JP7162939B2 - 電力ケーブル、その製造方法、およびその使用 - Google Patents

Description

本願は、電力ケーブル、その製造方法、および海中用途（subsea applications）におけるその使用に関する。

過去数十年にわたって、海中用の高電圧（ＨＶ）電力ケーブルの予期しない故障が増加している。ほとんどの場合、そのような故障は、架橋ポリエチレン（ＰＥＸ）、高度に複雑化された材料の使用によって生じているように思われている。ＰＥＸは、最大７０℃までの温度に代わって、最大９０℃までの導体動作温度に適応させるという、陸上用のケーブルに対する設計上の要求の変化に応じて、ＨＶケーブル製造用の材料として最初に導入された。この温度要求は、周囲の温度が０℃を超えて数℃よりも大きな温度に達することはほとんどない、一般的に冷たい海中の海洋環境とは無関係のように思われる。

材料の観点からは、最大６６キロボルトまで動作する、特に導体の電界ストレスが低下したレベルで維持されるときに動作するＨＶケーブルには、エチレン、ポリエチレン、およびエチレンプロピレンゴムなどの非架橋ポリマーが使用され得ない理由はない。しかし、ＨＶケーブルにおいて、電界ストレスを許容レベルまで低下させるためには、導体の外径を増加させる必要があり、そのため、外側のケーブル用の外装のコストが、かなりの程度まで増加し、重大な重量の不利益をもたらし、さらにはＨＶケーブルの取り扱いの容易性を低下させる。

本発明は、電力ケーブルに関するものであり、電力ケーブルは、電力ケーブルの中心に配置される抗張力体と、第１の絶縁層であって、抗張力体が第１の絶縁層に埋設される第１の絶縁層と、保護用の外側シースとを備え、電力ケーブルは、第１の絶縁層の中に埋設される、１つまたは複数の第１のアルミニウム導体をさらに備える。

本発明は、独創的な電力ケーブルを製造するための方法にも関するものであり、当該方法は、抗張力体および１つまたは複数の導体の上に、１つの単一ステップにおいて、ポリマーの第１の絶縁層を押出成形するステップを含む。

最後に、本発明は、洋上の風車（offshore windmill）のためのケーブル基盤、または海中用ポンプの駆動などの、中電圧から高電圧までの海中用途における、独創的な電力ケーブルの使用に関する。

本発明は、アルミニウム系導体を使用しているが、これは、従来使用されている銅系導体に比較して、導体の径が増加することを必要とする。さらに、本発明は、従来使用されている外側の外装を、電力ケーブルの中心に配置される内側の抗張力体に置き換えている。内側の抗張力体を使用することによって、導体の外径は、抗張力体を収容するように径方向に拡大されるという点で、さらに増加する。この構成でもって、従来の電力ケーブルと比較して、電界ストレスを著しく減少させ、高価な外側の外装を安全に省略することができる。さらに、電界ストレスの低下により、絶縁体の厚さを低減させることができ、固体で非架橋の、エチレン、ポリエチレン、またはエチレンプロピレンゴム材料を絶縁体として使用することが可能であり、これにより、ＰＥＸを置き換えて、上記の問題を解決する。

内側に抗張力体を設け、従来使用されている外側の外装を省略することのさらなる利点は、全体的なケーブルの直径、全体的なケーブルの重量、およびケーブルの剛性が減少することである。本発明に係る低比重の電力ケーブルは、水に沈めたときに、その剛性を低減するとともに、キャタピラの設置中のように、電力ケーブルを設置するときに、クランプ力を低くし、取り扱いを改善することができる。したがって、本発明に係る電力ケーブルは、従来のケーブルよりも柔軟であり、その結果、より束縛しやすく。

