遮水性テープは、半導電特性または絶縁特性を持つことができる。市販されているいくつかのタイプの遮水性テープがある。

内側バリア層および／または外側バリア層は、拡散阻害層として配置される。拡散によって、１つの基体からもう１つへ、例えば、遮水性材料、例えば遮水性テープから絶縁システムへのそれ自体のランダム運動による原子、イオンまたは分子の伝達を意味している。可動化学物質によって、基体から、例えばこのケースでは遮水性材料または遮水性テープから拡散することが可能であるケミカル（イオンまたは分子）を意味している。バリア層は、拡散を阻害する、これはバリア層が、例えば遮水性材料から絶縁システムへの可動化学物質の拡散を防止する機能を持つことを意味している。イオンまたは分子がバリア層を通って進むことを防止するために十分である物質の密度または緻密度により、上記の機能を与えることができる。このような物質を、例えばポリマ層、セラミック層および／または金属層、例えば積層体に含まれる金属層とすることができる。金属層を、例えばアルミニウム層または銅層とすることができる。このような金属層の厚さを、約１μｍから約１０ｍｍに至るまでとすることができる。たとえより薄い層またはより厚い層であっても可能であるが、実際的な理由で厚さを、バリア材料が製造プロセスにおいて依然として取り扱い易いようにすべきである。金属層は、拡散層として適正に機能することが見出されてきている。また、金属層は導電性の特性を有し、これにより金属層は電気電力ケーブル内での使用に適している。しかしながら、ポリマ材料層またはセラミック材料層が異なる基体の間での所望の化学物質の拡散を防止する機能をやはり有する限り、ポリマ材料層またはセラミック材料層をバリア層として使用してもよい。ポリマ材料を、ポリアミド、例えば商業的に知られているナイロン、ポリエステルなどのニートポリマに基づくもの、紙もしくはボール紙などのセルロース系の製品、またはポリマブレンドとすることができる。非金属バリアのケースでは、ポリマ材料またはセラミック材料は、材料に導電性を与えるおよび／またはバリアの拡散阻止特性を改善するように密にする添加剤を好ましくは含む。１つまたは複数の金属層および上に説明したような１つもしくは複数のポリマ材料を含んでいる１つまたは複数のポリマ層を含む積層体は、やはり拡散阻害層として使用可能であってもよい。バリア層は、好ましくは、導電性テープまたはアルミニウム積層体などの金属積層体を備えるまたはから構成される。

絶縁システムは、絶縁層によって外に向かって半径方向に取り囲まれた内側半導電層を備える。絶縁層は、外側半導電層によって外に向かって半径方向に取り囲まれる。絶縁システムの層は、ポリマ材料およびふさわしくはポリプロピレンなどのポリオレフィン系および／またはポリエチレン系であるベースポリマを含む。層のポリマ材料が、半導電層および絶縁層を形成するために押し出し成形されて、導体を取り囲む。半導電層では、導電性のフィラーまたは添加剤が、層に半導電性を与えるために使用され、絶縁層では、導電性のフィラーを使用しないまたは絶縁層に導電性を与えない少量だけが使用される。導電性の粒子を、金属導電性のフィラー粒子またはカーボンブラックなどの任意の種類のものとすることができる。粒子の含有量は、半導電層の全重量に基づき、例えば重量で１０から４０％の間で変わることがある。やはり高温でのカーボンブラックの安定性のために、カーボンブラックがしばしば使用される。

ベースポリマは、やはり昇温した温度での硬化処理手順中に通常架橋されて、ポリマに十分な機械的強度を与える。ベースポリマ用の架橋剤を、過酸化物系の架橋剤、シラン系の架橋剤もしくはアゾ化合物などの、ポリエチレンポリマまたは、ポリエチレンポリマの共重合体とともに使用するために適している任意の架橋剤とすることができる。架橋形成をやはり、照射により実行することができる。架橋剤の量を、ベースポリマの重量に基づいて、重量で０．１〜２．０％とすることができ、十分な架橋形成を確実にする。押し出し成形および架橋形成の後で、ケーブルは、通常熱処理され、これは、ケーブル絶縁システムから架橋副生成物の部位を除去するのに役立つ。

