JPH10269870A - 直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流特性を向上させた直流架橋ポリエチレン
絶縁電力ケーブルとその製造方法を提供する。 【解決手段】 ポリエチレンと導電性添加剤を混合し、
押出成形してマスターバッチとするマスターバッチ作成
工程と、前記マスターバッチと他のポリエチレンを混合
し、押出成形して絶縁層材料とする絶縁層材料作成工程
と、前記絶縁層材料を押出成形して絶縁層８を形成する
絶縁層形成工程を備えた直流架橋ポリエチレン絶縁電力
ケーブルの製造方法において、前記マスターバッチ作成
工程、絶縁層材料作成工程、絶縁層形成工程から選ばれ
る１以上の工程において、５００メッシュ以上のスクリ
ーンを備えた押出成形機を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直流特性を向上させ
た直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、
絶縁層を架橋ポリエチレンから形成したもので、取扱い
が簡便なため、広く用いられている。また、近年、海底
に敷設できる海底ケーブルの開発が盛んである。海底ケ
ーブルにおいては、送電距離が長く、かつ大容量送電で
あること望まれている。最近では５００ｋＶ級の直流用
ＯＦケーブルの海底ケーブルが実用段階にまできてい
る。しかし、ＯＦケーブルは油圧をかける必要があるた
めに長尺化しにくくいという問題がある。一方、架橋ポ
リエチレン絶縁電力ケーブルとしては、交流用の５００
ｋＶ級の地中ケーブルが開発されているが、交流送電は
架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層中における
損失が大きいという問題があり、長距離送電には適さな
い。取扱いが簡便で、長尺化が可能な架橋ポリエチレン
絶縁電力ケーブルを大容量の直流用として用いることが
できればよいが、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは
直流破壊電圧が低く、高電圧、大容量、例えば２５０ｋ
Ｖ以上の直流用電力ケーブルとしては十分な信頼性、安
全性が得られないために実用化されていないのが現状で
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記事情に鑑
みてなされたもので、直流特性を向上させた直流架橋ポ
リエチレン絶縁電力ケーブルの製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、ポリエチレ
ンと導電性添加剤を混合し、押出成形してマスターバッ
チとするマスターバッチ作成工程と、前記マスターバッ
チと他のポリエチレンを混合し、押出成形して絶縁層材
料とする絶縁層材料作成工程と、前記絶縁層材料を押出
成形して、絶縁層を形成する絶縁層形成工程を備えた直
流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの製造方法におい
て、前記マスターバッチ作成工程、絶縁層材料作成工
程、絶縁層形成工程から選ばれる１以上の工程におい
て、５００メッシュ以上のスクリーンを備えた押出成形
機を用いること特徴とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブ
ルにおいて、直流特性が低下する原因のひとつとして空
間電荷の蓄積があげられる。すなわち、架橋ポリエチレ
ン絶縁電力ケーブルの絶縁層に直流電圧を印加すると、
電極からの電荷注入、双極子の反転、イオン性不純物の
解離などにより電荷（空間電荷）が生じ、蓄積する。こ
のとき絶縁層に蓄積する空間電荷の分布は、電極（陽極
および陰極）近傍に各々の電極と逆極性の電荷が蓄積す
るヘテロ空間電荷分布なので、絶縁層の内部電界が変歪
され、陽極および陰極との両界面付近の内部電界が強調
されて絶縁破壊がおこりやすくなるのである。この空間
電荷の蓄積の原因に関しては十分なデータが得られてお
らず、このため直流用としては正確な架橋ポリエチレン
絶縁電力ケーブルの設計基準が立てにくいのが現状であ
る。

【０００６】本発明者らの検討によれば少量のカーボン
ブラック、酸化金属などの導電性添加剤（充填剤）を添
加したポリエチレンを架橋させてなる絶縁層を有する架
橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、空間電荷の蓄積が
抑制され、直流特性が向上することが確認されている。
このときインパルス破壊電圧と体積抵抗率値はやや低下
するが、総合的に、直流用としては従来の架橋ポリエチ
レン絶縁電力ケーブルよりも優れた特性が得られる。導
電性添加剤は、架橋ポリエチレン中の架橋剤、老化防止
剤の分解残渣などのイオン性不純物を吸着し、直流電圧
が印加されてもイオン性不純物が解離して空間電荷が発
生しないようにする働きをし、このため空間電荷の蓄積
を抑制することができるものである。

