JP4623941B2 - 直流電力ケーブルの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グラフトポリエチレン粉末とポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを混合した長尺の電力ケーブル絶縁体用のポリエチレン混合物絶縁材料、またそれらを用いた長尺の直流電力ケーブルの製造方法並びに長尺直流電力ケーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ポリエチレン等を有機過酸化物（例えばジクミルパーオキサイド）で架橋した架橋ポリエチレン絶縁ケーブル（ＸＬＰＥ）が、交流用の電力ケーブルとして汎用されている。しかしながら、このような架橋ポリエチレン絶縁ケーブルを直流用の電力ケーブルとして使用すると、前記ＸＬＰＥケーブル中の架橋剤分解残渣などが、直流高電圧印加時に空間電荷形成の原因となるので、直流用の電力ケーブルとしては主に油浸ケーブル（ＯＦケーブル、ＭＩＮＤケーブル等）が使用されている。特に長尺の直流電力ケーブルは海底ケーブルとして適用されるケースが多いが、前記の油浸ケーブルは低粘度の絶縁油を加圧含浸して使用するOFケーブルでは、長距離にわたる油圧維持の点から５０〜１００ｋｍ以上の長尺のものには適用できず、また高粘度油を含浸する無加圧タイプのＭＩＮＤケーブル（ソリッドケーブルとも呼ばれる）では、脱油の問題が生じるので導体温度を高くすることができず、許容電流の面から不利がある。そこで、このような問題点が少ない長尺のプラスチック絶縁直流電力ケーブルが検討されている。
【０００３】
このようなプラスチック絶縁の直流電力ケーブルでは、前記空間電荷形成を抑制する目的で極性基をポリエチレンにグラフトしたグラフトポリエチレンが知られている。特に酸変性基をグラフトしたグラフトポリエチレンが有用とされている。具体的には、カルボニル基とビニル基を有する無水マレイン酸、アクリル酸、マレイミド等である。このような技術に関しては特許文献１が知られている。そして、前記酸変性基をポリエチレンにグラフトさせる一般的な方法としては、酸変性基を含むグラフトモノマーと微量の有機過酸化物を、ベースポリエチレンと共に押出・混練する押出グラフト化法が行われる。しかしながらこの押出グラフト化法においては、押出・混練中の高い温度によって、ポリエチレンのゲル化や樹脂焼けが起こり、押出機に設けられる異物除去のスクリーンメッシュに目詰まりを生じたり、またスクリーンメッシュを通過したものは絶縁体中の異物として存在することになり、前記ケーブルの電気的特性上好ましくない。このために、押出機を長時間連続運転する場合の障害となっていた。特に海底ケーブル用の場合には接続部の数を減らすために、長時間の連続押出が可能な長尺の電力ケーブルの製造方法が望まれている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２−１０６１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
よって本発明が解決しようとする課題は、長尺の直流電力ケーブルの押出し製造方法において発生する樹脂焼け等を防止し、前記電力ケーブルの絶縁体を連続して押出し被覆が可能なポリエチレン混合物絶縁材料を得ること。また、それを用いた長尺の直流電力ケーブルの製造方法を提供すること、さらに前記ポリエチレン混合物を絶縁体とする長尺の直流電力ケーブルを、提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するためには、請求項１に記載されるように、ポリエチレン鎖に、溶液法によってアクリル酸、マレイミドから選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせた粉末グラフトポリエチレンと、ポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを混合したポリエチレン混合物絶縁材料を、押出機に投入し、導体上或いは内部半導電層上に、連続して押出し被覆してグラフトモノマー濃度が０．０１〜０．５ｗｔ％の絶縁層を形成することを特徴とする長尺の直流電力ケーブルの製造方法とすることによって、解決される。
【０００７】
