JP2022012991A

JP2022012991A - 耐火ケーブル

Info

Publication number: JP2022012991A
Application number: JP2020115205A
Authority: JP
Inventors: 康平川内; Kohei Kawauchi; 享子本棒; Michiko Honbo; 弘志庄司; Hiroshi Shoji
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: JP7377775B2

Abstract

【課題】従来よりも耐火性を向上させた、３時間の耐火試験に耐えることのできる原子力発電所用の耐火ケーブルを提供する。【解決手段】耐火ケーブル１０は、線芯５は、導体１と、導体１の外周に位置する耐火層２と、耐火層２の外周に位置する絶縁体３と、を備え、耐火層２は、有機材料、耐熱性を有する第１無機材料、および絶縁性の第２無機材料を有し、耐火層２における有機材料の含有量が、０．５質量％以上１０質量％以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、高耐火特性を備えた耐火ケーブルに関する。

長時間の耐火試験に耐えることのできる高耐火特性を備えた耐火ケーブルの一例として、特許文献１には、導体、耐火層、絶縁層および難燃性シースから構成される耐火ケーブルの耐火層を、アルミナクロスと集成マイカなどの他の耐火材との複合絶縁テープにより構成することが記載されている。

特開２０００－３３１５４６号公報

原子力施設では、火災時の安全対策として、一定の時間、火災時の高温に耐え、かつ、自己が延焼しない状態で必要な設備へ電力を供給することのできる耐火ケーブルが必要となっている。

従来の耐火ケーブルは、例えば、ガラスクロス、ポリエステルテープ等の裏打ち材で裏打ちされたマイカテープを導体上に巻き付け、これにより形成された耐火層の上に絶縁層と難燃性シースを順に形成した構造が広く使用されている。

しかし、この構造の耐火ケーブルは、ＪＩＳ－Ａ１３０４に準拠した３０分耐火試験レベルの耐火性のものがほとんどであり、原子力発電所において必要とされる３時間の耐火試験をクリアすることは難しい、との課題がある。

特に、３０分と３時間での耐火試験を比べると、前者の最高温度が８４０℃程度であるのに対し、後者の最高温度はケーブル表面で約１１００℃にもなり、ポリエチレン等の絶縁層は蒸し焼き状態を経て炭化してしまい、その結果、絶縁抵抗は大幅に低下することになる。

従来技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。この特許文献１では、１時間の耐火試験に耐えることのできる耐火ケーブルとして、アルミナクロスと他の耐火材との複合絶縁テープを耐火層の構成材料として使用することが記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、１時間の耐火試験には耐えられるが、原子力発電所において必要とされる３時間の耐火試験では導体である銅が溶融してケーブルの強度が低下してしまう。加えて、絶縁抵抗が大きく低下するため、耐火性をより改善する必要がある。

本発明は、従来よりも耐火性を向上させた、３時間の耐火試験に耐えることのできる原子力発電所用の耐火ケーブルを提供する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、線芯を有する耐火ケーブルであって、前記線芯は、導体と、前記導体の外周に位置する耐火層と、前記耐火層の外周に位置する絶縁体と、を備え、前記耐火層は、有機材料、および無機材料を有し、前記耐火層における前記有機材料の含有量が、０．５質量％以上１０質量％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも耐火性を向上させ、３時間の耐火試験に耐えることができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態および実施例の説明により明らかにされる。

本実施形態の耐火ケーブルを模式的に示す図である。本発明の実施例１の耐火ケーブルでの絶縁抵抗測定の結果を示す図である。本発明の実施例２の耐火ケーブルでの絶縁抵抗測定の結果を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら本発明の耐火ケーブルの実施形態について図１乃至図３を用いて説明する。

最初に、耐火ケーブルの構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の耐火ケーブルを模式的に示す構造例の図である。

図１で示した耐火ケーブル１０は、２本分の線芯５と、介在物６、押さえ巻きテープ４、断熱層７、シース８とから構成される。

線芯５は、例えば銅などからなる導体１と、導体１の外周に位置する耐火層２と、耐火層２の外周に位置する絶縁体３と、絶縁体３の周囲に巻き付けられた押さえ巻きテープ４から成る。この線芯５が２本、相互に擦り合わせられている。

