【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】

【発明が解決しようとする課題】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都合がある。 また、これら有極性無機絶縁粉末は一般に鉱物として産出されることから、微量ではあるが酸化鉄等の絶縁特性上好ましくない不純物が含まれており、雷インパルス破壊特性向上の阻害要因の一つとなっている。 このため、ケーブル絶縁体の厚さは絶縁体の直流破壊特性よりも雷インパルス破壊特性によって決定され、ケーブル外径が大きくなってしまうという問題があり、経済性（コスト）、製造性の面でさらに改良が望まれた。

【０００８】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、有極性無機絶縁粉末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提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】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直流電力ケーブル用絶縁体に添加する充填剤において、前記充填剤は球形状粒子からなる酸化マグネシウムであることを特徴とするものである。

【００１０】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。

【００１１】（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する。

【００１２】（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ト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、前述した天然鉱物からのもの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する。

【００１３】球形状粒子からなる酸化マグネシウムと限定した理由を説明する。 ケーブル用として均質な絶縁体を得るためには、添加する酸化マグネシウムがポリエチレンや架橋ポリエチレンに一様に分散することが必要であるが、柱形状粒子はポリエチレン中で一様に分散せず、粒子のかたまり（凝集粒子）が発生しやすいのに対して、球形状粒子は分散性に優れ均質な絶縁体を得やすいためである。 また、酸化マグネシウムはポリエチレンと誘電率が異なるため、局所的には粒子の部分の電界が乱され、特に、柱形状粒子の場合には先端部での電界が高くなり、電気絶縁上不適であると予想された。

【００１４】球形状粒子からなる酸化マグネシウムを得るには、人工的に合成された微粉末酸化マグネシウムをバインダーにより造粒する方法と、マグネシウムイオン含有溶液から炭酸マグネシウム，水酸化マグネシウムなどのマグネシウム化合物を製造するときの晶析条件を調整して球形状粒子からなるマグネシウム化合物を製造しさらに仮焼する方法とがある。 造粒する方法により球形状粒子とした酸化マグネシウムをポリエチレンに添加，
混練すると、酸化マグネシウムは球の原形を完全には保持できずに粒子のかたまり（凝集粒子）が発生しやすいのに対して、晶析により製造した球形状粒子からなるマグネシウム化合物を仮焼する方法では、混練後も球形状粒子を保持できておりポリエチレン中で一様に分散している。 また、造粒する方法では使用したバインダーがポリエチレン中に残存し絶縁特性を損なう可能性も予想される。

【００１５】

【実施例】以下、この発明による充填剤を適用した直流ケーブルを詳細に説明する。 先ず、ポリエチレンに添加する有極性無機絶縁粉末のインパルス破壊特性に及ぼす影響について調査した。 なお、これらが直流破壊特性に及ぼす影響については前述した特許公報記載の実施例で示したとおりである。

【００１６】第１表に示すように、低密度ポリエチレンからなる試料Ａと母材が低密度ポリエチレンで、これに種々の有極性無機絶縁粉末を添加した試料Ｂ〜Ｇを低密度ポリエチレン１００重量部に対して５重量部添加して製造した。 なお、試料Ａ〜Ｇは、それぞれシート状に成形されており、その厚さを０．２ｍｍとしている。

【００１７】

【表１】

【００１８】次に、試料Ａ〜Ｇの雷インパルス破壊強度を測定した。 その結果を第２表に示す。

【００１９】第１表から明らかなように、有極性無機粉末を添加していない試料Ａが最も雷インパルス破壊強度が高く、有極性無機粉末を添加したものは程度の差こそあれ無添加のものに比べインパルス破壊強度は低下している。 このことは添加した有極性無機絶縁粉末がポリエチレンの雷インパルス破壊強度を低下させる作用をしていることを示している。 さらに、添加する有極性無機粉末の種類によりインパルス破壊強度が大幅に変わっており、有極性無機粉末の種類による影響が大きい。

【００２０】比較した有極性無機粉末の中では、酸化マグネシウムを添加した試料Ｅが無添加の試料Ａについで高い雷インパルス破壊強度を示しており、その低下度合いも他の有極性絶縁粉末に比較して格段に小さい。 従って、酸化マグネシムを含むポリエチレンは雷インパルス破壊特性を大きく低下させないことが分かる。

【００２１】図１はこの発明による直流電力ケーブルの実施例の断面図であり、同図において１は２００ｍｍ ²
の銅撚線からなる導体、２は内部半導電層、４は外部半導電層、５は金属遮蔽層であり、３がこの発明による球形状の粒子からなる酸化マグネシウム添加の架橋ポリエチレン絶縁層である。 なお、絶縁層はポリエチレン１０
０重量部に対して酸化マグネシウムと老化防止剤、架橋剤（ＤＣＰ）を適量配合した架橋ポリエチレンである。

【００２２】第２表はこの発明によるケーブルの改良効果を確認するために、前記ケーブルを製造し、導体温度９０℃での直流破壊電圧および雷インパルス破壊電圧を求めたものである。

【００２３】比較例として上記実施例のケーブルおよびこのケーブルと同一寸法で、下記の４種類の絶縁体によるケーブルの結果を併せて示している。

【００２４】比較例１：柱形状粒子からなる酸化マグネシウムを添加した架橋ポリエチレン。

【００２５】比較例２：汎用充填剤であるケイ酸アルミニウムを添加した架橋ポリエチレン。

【００２６】比較例３：汎用充填剤であるケイ酸マグネシウムを添加した架橋ポリエチレン。

【００２７】比較例４：添加物の混入されていない架橋ポリエチレン。

【００２８】

【表２】

【００２９】第２表から明らかなように、直流破壊電圧は比較例４と実施例ならびに比較例１〜３との比較から、有極性無機絶縁物を添加することで前述したように大幅な破壊電圧の向上が認められる。 このことは特公昭５７−２１８０５号公報に示された内容の効果を裏付けるものである。

【００３０】一方、インパルス破壊電圧は、当然のことながら比較例４の無添加の架橋ポリエチレンによるものが最も高かったが、この発明による実施例はそれについで高い破壊電圧を示している。 このように、この発明による実施例は、これまで問題とされていた有極性無機粉末を添加することによるインパルス破壊特性の低下を最少限に抑え、無添加の架橋ポリエチレンケーブルに近い性能を有することが確認できた。

【００３１】また、比較例１との比較から明らかなように、同じ酸化マグネシウムを添加したものでも、その粒子形状の差による破壊性能への影響が認められる。 特にインパルス破壊特性においては、柱状粒子形状を有する比較例１の場合には、比較例２，３に比べて顕著な破壊特性の向上が認められていない。 これは粒子形状に起因する分散性の差によるものと推察される。

【００３２】なお、この発明による実施例では、比較例２，３に比べ直流破壊特性の面でも性能向上が認められるのは、人工合成による酸化マグネシウムを使用しており、不純物が大幅に少なくなっていることによるものと推定される。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明の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ポリエチレンもしくは架橋ポリエチレンに球形状粒子からなる酸化マグネシウムを添加するようにしたため、直流諸特性に悪影響を及ぼす絶縁体内の空間電荷の蓄積を低減する効果を損なうことなく、良好な直流破壊特性を維持しつつ雷インパルス破壊特性の向上を達成することができ、これによってケーブルの小型化および軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の電力ケーブルの一実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 導体 ２ 内部半導電層 ３ 絶縁層 ４ 外部半導電層 ５ 金属遮蔽層

【手続補正書】

【提出日】平成３年８月５日

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項２

【補正方法】変更

【補正内容】

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