また請求項２に記載されるように、ポリエチレン鎖に溶液法によってアクリル酸、マレイミドから選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせた粉末グラフトポリエチレンと、ポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを、混合させながら押出機に投入し、導体上或いは内部半導電層上に、連続して押出し被覆してグラフトモノマー濃度が０．０１〜０．５ｗｔ％の絶縁層を形成することを特徴とする長尺の直流電力ケーブルの製造方法とすることによって、解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳しく説明する。請求項１に記載される発明は、ポリエチレン鎖に、溶液法によってアクリル酸、マレイミドから選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせた粉末グラフトポリエチレン（以下「グラフトＰＥ」）と、ポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを混合したポリエチレン混合物絶縁材料（以下「ＰＥ混合物」）を、押出機に投入し、導体上或いは内部半導電層上に、連続して押出し被覆してグラフトモノマー濃度が０．０１〜０．５ｗｔ％の絶縁層を形成する長尺の直流電力ケーブルの製造方法に関するもので、このようなＰＥ混合物を使用することにより、長時間連続して押出し被覆が可能となり、またＰＥ混合物を絶縁体とする長尺の直流電力ケーブルが得られる。すなわち、ＰＥ混合物を用いて、連続して押出し被覆を行ってもゲル化物の発生を抑え、樹脂焼けを防止できるので、長尺の直流電力ケーブルを連続して製造することが可能となる。また特に、直流電力ケーブルにおけるプラスチック絶縁体からの電荷注入、および内部のイオン性キャリアの移動による空間電荷形成が生じて電界変歪を起こして、直流絶縁破壊特性が低下するという問題もない。
【００１１】
順次詳細に説明する。前述したとおり、ポリエチレン鎖に、溶液法によって無水マレイン酸、アクリル酸、マレイミド（以下「グラフトモノマー」）から選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせた粉末グラフトポリエチレンを長尺の直流電力ケーブルの絶縁層に使用することによって、直流破壊特性を向上させることができる。これは、分子鎖中のカルボニル基が電極注入電荷のトラップ作用（ホモ空間電荷）によって、空間電荷形成が抑制されるためと考えられている。そして、前記グラフトモノマーとしては、無水マレイン酸、アクリル酸、マレイミドの少なくとも１種が好ましい。このように選択されるのは、分子中にカルボニル基とビニル基を有する他の化合物では、カルボニル基への注入電荷トラップ効率が有効に行われないので、直流破壊電圧の向上に寄与しないためである。
【００１２】
そして、ポリエチレン鎖にグラフトモノマーをグラフトさせる方法としては、溶液法を用いる。グラフト化方法としては、押出機等を用いる溶融混練法、溶媒に溶解して行う溶液法、ポリマー粒子を懸濁状で行うスラリー法、さらには気相法等が知られているが、本発明では前記溶液法によって行われる。これは、溶液法によってグラフト化されたグラフトＰＥが、特に直流電力ケーブルの絶縁体として好ましいことが判ったためである。この溶液法によって得られたグラフトＰＥは、グラフト化を低温の溶剤中で行えるので、溶剤を除去したグラフトＰＥは、ゲル化物を含まない粉末状のグラフトＰＥとして得られる。さらにこのグラフトＰＥは、グラフト化濃度が比較的高いものが得られるので、これにポリエチレンペレットやポリエチレン粉末を混合して希釈して使用することによって、樹脂焼け等を生じないようにすることができる。なお、ポリエチレン鎖にグラフトモノマーをグラフトさせるポリエチレンとしては、密度が０．８９〜０．９６ｇ／ｃｍ^３の超低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンのいずれも使用することが可能である。
【００１３】
しかしながら、グラフトＰＥ中のグラフトモノマーの濃度は、２０ｗｔ％以下とすることが好ましい。これは、グラフトモノマーの濃度（グラフト量）が２０ｗｔ％を超えると、混合するポリエチレンペレットやポリエチレン粉末との希釈倍率が大きくなり、分散が不均一となって直流電気特性低下するためである。そして実際には、直流電力ケーブル絶縁体（ＰＥ混合物に該当）中のグラフトモノマーの濃度が重要であり、好ましいグラフトモノマーの濃度は、０．０１〜０．５ｗｔ％である。グラフトモノマーの濃度が０．０１ｗｔ％未満であると、直流電気特性が得られず、また０．５ｗｔ％を超えると、前記極性基の含有量が多くなりすぎ、絶縁抵抗が低下するなど直流電気特性上好ましくない。
【００１４】
以上のような粉末状のグラフトＰＥを絶縁層とする長尺の電力ケーブルは、長尺直流電力ケーブルとして好ましいものである。長尺の直流電力ケーブルは、直流破壊電圧特性に優れると共に、接続部の数を少なくすることができるので、海底直流電力ケーブルとして実用的なものとなる。なお、長尺の直流電力ケーブルの内部半導電層、外部半導電層として使用される半導電性材料としては、ポリエチレン、エチレン・酢酸ビニル共重合体やエチレン・エチルアクリレート共重合体に、アセチレンブラック、ファーネスカーボン等のカーボンブラックを、必要量添加した半導電性樹脂組成物が好ましく用いられる。
【００１５】
