JP4101120B2

JP4101120B2 - 固体絶縁ケーブルの試験方法

Info

Publication number: JP4101120B2
Application number: JP2003168096A
Authority: JP
Inventors: 秀郎田中; 悟丸山; 登石井
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Viscas Corp
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Viscas Corp
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2005003548A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は長尺の固体絶縁ケーブルの全長にわたる品質保証を行うための固体絶縁ケーブルの試験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、長尺の架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル等のような固体絶縁ケーブル（以下ケーブルと略称する）の品質を工場出荷時や現地竣工時に全長にわたり保証するための試験方法として、一般的にケーブルに所定電圧の直流電圧を所定時間印加して欠陥部を検出する直流耐圧試験方法が実施されてきた（例えば、特許文献１参照）。これは対象とするケーブルの静電容量が非常に大きいことによるものである。
【０００３】
ところで、固体絶縁によるケーブルの場合、直流電圧印加により、絶縁体中に空間電荷が蓄積させる現象の起きることが知られている。この空間電荷の蓄積現象は、例えば、ケーブルの欠陥部（絶縁体中の異物、ボイド、絶縁体と半導電層界面に存在する半導電層表面突起等）に生じた局所的電界が強調される部分に、同極性空間電荷（ホモ電荷）の注入、蓄積が起きて、その局所的電界の強調を緩和させる現象を引き起こし、欠陥部の検出能力を低下させる要因となる。
【０００４】
また、例えば、直流送電系統においては、潮流（送電方向）を反転させる極性反転運転、即ち、ケーブルの導体に印加される電圧の極性を反転させる運用方法があり、このような場合には、この極性反転によって数秒程度以内の極めて短い時間の内に、直流印加電圧の極性が逆転する。このとき、ケーブルの絶縁体中に注入、蓄積された空間電荷は瞬時に動くことが出来ず、極性反転前と同じ状態のままで前記欠陥部の近傍に残る。従って、欠陥部の電圧極性が反転していることにより、この空間電荷は異極性空間電荷（ヘテロ電荷）となって、前記欠陥部の電界をこれまでの緩和状態から著しい強調状態へと変化させることにより、絶縁破壊の前兆となる電気トリーの発生を促進させる作用をする。そこで、直流耐圧試験方法において、上記極性反転を利用した試験方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−７４９９９号公報（発明の詳細な説明の項の段落番号０００２）
【特許文献２】
特開２００３−２８９１３号公報（発明の詳細な説明の項の段落番号０００２乃至０００４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような試験方法では、極性反転による欠陥部からの絶縁破壊要因を十分に検出することが容易でなく、長尺のケーブルの全長にわたる品質保証を行うことが困難であった。一方、極性反転する交流電圧による試験方法が有効であることも知られているが、長尺のケーブルは静電容量が非常に大きいため、ケーブル全長にわたり交流電圧を印加することがコスト及び設備の面から困難であった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、比較的軽量、安価な試験設備を用いて長尺のケーブルの全長にわたる品質保証を容易に行うことができるようにしたケーブルの試験方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
長尺のケーブル、例えば、ケーブル長が２０００ｍ以上になるケーブルに直流電圧の極性反転を起こさせることは、試験設備として非常に強力なバックパワーを有する直流電圧発生装置を用いれば可能であるが、このような電圧発生源は実際の試験設備として実現させることが不可能である。即ち、通常の直流電圧発生装置では数秒以内に静電容量の大きなケーブルの直流印加電圧極性を反転させることが困難だからである。そこで、何等かの代替手法を検討する必要がある。