介在物６は、相互に捻り併せられた２本の線芯５の周囲にポリエチレン等からなる押さえ巻きテープ４により被せられており、例えばガラスマイカなどの絶縁物が用いられる。

断熱層７は、押さえ巻きテープ４により囲まれた介在物６を被覆するものであり、例えばアルミナなどの耐熱性の高い材料が用いられる。

難燃性シース８は、耐火ケーブル１０の最外周を形成する層であり、一般的な耐火用のケーブルの最外周層に用いられている材料であれば特に限定されない。

本発明では、耐火層２以外の構造、材料については特段限定はなく、耐火ケーブルに適した構造、材料を適宜用いることができる。

次いで、本発明の耐火ケーブル１０の最も特徴となる耐火層２の詳細について以下説明する。

耐火層２は、有機材料と、耐熱性を有する第１無機材料、および絶縁性の第２無機材料と、を有している。

このうち、有機材料は、第１無機材料および第２無機材料の粉末をシート状に成型するための接着剤として用いられるものであり、第１無機材料や第２無機材料との相性を考慮してその材質などを決定することができる。例えば、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂が好適に用いられるが、もちろんこれに限定されない。

また、耐火層２における有機材料の含有量は、０．５質量％以上１０質量％以下、さらに望ましくは１質量％以上５質量％以下である。

有機材料の含有量が０．５質量％よりも少ない場合、無機材料の粉末同士の接着力が弱くなり、シート状に成型することができない。さらに、望ましくは１質量％以上含有することが望ましい。これにより、シートの強度を高めることができる。

一方、有機材料の含有量が１０質量％を超える場合、耐火性能が損なわれるため、好ましくない。さらに望ましくは、５質量％以下である。

第１無機材料は、３時間の耐火試験時間後の耐火ケーブル１０の外表面温度が１１００℃まで到達することから、１０００℃でも機械強度を維持する、さらに望ましくは１２００℃以上でも機械強度を維持する耐熱性を有することが望ましい。機械強度は、引張強度で判断するものとする。引張強度については、室温時と耐火試験後とで同じ手法で評価すればよく、例えばＪＩＳなどの各種試験方法によって評価される。

引張強度が室温（２５℃）時の１／２以上で維持されることで、耐火ケーブル１０としての強度を維持できることから、耐火層２の引張強度が室温時の１／２に減少する温度は、少なくとも１０００℃、さらに望ましくは１２００℃が求められる。

このような第１無機材料としては、快削性セラミック（ＳｉＯ_２）、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３複合体、快削性セラミック：ＡｌＮ，ＢＮ複合体、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、安定化ジルコニア、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、サイアロン（Ｓｉ_３Ｎ_４にＡｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２を合成して得られる、チッ化珪素系のエンジニアリングセラミックス）、ホトベール（登録商標）（ガラス質をマトリックスに、フッ素金雲母・ジルコニア微結晶を均一に析出させたもの）、シェイパルＨｉＭｓｏｆｔ（登録商標）（ＡｌＮとＢＮとの複合体）、石英、バイコール（登録商標）（ホウケイ酸ガラスを分相させ、アルカリホウ酸分を溶出させることにより９６％までシリカ分を高めた）のうち少なくとも１種以上を含むものとすることができる。このような上記材料においても、上述した１０００℃でも機械強度を維持する、さらに望ましくは１２００℃以上でも機械強度を維持するものであることが望ましい。

第２無機材料は、５００℃における体積抵抗率が１［ＭΩ・ｍ］以上、さらに望ましくは１０００℃における体積抵抗率が１［ＭΩ・ｍ］以上であることが望ましい。

従来の耐火ケーブルの耐火層を構成する材料の体積抵抗率は、常温では１［ＭΩ・ｍ］以上であっても、温度の上昇と共に耐火層の体積抵抗率が低下し、３時間の耐火試験では絶縁性を維持することが困難となっていた。

そこで、本発明者らは耐火試験中の絶縁抵抗を測定した結果、体積抵抗率が５００℃で１［ＭΩ・ｍ］以上の無機物を用いることにより、ケーブルの絶縁低下を効果的に抑制できることを突きとめた。さらに好ましくは、１０００℃で１［ＭΩ・ｍ］以上の無機物を用いることにより、有機材料と第１無機材料で複合シートを作製した場合においても、絶縁抵抗の低下が大幅に抑制できる。

このような第２無機材料としては、アルミナ、サファイア、ムライト（酸化アルミニウムと二酸化ケイ素との化合物）、コージライト（ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２の三成分からなるセラミックス）、フォルステライト（ＭｇＯ－Ａｌ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系のセラミックスで２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４とも記す）のフォルステライト結晶から成る）、窒化ケイ素、窒化アルミ、窒化ホウ素、マセライト（フッ素金雲母）のうち少なくとも１種以上を含むものであることが望ましい。このような上記材料においても、上述した５００℃における体積抵抗率が１［ＭΩ・ｍ］以上、さらに望ましくは１０００℃における体積抵抗率が１［ＭΩ・ｍ］以上あるものであることが望ましい。

