JP3874862B2

JP3874862B2 - 直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル

Info

Publication number: JP3874862B2
Application number: JP32194796A
Authority: JP
Inventors: 綾子横山; 裕之宮田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2016-12-02
Also published as: JPH10162651A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流特性（直流破壊電圧）を向上させた直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの一例の断面図を示したものである。
銅線などの素線２を複数本撚り合わせた導体４上に順次、エチレン−酢酸ビニル共重合体などからなる内部半電導層６、ポリエチレンをジクルミパーオキサイド（以下、ＤＣＰと記す）などの架橋剤によって架橋させた架橋ポリエチレンからなる絶縁層８、前記内部半電導層６と同様の材料からなる外部半導電層１０、銅テープなどからなる金属遮蔽層１２、塩化ビニル樹脂から形成されたシース（被覆層）１４が設けられて、この架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルが構成されている。
この架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルにおいて、前記導体４は陰極、金属遮蔽層１２は陽極として働くようになっている。
【０００３】
近年、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、ＯＦケーブルのように給油の必要がなく、取扱いが簡便なため広く用いられており、交流用としては５００ｋＶ級のものが開発されている。
一方直流用としては、高電圧、大容量のＯＦケーブルが開発され、実用段階にまできているが、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは直流破壊電圧が低く、高電圧、大容量、例えば２５０ｋＶ以上の直流用電力ケーブルとしては十分な信頼性、安全性が得られないために実用化されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、直流特性（直流破壊電圧）を向上させた直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、結晶化度３０〜４０のポリエチレン１００重量部に対し、０．１〜０．８重量部の導電性添加剤が混合され、架橋された架橋ポリエチレンからなる絶縁層を有する直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルによって解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルにおいて、直流破壊電圧が低下する原因のひとつとして空間電荷の蓄積があげられる。
すなわち、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層に直流電圧を印加すると、電極からの電荷注入、双極子の反転、イオン性不純物の解離などにより電荷（空間電荷）が生じ、蓄積する。このときの絶縁層に蓄積する空間電荷の分布は、電極（陽極および陰極）近傍に各々の電極と逆極性の電荷が蓄積するヘテロ空間電荷分布であるので、絶縁層の内部電界が変歪され、陽極および陰極との両界面付近の内部電界が強調されて絶縁破壊がおこりやすくなるのである。
【０００７】
本発明者らの検討によれば少量のカーボンブラック、酸化金属などの導電性添加剤を添加したポリエチレンを架橋させてなる絶縁層を有する架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、直流破壊電圧、空間電荷特性が向上することが確認されている。このときインパルス破壊電圧と体積抵抗率値はやや低下するが、総合的に、直流用としては従来の架橋ポリエチレンからなるものよりも優れた特性を有する架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルが得られる。
導電性添加剤は、架橋ポリエチレン中の架橋剤、老化防止剤の分解残渣などのイオン性不純物を吸着し、直流電圧が印加されてもイオン性不純物が解離して空間電荷が発生しないようにする働きをし、このため空間電荷の蓄積を抑制することができるものである。
【０００８】
また、さらなる検討の結果、導電性添加剤の分散性が架橋ポリエチレンの直流特性に大きな影響をおよぼすことがわかった。これは分散性が向上することによって、架橋ポリエチレン全体に導電性添加剤が均等にいきわたり、多くのイオン性不純物が吸着されるようになるためである。
そこで、この分散性が向上するような条件について種々検討した結果、結晶部分の全質量がポリエチレン全体の質量に占める割合を表す結晶化度の小さいポリエチレンを用いた場合に導電性添加剤の分散性が良好となることを見いだした。
【０００９】
すなわち、ポリエチレンは結晶性高分子であるので、無定形部分の中に多数の結晶化した小さな結晶部分（クリスタリット）が分散した微細構造となっている。
したがって、ポリエチレンに粉末状の添加剤を加えた場合、添加剤はポリエチレンの無定形部分中において、結晶部分相互の間に入り込むようにして分散する。したがって、結晶化度が小さい程無定型部分の割合が大きく、添加剤などが分散しやすくなるのである。
【００１０】
従来、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層は、密度０．９２ｇ／ｃｃ程度、結晶化度３０〜４０程度の低密度ポリエチレンから構成される場合がおおい。
