JP5502369B2 - 高電圧電気ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、ポリエチレンおよびスチレン系共重合体に基づく電気絶縁層を有する電気ケーブルに関する。典型的には、本発明は、限定されるものではないが、高電圧または超高電圧の直流（HVDC；high or very high voltage direct current）および高電圧または超高電圧の交流（HVAC；high or very high voltage alternating current）のための電力ケーブルの分野に適用される。

これらの電力ケーブルは、典型的には、６０キロボルト（ｋｖ）から６００ｋｖのためのケーブルである。

特許文献１は、高電圧ないし超高電圧の直流（ＤＣ）電気ケーブルについて記述する。当該高電圧ないし超高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）電気ケーブルは、中心の導体要素と、該中心の導体要素の周囲に同軸方向に、内側の半導電性シールドと、押出成形された電気絶縁層と、外側の半導電性シールドと、保護金属シールドと、外側の保護シースと、を順に備える。

押出成型された電気絶縁層は、ポリエチレンおよびスチレン系共重合体を含む混合物からなり、該混合物におけるスチレンの含有量は、重量で１１％から１８％の範囲にある。それにもかかわらず、導体の周囲に当該混合物を押出成型するとき、そのように形成された電気絶縁層は、均一でない厚さとなり、よって表面は、外観上円筒形に見えない。その結果、電気絶縁層の誘電特性が影響を受け、当該層の厚さ全体にわたって誘電特性が同一にならない。

ＦＲ２８０５６５６

本発明の目的は、ポリエチレンおよびスチレン系共重合体に基づく電気絶縁層を備えると共に、その厚さにわたって良好で均一な誘電特性を持つ電気ケーブルを提案することによって、上記の問題を解決することである。

そのため、本発明は、導体要素と、該導体要素を取り囲む電気絶縁層を備える電気ケーブルを提供し、ここで、当該電気絶縁層は、ポリエチレンおよびスチレン系共重合体を含む混合物から得られ、当該ポリエチレンは、マルチモーダルなポリエチレンである。

本発明により、電気絶縁層の誘電特性は、驚くほど最適化される。当該層における電荷の量（すなわち、空間電荷）、より具体的には、当該層にいわゆる“トラップ（捕獲）”される電荷の量は、高電圧ないし超高電圧ＤＣの場合に十分に最小化され、これによって、電気ケーブルが故障するというリスクを極めて低くすることができる。

“マルチモーダル”なポリエチレンという用語は、重合の異なる条件下で生成され、結果として各フラクションについて異なる分子量となる、少なくとも２つのポリエチレンフラクションの混合物を意味するのに用いられる。マルチモーダルなポリエチレンが、異なる分子量の２つのみのポリエチレンフラクションを持つとき、このポリエチレンは“バイモーダル”であると呼ばれる。

異なる分子量を持つ上記フラクションの化学的性質は同じであり、すなわち、ポリエチレンフラクションは、たとえば、エチレン系共重合体（コポリマー）のフラクションのみによって、またはエチレン系ホモポリマーのフラクションのみによって構成されることができる。

なお、フラクションの化学的性質が異なっていることも可能である。こうして、１つまたは複数のフラクションは、エチレン系コポリマーによって構成されることができる一方、他の１つまたは複数のフラクションは、エチレン系ホモポリマーによって構成されることができる。

好ましくは、電気絶縁層は、架橋されておらず、これによって、空間電荷密度を増加させる原因となる、架橋の副生成物が生じるのを回避することができる。

より好ましい実施形態では、スチレンの上記混合物における含有量は、重量で１０％を超えず、さらに好ましくは重量で９％を超えず、さらに好ましくは重量で８％を超えない。この上限により、当該絶縁層の厚さにわたって顕著で均一な誘電特性を得ることができると共に、良好な機械特性を保持することができるという利点が生じる。また、この上限により、導体要素の周りの電気絶縁層について、とりわけ１０ミリメートル（ｍｍ）より大きい厚さについて、最適な一定の厚さを生成することができる。

