JP4205164B2 - 高電圧ケーブル終末部のための応力制御 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、電気応力制御に関し、さらに特に、高電圧電気機器に関連する高電場強度部位における電気応力を制御するための方法と装置とに関する。
背景技術
応力制御手段を使用して、高電場強度高電圧電気機器部位、例えば、電気ブッシングおよび高電圧ケーブルの接続部または終末部における不連続による電気応力を制御することは周知である。このような応力制御手段は、一般に、応力コーンおよび半導体応力制御材料テープまたは管状物品を含む。本発明は、高誘電率の応力制御材料を含む応力制御手段に関し、このような応力制御手段を使用して、従来の装置より改良されたコロナ放電消滅と、商用周波耐電圧と、インパルス耐電圧とを提供する。例示のために、本発明が高電圧ケーブルの終末部に適用されるように、本発明は主に記載される。しかしながら、本発明は応力制御が望まれる他の電気機器に適用され得る。
一般的な高電圧ケーブルは、内側の導体と、それを取り巻く導体遮蔽物と、さらにそれを取り巻く絶縁材料と、さらにそれを取り巻いて多くの場合に使用される外側の電気的半導体遮蔽物と金属遮蔽物とを備える。このようなケーブルの終末部を形成する際には、ケーブルの各連続層を切りもどして、下層を露出することが一般的である。電気的半導体遮蔽物を切りもどすことにより、電場が不連続となり、遮蔽物の端部に高い電気応力が生じる。高い電気応力により、電気放電が生じ、ケーブルの絶縁が破壊されることがある。高い電気応力は、電気応力制御手段により制御されることができる。
高電圧交流ケーブル終末部は、米国では一般に、ＩＥＥＥ標準的試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）ＳＴＤ４８−１９９０に準拠して試験される。この方法は、中でも、製造業者が実施し、高電圧ケーブル終末部の性能に関する情報を得るための設計試験である。
応力制御装置を含む終末部の有効性を測定する際に特に有用なＩＥＥＥ法の設計試験には、”部分放電（コロナ）消滅電圧試験”、”商用周波耐電圧試験”および”点灯インパルス耐電圧試験”が含まれる。放電消滅電圧試験では、終末部の電気放電を固有の印加電圧で測定し、固有値より低くなくてはいけない。また、放電が消滅する電圧を測定し、固有値より大きくなくてはいけない。商用周波耐電圧試験では、規定された電圧をケーブルに印加し、フラッシュオーバーまたは他の絶縁破壊を生じることなく耐えられるべきである。インパルス耐電圧試験では、固有の値および波形のインパルスがケーブルに適用され、フラッシュオーバーまたは他の絶縁破壊を生じることなく耐えられるべきである。フラッシュオーバーが起こる電圧は固有値より大きくなくてはいけない。放電、商用周波電圧および終末部のインパルス電圧性能は、ＩＥＥＥ標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）ＳＴＤ４８−１９９０に記載されている要件を満たさなければならない。
応力制御材料を高電圧ケーブル終末部に使用しても、ＩＥＥＥ試験法のインパルス性能要件を満たす終末部を常に生じるわけではない。この要件を満たすために、雨よけを使用することによって応力制御装置を増加してもよい。雨よけは、他の目的のために屋外用終末部に一般に使用されるが、ケーブル終末部が屋内に設置されるときは、雨よけは一般に使用されない。雨よけを使用することによって、終末部は価格が追加され、ケーブルの周囲に追加の空間を必要とするので、雨よけを使用しないでも、望ましいインパルス性能を満たすことができることが望ましい。