最後に、一般的には、外側の外装は電力ケーブルの材料のコスト全体の４０％を占めるので、従来の外側の外装を省略することで、コストを著しく低下させる。

本発明に係る電力ケーブルのさらなる利点は、アルミニウムの導体が、半導電部の絶縁を不要にすることであり、これにより、電力ケーブルを形成する多面日必要な構成要素の数を減少させるとともに、電力ケーブル自体の全体的な直径を減少させる。

最後に、固体の絶縁材料は、従来の電力ケーブルに比べて、通常ではみられない、耐破砕性を電力ケーブルに持たせる。固体設計と、その結果として、ＰＥＸ泡沫（PEX foam）に存在するようなボイドがないことにより、本願に係る電力ケーブルは、いわゆるスーパードライ設計（super dry design）を保証する。スーパードライ設計は、厳密な乾燥構造を意味し、ケーブルの耐用年数のどの時点においても、ケーブル材料に存在するボイドが水で充填される潜在的な危険性はない。

本発明の第１の実施形態に係る電力ケーブルの概略断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力ケーブルの概略断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力ケーブルの概略断面図である。 マルチコア電力ケーブルの構成を示す図である。 マルチコア電力ケーブルの構成を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力ケーブルの概略断面図である。電力ケーブルは、電力ケーブルの中心に配置される抗張力体１と、抗張力体１を囲む第１の絶縁層３とを備え、外側シース９によって環境から保護されている。第１の絶縁層３の中には、１つまたは複数の、好ましくは３つの第１のアルミニウム導体４が埋設されている。各第１のアルミニウム導体は、各導体に対して直径は同じである円形の断面を有していてもよい。導体の直径は、電力ケーブルの所望の用途に応じて、選択され得る。

さらに、電力ケーブルは、抗張力体１を囲む第１の半導電性の外側遮蔽体２と、絶縁層３を囲む第２の半導電性の外側遮蔽体５とを備えていてもよい。電力ケーブルは、第１の金属遮蔽体６および／または第２の金属遮蔽体７を随意に備えていてもよく、ここで、第１および／または第２の金属遮蔽体は、不良検査を容易にするなどの、種々の機能を有していてもよい。第１および／または第２の金属遮蔽体は、半導電性のテープ包装部８によって包まれている。

円形の断面および２つ以上の第１のアルミニウム導体４を備える電力ケーブルに対して、当該導体は、好ましくは、周方向に等間隔に配置される。このことは、３つの導体を備える一実施形態についての図１に示されている。（最大１ｋＶまでの）中電圧から（１ｋＶを超える）高電圧までの用途では、通常、３つ以上の相が必要とされ、電力ケーブルは、対応する数の導体を備えている。

表１に、第１の実施形態に係る例示的な電力ケーブルの典型的な機械的性質を示す。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る電力ケーブルの断面の概略図である。第１の実施形態に対応する特徴部には、同じ引用符号が付されている。第２の実施形態は、好ましくは、第３の半導電性の外側遮蔽体５’によって囲まれている第２の絶縁層３’がさらに設けられるという点で、第１の実施形態と相違する。第２の絶縁層３’は、第１の絶縁層３を囲み、存在する場合、第２の半導電性の外側遮蔽体５を囲んでいる。第２の絶縁層３’の中には、１つまたは複数の第２のアルミニウム導体４’が埋設されている。各第２のアルミニウム導体は、円形の断面を有していてもよく、好ましくは、第１のアルミニウム導体４の直径と第２のアルミニウム導体４’の直径は、同じである。

円形の断面を有し、２つ以上の第２のアルミニウム導体４’を備える電力ケーブルについては、当該導体は、周方向に等間隔に配置されるのが好ましい。このことは、３つの導体を備える一実施形態についての図２に示されている。

