JP5479774B2

JP5479774B2 - 固体絶縁ケーブルの品質試験方法

Info

Publication number: JP5479774B2
Application number: JP2009110632A
Authority: JP
Inventors: 秀郎田中
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Fujikura Ltd; Viscas Corp
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Fujikura Ltd; Viscas Corp
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: JP2010261735A

Description

本発明は、固体絶縁ケーブルの品質試験方法に関し、長尺固体絶縁ケーブルの品質を全長にわたって保証するための品質試験方法に関するものである。

従来から、長尺の固体絶縁ケーブルの全長にわたる品質保証試験を行なう方法として、特許文献１に記載のものが提案されている。
特許文献１に記載の試験方法は、工場出荷試験や現地竣工時の耐電圧試験等において、まず裁断過程の第１ステップで、直流電圧を印加後に課電端を短絡させ、次のステップで、逆端側を直流電圧発生装置に接続して同様の操作を行って、有害欠陥部から電気トリーを発生させる。この裁断過程を経た後に所定の直流電圧を所定時間連続課電して、前記裁断過程において発生させた電気トリーを進展破壊させる過程を行なうことで、長尺の固体絶縁ケーブルの全長にわたる品質保証試験を行なう。

特許第４１０１１２０号公報

固体絶縁によるケーブルにおいては、直流電圧印加により、絶縁体中に空間電荷の蓄積現象が起きることが知られており、これにより欠陥部に電界緩和現象を引き起し、欠陥部における検出能力を低下させる要因となる。特許文献１に記載の発明は、上記欠陥部からの破壊を誘発させにくい問題点を前記裁断過程を行なうことで解決する効果的な方法である。
しかし、特許文献１に記載のものでは、印加した直流電圧を短絡させる操作をケーブル両端側からそれぞれ同様に行わなければならないため、試験の手順が煩雑化するという問題点を抱えていた。

両側よりそれぞれ印加した直流電圧を短絡させる操作を行わなければならない理由は、印加した直流電圧を短絡させる操作を行なう高圧短絡端側では極性反転波が十分な振幅を持たないためである。すなわち、短絡操作を行ったとき、高圧短絡端とは反対側( 非短絡端側) には振幅の大きな極性反転波が発生するのに対し、高圧短絡端側に発生する極性反転波は振幅が浅い。このため、ケーブルの両端近傍を含む全長に十分大きな極性反転波を印加するためには、両側で短絡操作を行なう必要があった。
また、このような取り扱いを行うと、ケーブルの両端部近傍においては必要とする極性反転波は都合１回しか与えられないのに対して、その他の部分は２回の極性反転波履歴が与えられることとなり、従って全長均一な極性反転波の振幅条件での試験を行うことができない、と言う問題点も伴うこととなる。

そこで、本発明は、固体絶縁ケーブル、それも例えば２０００ｍを超えるケーブルに対して、極性反転時の運用も考慮に入れた効果的かつコスト的にも優れる全長にわたる品質保証試験を行なう方法を提供するものであり、全長にわたりほぼ均一な極性反転波の振幅条件による試験を実現させ、更に直流短絡操作を一端側のみ１回で済ませることができる合理的・効率的な試験方法を提供することを目的とする。

本発明においては、次のようにして前記課題を解決する。
第一のステップにおいて、固体絶縁ケーブルの一端側に直流電圧発生装置を接続し、導体と遮蔽層間に所定の直流電圧を印加し、当該直流電圧課電端側において高電圧部と接地間を短絡させることによって印加電圧を裁断させて電気トリーの誘発をさせる操作を１回以上実施し、該操作が終了した以後に、第二のステップとして、ケーブルの導体と遮蔽層の間に所定の直流電圧を所定時間連続して印加し、電気トリーが前記裁断過程において発生した場合に、これを進展・破壊させる長尺固体絶縁ケーブルの全長にわたる品質試験方法において、上記第一のステップにおいて前記固体絶縁ケーブルに課電リードケーブル（以下、「リードケーブル」と言うことがある）を接続し、これを介して直流電圧発生装置を接続して直流電圧を印加する。
このように、直流電圧発生装置を接続する短絡端側に予め準備した課電リードケーブルを接続し、短絡端側の有効な極性反転波が生じない部分がこの課電リードケーブル部分内となるようにすれば、試験に供される固体絶縁ケーブルには全長に渡って有効な極性反転波が生じることになる。この結果、固体絶縁ケーブルの一端側で短絡操作するだけで、固体絶縁ケーブルの全長を試験できる。
課電リードケーブルを用いずに固体絶縁ケーブルの一端側で短絡操作するだけとし、有効な極性反転波が印加されなかった短絡端側の一定長部分を廃却する方法も考えられるが、このような方法では、不経済である。このような方法に比較して、本発明の方法は経済的である。

