JP4630519B2 - 半導体遮蔽を備えた直流用のエネルギーケーブル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエネルギーケーブル用半導体遮蔽に関する。より詳細には本発明は、直流中電圧、高電圧、および超高電圧エネルギーケーブル内で使用する遮蔽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
知られているように、この種のエネルギーケーブルは、内側から外側に向かって同軸に配設された、
・ たとえば銅線を備えた導体心線と、
・ ケーブル心線と接触する内側半導体遮蔽と、
・ 電気絶縁層と、
・ 電気絶縁層と接触する外側半導体遮蔽と、
・ 使用が任意の金属製保護遮蔽と、
・ 保護外装と
の構成要素を備える。
【０００３】
通常、電気絶縁層は、網状または非網状の、高密度または低密度ポリエチレンから成る。一方、半導体遮蔽は、一般に、極マトリックスから成る、すなわち、たとえばカーボンブラックの電気的伝導電荷を用いて荷電したエチレンおよびアルキルアクリレート共重合体のような親水基などの極性基を含む。極マトリックスの選択は、両構成要素間のよりすぐれた相互作用を実現するために、電荷をマトリックスに適合させる必要性によって決められる。
【０００４】
特に、高圧および超高圧直流ケーブルの動作時には、導体心線と内側半導体遮蔽との間、およびアルミニウム遮蔽と外側半導体遮蔽との間にきわめて高い電界が現れる。この電界により、半導体遮蔽から電気絶縁層への電荷の拡散（この場合、注入という）が生じる。次いでこの電荷は電気絶縁層に捕捉される。
【０００５】
ところで、エネルギーケーブル、特に高圧および超高圧ケーブルの破断および劣化現象は、これらケーブルの局所的部位の電界上昇によるものである。直流電圧の下では、電界上昇は空間電荷の特異な分布により、また、材質と密度により生じる。
【０００６】
したがって絶縁部への空間電荷の注入、ならびに注入される空間電荷の量は、絶縁部および半導体（電極）の性質の双方によって異なり、より正確には、半導体遮蔽のマトリックスの性質、マトリックス内の導電荷の性質および割合、ならびにこれらの構成要素の相互作用によって異なる。
【０００７】
文献ＥＰ−０６４４５５８は、空間電荷の注入現象を制限するために、半導体遮蔽の極マトリックスを無極マトリックスに換えることを提案している。この場合、電気絶縁層と半導体遮蔽との界面近傍の電気絶縁層の空間荷電の蓄積は確かに減少するが、電荷とマトリックスとの間の適合性という問題に直面する。
【０００８】
さらに、この方法では、ケーブルの心線との電気的導通に必要で、絶縁部が落雷の衝撃に耐えられるという半導体遮蔽の導電性が制限される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、電界の印加時に、使用する電気的機能を保証しつつ、隣接する電気絶縁層への空間電荷の注入を制限することが可能な半導体遮蔽を作製することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的のため本発明は、２つの層を備え、前記層のそれぞれが、内部で伝導電荷が分散されたポリマーマトリックスを含み、前記層のうちの第１の層が、２０℃から９０℃の間において０．１Ｓ／ｍより高い長手方向単位体積当たりの電気伝導率を有するエネルギーケーブル用半導体遮蔽であって、
前記層のうちの第２の層が前記エネルギーケーブルの電気絶縁層に接触して設置され、前記第２の層から前記電気絶縁層に注入することができる空間電荷量が少なく、その結果、前記半導体遮蔽から前記絶縁層に注入することができる空間電荷量が、前記第２の層のみから前記電気絶縁層に注入することができる空間電荷量よりも少なく、前記第２の層が、前記電気絶縁層への空間電荷の注入を制限するバリアを形成することを特徴とする遮蔽を提案する。
【００１１】