絶縁システムでは、半導電層および絶縁層のポリマ材料またはベースポリマは、ポリオレフィン系のポリマそして好ましくはポリエチレン系のポリマを含むまたはから構成され、これを、低密度ポリエチレン、超低密度ポリエチレン、リニア低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンおよび超高密度ポリエチレンまたはこれらの混合物から選択することができる。好ましくは、ポリエチレンポリマは、低密度ポリエチレンである。ポリマ材料は、効果的な絶縁特性を実現しながら比較的熱的に安定な絶縁システムを与える。また、ポリエチレンは、ポリプロピレンなどの他のオレフィン系のポリマよりも柔らかくかつより柔軟な材料である。絶縁システムのすべての層内のベースポリマは、好ましくは同じであり、その結果製作プロセスを容易に制御することができる。このようにして、異なるフィラーおよび添加剤だけを加える必要があり、ベースポリマそれ自体を必ずしも変更する必要がない。

異なる添加剤およびフィラーを、ベースポリマに加えることができ、所望の特性をポリマ材料に与える。添加剤を、例えば、抗酸化剤、造核剤、無機フィラー、架橋剤、２，４，６トリアリルシアヌレートなどの架橋促進剤、スコーチ遅延剤および難燃剤などの安定剤とすることができる。安定剤、特に抗酸化剤は、酸化の負の効果を防止する。

導体および絶縁システムを、さらなる材料または材料の層により取り囲むことができる。さらなる材料および層は、異なるケーブル部品を一緒に保持すること、機械的強度をケーブルに与えることおよびフィジカルならびにケミカルアタック、例えば腐食に対してケーブルを保護することなどの様々な仕事を持つことができる。このような材料および層は、当業者には通例知られている。例えば、このようなさらなる材料は、外装、例えばスチールワイア、または被覆状のバリアを含むことができて、ケーブルのための保護または水バリアを提供する。

高電圧ＤＣ電力ケーブルでは、遮水性テープ（ＷＢＴ）などの遮水性材料を、ケーブルの導体内に、導体を覆ってそして外側半導電層を覆って付けることができる。上に述べたように、例えば遮水性テープから絶縁物中への可動化学物質の拡散が、絶縁物の電気ＤＣ伝導度を実質的に増加させることがあることを発見している。これは、ケーブルの品質および／または機能の邪魔になることがあり、それゆえこれらの効果を最小にすることが望ましい。これゆえ、最大の電圧レベルに達することができるように遮水性テープからの強い影響を最小にすることが非常に重要である。本発明によれば、拡散阻害層として機能している少なくとも第１の内側バリア層によって化学物質の拡散を最小にすることにより、効果が最小化される。第１の内側バリア層は、第１の内側遮水性材料と絶縁システムとの間に配置され、これによって、内側遮水性材料から絶縁システムへの拡散が阻害される。これは、ケーブルの製造中には特に有利である。絶縁システムは、導体を覆うように昇温した温度で押し出される。昇温した温度のために、遮水性材料からの化学物質の移動が増加する。先行技術の解決策では、遮水性テープは、内側半導電層と直接接触して配置されてきており、これにより化学物質が絶縁システムの中へと移動することを容易にしてきており、これにより絶縁システムの品質を劣化させる。拡散阻害層として機能しているバリア層のために、化学物質の移動が阻害され、したがって上記の物質の負の効果を本質的に減少させるまたは排除することができる。

