JP6662004B2 - 送電ケーブルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、送電ケーブルの製造方法に関する。

送電ケーブルは、例えば鉄道車両において、高電圧の電力を架線からパンタグラフを介して車両内に取り込んだり、車両間をつないで他の車両に電力を供給したりする特別高圧ケーブルとして用いられている。

送電ケーブルには、送電したときに導体から生じる電界や磁界を外部に漏らさないように、これらを遮蔽するシールド層が設けられている。シールド層には、導電性とともに、送電ケーブルの可とう性を損ねないような高い屈曲性が求められる。そのため、シールド層は、例えば、すずメッキ軟銅線などの軟らかい金属線を編組または横巻して形成される（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００５−３９３２７号公報

しかしながら、従来のように、軟らかい金属線から構成されるシールド層は、屈曲性は高いものの、捩じれに対する耐久性が不十分であるため、送電ケーブルが繰り返し捩じれを受けたときに、シールド層の金属線が変形（キンク）し、最終的に断線してしまうことがある。特に、送電ケーブルは、車両間をつないで配線される場合、鉄道車両の走行にともなって大きな捩じれを繰り返し受けやすいため、金属線が断線しやすい。金属線がキンクしたり断線したりすると、シールド層のシールド特性が損なわれ、電界や磁界を十分に遮蔽できなくなる。

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、可とう性および耐久性に優れ、捩じれを繰り返し受けてもシールド特性を維持することができる送電ケーブルの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、
導体の外周に、前記導体の側から内部半導電層、絶縁層、外部半導電層を押出により成形する工程と、
前記外部半導電層の外周に金属線を編組または横巻して形成されたシールド層を形成する工程と、
前記シールド層の外周側にシースを押出により成形する工程と、
前記シースの外周に鉛管を形成し、前記シースを架橋する工程と、
を備える送電ケーブルの製造方法であって、
前記金属線が、高強度補強線の周囲に複数本の銅線を配置して撚り合わせて構成されており、
前記金属線の外径が０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である
送電ケーブルの製造方法が提供される。

本発明によれば、可とう性および耐久性に優れ、捩じれを繰り返し受けてもシールド特性を維持することができる送電ケーブルの製造方法が得られる。

本発明の一実施形態に係る送電ケーブルの長さ方向に垂直な断面図である。 シールド層を構成する金属線の長さ方向に垂直な断面図である。 送電ケーブルの鉄道車両への配線について説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係る送電ケーブルの長さ方向に垂直な断面図である。

本発明者は、シールド層の、送電ケーブルの捩じれに対する耐久性（以下、単に耐久性ともいう）を向上すべく検討を行ったところ、シールド層を形成する金属線として、高強度補強線を中心に、その周囲に銅線を配置して撚り合せて形成される撚り線を用いるとよいことを見出した。高強度補強線は、例えば、鋼線のような、銅線よりも強度の高い素線であり、銅線と比べて硬く、屈曲性に劣るものの、強度が高く、耐久性に優れている。このような高強度補強線および銅線を含む撚り線によれば、編組または横巻によりシールド層に形成したときに、キンクによる断線を抑制し、耐久性を向上させることができる。本発明は、上記知見に基づいてなされたものである。

＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態に係る送電ケーブルについて、鉄道車両などに用いられる特別高圧ケーブルを例として説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る送電ケーブルの長さ方向に垂直な断面図である。図２は、シールド層を構成する金属線の長さ方向に垂直な断面図である。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。

（送電ケーブルの構成）
図１に示すように、本実施形態の送電ケーブル１は、導体２の外周上に内部半導電層３、絶縁層４、外部半導電層５、シールド層６およびシース７をこの順に備えて構成されている。

導体２は、例えば、低酸素銅や無酸素銅等からなる銅線、銅合金線、銀等からなる他の金属線等、又はこれらを撚り合わせた撚り線を用いることができる。導体２の断面積は、送電する電圧によって適宜変更することができ、例えば、７０００Ｖ以上の高電圧を送電する場合、５０ｍｍ^２〜６５０ｍｍ^２であることが好ましい。

