JP3803162B2

JP3803162B2 - 直流高粘度油浸電力ケーブル

Info

Publication number: JP3803162B2
Application number: JP08699297A
Authority: JP
Inventors: 浩一飯沼; 享高橋; 裕之宮田; 昭太郎吉田; 武憲中島
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2017-04-04
Also published as: JPH10283852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主に長尺海底電力ケーブル等に好適に用いられ、高粘度の絶縁油を含浸した非加圧タイプの直流高粘度油浸電力ケーブルに関し、特に絶縁破壊強度に優れ、かつ製造性の良好な直流高粘度油浸電力ケーブルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、海底ケーブルなどに適用される超高圧直流送電用のケーブルとしては、導体上に絶縁紙を巻回しこれに高粘度の絶縁油を含浸した非油加圧タイプの油浸絶縁ケーブル、いわゆるＭＩＮＤ（ＭａｓｓＩｍｐｒｅｇｎａｔｅｄＮｏｎＤｒａｉｎｉｎｇ）ケーブルが多く用いられている。これは、直流送電ケーブルを海底ケーブルなどの条長が長いものとして用いる場合、低粘度の絶縁油を含浸した油加圧タイプの油浸絶縁ケーブルでは油圧の伝播が不十分となり油圧が不足し、ケーブルの特性が低下するためである。
【０００３】
このような油浸絶縁ケーブルでは、直流絶縁特性を向上させるために、絶縁紙としてポリプロピレンなどの無極性プラスチックフィルムにクラフト紙を貼り合わせたプラスチックラミネート紙（以下、単にラミネート紙ということがある）を用いることが多い。これは、ラミネート紙においてプラスチックフィルム層の絶縁抵抗がクラフト紙層の絶縁抵抗よりかなり大きいことから、絶縁破壊の弱点となる油隙（オイルギャップ）、即ち油浸絶縁体を構成する絶縁紙同士の隙間と接するクラフト紙層の電圧分担を低減し、ケーブルの絶縁特性を向上させることができるためである。
【０００４】
しかしながら、上記油浸絶縁ケーブルは、非油加圧タイプであるため、絶縁油が完全に含浸されている状態において良好な直流破壊特性を示すものの、ヒートサイクルが加わると、温度上昇時に絶縁層に含浸されている絶縁油が熱膨張により外側に押し出され、温度下降時には押し出された絶縁油が完全に元に戻りきらず、冷却収縮に基づく脱油ボイド（気泡）が油浸絶縁体中に生成し、その結果、部分放電が発生しやすくなり、直流破壊特性が低下してしまうことがある。
【０００５】
この問題を解決するための構造を有する直流高粘度油浸電力ケーブルとしては、本出願人によってすでに特許出願された特願平８−２５０６８６に開示された直流高粘度油浸電力ケーブルがある。このケーブルは、ラミネート紙を多数回巻回し、これに高粘度絶縁油を含浸した油浸絶縁体を有し、上記ラミネート紙の一部または全部に厚さ４０〜１００μｍのものを用いたものである。
このケーブルにあっては、ラミネート紙として厚さが４０〜１００μｍと薄いものを用いたので、油浸絶縁体中の油隙の体積が小さいものとなり、ヒートサイクルが加わってもこの油隙に脱油ボイドが形成されにくくなり、仮に形成されたとしても極めて微少なものとなる。このため、脱油ボイドに起因する絶縁破壊特性の低下は極めて微かなものとなり、ヒートサイクルが加わっても、高い絶縁耐力を有するものとなる。
