JP4347909B2 - 高電圧ケーブルの終端部のストレス制御 - Google Patents
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Description
本発明は電気的ストレス制御に関するものであり、更に詳しく言うと、高電圧電気機器に関連する電界強度が高い領域における電気的ストレスを制御する方法及びその装置に関するものである。
発明の背景
例えば、電気ブッシング、高電圧ケーブルの接続部または終端部などの高電圧ケーブルまたは電気機器のシールドの不連続によって電界強度が高い領域の電気的ストレスを制御するためにストレス手段を利用することは公知である。そのようなストレス手段は一般に、半導電ストレス制御材料から成るストレスコーンおよびテープまたは環状製品を含んでいる。本発明は、高誘電率ストレス制御材料を含むストレス制御手段に関するものであり、そのようなストレス手段を用いた従来技術の装置を越える、改善されたコロナ放電の消衰、商用周波数耐電圧およびインパルス耐電圧性能を提供するものである。例証のために、本発明の説明を主として高電圧ケーブルの終端部に応用するものとして行なう。しかしながら、本発明は、ストレス制御が望ましい他の電気ケーブルまたは機器にも適用できる。
一般的な高電圧ケーブルは、導体シールドに包囲された内部導体を含み、更にその外側を絶縁体に包囲され、更にその外側を外部半導電シールド、場合によっては金属シールドに包囲されている。そのようなケーブルを終端する場合、ケーブルのそのような連続層を取り除く即ち段剥ぎしてその下の層を剥き出しにするのが慣例である。半導電シールドを段剥ぎすることによって電界が途切れ、その結果、シールドの端部に高い電気ストレスが生じる。高電気ストレスはケーブルの絶縁を損ないがちな放電を生じる恐れがある。高電気ストレスは、電気ストレス制御手段によって制御されることが可能である。
米国では一般に、交流高電圧ケーブルの終端はIEEE標準試験方法Std.48−1990に従って試験される。この方法は特に、高電圧ケーブル終端部の性能に関する情報を得るために製造業者が実施すべき設計試験を規定するものである。
ストレス制御装置を含んでいる終端部の効果を判断するのに特に有用なIEEEの方法による設計試験には、「部分放電(コロナ)消滅電圧試験」、「商用周波耐電圧試験」、「雷インパルス耐電圧試験」などがある。放電消滅電圧試験では、特定の印加電圧における終端部の放電が測定され、その値が所定値を下回らなくてはならない。放電が消えた電圧も測定され、その値が所定値を越えなければならない。商用周波数耐電圧試験では、ケーブルに特定電圧が印加され、フラッシュオーバなどの絶縁破壊を起こさずに持ちこたえなくてはならない。インパルス耐電圧試験では、特定値で特定波形のインパルスがケーブルに印加され、フラッシュオーバなどの絶縁破壊を起こさずに持ちこたえなくてはならない。フラッシュオーバが起きる電圧が所定値を越えていなくてはならない。終端部における放電性能、商用周波電圧、およびインパルス電圧の性能がIEEE標準試験方法Std.48−1990に記載された要件を満足しなくてはならない。
しかし、高電圧ケーブルの終端部にストレス制御材料を使用したからといって、必ずしもIEEE試験方法のインパルス性能要件に適合した終端部を実現できるわけではない。この要件を満足するために、複数の耐雨笠部を使用することによってストレス制御装置を強化してもよい。笠部は一般に、他の目的のために屋外の終端部に使用されるが、ケーブル終端部が屋内に設置される場合には一般に使用されない。笠部を利用すると終端部のコストが増し、ケーブルの周囲に更なる空間が必要となるので、笠部の利用せずに、それでも望ましいインパルス性能を満足できることが好ましい。
本発明は、笠部を使用したまたは使用しない終端部の放電、商用周波電圧を著しく向上する新規な装置を提供するものである。本発明は、ケーブルの終端部と関連させて説明されるが、高電圧ケーブルの接続部および、電気ブッシングやフードスルー含む他の高電圧機器で使用するのに適している。
発明の開示