本発明により、半導体遮蔽の全体的電気特性、すなわち、電気絶縁層に直接接触している空間電荷の注入量が少ない半導体層が存在することより、電気絶縁層に注入することができる空間電荷量を低減させつつ、ケーブル内部における電界の分布を均一にする遮蔽の役割を果たすのに十分な導電性が保持される。
【００１２】
本発明は、すなわち、電気絶縁層への空間電荷の注入の制限と、半導体遮蔽の良好な電気伝導性という、今までは矛盾するとみなされていた２つの制約を満たすことに基くものである。
【００１３】
さらに本発明により、ケーブルの絶縁部に注入することができる空間電荷量に関する制約を受けずに、導体心線またはエネルギーケーブルの金属製遮蔽と接触する第１の層の材料を選択することができることに留意することが肝要である。したがってこれにより、有利な電気的特性を有しつつも、絶縁部に注入される空間電荷量があまりに多いため今までは使われなかった材料に道が開かれる。
【００１４】
非常に有利には、前記半導体遮蔽から前記絶縁層に注入することができる空間電荷量は２５℃から７０℃の間において２００ｎＣより小さい。
【００１５】
本発明によれば、前記第２の層のみから前記電気絶縁層に注入することができる空間電荷量は２５℃から７０℃の間において２５０ｎＣより小さい。
【００１６】
注入される空間電荷量に関しては、電荷量は、以下で詳細に記述する圧力波方法で測定されることに留意すべきである。
【００１７】
好ましくは、第１の層の長手方向単位体積当たりの電気伝導率は２０℃から９０℃の間において５Ｓ／ｍより大きく選択される。これにより、特に、ケーブルが動作時に受ける衝撃に対する強度がもたらされる。
【００１８】
同じく好ましくは、前記第２の層の長手方向単位体積当たりの電気伝導率は２０℃から９０℃の間において１０^−４から１０^−１Ｓ／ｍに選択される。これには、伝導電荷の種類および／または割合の選択に関する制約が低減されるという長所がある。
【００１９】
有利には、前記第１の層は、エチレンおよびアルキルアクリレート共重合体、あるいはこれらの共重合体とポリオレフィンとの混合物の中から選択されたマトリックスと、前記マトリックスに分散した伝導電荷とを含むことが出来る。
【００２０】
実際には、この第１層のとして、特に極マトリックスをベースとする、従来の半導体遮蔽用として知られているあらゆる材料を選択することができる。
【００２１】
同じく有利には、実施の第１の変形形態によれば、前記第２の層は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンならびにこれらの共重合体の中から選択されたポリマーマトリックスと、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンならびにこれらの共重合体の中から選択されたポリマーアロイと、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、これらの共重合体、および前記アロイの中から選択された化合物の混合物と、前記マトリックスに分散した伝導電荷とを含むことが出来る。
【００２２】
第２の変形形態によれば、前記第２の層は、ポリオレフィン熱可塑性エラストマーならびにこれらの混合物の中から選択されたポリマーマトリックスを含むことが出来る。
【００２３】
より詳細には、ポリマーマトリックスは、ポリエチレンと、スチレンとブタジエン、およびスチレンとイソプレンの共重合体の中から選択されたスチレン水化連続共重合体とを含む混合物で構成することが出来る。
【００２４】
電荷はアセチレンブラックなどのカーボンブラックから選択される。
【００２５】
本発明は、以上で定義したような少なくとも１つの半導体遮蔽を備えるエネルギーケーブルにも関する。
【００２６】
より正確には、本発明によるエネルギーケーブルは、内側から外側に向かって同軸に配設された、
・ 導体心線と、
・ 内側半導体遮蔽と、
・ 電気絶縁層と、
・ 外側半導体遮蔽と、
・ 保護外装と
を備え、
内側半導体遮蔽の第１の層は前記導体心線と接触し、かつ、
内側および外側半導体遮蔽の第２の層は電気絶縁層と接触する。
【００２７】
さらに、本発明によるケーブルは、外側半導体遮蔽と保護外装との間に保護金属遮蔽を備える。