本発明は、終末部の放電、商用周波電圧およびインパルス電圧性能を雨よけを使用しないで、かなり改良する新規な装置を提供する。本発明は主にケーブルの終末部に関連して記載されるが、高電圧ケーブル接続部並びに電気ブッシングおよびフィードスルーを含む他の高電圧機器に使用するために好適である。
発明の開示
本発明は、スリーブを引き伸ばした状態に保持する内部の支持体または”芯”とともに提供される弾性的に回復可能なエラストマー絶縁スリーブを含む。スリーブは電力ケーブルを被覆して配置され、芯は巻きもどされて、除去され、スリーブをケーブルと接触して収縮させる。スリーブと芯との間には、エラストマー応力制御管で取り巻かれる、非粘着性間隙充填式の好適な応力制御材料からなる２部式応力制御システムが配置される。好適な応力制御材料および応力制御管は共に誘電率が高い（１０より大きい）。”誘電率”は、比誘電率と同義であり、真空中の電場によって生じる電流に対する媒体中の電場によって生じる電流の比である。
本発明は、好適な応力制御材料および応力制御管の誘導率と、両部材の厚さと、ケーブルの半導体遮蔽物層の端部から延在する好適な応力制御材料の長さとの間の関係を規定する。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付の図面に関して記載され、いくつかの図において同じ番号は同じ部分をさす。
第１図は、雨よけを使用する本発明の応力制御終末部のスリーブの断面図である。
第２図は、雨よけを使用しない本発明の応力制御終末部のスリーブの断面図である。
第３図は、電力ケーブルに適用される本発明の応力制御終末部のスリーブの断面図である。
好ましい実施態様の説明
第１図は、一般に１０で示され、本発明の一実施態様による終末部組み立て体である。組み立て体１０は、容易に除去可能な芯１４によって引き伸ばされた状態で支持される、予め引き伸ばされた管状スリーブ１２である。組み立て体１０は、一般に予め引き伸ばされた管状物（ｐｒｅ−ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｔｕｂｅ）を意味する”ＰＳＴ”と呼ばれる。このような組み立て体１０は、参考として本願明細書に引用されている、米国特許第３，５１５，７９８号明細書に開示されている。好ましくは、芯１４は、米国特許第３，５１５，７９８号明細書に記載されている、閉じたらせん形状の隣接するコイルが相互接続した、ワン−ピース型で強固ならせん状の芯である。材料が必要な耐アーク性および軌道抵抗性、紫外線抵抗性および引き伸ばされる能力や芯１４が除去されたとき、実質的にもとの寸法に戻る能力を示す限りは、多種多様な材料を使用してもよいが、好ましくは、外側のスリーブはシリコンゴムである。
第１図の終末物組み立て物は、主に屋外での使用のために意図されており、従ってスリーブ１２の長さに沿ったトラッキング長さを増す雨よけ１６を含む。屋内での用途では通常空間がより重大であり、従ってこのような状況では、第２図に示すように雨よけは使用されない。どちらかの終末部組み立て物１０が、第３図に示すように、ケーブル２２の導体２６に固定されて示される、ラグ２４などの好適な終末装置を有する電力ケーブル２２に適用される。
ラグ２４を適用し、それによってケーブル２２に終末部を形成するためには、導体２６を被覆する所定の長さの絶縁物２８と絶縁物２８を被覆するさらに長い所定の長さの半導体遮蔽物３０とを除去することによって、ケーブル２２を形成しなければならない。遮蔽物３０を切り戻すことによって、導体２６を取り巻く電場の不連続部が生じ、遮蔽物３０の端部に高い電気応力が生じる。高い応力によって、電気の放電が生じ、ケーブル２２または終末部のスリーブ１２の絶縁が破壊されることがある、本発明は、これらの高電気応力を制御して、望ましくない結果を得ないように意図されている。