上記課電リードケーブルの長さは、好ましくは５００ｍ以上が望ましい。短絡端側の有効な極性反転波が生じない部分は一般に２００ｍ以内であり、安全を見ても５００ｍを目安とすれば十分だからである。

前記課電リードケーブルの特性インピーダンスと固体絶縁ケーブルの特性インピーダンスの差は、固体絶縁ケーブルの特性インピーダンスの１０％以下であることが望ましい。特性インピーダンスが著しく異なる場合、課電リードケーブルと被試験ケーブルの接続点においてインピーダンスの不連続が生じることで、不要な進行波の反射と透過現象が生じ、期待する極性反転波とは異なる電圧波形がケーブル中に生じて、不都合を来す。そこで、このような反射・透過現象による影響を最小限にとどめるためには、２つのケーブルの特性インピーダンスの差を１０％以内とすることが望ましい。

本発明においては、短絡端側の有効な極性反転波が生じない部分を課電リードケーブルに置き換えているので、品質試験の対象である固体絶縁ケーブルには全長に渡って有効な極性反転波が発生することになる。
このため、片端側からの直流電圧印加・裁断操作のみで、品質試験を行うことが可能となり、直流電圧の裁断操作を被試験ケーブルの両側で順次行わずとも、同等の結果を得ることでき、試験手順の簡素化・合理化を図ることができる。また、全長均一な極性反転波の振幅条件での試験を行うことが可能となる。
特に、直流電圧発生装置と当該試験ケーブルの間を５００ｍ以上とし、かつ、特性インピーダンスの差が１０％以内である課電リードケーブルを用いて接続することで、試験の対象である固体絶縁ケーブルに有効な極性反転波を生じさせることができ、さらに、不必要な進行波の反射と透過現象が生じることがなく、期待する極性反転波で試験を行うことができる。

ケーブルに印加した直流電圧を裁断させた後に発生する極性反転波形の測定要領を説明する図である。図１の実験により測定された被試験ケーブル各部の導体電圧波形である。被試験ケーブルにリードケーブル（５００ｍ、絶縁厚３ｍｍ、導体サイズ２２ｍｍ²）を接続した場合の極性反転波形の測定要領を説明する図である。図３の実験によりリードケーブル短絡端に発生した電圧波形を示す図である。図３の実験によりリードケーブルと被試験ケーブル接続点に発生した電圧波形を示す図である。図３の実験により被試験ケーブル開放端に発生した電圧波形を示す図である。被試験ケーブルにリードケーブル（５００ｍ、絶縁厚３ｍｍ、導体サイズ２０００ｍｍ²）を接続した場合の極性反転波形の測定要領を説明する図である。図７の実験によりリードケーブル短絡端に発生した電圧波形を示す図である。図７の実験によりリードケーブルと被試験ケーブル接続点に発生した電圧波形を示す図である。図７の実験により被試験ケーブル開放端に発生した電圧波形を示す図である。被試験ケーブルにリードケーブル（５００ｍ、絶縁厚６ｍｍ、導体サイズ３８ｍｍ²）を接続した場合の極性反転波形の測定要領を説明する図である。図１１の実験によりリードケーブル短絡端に発生した電圧波形を示す図である。図１１の実験により、リードケーブルと被試験ケーブル接続点に発生した電圧波形を示す図である。図１１の実験により被試験ケーブル開放端に発生した電圧波形を示す図である。本発明の効果を検証するための試験構成（１）を示す図である。本発明の効果を検証するための試験構成（２）を示す図である。図１５の試験における、模擬突起近傍の極性反転波形を示す図である。図１６の試験における、模擬突起近傍の極性反転波形を示す図である。

以下、本発明を実施例に基づいて説明を行う。
実験を行うに際して、被試験ケーブルとして、絶縁厚３ｍｍの架橋ポリエチレンを絶縁体に持つ固体絶縁ケーブルを準備した。導体サイズは２２ｍｍ²として、一連で３０００ｍのものを１本試作した。このケーブルを用いて欠陥の検出を目的とした直流極性反転波形発生の状況について、種々比較を実施した。

