JPH05314818A - 直流電力ケーブル絶縁体用充填剤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 海底ケーブルなどの高圧直流送電線路に用い
られる直流電力ケーブル絶縁体用充填剤を改良する。 【構成】 ポリエチレンもしくは架橋ポリエチレンなど
の高分子絶縁ケーブル用絶縁体に添加する充填剤におい
て、充填剤はビニル系シランカップリング剤で表面処理
された酸化マグネシウムとすることを特徴とする直流ケ
ーブル絶縁体用充填剤である。

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ポリエチレンや架橋ポリエチレ
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。問題点の代表的なものと
して、ケーブルに直流電圧を印加した場合に絶縁体内に
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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】しかし、上述した従来の直流ケーブルによ
ると直流破壊特性は向上する反面、ポリエチレンに添加
した有極性無機絶縁物が異物として作用してしまい、ケ
ーブルとして要求されるもう一つの特性である雷インパ
ルス破壊特性が無添加（非充填）架橋ポリエチレンに比
べて低下してしまうという不具合がある。特に、このよ
うな無機絶縁粉末がポリエチレン中に均一に分散せず、
絶縁体中で粒子の凝集が発生すると電気絶縁上好ましく
ない欠陥を生じる結果となり、破壊特性を著しく低下さ
せる。

【０００８】また、粒子の凝集は、空気中に含まれる水
分を吸収することにより、ポリエチレンと混合する前の
粉体の状態でも発生し易くなり、コンパウンド製造機の
スクリーンメッシュの目詰まりの原因となり量産化に対
応できないという問題がある。量産化のためにはスクリ
ーンメッシュを粗くすれば良いが、スクリーンメッシュ
本来の機能を損ねることとなり、必然的に絶縁体として
十分な異物除去ができなくなるという問題がある。

【０００９】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、充填剤を添加したポリ
エチレンや架橋ポリエチレン絶縁ケーブルにおいて、前
述した空間電荷形成抑制効果を損なうことなく雷インパ
ルス破壊特性を向上して、合理的絶縁設計を可能とし、
信頼性、経済性に優れた直流ケーブルを得ることができ
る充填剤を提供することにある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、ポリエチ
レンもしくは架橋ポリエチレンなどの高分子絶縁直流ケ
ーブル用絶縁体に添加する充填剤において、前記充填剤
がビニル系シランカップリング剤で表面処理した酸化マ
グネシウムであること、さらに、その充填剤表面処理方
法を乾式法で行なうことを特徴としたものである。

【００１１】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。

【００１２】（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。

【００１３】（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
鉱物であるため、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マグネサイド
などの天然鉱物からも得ることができるが、海水，カン
水，苦汁などのマグネシウムイオン含有溶液から工業的
に製造される炭酸マグネシウム，水酸化マグネシウムな
どの人工的に合成されたマグネシウム化合物を原料とし
て製造することができ、前述した天然鉱物に比べはるか
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。

【００１４】次に、酸化マグネシウムの表面処理剤をビ
ニル系シランカップリング剤と限定した理由を説明す
る。数あるフィラー材料の表面処理剤の中から、ビニル
系シランカップリング剤と限定したのは、ポリエチレン
と酸化マグネシウムの安定した化学的結合が得られるこ
と、酸化マグネシウム充填架橋ポリエチレンとしての固
有絶縁抵抗特性が高く安定していること、混練時の分散
性が良好で均一な絶縁体が得られることが実験により確
認されたためである。

【００１５】さらに、表面処理法を乾式法と限定した理
由を説明する。フィラー材料の表面処理法としては、
（ａ）乾式法，（ｂ）湿式法、（ｃ）インテグラルブレ
ンド法等がある。これらの中から特に乾式法を選定した
のは、他の２方法に比較して量産性に優れていること均
一な処理が可能であり、均質なケーブル絶縁体が得れる
こと、処理されたものが耐吸湿性に優れ粉体自身の凝集
が生じ難いことが確認されたためである。

【００１６】

【実施例】先ず、ポリエチレン用充填剤とした酸化マグ
ネシウムを対象とした場合の最適な表面処理剤を模索す
るため、一般に無機充填剤用として工業的に実用化され
ている各種表面処理剤で処理した酸化マグネシウムを製
造し、その吸湿性およびスクリーンメッシュ通過性（粉
体としての凝集性の指標）を調査した。第１表は調査し
た表面処理剤の種類と試験結果である。ここで、吸湿性
は湿度９５％の雰囲気中に各種表面処理剤で処理した酸
化マグネシウムを常温で１０日間放置した場合の重量増
加割合から求めたものである。また、メッシュ通過性
は、３２５メッシュのスクリーンメッシュを取り付けた
容器に前記処理した酸化マグネシウムを入れ、タッピン
グ法でその通過状態により評価した。表において通過性
の良かった方から◎→○→△→×の順で表示している。
比較のため表面処理なしの試料（試料Ｊ）の結果も合わ
せて示した。

【００１７】ちなみに、メッシュ通過性の判定か以下の
とおりである。

【００１８】◎：殆どがメッシュを通過し容器に凝集粒
子が残らなかったもの

【００１９】○：大部分はメッシュを通過したが若干凝
集粒子が容器に残ったもの

【００２０】△：半分程度はメッシュを通過したが残り
は凝集粒子として容器に残ったもの

【００２１】×：少しはメッシュを通過したが大部分が
凝集粒子として容器に残ったもの

【００２２】

【表１】

【００２３】第１表から明らかなように、程度の差こそ
あれ表面処理を施した試料Ａ〜Ｉは表面処理なしの試料
Ｊに比べ吸湿性が改善され、メッシュ通過性も改善され
ている。