【０００９】
そこで発明者等は鋭意研究の結果、本発明を生み出すに至った。即ち、本発明においては、図１に示すように、第１ステップでケーブル１の一方端末部側１ａの高電圧部（導体）と接地（遮蔽層）間に試験設備の直流電圧発生装置２から所定電圧の直流電圧を印加した後、一方端末部側１ａの高電圧部と接地間を一方端末部側１ａの近傍に設けられた放電球ギャップ３を動作させて短絡させることにより直流印加電圧を裁断させる操作を実施した。これにより発生した裁断波がケーブル１の一方端末部側１ａから他方端末部側１ｂに向かって進行波として走り出す。この裁断波はケーブル１の他方端末部側１ｂに到達したときに開放端反射を起こして極性反転波が発生し、今度は一方端末部側１ａに向かって逆方向の進行波として走り始める。これにより、ケーブル１の他方端末部側１ｂには図２に示すような極性反転を伴う電圧波形が現れることになる。このとき、ケーブル１の中間部には、図３に示すような電圧波形が現れることになるが、これもまた極性反転を伴っていることがわかる。
【００１０】
ところで、前記一方端末部側１ａは高電圧部と接地間を短絡する短絡端であるため、このような極性反転波の発生が見られないことになる。このため、一方端末部側１ａに欠陥部が存在する場合には、それを検出することができず、検出漏れを起こす恐れがある。
【００１１】
そこで、かかる不都合を回避するために、本発明においては、第２ステップで前記第１ステップで実施した操作と同様な操作（印加電圧の大きさ、印加回数は第１ステップと異なる場合を含む）をケーブル１の前記一方端末部側１ａから他方端末部側１ｂに移して、その端末部側１ｂでも実施した。これにより、ケーブル１の全長にわたり極性反転波が印加されることになり、欠陥部（絶縁体中の異物、ボイド、絶縁体と半導電層界面に存在する半導電層表面突起等）を検出して絶縁破壊させるための電気トリーを誘発させることが可能になる。
【００１２】
一方、このような第１、第２ステップの操作で欠陥部から電気トリーを誘発させることが可能になるが、かかる極性反転を伴う進行波は、ケーブル１の持つ損失成分によって次第に減衰して波高値が小さくなる。即ち、電圧波形が過渡的な振動波に近い性質を持っているために、誘発された電気トリーが十分に伸びず、全路破壊を引き起こすことに中々つながらない。その対策として、このような短絡操作を繰り返し行うか、交流電圧の印加を行う方法が考えられるが、前者の方法はケーブル１に課電する回数が膨大なものとなり、試験に要する時間が長大なものとなる恐れがあって非現実的であり、後者の方法は前記したように長尺のケーブル１に適用することが困難である。
【００１３】
そこで、本発明においては、第３ステップで第１、第２ステップの操作を実施したケーブル１に所定の直流電圧を所定時間連続して印加する操作を実施した。これにより、欠陥部に一旦誘発された電気トリーを容易に進展させ、絶縁破壊させることが可能になる。
【００１４】
以上のように、本発明においては、前記第１ステップ乃至第３ステップにおける操作を実施してケーブルを試験することにより、比較的軽量、安価な試験設備を用いて長尺のケーブルの全長にわたる品質保証を容易に行うことができる。
【００１５】
なお、第３ステップで印加される直流電圧は、前記第１、第２ステップで直流印加電圧を裁断させる前にケーブル１に印加された直流電圧の１／３以上１／１以下の低い電圧で、ケーブル１の欠陥部に誘発された電気トリーをより効果的に進展破壊させることが可能になる。従って、第３ステップで印加する直流電圧をこのような範囲に設定することにより、より試験設備の容量が小さくなり、経済的に長尺のケーブルの品質保証を精度よく行うことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。先ず本発明の試験方法を実施するに先立ち、導体サイズ２２ｍｍ^２、厚さ３ｍｍの架橋ポリエチレンの絶縁体を有する長さ１０ｍのケーブルを２本試作した。欠陥部は２本ともケーブルの一方端末部側における外部半導電層に金属針を１ｍｍ突き刺して人工的に形成した。このような人工的に欠陥部を形成したケーブルに従来の交流及び直流による破壊試験を実施した。その結果は下記表１に示すとおりである。
【００１７】
【表１】