【００２８】
本発明は特に直流エネルギーケーブルに適用される。
【００２９】
本発明の他の特徴および長所は、非限定的例として示した本発明の実施形態についての以下の説明において明らかになろう。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は、内側から外側に向かって同軸に配設された、
・ 銅製の導線２のストランドで形成される導体心線１と、
・ 導体心線１と接触する内側半導体遮蔽３と、
・ 高密度または低密度ポリエチレン、網状ポリエチレン、メチレン主鎖エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）などの誘電材料による電気絶縁層４と、
・ 電気絶縁層４と接触する外側半導体遮蔽５と、
・ アルミニウムのリボンで構成される任意の金属製保護遮蔽６と、
・ ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、あるいはポリマーと難燃性添加物との混合物などの材料による保護外装７と
を備えるケーブル１０を示す。
【００３１】
本発明によれば、内側半導体遮蔽３は、導体心線１と接触し、２０℃から９０℃の間において、通常、０．１Ｓ／ｍを上回り、好ましくは、この温度において５Ｓ／ｍを上回る高い長手方向単位体積当たりの電気伝導率の導電層３１と、分極後、絶縁層４に少量の空間電荷を注入することができ、その結果、遮蔽３から電気絶縁層４内に注入される空間電荷量は、２５℃から７０℃の間において通常２００ｎＣ未満である層３２とを備え（図２を参照のこと）、層３２は電気絶縁層４に接触するコンパウンドである。
【００３２】
同じく本発明によれば、外側半導体遮蔽５は、２０℃から９０℃の間において、通常、０．１Ｓ／ｍを上回り、好ましくは、この温度において５Ｓ／ｍを上回る、高い単位体積当たりの電気伝導率を有し、金属遮蔽６と接触する層５１と、分極後、絶縁層４に少量の空間電荷を注入することができ、その結果、遮蔽５から電気絶縁層４に注入される空間電荷量は、２５℃から７０℃の間において通常２００ｎＣ未満である層５２とを備え、層５２は電気絶縁層４に接触するコンパウンドである。
【００３３】
以上で言及したように、本発明による半導体遮蔽３および５により、ケーブル１０の導体素子の近傍において十分な電気伝導性を得て電界分布の均一化機能を実現するとともに、電気絶縁層４への空間電荷注入を制限することができるが、これは、分極後、電気絶縁層と接触する半導体遮蔽３および５の層３２および５２は少量の空間電荷を注入するからである。
【００３４】
本発明の有効性を示すために、図３に基本構造を示す３つの異なる試料Ａ、ＢおよびＣに対して、知られているような圧力波方法により、空間電荷の測定を行った。試料Ａの層ＳＣ１およびＳＣ２の厚さは試料ＢおよびＣの層ＳＣ１およびＳＣ２の厚さの２倍である。
【００３５】
これら試料のそれぞれは、同一の組成の２つの半導体層ＳＣ１およびＳＣ２の間に設置した厚さ０．８ｍｍの電気的絶縁層Ｉを備える。
【００３６】
試料Ａにおいては、２つの層ＳＣ１およびＳＣ２は、多量の空間電荷を導入することができる、以下に示す組成１の材料による層と、接触する電気絶縁層Ｉに少量の空間電荷を導入する、以下に示す組成２の材料による層とでそれぞれ構成される本発明による複合半導体遮蔽である。
【００３７】
組成１
２のメルトフローインデックスおよび１２６５００ｇ／モルの重量の平均分子量を有する低密度ポリエチレン（０．９１９ｇ／ｃｍ^３）：１００部
水化ＳＢＳ（スチレンおよびブタジエン水化連続共重合体）：２０部
ＥＮＳＡＣＯ２５０Ｇファーネスブラック：３９部
酸化防止剤：０．２５部
組成２
２のメルトフローインデックスおよび１２６５００ｇ／モルの重量の平均分子量を有する低密度ポリエチレン（０．９１９ｇ／ｃｍ^３）：１００部
水化ＳＢＳ：２０部
ＤＥＮＫＡアセチレンブラック：３９部
酸化防止剤：０．２５部
【００３８】
試料Ｂにおいては、２つの層ＳＣ１およびＳＣ２は専ら上記組成２の材料から成る。