本発明は、スリーブを延伸した状態に維持する内部支持体すなわち「コア」を備えた弾性回復可能な弾性絶縁スリーブを含む。スリーブは電源ケーブルおよびコアを覆うように配設されて、コアの巻きが解かれて取り除かれ、スリーブをケーブルに収縮密着させる。スリーブとコアの間には、弾性ストレス制御チューブで包囲された非粘着質の空隙充填用の形態適合(conformable)ストレス制御材料より成る2部品式ストレス制御システムが介在している。形態適合ストレス制御材料およびストレス制御チューブは、いずれも高い誘電率(10を越える)を備えている。「誘電率(permittivity)」は、「比誘電率(dielectric constant)」と同義で、媒体内の電界によって生じる電束と真空内の電界によって生じる電束との比である。
本発明は、形態適合ストレス制御材料およびストレス制御チューブの誘電率、両部材の厚さ、ケーブルの半導電シールド層の縁端から形態適合ストレス制御材料出ている長さの関係を定義するものである。
本発明の第1の実施態様において、形態適合ストレス制御材料はケーブルシールドの切断端部と接触状態に設けられている。本発明の第2の実施態様において、形態適合ストレス制御材料は、ケーブル絶縁体およびラグの切断端部とも接触している。
【図面の簡単な説明】
複数の図面において同一部品を同一番号で指定する添付図面を参照して本発明を説明する。
図1は、耐雨笠部を備えた本発明のストレス制御終端部のスリーブの断面図である。
図2は、耐雨笠部を備えない本発明のストレス制御終端部の断面図である。
図3は、電力ケーブルに応用した本発明のストレス制御終端スリーブの断面図である。
図4は、電力ケーブルに応用した本発明のストレス制御終端スリーブの別の実施態様の断面図である。
図5は、電力ケーブルに応用した本発明のストレス制御終端スリーブの更に別の実施態様の断面図である。
好適実施態様の説明
図1に、本発明の一実施態様による終端組立品を示し、その全体を10で示す。組立品12は、容易に抜去可能なコア14によって予め延伸された状態で支持された管状延伸スリーブ12である。組立品10はプレ ストレッチド チューブを意味する「PST」と一般に称される。そのような組立品10は、その内容を本願明細書に引用したものとする米国特許第3,515,798号明細書に記載されている。米国特許第3,515,798号明細書に記載されているように、コア14は、隙間のない螺旋構造に相互結合させた隣接コイルを有する一体型の硬質な螺旋状のコアであることが好ましい。外部スリーブ12には、所望の耐アークおよびトラッキング性、耐紫外線性、および延伸可能でコア14の除去時に元のサイズに復元できる機能を有しているのである限り広範囲の材料を使用できるが、シリコーンゴムであることが好ましい。
図1の終端組立品は、屋外での使用を本質的に目的とするものであるので、スリーブ12の長手方向に沿って軌道長が増す耐雨笠部16を含んでいる。屋内用の場合は、通常は、空間がより重要であり、その為、耐雨笠部16は通常は図2に記載されているように省かれている。ケーブル22の導線26に圧着した状態で示されているラグ24などの適切な終端装置を有する電力ケーブル22に、いずれかの終端組立品10が図3に示すように適用される。
ラグ24を利用して、ケーブル22を終端させるためには、導線26を覆っている絶縁体28を所定長だけ除去するとともに、絶縁体28を覆っている半導電シールド30をそれよりも長く除去することによって、ケーブル22の準備を行なわなくてはならない。シールド30を段剥ぎすることによって、導線26を囲む電界が途切れ、それによってシールド30の端部に高い電気的ストレスが生じる。高いストレスは放電の原因となることがあり、その後、ケーブル22の絶縁体28または終端スリーブ12において絶縁破壊を生じる場合がある。本発明は、これら望ましくない結果を回避するように前述の高電気ストレスを制御することを目的とするものである。