このようなケーブルを製造する際には、ラミネート紙を導体上に直接または遮蔽層を介して多数回巻回し、真空乾燥した後、これに絶縁油を含浸するようにする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のケーブルにあっては、次のような問題があった。上記ケーブルに用いられるラミネート紙は厚さが４０〜１００μｍと薄いものであるため、所定の厚さの油浸絶縁体を形成するのに必要な紙巻きの枚数が多くなり、ケーブル製造時において紙巻き工程に長時間を要し、絶縁油含浸の際の絶縁油の通路となる油隙が長いものとなるためラミネート紙に絶縁油を含浸する工程や真空乾燥に要する時間も長くなり、生産性が低い問題があった。
【０００７】
ところで、上記ケーブルに通電すると、油浸絶縁体の内側部分の電位傾度が高くなり、この部分の電圧分担ストレスが増大する。
また、長時間の通電によって導体が発熱すると、油浸絶縁体に、内側部分がより高温になる温度勾配が生じ、高温となった内側部分の体積抵抗率が低下し、その結果、油浸絶縁体の内側部分では絶縁抵抗が小さく、外側部分では絶縁抵抗が大きくなることがある。直流ケーブルにおいて絶縁体の電圧分担は体積抵抗率で分担されるため、油浸絶縁体中に温度勾配が生じた場合には、絶縁抵抗の大きい絶縁体外側部分における電圧分担ストレスが増大する。
【０００８】
このように、油浸絶縁体の内側および／または外側部分における電位傾度が高まる電位分布の変歪が生じた場合には、上記部分の電圧分担ストレスが過大となり、ケーブルの直流破壊特性が低下する不都合があった。
このことは、ＤＤＢ（ドデシルベンゼン）などの低粘度油を用いたケーブルにおいても生じる問題であるが、特に、高粘度油を含浸した非加圧タイプのケーブルにおいて大きな問題となる。これは、高粘度油を用いたケーブルでは高粘度油がケーブル内で移動しにくいため、ヒートサイクルが加わったときに油浸絶縁体内で温度勾配が生じやすいためである。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、絶縁破壊強度に優れ、かつ製造性の良好な直流高粘度油浸電力ケーブルを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる課題は、プラスチックフィルムにクラフト紙を貼り合わせてなる厚みが異なる複数種のプラスチックラミネート紙を巻回し、これに高粘度絶縁油を含浸した高粘度油浸絶縁体を有する非加圧タイプの直流高粘度油浸電力ケーブルであって、前記高粘度油浸絶縁体の最内側および／または最外側部分に、厚み４０〜１００μｍのプラスチックラミネート紙からなる層を設け、該層以外の部分のうち少なくとも一部を厚み１００μｍ以上のプラスチックラミネート紙からなるものとした直流高粘度油浸電力ケーブルによって解決される。上記高粘度油浸絶縁体は、低プラスチック分率、好ましくは３０〜５０％のプラスチックラミネート紙からなる第１の層と、該第１の層より外側に設けられ、高プラスチック分率、好ましくは５０〜７０％のプラスチックラミネート紙からなる第２の層とを有する２層以上の構造を有するものとするのが好ましい。また、第２の層より外側に、該第２の層を成すプラスチックラミネート紙より低いプラスチック分率、好ましくは３０〜５０％のプラスチックラミネート紙からなる第３の層を設けるのがさらに好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１および図２は、本発明の直流高粘度油浸電力ケーブル（以下、単にケーブルということがある）の一例を示すものである。ここに示すケーブルは、導体１上に、カーボン紙巻回層２、クラフト紙巻回層３を設け、この上に、プラスチックラミネート紙４を多数回巻回し、これに高粘度絶縁油を含浸した高粘度油浸絶縁体（以下、単に油浸絶縁体または絶縁体ということがある）５を設け、さらに、カーボン紙巻回層６、銅テープなどからなる金属遮蔽層７、およびポリエチレン、ポリプロピレンなどからなるシース８を順次形成したものである。
【００１１】