このように、請求項１に記載の製造方法によれば、長尺の直流電力ケーブルの絶縁層の押出成形時に樹脂焼け等の問題を生じることがないので、長時間連続して押出成形することが可能となる。すなわち、ＰＥ混合物を直接押出機に投入しながら導体上或いは内部半導電層上に、連続して押出し被覆して絶縁層を形成する長尺の直流電力ケーブルの製造方法としたためである。これは、用いるグラフトＰＥのグラフト化を低温の溶剤中で行なえるので、溶剤を除去した後のグラフトＰＥはゲル化物を含まない粉末状のグラフトＰＥであり、またこのグラフトＰＥはグラフトモノマーの濃度が比較的高いものが得られる。すなわち、グラフトモノマーを２０ｗｔ％以下グラフトさせた粉末状のグラフトＰＥなので、これにポリエチレンペレットやポリエチレン粉末を混合して希釈して使用することによって、押出成形中に樹脂焼け等を生じないようにすることができる。このことによって、押出作業中の樹脂圧力が安定したものとなるので、長時間の連続押出し被覆作業が可能となる。そして、押出機等も特に特殊なものを必要とせず、従来の電力ケーブルの製造方法と同様に行うことができる。例えば、導体上に内部半導電層、絶縁層並びに外部半導電層を、３層同時押出しすることも可能である。
【００１６】
さらに、請求項２に記載するように、ポリエチレン鎖に溶液法によってアクリル酸、マレイミドから選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせた粉末グラフトポリエチレンと、ポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを、混合させながら押出機に投入し、導体上或いは内部半導電層上に、連続して押出し被覆してグラフトモノマー濃度が０．０１〜０．５ｗｔ％の絶縁層を形成する長尺の直流電力ケーブルの製造方法とすることによっても製造することができる。すなわち、グラフトＰＥとしてポリエチレン鎖のグラフト化を低温の溶剤中で行えるので、溶剤を除去した後のグラフトＰＥは、ゲル化物を含まない粉末状のグラフトＰＥであり、またこのグラフトＰＥはグラフトモノマーの濃度が比較的高いものが得られる。すなわち、グラフトモノマーを２０ｗｔ％以下グラフトさせた粉末状のグラフトＰＥなので、これにポリエチレンペレットやポリエチレン粉末を混合して希釈して使用することによって、押出成形中に樹脂焼け等を生じないものとすることができる。
このようなグラフトＰＥの希釈は、粉末状のグラフトＰＥとポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを、それぞれ必要量を押出機のホッパーに投入することによって混練され、押出される。このような製造方法とすることによって、押出作業中に樹脂焼け等を生じることがないので、スクリーンメッシュに樹脂焼けした異物が目詰りしたり、ケーブル絶縁体中に異物として混入することもない。このことによって、押出作業中の樹脂圧力が安定したものとなるので、長時間の連続押出し被覆作業が可能となる。そして、押出機等も特に特殊なものを必要とせず、従来の電力ケーブルの製造方法と同様に行うことができる。例えば、導体上に内部半導電層、絶縁層並びに外部半導電層を、３層同時押出しすることも可能である。
【００１７】
【実施例】
以下に実施例並びに比較例を示して、本発明の効果を説明する。４００ｍｍ^２の銅導体上に内部半導電層、絶縁層および外部半導電層を３層同時押出して、絶縁層厚が９ｍｍの直流用電力ケーブルを製造した。前記ケーブルの絶縁層の押出温度は２００℃で、異物除去のために６５０メッシュのスクリーンメッシュを使用した。また連続押出し時間は９６時間とした。前記絶縁層材料は、表１に示すとおりである。なお比較例の絶縁層は、通常の押出グラフト化ポリエチレン並びにグラフト化なしの高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）である。なお前記半導電層は、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）と高密度ポリエチレン（密度０．９５ｇ／ｃｍ^３）、アセチレンカーボンブラックを配合した半導電性混和物からなるもので、前記の配合比は、重量比でＥＶＡが７０、ＨＤＰＥが３０およびカーボンブラックが５０である。このようにして製造した前記直流電力ケーブルを試料として、９０℃における直流破壊電圧を測定した。また長時間押出性の指標として、９６時間連続押出しにおける押出機中の樹脂圧の状態と、押出し終了後の前記スクリーンメッシュの目詰まり状態を観察した。いずれも問題がないと判断したものは、○印で示した。結果は、表１のとおりである。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１の結果から明らかなように、実施例１〜５に示した本発明は、溶液法によるグラフトモノマーの濃度が特定されたグラフトＰＥ粉末と、ポリエチレンペレットとの混合物を使用する直流電力ケーブルは、直流破壊電圧が高く、長時間押出性の指標とした連続押出し中の樹脂圧力が異常に高くなることもなく、またスクリーンメッシュに、樹脂焼け等による異物が見られることもなかった。このように本発明によれば、長時間連続して長尺の電力ケーブルを製造することが可能であることがわかる。特に海底ケーブル用のプラスチック絶縁直流電力ケーブルを、良好に製造することができ実用的な製造方法である。