スリーブ１２の所与の部分を裏打ちする高誘電率応力制御管１８と応力制御管の内部の好適な応力制御材料との使用を組み合わせることによって、電気応力制御が終末部１０に提供される。応力制御管１８および好適な応力制御材料２０の厚さ、好適な応力制御材料２０の長さ、応力制御管１８および好適な応力制御材料２０との誘導率を制御して、終末部組み立て体１０の内部で望ましい応力制御を実施する。
高誘電率の応力制御管１７は、一般に、参考として本願明細書に引用されている米国特許第４，３６３，８４２号明細書に記載されている。その特許に開示されている物品はいくぶん改良されており、以下の組成物によって規定される好ましい応力制御管１８を形成している。

好適な応力制御材料２０は、本願の出願と同じ日に出願され、弁理士整理番号５１９４８ＵＳＡ５Ａとして識別される、米国特許出願番号第０８／５２４，３９０号明細書に記載されている。この特許出願明細書は参考として本願明細書中に引用されている。好適な応力制御材料２０は、２種のポリマー樹脂；エピハロヒドリンポリマーおよび電気消散因子（ｔａｎδ）が１より小さい絶縁性ポリマーの配合物である樹脂成分からなる。
使用するために好適なエピハロヒドリンポリマーは、ホモポリマーまたはコポリマー状のエピハロヒドリンのエラストマーポリマーである。このようなポリマーは、有機金属触媒を用いて塊状または溶液状のモノマー材料の重合化によって製造され、ホモポリマー、コポリマー、テルポリマー等であってもよい。ホモポリマーの例には、エピクロロヒドリン、またはエピブロモヒドリンが含まれ、有用なコポリマーには、エピハロヒドリンとアルキレンオキサイドとのコポリマー、エポキサイド、例えばプロピレンオキサイド、エチレンオキサイド、ブテンオキサイド、およびエチルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル等などのエポキシエーテルとのコポリマーが挙げられる。このようなポリマーはゼオンケミカル社（Ｚｅｏｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ，Ｉｎｃ．）より購入できる。
好ましいエピハロヒドリンポリマーには、アルキレンオキサイドとのコポリマー、特にエチレンとプロピレンオキサイドである。
市販のシリコンエラストマーには、ダウコーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）ＤＣ１００，０００等として購入可能な液状シリコン、ウェイカーシリコンズコーポレーション（Ｗａｃｋｅｒ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製のエラストジル（Ｅｌａｓｔｏｓｉｌ）（商標）Ｒ３００／３０およびダウコーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）社製のシラスティック（Ｓｉｌａｓｔｉｃ）（商標）ＧＰ３１等として購入可能なゴムシリコンが挙げられる。
この調合物は、
ａ）１）約２０％乃至約８０％のエピハロヒドリンポリマーと、
２）対応して、約８０％乃至約２０％の、ｔａｎδが１より小さい絶縁ポリマーとを含む１００部の樹脂成分と、
ｂ）チタン酸バリウムとケイ酸アルミニウム水和物とからなる群から選択される、約８部乃至約２００部のフィラーと、
ｃ）０乃至３０部の可塑剤とを含む非粘着性で、成形可能な応力制御材料２０を生じる。
好ましい非粘着性電気応力制御材料は、
ａ）１）約２０％乃至約８０％のエピハロヒドリンポリマーと、
２）対応して、約８０％乃至約２０％の、ｔａｎδが１より小さい絶縁ポリマーとを含む１００部の樹脂成分と、
ｂ）約８部乃至約２００部のチタン酸バリウムと、
ｃ）０乃至３０部の可塑剤とを含む。
