JP7474741B2 - 電力伝送ケーブル - Google Patents

Description

本発明は、高電圧電力伝送ケーブルに、及びより詳細には、交流（ＡＣ）高電圧電力伝送ケーブルに関する。本発明の電力伝送ケーブルの特定の用途は陸に向かう海底ケーブルにおけるものである。

ＡＣ電力伝送のための典型的な海底ケーブルは１つ又は複数の導体を含む。ケーブルは渦巻き状に巻かれた金属ワイヤ又はテープの円周方向の外装を含む。外装はポリマーシースにより、又はヤーンの１つ又は複数の層により覆われ得る。薄いポリマーシースもまた個々の外装ワイヤに施され得る。

外装には、外部損傷に対する抵抗を提供するとともにケーブルの機械的特徴及び性能を向上させる機能がある。典型的には、外装は、低～中程度の炭素量の鋼でできている円形又は扁平の形状のワイヤの１つ又は２つの層でできている。一般に鋼が、その低コスト、入手可能性及び良好な機械的特性のために使用される。腐食に対するより良好な耐性を確保するために、－特に、しかし限定するものではないが－外装ワイヤがポリマーシースもヤーン層も無しに環境にさらされる場合、亜鉛めっきした鋼が好ましくは使用される。

ＡＣ電力ケーブルにおいて、導体における電流フローにより生じた磁場は、強磁性材料、例えば、外装ワイヤとして使用される低～中程度の炭素鋼における損失を誘導する。「強磁性材料」で意味するのは、高い透磁性を有する材料、すなわち、磁気束を１０倍超に集中させることができる材料を意味する。強磁性材料の磁区は交流ケーブルにおける磁場とともに回転する。材料における磁区のこの回転は摩擦及び熱を引き起こす。この摩擦により生じる熱は磁気ヒステリシス損失と呼ばれる。このような誘導熱は、電流搬送を原因として導体により生じたものに加えられ、特にケーブルの放熱性能が低いかゼロである環境において展開されるときにケーブルの通電能力全体を妨げ得る。

使用の際、海底ケーブルは一般に水より下に設置され、典型的には底部地盤より下に埋められているが、その一部は異なる環境に置かれており、それは、例えば、海底リンクの陸地端、中間にある島の横断、途切れのない陸部分、運河の端の場合及び同様の状況である。これらの環境の重要な側面は、しばしば沖合の主なルートにおける状況と比べて悪い熱的特性及び／又は高い温度である。

米国特許出願公開第２０１２／００２４５６５Ａ１号は、電力伝送ケーブルであって、第１金属材料でできているケーブル外装が設けられた少なくとも１つの第１セクションと、第２金属材料でできているケーブル外装が設けられた少なくとも１つの第２セクションとを含む電力伝送ケーブルを開示する。第２金属材料は、第１金属材料のものより実質的に低い強磁性特性を有する。

欧州特許第０１７３４０２Ａ１号は、水中に様々な深さで置かれるよう設計された外装付海底電力ケーブルを開示する。ケーブルは浅水セクションにおいては重くて強い外装（鋼ワイヤ）を有する。水の極めて深いところでは鋼外装の重量はひどく重く、そのためこれらのセクションにおいて外装は合成の軽量材料でできている。２つのタイプの外装間の移行部は物理的に集中して作られるが、ケーブル敷設機をケーブルが通過する際のケーブルコアの鋭い屈曲を防ぐために十分にフレキシブルである。外装接合部はケーブルコアの関節部から変位されてもよく、ケーブルにおける全ての長手方向ひずみを実質的に効果的に移動させる。

本発明は、電力導体と複数の平行ならせん状外装ワイヤとを含む電力伝送ケーブルである。好ましくは、電力導体は連続的な電力導体である。電力伝送ケーブルはその長さに沿って、第１セクションと、第２セクションと、移行セクションとを含む。移行セクションは第１セクションと第２セクションとの間に提供される。第１セクションにおける複数の平行ならせん状外装ワイヤは第１外装ワイヤを含むか第１外装ワイヤからなる。第１外装ワイヤは金属の耐食性コーティングを含む炭素鋼ワイヤである。第２セクションにおける複数の平行ならせん状外装ワイヤの少なくとも一部は、オーステナイト系鋼ワイヤを含む。移行セクションにおいて、第１外装ワイヤの端部は、第２セクションのオーステナイト系鋼ワイヤの端部に別個に溶接される。移行セクションは第１外装ワイヤとオーステナイト系鋼ワイヤとの間の最初の溶接部で始まる。移行セクションは、第１外装ワイヤとオーステナイト系鋼ワイヤとの間の最後の溶接部で終端する。移行セクションは少なくとも１０メートルの長さ、好ましくは少なくとも２５メートルの長さ、より好ましくは少なくとも４０メートルの長さである。