【００１８】
上記データは各条件毎に１本のケーブルを使用して試験することにより得られたものであり、実際には破壊試験を多数行うとばらつきを生じるが、これはおおむね±２０％程度となることが経験的に知られている。このデータをベースにして本発明の試験方法を実施した。
【００１９】
（１）図４に示すように、前記試作ケーブルと同じ導体サイズ２２ｍｍ^２、厚さ３ｍｍの架橋ポリエチレンの絶縁体を有するが、一連続長で３０００ｍのケーブル１１を１本試作し、その一方端末部側１１ａ（例えば、ドラム巻き始め端末側）と他方端末部側１１ｂ（例えば、巻き終わり端末側）がケーブルドラム１４から試験に必要な所定長引き出せるようにして、ケーブルドラム１４に巻き取った。そして、ケーブル１１の一方端末部側１１ａに、前記試作ケーブル（長さ１０ｍ）の場合と同じ条件で外部半導電層に金属針を１ｍｍ突き刺すことにより、欠陥部１１ｃを人工的に形成した。
【００２０】
次に、第１ステップでケーブル１１の一方端末部側１１ａの高電圧部（導体）と接地（遮蔽層）間に試験設備の直流電圧発生装置１２から直流電圧単独では破壊が起きない１４０ｋＶの直流電圧を印加した後、一方端末部側１１ａの高電圧部と接地間を一方端末部側１１ａの近傍に設けられた放電球ギャップ１３を動作させて短絡させることにより直流印加電圧を裁断させる操作を計１０回繰り返し実施した。この第１ステップの操作段階では、欠陥部１１ｃより絶縁破壊が生じなかった。その後、該ケーブル１１に対して直流電圧発生装置１２から最大で１８０ｋＶまで直流電圧を印加しても絶縁破壊を起こさなかった。その原因を考察すると、欠陥部１１ｃが短絡端である一方端末部側１１ａにあるため、前記したように、該欠陥部１１ｃにおいて、有効な極性反転波が現れなかったことによるものと考えられる。
【００２１】
（２）次に、第２ステップで前記第１ステップで実施した操作と同様な操作をケーブル１１の前記一方端末部側１１ａから他方端末部側１１ｂに移して、その端末部側１１ｂでも実施した。即ち、図５に示すように、ケーブル１１の他方端末部側１１ｂの高電圧部（導体）と接地（遮蔽層）間に試験設備の直流電圧発生装置１２から第１ステップで印加したのと同じ１４０ｋＶの直流電圧を印加した後、他方端末部側１１ｂの高電圧部と接地間を他方端末部側１１ｂの近傍に設けられた放電球ギャップ１３を動作させて短絡させることにより直流印加電圧を裁断させる操作を計１０回繰り返し実施した。この第２ステップの操作段階でも、欠陥部１１ｃは絶縁破壊を起こさなかった。
【００２２】
（３）次に、第3ステップで第１、第２ステップの操作を実施したケーブル１１に、例えば、図５に示すように、他方端末部側１１ｂから、直流電圧を電圧０ｋＶから徐々に昇圧させる方法で連続的に印加したところ、６５ｋＶまで昇圧した時点で、該ケーブル１１が前記欠陥部１１ｃの部位から絶縁破壊した。直流電圧を単独で印加した場合には、前記したように４００ｋＶ前後が必要であるのに対して、本発明の試験方法によると、最大で１４０ｋＶの課電で済んだことになる。これは、当該欠陥部１１ｃと同じ形状、大きさの欠陥を有する前記ケーブルの交流破壊電圧（６０ｋＶ）の２倍強程度であることになる。
【００２３】
本発明によると、第１、第２ステップにおける直流印加電圧の裁断過程でケーブル１１の欠陥部１１ｃ（絶縁体中の異物、ボイド、絶縁体と半導電層界面に存在する半導電層表面突起等）から絶縁破壊させるための電気トリーが誘発され、第３ステップにおける直流電圧の連続的印加により、誘発された電気トリーが容易に進展し、絶縁破壊されたものと考えられ、比較的軽量、安価な試験設備を用いて長尺のケーブル１１の全長にわたる品質保証を精度よく容易に行うことができる。
【００２４】
（４）ところで、前記第３ステップの操作を実施して絶縁破壊された欠陥部１１ｃを除去した後のケーブル１１の一方端末部側１１ａに、新たに同じ形状、大きさの欠陥部１１ｃを形成して、前記（１）（２）に示すように、第１、第２ステップの操作でケーブル１１に直流電圧１４０ｋＶの課電・裁断を各１０回繰り返し、その後、第３ステップで直流電圧の印加による破壊特性を調べた。ここでは印加される直流電圧を一定として、どの程度の電圧であれば破壊が発生するかを調べた結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】