内部半導電層３は、導体２の外周を被覆するように設けられ、電界の集中を緩和する。内部半導電層３は、ゴム成分にカーボン等の導電性粉末を配合して導電性を持たせたゴム組成物から形成される。ゴム成分としては、例えば、エチレンプロピレンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合（ＥＶＡ）樹脂、ブチルゴム等を用いることができる。

絶縁層４は、内部半導電層３の外周を被覆するように設けられている。絶縁層４は、例えばエチレンプロピレンゴム、塩化ビニル、架橋ポリエチレン、シリコーンゴム、フッ素系材料等の材料を押出成形することにより形成される。絶縁層４の厚さは、送電ケーブル１に求められる絶縁特性に応じて適宜変更することができる。

外部半導電層５は、絶縁層４の外周を被覆するように設けられ、内部半導電層３と同様に電界の集中を緩和する。外部半導電層５は、内部半導電層３と同様のゴム組成物を押出成形することにより形成される。

シールド層６は、外部半導電層５の外周に設けられ、金属線６０を編組または横巻して形成されている。例えば、外部半導電層５の外周に金属線６０をケーブル長手方向に沿って螺旋状に巻き付けることにより、シールド層６を横巻状に形成することができる。また例えば、複数本の金属線６０を編み込むことにより、シールド層６を編組状に形成することができる。
上述したように、本実施形態では、シールド層６において、屈曲性とともに、捩じれを繰り返し受けた場合であっても損傷しないような高い耐久性を得る観点から、シールド層６を形成する金属線６０を、高強度補強線６１の周囲に複数本の銅線６２を配置して撚り合わせて構成している。すなわち、シールド層６を、高強度補強線６１と銅線６２とを撚り合わせた撚り線で構成している。

具体的には、図２に示すように、シールド層６を形成する金属線６０は、１本の高強度補強線６１と、その周囲に６本の銅線６２を配置して撚り合わせて構成されている。高強度補強線６１は、金属線６０において芯材となり、金属線６０の耐久性を向上させる。一方、銅線６２は、導電性を有し、シールド層６におけるシールド特性に寄与する。また、高強度補強線６１と比べて軟らかいため、シールド層６の屈曲性に寄与する。このような金属線６０によりシールド層６を形成することにより、キンクによる断線を抑制し、耐久性を高めることができる。

金属線６０の外径としては、０．４ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましい。０．４ｍｍ以上とすることにより、金属線６０の強度を高くしてシールド層６におけるキンクによる断線を抑制することができる。一方、１．０ｍｍ以下とすることにより、シールド層６において、耐久性とともに適度な屈曲性が得られ、送電ケーブル１において所望の高い可とう性を得ることができる。

金属線６０を構成する高強度補強線６１および銅線６２としては、それぞれ公知のものを用いることができる。高強度補強線６１としては、銅線６２よりも強度の高いものであれば特に限定されず、例えば、高鋼線やステンレス鋼線、ピアノ線、鉄線などを用いることができる。その外径は、特に限定されないが、０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍであることが好ましい。銅線６２としては、外径が０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの軟銅線などを用いることができる。これら各線の外径は、撚り合わせた金属線６０の外径が例えば０．４ｍｍ〜１．０ｍｍとなるように、適宜変更するとよい。このような高強度補強線６１および銅線６２を用いることにより、シールド層６の屈曲性および耐久性を両立することができる。なお、高強度補強線６１や銅線６２はメッキが施されていてもよい。

また、図２では、金属線６０として、１本の高強度補強線６１と６本の銅線６２を撚り合わせたものを示しているが、本発明はこれに限定されない。本実施形態では、シールド層６において、高強度補強線６１による耐久性と銅線６２による導電性および屈曲性とを両立する観点からは、高強度補強線６１が金属線６０の断面に占める面積比率が５％〜６０％となるように、高強度補強線６１および銅線６２を撚り合わせて金属線６０を構成することが好ましい。面積比率は、例えば、高強度補強線６１および銅線６２の撚り合わせる本数や、各線の外径を適宜変更することにより調整することができる。例えば、１本の高強度補強線６１に対して、銅線６２の本数を６本、１２本、１８本など、適宜変更するとよい。