【００３９】
試料Ｃにおいては、２つの層ＳＣ１およびＳＣ２は専ら上記組成１の材料から成る。
【００４０】
上記組成１および２は、電気伝導度に関係なく、注入された空間電荷量の比較を行うことができるようにするために選択されたものであることに留意することが重要である。
【００４１】
実施する試験、すなわち圧力波試験は、各半導体遮蔽が（＋）および（−）電極を構成する被試験体にＹＡＧレーザビームを照射する。（−）電極の表面に吸収されるビームは熱分解によりこの表面を分解し、発生するガスは試料を横切る圧力波を発生し、空間電荷の移動、および電極にならった電荷の発生を伴い、測定信号を発生させる。この信号を処理することにより、電界分布および試料の単位体積当たりの電荷密度についての示唆が得られる。
【００４２】
被試験試料についての試験の際に明らかにされる値は、絶縁層Ｉの正電荷の最大密度Ｄ_＋と、絶縁層Ｉの負電荷の最大密度Ｄ₋と、絶縁層Ｉの電荷の合計量Ｄ_Ｔ（実際にはそのイメージ）である。
【００４３】
以下の表１は、周囲温度（２５℃）において＋４０ｋＶの直流電圧で４時間試料を分極した後、印加した電界を除いて得られた結果を示す。
【表１】

【００４４】
この表は、周囲温度において、本発明による半導体遮蔽は、単体注入量が最も多い層（試料Ｃ）と比べ、注入する空間電荷量は１９分の１であるばかりでなく、単体注入量が最も少ない層（試料Ｂ）と比べても１５分の１であることを明らかにしている。したがって、これは全く驚愕に値する結果である。
【００４５】
この表は、電気伝導特性が満足のいくものであるため、空間電荷注入量が大きい、中程度、あるいは少ない材料のいずれも本発明による半導体遮蔽の第１の層として選択可能であることを示している。
【００４６】
下記の表２は、７０℃において＋４０ｋＶの直流電圧で４時間試料を分極した後に得られた結果を示す。
【表２】

【００４７】
表２は、周囲温度で得られた結果は高温でも有効であることを示している。
【００４８】
同じく、図３に基本構造を示す試料Ｄ、Ｅ、ＦおよびＧに対して、上記と同じ条件で別の測定を行った。
【００４９】
試料Ｄにおいては、２つの層ＳＣ１およびＳＣ２は、多量の空間電荷を導入することができる以下に示す組成３の材料による層と、接触する電気絶縁層Ｉに少量の空間電荷を導入する、以下に示す組成４の材料による層とでそれぞれ構成される本発明による複合半導体遮蔽である。
【００５０】
組成３
２のメルトフローインデックスおよび２１２０００ｇ／モルの重量の平均分子量を有する低密度ポリエチレン（０．９２０ｇ／ｃｍ^３）：１００部
水化ＳＢＳ：２０部
ＥＮＳＡＣＯ２５０Ｇファーネスブラック：３９部
酸化防止剤：０．２５部
組成４
２のメルトフローインデックスおよび２１２０００ｇ／モルの重量の平均分子量を有する低密度ポリエチレン（０．９２０ｇ／ｃｍ^３）：１００部
水化ＳＢＳ：２０部（発明者による説明では）
ＤＥＮＫＡアセチレンブラック：３９部
酸化防止剤：０．２５部
【００５１】
試料Ｅにおいては、２つの層ＳＣ１およびＳＣ２は、専ら上記組成４の材料から成る。
【００５２】
試料Ｆにおいては、２つの層ＳＣ１およびＳＣ２は、専ら上記組成３の材料から成る。
【００５３】
試料Ｇにおいては、２つの層ＳＣ１およびＳＣ２は、専らポリエチレンならびにエチレンおよび酢酸ビニルの共重合体の混合物をベースとする市販の高空間電荷量および高電気伝導率半導体材料から成る。
【００５４】
ＤからＧの全ての試料に関して、層ＳＣ１およびＳＣ２の厚さは同一であることに注意すべきである。
【００５５】
ここでもまた、上記組成３および５は、電気伝導度に関係なく、注入された空間電荷量の比較を行うことができるようにするために選択されたものであることを述べておくことが重要である。
【００５６】
下記表３は、周囲温度（２５℃）において＋４０ｋＶの直流電圧で４時間試料を分極した後、印加した電界を除いて得られた結果を示す。
【表３】

【００５７】
表３に示す結果は表１の定性的結論と同じ結論をもたらすものである。
【００５８】