図２は、第１のアルミニウム導体４の各々の中点が、電力ケーブルの中点を通り、かつ、第２のアルミニウム導体４’の１つだけの中点を通る１つの直線上にあるように、周方向に等間隔に配置される、３つの第１のアルミニウム導体４および３つの第２のアルミニウム導体４’を備える電力ケーブルを示している。図２の構成は、代わりに、２つ、４つ、または５つ以上の第１および第２のアルミニウム導体を備えていてもよい。この構成により、電力ケーブルを、２つの中電圧から高電圧の用途で作動するときに、同時に使用することができる。たとえば、交流用途で電力ケーブルが使用されるときは、２つの海中用ポンプを同時に作動させることができ、一式のアルミニウム導体４および４’それ自体によって、電力をそれぞれに供給することができる。代替的に、電力ケーブルが直流送電ケーブル（DC export cable）として使用されるときは、３つの第１のアルミニウム導体４は、１つの直流導体相として機能してもよく、一方で、３つの第２のアルミニウム導体４’は、アース線として機能してもよい。後者の使用では、海上の風車からの電力の供給に特に関連する。

抗張力体１は、鋼、好ましくは、高張力鋼などの高張力材料、複合材料またはアラミド材（Kelvar）を含んでいる。さらに、抗張力体１は、たとえば、ロッド、ワイヤ、またはワイヤの束の形態の固体であってもよい。代替的に、抗張力体は、チューブの形態の中空であってもよい。抗張力体１は、その中心に位置付けられる温度センサーなどのさらなる要素を備えていてもよい。

本発明の第３の実施形態に係る電力ケーブルの概略断面図が図３に示されている。本実施形態では、ワイヤの束の形態の抗張力体１が、１つまたは複数のワイヤからなるリングの形態の、１つまたは複数の第１のアルミニウム導体４によって囲まれていて、両方とも第１の絶縁層３に埋設されている。第２の絶縁層５は、第１の外側の半導電性シート２によって第１の絶縁層３から分離されるように設けられている。

第３の実施形態に係る１つまたは複数の電力ケーブルは、束ねられてマルチコア電力ケーブルとなり、その変形例が、図４Ａおよび図４Ｂに示されている。マルチコア電力ケーブルは、第３実施形態に係る１つまたは複数の電力ケーブル１０を備え、随意に、１つまたは複数の重み要素１１と、随意に、さらなる機能要素１２とを備えていてもよい。機能要素は、たとえば、光ファイバケーブルまたは信号ケーブルを備えていてもよい。重み要素１１は、亜鉛または鉛を含んでいてもよい。１つまたは複数の電力ケーブル１０、重み要素１１、および機能要素１２は、押出絶縁層１３に埋設されている。半導電性の外側遮蔽体は、絶縁層１３を囲むように設けられている。マルチコア電力ケーブルは、半導電性の外側遮蔽体を囲む外側シースによって、環境から保護されている。

図４Ａおよび図４Ｂは、３つの電力ケーブル１０と、１つのさらなる機能要素１２と、を備える構成を示している。図４Ａでは、２つの重み要素１１が設けられ、図４Ｂでは、多数の重み要素１１が設けられている。

図４Ａの実施形態に係る例示的な電力ケーブルの典型的な機械的性質が表２に示されている。表１に列挙される種々のケーブル質量、水中重量、重量比、および剛性の値は、存在する重み要素の量と種類に応じて、当然変わってもよい。

本発明に係る電力ケーブルを製造するための方法は、抗張力体１上と、１つまたは複数の第１のアルミニウム導体４の上に、第１の絶縁層３を押出成形するステップを含んでいる。その結果、抗張力体１および１つまたは複数の第１のアルミニウム導体４は、第１の絶縁層３の中に埋設されることになる。さらに、１つまたは複数の第２のアルミニウム導体４’のすべては、第２の絶縁層３’の中に埋設されている。第２の実施形態に係る電力ケーブルを製造するために、第２の絶縁層３’は、さらなる工程ステップにおいて、１つまたは複数の第２のアルミニウム導体４’の上に押出成形される。第１の工程ステップおよび第２の工程ステップは、既に押出成形されている第１の絶縁層３上に第２の絶縁層３’を押出成形するように、順に行われてもよいし、または共押出成形によって同時に行われてもよい。

