JPH0210610A - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、破壊強度の向上を図った直流電力ケーブルに
関するものである。

「従来の技術」 直流電力ケーブルは交流電力ケーブルに比べて、誘電損
失がなく、充電電流に対する無効分を補償するための設
備が不要である等の長所を持つ。

また、一般に、絶縁物の絶縁耐圧は、交流より直流の方
が大きく安定度を考慮する必要がないことから、送電距
離が長く、かつ大容量送電になればなる程、直流ケーブ
ルのメリットがでてくる。

現在、高電圧直流送電ケーブルは、主に低粘度油を用い
油圧をかけたタイプのＯＦケーブルが使用されているが
、その一方で、給油設備が不要で、防災性に優れたプラ
スチックを絶縁体とするプラスチック絶縁ケーブルの開
発が望まれている。

プラスチック絶縁ケーブルは、交流電力ケーブルに対し
ては現在、架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）ケーブルが汎
用されているか、直流電圧に対する空間電荷特性等の絶
縁上の問題から高電圧直流送電ケーブルとして、未だ実
用化されていない。

すなわち、ＸＬＰＥケーブルでは直流高電圧印加によっ
て絶縁体中に、同極性の空間電荷が蓄積され、例えば、
逆極性のインパルス電圧か課電された場合や、直流極性
反転がなされた場合、その絶縁特性の低下が大きいとい
う理由から、高電圧直流送電ケーブルとしての実用化が
見送られている。

以上のようなことからＸＬＰＥに替る直流絶縁性能の優
れたプラスチック絶縁ケーブルの提供が望まれている。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、一般にポリエチレン（ＰＥ）の固有絶縁破壊
強度は、結晶化度が高い程、すなわち密度が大きい程、
向上するとされ、また、ポリエチレンに直流電圧を印加
した時に、電極から電荷が注入されて形成される同極性
の空間電荷は、該ポリエチレンの結晶−非晶の界面等、
結晶に関係した領域にトラップされ易いとされている。

このような観点から、本発明者らは、上記の空間電荷特
性が、無極性のポリエチレンに成る種の極性基を導入す
ることによって変化することを見い出した。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって
、ポリエチレンの種類を特定し、また極性基の種類を特
定して、絶縁体中に局部的に形成される空間電荷の蓄積
を抑制し、その絶縁性能の向上を図った直流電力ケーブ
ルを得ることを目的とするものである。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するために、本発明では、固有絶縁破壊
強度の優れる結晶化度の高い低圧法ポリエチレンについ
て、極性基導入の効果を検討した結果、無水マレイン酸
をグラフト化した密度０゜９４　ｇ／　ｃｍ３以上の低
圧法ポリエチレンが空間電荷特性を含めた直流絶縁性能
に優れることがわかった（請求項１に対応）。

更に、無水マレイン酸の導入量は望ましくは０゜０２〜
５ｗｔ％に設定すれば、前記絶縁性能が特に向上するこ
とがわかった（請求項２に対応）。

なお、前記無水マレイン酸の導入量を０．０２〜５ｗｔ
％の範囲に設定したのは、０，０２％未満では、空間電
荷特性の改善に効果がなく、また、５％を越えると、絶
縁破壊の原因となる空間電荷量は低い値に保たれるもの
の、一方で結晶化度の低下を招いて逆に、破壊強度の低
下を引き起こすることになるからである。

また、ケーブルへの押出加工性を考慮するとメルトフロ
ーレシオ（Ｍｅｌｔ　Ｆｌｏｗ　Ｒａｔｉｏ　；　Ｍ　
Ｆ　Ｒ）の望ましい範囲は０．０５〜Ｊｏｇ／ｍｉｎで
ある。

さらに、絶縁材には耐熱安定剤、触媒重合残渣吸収剤等
の必要な添加剤を加えて用いることができることは云う
までもない。

「作用」 電極から注入される空間電荷はポリエチレンの結晶−非
晶の界面等にトラップされ易いとされている。一方、グ
ラフト化された無水マレイン酸は側鎖としてバルキー（
ｂｕｌｋｙ）であるために、規則正しい折り畳み鎖にな
ることができず、結晶−非晶の界面に多く存在すると考
えられる。

前記無水マレイン酸には、無極性のポリエチレン鎖部と
比較し、電゛子親和性あるいは電子共鳴性の高いカルボ
ニル基が存在することにより、注入される空間電荷のト
ラップを低減させると考えられる。このような空間電荷
の低減によって、極性反転や逆極性インパルス破壊強度
が改善されるものと考えられる（請求項１に対応）。