【００２０】
これに対して、比較例に記載される直流電力ケーブルの製造では、直流破壊電圧、樹脂圧力の問題やスクリーンメッシュの状態のいずれかに問題があり、好ましい長尺の直流電力ケーブルの製造方法とは言えないことがわかる。すなわち比較例１〜３に記載される、従来の押出グラフトＰＥペレットを絶縁体に使用する場合は、特に長時間押出性の指標であるスクリーンメッシュに樹脂焼けによる異物が多数存在することによって、樹脂圧力が異常に高くなったりして、長時間連続運転を行って長尺の直流電力ケーブルを製造する方法としては、好ましくないことがわかる。また比較例６に示したグラフト化されていない高密度ポリエチレンを用いた場合には、直流破壊電圧が低く直流電力ケーブルとして使用することができない。さらに比較例４並びに５に記載されるように、溶液法によるグラフトＰＥ粉末とポリエチレンペレットとのＰＥ混合物を使用する場合でも、グラフトモノマーの濃度が３０ｗｔ％や、絶縁体中のグラフトモノマーの濃度が７ｗｔ％のものも、直流破壊電圧が低くプラスチック絶縁直流電力ケーブルとしては問題がある。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、ポリエチレン鎖に、溶液法によってアクリル酸、マレイミドから選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせたグラフトＰＥと、ポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを混合したＰＥ混合物を、押出機に投入し、導体上或いは内部半導電層上に、連続して押出し被覆してグラフトモノマー濃度が０．０１〜０．５ｗｔ％の絶縁層を形成する長尺の直流電力ケーブルの製造方法としたので、直流電力ケーブルにおけるプラスチック絶縁体からの電荷注入および内部のイオン性キャリアの移動による空間電荷形成が生じて電界変歪を起こして、直流絶縁破壊特性が低下するということがないので、直流電力ケーブルとすることができる。
さらに、粉末状のグラフトＰＥとポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを混合したＰＥ混合物とすることによって、長尺の直流電力ケーブルの絶縁層の連続押出し被覆が可能となり、また得られた長尺直流電力ケーブルは、直流破壊電圧に優れた長尺の直流電力ケーブルとなる。
【００２２】
さらに、ポリエチレン鎖に溶液法によってアクリル酸、マレイミドから選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせたグラフトＰＥと、ポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを、混合させながら押出機に投入し、導体上或いは内部半導電層上に連続して押出し被覆してグラフトモノマー濃度が０．０１〜０．５ｗｔ％の絶縁層を形成する長尺の直流電力ケーブルの製造方法とすることによって、長時間連続して押出し被覆を行ってもゲル化物の発生を抑え、樹脂焼けを防止できるので、長尺の直流電力ケーブルを連続して長時間押出形成することが可能となる。
また得られた長尺直流電力ケーブルは、直流破壊電圧に優れた長尺の直流電力ケーブルとなる。このような長尺の直流電力ケーブルは、直流破壊電圧特性に優れまた接続部の数を少なくできるので、海底直流電力ケーブルとして実用的なものとなる。

Claims (2)

1. ポリエチレン鎖に、溶液法によってアクリル酸、マレイミドから選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせた粉末グラフトポリエチレンと、ポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを混合したポリエチレン混合物絶縁材料を、
   押出機に投入し、導体上或いは内部半導電層上に、連続して押出し被覆してグラフトモノマー濃度が０．０１〜０．５ｗｔ％の絶縁層を形成することを特徴とする長尺の直流電力ケーブルの製造方法。
2. ポリエチレン鎖に溶液法によってアクリル酸、マレイミドから選ばれる少なくとも１種を２〜２０ｗｔ％グラフトさせた粉末グラフトポリエチレンと、ポリエチレン粉末或いはポリエチレンペレットとを、
   混合させながら押出機に投入し、導体上或いは内部半導電層上に、連続して押出し被覆してグラフトモノマー濃度が０．０１〜０．５ｗｔ％の絶縁層を形成することを特徴とする長尺の直流電力ケーブルの製造方法。