JPS63178406A

JPS63178406A - 直流電力ケ−ブル

Info

Publication number: JPS63178406A
Application number: JP1045087A
Authority: JP
Inventors: 山之内　宏; 恒明馬渡; 昭太郎吉田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1987-01-20
Filing date: 1987-01-20
Publication date: 1988-07-22

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】「産業上の利用分野」この発明は、空間電荷による電界の変歪を取り除くこと
により、ベースポリマー〇絶縁耐力等の諸特性の向上を
計った直流電力ケーブルに関するものである。　・「従来の技術」従来より、ＣＶケーブル等、通常の交流高電圧型カケー
プルの絶縁体としては、絶縁耐力、誘電特性が優れてい
ることから、ポリエチレンや架橋ポリエチレンが汎用さ
れている。

「発明が解決しようとする問題点」ところで、ポリエチレンや架橋ポリエチレンなどからな
る絶縁体を有するケーブルを、高圧直流送電に適用する
場合には、いくつかの問題点が生じることが知られてい
る。最大の問題点は、直流高電圧を印加することによっ
て、絶縁体中に寿命の長い空間電荷が形成され易いこと
である。この空間電荷は一般に電子性、正孔性、イオン
性のものと言われており、ポリエチレンの結晶構造に関
係した領域に電荷がトラップされるためとされている。

また１、ポリエチレンは絶縁性の良好な無極性の物質で
あるため、トラップされた電荷の漏れが起こりにくく、
従って、寿命の長い空間電荷となる。そして、直流印加
によって絶縁体に空間電荷が蓄積されると、導体近傍の
電界強度が上昇し、ケーブルの破壊電圧が低下する不都
合が生じる。

この発明は、このような背景の下になされたもので、絶
縁体に悪影響を与える空間電荷の蓄積を低減することに
より絶縁耐力を高めた直流電力ケーブルを提供すること
を目的とする。

「問題点を解決するための手段」上記目的を達成するために、本発明者は、まず第１に、
絶縁体中の空間電荷の蓄積を防止して電界の変歪を取り
除く手段（第１の手段）を見出だし、第２に、ベースポ
リマーであるポリエチレンの絶縁耐力の向上を計り、微
小な電界の変歪があったとしても絶縁破壊が生じないよ
うにする手段（第２の手段）を見出だした。

そして、前記第１の手段においては、熱可塑性樹脂に対
して、０．２〜５重量％のカーボンブラックを添加する
ことにより絶縁組成物としての絶縁体を形成するように
している。なお、前記カーボンブラックとしては、ＢＥ
Ｔ法で測定した比表面積（ｍ”／　ｇ）に対する鉱物油
の吸油量（ｃｃ／　１００　ｇ）の比が０．７以上、か
つカーボンブラックに対する水素含有率が０．６重量％
以下、かつ炭素含有率が９７重量％以上、かつ平均粒径
が１０〜１００１１、すなわちｌＯ〜ｌ゛００ミリミク
ロンのものが使用され、更に、このカーボンブラックを
熱可塑性樹脂に対し０．２〜５重量％添加することによ
り、前記絶縁組成物が構成されている。

ここで、前記カーボンブラックの説明において用いた比
表面積とは、カーボンブラック１ｇ当たりに吸着する所
定物質（例えば、Ｎ、、Ａｒなど）の量で、ｇ当たりの
表面積として表す。これは粒子１つずつの表面積を測定
することが困難なためである。一方、吸油量とは文字通
り油を吸う量であり、カーボンブラックの粒子構造をみ
るためのものである。さらに、カーボンブラックの平均
粒径とは、各粒子径区間の粒子数をＮｉ、粒子径区間の
中心値をＤｉとしたとき、平均粒径＝ΣＮ１−Ｄｉ／ΣＮｉで与えられる。また、前記カーボンブラックの種類とし
ては、ＳＡＦカーボン、アセチレンカーボンなどが代表
的なものである。

一方、前記第２の手段においては、絶縁体として用いた
熱可塑性樹脂を、エチレンに芳香族モノマーを０．１〜
１重量％の割合で共重合させることにより形成するよう
にしく表２に符号Ａで示す樹脂）、また、ポリエチレン
に芳香族モノマーを０．１〜１ｆｆｉｆｉ％の割合でブ
レンドすることにより形成するようにしている（表２に
符号Ｂで示す樹脂）。

なお、以下の説明において、前記熱可塑性樹脂の全体を
指す場合には、「熱可塑性樹脂」あるいは単に「樹脂」
と表現し、また、この樹脂に含有されるポリエチレンを
指す場合には「ベースポリマー」と表現する。

「作用」上記第１の手段について説明すると、絶縁体組成物にカ
ーボンブラックを添加することによって、空間電荷の漏
れを促すことができる。以下、この理由について説明す
る。