好適実施態様の電気的ストレス制御は、スリーブ12の一部をライニングする高誘電率のストレス制御チューブ18と、ストレス制御チューブ18内の形態適合ストレス制御材料20とを組合わせて使用することによって終端部10に提供される。ストレス制御チューブ18および形態適合ストレス制御材料20の厚さ、形態適合ストレス制御材料20の長さ、およびストレス制御チューブ18および形態適合ストレス制御材料20の両方の誘電率は、終端組立品10内で所望のストレス制御が実現されるように調節される。
この高誘電率ストレス制御チューブ18は、米国特許第4,363,842号明細書に概括的に記載されており、その内容を本願明細書に引用されたものとする。上記特許で教示された項目を幾分か変更して、以下の組成によって定められるな好適ストレス制御チューブ18を得る。
形態適合ストレス制御材料20については、親特許出願第08/524,236号と同じ日付で提出された米国特許出願第08/524,390号明細書に記載されている。この親出願の内容を、文献引用によって本願明細書に組込んだものとする。形態適合ストレス制御材料20は、エピハロヒドリンポリマーと、電気損失係数(tanδ)が1未満である絶縁ポリマーの2種類の高分子樹脂のブレンドから成る樹脂成分を含んでいる。
使用に適した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の形のエピハロヒドリンのエラストマーポリマーである。そのようなポリマーは、固形物または溶液中のモノマー材料と有機機金属触媒との重合によって作製され、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマー等でありうる。ホモポリマーの例としてエピクロロヒドリンやエピブロモヒドリンなどがあり、有用なコポリマーとしてエピハロヒドリンとアルキレンオキシドとのコポリマーや、エピハロヒドリンとエポキシドとのコポリマー、例えば、プロピレンオキシド、エチレンオキシド、ブテンオキシド、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のエポキシエーテルなどが含まれる。前述のポリマー類はゼオンケミカルズ社(Zeon Chemicals Inc.)から入手可能である。
好適なエピハロヒドリンポリマーはアルキレンオキシド、特に、エチレンおよびプロピレンオキシドとのコポリマーを含んでいる。
樹脂成分として、tanδが1未満である絶縁ポリマーも含まれている。有用なポリマーとして、シリコーン、EPMまたはEPDM、および炭化水素ゴムなどがある。有用なシリコーンは、室温で液状のシリコーンおよびゴム状シリコーンであり、配合が容易で加工性に優れていることにおいてゴム状シリコーンが好ましく、最も好ましいのは、約30ジュロメータの前述のゴム状シリコーンである。
市販されているシリコーンエラストマとしてダウコーニング社(Dow Corning)のDC10,000等が含まれ、また、ゴム状シリコーンとして、ワッカーシリコーンズ社(Wacker Silicones Corporation)が販売するElastosil▲R▼ R300/30、ダウコーニング社(Dow Corning)のSilastic▲R▼ GP31などがある。
この配合物より、下記を含む非粘着質の形態適合ストレス制御材料20が作製される:
好適な非粘着質形態適合ストレス制御材料は下記を含む:
先述したように、作製されたケーブル22の最大電気的ストレスは、半導電性の絶縁シールド30が段剥ぎされている端部で発生する。本発明は、特定の相対的幾何学配置に保持した2つの構成要素を、誘電率に基づいて調整してストレス制御を行なうものである。
内部形態適合ストレス制御材料20は、シールド30の切断縁部から両方向に延在するように配置されており、ケーブル絶縁体28の外面からシールド30の外面までの径方向の段差を埋めるのに十分な厚さを有していなければならない。ストレス制御チューブ18は、形態適合ストレス制御材料20を被覆し、シールド30のエッジから両方向に形態適合ストレス制御材料20を越えて延在している。
ケーブル絶縁体28の最大内部電気的ストレスは、形態適合ストレス制御材料30の誘電率によって主に影響を受ける。最大ストレスを予測するための関係式は次の通りである。
Sinternal maximum=(V/(R ln(R/r)))A