【０００７】また、さらなる検討の結果、導電性添加剤
の分散性が架橋ポリエチレンの直流特性に大きな影響を
およぼすことがわかった。これは分散性が良好であれ
ば、架橋ポリエチレン全体に導電性添加剤が均等にいき
わたり、多くのイオン性不純物が吸着されるようになる
ためである。そこで、分散性が向上するような条件につ
いて種々検討し、本発明を完成するに至った。

【０００８】本発明において得られる直流架橋ポリエチ
レン絶縁電力ケーブルは、例えば従来の架橋ポリエチレ
ン絶縁電力ケーブルと同様の構造とすることができる。
図１は本発明の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル
の構造の一例を示したものである。この直流架橋ポリエ
チレン絶縁電力ケーブルは、素線２を複数本撚り合わせ
た導体４上に順次、内部半電導層６、絶縁層８、外部半
導電層１０、金属遮蔽層１２、シース１４が設けられて
構成されている。この実施例の直流架橋ポリエチレン絶
縁電力ケーブルを構成する導体４の導体面積は８００〜
３０００mm²とされ、絶縁層８の厚さは２０〜２５mmと
される。また、この直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケー
ブルの外径は１００mm程度とされる。

【０００９】前記絶縁層８は、ポリエチレン中に導電性
添加剤が分散され、さらに酸化防止剤などの老化防止
剤、ＤＣＰなどの架橋剤が添加、混合された材料が架橋
されてなる架橋ポリエチレンから構成されている。

【００１０】以下、上述の直流架橋ポリエチレン絶縁電
力ケーブルの製法の一実施例について説明するが、押出
成形において５００メッシュ以上のスクリーンを備えた
押出成形機を用いる以外は従来の公知の方法に従って製
造することでき、以下の方法に限定することはない。ま
た、本発明において用いている「メッシュ」は ＡＳＴ
Ｍ 規格で規定されているもので、５００メッシュは目
の開きが２８ミクロンのものである。

【００１１】前記スクリーンとは樹脂中のごみを取り除
くために、通常押出成形機のダイ（口金）と樹脂を押し
出すスクリューとの間に配される網のことで、従来は例
えば２５０メッシュ程度のものが用いられている。押出
成形機においては、樹脂や添加剤などの材料（本発明に
おいてはポリエチレンと導電性添加剤）はホッパーから
投入され、回転するスクリューよって加熱、混練（混
合）されつつ押し出される。このときダイから成形品と
して押し出される前に、スクリーンを通過することによ
って材料中のごみが取り除かれ、成形品中にごみが混入
しないようになっている。また、この際スクリューの回
転によって、スクリーンを通過する前の樹脂には背圧が
かかるが、本発明のように、大きいメッシュの（目の開
きが小さい）スクリーンを用いると、この背圧が大きく
なり、スクリーンを通過する前の樹脂がより混練されや
すくなり、ポリエチレン中の導電性添加剤が分散しやす
くなるのである。

【００１２】以下、手順を追って説明する。 ＜マスターバッチ作成工程＞最初に、マスターバッチ中
の導電性添加剤が２０〜３０重量％となるように、ポリ
エチレンと導電性添加剤を押出成形機のホッパーに投入
する。このとき架橋剤、必要に応じて酸化防止剤などの
添加剤を同時に投入してもよい。ついで、このポリエチ
レンと導電性添加剤とをスクリューによって混練（混
合）しつつ、５００メッシュ以上のスクリーンを介して
ダイから押し出し、外径３ｍｍ程度のひも状成形体と
し、これを切断して長さ２〜３ｍｍ程度のペレット状の
マスターバッチとする。

【００１３】＜絶縁層材料作成工程＞さらに絶縁層材料
中の導電性添加剤が０．１〜０．８重量％となるよう
に、前記マスターバッチと他のポリエチレンとを、マス
ターバッチ作成工程と同様にして５００メッシュ以上ス
クリーンを備えた押出成形機を用いて混練（混合）して
押し出し、ひも状成形体とし、これを切断してペレット
状の絶縁層材料とする。