上記絶縁体組成物の抵抗率（比抵抗）をρ（Ω−ｍ）と
し、絶縁抵抗の温度係数をα（１／’Ｃ）、電界係数（
絶縁抵抗のストレス係数）をβ（ａＩｍ／ｋｖ）、絶縁
体組成物にかかる電界強度をＥ（ｋＶ／ａｍ）とすれば
、 ρ＝ρ。ｅｘｐ−（αＴ＋βＥ）・・・・・・（１）な
る関係が成り立つことが知られている。

そして、カーボンブラックを添加すると、電界係数βが
増加する一方で温度係数αが減少し、絶縁体組成物での
空間電荷の綱れを促進する。なぜならば、電界係数βが
増加すると高電界になって抵抗率ρが低下するため、高
ストレス部（強い電界のかかる部分）の電界が緩和され
、また、温度係数αが減少すると、導体温度が高いとき
に遮蔽側に現れていた最大電界Ｅ　ｌ１ａｘが減少する
からである。こうして、絶縁体組成物内での電界分布が
均一化の方向に動き、空間電荷の蓄積が低減される。

次に、各種数値限定の理由につき説明する。

（１）カーボンブラックの添加量が０．２〜５ｆｆｉｆ
ｆｔ％の理由。

前記添加量が０．２％以下では上述した効果が十分に得
られない。また、５％以上では抵抗率ρの低下と電界係
数βの増加が著しく、熱破壊のおそれが生じる。

（２）吸油量／比表面積が０．７以上の理由。

カーボンブラックの添加量を増加すると、粒子間の距離
が縮まり、高電界下においては粒子間にトンネル効果に
よる電流が流れる。このため、電界係数βが必要以上に
大きくなり、熱破壊を促す原因となる。従って、少ない
添加量で（１）式の抵抗率ρを低下させることが必須で
ある。

ところで、比表面積に対する吸油量の比が大きいカーボ
ンブラックの方が少量で抵抗率ρを下げることができ、
この比が０．７　以上ならば良好な結果が得られる。

（３）カーボンブラックに対する水素含有率が０゜６重
量％以下であることの理由。

水素含有率が多いと、π電子が多くなって電子の移動が
妨げられる。従って、所望の抵抗率ρを得るためには、
多量のカーボンブラックを添加しなければならず、上記
（２）と同様の理由により好ましくない。このため、水
素含有率が低いほどよく、０．６重量％以下ならば良い
結果が得られる。

（４）カーボンブラックの炭素含有率が９７重量％以上
である理由。

カーボンブラックには、天分、０２、Ｈｌなどの不純物
が含まれており、これらの不純物が多いと、電気的特性
が低下する。従って、カーボンの純度は高いほど良好で
ある。

（５）カーボンブラックの平均粒径が１０〜！００ミリ
ミクロンである理由。

この大きさの粒径が、ポリエチレン等の絶縁体の結晶構
造を乱さない最適の値である。結晶構造が乱されると絶
縁体の電気的性能が低下する。粒径がこれより大きいと
カーボンブラックの分散や混じり具合が悪くなる。また
これより小さい場合は製造が難しく現実的でない。

次に、ベースポリマーであるポリエチレンの絶縁耐力の
向上を計る前記第２の手段（１）について説明すると、
絶縁体組成物として用いた熱可塑性樹脂Ａは、エチレン
に芳香族モノマーを０．１〜１重量％の割合で共重合さ
せることにより形成されたものであって、この共重合に
用いられる芳香族モノマーとしては、表３の上段に示す
Ｓ　ｔｙｒｅｎｅ、中段に示すＡ　１ｌｙｌ　Ｓ　ｔｙ
ｒｅｎｅ、下段に示す４−＜３−Ｂ　ｕＬｅｎｙｌ）　
Ｓ　ｔｙｒｅｎｅあるいは３−（３−Ｂ　ｕｔｅｎｙｌ
）Ｓ　−ｔｙｒｅｎｅ等が適当である。

（１）エチレンとの共重合に芳香族モノマーを選択した
理由。

芳香族モノマーにはベンゼン環があり、ベンゼン環の共
鳴効果によって、その周囲の電子エネルギーが吸収され
る。すなわち、樹脂の絶縁破壊がポリマー中を流れる電
子のエネルギーによって引き起こされるので、面記芳香
族モノマーのベンゼン環が周囲の電子エネルギーを吸収
することによりて、ベースポリマーの絶縁破壊強さの向
上が計られる。

また、前記芳香族モノマーは、表２の模式図に示される
ように、共重合体においてベースポリマーであるポリエ
チレン鎖（主鎖）に結合されているので、該ポリエチレ
ン鎖が受は取った電子エネルギーをもそのベンゼン環が
吸収することができる。