他の実施形態においては、当該混合物におけるスチレンの含有量は、電荷が、電気絶縁層において良好に行き渡ることを確実にするために、重量で４％より小さい。

本発明の当該混合物で使用されるポリエチレンは、好ましくは、バイモーダルなポリエチレンである。さらに、ポリエチレンは、中密度または高密度のポリエチレンであることができ、これにより、本発明の電気ケーブルは、特に高電圧ないし超高電圧の直流電力ケーブルにおいて、８０℃程度の高温で良好に動作することができる。

本発明の当該混合物におけるスチレン系共重合体は、好ましくは、スチレンとブタジエンの共重合体、およびスチレンとイソプレンの共重合体から選択され、より具体的には、水素が添加された３−シーケンス（３連鎖）の共重合体(hydrogenated three-sequence copolymer)であることができる。

具体的な一実施形態において、本発明の電気ケーブルの絶縁層は、少なくとも１０ｍｍの厚さを持つ。

本発明の他の特徴及びその利点は、図１（これは、本発明の好ましい実施形態における電気ケーブルの透視図である）を参照してなされる本発明の電気ケーブルの、限定されることのない一例に関する以下の説明に照らして、明らかになるであろう。

本発明の好ましい実施形態における電気ケーブルの透視図である。

説明を明瞭にするため、本発明を理解するための本質的な要素のみが図示されており、また、これらは正しい寸法比で図示されているわけではない。

図１に示される高電圧ないし超高電圧ＤＣ（直流）電力ケーブル１は、中心部の導体要素２と、該導体要素の周囲に同軸方向に、内側の半導電性シールド３と、電気絶縁層４と、外側の半導電性シールド５と、保護金属シールド６と、外側の保護シース７とを順に備える。

このように、シールド３，５，６および外側の保護シース７を設けるのが好ましいが、本発明に従って作成されるのは、電気絶縁層４である。

電気絶縁層４は、典型的には、導体要素２の周囲に押出成形される。保護構造は、金属シールド６および外側の保護シース７を備えるが、水で膨張するとともに半導電性であり、好ましくは外側の半導電性シールドと保護金属シールドの間に配置される保護ストリップ（図示せず）や、好ましくは外側の保護シース７の周囲に配置されるスチールワイヤからなる金属の補強材や、好ましくは外側の保護シース７の周囲に配置されるポリプロピレン糸のような、他の保護要素を含むこともできる。ケーブルの保護構造は、既知のタイプのものでよく、本発明の範囲外である。

図１の例では、電気ケーブル１の電気的に絶縁された層４は、架橋されておらず、マルチモーダルなポリエチレンおよび水素添加された３−シーケンスのスチレン系共重合体の混合物から取得される。当該混合物におけるスチレンの含有量は、重量で１０％を超えない。

さらに、当該混合物は、たとえば押出成形機において作業している間に該混合物の劣化を制限するよう酸化防止剤を含んでもよい。

本発明の混合物によって得られる利点を示すため、本出願人は、以下の表１に示すように、混合物から様々な同じ厚さのサンプルを作成した。これらのサンプルは、架橋されていない。なお、表１中の数値は重量のパーセントを示す。

混合物Ｍ−Ａ、Ｍ−Ｂ、およびＭ−Ｃは、いわゆる“比較”のための混合物であり、混合物Ｍ−１が、本発明に従う混合物に相当する。

比較混合物Ｍ−ＡおよびＭ−Ｂにおけるモノモーダルなポリエチレンは、ポリエチレンの分子量分布がモノモーダルである、すなわち、当該ポリエチレンは、ただ１つのタイプのポリエチレンフラクションのみを持つ。