【００１４】＜ケーブル製造工程（絶縁層形成工程）＞
ケーブル製造工程は、図１を参照しつつ説明する。ま
ず、導体４となる素線２を複数本撚り合わせて導体４と
する。この導体４上に、未硬化のエチレン−酢酸ビニル
共重合体などからなる半導電性組成物を押出被覆して内
部半導電層６を形成する。この上に、前記絶縁層材料を
５００メッシュ以上スクリーンを備えた押出成形機から
前記内部半導電層６の上に押出被覆し、常法に従ってポ
リエチレンを架橋させて絶縁層８を形成する。さらにこ
の上に、公知の方法で外部半導電層１０、金属遮蔽層１
２、シース１４を形成して直流架橋ポリエチレン絶縁電
力ケーブルとする。このとき、絶縁層材料を５００メッ
シュ以上のスクリーンを備えた押出成形機から押し出せ
ば、内部半電導層６、絶縁層８、外部半導電層１０を常
法に従って３層押出被覆によって形成してもよい。

【００１５】５００メッシュ以上のスクリーンを備えた
押出成形機を用いる工程は、マスターバッチ作成工程、
絶縁層材料作成工程、絶縁層形成工程のうち、１工程以
上であればよい。特にマスターバッチ作成工程で用いる
と効果が高く、これに加えて絶縁層材料作成工程で用い
ると望ましい。もちろんこれらの全工程において用いる
と、最も効果が高く好ましい。

【００１６】また、通常５００メッシュのスクリーンを
用いれば、導電性添加剤の分散性向上効果が得られる。
５００メッシュよりも大きいと網目がさらに細かくな
り、押出機において樹脂にかかる背圧も大きくなるが、
大きすぎると製造効率が低下する。メッシュの上限値
は、製造効率などを考慮してポリエチレンの粘度などの
特性から設定するものである。一般には５００〜１００
０程度とされる。

【００１７】マスターバッチ作成工程においては、混練
（混合）する時間が長い程導電性添加剤の分散性が向上
し、好ましいが、製造効率を考慮して設定する必要があ
る。例えば、従来の１．２倍以上、実質的には１．２〜
２倍程度の混練時間を設定するとさらなる向上効果が得
られる。

【００１８】導電性添加剤としては、カーボンブラッ
ク、酸化金属などが用いられる。カーボンブラックは特
に限定されないが、ファーネス系カーボンブラックなど
が好ましい。酸化金属としては、酸化マグネシウムなど
が用いられる。導電性添加剤の添加量は、イオン性不純
物の吸着特性によって若干変化し、またこのとき必要な
インパルス破壊電圧と体積抵抗率とが得られるように考
慮する必要があるが、通常ポリエチレン１００重量部に
対して０．１〜０．８重量部、好ましくは０．１〜０．
５重量部が目安とされる。０．１重量部未満であると添
加効果が得られず、０．８重量部をこえると必要なイン
パルス破壊電圧と体積抵抗率が得られないことがある。

【００１９】また、十分な分散性を確保するためには、
導電性添加剤の平均粒径は０．０１〜０．１μｍ、好ま
しくは０．０１９〜０．８μｍとされる。０．０１μｍ
未満であると凝集性が大きくなり、０．１μｍをこえる
と分散性が低下することがある。

【００２０】このように直流架橋ポリエチレン絶縁電力
ケーブルの絶縁層における導電性添加剤の分散性を向上
させることにより、より多くのイオン性不純物が吸着さ
れやすくなり、空間電荷の蓄積がおこりにくく、直流特
性（直流破壊電圧）が向上する。このため、例えば５０
０ｋＶ以上の高電圧用の直流架橋ポリエチレン絶縁電力
ケーブルとして用いることが可能となる。また、この方
法は、押出成形機のスクリーンのメッシュを変更するこ
とによって実施できるので、非常に経済的である。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例を示して詳しく説明す
る。 （実施例１、比較例１）最初に下記（Ａ）〜（Ｃ）の材
料を用い、絶縁層材料からなるサンプルを作成して評価
した。このとき、実施例１と比較例１のマスターバッチ
作成工程の材料の混練時間は一定とした。また、マスタ
ーバッチ作成工程においては、下記の（Ａ）ポリエチレ
ンの一部を用い、マスターバッチ中の下記（Ｂ）ファー
ネス系カーボンブラック（導電性添加剤、以下カーボン
ブラックと記す。）が２０〜３０重量％となるように調
整した。またこのとき下記（Ｃ）その他の添加剤をカー
ボンブラックと同時に添加し、混合した。また、実施例
１は、マスターバッチ作成工程、絶縁層材料作成工程の
各工程において、５００メッシュのスクリーンを備えた
押出成形機を用いて外径約３ｍｍのひも状物を成形し、
このひも状物を２〜３ｍｍに切断してペレットとした。
また、絶縁層材料作成工程で得られた絶縁層材料を、５
００メッシュのスクリーンを備えた押出成形機を用いて
外径約３ｍｍのひも状物とし、これを２〜３ｍｍに切断
してペレットとしたものを、厚さ２ｍｍ、外径１１０ｍ
ｍのシートにプレス成形し、ポリエチレンを架橋させて
サンプルとした。比較例１においては、マスターバッチ
作成工程、絶縁層材料作成工程の各工程において、２５
０メッシュのスクリーンを備えた押出成形機を用いて外
径約３ｍｍのひも状物を成形し、このひも状物を２〜３
ｍｍに切断してペレットとした。また、絶縁層材料作成
工程で得られた絶縁層材料を、２５０メッシュのスクリ
ーンを備えた押出成形機を用いて外径約３ｍｍのひも状
物とし、これを２〜３ｍｍに切断してペレットとしたも
のを、厚さ２ｍｍ、外径１１０ｍｍのシートにプレス成
形し、ポリエチレンを架橋させてサンプルとした。