なお、上述したように無水マレイン酸をポリエチレンに
グラフト重合すれば、確かに空間電荷特性の向上を図る
ことができるが、一方で、該無水マレイン酸のグラフト
量が多すぎると、結晶化度の低下を招き、結果として直
流破壊電圧値の低下を招来することになる（請求項２に
対応）（後述する実験結果によって裏付ける）。

「実験例」 ◇実験例（１） 密度の異なる各種ポリエチレンに対して所定量のマレイ
ン酸をグラフト化した試料を１８０℃×ｌＯ分の条件で
シート状にプレス成型し、その絶縁破壊特性及び空間電
荷特性を評価した。

絶縁破壊試験は、第２図に符号１で示すようにリセス形
状のシート試料（リセス部厚さ２００〜３００μｍ）を
用い、９０℃の温度で高電圧を印加して、直流破壊特性
（ＤＣ）、インパルス特性（１ｍｐ）及び直流極性反転
特性を試験した。このときの課電条件は下記の通りであ
る。

なお、この試験は絶縁油中２で行い、かつ試料ｌの表面
には導電塗料３を予め塗布しておいた。

（課電条件） ・Ｄ、Ｃ，（＋）　　　　２ＫＶ／ｓｅｃ連続昇圧した
、Ｉｍｐ、（＋）　　−予想破壊値７０％でスタートし
た。５ＫＶ／３回で昇圧し た。

・極性反転　　−予想破壊値７０％でスタートした。５
ＫＶで１０分間に亙 っ　　　　　　　　て（−）、　（＋）と極性の反転を
させつつステップアップした。

空間電荷特性は、第３図に符号４で示す厚さ２００μｍ
のシート試料の上面及び下面に、それぞれ上部電極５Ａ
及び下部電極５Ｂからなる金蒸着＠ｔｆｓ５（電極面積
１２．６ｃｍりを設け、試験回路によるコレクティング
、電圧熱刺激電流法により評価した。

すなわち、ヒーター６によって試料４を９０℃の温度に
保ち、スイッチＳ、を閉じて一２ＫＶの直流バイアス電
圧（ｖｂ）を印加した状態で液体窒素Ｎ、により試料４
を冷却しくこのとき他のスイッチＳｔ’Ｓｓは開となっ
ている）、次にスイッチＳ１を開いてスイッチＳ、を閉
じ、これによって、所定のコレクティング電圧（Ｖ　ｃ
）を印加して、試料を７℃／分の速度で昇温し、かつ電
流計７において熱刺激電流（ＴＳＣ）を測定した。

なお、このとき電流計７によって測定した熱刺激電流（
ＴＳＣ）は、符号８で示すレコーダーに記録した。また
、熱刺激電流（ＴＳＣ）の測定に際しては、試料４を１
０−’　〜１０−”ｔｏｒｒに保持した真空容器９内に
配置した。

本試料系では、いずれも１００〜１２０℃の温度におい
て、電極から注入された電子によるＴＳＣピーク電流（
Ｉｍａｘ）が認められた（第４図（Ａ）参照）。

そして、更に、直流バイアス電圧（Ｖｂ）とコレクティ
ング電圧（Ｖ　ｃ）との比を種々設定するとともに、こ
れらＶｃ／Ｖｂに対して得られたＩ　ｍａｘを、プロッ
トしく第４図（Ｂ）参照）、更に、この第４図（Ｂ）に
示す■。とＩ、との和から金蒸着電極５からの注入空間
電荷量を評価した。

なお、前述した■、と■、との和Ｉ　Ｉ＋　Ｉ　ｔは、
注入された空間電荷量に比例する（この試験結果は後述
する第５図の表の右側に相対値として示す）（参考資料
；日野太部著「電気材料物性工学」！９８５年３月刊行
）。

上記の実験装置によって種々のシート試料Ｎｏ。

１＝Ｎｏ、１０　　を試験し、その結果を第５図の表に
まとめた。

前記シート試料Ｎ０１１〜Ｎｏ、１０の内、Ｎｏ。

３〜ＮＯ３６、ＮＯ１９〜Ｎ０１ｌＯは本発明の請求項
１・２で示されたシート試料（実施例と表示）であり、
低圧法ポリエチレンの密度が０．９４ｇ／ａｍ３以上、
かつ、無水マレイン酸量が０．０２〜５ｗｔ％　に設定
されたものである。その内、Ｎ０２３〜Ｎ０９６　に示
すシート試料は低圧法ポリエチレンの密度を一定にして
、無水マレイン酸の重量％を変化させたものであり、逆
に、Ｎｏ、９〜Ｎｏ。