油浸絶縁体５を構成するラミネート紙４としては、プラスチックフィルムの両面もしくは片面にクラフト紙を貼り合わせたものが用いられる。プラスチックフィルムとしては、ポリプロピレン、ポリ−４−メチルペンテン−１、ポリブテン−１、ポリエチレンなどの無極性ポリオレフィンやテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ素ポリマーからなるものが用いられ、これらの中でも、メルトフローレイト（ＭＦＲ）が５〜５０ｇ／分のポリプロピレンホモポリマーからなるフィルムが絶縁特性、接着性の点で好ましい。なお、ポリプロピレンの誘電率は、約２．２であることが知られている。
以下、プラスチックラミネート紙４として、ポリプロピレンフィルムを有するポリプロピレンラミネート紙を用いた場合を例として説明する。
【００１２】
ポリプロピレンラミネート紙４を構成するクラフト紙としては、厚みが１０〜３０μｍ程度のものが用いられ、誘電特性が良好な脱イオン水洗低損失紙が望ましく、水浸液導電率（ＪＩＳ−Ｃ−２１１１による）が１５μＳ／ｃｍ以下の程度の低導電性のものが特に好ましい。
また、プラスチックフィルムとの接着性を高めるために、高密度でかつ高気密度の層と、低密度でかつ低気密度の層とからなる二重クラフト紙を用い、低密度でかつ低気密度の層をプラスチックフィルムに貼り合わせることが望ましい。
さらに、高粘度絶縁油の含浸速度を高めるために、クラフト紙の表面に多数の溝やエンボスを形成したものを用いるのが好ましい。また、クラフト紙の誘電率は、上記ポリプロピレンの誘電率より高く、約３．５であることが知られている。
【００１３】
このポリプロピレンラミネート紙４は、幅方向に隣接するポリプロピレンラミネート紙４の間にわずかの隙間、即ち巻回間隔４ａをおいた突き合わせ巻きにより巻回されており、この巻回間隔４ａ，４ａ，・・・は、ラミネート紙に絶縁油が含浸する際の通路となる油隙となっている。
ラミネート紙４は、完全に突き合わせて間隔を０ｍｍとして巻回してもよく、さらにはラップ巻きとしてもよいが、巻回間隔４ａが小さすぎると絶縁油の含浸に時間がかかることを考慮し、この間隔４ａは０．３〜３ｍｍ程度とするのが実用的である。
【００１４】
この例の直流高粘度油浸電力ケーブルの油浸絶縁体には、次に示すようにε−グレーディングが施されている。即ち、油浸絶縁体５が３つの層９、１０、１１からなるものとされ、互いに隣接する層をなすラミネート紙同士のポリプロピレン分率（以下、ＰＰ分率という）が互いに異なるようにされている。このＰＰ分率とは、ラミネート紙全体の厚みに対するポリプロピレンフィルムの厚みの割合をこれらの重量から換算して求めた値である。
【００１５】
これら３つの層のうち第１の層である内層９をなすラミネート紙のＰＰ分率は、導体に流れる電流や油浸絶縁体５の外径などに合わせて適宜設定されるが、比較的低い値、例えば３０〜５０％とするのが好ましい。
第２の層である中間層１０をなすラミネート紙のＰＰ分率は、内層９を構成するラミネート紙のＰＰ分率より高く設定され、好ましくは５０〜７０％とされる。
第３の層である外層１１をなすラミネート紙のＰＰ分率は、中間層１０を構成するラミネート紙のＰＰ分率より低く設定され、好ましくは３０〜５０％とされる。上記層９、１０、１１をなすラミネート紙のＰＰ分率が上記範囲外である場合には、油浸絶縁体５内の電位分布の変歪が形成され易くなり、絶縁破壊が起きやすくなる。
上記３つの層からなる油浸絶縁体３の厚みは、１〜２５ｍｍとするのが好ましく、上記各層９、１０、１１の厚みは、それぞれ、０．３〜１５ｍｍとするのが好適である。
【００１６】
内層９の最内側部分、および外層１１の最外側部分は、厚みが４０〜１００μｍの薄いラミネート紙４からなる最内層９ａ、最外層１１ａとされている。最内層９ａ、最外層１１ａは、電圧分担ストレスが高くなりやすい油浸絶縁体５の最内側および最外側部分における油隙の体積を小さくし、この部分に脱油ボイドが形成されにくくなるようにし、油浸絶縁体の絶縁耐力を高めるためのものである。これら層９ａ、１１ａの厚みは、０．２〜１０ｍｍとするのが好ましい。上記最内層９ａ、最外層１１ａの全厚みが０．２ｍｍ未満であると、油浸絶縁体５内に脱油ボイドが形成され易くなりケーブルの絶縁特性が低下し、１０ｍｍを越えると、上述のようなケーブルの製造上の問題が生じる。