ここで、
A=1.69-1.63×10-2εp;
Vは印加電圧;
Rはケーブル絶縁体の外径;
rはケーブル絶縁体の内径;
εpは形態適合ストレス制御材料の誘電率である。
形態適合ストレス制御材料の誘電率は、業界標準試験による所要電圧定格を達成するために、ケーブルおよびその付属終端部に要求される商用周波数耐電圧での絶縁破壊を防止するに十分な高さのものでなくてはならない。試験を施した形態適合ストレス材料の絶縁破壊強度や、約11800V/mmであった。複数の選択電圧レベルにおける形態適合ストレス制御材料の誘電率の最小値を以下の表示記載する。
表から分かるように、形態適合可能ストレス制御材料の誘電率は、少なくとも約16でなくてはならない。最も一般的な電圧範囲は15〜69kVであるので、誘電率の好適値は22を越え、25を越えることがもっとも好適である。
ケーブルシールド30の端部またはストレス制御コンパウンド20の端部の一方に隣接する終端スリーブ12の外面に沿った最大電気的ストレスは、多くのパラメータによって影響される。この最大ストレスを予測するための関係式は次の通りである。
Sexternal maximum=(V/(R ln(R/r)))B
ここで、
B=0.585+1.76×10-3εp-2.43×10-3εt
+7.32×10-5lp-4.45×10-2tt
-3.39×10-2tp-4.45×10-5εplp
ここで、
εpは形態適合ストレス制御材料の誘電率;
εtはストレス制御チューブの誘電率;
lpはケーブル絶縁体を覆う形態適合ストレス制御材料のミリメートル単位の長さ;
ttはストレス制御チューブのミリメートル単位の厚さ;
tpは形態適合ストレス制御材料のミリメートル単位の厚さ。
この関係式から終端スリーブ12の厚さは約2mmであると推測される。この厚さは、材料スリーブ12の電圧絶縁破壊に耐えて材料を保持する最大の厚さである。スリーブ12の厚さが増すことにより、スリーブ12の外面のストレスも減少する。
最大許容外部ストレスSは、インパルス状態のときに空気の電気的絶縁破壊を生じないレベルを下回らなくてはならない。終端部のインパルス絶縁破壊強度は、約3000〜9200ボルト/mmであることが分かった。好適実施態様は、約3150ボルト/mmで所要インパルスレベルのストレスを維持しなくてはならない。この因数により、Bの最大数量が算出できる。関係各電圧におけるBの最大許容値を、以下の表に記載する。
前述のBの関係式から、形態適合ストレス制御材料20の誘電率および形態適合ストレス制御材料20の長さが増加されるとスリーブ12の外面のストレスが増加する傾向があることが分かったが、これはBの関係式の最後の項によって幾分か補償され、形態適合ストレス制御材料20の誘電率と長さとの積によってこのストレスが減少する傾向がある。ストレス制御チューブ18の誘電率および厚さの両方が増加すると、スリーブ12の外面のストレスを非常に強く減少する傾向がある。前述のように、終端スリーブ12の厚さ増加によって、スリーブ12の外面におけるストレスも減少する。しかしながら、スリーブ12を作製するシリコーンが比較的に高価であるので、スリーブ12の厚さはスリーブ12自体の絶縁破壊を防止するのに必要な最小限度に維持される。
実際には、形態適合ストレス制御材料20の厚さは少なくとも1mmであることが好ましく、シールド30の切断端部における段差を材料20によって完全に埋めることを保証するために、約2〜3mmであることが最も好ましい。
形態適合材料20の長さは、ケーブル絶縁体28に沿って少なくとも10mm、好ましくは25〜50mmであり、更に、形態適合材料は、シールド30との密着性を確実にするためにケーブルのシールド30の上部から約10mm伸展していることが好ましいが、形態適合ストレス制御材料20とケーブルのシールド30との間に接触があれば、この伸延は必要ない。