また、耐火層２中の第１無機材料と第２無機材料の比率は、１０～４０質量％：６０～９０質量％の範囲で合計で１００質量％となる、更には２０～３０質量％：７０～８０質量％の範囲で合計で１００質量％となることが望ましい。

第１無機材料の比率が１０質量％以上、より好適には２０質量％以上（すなわち、第２無機材料の比率が９０質量％以下、より好適には８０質量％以下）の範囲とすることで、機械強度を十分に保つことができる。また、第２無機材料の比率が６０％以上、より好適には７０質量％以下（すなわち、第１無機材料の比率が４０質量％以下、より好適には３０質量％以下）の範囲とすることで、３時間の耐火試験後の絶縁抵抗の低下を効果的に抑制できる。

これらの関係から、有機材料と第１無機材料、第２無機材料の最適な比率は、有機材料、第１無機材料、および第２無機材料の比率が０．５～１０質量％：９～４０質量％：５４～９０質量％の範囲で合計で１００質量％となる、より好適には、１．０～５．０質量％：１．０～２９．７質量％：６６．５～７９．２質量％の範囲で合計で１００質量％となることが望ましい。

このような組み合わせであると、耐火層２は３時間の耐火試験においても十分な絶縁抵抗と機械強度を維持することができる。

次に、本発明の実施例および比較例について図２および図３を参照して説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。

＜耐火試験＞
耐火試験は、消防法で定めた一般産業向け耐火ケーブルの国内耐火試験規格ＪＣＳ７５０３：２００９「ケーブル耐火試験方法」、及び米国耐火試験規（ＩＥＥＥ１８４４、ＵＬ２１９６）に準拠して実施した。加熱炉はＪＣＳ７５０３：２００９に定めた大型加熱炉を使用した。

＜判定試験＞
（１）通電試験
通電試験はＪＩＳＣ３００５に規定の通電試験方法に準拠した。導体に１８Ａの直流電流を流し、ブザーを用いて断線の有無を確認した。判定基準は、加熱炉で３時間加熱した後に、ブザーが鳴り、通電を確認できればＯＫとした。

（２）絶縁耐力試験
絶縁耐力試験はＪＣＳ７５０３に規定の試験方法に準拠した。導体と対地間に周波数５０［Ｈｚ］または、６０［Ｈｚ］の正弦波に近い波形をもった規定の交流電圧を加え、規定時間耐えるかどうかを調べた。判定基準は、加熱炉で３時間の加熱中に、ＡＣ６００［Ｖ］に耐えることができればＯＫとした。

（３）絶縁抵抗測定
原子力発電工作物に係る電気設備の技術基準の解釈第１３条に規定される絶縁抵抗値に準拠した。絶縁抵抗計を用いてケーブルの導体と大地間の絶縁抵抗を測定した。判定基準は、加熱炉で３時間加熱した後に、絶縁抵抗値が０．４［ＭΩ］以上であればＯＫとした。

＜実施例１＞
耐火ケーブル１０の構造については以下の通りとした。導体１は銅線の表面にニッケルをメッキしたものを用いた。耐火層２は、第１無機材料としてバイコール、第２無機材料としてムライトを粉末の状態で１：９～４：６の比率となるように配合し、有機材料としてエポキシ樹脂を５質量％添加してシート状に成型した。これを導体１の周上に巻き付けた。

耐火層２の周上には水酸化マグネシウムを４０質量％添加したシリコーンゴムからなる絶縁体３を形成させた。その周囲には、ポリエチレン製の押さえ巻きテープ４を巻き付けた。この線芯５を相互に擦り合わせたのち、この上にガラスマイカの介在物６を被せ、さらに、ポリエチレン製の押さえ巻きテープ４と押さえ巻きテープ４を被覆するアルミナ製の断熱層７と最外周に難燃性シース８を形成させた。

図２に絶縁抵抗測定の結果を示す。この図２に示すように、第１無機材料と第２無機材料の比率は、１０～４０質量％：６０～９０質量％の範囲で合計で１００質量％となる、更には２０～３０質量％：７０～８０質量％の範囲で合計で１００質量％とすることで、より絶縁抵抗の低下が抑えられていることが分かった。