上記のように、形成後のケーブル２２において最も大きい電気応力が生じるところは、半導体絶縁遮蔽物３０の切り戻し端である。本発明は、誘電率に基づいて得られた固有の相対幾何学に保たれて応力制御を提供する２種の構成要素を調整する。
内側のコンフォーマブル応力制御材料２０は、遮蔽物３０の切断端から両方向に延在するように位置づけされ、ケーブル絶縁物２８の外側表面から遮蔽物３０の外側表面までの半径方向の段を満たすほど十分な厚さを有しなければならない。応力制御管１８は、コンフォーマブル応力制御材料２０を被覆し、遮蔽物３０の切断部から両方向に、コンフォーマブル応力制御材料２０より長く延在する。
ケーブル絶縁物２８に生じる最大の内側電気応力は、コンフォーマブル応力制御材料３０の誘電率によって主に影響される。最大応力を予測するためめ関係は、
Ｓ内側最大=（Ｖ／（Ｒ1n（Ｒ／ｒ）））Ａ
（式中、
Ａ=１．６９−１．６３×１０^-2ε_p、
Ｖは印加電圧であり、
Ｒはケーブル絶縁物の外形であり、
ｒはケーブル絶縁物の内径であり、
ε_pはコンフォーマブル応力制御材料の誘電率である）。
コンフォーマブル応力制御材料の誘電率は、ケーブルおよびその付属の終末部が工業規格試験による要求定格電圧を達成するための必要な、最大商用周波耐電圧での破壊を防ぐほど十分に大きくなければならない。試験したコンフォーマブル応力制御材料の破壊強度は約１１８００Ｖ／ｍｍであった。コンフォーマブル応力制御材料の選択された電圧値における誘電率の最小値を以下の表に示す。

表からわかるように、コンフォーマブル応力制御材料の誘電率は少なくとも約１６であるべきである。最も普通に使用される電圧範囲は１５乃至６９ｋＶであるので、誘電率の好ましい値は２２より大きく、極めて好ましくは２５より大きい。
終末部スリーブ１２の外側表面の最大電気応力は多数のパラメータによって影響される。この最大応力を予測する関係は以下のようである。
Ｓ外側最大=（Ｖ／（Ｒ1n（Ｒ／ｒ）））Ｂ
（式中、
Ｂ=０．５８５＋１．７６×１０^-3ε_p−２．４３×１０^-3ε_t
＋７．３２×１０^-5ｌ_p−４．４５×１０^-2ｔ_t
−３．３９×１０^-2ｔ_p−４．４５×１０^-5ε_pｌ_p
（式中、ε_pはコンフォーマブル応力制御材料の誘電率であり、
ε_tはおう力制御管の誘電率であり、
ｌ_pはケーブル絶縁物を被覆するコンフォーマブル応力制御材料の長さをミリメーターで表わしたものであり、
tはおう力制御管の厚さをミリメーターで表わしたものであり、
ｔ_pはコンフォーマブル応力制御材料の厚さをミリメーターで表わしたものである）。
この関係は、終末部スリーブ１２の厚さを約２ｍｍとしている。この厚さは、スリーブ１２の電圧破壊に耐え、材料を保存する最も薄いものである。スリーブ１２の厚さが増すと、スリーブ１２の外側表面の応力も低下する。
最大許容外側応力Ｓは、インパルス状態の間の空気の電気破壊を生じる値より小さくなければならない。終末部のインパルス破壊強度は約３０００乃至９２００ボルト／ｍｍであることがわかった。好ましい実施態様は、必要インパルス値における応力を約３１５０ボルト／ｍｍに維持しなければならない。この因子により、Ｂの最大値を計算することができる。関心のある電圧におけるＢの最大許容値を以下の表に掲載する。

上記に示したＢの関係から、コンフォーマブル応力制御材料２０の誘電率が増し、コンフォーマブル応力制御材料２０の長さが長くなると、スリーブ１２の外側表面の応力は増加する傾向があることがわかるが、Ｂの関係の最後の項では幾分この関係がくずれており、コンフォーマブル応力制御材料２０の誘電率と長さの積はこの応力を低下する傾向があることがわかる。応力制御管１８の誘電率と厚さが共に増加すると、スリーブ１２の外側表面の応力が低下する傾向が強力にある。上記のように、終末部スリーブ１２の厚さが増しても、スリーブ１２の外側表面の応力は低下する。しかしながら、スリーブ１２が製造されるシリコンは比較的膨張性であるので、この厚さはスリーブ１２自体の破壊を防ぐために必要な最小値、約２ｍｍに維持される。