内側遮水性材料と関連して類似の方法で、さらなる化学物質が、絶縁システムの外側半導電層を取り囲むように配置された外側遮水性材料から絶縁システムへと移動することが可能になってきている。本発明によれば、絶縁システムの外側遮水性材料と外側半導電層との間に配置された外側バリア層によって、絶縁システムは、外側遮水性材料から絶縁システムへの化学物質の移動または拡散から保護される。このようにして、絶縁システムを、内側拡散阻害層と外側拡散阻害層との間に封止することができ、したがって絶縁システムの電気的特性に影響を及ぼす有害なケミカルに対する最大の保護を提供することができる。発明の１つの変形形態では、内側拡散阻害層が、内側半導電層と接触し、そして外側拡散阻害層が、外側半導電層と接触し、これにより絶縁システムを封止し、そして効率的な方法で保護することができる。

本発明の実施形態によるケーブル設計を、ここで添付の図面を参照してさらに説明する。

図１は、本発明による電気ケーブル１の部分的に切断した側面図であり、図２は、電気ケーブル１の半径方向断面を示している。電気電力ケーブル１は、導体が単線であるケースでは任意選択である導体テープ４により取り囲まれた金属導体２、および同軸的にかつ導体２の外に向かって半径方向に導体を取り囲んでいる電気絶縁システム２０を備える。絶縁システム２０は、絶縁層１２によって外に向かって半径方向に取り囲まれた内側半導電層１０を備える。絶縁層１２は、外側半導電層１４によって外に向かって半径方向に取り囲まれている。内側半導電層１０および絶縁層１２が互いに接触し、その結果絶縁層１２および外側半導電層１４が互いに接触するように、内側半導電層１０、絶縁層１２および外側半導電層１４が好ましくは配置される。絶縁システム内に、１つ〜４つの絶縁層および２つ〜５つの半導電層などの、１つよりも多くの絶縁層があってもよく、２つ以上の半導電層があってもよい。電気電力ケーブル１は、外に向かって半径方向に導体２および遮水性テープ４を取り囲むように配置され、絶縁システム２０と導体２との間に配置され、内側遮水性材料６である第１の遮水性材料６をさらに備える。内側バリア層８である第１のバリア層８が、第１の内側遮水性材料６と絶縁システム２０との間に拡散阻害層として配置される。

図１および図２の実施形態では、電気電力ケーブルは、絶縁システム２０から外に向かって半径方向に配置され、第２の遮水性材料１８とも呼ばれる外側遮水性材料１８、および絶縁システム２０と外側遮水性材料１８との間に拡散阻害層として配置され、外側バリア層１６である第２のバリア層１６をさらに備える。このように、第１の内側バリア層８および第２の外側バリア層１６は、絶縁システム２０を封止する。

図１および図２の電気電力ケーブルは、外側被覆１９により取り囲まれている。

好ましくは、内側遮水性材料６および外側遮水性材料１８は、遮水性テープを含む。遮水性テープが導体テープ４および／または外側半導電層１４と接触して設置されるので、遮水性テープは、半導電特性を持つはずであり、水膨潤性材料を含む。

図３および図４には、本発明によるさらなるケーブル設計を示している。図３は、本発明の実施形態による電気ケーブル１の部分的に切断した側面図であり、図４は、電気ケーブル１の半径方向断面を示している。電気電力ケーブル１は、金属導体２を備え、そして同軸的にかつ導体２の外に向かって半径方向に導体を取り囲んでいる電気絶縁システム２０が示されている。導体２は、いくつかの撚線５（１つだけを指し示している、図４）を備える。絶縁システム２０は、絶縁層１２によって外に向かって半径方向に取り囲まれた内側半導電層１０を備え、そして絶縁層１２は、第２の外側半導電層１４によって外に向かって半径方向に取り囲まれている。電気電力ケーブル１は、導体２内に配置された内側遮水性材料３をさらに備える。遮水性材料は、撚糸３の形態であり、導体２内の撚線５の間に組み込まれており、撚糸３が、導体の撚線５と同じ方向、すなわち主に長手方向に布設される。ケーブル１は、絶縁システム２０から外に向かって半径方向に配置された外側遮水性材料１８をさらに備える。導体テープ４が、内側遮水性材料３と絶縁システム２０との間に拡散阻害層として配置される。導体２は、導体テープ４と直接接触し、導体テープ４によって外に向かって半径方向に取り囲まれている。外側バリア層１６が、絶縁システム２０と外側遮水性材料１８との間に拡散阻害層として配置される。