シース７は、シールド層６の周囲を被覆するように設けられている。シース７は、例えばゴム組成物を押出成形し、架橋させることにより形成されている。ゴム組成物としては、例えば、天然ゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、クロロスルフォン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、エピクロロビドリンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ノンハロゲンポリオレフィンエラストマー等のゴム成分に架橋剤等の各種添加剤が配合されたものが挙げられる。なお、シース７は、シールド層６の周囲に押さえテープを巻きつけた後に形成してもよい。

（送電ケーブルの製造方法）
次に、送電ケーブル１の製造方法について説明する。

まず、導体２の周囲に、内部半導電層３、絶縁層４および外部半導電層５をこの順序で押出成形する。続いて、予め高強度補強線６１と複数本の銅線６２を撚り合わせて形成された金属線６０を外部半導電層５の外周に配置し、シールド層６を形成する。具体的には、金属線６０を外部半導電層５の外周にケーブル長手方向に沿って螺旋状に巻き付けることにより、横巻状のシールド層６を形成する。もしくは、複数本の金属線６０を編み込むことにより、編組状のシールド層６を形成する。続いて、必要に応じて、シールド層６の外周に押さえテープを巻きつけた後、シース７を押出成形する。そして、シース７の外周を鉛管で覆って、高温度で加熱することにより、シース７を架橋させ、本実施形態の送電ケーブル１を得る。

（送電ケーブルの配線）
次に、上述した送電ケーブル１を鉄道車両に配線する場合について図３を用いて説明する。図３は、送電ケーブルの鉄道車両への配線について説明するための図である。

図３に示すように、鉄道車両１００では、パンタグラフ１０１が屋根上に、真空遮断機などを収容する高電圧機器箱１０２が床下にそれぞれ設けられる。上述した送電ケーブル１は、特別高圧ケーブルとして、これらを電気的に接続するために用いられる。また、送電ケーブル１は、パンタグラフ１０１からの電力を他の車両１００に供給するために用いられる。このように配線された送電ケーブル１は、鉄道車両１００の走行時、鉄道車両１００の動きに追従するために捩じれを繰り返し受けることになる。例えば、鉄道車両が減速するときやカーブを曲がるときなど、鉄道車両の動きに追従して送電ケーブル１は捩じれることになる。本実施形態の送電ケーブル１は、耐久性に優れ、捩じれを繰り返し受けてもシールド層６が損傷しにくいので、所望のシールド特性を長期にわたって維持することが可能である。

（本実施形態に係る効果）
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。

本実施形態では、送電ケーブル１のシールド層６を形成する金属線６０として、高強度補強線６１を中心に、その周囲に複数本の銅線６２を配置して撚り合わされた撚り線を用いている。高強度補強線６１は、銅線６２と比べて強度が高く、曲がりにくいものの、撚り線の芯線として用いることにより、シールド層６の屈曲性を損なわずに高く維持しつつ、耐久性を向上させることができる。また、撚り線の一部に銅線６２を用いることにより、屈曲性を高く維持しつつ、シールド層６に求められる導電性を得ることができる。すなわち、高強度補強線６１および銅線６２を撚り合わせた金属線６０によれば、導電性とともに、屈曲性および耐久性に優れるシールド層６を形成することができる。したがって、本実施形態の送電ケーブル１は、所望のシールド特性および可とう性を有するとともに、捩じれを繰り返し受けたときでもシールド層６が損傷しにくく、シールド特性を長期にわたって維持することができる。

例えば、高強度補強線６１として、外径０．２６ｍｍのステンレス鋼線（ＴＰ）を１本と、銅線６２として、外径０．２６ｍｍのすずメッキ軟銅線銅線（ＴＡ）を６本と、を撚り合わせた外径０．８ｍｍの金属線６０（鋼線の面積比率が１５％）を横巻したシールド層６を備える送電ケーブル１は、ＪＲＩＳ Ｊ１０００の５．４．３に準拠する、ねじれ耐久性試験に合格するような高い耐久性を有することになる。
具体的には、送電ケーブル１から切り出した長さ１ｍｍのサンプルを、捩じれ角度±９０°で捻ったときに、捩じれ回数が５００回を超えても、シールド層６が損傷せず、シールド特性を維持できることが確認された。
これに対して、シールド層６を構成する金属線６０を、外径０．６ｍｍのすずメッキ軟銅線に変更し、ねじれ耐久性試験を行ったところ、捩じれ回数が５００回を超えると、シールド層６に断線が生じ、シールド特性を維持できなくなることが確認された。