【００２２】＜絶縁層材料＞ （Ａ）ポリエチレン１００重量部：（MI=1、結晶化度=
４６、密度=0.92g/cc；商品名 ＵＣＳＶ ４２０１ ベ
ース、ＮＵＣ社製） （Ｂ）ファーネス系カーボンブラック０．８重量部：
（平均粒径０．０２２〜０．０３μｍ；商品名 バルカ
ン９、キャボット社製） （Ｃ）その他の添加剤 ：架橋剤（ジクルミパーオキサイド）１．６重量部 酸化防止剤（ノクラック３００：大内新興化学社製）
０．２重量部

【００２３】このようなシート状サンプルのカーボンブ
ラックの分散状態を電子顕微鏡（倍率：１０万倍）で観
察したものが図２（ａ）（実施例１）、図２（ｂ）（比
較例１）である。また、シート状サンプルの表裏に直径
３０ｍｍのアルミ電極を蒸着し、外導表面温度一定で、
パルス静電応力法により、２０ｍｍ／ｋｖの電圧を１０
分間印加した際の接地前の空間電荷密度を測定した結果
を示したものが、図３（ａ）（実施例１）、図３（ｂ）
（比較例１）である。さらに、外導表面温度一定で、１
０ｋｖ／５分ステップアップ×３回の条件で、インパル
ス破壊電圧を測定したところ、１１０ｋｖ／ｍｍ（実施
例１）、７０ｋｖ／ｍｍ（比較例１）となった。

【００２４】上述の結果より、実施例１においては、カ
ーボンブラックの分散性がよく、空間電荷の蓄積が抑制
され、インパルス破壊電圧が向上し、直流特性が向上し
ていいることが明らかである。

【００２５】

【発明の効果】本発明においては、５００メッシュ以上
のスクリーンを備えた押出成形機を用いて、ポリエチレ
ンと導電性添加剤を十分に混合しながら絶縁層を形成す
るので、絶縁層中の導電性添加剤の分散性が良好で、結
果として良好な直流特性が得られるものである。このた
め、大容量、高電圧用の直流架橋ポリエチレン絶縁電力
ケーブルとして用いることが可能となる。このように、
スクリーンを５００メッシュ以上とするのみで導電性添
加剤の分散性が良好となる簡便な方法なので、非常に経
済的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの正断面
図である。

【図２】 実施例のカーボンブラック（導電性添加剤）
の分散状態を示した図である。

【図３】 実施例の電荷密度の測定結果を示した図であ
る。

【符号の説明】

８・・・絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｂ２９Ｋ 23:00

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリエチレンと導電性添加剤を混合し、
   押出成形してマスターバッチとするマスターバッチ作成
   工程と、 前記マスターバッチと他のポリエチレンを混合し、押出
   成形して絶縁層材料とする絶縁層材料作成工程と、 前記絶縁層材料を押出成形して絶縁層を形成する絶縁層
   形成工程を備えた直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブ
   ルの製造方法において、 前記マスターバッチ作成工程、絶縁層材料作成工程、絶
   縁層形成工程から選ばれる１以上の工程において、５０
   ０メッシュ以上のスクリーンを備えた押出成形機を用い
   ること特徴とする直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブ
   ルの製造方法。