（１）従来技術の方法により発生する極性反転波形
前記３０００ｍのケーブルに対して、従来技術の方法によって、直流電圧印加後にケーブルの課電端を短絡させることによって極性反転波形を発生させてみた。
試験回路構成は図１に示すとおりであり、被試験ケーブル１の一方端部側の高電圧部１ａと接地間に直流電圧発生装置２から所定電圧の直流電圧を印加したのち、一方端部側の高電圧部１ａと接地間を短絡用球ギャップ３で短絡させることで、直流印加電圧を裁断させ極性反転波形を発生させる操作を行った。これにより発生した裁断波が、一方端部側１ａからケーブル１の他方端部１ｂ側に進行波として進行する。この裁断波は他方端部１ｂ側で開放端反射して極性反転波が発生し、この極性反転波は一方端部１ａ側に向かって逆方向に進行する。

実験では、ケーブル全長各所で導体部分の電圧波形を取得するため、本来の試験電圧よりは十分低い直流電圧を印加し、オシロスコープ４とプローブ５により直接測定できる様な数十ボルトの直流電圧を用いて、検証試験を実施した。
オシロスコープ４とプローブ５により各部の波形を測定した結果、試験ケーブル１の各部においては図２に示すような波形が観測された。図２において、横軸は時刻（ｍｓｅｃ）、縦軸は導体−遮蔽間電圧であり、印加電圧に対する割合（印加電圧の大きさを１００としたときの割合（％））を示しており、試験ケーブルの短絡端側（一方端部側１ａ）からの距離が０ｍ（細線）、２００ｍ（実線）、５００ｍ（太実線）、７５０ｍ（細線）、１０００ｍ（実線）、１５００ｍ（点線）、３０００ｍ（太実線）の場合の導体−遮蔽間電圧をそれぞれ示している。同図に示すように上記距離が大きいほど振幅が大きくなっている。
これより、ケーブルの短絡端部分１ａから概ね５００ｍを超える距離より開放端１ｂ側には、開放端１ｂに生じる電圧振幅の８０％以上の有効な振幅を有する極性反転波が生じていることが確認される。

一方で、短絡端１ａ側より概ね２００ｍ以内の領域は５００ｍより遠い領域と比較して、短絡端反射の影響によって十分な波高値を持つ極性反転波になっておらず、この部分には必要十分な極性反転波が直流電圧の短絡によって生じていないことが確認された。このことは、短絡端より最低２００ｍ以内の領域は適正な電圧印加がなされていないと考えるべきである。
試験の信頼性を確保するためには、安全を見て前記２００ｍの２倍以上である５００ｍ程度部分は有効な試験が行われていないと考えることが確実である。そこで、簡便にはこの箇所は試験後に除去することで目的を達することはできるが、５００ｍものケーブルを試験の都度廃却することはあまりに不経済である。

（２）本発明による方法（その１）
そこで、上記５００ｍに相当する箇所を予め課電リードケーブルとして繰り返し使用することを前提として準備することを想定して、同仕様のケーブルによる５００ｍのリードケーブルを介して、同様の極性反転波発生時の電圧波形を測定した。その状況を図３に示す。被試験ケーブル１の一方端部１ａにリードケーブル６の一方端を接続し、リードケーブル６の他方端部１ｃの高電圧部と接地間に、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。その後、他方端部１ｃの高電圧部と接地間を短絡用球ギャップ３で短絡させることで直流印加電圧を裁断させ極性反転波形を発生させる操作を行い、前記したようにオシロスコープ４とプローブ５により各部の波形を測定した。
被試験ケーブル１は（１）項との対比を容易にするため、５００ｍ分のリードケーブル６を切り分けた残りの２５００ｍの長さとした。

図４はリードケーブル６の短絡端１ｃに発生する波形、図５はリードケーブル６と被試験ケーブル１の接続点１ａに発生する波形、図６は被試験ケーブル１の開放端１ｂに発生する波形を実測した結果であり、前記したように横軸は時刻（ｍｓｅｃ）、縦軸は導体−遮蔽間電圧であり、印加電圧に対する割合（印加電圧の大きさを１００としたときの割合（％））を示している。
図４は図２の０ｍ地点の波形と、図６は図２と３０００ｍ地点の波形とほぼ同一であることがわかった。一方、図５は図２の短絡端より５００ｍ地点の波形とほぼ同一である。従って、この方法によって、被試験ケーブルの両端よりそれぞれ直流電圧の短絡操作を行わなくても、被試験ケーブルの全長にわたって開放端側に生じる振幅の８０％以上を有する極性反転波を発生させることが可能であることがわかった。