＜実施例２＞
実施例２には、耐火層２に第１無機材料として炭化ケイ素（緻密質）を、第２無機材料としてアルミナ（Ａ４８２Ｒ）を、質量％で１：９の比率で配合した無機材料を使用した。有機材料はポリエステル樹脂を０．５質量％以上１０質量％以下の範囲で添加した。図３に絶縁抵抗測定の結果を示す。この図３に示すように、有機材料の含有量は０．５質量％以上１０質量％以下、さらに望ましくは１質量％以上５質量％以下の範囲で絶縁抵抗の低下が抑えられていることが分かった。

＜実施例３＞
耐火層２の第１無機材料にはサイアロンを使用し、第１無機材料と第２無機材料を粉末の状態で２：８の比率となるように配合し、有機材料としてポリエステル樹脂を５質量％添加してシート状に成型した。

第２無機材料には、以下の表１に示すように、体積抵抗率が５００℃で１［ＭΩ・ｍ］以上である、アルミナ（Ａ４８２Ｒ、Ａ４５９、Ａ４７１、Ａ４７３、Ａ４８４、Ａ４７６、Ａ４７９、Ａ４７９Ｓ、Ａ４７９Ｍ・Ａ４７９Ｇ、Ａ４８０Ｓ、Ａ６０１Ｄ・Ａ６０１Ｌ）、サファイア（ＳＡ１００）、ムライト（ＭＬ６５２）、コージライト（ＣＯ２２０、ＣＯ７２０）、フォルステライト（Ｆ１１２０、Ｆ１０２３、ＦＣ１１２Ｍ）、窒化ケイ素（ＳＮ２０１Ｂ、ＳＮ２６０、ＳＮ２４０、ＳＮ２４１）、窒化アルミ（ＡＮ２１６Ａ、ＡＮ２０００）、窒化ホウ素（バインダーレス）、マセライト（フッ素金雲母）を使用した。

性能評価の結果を表１に示す。この表１に示すように、上述の評価試験結果が全ての項目でＯＫとなり、３時間の耐火試験においても求められる性能を満足することがわかった。

＜実施例４＞
表１には、実施例３に示した耐火層２の第２無機材料に代えて、体積抵抗率が５００℃で１［ＭΩ・ｍ］未満である、アルミナ（Ａ４４５）を使用したこと以外は実施例３と同様にして作製されたケーブルの評価試験結果も示した。

この表１に示すように、実施例４のケーブルでは３時間の耐火試験において求められる性能を満足できることはできるが、実施例３のような材料に比べて性能が低いことが明らかとなった。

＜実施例５＞
耐火層２の第２無機材料にマセライト（フッ素金雲母）を使用し、第１無機材料と第２無機材料を粉末の状態で２：８の比率となるように配合し、有機材料としてポリエステル樹脂を５質量％添加してシート状に成型した。

第１無機材料としては、以下の表２に示すように、快削性セラミック：ＳｉＯ_２＝４６％／ＭｇＯ＝１７％／Ａｌ_２Ｏ_３＝１６％、快削性セラミック：ＡｌＮ，ＢＮ複合体、ステアタイト：ＭｇＯ・ＳｉＯ_２、安定化ジルコニア（緻密質）、炭化ケイ素（緻密質）、酸化マグネシウム（緻密質）、サイアロン、ホトベールII、ホトベールII－Ｓ、Ｍ－ｓｏｆｔ、石英、バイコールを２０質量％配合した第１無機材料を使用した。

性能評価の結果を表２に示す。この表２に示すように、上述の評価試験結果が全ての項目でＯＫとなり、３時間の耐火試験においても求められる性能を満足することがわかった。

＜実施例６＞
表２には、更に実施例５に示した耐火層２の第１無機材料に代えて、１０００℃の引張強度が室温時の１／２に低下するガラスマイカを使用したこと以外は実施例５と同様にして作製されたケーブルの評価試験結果も示した。

この表２に示すように、実施例６のケーブルでは３時間の耐火試験において求められる性能を満足できることはできるが、実施例５のような材料に比べて性能が低いことが明らかとなった。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本実施例の線芯５を有する耐火ケーブル１０は、線芯５は、導体１と、導体１の外周に位置する耐火層２と、耐火層２の外周に位置する絶縁体３と、を備え、耐火層２は、有機材料、および無機材料を有し、耐火層２における有機材料の含有量が、０．５質量％以上１０質量％以下である。

このような構成によって、３時間の耐火試験に耐えられる高い耐火性を備えたケーブルが得られ、原子力発電所における火災時の安全性を高めるうえにおいて非常に有用なものとなる。