これに対して本発明においては、ＤＳＣによって得られた測定値である結晶化度が４０以下、好ましくは３５以下、実質的には３０〜４０のポリエチレンを用いる。
３０未満であることはポリエチレンの構造から難しく、また、インパルス破壊電圧が低下し、４０をこえると直流特性向上効果が得られない。
【００１１】
ポリエチレンはその製造方法、コモノマーの含有量や種類などによって分子構造が異なるため、密度と結晶化度が一慨に比例関係にあるわけではないが、通常、低密度である程結晶化度が小さくなる傾向を示す。したがって、本発明に用いられるポリエチレンの密度は、例えば０．８９５〜０．９１５ｇ／ｃｃの超低密度である。
【００１２】
このように結晶化度が小さいポリエチレンにカーボンブラックなどの導電性添加剤を混合すると、ポリエチレンの無定形部分において十分に導電性添加剤が分散する。
また、このような結晶化度の小さいポリエチレンは、結晶が成長しにくい条件下で製造されたものであるので、ひとつひとつの結晶成分の大きさは通常の低密度ポリエチレンよりも小さいと考えられる。すなわち、小さい結晶部分の相互の間に導電性添加剤が入り込むことになるので、より均等に導電性添加剤が分散される。
【００１３】
導電性添加剤としては、カーボンブラック、酸化金属などが用いられる。
カーボンブラックは特に限定されないが、ファーネス系カーボンブラックなどが好ましい。
酸化金属としては、酸化マグネシウムなどが用いられる。
【００１４】
導電性添加剤の添加量は、イオン性不純物の吸着特性によって若干変化し、またこのとき必要なインパルス破壊電圧と体積抵抗率とが得られるように考慮する必要があるが、通常ポリエチレン１００重量部に対して０．１〜０．８重量部、好ましくは０．１〜０．５重量部が目安とされる。０．１重量部未満であると添加効果が得られず、０．８重量部をこえると必要なインパルス破壊電圧と体積抵抗率が得られないことがある。
【００１５】
また、十分な分散性を確保するためには、導電性添加剤の平均粒径は１０〜１００ｍμｍ、好ましくは１９〜８０ｍμｍとされる。１０ｍμｍ未満であると凝集性が大きくなり、１００ｍμｍをこえると分散性が低下する。
【００１６】
本発明の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、絶縁層を構成する材料以外は従来の架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルと同様の構造とすることができる。
以下図１を利用して本発明の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの一例について説明する。
この直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、素線２を複数本撚り合わせた導体４上に順次、内部半電導層６、絶縁層８、外部半導電層１０、金属遮蔽層１２、シース１４が設けられて構成されている。
この実施例の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルを構成する導体４の導体面積は８００〜３０００mm²とされ、絶縁層８の厚さは２０〜２５mmとされる。また、この直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの外径は１００mm程度とされる。
【００１７】
前記絶縁層８は、例えば上述のベースとなるポリエチレンと導電性添加剤に係る条件を満足するように、低結晶化度のポリエチレンに、導電性添加剤が添加、混合され、さらに酸化防止剤などの老化防止剤、ＤＣＰなどの架橋剤が添加、混合された材料が架橋されてなる架橋ポリエチレンから構成されている。
【００１８】
以下に、上述の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの製法の例について、手順を追って説明する。
最初に、導体４となる素線２を複数本撚り合わせて導体４とする。
この導体４上に、内部半導電層６となる未硬化のエチレン−酢酸ビニル共重合体などからなる半導電性組成物と、絶縁層８となる上述の低結晶化度のポリエチレンを主成分とする材料および外部半導電層１０となる前記内部半電導層６と同様の半導電性組成物とを、３層押出被覆により被覆し、ついでこれを架橋装置に導き、前記絶縁層８の主材料である低結晶化度のポリエチレンを架橋させ、内部半電導層６、絶縁層８および外部半導電層１０を形成する。
以下、常法により、この外部半導電層１０上に金属遮蔽層１２とシース１４を形成して直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルとする。
【００１９】
このような直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルにあっては、結晶度の小さいポリエチレンから絶縁層８が構成されているので、導電性添加剤の分散性が向上し、より多くのイオン性不純物が吸着されやすくなり、空間電荷の蓄積がおこりにくく、直流特性（直流破壊電圧）が向上する。このため、例えば５００ｋＶ以上の高電圧用の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルとして用いることが可能となる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例を示して詳しく説明する。
（実施例１、比較例１、２）
図１に示した構造の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルを製造した。
このとき、表１に示した３種類の材料を用いてそれぞれの直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層８を構成した。
この直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、試験用として実際のサイズよりも小さく形成し、導体面積：６０mm²、絶縁層８の厚さ：３mm、外径：１５mmであった。
【００２１】
【表１】