（３）本発明による方法（その２）
しかしながら、電力ケーブルの特性インピーダンスはケーブル構造によって異なるため、違うサイズのケーブケーブル同士を接続する場合には、接続点において特性インピーダンスの不連続が生じる。従って、このインピーダンス不連続に起因する反射波、透過波の発生が生じ、発生する極性反転波形を乱す原因となる。
試しに、同じ絶縁厚３ｍｍでも導体サイズが２０００ｍｍ²と極端に大きいケーブル５００ｍを課電リードケーブルとして用い、被試験ケーブルは（２）項記載の絶縁厚３ｍｍ、導体サイズ２２ｍｍ²のケーブル２５００ｍとした場合の発生波形を実測してみた。
試験構成は図７に示すとおりである。同図に示すように被試験ケーブル１の一方端部１ａに、上記絶縁厚３ｍｍ、導体サイズ２２ｍｍ²のリードケーブル６の一方端を接続し、前記したように、直流電圧発生装置２から直流電圧を印加したのち、短絡用球ギャップ３で短絡させることで直流印加電圧を裁断させ極性反転波形を発生させる操作を行い、前記したようにオシロスコープ４とプローブ５により各部の波形を測定した。

図８、図９、図１０にその結果を示す。図８はリードケーブル６の短絡端１ｃに発生する波形、図９はリードケーブル６と被試験ケーブル１の接続点１ａに発生する波形、図１０は被試験ケーブル１の開放端１ｂに発生する波形であり、前記したように横軸は時刻（ｍｓｅｃ）、縦軸は導体−遮蔽間電圧であり、印加電圧に対する割合（印加電圧の大きさを１００としたときの割合（％））を示している。
これよりわかる様に、リードケーブルの短絡端波形（図８）、リードケーブルと被試験ケーブルの接続点波形（図９）、被試験ケーブルの開放端に発生する波形（図１０）は、それぞれ図４，図５，図６と波形及び振幅は著しく異なっており、同じ電圧変化幅で変動する極性反転波形とは言えない事がわかる。２２ｍｍ2 ケーブルの特性インピーダンスは３９．４Ω、２０００ｍｍ2 ケーブルの特性インピーダンスは６．４Ωであることより、その差が大きい場合は不都合が生じることがわかる。

（４）本発明による方法（その３）
そこで、リードケーブルとして、絶縁厚６ｍｍ、導体サイズ３８ｍｍ2 のケーブルを同じく５００ｍ用意して同様の試験を行ってみた。被試験ケーブルは（２）項記載の絶縁厚３ｍｍ、導体サイズ２２ｍｍ2 のケーブル２５００ｍとした。試験構成は図１１に示すとおりである。同図に示すように被試験ケーブル１の一方端部１ａに、上記絶縁厚３ｍｍ、導体サイズ２２ｍｍ2 のリードケーブル６の一方端を接続した。その他は、図７と同じである。
図１２、図１３、図１４にその結果を示す。図１２はリードケーブル６の短絡端１ｃに発生する波形、図１３はリードケーブル６と被試験ケーブル１の接続点１ａに発生する波形、図１４は被試験ケーブル１の開放端１ｂに発生する波形であり、前記したように横軸は時刻（ｍｓｅｃ）、縦軸は導体−遮蔽間電圧であり、印加電圧に対する割合（印加電圧の大きさを１００としたときの割合（％））を示している。

これよりわかる様に、リードケーブルの短絡端波形（図１２）、リードケーブルと被試験ケーブルの接続点波形（図１３）、被試験ケーブルの開放端に発生する波形（図１４）は、それぞれ図４，図５，図６とほぼ等価な電圧変化幅で変動する極性反転波形と見なせることがわかる。３ｍｍ厚、２２ｍｍ²ケーブルの特性インピーダンスは３９．４Ω、６ｍｍ厚３８ｍｍ²ケーブルの特性インピーダンスは４４．９Ωであることより、両者の特性インピーダンス差は１０％強である。このように、特性インピーダンスの差が概ね１０％程度である場合は、実用上問題ない波形乱れの程度で収まることがわかった。従って、特性インピーダンス差は±１０％以内にすれば、良好な極性反転波を発生させることができる。

上記の結果より、直流電圧を裁断させるステップにおいて直流電圧を印加する際に、好ましくは、特性インピーダンスの差が当該試験ケーブルの１０％以内であり、長さ５００ｍ以上の課電リードケーブルを用いて被試験ケーブルを接続することにより、直流電圧裁断操作を一方の端末側からのみ行なっても、両端末側で裁断操作した場合と同等の効果が得られることが期待される事となる。

（５）本発明の実験的検証
そこで、実地にこの効果を検証するため、上記（４）項記載と同一の試験試料を準備して、以下の実験を行った。ケーブルは絶縁厚３ｍｍ、導体サイズ２２ｍｍ²のＣＶケーブル２５００ｍを複数本用意した。
これらにおいて、一方の端末のごく近傍に人工欠陥として金属針をケーブルの外部半導電層側から１ｍｍ、絶縁体内部に突き刺すことにより、模擬突起を形成させた。本発明におけるリードケーブルの仕様は、（４）項記載の通りのものである。
なお、予め同一の別試料により当該欠陥の耐電圧試験を１０試料実施したが、いずれも直流１４０ｋＶ×２４時間の課電では絶縁破壊は生じなかったことが確認されている。