なお、最内層９ａ、最外層１１ａは、厚み４０〜１００μｍのクラフト紙からなるものとしてもよい。
【００１７】
また、ケーブル製造時における紙巻き工程に必要な時間を短縮し、ケーブルの製造性を高めるために、最内層９ａ、最外層１１ａ以外の部分の油浸絶縁体５のうち少なくとも一部には、厚みが１００μｍ以上、好ましくは１００〜２５０μｍのラミネート紙が用いられる。
【００１８】
カーボン紙巻回層２、６としては、カーボン紙を１〜１０枚程度巻回したものとしてよい。クラフト紙巻回層３としては、クラフト紙を厚み０．３〜２ｍｍとなるよう巻回し、高粘度絶縁油を含浸してなるものとしてよい。ここで用いられるクラフト紙としては、厚み４０〜１００μｍのものを用いると、電圧分担ストレスが高くなりやすい最内側部分に脱油ボイドが形成されにくくすることができるため好ましい。
なお、本発明の直流高粘度油浸電力ケーブルでは、油浸絶縁体５の外周側にも、高粘度絶縁油が含浸された厚さ０．３〜２ｍｍ程度のクラフト紙巻回層を設けてよい。この層に用いられるクラフト紙としても、厚み４０〜１００μｍのものを用いると、電圧分担ストレスが高くなりやすい最外側部分に脱油ボイドが形成されにくくすることができるため好ましい。
【００１９】
本発明で使用される高粘度絶縁油としては、その動粘度が３０℃で５００センチストークス以上、１００℃で２０センチストークス以上のものを用いるのが好適であり、ポリブテンやナフテン系鉱油などの重質鉱油、あるいは低粘度鉱油にワックス、レジン、ゴムなどを溶解したものが使用可能である。
【００２０】
上記ケーブルを製造する際には、ラミネート紙４を、カーボン紙巻回層２、クラフト紙巻回層３を介して導体１上に多数回巻回し、真空乾燥した後、これに高粘度絶縁油を含浸する。高粘度絶縁油を油浸絶縁体に含浸する際には、これを１００〜１３０℃に加温して低粘度化して行うことが望ましい。
【００２１】
上記構成の直流高粘度油浸電力ケーブルに通電すると、油浸絶縁体の最内側部分が高電界となり、この部分の電圧分担ストレスが増すが、この最内側部分には、厚さ４０〜１００μｍの薄いラミネート紙４からなる最内層９ａが形成されているため、この層９ａにおける油隙の体積が小さくなり、ヒートサイクルが加わっても油隙に脱油ボイドが形成されにくくなる。
【００２２】
また、通電による導体１の発熱によって、油浸絶縁体５の内側部分が高温となり、その体積抵抗率が低下すると、外側部分の体積抵抗率が相対的に高くなり、この部分の電圧分担ストレスが増すことがあるが、この場合においても、最外側部分に厚さ４０〜１００μｍの薄いラミネート紙４からなる最外層１１ａが形成されているため、この部分に脱油ボイドが形成されにくくなる。
【００２３】
上記構成の直流高粘度油浸電力ケーブルにあっては、油浸絶縁体５の最内層９ａ、最外層１１ａ以外の部分のうち少なくとも一部を厚み１００μｍ以上のラミネート紙からなるものとしたので、所定厚さの油浸絶縁体５を構成するために必要なラミネート紙４の紙巻枚数を少なくし、ケーブル製造時に紙巻き工程に要する時間を短縮することができる。また同時に、油隙長を短くし、ケーブル製造時における真空乾燥、絶縁油含浸を速やかに行わせ、これらの工程に要する時間を短縮することができる。従って、効率的なケーブル製造が可能となる。
【００２４】