撚糸の形態である代わりに、第１の内側遮水性材料３は、粉末として導体内に配置された吸水剤粉末の形態であってもよい、または粉末は、粉末を含んでいるテープにより導体内に含まれてもよい。

図３および図４の実施形態では、導体テープ４は、拡散阻害層として機能する第１のバリア層を構成する。

図５および図６には、本発明のさらなる実施形態が示されている。基本的に、導体２は、図３および図４に示した導体２に類似している。図５および図６には、金属導体２および同軸的にかつ導体２の外に向かって半径方向に導体を取り囲んでいる電気絶縁システム２０を備えている電気電力ケーブル１が示されている。導体２は、いくつかの撚線５（１つだけを指し示している、図６）を備える。撚糸３は、ＳＡＰなどの吸水剤材料を含み、撚糸３は、導体の撚線５と同じ方向に、すなわち主に長手方向に布設される。この実施形態ではしかしながら、第１の内側遮水性材料は、外に向かって半径方向に導体２を取り囲む遮水性テープ６をさらに備える。導体テープ４は、導体と遮水性テープ６との間で外に向かって半径方向に導体２を取り囲むように配置される。遮水性テープ６は、絶縁システム２０に向かって拡散阻害層として機能する内側バリア層８によって外に向かって半径方向に取り囲まれる。さらに、絶縁システム２０は、絶縁層１２によって外に向かって半径方向に取り囲まれた内側半導電層１０を備え、絶縁層１２は、第２の外側半導電層１４によって外に向かって半径方向に取り囲まれる。ケーブル１は、絶縁システム２０から外に向かって半径方向に配置された外側遮水性材料１８をさらに備える。外側バリア層１６は、絶縁システム２０と外側遮水性材料１８との間に拡散阻害層として配置される。

図３〜図６の電気電力ケーブル１は、外側被覆１９により取り囲まれている。

電気電力ケーブルを製造するためのプロセスが、図７に発明の１つの実施形態にしたがって図説されている。電気電力ケーブルの製作のためのプロセスは：
ｉ）吸水剤材料３を任意選択で含んでいる導体２を用意するステップと、
ｉｉ）導体が撚線であるケースでは外に向かって半径方向に導体２を取り囲むように導体テープ４を付けるステップと、導体が単線であるケースでは外に向かって半径方向に導体２を取り囲むように導体テープ４を任意選択で付けるステップと、
ｉｉｉ）導体２が導体テープにより取り囲まれていないケースでは外に向かって半径方向に導体２を取り囲むように遮水性テープ６を付けるステップと、導体が導体テープ４により取り囲まれているケースでは外に向かって半径方向に導体２を取り囲むように遮水性テープ６を任意選択で付けるステップと、
ｉｖ）遮水性テープ６がステップｉｉｉ）で付けられているケースでは、遮水性テープ６の外に向かって半径方向に拡散阻害層として内側バリア層８を付けるステップと、
ｖ）外に向かって半径方向に導体を取り囲むようにベースポリマを含んでいる内側半導電層１０を押し出し成形するステップと、
ｖｉ）内側半導電層１０と接触するようにかつ外に向かって半径方向に内側半導電層を取り囲むようにベースポリマを含んでいる絶縁層１２を押し出し成形するステップと、
ｖｉｉ）絶縁層１２と接触するようにかつ外に向かって半径方向に絶縁層を取り囲むようにベースポリマを含んでいる外側半導電層１４を押し出し成形するステップと、
ｖｉｉｉ）外側半導電層１４の外に向かって半径方向に拡散阻害層として外側バリア層１６を付けるステップと、
ｉｘ）外に向かって半径方向に外側金属層１６を取り囲むように外側遮水性材料１８を付けるステップと
を含む。

ポリマは、好ましくはポリエチレン系のポリマを含む。架橋剤を、押し出し成形に先立ってポリエチレン系のベースポリマに添加することができ、例えば約１５０〜３５０℃の昇温した温度での硬化処理手順中の架橋形成を可能にする。