ストレス制御コンパウンドが、シールド30の切断端部だけに隣接して配置される第1の実施態様では、ストレス制御チューブ18は長さが60mmを越えても誘電率が50未満でしかないことが分かっているので、約60mmの長さであることが好ましい。ストレス制御終端部で使用できるケーブルサイズ範囲が限定されるのを回避するために、ストレス制御チューブ18はケーブル絶縁体28の切断端部を越えて延在してはならず、また、ケーブルシールド30の上にあるいずれか他の層(例えば、いずれか金属シールド)の段剥部を越えて延在してはならない。チューブ18の厚さは、少なくとも1mmであることが好ましく、最も好ましくは2〜3mmである。
これら種々のパラメータを操作することにより、例えば、与えられた寸法に基づいて決定されるストレス制御チューブ18の必要誘電率を予測したり、複数の材料の任意の誘電率について2つのストレス制御構成要素が考慮しなくてはならない寸法を予測したりすることが可能となる。
形態適合ストレス制御材料20およびストレス制御チューブ18から構成される前述の2構成要素式ストレス制御システムを利用することにより、ストレス制御は過去の方法を越えて大幅に改善され、そして、任意の終端部長に対する電気的性能が向上される、または、任意の性能レベルにおける終端部長を短縮(従来装置の約40%)できる。勿論、これらの利点を組合わせて、改善された電気性能を備えた幾分か短い終端部を提供することもできる。すべての構成要素を終端組立品10のコア14にセットしてもよいので、構成要素の取付は一工程であり、従って非常に経済的で便利である。
(前述の2構成要素式ストレス制御システム形態適合ストレス制御材料が、ケーブルシールドの一端と接触するとともに、ケーブル絶縁体に沿って延在し、そしてポリマー製ストレス制御チューブによって被覆されている)を利用することにより、ストレス制御を、ラグに隣接するストレスが最大ストレス領域となる従来技術の方法を越えて大幅に改善できる。例えば、ストレス制御の無い終端部の場合、切断されたケーブルシールドに隣接するストレスは、その終端部のラグ端部におけるストレスの約100倍、すなわち恐らくは切断シールドにおいて1000kV/cm、ラグ端部において10kV/cmになる可能性がある。この2構成要素式ストレス制御システムは、切断されたシールドに隣接するストレスを、ラグ端部の表面ストレスが終端部表面における優勢ストレスとなる点まで減少させるのに有効である。
ラグに隣接するストレスは、切断したシールドに隣接するストレスと比較して小さいので、2構成要素式ストレス制御システムの導入以前は、終端部のラグ端部におけるストレス制御を志向することに無関心であった。しかしながら、切断したシールドに隣接するストレスの大幅減少により、ラグに隣接するストレスの制御に注意が向けられるようになった。この2構成要素式ストレス制御システムを利用することによって可能となる終端部長さの短縮により、ラグ近傍の電気的ストレスが有意であろうレベルにまで引き上げられるので、ラグに隣接したストレス制御は重要になる。(ラグ付近のストレスレベルは、本明細書に開示されている2構成要素式ストレス制御の導入以前には、ラグ近辺のストレスレベルは、終端部に存在するストレスレベルと比較したときに依然として低い点に注意されたい。)
図1〜3に記載の本発明終端部を備えた従来技術終端部は、ラグ周囲の空隙を取り除くとともに耐候封止を提供するために、終端部のラグ端部に隣接してシリコーン製のシール用コンパウンド40を利用する。シリコーン製のシール用コンパウンド40を、本明細書に開示されたストレス制御コンパウンドと交換することによって、ラグに隣接する電気的ストレスが著しく低減されることが分かった。特に、ストレス制御材料の第1の領域(シールド30の切断端部と接触する)とストレス制御材料の第2の領域(ケーブル絶縁28およびラグの切断端部に接触する)とを有する本発明の終端部のこの第2の実施態様は、改善された耐AC性能および耐インパルス性能を呈する。
本発明の終端部の第1および第2の実施態様が呈する性能改善レベルをグラフ1と2に示す。
グラフ1及び2は、ストレス制御コンパウンド(制御)を使用しないと、ケーブルシールド30の切断端部に隣接した形態適合ストレス制御コンパウンドのみを使用する場合(実施態様1)、およびシールド30の切断端部と絶縁体28およびラグの切断端部との両方に隣接して形態適合ストレス制御コンパウンドを使用する場合(実施態様2)の、管状終端部の性能を比較するものである。いずれの例においてもストレス制御チューブを使用した。このグラフには管状終端部の性能を示したが、スカート付き終端部についても同様の相対的性能改善が予測される。