下記表４は、７０℃において＋４０ｋＶの直流電圧で４時間試料を分極した後に得られた結果を示す。
【表４】

【００５９】
表４に示す結果は表２の定性的結論と同じ結論をもたらすものである。
【００６０】
ここでは、本発明によるケーブルの製造方法の詳細については言及しない。本発明による遮蔽は、当業者によく知られた適当な装置内に２つの構成層を共に押し出すことにより得ることができることだけを示しておく。
【００６１】
もちろん、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
【００６２】
同様に、記述したエネルギーケーブルの構造は例として示したものに過ぎず、本発明によるエネルギーケーブルは、たとえば内側半導体遮蔽のみ、あるいは外側半導体遮蔽のみなど、本発明による半導体遮蔽しか備えないようにすることもできる。さらに、本発明によるケーブルは、たとえば貼り合わせまたは溶接アルミニウム遮蔽など、他のタイプの金属製保護遮蔽を備えることができる。
【００６３】
さらに、金属製遮蔽および外装を含む保護構造は、特に、水があることにより膨張する保護バンドのような他の保護要素も含むことができる。このような保護バンドは、外側半導体遮蔽と金属製保護遮蔽の間に置くことができる。保護バンドはそれ自身で電気的導通を確保するか、外側半導体遮蔽と金属製遮蔽との間の電気的導通を確保する導体手段に結合される。
【００６４】
また、本発明によるケーブルの種々の要素として示された材料は例示的なものであり、もちろん、当業者にとって入手可能な同等の材料で置き換えることができる。
【００６５】
このように、特に、当業者であれば以下のようにして、例として上で示した組成を変化させることができる。
【００６６】
− ポリマーマトリックスのスチレンの単位質量あたり含有量は０．１％から２０％まで、好ましくは１％から１０％までとすることができる。
【００６７】
− 導電体の添加は好ましくは、「ファーネス」型のカーボンブラック（すなわちファーネスブラック）よりも純度が高い「アセチレン」型カーボンブラックとすることができる。
【００６８】
− （マトリックスに対する）カーボンブラックの単位質量あたり含有量は１５％から４０％まで、好ましくは２０％から３０％までとすることができる。
【００６９】
− 使用する酸化防止剤はＩｒｇａｎｏｘ１０１０であり、酸化剤の単位質量あたり含有量は０．１％から０．２％まで、好ましくは０．１５％とすることができる。
【００７０】
最後に、本発明の範囲から逸脱することなく、あらゆる手段を同等の手段で取り換えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による２つの半導体遮蔽を内蔵するエネルギーケーブルの分解透視図である。
【図２】図１のケーブルの横方向断面図である。
【図３】圧力波試験を実施するのに用いる試料の断面図である。
【符号の説明】
１ 導体心線
２ 銅製の導線
３ 内側半導体遮蔽
４ 電気絶縁層
５ 外側半導体遮蔽
６ 金属製保護遮蔽
７ 保護外装
１０ ケーブル
３１ 導体心線と接触している内側半導体遮蔽の第１の層
３２ 絶縁層に少量の空間電荷を注入することができ内側半導体遮蔽の第２の層
５１ 金属遮蔽と接触している外側半導体遮蔽の第１の層
５２ 絶縁層に少量の空間電荷を注入することができる外側半導体遮蔽の第２の層
ＳＣ１、ＳＣ２ 半導体層

Claims (9)

1. 内側から外側に向かって同軸に配設された、
   導体心線（１）と、
   内側半導体遮蔽（３）と、
   電気絶縁層（４）と、
   外側半導体遮蔽（５）とを備える、直流用のエネルギーケーブルであって、
   前記内側半導体遮蔽（３）が２つの層（３１、３２）を備えており、該層のそれぞれが、内部に導電性添加物が分散されたポリマーマトリックスを含んでおり、第１の層（３１）は、前記導体心線（１）と接触していて、２０℃から９０℃の間で５Ｓ／ｍより高い長手方向単位体積当たりの電気伝導率を有しており、第２の層（３２）は、２０℃から９０℃の間で電気伝導率が１０^−４から１０^−１Ｓ／ｍであり、
