JPS63178404A

JPS63178404A - 直流電力ケ−ブル

Info

Publication number: JPS63178404A
Application number: JP1044887A
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、ベースポリマーの絶縁耐力等の緒特性の向上を
計った直流電カケープ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、通常の交流高電圧層カケー
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、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＜＜、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カケープルを提供すること
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以上で３
．５以下、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、
かつ平均粒径かｌＯ〜１１００ｎ、すなわち１０〜１０
０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Ｉｇ当たりに吸着する所
定物質（例えば、Ｎｔ、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０．１−１重量％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「ペースポリマー」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（ｍｍ／ｋＶ）、絶縁体
組成物にかかる電界強度をＥ（ｋＶ／ｍｍ）とすれば、 ρ＝ρ。（ＩＸＰ　−（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
の空間電荷の漏れを促進する。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が低下ずろため、
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　ｍａｘ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ろ。

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０２〜５重爪％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ｍ／比表面積が０．７以上で３．５以下の理
由。

カーボンブラックの添加ｍ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
よる電流か流れる。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型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。一方
、この比が３゜５より大きくなると、粒子の凝集度が増
して見掛けの粒子度が大きくなり、ポリエチレン等の熱
可塑性樹脂との混じり合いが悪くなる。特に、アセチレ
ンカーボンでは、粒子が鎖状に連結しているので、この
影響が大きい。また、ＳＡＦ、ｌ５ＡＦ、ｌ−１ｓＡＦ
、ＣＦＳＳＣＦＳＨＡＦカーボンのいずれかのカーボン
ブラックを用いたときには、上記の比か０．７〜１．５
の範囲で特に良好なことが実験的に確かめられている。

（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、Ｈ２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１０−１００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
縁体の電気的性能か低下する。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　ｔｙｒｅｎｅ、下段に示
す４−（３−Ｂ　ｕｔｅｎｙｌ）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、前記芳香
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
することによって、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、該ボ、リエヂ
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
果か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（ｎ）について説明する。この第
２の手段（ｎ）がｍｌ述した第２の手段（Ｄ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に
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１表に示す種々の絶縁体組成物を絶縁体とした電カケ
ープルを製造した。この場合、前記電カケープルは導体
断面積が２００　ｍｍ”、絶縁体厚さが３ｍｍ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。

上記電カケープ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、　ｌ　−Ｎｏ、　１８は、芳香族モノマーを含
有しないものについて、Ｎｏ、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、本発明の電カケー
プル（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Ｎ０１３の直流破壊電圧が９６　（ｋＶ
／ｍｍ）、組成物Ｎｏ、２４、Ｎｏ、２６の直流破壊電
圧がそれぞれ１２０　（ｋＶ　／　ｍｍ）、１４４　（
ｋＶ／ｍｍ）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、２３、Ｎ
、ｏ、２５とを比較した場合に、それら直流破壊電圧が
、９６　（ｋＶ　／ｍｍ）から１２０．１４４　（ｋＶ
／ｍｍ）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モノマ
ー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、］、　２０　（ｋＶ　／ｍｍ）、組成物Ｎ
ｏ、２０の直流破壊電圧が１１２　（ｋＶ／ｍｍ）であ
り、また、組成物Ｎｏ、２５〜Ｎｏ、２７の直流破壊電
圧が１５２．１４４、Ｉ　４４　（ｋＶ　／ｍｍ）、組
成物Ｎｏ。

２１の直流破壊電圧が１３６　（ｋＶ　／ｍｍ）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、本発明の電カケ
ープル（Ｎｏ、　２８〜Ｎｏ、　３０８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、共重合体を用いた乙のと同様に、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Ｎ００９の直流電圧破壊が９６（ｋＶ　／　ｍｍ
）、組成物Ｎｏ、３０の直流破壊電圧が＋　４．４（ｋ
Ｖ／ｍｍ）であることから、前記組成物Ｎ０９３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／ｍｍ）、組
成物Ｎｏ、３０の直流破壊電圧が１４４　（ｋＶ　／ｍ
ｍ）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、直流破壊電圧の値が
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
ことかできろ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、３．５以下で、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）前記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、かつ１．５以下で、かつ、（ｂ）炭素含有率が９７重量％以上で、かつ、（ｃ）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、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、３．５以下で、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）前記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、かつ１．５以下で、かつ、（ｂ）炭素含有率が９７重量％以上で、かっ、（ｃ）平
均粒径が１０〜１００ｎｍのカーボンブラック。