【００２６】
これによると、５０ｋＶ以上の直流電圧を印加した場合には、電圧によって絶縁破壊までの時間が異なるものの、破壊の起きることがわかる。しかし、４０ｋＶでは破壊が起きていない。このことより、おおむね直流印加電圧を裁断する前の直流印加電圧の１／３以上の電圧を印加することで欠陥部１１ｃを絶縁破壊させることが可能であることがわかった。一方、現実論として、直流印加電圧を裁断する前の直流印加電圧を超えた直流電圧の印加は無意味であることがわかる。また、前記（３）（４）の試験をセットにして考えると、前記欠陥部１１ｃがケーブル１１の長手方向のどの部分に存在しようとも、両端末部１１ａ、１１ｂ側から１回以上の所定回数（同回数に限定されず）の裁断を実施することにより、確実にケーブル１１の欠陥部１１ｃを検出して絶縁破壊させることが可能であることがわかった。このように、第３ステップで印加する直流電圧として、第１、第２ステップで直流印加電圧を裁断する前の直流印加電圧の１／３以上１／１以下のものを選択することにより、より試験設備の容量が小さくなり、経済的に長尺のケーブルの品質保証を行うことができる。
【００２７】
（５）次に、前記（４）の試験と同じ手法でケーブル１１の一方端末部側１１ａに、新たに同じ形状、大きさの欠陥部１１ｃを形成し、前記（１）（２）に示すように、第１、第２ステップの操作でケーブル１１に直流電圧１４０ｋＶの課電・裁断を繰り返し実施する際、どの程度これを繰り返せば欠陥部１１ｃが破壊に至るかを調査した。その結果によると、破壊が生じたのは課電・裁断回数が１３４回目であった。このような多回数裁断操作を行う繰り返すのは非常に煩雑であり、実用的でないことがわかる。従って、本発明のように、第１、第２ステップで直流課電・裁断後、第３ステップで直流課電を一定時間行う試験方法の方が現実的で有効であることがわかる。
【００２８】
（６）続いて、前記（４）の試験と同じ手法でケーブル１１の一方端末部側１１ａに、新たに同じ形状、大きさの欠陥部１１ｃを形成し、前記（１）（２）に示すように、第１、第２ステップの操作でケーブル１１に直流電圧１４０ｋＶの課電・裁断を各１０回繰り返し、その後、第３ステップで直流電圧の代わりに、大容量の交流課電装置を用いて交流電圧を印加することにより破壊特性を調べた。その結果を表３に示す。
【００２９】
【表３】