押し出し成形を、利用可能な普通の押し出し成形技術のうちのいずれかを使用することによって実行することができ、この技術は当業者にはよく知られており、本明細書において詳細には説明しない。押し出し成形するステップを、同時にまたは順に実行することができる。プロセスの制御を容易にするために、押し出し成形するステップは、好ましくは同時に実行される。

プロセスは、架橋副生成物を除去するためにケーブルを熱処理しかつ脱ガスするステップをさらに含むことができる。熱処理することおよび脱ガスすることを、必要と思われるときには製作プロセス中に実行することができる。熱処理することを、炉の中でまたはこの分野において知られておりかつ当業者には明白な任意の他の技術を使用することにより実行することができる。このようにして、副生成物の量を減少させることができる。

本ケーブル設計の効果を、ここで下記の付記した実施例でやはりさらに図説する。

電気的に伝導性の導体テープは、高電圧ケーブル内の内側半導電層の直ぐ下方に多くの場合に付けられて、落ち込みを最小にする、すなわち、半導電性材料が、ケーブル押し出し成形中に撚線にした導体にされ、ケーブルの導電性部品と絶縁性部品との間に平らでない界面をもたらす。この導体テープが遮水性テープから来る物質に対する拡散バリアとして作用し、結果として絶縁物のより低いＤＣ導電率をもたらすことが現在は分かっている。これは、絶縁材料、半導電性材料、導体テープおよび遮水性テープから構成されている多層プラーク試料を使用して実験により証明されている。物質の移動は、ＤＣ導電率測定に先立つ１３０℃での３時間の熱処理中に起きる。

使用した方法の説明：
材料：
絶縁層：Ｂｏｒｅａｌｉｓからの架橋型ポリエチレン（ＸＬＰＥ）ＬＳ４２５８ＤＣＥ。半導電層：Ｂｏｒｅａｌｉｓからの架橋型半導電性のポリエチレン（ＸＬＰＥ）ＬＥ０５５０ＤＣ。
遮水性テープ（ＷＢＴ）：Ｌａｎｔｏｒの半導電性の不織耐久性海中遮水性テープ３Ｃ１１７４（「黒色」）
導体テープ：カーボンブラックを含んでいるＳｃａｐａからの導電性のナイロン−アクリルテープ（ＳＣ２４／２００）。

処理手順：
・ＬＳ４２５８ＤＣＥを用いた１ｍｍ厚の絶縁プラークおよびＬＥ０５５０ＤＣを用いた０．５ｍｍ厚の半導電性のプラークを下記のプレス加工プログラムにしたがってプレス加工した。
・半導電性のプラークを、２４時間７０℃で普通の炉の中で脱ガスした。
・下記のリストにしたがって、異なる層を有するサンドイッチ構造物（サンドイッチ）を、下記のプレス加工プログラムにしたがって普通のポリマプレス機を使用して３時間１３０℃でプレス加工した。

サンドイッチ内の絶縁性層の電気ＤＣ伝導度を、７０℃および３０ｋＶ／ｍｍで測定した。上記測定を存在するサンドイッチのすべての層で行った。高電圧源を、上側電極に接続して、試験試料、すなわちサンドイッチの全体にわたり電圧を印加した。試料を通り得られた電流を、電位計／ピコ電流計で測定した。測定セルは、一定の湿度レベルを維持するために乾燥圧縮空気を循環させた加熱炉に設置した真鍮電極を有する３電極システムであった。測定電極の直径は、１００ｍｍであった。電極の丸い端部からのフラッシュオーバを避けるために予防策を行った。２３時間継続する全体の実験を通して、プラークを通る電流を記録した。２２時間と２３時間との間の平均電流を、試験試料の導電率を計算するために使用した。