また、耐火層２は、有機材料の含有量が、１質量％以上５質量％以下であることによって、第１無機材料および第２無機材料をより効果的に成型することができる。

更に、第１無機材料は、１０００℃、更に好適には１２００℃以上における引張強度が室温時の１／２以上で維持される耐熱性を有することで、３時間の耐火試験後においてもケーブルとしての強度を十分に担保されたものとすることができる。

また、第２無機材料は、５００℃、更に好適には１０００℃における体積抵抗率が１［ＭΩ・ｍ］以上であることにより、３時間の耐火試験後においても絶縁性を十分に担保されたケーブルとなり、万が一火災事故環境下に晒された際にもその性能を十分に担保されたケーブルとすることができる。

更に、第１無機材料と第２無機材料との比率が、１０～４０質量％：６０～９０質量％の範囲、更に好適には、２０～３０質量％：７０～８０質量％の範囲で、合計で１００質量％となることで、ケーブルとしての機械的強度と絶縁性をより確実に担保することができる。

また、第２無機材料として、アルミナ、サファイア、ムライト、コージライト、フォルステライト、窒化ケイ素、窒化アルミ、窒化ホウ素、マセライト（フッ素金雲母）のうち少なくとも１種以上を含むことで、３時間の耐火試験後の機械強度の低下を飛躍的に抑制することができる。

また、第１無機材料として、快削性セラミック：ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３複合体、快削性セラミック：ＡｌＮ，ＢＮ複合体、ステアタイト：ＭｇＯ・ＳｉＯ_２、安定化ジルコニア、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、サイアロン、ホトベール、Ｍ－ｓｏｆｔ、石英、バイコールのうち少なくとも１種以上を含むことによっても、３時間の耐火試験後の機械強度の低下を飛躍的に抑制できる。

＜その他＞
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。

１…導体
２…耐火層
３…絶縁体
４…押さえ巻きテープ
５…線芯
６…介在物
７…断熱層
８…シース
１０…耐火ケーブル

Claims

線芯を有する耐火ケーブルであって、
前記線芯は、
導体と、
前記導体の外周に位置する耐火層と、
前記耐火層の外周に位置する絶縁体と、を備え、
前記耐火層は、有機材料、および無機材料を有し、
前記耐火層における前記有機材料の含有量が、０．５質量％以上１０質量％以下である
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項１に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記耐火層は、前記有機材料の含有量が、１質量％以上５質量％以下である
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項１に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記無機材料は、耐熱性を有する第１無機材料、および絶縁性の第２無機材料からなる
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項３に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記第１無機材料は、１０００℃における引張強度が室温時の１／２以上で維持される耐熱性を有する
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項４に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記第１無機材料は、１２００℃以上で引張強度が室温時の１／２以上で維持される耐熱性を有する
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項３に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記第２無機材料は、５００℃における体積抵抗率が１［ＭΩ・ｍ］以上である
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項６に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記第２無機材料は、１０００℃における体積抵抗率が１［ＭΩ・ｍ］以上である
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項３に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記第１無機材料と前記第２無機材料との比率が、１０～４０質量％：６０～９０質量％の範囲で、合計で１００質量％となる
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項８に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記第１無機材料と前記第２無機材料との比率が、２０～３０質量％：７０～８０質量％の範囲で、合計で１００質量％となる
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項３に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記有機材料、前記第１無機材料、および前記第２無機材料の比率が、０．５～１０質量％：９～４０質量％：５４～９０質量％の範囲で、合計で１００質量％となる
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項１０に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記有機材料、前記第１無機材料、および前記第２無機材料の比率が、１．０～５．０質量％：１９．０～２９．７質量％：６６．５～７９．２質量％の範囲で、合計で１００質量％となる
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項３に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記第２無機材料として、アルミナ、サファイア、ムライト、コージライト、フォルステライト、窒化ケイ素、窒化アルミ、窒化ホウ素、マセライト（フッ素金雲母）のうち少なくとも１種以上を含む
ことを特徴とする耐火ケーブル。
請求項３に記載の耐火ケーブルにおいて、
前記第１無機材料として、快削性セラミック：ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３複合体、快削性セラミック：ＡｌＮ，ＢＮ複合体、ステアタイト：ＭｇＯ・ＳｉＯ_２、安定化ジルコニア、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、サイアロン、ホトベール、Ｍ－ｓｏｆｔ、石英、バイコールのうち少なくとも１種以上を含む
ことを特徴とする耐火ケーブル。