【００３０】
これによると、交流印加電圧でも３０ｋＶ以上を課電すれば欠陥部１１ｃが絶縁破壊を起こさせることが可能であることがわかる。この電圧は前記したような交流電圧単独で破壊させた場合のおおむね１／２程度以上であることがわかる。しかし、この試験に使用した試験設備のサイズを比較してみると、表４に示すとおりとなる。
【００３１】
【表４】

【００３２】
上記表４を見るとわかるように、交流課電の場合には非常に大型の試験設備を必要とすることがわかる。今回の試験に用いられたケーブル１１は絶縁体の厚さ３ｍｍと非常に薄いものであったが、直流送電には１５０ｋＶ、２５０ｋＶ、あるいは５００ｋＶ等といった更なる高電圧のケーブル１１が必要となる場合がある。これらのケーブル１１に対して同様の試験を行う場合には、更に大型・大容量の試験設備が必要となる。しかし、その主体となる直流電圧発生装置１２は元々小型軽量であるのに比べて、交流電圧発生装置は１００ｋＶ程度のものでも２ｔ近い重量になる。ここで５００ｋＶ級のケーブル１１の試験を行うためには、４００〜５００ｋＶ程度の交流電圧発生装置が必要となるが、このような試験装置は総重量が数１０ｔ、あるいは１００ｔを超えるようなものとなってしまい、ケーブル１１を用いた線路の竣工後に現地試験を行うのに利用することは現実的に不可能である。これに対して、直流課電であれば（この場合、７００〜８００ｋＶ程度の課電能力が必要であるが）、試験設備の総重量は３００〜４００ｋｇ程度で済むことになり、実用上の問題はないことがわかる。従って、本発明のような試験方法によれば、大型・大容量の試験設備を用いることなく、現実的な試験設備を用いて、工場出荷時ばかりでなく、現地竣工時の試験においても、ケーブル欠陥を確実に検出して破壊させることが可能であり、ケーブル全長にわたる品質保証を容易に行うことができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のケーブルの試験方法によれば、第１ステップでケーブルの一方端末部側に所定の直流電圧を印加した後、一方端末部側の高電圧部と接地間を短絡させることにより直流印加電圧を裁断させて電気トリーを誘発させる過程を１回以上実施し、第２ステップで前記第１ステップで実施した操作と同様な操作をケーブルの他方端末部側でも実施し、第３ステップでこれらの操作を実施したケーブルに所定の直流電圧を所定時間連続して印加し、前記印加電圧の裁断過程で発生した電気トリーを進展破壊させるようにしたので、比較的軽量、安価な試験設備を用いて長尺のケーブルの全長にわたる品質保証を精度よく容易に行うことができる。
【００３４】
また、第３ステップで印加される直流電圧は、前記第１、第２ステップで直流印加電圧を裁断させる前にケーブル１に印加された直流電圧の１／３以上１／１以下の低い電圧で、ケーブル１の欠陥部に誘発された電気トリーをより効果的に進展破壊させることが可能になるので、第３ステップで印加する直流電圧をこのような範囲に設定することにより、より試験設備の容量が小さくなり、経済的に長尺のケーブルの品質保証を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１ステップでケーブルの一方端末部側に印加した直流電圧を裁断させた後に発生する進行波の様子を模式的に現した図である。
【図２】図１において、ケーブルの他方端末部側に現れる極性反転に伴う裁断波の電圧波形を示す図である。
【図３】図１において、ケーブルの中間部に現れる極性反転に伴う裁断波の電圧波形を示す図である。
【図４】本発明の第１ステップの操作を実施する状態を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２ステップの操作を実施する状態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１ケーブル
１１ａ一方端末部側
１１ｂ他方端末部側
１１ｃ欠陥部
１２直流電圧発生装置
１３放電球ギャップ
１４ケーブルドラム

Claims

固体絶縁ケーブルに直流電圧を印加することにより該ケーブルの品質保証を行う固体絶縁ケーブルの試験方法において、第１ステップで固体絶縁ケーブルの一方端末部側に所定の直流電圧を印加した後、一方端末部側の高電圧部と接地間を短絡させることにより直流印加電圧を裁断させて電気トリーを誘発させる過程を１回以上実施し、第２ステップで前記第１ステップで実施した操作と同様な操作を固体絶縁ケーブルの他方端末部側でも実施し、第３ステップでこれらの操作を実施した固体絶縁ケーブルに所定の直流電圧を所定時間連続して印加し、前記印加電圧の裁断過程で発生した電気トリーを進展破壊させることを特徴とする固体絶縁ケーブルの試験方法。
前記第３ステップで前記ケーブルに印加される直流電圧が前記第１、第２ステップで印加された直流電圧の１／３以上１／１以下であることを特徴とする請求項１記載の固体絶縁ケーブルの試験方法。