ポリマプラークを製作するためのプレス加工プログラム：
０．５ｍｍ半導電性のプラークおよび１ｍｍ絶縁性プラークを、プレス成形によりペレットから用意した。第１のステージでは、プラークを、６００ｓの間１３０℃の温度で０．７０ＭＰａでプレス加工した。その後で、圧力を、２．５８ＭＰａに増加した、同時に温度を高め、２４０ｓ後に１８０℃に達した。温度を、その後１０００ｓの間１８０℃で一定に保った、この間に、プラークは、試験ポリマ組成物中に存在する過酸化物により完全に架橋するようになった。最後に、温度をその後、３５℃の温度に達するまで冷却速度１５℃／ｍｉｎを使用して低くし、そして圧力をその後開放した。マイラ離型フィルムが、プレス加工動作中にペレットと金属プレートとの間に存在した。

サンドイッチを、互いの上に個々の層を置くことにより、そして次いでプレス機で一緒にプレス加工したことにより用意した。第１のステージでは、サンドイッチを、３００ｓの間１３０℃の温度で０．２４ＭＰａでプレス加工した。その後で、圧力を、２．４４ＭＰａに増加したが、温度を変えなかった。温度および圧力を、その後１０１００ｓの間一定に保った。最後に、温度をその後、３５℃の温度に達するまで冷却速度１５℃／ｍｉｎを使用して低くし、そして圧力をその後開放した。テフロン離型フィルムが、プレス加工動作中にサンドイッチと金属プレートとの間に存在した。

異なる構成を有する試料の導電率測定の結果：

表１
サンドイッチ構成 導電率
LS4258DCE+LE0550DC+WBT Lantor 3C1174(黒色) 565 fS/m
LS4258DCE+LE0550DC+導体テープ+WBT Lantor 3C1174(黒色) 205 fS/m
LS4258DCE+LE0550DC+導体テープ 100 fS/m

中間バリア層（このケースでは導体テープ）の導入が絶縁物（ＬＳ４２５８ＤＣＥ）の導電率についてのＷＢＴの効果を低下させることを、結果は示している。

Claims (20)