このような突起を与えたケーブル試料につき、図１５、図１６に示す試験構成で実験を行った。図１５、図１６において、１は被試験ケーブル（２５００ｍ、絶縁厚３ｍｍ、導体サイズ２２ｍｍ²）、２は直流電圧発生装置、３は短絡用球ギャップ、６はリードケーブル（５００ｍ、絶縁厚６ｍｍ、導体サイズ３８ｍｍ²）であり、被試験ケーブル１には上記模擬突起Ａが形成されている。
図１５に示すように被試験ケーブル１の模擬突起Ａの形成部側の端末１ａ側を、リードケーブル６を介して直流電源２及び短絡用球ギャップ３に接続した事例をケース１として、図１６に示す様に、被試験ケーブル１の模擬突起Ａの形成部側の端末１ａを開放端として、被試験ケーブル１の端末１ｂをリードケーブル６並びに直流電源２に接続した事例をケース２として、それぞれについて実験を行った。

実験ではいずれも、直流電圧印加→短絡用球ギャップ３による短絡操作を、直流電圧１４０ｋＶを印加後にこれを１０回繰り返して実施させた。この結果、ケース１，ケース２ともこのステップにおける絶縁破壊は生じなかった。
図１７はケース１における模擬突起Ａの作成部近傍付近の実測電圧波形であり、図１８はケース２における模擬突起Ａの作成部近傍付近の実測電圧波形であり、横軸は時刻（ｍｓｅｃ）、縦軸は導体−遮蔽間電圧（ｋＶ）である。
そこで、第二のステップとして、前記特許文献１に記載されるように、所定の直流電圧を所定時間連続課電し、前記裁断過程において発生させた電気トリーを進展破壊させた。すなわち、上記短絡操作後に、直流電圧を被試験ケーブル１に８０ｋＶ印加させたところ、ケース１については印加開始から約１３分後に、ケース２については印加開始から約２５分後に、それぞれ絶縁破壊が生じたことが確認された。
このような試験をケース１条件、ケース２条件それぞれについておのおの合計５試料ずつ、同一電圧条件（第一のステップ直流１４０ｋＶ印加後に短絡する操作を１０回実施後に、直流８０ｋＶ一定課電）で実施した結果、いずれも第一の直流電圧裁断ステップでは破壊が起きることはなかったが、第二の直流課電ステップでは、下表に示す様な時間でいずれも破壊を生じることが確認された。

図１７、図１８に示す様に、短絡端と開放端側に発生する極性反転波形の振幅は概ね２０％程度の相違はみられるものの、上表を見るとわかる様に、模擬突起による欠陥を破壊により検出できる能力は同等であることが示された。このことは、本発明による試験方法の有効性を示す事例であると考える。
以上、各種実施例により、直流電圧裁断時に発生する極性反転波形の変化を調べてみた結果、課電リードケーブルの長さを５００ｍ以上とし、課電リードケーブルと被試験ケーブルの特性インピーダンス差を１０％以内にすれば、特許文献１に記載の実施例と等価な極性反転波形を十分発生させることが可能であることが明らかになった。
この場合、特許文献１における欠陥検出試験と等価な試験結果を得られることも確認された。

１被試験ケーブル
２直流電圧発生装置
３短絡用球ギャップ
４オシロスコープ
５プローブ
６リードケーブル

Claims

第一のステップにおいて、固体絶縁ケーブルの一端側に直流電圧発生装置を接続し、導体と遮蔽層間に所定の直流電圧を印加し、当該直流電圧課電端側において高電圧部と接地間を短絡させることによって印加電圧を裁断させて電気トリーの誘発をさせる操作を１回以上実施し、該操作が終了した以後に、第二のステップとして、ケーブルの導体と遮蔽層の間に所定の直流電圧を所定時間連続して印加する固体絶縁ケーブルの品質試験方法において、
上記第一のステップにおいて前記固体絶縁ケーブルに、長さが５００ｍ以上であって、前記固体絶縁ケーブルとの特性インピーダンス差が１０％以内の課電リードケーブルを接続し、これを介して直流電圧発生装置を接続して直流電圧を印加し、短絡端側の有効な極性反転波が生じない部分が上記課電リードケーブル部分内となるようにする
ことを特徴とする固体絶縁ケーブルの品質試験方法。