   前記外側半導体遮蔽（５）が２つの層（５１、５２）を備えており、該層のそれぞれが、内部に導電性添加物が分散されたポリマーマトリックスを含んでおり、第１の層（５１）は、２０℃から９０℃の間で５Ｓ／ｍより高い長手方向単位体積当たりの電気伝導率を有しており、第２の層（５２）は、前記電気絶縁層（４）と接触していて、２０℃から９０℃の間で電気伝導率が１０^−４から１０^−１Ｓ／ｍであり、
   各遮蔽の前記第２の層（３２、５２）は、該第２の層（３２、５２）から前記絶縁層（４）に注入される空間電荷量を少なくするものであるため、前記半導体遮蔽（３、５）から前記絶縁層（４）に注入される空間電荷量が、仮に半導体遮蔽が前記第２の層（３２、５２）のみからなるとした場合に、前記第２の層（３２、５２）のみからなる半導体遮蔽から前記電気絶縁層（４）に注入される空間電荷量よりも少なく、前記第２の層（３２、５２）が、前記電気絶縁層（４）への空間電荷の注入を制限するバリアを形成することを特徴とする、前記エネルギーケーブル。
2. 前記半導体遮蔽（３、５）から前記絶縁層（４）に注入することができる空間電荷量が２５℃から７０℃の間において２００ｎＣより小さいことを特徴とする請求項１に記載のケーブル。
3. 仮に半導体遮蔽が前記第２の層（３２、５２）のみからなるとした場合に、前記第２の層（３２、５２）のみからなる半導体遮蔽から前記絶縁層（４）に注入することができる空間電荷量が２５℃から７０℃の間において２５０ｎＣより小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のケーブル。
4. 前記第１の層（３１、５１）が、エチレン共重合体およびアルキルアクリレート共重合体、あるいはこれらの共重合体とポリオレフィンとの混合物の中から選択されたマトリックスと、前記マトリックスに分散した導電性添加物とを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のケーブル。
5. 前記第２の層（３２、５２）が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンならびにこれらの共重合体と、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンならびにこれらの共重合体の中から選択された少なくとも２つから成るポリマーアロイと、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、これらの共重合体、および前記アロイの中から選択されたものからなる混合物との中から選択されたポリマーマトリックスと、前記マトリックスに分散した導電性添加物とを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のケーブル。
6. 前記第２の層（３２、５２）が、ポリオレフィン熱可塑性エラストマーならびにこれらの混合物の中から選択されたポリマーマトリックスと、前記マトリックスに分散した導電性添加物とを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のケーブル。
7. 前記第２の層（３２、５２）の前記ポリマーマトリックスが、ポリエチレンと、水素化スチレン共重合体とを含む混合物で構成され、該水素化スチレン共重合体が、スチレンおよびブタジエンの共重合体ならびにスチレンおよびイソプレンの共重合体の中から選択されたスチレン共重合体を水素化したものであることを特徴とする請求項５に記載のケーブル。
8. 前記導電性添加物がアセチレンブラックなどのカーボンブラックから選択されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のケーブル。
9. 前記外側半導体遮蔽（５）上に、金属製保護遮蔽（６）を備え、該金属製保護遮蔽（６）上に、保護外装（７）をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のケーブル。

Images