表１における様々な材料は、以下のようにして得られた。

・モノモーダルＨＤＰＥは、３５０５７Eとしてダウケミカル(Dow Chemical)社により販売されているモノモーダルな高密度ポリエチレンである。

・マルチモーダルＨＤＰＥは、ＸＺ８９２０４としてダウケミカル社により販売されているバイモーダルな高密度ポリエチレンである。

・スチレン系共重合体は、スチレンの重量が３０％のスチレン−ブタジエン−スチレン共重合体（ＳＥＢＳ）であり、Ｇ１６５２としてクラトンポリマー(Kraton Polymer)社により販売されている。

Ｍ−Ａ、Ｍ−Ｂ、Ｍ−ＣおよびＭ−１についてのそれぞれの材料が、押出成型機にロードされ、その後、それぞれの平面なサンプルＭ−Ａ、Ｍ−Ｂ、Ｍ−ＣおよびＭ−１を得るようストリップに押出成型された。

サンプルＭ−Ａ、Ｍ−Ｂ、Ｍ−ＣおよびＭ−１の押出成型された層の誘電特性の特徴は、径が４０ｍｍおよび厚さが０．７ｍｍを持つディスクを用い、電気的または熱的なストレスに対する材料の誘電特性を評価するのに適したいくつかの手法を実行することによって、判断された。

１．トラップ（捕獲）される電荷密度
電気絶縁層にトラップされる電荷密度を見極めるために使用された方法は、当業者に周知の、いわゆる「ミラー(mirror)」方法である。

この方法は、約１１．６ピコクローン（ｐＣ）の点電荷密度を、走査型電子顕微鏡の助けを借りて、サンプルＭ−Ａ、Ｍ−Ｂ、Ｍ−ＣおよびＭ−１の押出成形された層に注入することから成る。この方法は、S.Ouren. Jicable 2003 に出版された、H. Janah, J. Matallana, J.F.BrameおよびP. Mirebeauによる”Materials for HDVC extruded cables” という文献に詳細が記載されている。

電荷密度は無限ではないので、電荷は、電気絶縁層内に自然に広がる。電荷密度が低くなるほど、ＤＣ電圧下での電気絶縁層の誘電特性は良好になる。

この結果の詳細を、以下の表２に示す。トラップされた電荷の密度は、単位立方メートルあたりのクローン数（Ｃ／ｍ^３）で表されている。

電荷が、サンプルＭ−Ａ、Ｍ−Ｂ、Ｍ−ＣおよびＭ−１の電気絶縁層にトラップされる効率を見極めることが可能である。電気絶縁層に電荷を注入するとき、一部の電荷は、当該層の容積にわたって分散すると共に、残りの電荷がトラップされる。この残りの電荷が、上記のトラップされる電荷密度に相当する。

こうして、上記の効率は、注入された電荷の総量に対するトラップされた電荷の量である。したがって、当該効率が低くなるにつれて、トラップされる電荷の量は少なくなり、よって、ＤＣ電圧下における電気絶縁層の誘電特性は良好になる。

この結果の詳細は、以下の表３に示されている。当該効率は、パーセンテージで表されている。

表２および表３の結果は、本発明に従う混合物Ｍ−１が、混合物Ｍ−Ａ、Ｍ−ＢおよびＭ−Ｃに比べて、驚くほど良好な誘電特性を示す、ということを表している。こうして、混合物Ｍ−１は、ＤＣ電圧下においてケーブルの電気絶縁層にトラップされる電荷の量および密度を最小化することを可能にし、これにより、ケーブルが故障するリスクを極めて低減することができる。

２．ケーブルの動作温度の関数としての抵抗率
抵抗率を見極めるのに使用される方法は、118^th Insulated Conductor Committee Meeting, Fall 2005におけるP. Mirebeau, H. Janah, J. Metallana (Nexans, France), J.C.Filippini (IRLAB, Grenoble, France), およびR.Coelhoによる”Resistivity measurements on insulating polymers: the problem of conduction currents under high voltage”という出版物に記載されている。