異なるタイプのらせん状外装ワイヤの使用を原因として、電力伝送ケーブルの第１セクションにおける及び第２セクションにおける熱生成は全く異なる。第１セクションは第１外装ワイヤを含み、これは金属の耐食性コーティングを含む炭素鋼ワイヤであり、したがって強磁性である。第１セクションにおける強磁性外装ワイヤを原因としてかなりの熱発生が起きる。第２セクションはオーステナイト系鋼ワイヤを含み、これは実質的に非磁気である。導体を流れる電流により生じた磁場により、事実上にゼロの又は限られた熱がこれらのオーステナイト系鋼ワイヤにおいて生じることになる。少なくとも１０メートルの長さ－及び好ましくは少なくとも２５メートルの長さ、より好ましくは少なくとも４０メートルの長さ－である移行セクションの提供が、ケーブルの長さに沿って、磁場によりらせん状外装ワイヤにおいて生じた熱の、急激な変化ではなく、漸進的な変化を提供するということは利益である。

好ましくは、炭素鋼はフェライト又はフェライト／パーライト微細構造を有する。

好ましくは、炭素鋼は低合金鋼であり、低合金鋼とは５重量％未満の合金要素を有する鋼合金を意味する。

好ましくは、炭素鋼は低炭素鋼である。

好ましくは、連続的な電力導体は撚り合された銅ワイヤを含む。

好ましくは、連続的な電力導体－例えば撚り合された銅ワイヤ－は、連続的な電力導体を互いから絶縁するために絶縁層を含む。絶縁層は例えば架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）から作られ得る。

好ましくは、電力伝送ケーブルは、下地－例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）によるもの－を連続的な電力導体と平行ならせん状外装ワイヤとの間に含む。下地はケーブルの内層と外層との間に保護境界を提供する。

好ましくは、電力伝送ケーブルは平行ならせん状外装ワイヤを囲む外部シースを含む。シース－例えば黒色ＰＶＣから作られ得るもの－はケーブルを一緒に保持するとともに外部ストレスに対する追加的な保護を提供する。

好ましくは、移行セクションにおける第１外装ワイヤとオーステナイト系鋼ワイヤとの間の溶接部は、移行セクションの長さに沿って均一に分布する。

好ましくは、第１外装ワイヤ及びオーステナイト系鋼ワイヤは円形断面を有するか、扁平断面を有するか、又はｚ形断面を有する。

本発明の実施形態において、第１外装ワイヤの直径はオーステナイト系鋼ワイヤの直径とは異なる。より好ましい実施形態において、オーステナイト系鋼ワイヤの直径は炭素鋼ワイヤの直径よりも大きい。より好ましくは、電力導体の量（ケーブル断面における電力導体の表面積として表される）は、第１セクションにおいてよりも第２セクションにおいて多い。そのような状況は、第１セクションがより暖かい環境において提供され、結果として銅導体の比導電率がより低くなる場合に必要とされ得る。したがって、第１セクションにおける総導体の断面積がより大きく、また外装ワイヤの直径がより大きいことから、第１セクションにおいてより多くの伝導性を提供することが有用であり得る。

好ましくは、第１外装ワイヤの金属の耐食性コーティングは溶融亜鉛コーティングにより、又は溶融亜鉛合金コーティングにより、又はアルミニウムコーティングにより、又はアルミニウム合金コーティングにより提供される。アルミニウムコーティング又はアルミニウム合金コーティングは例えば、クラッディング又は押出加工プロセスにより第１外装ワイヤに施され得る。

好ましくは、金属の耐食性コーティングは溶接作業の前に第１外装ワイヤの端部で除去されている。より好ましくは、溶接後に保護コーティングがワイヤ端部に施される。より好ましくは、保護コーティングはバインダ中に亜鉛粒子を含む。保護コーティングは例えば、亜鉛系エナメルコーティングであり得る。

好ましくは、第１外装ワイヤの一部は第１セクションから、移行セクションを通って、第２セクション内へと続く。より好ましくは、第１外装ワイヤは第２セクションにおける外装ワイヤの総数の３０％～７０％を提供する。

第１外装ワイヤの一部が第１セクションから移行セクションを通って第２セクション内へ続く実施形態において、好ましくは、第１外装ワイヤ－これは金属の耐食性コーティングを含む炭素鋼ワイヤである－及びオーステナイト系鋼ワイヤは第２セクションにおいて、電力移行ケーブルの円周の周りに規則的パターンに従って提供される。

好ましくは、第２セクションにおける全ての平行ならせん状外装ワイヤはオーステナイト系鋼ワイヤである。

好ましくは、第２セクションのオーステナイト系鋼ワイヤに金属の耐食性コーティングが提供される。より好ましくは、オーステナイト系鋼ワイヤの金属の耐食性コーティングは、溶融亜鉛コーティングにより、溶融亜鉛合金コーティングにより、アルミニウムコーティングにより、又はアルミニウム合金コーティングにより提供される。アルミニウムコーティング又はアルミニウム合金コーティングは例えば、クラッディング又は押出加工プロセスによりオーステナイト系鋼ワイヤに施され得る。

第２セクションのオーステナイト系鋼ワイヤに金属の腐食コーティングが設けられるとき、好ましくは、溶接部における両ワイヤ端部で金属の腐食コーティングが溶接作業の前に特定の長さにわたって除去される。より好ましくは、溶接後に、金属の腐食コーティングが除去された位置を覆うために、保護コーティングが溶接されたワイヤ端部に施される。より好ましくは、保護コーティングはバインダ中に亜鉛粒子を含む。施され得る保護コーティングの例は亜鉛系エナメルである。

好ましくは、溶接は突き合わせ溶接又は重ね溶接である。重ね溶接が使用される場合、好ましくは、充填材が溶接部において使用され、より好ましくは、充填材は、オーステナイト系鋼ワイヤのオーステナイト系鋼よりも重量ベースでより多くの合金要素を含むオーステナイト系ステンレス鋼グレードである。

好ましくは、オーステナイト系鋼はオーステナイト系ステンレス鋼である、又はオーステナイト系鋼はハッドフィールド鋼である、又はオーステナイト系鋼はＴＷＩＰ鋼である。ハッドフィールド鋼は０．８～１．２５重量％の炭素と１１～１５重量％のマンガンとを含む鋼合金である。ＴＷＩＰ鋼（又は双晶誘起塑性鋼（Twinning-Induced Plasticity steel））は、２０重量％超のＭｎ、１重量％未満の炭素、３重量％未満のＳｉ、及び好ましくは３重量％未満のアルミニウムを含む鋼合金である。

好ましい電力伝送ケーブルは三相電力伝送ケーブルである。

本発明による電力伝送ケーブルの例を示す。 図１の電力伝送ケーブルの詳細を示す。 本発明において使用され得る第１外装ワイヤとオーステナイト系鋼ワイヤとの間の突き合わせ溶接部の詳細を示す。 本発明において使用され得る第１外装ワイヤとオーステナイト系鋼ワイヤとの間の重ね溶接部の詳細を示す。

図１は三相電力伝送ケーブル１０の例を示す。連続的な電力導体１２は撚り合された銅ワイヤででき得る。ケーブルにおける絶縁体１４は導体が互いとも他の金属部品とも接触しないことを確実にする。－例えば架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）でできている－導体上の絶縁体１４は良好な防水性及び優れた絶縁特性を有する。例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）でできている下地１６が、ケーブルの内層と外層の間に保護境界を提供するために使用される。鋼ワイヤでできている複数の平行ならせん状外装ワイヤ１８が、機械的保護、特に外部の衝撃に対する保護を提供する。加えて、外装ワイヤ１８は設置中の張力を弛めることができ、したがって銅導体が延びるのを防ぐ。例えば黒色ＰＶＣでできているシース１９がケーブルの全てのコンポーネントを一緒に保持するために、及び外部ストレスに対して追加的な保護を提供するために提供され得る。

図２は、シースが除去された図１の例示的な本発明の電力伝送ケーブルの詳細を示す。電力伝送ケーブルはその長さに沿って第１セクションＩと、第２セクションＩＩＩと、移行セクションＩＩとを含む。移行セクションは第１セクションと第２セクションとの間に提供される。第１セクションにおける複数の平行ならせん状外装ワイヤ１２１は第１外装ワイヤからなり、炭素鋼ワイヤに耐腐食性を提供するために溶融亜鉛コーティングを含む炭素鋼ワイヤである。第２セクションにおいて、平行ならせん状外装ワイヤは、オーステナイト系ステンレス鋼ワイヤ１２３（例えば、６ｍｍの直径を有するＡＩＳＩ２０２オーステナイト系ステンレス鋼によるもの）及び炭素鋼ワイヤ１２４（例えば、６ｍｍの直径を有するＥＮ１０２５７－２による炭素鋼によるもの）により交互に提供される。炭素鋼ワイヤは第１セクションから、移行セクションを通って、第２セクション内へと続く第１外装ワイヤである。このようにして、第２セクションにおける外装ワイヤの５０％がオーステナイト系ステンレス鋼ワイヤにより提供され、他の５０％が炭素鋼ワイヤにより提供される。第２セクションのオーステナイト系ステンレス鋼ワイヤには、オーステナイト系ステンレス鋼ワイヤに耐腐食性を提供するために溶融亜鉛コーティングが設けられる。移行セクションにおいて、第１外装ワイヤ１２１の端部は第２セクションのオーステナイト系ステンレス鋼ワイヤ１２３の端部に別個に突き合わせ溶接（突き合わせ溶接部１３０）される。移行セクションＩＩは第１外装ワイヤとオーステナイト系ステンレス鋼ワイヤとの間の最初の突き合わせ溶接部（１３７）で始まり、第１外装ワイヤとオーステナイト系ステンレス鋼ワイヤとの間の最後の突き合わせ溶接部（１３０）で終端する。例において、炭素鋼ワイヤとオーステナイト系鋼ワイヤとの間の突き合わせ溶接部は移行セクションの長さに沿って均一に分布する。移行ゾーンＩＩは例えば１４メートルの長さである。

図３は図２のケーブルにおける第１外装ワイヤとオーステナイト系鋼ワイヤとの間の突き合わせ溶接部の詳細を示す。炭素鋼ワイヤ３２１の端部は移行セクションにおいてオーステナイト系鋼ワイヤ３２３の端部に突き合わせ溶接される。突き合わせ溶接部３３０における両ワイヤ端部で、溶融亜鉛コーティング３３１、３３３は溶接作業の前に特定の長さにわたって除去される。保護コーティング３４０が、金属の腐食コーティングが除去された位置で突き合わせ溶接後にワイヤ端部に施される。保護コーティングは例えば、亜鉛粒子を含むエナメルであり得る。

図４は突き合わせ溶接の代替として本発明において使用され得る重ね溶接を示す。炭素鋼ワイヤ４２１の端部は、充填材４４４を使用してオーステナイト系鋼ワイヤ４２３の端部に移行セクションにおいて重ね溶接される。溶接する前に、金属の腐食コーティング－例えば溶融亜鉛コーティング－３３１、３３３が両ワイヤ端部から特定の長さにわたって除去される。保護コーティング４４０が、金属の腐食コーティングが両ワイヤ端部から除去されている位置で溶接作業後に施される。保護コーティングは例えば亜鉛粒子を含むエナメルであり得る。

Claims (14)

1. 電力導体と、
   複数の平行ならせん状外装ワイヤと
   を含む電力伝送ケーブルであって、
   前記電力伝送ケーブルがその長さに沿って、第１セクション（Ｉ）と、第２セクション（ＩＩＩ）と、移行セクション（ＩＩ）とを含み、
   前記移行セクション（ＩＩ）が前記第１セクション（Ｉ）と前記第２セクション（ＩＩＩ）との間に提供され、
   前記第１セクション（Ｉ）における前記複数の平行ならせん状外装ワイヤが第１外装ワイヤ（１２１）を含むか第１外装ワイヤ（１２１）からなり、前記第１外装ワイヤ（１２１）が金属の耐食性コーティングを含む炭素鋼ワイヤであり、
   前記第２セクション（ＩＩＩ）における前記複数の平行ならせん状外装ワイヤの少なくとも一部がオーステナイト系鋼ワイヤ（１２３）を含み、
   前記移行セクション（ＩＩ）において、第１外装ワイヤ（１２１）の端部が前記第２セクション（ＩＩＩ）のオーステナイト系鋼ワイヤ（１２３）の端部に別個に溶接され、
   前記移行セクション（ＩＩ）が第１外装ワイヤ（１２１）とオーステナイト系鋼ワイヤ（１２３）との間の最初の溶接部（１３７）で始まり、
   前記移行セクション（ＩＩ）が、第１外装ワイヤ（１２１）とオーステナイト系鋼ワイヤ（１２３）との間の最後の溶接部で終端し、
   前記移行セクション（ＩＩ）が少なくとも１０メートルの長さであり、
   前記第１外装ワイヤの一部が前記第１セクションから、前記移行セクションを通って、前記第２セクション内へと続く、
   電力伝送ケーブル。
2. 前記第１外装ワイヤが、前記第２セクションにおける外装ワイヤの総数の３０％～７０％を提供する、請求項１に記載の電力伝送ケーブル。
3. 前記第１外装ワイヤ（１２１）と前記オーステナイト系鋼ワイヤ（１２３）との間の前記移行セクション（ＩＩ）における前記溶接部が前記移行セクション（ＩＩ）の長さに沿って均一に分布する、請求項１又は２に記載の電力伝送ケーブル。
4. 前記第１外装ワイヤ（１２１）及び前記オーステナイト系鋼ワイヤ（１２３）が円形断面を有するか、扁平断面を有するか、又はｚ形断面を有する、請求項１～３のいずれかに記載の電力伝送ケーブル。
5. 前記第１外装ワイヤ（１２１）の前記金属の耐食性コーティングが、溶融亜鉛コーティングにより、又は溶融亜鉛合金コーティングにより、又はアルミニウムコーティングにより、又はアルミニウム合金コーティングにより提供される、請求項１～４のいずれか一項に記載の電力伝送ケーブル。
6. 溶接作業の前に、前記金属の耐食性コーティングが前記第１外装ワイヤ（１２１）の前記端部で除去される、請求項１～５のいずれか一項に記載の電力伝送ケーブル。
7. 溶接後に保護コーティングが前記ワイヤ端部に施される、請求項６に記載の電力伝送ケーブル。
8. 前記第２セクション（ＩＩＩ）の前記オーステナイト系鋼ワイヤ（１２３）に金属の耐食性コーティングが提供される、請求項１～７のいずれか一項に記載の電力伝送ケーブル。
9. 前記オーステナイト系鋼ワイヤ（１２３）の前記金属の耐食性コーティングが、溶融亜鉛コーティングにより、又は溶融亜鉛合金コーティングにより、又はアルミニウムコーティングにより、又はアルミニウム合金コーティングにより提供される、請求項８に記載の電力伝送ケーブル。
10. 前記溶接部における両ワイヤ端部で、前記金属の腐食コーティングが前記溶接作業の前に特定の長さにわたって除去され、溶接後、保護コーティング（３４０）が、前記金属の腐食コーティングが除去された前記ワイヤ端部に施される、請求項５～９のいずれか一項に記載の電力伝送ケーブル。
11. 前記保護コーティング（３４０）がバインダ中に亜鉛粒子を含む、請求項１０に記載の電力伝送ケーブル。
12. 前記溶接が突き合わせ溶接又は重ね溶接である、請求項１～１１のいずれか一項に記載の電力伝送ケーブル。
13. 前記オーステナイト系鋼がオーステナイト系ステンレス鋼である、又は前記オーステナイト系鋼がハッドフィールド鋼である、又は前記オーステナイト系鋼がＴＷＩＰ鋼である、請求項１～１２のいずれか一項に記載の電力伝送ケーブル。
14. 前記ケーブルが三相電力伝送ケーブルである、請求項１～１３のいずれか一項に記載の電力伝送ケーブル。

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