（２）芳香族モノマーの添加量をエチレンに対して０．
１〜１重量％　とした理由。

芳香族モノマーの添加量が１重量％以上であると、ポリ
エチレンの結晶構造が乱れることが観察されており、ま
た、０．１重量％以下であると、電子エネルギー吸収効
果が効果的に生じないことが実験的に確認されている。

次に、ベースポリマーであるポリエチレンの絶縁耐力の
向上を計る第２の手段（Ｉｆ）について説明する。この
第２の手段（ｎ）が前述した第２の手段（１）と異なる
点は、熱可塑性樹脂の構成であって（表２に符号Ｂで示
す樹脂）、この熱可塑性樹脂は、ポリエチレンに芳香族
モノマーを０．１〜１重量％の割合でブレンドすること
（こより形成されたものである。　□ なお、前記ポリエチレンとのブレンドに用いられる芳香
族モノマーとしては、前記共重合に用いた芳香族モノマ
ーと同様に、表３の上段に示す５−ｔｙｒｅｎｅ、中段
に示すＡ　１ｌｙｌ　Ｓ　ｔｙｒｅｎｅ、下段に示す４
−（３−Ｂ　ｕｔｅｎｙｌ）Ｓ　ｔｙｒｅｎｅあるいは
４−（３−Ｂ　−−ｕｔｅｎｙｌ）　Ｓ　ｔｙｒｅｎｅ
等が適当である。

そして、このように構成された熱可塑性樹脂においては
、ベースポリマーであるポリエチレンの主鎖とベンゼン
環とが結合されていないので、該ベースポリマーの主鎖
が受は取った電子エネルギーを間接的にしか吸収するこ
とができない。つまり、ベースポリマーと結合された前
記共重合体（樹脂Ａ）が直接的に電子エネルギーを吸収
することができるのに対して、前記ブレンド品である樹
脂Ｂの場合には、間接的にしか電子エネルギーを吸収す
ることができないので、樹脂Ａと比較して、効果が薄く
なる可能性が大きい。

しかし、樹脂Ｂの製造という面からみると、重合温度、
重合時間等の反応条件の制御、あるいは反応開始剤の選
択などの点で樹脂Ａの生成が困難性を有するのに対して
、樹脂Ｂは適当な溶媒を選択することによって比較的容
易に生成できるという利点がある。

「実施例」第蓋表に示す種々の絶縁体組成物を絶縁体とした電力ケ
ーブルを製造した。この場合、前記電力ケーブルは導体
断面積が２００　ａｍ”、絶縁体厚さが３ｍｌであり、
内部および外部半導電層と絶縁体とを同時押出しによっ
て形成したものである。

上記電力ケーブルに対して直流破壊試験を行い第１表に
示す結果を得た。なお、この表１において、絶縁体組成
物Ｎｏ、　１　ｗＮｏ、　１８は、芳香族モノマーを含
有しないものについて、Ｎ　ｏ、　１９〜Ｎｏ。

３０は、所定量の芳香族モノマーを含有するものについ
ての直流破壊試験の結果を示している。

そして、第１表から明らかなように、本発明の電力ケー
ブル（Ｎｏ、１９〜Ｎｏ、２７）（共重合体を使用）で
は、芳香族モノマーを所定量添加することによって、直
流破壊電圧が大幅に改善された。

例をあげて説明すると、試験条件が略同じである組成物
Ｎｏ、３と組成物Ｎｏ、２４、Ｎｏ、２６とを比較した
場合に、組成物Ｎｏ、３の直流破壊電圧が９６　（ｋＶ
　／ａｍ）、組成物Ｎｏ、２４、Ｎｏ、２６の直流を壊
電圧がそれぞれ１２０　（ｋＶ　／　ａｒｍ）、ｌ　４
４　（ｋＶ／ａｍ）であることから、前記組成物Ｎｏ、
３に所定ｍの芳香族モノマーをそれぞれ共重合せしめる
ことによって、直流破壊電圧の値が向上することが認め
られた。また同様に、組成物Ｎｏ、９と組成物Ｎｏ、２
３、Ｎｏ、２５とを比較した場合に、それら直流破壊電
圧が、９６　（ｋＶ　／ａｍ）から１２０．１４４　（
ｋＶ／ａｍ）にそれぞれ上昇したことから、前記Ｎｏ、
９の組成物に所定量の芳香族モノマーを共重合せしめる
ことによって、直流破壊電圧の値が向上することが認め
られた。

また、組成物Ｎｏ、２０と組成物Ｎｏ、２３、Ｎｏ。

２４との直流破壊電圧を、あるいは組成物Ｎｏ、２１と
組成物Ｎｏ、２５〜Ｎｏ、２７との直流破壊電圧をそれ
ぞれ比較して判るように、これら組成物に芳香族上ツマ
−が同量比含有されていたとしても、カーボンブラック
の存在がない場合には、直流破壊電圧の相対的な向上が
ないことが認められた。