【００２４】特に吸湿性の面ではシランカップリング剤
（試料Ｄ〜Ｉ）が概して良好であったが、中でもビニル
系シランカップリング剤（試料Ｄ）は非常に吸湿が少な
かった。

【００２５】一方、メッシュ通過性の点では試料Ａ，
Ｄ，Ｇ，Ｉが比較的よかった。試料Ａを除けば総じて前
記した吸湿性の比較的小さいものであり、吸湿によって
粉体の凝集が助長されやすいことを示唆している。な
お、吸湿性はむしろ多い方に分類される試料Ａは、理由
は明らかではないが、メッシュ通過性の点では試料Ｄと
同様、非常に良好であった。

【００２６】以上の結果から、表面処理剤としては試料
Ｄが有望であると判断された。さらに電気特性の観点か
ら評価するため、試料Ｄとメッシュ通過性で良好であっ
た試料Ａ，Ｇ，Ｉの４種を取り上げ、４種の表面処理剤
で処理した酸化マグネシウムを添加した架橋ポリエチレ
ンシートを作成し、固有絶縁抵抗および架橋ポリエチレ
ンシート中の凝集粒子の発生状況を調査した。

【００２７】試料は、低密度ポリエチレン１００重量部
に対して第１表に示した各種表面処理剤Ａ，Ｄ，Ｇ，Ｉ
で処理した酸化マグネシウムを５重量部添加して、ロー
ルで混練し、加熱プレスにて溶融成形した厚さ０．２ｍ
ｍのシートである。

【００２８】固有絶縁抵抗は高温での安定性を見るため
温度条件温度９０℃、４ｋＶの直流電圧を印加して測定
した。また、凝集粒子は光学顕微鏡により観察した。

【００２９】これらの比較結果を第２表に示す。

【００３０】

【表２】

【００３１】第２表から明らかなように、比較した４試
料の中では試料Ｄが最も高い固有絶縁抵抗を示し、架橋
ポリエチレン中に認められる凝集粒子も小さかった。な
お、第１表でメッシュ通過性が良好だった試料Ａはポリ
エチレンでは予想以上に凝集粒子の発生が多かった。以
上のことから、酸化マグネシウムの表面処理剤としては
試料Ｄのビニル系シランカップリング剤が最適であると
判断された。

【００３２】なお、表面処理の効果を最大限に発揮させ
るためには表面処理剤の種類のみならず、その表面処理
方法とも密接な関連があるものと考えられる。そこで、
前記した試料Ｄを対象とした最適な表面処理方法につい
てさらに検討した。

【００３３】無機粉末の表面方法は、（１）乾式法、
（２）湿式法、（３）インテグラルブレンド法等があ
り、用途や目的に応じて使い分けられている。

【００３４】乾式法は表面処理を行なう充填剤（フィラ
ー）を高温で撹拌し、表面処理剤あるいはその溶液を噴
霧する乾式法でなされたものである。本方法は設備さえ
あれば大量生産に適する方法であるが、噴霧して表面に
吸着させることから処理が不均一になる可能性がある。
ちなみに、第１表、第２表で示した各試料の表面処理は
全て（１）乾式法によるものである。

【００３５】湿式法は充填剤を水や溶剤でスラリー化
し、表面処理剤を添加，撹拌した後乾燥するものであ
る。溶剤類の除去のために多量の熱を必要とするので大
量生産には適さないとされているが均一な処理が可能で
ある。

【００３６】インテグラルブレンド法は充填剤および樹
脂の混合形に直接表面処理剤を添加し撹拌混合するもの
で充填剤の表面処理が不要となるが、粉体そのもの処理
の均一化およびここで問題としているような凝集粒子の
低減には効果は前述した２者に比べ疑問視される。

【００３７】以上のことから、前記した試料Ｄの表面処
理剤を使用し、その表面処理法として、（１）乾式法、
（２）湿式法を採用した場合について吸湿性とメッシュ
通過性の比較評価を行なった。

【００３８】両者の評価結果を第３表に示す。

【００３９】

【表３】

【００４０】第３表から分かるように、表面処理の均一
化を期待した湿式法は予想に反し吸湿およびメッシュ通
過性が逆に悪くなり、最も問題となる最大凝集粗粒の大
きさも大きくなることが確認された。

【００４１】以上のことから表面処理法は乾式法が適し
ているものと判断された。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明による充
填剤を適用した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、ビニル系シランカッ
プリング剤を使用し、かつ乾式法で表面処理をした酸化
マグネシウムを充填剤としたポリエチレンもしくは架橋
ポリエチレンを絶縁体としたために、破壊特性に悪影響
を及ぼす凝集粗粒の低減が図れるようになり、直流破壊
特性や雷インパルス破壊特性の向上を達成することがで
きた。あわせて、スクリーンメッシュの目詰まり等によ
るケーブル製造時の問題を解消することができた。

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１０月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 直流電力ケーブル絶縁体用充
填剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関井 康雄 茨城県日立市日高町５丁目１番１号「日立 電線株式会社電線研究所内」 (72)発明者 塙 勝 茨城県日立市日高町５丁目１番１号「日立 電線株式会社日高工場内」 (72)発明者 山本 新一 山口県宇部市大字小串1985番地「宇部化学 工業株式会社内」 (72)発明者 渡辺 国男 山口県宇部市大字小串1985番地「宇部化学 工業株式会社内」

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリエチレンもしくは架橋ポリエチレン
   などの高分子絶縁ケーブル用絶縁体に添加する充填剤に
   おいて、前記充填剤はビニル系シランカップリング剤で
   表面処理された酸化マグネシウムとすることを特徴とす
   る直流ケーブル絶縁体用充填剤。
2. 【請求項２】 前記酸化マグネシウムの表面処理が乾式
   法でなされたことを特徴とする「請求項１」記載の直流
   ケーブル絶縁体用充填剤。