実際に、コンフォーマブル応力制御材料２０の厚さは、少なくとも１ｍｍであることが好ましく、さらに好ましくは材料２０が遮蔽物３０の切断端部の段を確実に完全にうめるように２乃至３ｍｍである。コンフォーマブル材料２０の長さは少なくとも１０ｍｍであり、好ましくは絶縁部２８に沿って２５乃至５０ｍｍで、さらに、遮蔽物３０と密接に接触するように、コンフォーマブル材料はケーブル遮蔽物３０の上部に約１０ｍｍ延在するが、コンフォーマブル応力制御材料２０とケーブル遮蔽物３０とが接触していれば、この延在部は必ずしも必要ない。
応力制御管１８は、好ましくは長さ約６０ｍｍで、さらに長くしても、５０ｍｍより短い管１８の誘電率にさらに影響を与えないことがわかっている。管１８はケーブル絶縁部２８の切断端より長く延在するべきではなく、別のいかなる層（例えば、金属遮蔽物）の切り戻し点より長く延在してケーブル遮蔽物３０に重なるべきではない。管の厚さは好ましくは少なくとも１ｍｍで、極めて好ましくは２乃至３ｍｍである。
これらのパラメータを操作することによって、例えば、応力制御管１８の必要な誘電率を与えられた寸法に基づいて測定することができ、また、与えられた材料の誘電率に対して、２種の応力制御構成要素がとるべき寸法を予測することができる。
コンフォーマブル応力制御材料２０と応力制御管１８とからなる上記の２種の構成要素の応力制御システムを使用することによって、従来の方法を上回って応力制御を改良することができ、従って所定の終末部長さに対する電気的性能が改良されるか、または所定の性能レベルにおける終末部の長さを短くすることができる（従来装置の約４０％）。もちろん、これらの利点を組み合わせて、電気的性能が改良された従来より幾分短い終末部を製造してもよい。構成要素は全て終末部組み立て物１０の芯１４に装填されることができるので、構成要素の用途は１ステップ方法であり、従って経済的且つ便利である。

Claims (1)

1. 内側の導体と、該導体を取り巻く電気絶縁物と、該絶縁物を取り巻く半導体遮蔽物とを備え、該遮蔽物が所定の長さまで除去され、該絶縁物が該遮蔽物より短い所定の長さまで除去されて、該導体を露出する電力ケーブルのための終末部であって、該終末部が、
   該遮蔽物の端部に接触して、該絶縁物に沿って延在する相対的に高誘電率のコンフォーマブル応力制御材料の層と、
   前記コンフォーマブル応力制御材料の層を被覆するポリマー応力制御管と、
   前記応力制御管を被覆するように配置されたポリマー電気絶縁層と、
   を備え、
   前記コンフォーマブル応力制御材料の誘電率（εｐ）が少なくとも約１６であり、前記コンフォーマブル応力制御材料の長さと、前記コンフォーマブル応力制御材料の厚さと、前記応力制御管の厚さの関係が以下の式で表され、
   Ｂ＝０．５８５＋１．７６×１０ ^-3 εｐ−２．４３×１０ ^-3 εｔ
   ＋７．３２×１０ ^-5 ｌｐ−４．４５×１０ ^-2 ｔｔ
   −３．３９×１０ ^-2 ｔｐ−４．４５×１０ ^-5 εｐ ｌｐ
   ここで、符号はそれぞれ
   「εｐ」は前記コンフォーマブル応力制御材料の誘電率、
   「εｔ」は前記応力制御管の誘電率、
   「ｌｐ」は前記絶縁物を被覆する前記コンフォーマブル応力制御材料の長さをミリメートルで表したもの、
   「ｔｔ」は前記応力制御管の厚さをミリメートルで表したもの、
   「ｔｐ」は前記コンフォーマブル応力制御材料の厚さをミリメートルで表したもの、を表しており、
   上記Ｂが、約０．５６よりも小さい終末部。

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