すなわち、組成物Ｎｏ、２３、Ｎｏ、２４の直流破壊電
圧が１２８．１２０（ｋＶ／ａｍ）、組成物ＮＯ６２０
の直流破壊電圧が１１２（ｋＶ／ａｒｍ）であり、また
、組成物Ｎｏ、２５〜Ｎｏ、２７の直流破壊電圧が１５
２．１４４．１４４　（ｋＶ　／ａｍ）、組成物Ｎｏ。

２１の直流破壊電圧が１３６　（ｋＶ／ａｈａ）である
ことから、芳香族モノマーとカーボンブラックとが共に
含有されていた場合に、直流破壊電圧が向上することが
認められた。

一方、前記第１表から明らかなように、本発明の電力ケ
ーブル（Ｎｏ、２８〜Ｎｏ、３０）（ブレンド品を使用
）では、芳香族モノマーを所定量ブレンドすることによ
って、共重合体を用いたものと同様に、直流破壊電圧が
大幅に改善された。

例を挙げて説明すると、試験条件が略同じである組成物
Ｎｏ、９と組成物Ｎｏ、３０とを比較して判るように、
組成物Ｎｏ、９の直流電圧破壊が９６（ｋｖ／１ｍ）、
組成物Ｎｏ、３０１７）直流破壊電圧が１４４（ｋＶ／
ｌｓ）であることから、前記組成物Ｎｏ、３に所定量の
芳香族モノマーをブレンドすることによって、直流破壊
電圧の値が向上することが認められた。

また、組成物Ｎｏ、２９と組成物Ｎｏ、３０の直流破壊
電圧の値を比較して判るように、これら組成物に芳香族
モノマーが同量比ブレンドされていたとしても、カーボ
ンブラックの存在がない場合には、直流破壊電圧の相対
的な向上がないことが認められた。すなわち、組成物Ｎ
ｏ、２９の直流破壊電圧が１２８（ｋＶ、／＋ｍ）、組
成物Ｎｏ、３０の直流破壊電圧が１４４　（ｋＶ／ｖ＊
）であることから、芳香族モノマーとカーボンブラック
とが共に含有されていた場合に、直流破壊電圧が向上す
ることが認められた。

「発明の効果」以上説明したように、この発明によれば、絶縁体をなす
熱可塑性樹脂中にカーボンブラックが特定量添加され、
更に、前記熱可塑性樹脂に芳香族モノマーが特定の割合
で含有されているので、前記芳香族モノマーのベンゼン
環が有する共鳴効果により、周囲の電子エネルギーが吸
引されて、空間電荷の形成が防止されのに加えて、樹脂
を構成するベースポリマーの絶縁耐力の向上を計ること
ができる。その結果、ケーブルの直流破壊電圧を高める
ことができるという効果を奏する。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）エチレンに芳香族モノマーを０．１〜１重量％の
割合で共重合させてなる熱可塑性樹脂に対し、次のカー
ボンブラックを０．２〜５重量％添加した絶縁組成物を
絶縁体として使用することを特徴とする直流電力ケーブ
ル。（ａ）ＢＥＴ法で測定した比表面積（ｍ＾２／ｇ）に対
する鉱物油の吸油量（ｃｃ／１００ｇ）の比が０．７以
上で、かつ、（ｂ）前記カーボンブラックに対する水素含有率が０．
６重量％以下のカーボンブラック。
（２）前記カーボンブラックが以下の条件を満足するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の直流電力ケ
ーブル。（ａ）炭素含有率が９７重量％以上で、かつ、（ｂ）平
均粒径が１０〜１００ｎｍのカーボンブラック。
（３）ポリエチレンに芳香族モノマーを０．１〜１重量
％の割合でブレンドしてなる熱可塑性樹脂に対し、次の
カーボンブラックを０．２〜５重量％添加した絶縁組成
物を絶縁体として使用することを特徴とする直流電力ケ
ーブル。
（４）前記カーボンブラックが以下の条件を満足するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の直流電力ケ
ーブル。（ａ）ＢＥＴ法で測定した比表面積（ｍ＾２／ｇ）に対
する鉱物油の吸油量（ｃｃ／１００ｇ）の比が０．７以
上で、かつ、（ｂ）前記カーボンブラックに対する水素含有率が０．
６重量％以下のカーボンブラック。
（５）前記カーボンブラックが以下の条件を満足するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第３項及び第４項記載の
直流電力ケーブル。（ａ）炭素含有率が９７重量％以上で、かつ、（ｂ）平
均粒径が１０〜１００ｎｍのカーボンブラック。