また、高強度補強線６１を含む金属線６０は、捩じれだけでなく、屈曲に対しても耐性を有する。そのため、送電ケーブル１が繰り返し屈曲を受けた場合であっても、シールド層６は、損傷しにくく、シールド特性を長期にわたって維持することができる。

シールド層６を形成する金属線６０は外径が０．４ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましい。金属線６０の外径を０．４ｍｍ以上とすることにより、金属線６０の強度を向上させ、シールド層６におけるキンクによる断線などの損傷を抑制することができる。一方、金属線６０の外径を１．０ｍｍ以下とすることにより、シールド層６において、所望の高い強度とともに、適度な屈曲性が得られる。しかも、外径を１．０ｍｍ以下とすることにより、金属線６０の柔軟性を維持できるので、金属線６０を高い密度で横巻したり編組したりしてシールド層６を形成しても、シールド層６の屈曲性を高く維持することができる。つまり、シールド層６の屈曲性を損なうことなく、シールド層６における金属線６０の密度を高くすることができる。これにより、シース７を架橋させる際の加熱により絶縁層４などが変形してしまうことを抑制することができる。
具体的に説明すると、送電ケーブル１において、シース７の変形を抑制するために、シース７を高温度で架橋させる場合、架橋時の温度で絶縁層４や外部半導電層５などが膨張しようとするが、シールド層６の金属線６０によって膨張が抑え込まれて金属線６０が絶縁層４などに食い込むことがある。食い込みの結果、絶縁層４などには金属線６０の跡として凹み（変形）が形成されてしまう。このような変形が生じると、電界の歪みにより電界が一部に集中しやすくなるため、絶縁層４などが劣化して絶縁破壊しやすくなる。この点、本実施形態では、金属線６０の外径を１．０ｍｍ以下として、シールド層６における金属線６０の密度を高めることで、シールド層６における隙間を小さくし、架橋の際の絶縁層４などの食い込みを抑制することができる。

シールド層６を形成する金属線６０は、高強度補強線６１が金属線６０の断面に占める面積比率が５％〜６０％以下となるように、高強度補強線６１および銅線６２を撚り合わせて構成されていることが好ましい。このような面積比率で高強度補強線６１を含むことにより、シールド層６において、高強度補強線６１による耐久性と銅線６２による導電性および屈曲性とを高い水準で両立することが可能となる。

また、シールド層６は、金属線６０が複数の銅線６２を撚り合わせて表面積が大きくなるように構成されているため、表皮効果により電流が流れやすく、シールド特性に優れることになる。

＜本発明の他の実施形態＞
上述の実施形態では、外部半導電層５の周囲にシールド層６を直接設ける場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明では、シース７を架橋させる際の加熱による絶縁層４の変形を抑制する観点からは、図４に示すように、外部半導電層５とシールド層６との間に半導電性テープ層１０を設けるとよい。半導電性テープ層１０は、外部半導電層５の周囲に半導電性テープをケーブル長手方向に沿って螺旋状に巻き付けることで形成される。好ましくは、半導電性テープの幅の１／４〜１／２が重なるように重ね巻きして形成されるとよい。

半導電性テープは、例えば、ナイロン若しくはレーヨン、ＰＥＴ等からなる経糸と緯糸とを編み込んだ基布若しくは不綿布に、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム等のゴムにカーボン等の導電性粉末を分散させたものを含浸させて形成される。導電性テープとしては、例えば、厚さが０．１ｍｍ〜０．４ｍｍ、幅が３０ｍｍ〜７０ｍｍのものを用いることができる。

また、上述の実施形態では、鉄道車両などに用いられる特別高圧ケーブルを例として説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明の送電ケーブル１は、例えば、産業用ロボットの稼動部など、頻繁に屈曲作用を受けるような箇所に適用することができる。この場合、例えば、内部半導電層３および外部半導電層５を設けずに、絶縁層４の外周上にシールド層６を直接設けるとよい。

＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。

［付記１］
本発明の一態様によれば、
導体と、
前記導体の外周に配置される絶縁層と、
前記絶縁層の外周に配置される、金属線を編組または横巻して形成されたシールド層と、
前記シールド層の外周に配置されるシースと、を備え、
前記金属線が、高強度補強線の周囲に複数本の銅線を配置して撚り合わせて構成されている、送電ケーブルが提供される。

［付記２］
付記１の送電ケーブルにおいて、好ましくは、
前記金属線は、前記高強度補強線が前記金属線の断面に占める面積比率が５％以上６０％以下となるように、前記高強度補強線と前記銅線を撚り合わされて構成されている。

［付記３］
付記１又は２の送電ケーブルにおいて、好ましくは、
前記金属線の外径が０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。

［付記４］
付記１〜３のいずれかの送電ケーブルにおいて、好ましくは、
前記金属線を構成する前記高強度補強線の外径が０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である。

［付記５］
付記１〜４のいずれかの送電ケーブルにおいて、好ましくは、
前記金属線を構成する前記銅線の外径が０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。

［付記６］
本発明の他の態様によれば、
鉄道車両間をつなぎ電力を供給する鉄道車両用高電圧送電ケーブルであって、
導体と、
前記導体の外周に配置される内部半導電層と、
前記内部半導電層の外周に配置される絶縁層と、
前記絶縁層の外周に配置される外部半導電層と、
前記外部半導電層の外周に配置される、金属線を編組または横巻して形成されたシールド層と、
前記シールド層の外周に配置されるシースと、を備え、
前記金属線が、高強度補強線の周囲に複数本の銅線を配置して撚り合わせて構成されている、鉄道車両用高電圧送電ケーブルが提供される。

［付記７］
付記６の鉄道車両用高電圧送電ケーブルにおいて、好ましくは、
前記絶縁層と前記シールド層との間に、半導電性テープを巻きつけて形成された半導電性テープ層を備える。

［付記８］
付記７の鉄道車両用高電圧送電ケーブルにおいて、好ましくは、
前記半導電性テープ層は、前記絶縁層の外周に前記半導電性テープをケーブル長手方向に沿って螺旋状に重ね巻きして構成される。

１ 送電ケーブル
２ 導体
３ 内部半導電層
４ 絶縁層
５ 外部半導電層
６ シールド層
７ シース
１０ 半導電性テープ層
６０ 金属線
６１ 高強度補強線（鋼線）
６２ 銅線

Claims (6)

1. 導体の外周に、前記導体の側から内部半導電層、絶縁層、外部半導電層を押出により成形する工程と、
   前記外部半導電層の外周に金属線を編組または横巻して形成されたシールド層を形成する工程と、
   前記シールド層の外周側にシースを押出により成形する工程と、
   前記シースの外周に鉛管を形成し、前記シースを架橋する工程と、
   を備える送電ケーブルの製造方法であって、
   前記金属線が、高強度補強線の周囲に複数本の銅線を配置して撚り合わせて構成されており、
   前記金属線の外径が０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である
   送電ケーブルの製造方法。
2. 前記金属線は、前記高強度補強線が前記金属線の断面に占める面積比率が５％以上６０％以下となるように、前記高強度補強線と前記銅線を撚り合わされて構成されている、請求項１に記載の送電ケーブルの製造方法。
3. 前記金属線を構成する前記高強度補強線の外径が０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である、請求項１又は２に記載の送電ケーブルの製造方法。
4. 前記金属線を構成する前記銅線の外径が０．０５ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の送電ケーブルの製造方法。
5. 前記シースを押出により成形する工程は、前記シールド層の外周に押さえテープを巻き付け、該押さえテープの外周にシースを押出により成形する工程である請求項１〜４のいずれかに記載の送電ケーブルの製造方法。
6. 前記シールド層を形成する工程は、前記外部半導電層の外周に半導電テープを巻きつけて形成された半導電テープ層を形成し、該半導電テープ層の外周に前記金属線を編組または横巻して形成されたシールド層を形成する工程である請求項１〜５のいずれかに記載の送電ケーブルの製造方法。

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