グラフ1および2から分かるように、シールド30の切断端部に隣接したストレス制御コンパウンドの第1の領域20により、ストレス制御コンパウンド無しで終端部に優れた性能がもたらされ、また、絶縁体28およびラグの切断端部に隣接するストレス制御コンパウンドの第2の領域21の使用により、任意の終端部長さについて更なる性能向上が認められた。従って、終端部は、任意の性能レベルに対し、より短くすることができる。
終端部の特定用途に応じて本発明の終端部の第2の実施例の複数の変更態様が可能であることを理解されたい。特に、ポリマー性ストレス制御チューブ18は終端部から完全に取り去ってもよいし(不図示)、ストレス制御材料の第1および第2の領域20、21の間に延在していもよいし、あるいは、形態適合ストレス制御材料領域20、21の一方のみまたは両方を覆って設けられていてもよい。図4に、ストレス制御材料の第1および第2の領域20、21の間に延在するストレス制御チューブ18を示す、図5にストレス制御材料の第1の領域20のみを覆って延在するストレス制御チューブ18を示す。ストレス制御材料の第1および第2の領域20、21は、第1および第2の領域20,21が互いに接触するように(不図示)終端部の端から端まで延在していてもよい。
形態適合ストレス制御材料は、エピハロヒドリンポリマーと電気損失係数1未満の絶縁ポリマーとのブレンドを含むことが好ましく、また、この形態適合ストレス制御材料の誘電率εpは少なくとも約16、好ましくは約20〜50である。
形態適合ストレス制御材料の2つの領域から成る前述のストレス制御システムを使用することにより、ストレス制御は過去の方法を越えて著しく改善され、その為、任意の終端部長における電気性能が改善され、あるいは、任意の性能レベルにおいて終端部が縮小される。全ての構成要素を終端組立品10のコア14にセットしてもよいので、構成要素の取付は一工程であり、従って非常に経済的で便利である。
なお、本件出願は、1995年9月6日付けの米国特許出願第08/524,236号の一部継続出願である。
Claims (3)
- 内部導体と、前記内部導体を包囲する絶縁体と、前記絶縁体を包囲する半導電シールドとを含む形式の電力ケーブルの終端部において、前記導体を露出するように、前記シールドが所定の長さにわたって除去され、前記絶縁体がそれより短い所定の長さにわたって除去され、前記終端部は前記電力ケーブル上に収縮密着するよう抜去可能なコアによって予め径方向に拡大されるチューブを含み、
当該チューブは、
前記ケーブルシールドの切断端部と接触した状態で前記ケーブル絶縁体に沿って延在する、前記電力ケーブル上に収縮密着可能な誘電率が10より高い形態適合ストレス制御材料の第1の領域であって、当該形態適合ストレス制御材料が、前記半導体シールドの切断端部にある段差を自身が有する形態適合性によってほぼ埋めて当該段差における空隙をほぼ排除するものと、
前記ケーブル絶縁体の切断端部と接触した状態に前記電力ケーブル上に収縮密着可能に設けられる、誘電率が10より高い形態適合ストレス制御材料の第2の領域と、
前記終端部の一方の端部から前記終端部の他方の端部まで延在し、誘電率が10より高い形態適合ストレス制御材料の第1および第2の領域を覆って設けられるポリマー製絶縁スリーブと、
前記ポリマー製絶縁スリーブの内側にあって前記ポリマー製絶縁スリーブに覆われており、少なくとも前記第1の領域を覆うポリマー製ストレス制御チューブと、
を含むことを特徴とする終端部。 - 前記ポリマー製ストレス制御チューブが、形態適合ストレス制御材料の前記第2の領域を覆って設けられていることを特徴とする、請求項1記載の終端部。
- 形態適合ストレス制御材料の前記第1および第2の領域が互いに接触していることを特徴とする、請求項1記載の終端部。
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