1. 金属導体（２）と、同軸的にかつ前記導体（２）の外に向かって半径方向に前記導体（２）を取り囲んでいる電気絶縁システム（２０）とを備える電気電力ケーブル（１）であって、前記絶縁システム（２０）が、絶縁層（１２）によって外に向かって半径方向に取り囲まれた内側半導電層（１０）を備え、前記絶縁層が、外側半導電層（１４）によって外に向かって半径方向に取り囲まれ、前記電気電力ケーブルが、前記導体内におよび／または外に向かって半径方向に前記導体を取り囲むように配置された内側遮水性材料（６）と、前記絶縁システム（２０）から外に向かって半径方向に配置された外側遮水性材料（１８）とをさらに備える、電気電力ケーブル（１）において、内側バリア層（８）が、前記内側遮水性材料（６）と前記絶縁システム（２０）との間に拡散阻害層として配置され、外側バリア層（１６）が、前記絶縁システム（２０）と前記外側遮水性材料（１８）との間に拡散阻害層として配置されることを特徴とする、電気電力ケーブル（１）。
2. 前記内側バリア層（８）および前記外側バリア層（１６）が、前記絶縁システム（２０）を封止するように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の電気電力ケーブル（１）。
3. 前記内側遮水性材料（６）および／または前記外側遮水性材料（１８）が、遮水性テープを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の電気電力ケーブル。
4. 前記遮水性テープが、半導電特性を有し、かつ水膨潤性材料を含むことを特徴とする、請求項３に記載の電気電力ケーブル。
5. 前記導体（２）が、撚線であり、前記内側遮水性材料が、粉末として前記導体に配置された、または撚糸（３）もしくはテープにより前記導体に含まれた吸水剤粉末を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の電気電力ケーブル。
6. 前記導体（２）が、導体テープ（４）と直接接触し、前記導体テープ（４）によって外に向かって半径方向に取り囲まれていることを特徴とする、請求項５に記載の電気電力ケーブル。
7. 前記導体テープが、拡散阻害層として機能する前記内側バリア層を構成することを特徴とする、請求項６に記載の電気電力ケーブル。
8. 前記内側遮水性材料が、外に向かって半径方向に前記導体（２）を取り囲む遮水性テープ（６）をさらに含み、前記遮水性テープが、拡散阻害層として機能する前記内側バリア層（８）によって外に向かって半径方向に取り囲まれていることを特徴とする、請求項５または６に記載の電気電力ケーブル。
9. 前記内側バリア層（８）および／または前記外側バリア層（１６）が、導体テープまたは金属積層体を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気電力ケーブル。
10. 前記内側半導電層（１０）、前記絶縁層（１２）および前記外側半導電層（１４）が、ポリエチレン系のベースポリマを含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の電気電力ケーブル。
11. 前記ポリエチレン系のベースポリマが、架橋されることを特徴とする、請求項１０に記載の電気電力ケーブル。
12. 前記ケーブルが、高電圧直流ケーブル（１）であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気電力ケーブル。
13. 前記電気電力ケーブル（１）が、海底ケーブルであることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気電力ケーブル。
14. 電気電力ケーブル（１）を製作するためのプロセスであって、
    ｉ）吸水剤材料（３）を任意選択で含む導体（２）を用意するステップと、
    ｉｉ）前記導体が撚線であるケースでは外に向かって半径方向に前記導体（２）を取り囲むように導体テープ（４）を付けるステップと、前記導体が単線であるケースでは外に向かって半径方向に前記導体（２）を取り囲むように導体テープ（４）を任意選択で付けるステップと、
    ｉｉｉ）前記導体（２）が導体テープにより取り囲まれていないケースでは外に向かって半径方向に前記導体（２）を取り囲むように遮水性テープ（６）を付けるステップと、前記導体が導体テープ（４）により取り囲まれているケースでは外に向かって半径方向に前記導体（２）を取り囲むように遮水性テープ（６）を任意選択で付けるステップと、
    ｉｖ）遮水性テープ（６）がステップｉｉｉ）で付けられているケースでは、前記遮水性テープ（６）の外に向かって半径方向に拡散阻害層として内側バリア層（８）を付けるステップと、
    ｖ）外に向かって半径方向に前記導体を取り囲むようにベースポリマを含んでいる内側半導電層（１０）を押し出し成形するステップと、
    ｖｉ）前記内側半導電層（１０）と接触するように、かつ外に向かって半径方向に前記内側半導電層を取り囲むようにベースポリマを含んでいる絶縁層（１２）を押し出し成形するステップと、
    ｖｉｉ）前記絶縁層（１２）と接触するように、かつ外に向かって半径方向に前記絶縁層を取り囲むようにベースポリマを含んでいる外側半導電層（１４）を押し出し成形するステップと、
    ｖｉｉｉ）前記外側半導電層（１４）の外に向かって半径方向に拡散阻害層として外側バリア層（１６）を付けるステップと、
    ｉｘ）外に向かって半径方向に前記外側金属層（１６）を取り囲むように外側遮水性材料（１８）を付けるステップと
    を含む、プロセス。
15. 前記ベースポリマが、ポリエチレン系のポリマを含む、またはポリエチレン系のポリマから構成される、請求項１４に記載のプロセス。
16. 架橋剤が、押し出し成形に先立って前記ポリエチレン系のベースポリマに添加される、請求項１４または１５に記載のプロセス。
17. 前記押し出し成形するステップｖ）〜ｖｉｉ）が、同時にまたは順に実行される、請求項１４から１６のいずれか一項に記載のプロセス。
18. 前記プロセスが、１５０〜３５０℃の硬化温度で硬化させるステップをさらに含む、請求項１４から１７のいずれか一項に記載のプロセス。
19. 前記プロセスが、硬化させるステップの後で、前記ケーブルを熱処理しかつ脱ガスするさらなるステップを含む、請求項１８に記載のプロセス。
20. 前記外側遮水性材料（１８）が、遮水性テープである、請求項１４から１９のいずれか一項に記載のプロセス。
    

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