【００２２】
このような架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルを５サンプルずつ用い、外導表面温度一定で、ＪＩＳＣ３００５にしたがって直流破壊電圧を測定し、１ｋｖ／１分ステップアップの条件で、インパルス破壊電圧を測定した。
また、外導表面温度９０℃で３０ｋｖ／ｍｍの電圧を１５分間印加した際の体積抵抗率を測定した。
結果を表２に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
（実施例２、比較例３、４）
表１に示した実施例１、比較例１、２の架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層材料と同様の材料を用いて架橋ポリエチレンからなる外径１１０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板状のシートを作成した。
ついで、この表裏に直径３０ｍｍのアルミ電極を蒸着し、外導表面温度一定で、パルス静電応力法により、２０ｍｍ／ｋｖの電圧を１時間印加した際の接地前と接地後の空間電荷密度を測定した。
実施例１、比較例１、２の絶縁層材料は、実施例２、比較例３、４にぞれぞれ対応している。
この実施例２、比較例３、４の結果をそれぞれ図２〜４に示す。
図中実線ａ、ｂ、ｃは、それぞれ実施例２、比較例３、４のシートの接地前の測定結果を示すもので、破線ａ’、ｂ’、ｃ’は、それぞれ実施例２、比較例３、４のシートの接地後の測定結果を示すものである。
【００２５】
表２よりカーボンブラックを添加することによって直流破壊電圧が向上し、さらに結晶化度の小さいポリエチレンを用いることによって、より直流破壊電圧が向上することが明らかである。
また、インパルス破壊電圧は、カーボンブラックを添加することによってやや低下するが、結晶化度の小さいポリエチレンを用いることによって、通常の低密度ポリエチレンにカーボンブラックを添加したものよりも、インパルス破壊電圧が向上することがわかる。
また、体積抵抗率は、カーボンブラックを添加することによってやや低下するが、結晶化度の小さいポリエチレンを用いた場合は通常の低密度ポリエチレンにカーボンブラックを添加したものと同等の値が得られている。
【００２６】
また、図２〜４より、空間電荷の蓄積（ヘテロ空間電荷分布）は、通常の低密度ポリエチレンを用いた場合と比較して、カーボンブラックを添加することによって減少し、さらに結晶化度の小さいポリエチレンを用いることによって、より空間電荷の蓄積が抑制されることが明らかである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルにあっては、導電性添加剤が混合された結晶度の小さいポリエチレンから絶縁層が構成されているので、絶縁層中の導電性添加剤の分散性が良好で、結果として良好な直流特性が得られるものである。このため、大容量、高電圧用の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルとして用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの正断面図である。
【図２】実施例２（低結晶化度のポリエチレンにカーボンブラックを添加した場合）の電荷密度の測定結果である。
【図３】比較例３（通常の結晶化度のポリエチレンにカーボンブラックを添加した場合）の電荷密度の測定結果である。
【図４】比較例４（通常の結晶化度のポリエチレンにカーボンブラックを添加しなかった場合）の電荷密度の測定結果である。
【符号の説明】
８・・・絶縁層

Claims

結晶化度３０〜４０のポリエチレン１００重量部に対し、０．１〜０．８重量部の導電性添加剤が混合され、架橋された架橋ポリエチレンからなる絶縁層を有することを特徴とする直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル。