JPH04368718A - 直流電力ケーブル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、海底ケーブルなどの
高圧直流送電線路に用いるのに好適な直流電力ケーブル
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、交流送電用電力ケーブルとしては
優れた絶縁特性や保守管理の容易性、防災性の面で多く
の利点を有することから架橋ポリエチレンを絶縁体とし
た電力ケーブル、いわゆるＣＶケーブルが広く使用され
ており、近年の製造技術の著しい進歩と相まって、今日
では５００ｋＶケーブルとして実用化されるに至ってい
る。

【０００３】このように、交流ケーブルとしては多くの
優れた特徴と実績を有するＣＶケーブルであるが、これ
を高圧直流送電用として適用する場合には直流絶縁特有
の問題が顕著に現われ、国内はもとより世界的にみても
未だ実線路への適用例はない。また、ＣＶケーブルは絶
縁体の耐熱性を高め、ケーブルの許容電流の向上を図る
ため、単なるポリエチレンではなく、例えば、Ｄ．Ｃ．
Ｐ．（ｄｉ−ｃｕｍｙｌ　　ｐｅｒｏｘｉｄｅ）などの
架橋剤により架橋した架橋ポリエチレンが絶縁体として
使用されている。そのため、ケーブル製造時には架橋反
応に伴なうメタンやアセトフェノンなどの分解生成物が
絶縁体中に発生することから、一般にはケーブル押し出
し終了後、ある所定の期間乾燥室などでケーブルを乾燥
し、絶縁体中に残存している架橋時の分解生成物を許容
レベル（発生ガスがケーブルシース等に悪影響を及ぼさ
ないレベル）以下となるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＣＶケーブルを直流ケ
ーブルとして使用する場合の問題点の一つとして、ケー
ブルに直流電圧を印加した際に絶縁体内に形成される空
間電荷の存在があることは一般に知られるところである
。

【０００５】例えば、ケーブルに負の直流電圧を印加す
ると、導体側近傍には負の空間電荷、逆に遮蔽側近傍に
は正の空間電荷が形成されることが知られている。この
ような場合には、導体電極直上および遮蔽側電極での電
界は緩和される反面、絶縁体内部に局所的高電界を発生
するばかりか、ケーブルの実質的な有効絶縁厚を小なら
しめてしまうこともまた知られるところである。さらに
、このような状態のところに直流と逆極性（この場合は
正）の雷インパルス電圧が侵入したり、直流電圧の極性
を急激に反転すると、空間電荷により緩和されていた導
体電極直上電界が著しく上昇し、予想外の破壊電圧の低
下を招くこととなる。

【０００６】従って、ポリエチレンや架橋ポリエチレン
を絶縁体としたケーブルを直流用として適用するには、
前記した空間電荷の形成を極力抑制することが必要条件
となり、その抑制策としてこれまでにも種々の提案がな
されている。

【０００７】例えば、特公昭５７−２１８０５号公報に
示されているように、ポリエチレンに５０ミクロン以下
の粒径を有する２０〜８０重量部の有極性非扁平形状無
機絶縁粉末、即ち、ケイ酸アルミニウム，ケイ酸カルシ
ウム，炭酸カルシウム，酸化マグネシウム等を配合して
架橋した絶縁体とその外周に設けられた遮水層を有する
ケーブルもその一例であり、有極性無機絶縁物の添加に
より空間電荷の蓄積による直流絶縁耐力の低下を防止す
るようにしたものである。

【０００８】しかし、このような有極性無機絶縁物をポ
リエチレンや架橋ポリエチレンに添加すると、直流破壊
特性の向上は図れるものの添加した有極性無機絶縁物が
異物として作用し、架橋ポリエチレン本来の優れた交流
特性、例えば雷インパルス破壊特性が低下してしまうと
いう不具合がある。また、有極性無機絶縁物の粉末が製
造過程で凝集したりすると電気絶縁上好ましくないこと
はいうまでもない。

【０００９】以上は空間電荷の挙動に絡む直流絶縁上の
問題であるが、これに加えて直流課電時にはケーブル絶
縁体内の電位が抵抗分担となり、内部の電界分布はケー
ブル半径方向の抵抗分布に大きく依存したものになる。 とりわけ、架橋ポリエチレン絶縁体においてはケーブル
絶縁体中に残存する架橋時分解生成物が絶縁体の抵抗に
大きく影響し、内部電界を一層複雑なものとしている。

【００１０】図１は通常の架橋ポリエチレンケーブルに
おいて、絶縁体半径方向の固有絶縁抵抗（ρ）と残存し
ている架橋時分解生成物量の分布を測定したものをグラ
フに示したものである。ケーブルは押出し後、温度約７
０℃の雰囲気で２週間の乾燥処理を実施した絶縁厚さ１
３ｍｍの架橋ポリエチレン絶縁ケーブルである。このケ
ーブルより特殊バイトを用いた旋盤で半径方向に薄く（
約０．１ｍｍ）スライスした絶縁体シートの試料をサン
プリングし、各試料の固有絶縁抵抗ρと架橋時分解生成
物の量βを測定した。固有絶縁抵抗ρは室温で前記試料
に直流４ｋＶを印加し、その時の漏れ電流から算定した
。なお、測定中の架橋時分解生成物の揮散の影響を極力
少なくするために、電圧印加後１０分経過後の漏れ電流
値に基づき便宜上算定している。また、分解生成物は同
様にサンプリングしたシートを真空乾燥し、その時の重
量変化分から算定した。

【００１１】図１から明らかなように、通常の架橋ポリ
エチレンケーブルにおける分解残渣量βは絶縁体の中央
部にピークを有する凸形の分布となっている。分解残渣
はケーブル製造直後には絶縁体中に均一に発生している
ものと考えられるが、その後の乾燥工程や大気中放置の
過程において、自然に外部（ケーブル外導側あるいは導
体側）に揮散するため、前記したような凸形の分解残渣
量分布となることは容易に推察されるところである。一
方、ケーブル半径方向の固有絶縁抵抗ρの分布は分解残
渣量βの分布とは逆に、ケーブルの内部および外部導電
層側が高く、絶縁体の中央部が低い凹形の分布となって
いる。これにより、絶縁体中の分解残渣が、その固有絶
縁抵抗ρを低下させていることがわかる。

【００１２】例えば、Ｄ．Ｃ．Ｐ．を架橋剤とした架橋
ポリエチレンの分解残渣成分はメタン，アセトフェノン
，α−メチルスチレン，クミルアルコールが代表的なも
のとして挙げられるが、これらはいずれも低分子量のガ
スあるいは液体で、それら単独の固有絶縁抵抗ρ値とし
てアセトフェノン：４×１０７　Ω・ｃｍ，クミルアル
コール：５×１０９　Ω・ｃｍ，α−メチルスチレン：
７×１０１２Ω・ｃｍが確認されている。これはポリエ
チレンに比べ桁違いに低い固有絶縁抵抗値であることが
わかる。従って、分解残渣が多く残存しているところで
は絶縁体の固有絶縁抵抗ρが低く、分解残渣の揮散しや
すい内、外導層側では相対的に固有絶縁抵抗ρが高いと
いう図１の結果を説明することができる。

【００１３】図１のような固有絶縁抵抗ρの分布を有す
るケーブルに直流電圧が印加されると、固有絶縁抵抗ρ
の高い部分での電圧分担が大きくなり、結果として、そ
の部分において局所的な高電界部を形成することとなる
。当然ながら、分解残渣はケーブル絶縁厚が大きいほど
揮散しにくいことから、この傾向は絶縁厚の厚いケーブ
ルでは益々助長されることとなり、このことが架橋ポリ
エチレンケーブルで認められている直流破壊電圧の顕著
な絶縁厚依存性の一因と考えられる。また、絶縁体の固
有絶縁抵抗ρの低下は必然的に直流印加時の漏れ電流を
増大させ、それに伴う絶縁体の発熱（ジュール熱：Ｐ＝
Ｉ２　Ｒ）を招くことから、熱的不安定性の原因となり
、安定したケーブル絶縁体とするためには極力絶縁体の
固有絶縁抵抗ρを高くすることが望ましいことは言うま
でもない。

【００１４】前述したようなケーブル押出し後の乾燥処
理により、残存している分解残渣の量βは減少し、ある
程度の固有絶縁抵抗ρの向上が期待できるが、分解残渣
は濃度拡散で外部に出てくることから、相対的な固有絶
縁抵抗ρの大小関係は基本的には変わらず、前述した固
有絶縁抵抗ρの分布の不均一性は解消されない。さらに
、絶縁厚が厚いほど乾燥に要する時間も長くなり、実際
のケーブル製造工程では対応が難しくなるという問題が
ある。

【００１５】この発明の目的は、上記のような問題点を
解決するためになされたもので、特に架橋ポリエチレン
絶縁ケーブルにおいて、空間電荷形成抑制効果を有しつ
つ、特殊な乾燥処理等を実施しなくとも高い固有絶縁抵
抗が維持でき、かつ、ケーブル半径方向の固有絶縁抵抗
の分布が均一となるような絶縁体とすることにより、直
流破壊特性，熱的信頼性，経済性に優れた直流ケーブル
を提供することにある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、空間電荷
の影響を軽減できる有極性無機粉末のうち、特に、ポリ
エチレン１００重量部に対して酸化マグネシウムを１〜
２０重量部の範囲で添加した架橋ポリエチレン絶縁体に
よる直流ケーブルを提供するものである。

【００１７】ここで、添加物を酸化マグネシウムとした
理由を説明する。絶縁体の空間電荷蓄積の抑制に有効で
ある数ある有極性無機絶縁粉末のうち、特に酸化マグネ
シウムに限定したのは次の理由による。

【００１８】（ａ）酸化マグネシウムを添加したポリエ
チレンあるいは架橋ポリエチレンのインパルス破壊特性
の低下が他の有極性無機絶縁粉末添加物に比べて小さい
。即ち、空間電荷抑制効果があると考えられる各種有極
性無機絶縁粉末充填ポリエチレンの比較において、酸化
マグネシウム添加品が最も高いインパルス破壊強度を有
している。

【００１９】（ｂ）充填剤として工業的に広く使用され
ているタルクやクレイなどの有極性無機絶縁粉末は天然
鉱石であるため、酸化鉄などの電気絶縁上有害な不純物
が多く、かつその除去には工業的にも限度がある。これ
に対して、酸化マグネシウムは資源的には含マグネシウ
ム天然鉱石からも得ることができるが、海水中のマグネ
シウム塩を利用した人工合成原料から製造することがで
き、前述した天然鉱石に比べはるかに高純度で、かつ品
質や物性の安定した材料の供給が可能であるという利点
を有している。なお、このような不純物の存在は固有絶
縁抵抗ρの低下を招くことが推定される。

【００２０】次に、酸化マグネシウムの添加量を１〜２
０重量部と限定した理由を説明する。ポリエチレン１０
０重量部に対して１重量部から２０重量部が望ましい。 即ち、１重量部以下では空間電荷の蓄積防止効果ならび
に固有絶縁抵抗ρの向上効果およびそれに伴う均一化作
用が薄れ、４０重量部を越える添加量では逆に固有絶縁
抵抗ρが低下してしまうためである。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の直流ケーブルを詳細に説明
する。先ず、第１表に示す絶縁体配合の架橋ポリエチレ
ンシートを作成し、添加する酸化マグネシウムの添加量
とその架橋ポリエチレンシートの固有絶縁抵抗ρの特性
の関係について調査した。試料は、低密度ポリエチレン
、架橋剤（Ｄ．Ｃ．Ｐ．）および老化防止剤とこれに種
々の添加量からなる酸化マグネシウムを配合したものを
ロールにて混練し、加圧プレスにて成形架橋した０．１
ｍｍの架橋ポリエチレンシートである。酸化マグネシウ
ムの添加量が異なるほかは全く同じ条件で作成されたも
のであり、シート中の分解残渣の生成量βは同じと考え
られる。このようにして作成した試料を未乾燥の状態の
ままで、かつ同じ測定条件で固有絶縁抵抗ρを測定した
。

【００２２】図２に測定結果を示す。酸化マグネシウム
の添加量と固有絶縁抵抗ρの関係として整理したもので
ある。ここで、試料Ａは酸化マグネシウムを添加してい
ないものであり、前述した図１におけるケーブルの絶縁
配合と同じものである。

【００２３】

【表１】

【００２４】図２から明らかなように、酸化マグネシウ
ムを添加していない試料Ａの固有絶縁抵抗ρは１０１５
Ω・ｃｍを下回っており、供試試料中最も低い値であっ
た。これは未乾燥シートであるため分解残渣の存在が影
響しているためと推定される。しかし、酸化マグネシウ
ムを添加すると固有絶縁抵抗ρは著しく上昇し、その傾
向は添加量の増加とともに上昇し、添加量１０ｐｈｒの
試料Ｅの前後でピークを示している。その時の固有絶縁
抵抗ρは無添加の場合に比べて約１００倍以上となって
おり、あたかも十分な乾燥処理を施したものと同じよう
な様相を示すことが確認された。しかし、さらに添加量
を増大させていくと、固有絶縁抵抗ρは逆に低下し始め
、添加量６０ｐｈｒの試料Ｈではピーク等の１／１０程
度となってしまうことが確認された。

【００２５】前記したように、試料Ａ〜Ｆともに同じ架
橋剤を同量配合し同一条件で作成したものであり、当然
ながら生成される分解残渣量βはいずれも同じである。 従って、図２のように添加する酸化マグネシウムの量に
よって絶縁体の固有絶縁抵抗ρが大きく変化するという
事実は、添加した酸化マグネシウムがポリエチレン内に
生成された分解残渣を吸着、補足するという作用を有す
ることを示唆している。

【００２６】このことを図３を参照して詳しく説明する
。図３は酸化マグネシウム粒子の分解残渣吸着モデルで
あり、粒子を中心とした固有絶縁抵抗ρと分解残渣濃度
の関係を図解したものである。架橋ポリエチレン中に発
生した分解残渣が酸化マグネシウム粒子に吸着されると
仮定すれば、分解残渣は図３のように粒子およびその近
傍の分解残渣濃度が高くなり、粒子を核とした山形の実
線で示す濃度分布を持つこととなる。従って、分解残渣
の集まった粒子近傍では破線で示す固有絶縁抵抗ρが低
下することになるが、その分だけ粒子の中間部において
は分解残渣濃度が小さくなり、結果としてその部分の固
有絶縁抵抗ρが高められるため、固有絶縁抵抗ρの分布
はちょうど分解残渣濃度の逆の形となる。

【００２７】このような状態となっているシートやケー
ブルのバルクで測定した全体の固有絶縁抵抗ρは抵抗の
直列接続となり、必然的に固有絶縁抵抗ρの高い部分が
支配的となる。従って、結果としては高い固有絶縁抵抗
ρ値が得れることとなる。これが酸化マグネシウムの添
加が固有絶縁抵抗ρを著しく向上させる理由である。な
お、添加量が小さい場合にはその効果が薄れることは容
易に想定されるところである。

【００２８】一方、濃度拡散で決定される粒子の吸着範
囲はおのずと限定されるため、酸化マグネシウムの添加
量が多くなると、必然的に粒子間距離が段々小さくなり
、固有絶縁抵抗ρの高い領域が少なくなることから、前
記した固有絶縁抵抗ρの向上効果も小さくなる。図２に
おいて所定の添加量を越えると、逆に固有絶縁抵抗ρが
低下していくのはこのためと解釈される。

【００２９】従って、酸化マグネシウムの添加量は固有
絶縁抵抗ρの向上効果という点で、最適領域を有するこ
ととなり、前記した図２の実験結果から、その最適領域
は最低添加量１ｐｈｒから最大添加量２０ｐｈｒまでの
範囲が得られる。即ち、１ｐｈｒ以下では分解残渣吸着
による固有絶縁抵抗ρの向上効果が小さく、２０ｐｈｒ
を越える領域では粒子間の高い固有絶縁抵抗ρの領域が
少なくなり、固有絶縁抵抗ρの向上効果が薄れてしまう
ためである。加えて、酸化マグネシウムは無機物である
ことから添加量が大きくなると架橋ポリエチレン本来の
機械特性が損なわれるのみならず、ケーブル製造時の加
工性も低下し安定したケーブル製造が難しくなるという
問題が発生するため、充填部数は極力少ない方が望まし
い。添加部数の上限２０ｐｈｒの設定は固有絶縁抵抗ρ
の向上効果に加えて、これらも併せて考慮したものであ
る。

【００３０】また、図３のモデルからも類推できるよう
に、添加量の最適領域を決定しているのは粒子と粒子の
間隔であり、粒子径が大き過ぎると、同じ添加量でも必
然的に粒子と粒子の間隔が小さくなってしまい、その効
果を損なうこととなる。適用する酸化マグネシウムの粒
子径を５０μｍ以下としているのはそのためである。さ
らに、イオン源となり固有絶縁抵抗ρを低下させる不純
物は極力少ないことが望ましく、適用する酸化マグネシ
ウムの純度を９５％以上とした理由はそこにある。

【００３１】図４はこの発明による直流電力ケーブルの
実施例の断面図であり、同図において１は８００ｍｍ２
　の銅撚線からなる導体、２は内部半導電層、４は外部
半導電層、５は金属遮蔽層であり、３がこの発明による
酸化マグネシウムを添加した架橋ポリエチレンからなる
絶縁厚２０ｍｍの絶縁層である。なお、絶縁層３はポリ
エチレン１００重量部に対して酸化マグネシウム１０重
量部と老化防止剤、架橋剤（Ｄ．Ｃ．Ｐ．）を適量配合
した架橋ポリエチレンである。

【００３２】図５はこの発明によるケーブルの改良効果
を確認するために、前記ケーブルを製造し、通常の乾燥
状態における固有絶縁抵抗ρの分布および分解残渣量β
の分布を調査したものである。測定方法は前述の図１で
示した無添加の架橋ポリエチレンの場合と同じである。

【００３３】図５から明らかなように、残存している分
解残渣量βはケーブルの位置により異なるが、電気的に
問題となる絶縁体の固有絶縁抵抗ρは前記した無添加の
架橋ポリエチレンケーブル（図１参照）に比べて、絶対
値が高くなっているのみならず、半径方向に非常に均一
な分布となっている。

【００３４】このように均一な固有絶縁抵抗ρの分布を
もたらしているのは、酸化マグネシシウムがポリエチレ
ン絶縁体中に均一に分散しているため、前述したような
粒子の分解残渣作用がケーブル絶縁体の全領域で一様に
起こっているためと推定される。

【００３５】いずれにせよ、このように均一な固有絶縁
抵抗ρの分布と高い固有絶縁抵抗ρ値を示すという事実
は直流絶縁上非常に有利な特徴を有しているといえる。

【００３６】次に、直流絶縁破壊特性に及ぼす影響を明
らかにするために、押し出し直後（未乾燥品）の同ケー
ブルの直流破壊試験を実施した。その結果を第２表に示
す。比較例として同じ寸法構造を有する通常の無添加の
架橋ポリエチレン絶縁ケーブルで同じく未乾燥品で実施
したデータを示している。試験温度は９０℃である。

【００３７】

【表２】

【００３８】第２表から分かるように、比較例の未乾燥
の架橋ポリエチレンケーブルの直流破壊電圧は低く、未
乾燥品においては十分な性能が得られないという従来の
データを裏付けている。これに対して、本実施例は同じ
く未乾燥品にもかかわらず、比較例で確認された電圧の
２倍の電圧でも破壊せず、非常に良好な直流破壊特性を
示している。

【００３９】また、本試験は温度９０℃で実施している
が、このような高電界に晒されていても、熱的に非常に
安定した特性を有しており、実施例における固有絶縁抵
抗ρの向上の効果が顕著に認められる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明の直流電
力ケーブルによると、芯線導体の外周部に形成される絶
縁体として、所定の量からなる酸化マグネシウムを添加
した架橋ポリエチレンを採用することとしたために、直
流絶縁特性に悪影響を及ぼす架橋時の分解残渣の影響、
即ち、絶縁体の固有絶縁抵抗ρの低下とその不均一性を
解消することができ、良好な直流破壊特性をケーブルが
実現できた。このことと、実用的な乾燥処理程度でも十
分に安定した直流破壊特性を維持しうるという特徴を併
せて備えたことにより、ケーブルの小型化および軽量化
を可能とするとともに、ケーブル製造面でのコスト低減
をも可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の架橋ポリエチレン絶縁ケーブルのケーブ
ル半径方向の固有絶縁抵抗ρおよび分解残渣量βの分布
の測定結果のグラフ、

【図２】この発明による妥当性の立証と限定範囲の根拠
を明らかにするための酸化マグネシウムの添加量と固有
絶縁抵抗ρの関係を示したグラフ、

【図３】この発明の考え方を説明するための酸化マグネ
シウム粒子における分解残渣吸着モデルの解説図、

【図
４】この発明による直流電力ケーブルの一実施例を示す
断面図、

【図５】この発明によるケーブルのケーブル半径方向の
固有絶縁抵抗ρおよび分解残渣量βの分布の測定結果を
示すグラフである。

【符号の説明】

１　　導体 ２　　内部半導電層 ３　　絶縁層 ４　　外部半導電層 ５　　金属遮蔽層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　芯線導体の外周部に高分子からなる絶
   縁体を形成した直流電力ケーブルにおいて、前記絶縁体
   はポリエチレン１００重量部に対して、酸化マグネシウ
   ムを１重量部以上、２０重量部以下を添加した架橋ポリ
   エチレンであることを特徴とする直流電力ケーブル。
2. 【請求項２】　　前記酸化マグネシウムは純度９５％以
   上、その平均粒子径が５０μｍ以下である粒子からなる
   ことを特徴とする「請求項１」記載の直流ケーブル。