本発明に係る方法は、従来の電力ケーブル製造方法とは反対に、各導体は、まず自身の絶縁層に最初に埋設され、その際に、所望の数の絶縁された導体が一緒に束ねられて、別の外側の層によって所定の位置で保持される。その結果、本発明に係る方法は、かなりのコスト削減を実現し、かつ、従来の電力ケーブル製造方法に比べて、はるかに簡単に実施される。

第１、第２、および第３の半導電性の外側遮蔽体２、５、および５’は、ポリマー、好ましくはポリエチレン、ポリスチレン、またはポリアミドを含んでいる。

第１および第２の絶縁層３および３’は、非架橋ポリマー、好ましくは、エチレン、ポリエチレン、またはエチレンプロピレンゴムを含んでいる。

随意的な第１および第２の金属遮蔽体６および７は、銅、好ましくは、軟銅（annealed copper）または鉛を含んでいる。金属遮蔽体は、好ましくは、テープまたはシースの形態で設けられる。半導電性テープ包装部８は、ポリアミド（ナイロン）を含んでいる。最後に、外側シース９は、高密度ポリエチレンを含み、下層の上に押出成形されてもよいし、テープの形態で下層の周囲を包んでいてもよい。

図１、図２、および図３の電力ケーブルは、円形の断面を有するように示されているが、これは、単に例示目的としているだけであり、決して限定されない。楕円形や長方形など、他の断面形状を使用することもできる。

本発明に係る電力ケーブルは、外側シースを囲む鉛ジャケット（lead jacket）をさらに設けてもよい。そのような鉛カバーの追加により、重量が重くなり、海中用途には望ましい。さらに、鉛カバーは、電力ケーブルの耐用年数を、最大５０年までと、かなり増加させる。

添付のクレームによって規定された発明の範囲は、上記実施形態および実施例によっては決して限定されるものではない。

Claims (21)