温度の関数としての抵抗率のばらつきが大きくなるにつれ、ケーブルが動作している間に電気絶縁層において確立される温度の傾きによって生成される空間電荷が多くなる。したがって、温度の関数としての抵抗率のばらつきをできる限り小さくすることが重要である。

この結果の詳細は、以下の表４に示されている。

サンプルＭ−１における７．５％のスチレンの付加が、サンプルＭ−Ｂにおける１５％のスチレンの付加に比べて、温度の関数としての抵抗率のばらつきを顕著に制限することができる、ということがわかる。

３．電荷がトラップされるポテンシャル井戸の深さ
ポテンシャル井戸(potential well)の深さを見極めるのに使用される方法は、いわゆる“熱刺激電流(thermo-stimulated currents)”の方法であり、これは、J. Appl. Phys., Vol. 41, No.3, pp. 2365-2375, 1970においてR.A. Cresswell, M.M.Perlmanによる”Thermal currents from corona-charged mylar”に記載されている。

この方法は、サンプルＭ−Ａ、Ｍ−Ｂ、Ｍ−ＣおよびＭ−１を、７０℃において、１ミリメートルあたり４０キロボルト（ｋｖ／ｍｍ）の電界に置き、その後、該電界下でそれらを冷やすことを含む。その後、電位計を介して短絡させ、温度を２５℃から１３０℃まで徐々に、１分あたり２℃のレートで上昇させる。

電流が、温度の関数として観察され、そこから、電荷がトラップされるポテンシャル井戸の深さを推定することが可能である。ポテンシャル井戸の深さが小さくなるほど、ＤＣ電圧下での電気絶縁層の誘電特性は良好になる。

この結果の詳細は、以下の表５に示されている。ポテンシャル井戸は、電子ボルト（ｅＶ）で表されている。

サンプルＭ−１における７．５％のスチレンの付加が、サンプルＭ−Ａ、Ｍ−Ｂ、Ｍ−Ｃに比べ、特にＭ−Ｂに比べて、ポテンシャル井戸の深さが非常に小さくなっていることがわかる。

Claims (11)

1. 導体要素（２）と、前記導体要素を取り囲む電気絶縁層（４）と、を備える直流電力ケーブルであって、
   前記電気絶縁層は、ポリエチレンおよびスチレン系共重合体を含む混合物から取得され、
   前記ポリエチレンが、マルチモーダルなポリエチレンである、直流電力ケーブル。
2. 前記混合物におけるスチレンの含有量は、重量で１０％を超えず、好ましくは重量で９％を超えない、請求項１に記載の直流電力ケーブル。
3. 前記ポリエチレンは、バイモーダルなポリエチレンである、請求項１または２に記載の直流電力ケーブル。
4. 前記ポリエチレンは、中密度または高密度のポリエチレンである、請求項１から３のいずれかに記載の直流電力ケーブル。
5. 前記スチレン系共重合体は、スチレンとブタジエンの共重合体およびスチレンとイソプレンの共重合体から選択される、請求項１から４のいずれかに記載の直流電力ケーブル。
6. 前記スチレン系共重合体は、水素が添加された３−シーケンスの共重合体である、請求項１から５のいずれかに記載の直流電力ケーブル。
7. 前記電気絶縁層は、少なくとも１０ｍｍの厚さを持つ、請求項１から６のいずれかに記載の直流電力ケーブル。
8. 前記導体要素の周囲に同軸方向に、内側の半導電性シールドと、前記電気絶縁層と、外側の半導電性シールドと、を含む電力ケーブルである、請求項１に記載の直流電力ケーブル。
9. 前記電気絶縁層は、架橋されていない、請求項１に記載の直流電力ケーブル。
10. 前記電気絶縁層は、押出成形された層である、請求項１に記載の直流電力ケーブル。
11. 前記電気絶縁層が、実質的にその厚さにわたって良好で均一な誘電特性を示すように、前記スチレン系共重合体と前記マルチモーダルなポリエチレンとが、重量の割合で組み合わされた、請求項１に記載の直流電力ケーブル。

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