さらには、油浸絶縁体５の最内層９ａおよび最外層１１ａを厚さ４０〜１００μｍの薄いラミネート紙４で形成したので、高い電圧分担ストレスが加わりやすい絶縁体の内側および外側部分における油隙４ａの体積を小さいものとし、ヒートサイクルが加わっても油隙４ａに脱油ボイドが形成されにくくし、仮に形成されたとしてもきわめて微少なものとすることができる。このため、脱油ボイドに起因する絶縁破壊特性の低下を極めて微かなものとし、ヒートサイクルが加わった場合でも優れた絶縁特性を有するものとすることができる。
【００２５】
また、上記構成のケーブルでは、油浸絶縁体５が、比較的低いＰＰ分率のラミネート紙からなる内層９と、比較的高いＰＰ分率のラミネート紙からなる中間層１０とを有するものとされている。ポリプロピレンの誘電率はクラフト紙の誘電率に比べて低いため、上記ケーブルにあっては、低ＰＰ分率の内層９の誘電率が比較的高くなる。このため、導体１に通電した状態においても内層９における電位傾度を低く保ち、油浸絶縁体５内の電位分布をケーブル径方向に均一化することができる。従って、油浸絶縁体５内の電圧分担ストレスの偏りを抑え、ケーブルの直流破壊特性をさらに高めることができる。
【００２６】
また、中間層１０の外側に、中間層１０のラミネート紙のＰＰ分率より低いＰＰ分率のラミネート紙からなる外層１１を設けることによって、通電によって導体１が発熱し、油浸絶縁体５に温度勾配が生じた場合においても油浸絶縁体５の外側部分の電位傾度を低く保ち、油浸絶縁体５内の電圧分担ストレスの偏りを抑え、ケーブルの直流破壊特性をより一層向上させることができる。
【００２７】
なお、上記構成のケーブルでは、油浸絶縁体を３つの層からなるものとしたが、本発明の直流高粘度油浸電力ケーブルはこれに限らず、４つ以上の層からなるものとしてもよい。
また、本発明の直流高粘度油浸電力ケーブルは、油浸絶縁体を、内側から外側にかけて漸次ＰＰ分率が高くなるような複数の層からなるものとしてもよい。この場合には、最も内側の層をＰＰ分率が３０〜５０％のラミネート紙からなるものとし、最も外側の層をＰＰ分率が５０〜７０％のラミネート紙からなるものとするのが望ましい。
【００２８】
【実施例】
セグメンタル導体（断面積２０００ｍｍ²）上に、２枚のカーボン紙、および３枚のクラフト紙を巻き付け、この上に、厚みまたはＰＰ分率が異なる複数種のポリプロピレンラミネート紙（ＰＰラミネート紙）を巻回間隔が２ｍｍとなるように巻回し、さらに、３枚のクラフト紙を巻き付けて全厚み２１ｍｍの絶縁体とし、この上に２枚のカーボン紙を巻回し、これを温度１２０℃の条件下で真空乾燥した後、１２０℃に加温したナフテン系鉱油Ｔ２０１５（商品名、ダセックキャンベル社製）を含浸し油浸絶縁体として、ケーブルを製造した（実施例１〜３）。また、ＰＰ分率が一定のポリプロピレンラミネート紙からなる絶縁体を有するケーブルを製造した（比較例１〜５）。
【００２９】
次いで、これら実施例および比較例のケーブルに、油浸絶縁体内に脱油ボイドが形成されやすくなるように室温〜６０℃のヒートサイクルを３回加えた後、これらケーブルの負極性直流破壊電圧を測定した。また、各ケーブル製造時の真空乾燥に要した時間、および絶縁油を含浸するのに要した時間を測定した。これら乾燥時間、含浸時間を測定する際には、吸収電流、および静電容量の測定値が飽和に達したときを乾燥、含浸の完了と見なした。
このケーブルに用いたポリプロピレンラミネート紙の厚み、ＰＰ分率、巻回厚み、および上記ケーブルの負極性直流破壊電圧の測定結果、製造時の真空乾燥に要した時間、および絶縁油含浸に要した時間を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１に示すように、ε−グレーディングが施された油浸絶縁体を有する実施例１〜３の電力ケーブルは、比較例１〜４のものに比べ、直流破壊電圧が優れていることがわかる。