1. 海中用途のための電力ケーブルであって、
   前記電力ケーブルは、
   前記電力ケーブルの中心に配置される抗張力体（１）と、
   第１の絶縁層（３）であって、前記抗張力体（１）が前記第１の絶縁層（３）に埋設される第１の絶縁層（３）と、
   保護用の外側シース（９）と
   を備え、
   前記電力ケーブルは、前記第１の絶縁層（３）の中に埋設される、１つまたは複数の第１のアルミニウム導体（４）をさらに備え、
   前記第１の絶縁層（３）は、非架橋の固体の、エチレン、ポリエチレン、またはエチレンプロピレンゴムを含む、
   電力ケーブル。
2. 前記抗張力体（１）と前記第１の絶縁層（３）との間に位置付けられる第１の半導電性の外側遮蔽体（２）と、
   前記絶縁層（３）を囲む第２の半導電性の外側遮蔽体（５）と、
   を備える、請求項１記載の電力ケーブル。
3. 前記電力ケーブルは、第３の半導電性の外側遮蔽体（５’）に囲む第２の絶縁層（３’）を備え、
   前記第２の絶縁層（３’）は、前記第２の半導電性の外側遮蔽体（５）を囲み、
   １つまたは複数の第２のアルミニウム導体（４’）は、前記第２の絶縁層（３’）の中に埋設されている、請求項２記載の電力ケーブル。
4. 前記電力ケーブルは、円形の断面を備え、
   前記電力ケーブルは、周方向に等間隔に配置される、２つ以上の第１のアルミニウム導体（４）をさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力ケーブル。
5. 前記電力ケーブルは、周方向に等間隔に配置される、２つ以上の第２のアルミニウム導体であって、前記第１のアルミニウム導体（４）の各々の中点が、前記電力ケーブルの中点を通り、かつ、第２のアルミニウム導体（４’）の１つだけの中点を通る１つの直線上にあるように、周方向に等間隔に配置される、第２のアルミニウム導体をさらに備える、請求項４記載の電力ケーブル。
6. 前記抗張力体（１）は、ワイヤの束を備え、
   前記第１のアルミニウム導体（４）は、複数のアルミニウムワイヤからなる、１つまたは複数のリングを備える、請求項１記載の電力ケーブル。
7. 前記電力ケーブルは、
   前記絶縁層（３）を囲む第２の半導電性の外側遮蔽体（５）と、
   前記第２の半導電性の外側遮蔽体（５）を囲む第２の絶縁層（３’）と、
   前記第２の絶縁層（３’）を囲む第３の半導電性の外側遮蔽体（５’）と
   をさらに備える、請求項６記載の電力ケーブル。
8. 前記第２の絶縁層（３’）は、非架橋の固体ポリマーを含む、請求項７記載の電力ケーブル。
9. 前記第２の絶縁層（３’）は、非架橋の固体の、エチレン、ポリエチレン、またはエチレンプロピレンゴムを含む、請求項７記載の電力ケーブル。
10. 前記電力ケーブルは、第１の金属遮蔽体（６）および／または第２の金属遮蔽体（７）をさらに備え、
    前記第１の金属遮蔽体（６）および／または前記第２の金属遮蔽体（７）は、半導電性のテープ包装部（８）に包まれ、前記外側シース（９）の内側の直近に位置付けられている、請求項１～９のいずれか１項に記載の電力ケーブル。
11. 前記第１の金属遮蔽体（６）および／または前記第２の金属遮蔽体（７）は、銅または鉛を含む、請求項１０記載の電力ケーブル。
12. 前記第１の金属遮蔽体（６）および／または前記第２の金属遮蔽体（７）は、軟銅を含む、請求項１１記載の電力ケーブル。
13. 前記電力ケーブルは、前記外側シース（９）を囲む鉛カバーをさらに備える、請求項１～１２のいずれか１項に記載の電力ケーブル。
14. 前記電力ケーブルは、マルチコア電力ケーブルであり、
    前記マルチコア電力ケーブルは、請求項１～１３のいずれか１項に記載の１つまたは複数の電力ケーブル（１０）を備え、
    前記マルチコア電力ケーブルにおいて、前記１つまたは複数の電力ケーブル（１０）、１つまたは複数の重み要素（１１）、および少なくとも１つの機能要素（１２）が、押出絶縁層（１３）に埋設されている、電力ケーブル。
15. 請求項１～１４のいずれか１項に記載の電力ケーブルを製造するための方法であって、
    前記抗張力体（１）および１つまたは複数の前記導体（４）の上に、１つの単一ステップにおいて、ポリマーの第１の絶縁層（３）を押出成形するステップを含む、方法。
16. 第２の絶縁層（３’）が、前記第１の絶縁層（３）および１つまたは複数の第２のアルミニウム導体（４’）の上に押出成形される、電力ケーブルを製造するための請求項１５記載の方法。
17. 前記第２の絶縁層（３’）は、前記第１の絶縁層（３）とともに共押出成形される、電力ケーブルを製造するための請求項１６記載の方法。
18. 前記第１の絶縁層（３）および前記第２の絶縁層（３’）は、順に押出成形される、電力ケーブルを製造するための請求項１６記載の方法。
19. 請求項１～１４のいずれか１項に記載の電力ケーブルの使用であって、
    中電圧から高電圧までの海中用途における、電力ケーブルの使用。
20. 請求項１５～１８のいずれか１項に記載の電力ケーブルを製造するための方法によって製造される電力ケーブルの使用であって、
    中電圧から高電圧までの海中用途における、電力ケーブルの使用。
21. 前記中電圧から高電圧までの海中用途が、洋上の風車のためのケーブル基盤、または海中用ポンプの駆動の用途を含む、請求項１９または２０記載の電力ケーブルの使用。

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