ＩＯに示すシート試料は、無水マレイン酸量を一定にし
て、低圧法ポリエチレンの密度を変化させたものである
。

また、Ｎｏ、１−Ｎｏ、２、Ｎｏ、７〜Ｎｏ、８は、比
較用のシート試料（比較例と表示）であって、その内、
Ｎｏ、Ｉ〜Ｎｏ、２、Ｎｏ、７　　に示すシート試料は
、無水マレイン酸量が０．０２〜５ｗｔ％の範囲から外
れるもの、Ｎ０１８　に示すシート試料は、無水マレイ
ン酸量が０．０２〜５ｗｔ％の範囲内に設定される一方
で、ポリエチレンに０．９２ｇ／ｃｍ”の高圧法ポリエ
チレンが使用されてなるものである。

結果の表に示すように、無水マレイン酸債か００２％未
満では、空間電荷量が多く、極性反転の低下も大きい。

５％を越えると、破壊強度の低下が顕著となった（Ｎｏ
、Ｉ〜Ｎｏ、７の比較による）。

また、密度の小さい高圧法ポリエチレンでは空間電荷量
は小さいが破壊強度が低く、密度０．９４ｇ／ａｍ３以
上の低圧法ポリエチレンにおいて良好な破壊特性が得ら
れた（Ｎｏ、７〜Ｎｏ、ｌＯの比較による）。

なお、この実験では、実施例のＮｏ、３〜Ｎ０６、Ｎｏ
、９〜Ｎｏ、１０に示すように、無水マレイン酸のｍを
００２〜５ｗｔ％の範囲とすれば、空間電荷量の低減を
図ることができ、かつ破壊強度の向上を図ることができ
るが、一方で、比較例のＮｏ、１とＮｏ、２とを比較し
てわかるように、無水マレイン酸の量を必ずしも０．０
２〜５ｗｔ％の範囲に設定しなくとも、少量の無水マレ
イン酸を含有しているだけで、空間電荷量の低減を図る
ことができ、かつ破壊強度の向上を図ることができるこ
とがわかる。

◇実験例（２） 第５図の表に示すＮｏｌ、Ｎｏ４の絶縁体と、ＸＬＰＥ
とを絶縁体して直流電力ケーブルを造り、その破壊強度
を比較した。なお、ここで比較する直流電力ケーブルは
、導体断面積６０ｍｍ”、絶縁厚３．５ｍｍ、押出によ
る内部及び外部半導電層を施した３層構造をとっている
。

それぞれの直流電力ケーブルについて、９０℃の温度で
第６図に示す条件で破壊試験を行ない、その結果を第７
図の表に示す如くまとめた。

そして、第７図に示すようにＮｏ、４　　の絶縁体によ
って作製したケーブルは、Ｎｏ、１　　の絶縁体によっ
て作製したケーブル、ＸＬＰＥによって作製したケーブ
ルと比較して、直流破壊特性（ＤＣ）、インパルス特性
（Ｉｍｐ）及び直流極性反転特性が共に向上し、その破
壊強度が向上したことが明らかとなった。

「発明の効果」 以上詳細に説明したように、この発明によれば、無水マ
レイン酸をグラフト重合させてなる０、９４ｇ／ｃｍ’
以上の低圧法ポリエチレンを絶縁体に用い、また無水マ
レイン酸のグラフト量を０．０２〜５ｗｔ％の範囲に設
定することによって、絶縁体中に局部的に形成される空
間電荷の蓄積を抑制し、その破壊強度（絶縁性能）の向
上を図ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の一実施例を示す図であって、
第１図は無水マレイン酸をグラフト重合させてなるポリ
エチレンの構造式、第２図は破壊強度を試験する装置を
示す概略図、第３図は空間電荷量を試験する装置を示す
概略図、第４図（Ａ）は熱刺激電流と温度との関係を示
すグラフ、第４図（Ｂ）はＩ　ｍａｘとＶ　ｃ／Ｖ　ｂ
との関係を示すグラフ、第５図はシート試料の破壊強度
と空間電荷量とを表す試験結果を示す表、第６図は直流
電力ケーブルを破壊させるための試験条件を示す表、第
７図は直流電力ケーブルの破壊強度と空間電荷量とを表
す試験結果を示す表である。 第１図 ＋ＣＨ２−−−　ＣＨ２−ＣＨ−ＣＨ２−−−ＣＨ２→
ｎＣＨ２ Ｃ＝Ｏ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）無水マレイン酸をグラフト重合させてなる０．９
   ４ｇ／ｃｍ＾３以上の低圧法ポリエチレンを絶縁体に用
   いたことを特徴とする直流電力ケーブル。
2. （２）上記無水マレイン酸のグラフト量は０．０２〜５
   ｗｔ％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の直
   流電力ケーブル。