また、油浸絶縁体を構成するラミネート紙のうち最も厚いものの厚みが１２０μｍまたは１２５μｍである実施例１〜３のケーブルは、厚み１００μｍ以下のラミネート紙のみからなる油浸絶縁体を有する比較例４、５のものに比べ、ケーブル製造時の真空乾燥工程、含浸工程に要した時間が短く、短時間での製造が可能となったことがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の直流高粘度油浸電力ケーブルにあっては、油浸絶縁体の最内側および／または最外側部分に、厚み４０〜１００μｍのプラスチックラミネート紙からなる層を設け、該層以外の部分のうち少なくとも一部を厚み１００μｍ以上のプラスチックラミネート紙からなるものとしたので、ケーブル製造時の紙巻き工程、絶縁油含浸工程、および真空乾燥工程に要する時間を短縮し、効率的なケーブル製造を可能とすることができる。
また、高い電圧分担ストレスが加わりやすい絶縁体の内側および／または外側部分において脱油ボイドが形成されにくくし、ヒートサイクルが加わった場合でも優れた絶縁特性を有するものとすることができる。
【００３３】
また、油浸絶縁体を、低プラスチック分率のプラスチックラミネート紙からなる第１の層と、第１の層より外側に設けられた高プラスチック分率のプラスチックラミネート紙からなる第２の層とを有する２層以上の構造を有するものとすることによって、油浸絶縁体内の電位分布を均一化し、ケーブルの直流破壊特性の一層の向上を図ることができる。
【００３４】
また、第２の層より外側に、該第２の層をなすプラスチックラミネート紙より低いプラスチック分率のプラスチックラミネート紙からなる第３の層を設けることによって、油浸絶縁体に温度勾配が生じた場合においても油浸絶縁体内の電圧分担ストレスの偏りを抑え、ケーブルの直流破壊特性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の直流高粘度油浸電力ケーブルの一例を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す直流高粘度油浸電力ケーブルの要部拡大図である。
【符号の説明】
１・・・導体、４・・・プラスチックラミネート紙、５・・・油浸絶縁体、
９・・・内層（第１の層）、１０・・・中間層（第２の層）、
１１・・・外層（第３の層）９ａ・・・最内層、１１ａ・・・最外層

Claims

プラスチックフィルムにクラフト紙を貼り合わせてなる厚みが異なる複数種のプラスチックラミネート紙を巻回し、これに高粘度絶縁油を含浸した高粘度油浸絶縁体を有する非加圧タイプの直流高粘度油浸電力ケーブルであって、
前記高粘度油浸絶縁体の最内側および／または最外側部分に、厚み４０〜１００μｍのプラスチックラミネート紙からなる層を設け、該層以外の部分のうち少なくとも一部を厚み１００μｍ以上のプラスチックラミネート紙からなるものとしたことを特徴とする直流高粘度油浸電力ケーブル。
請求項１記載の直流高粘度油浸電力ケーブルにおいて、高粘度油浸絶縁体を、低プラスチック分率のプラスチックラミネート紙からなる第１の層と、該第１の層より外側に設けられ、高プラスチック分率のプラスチックラミネート紙からなる第２の層とを有する２層以上の構造を有するものとしたことを特徴とする直流高粘度油浸電力ケーブル。
請求項２記載の直流高粘度油浸電力ケーブルにおいて、第２の層より外側に、該第２の層をなすプラスチックラミネート紙より低いプラスチック分率のプラスチックラミネート紙からなる第３の層を設けたことを特徴とする直流高粘度油浸電力ケーブル。
請求項２または３記載の直流高粘度油浸電力ケーブルにおいて、第１の層をなすプラスチックラミネート紙のプラスチック分率を３０〜５０％とし、第２の層をなすプラスチックラミネート紙のプラスチック分率を５０〜７０％としたことを特徴とする直流高粘度油浸電力ケーブル。
請求項３または４記載の直流高粘度油浸電力ケーブルにおいて、第３の層をなすプラスチックラミネート紙のプラスチック分率を３０〜５０％としたことを特徴とする直流高粘度油浸電力ケーブル。