JPH05180896A - 直流電力ケーブル用絶縁体の選定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 海底ケーブルなどの高圧直流送電線路に用い
られる直流電力ケーブルを改良する。 【構成】 芯線導体の外周部に高分子からなる絶縁体を
形成した直流電力ケーブルの絶縁体選定方法として、こ
の絶縁体の熱刺激電流が事前に印加するバイアス電圧Ｖ
ｂと逆極性のコレクティングバイアス電圧Ｖｃを印加し
た際に観測される熱刺激電流（ＴＳＣ）がコレクティン
グバイアス電圧Ｖｃと逆極性側（バイアス電圧Ｖｂと同
極性側）となることを選定基準とする直流電力ケーブル
用絶縁体の選定方法である。

Description

【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
の材料選定法ならびにその選定法により選定された絶縁
材料により形成された直流ケーブルに関する。

【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】このように、直流課電
時に絶縁体内に空間電荷が蓄積されるような絶縁体は直
流ケーブル用絶縁体として好ましくないことは周知であ
るが、どのような材料であれば空間電荷の蓄積を抑止し
うるのかという選定方法は特になかった。

【０００８】そのため、適用した絶縁体が直流ケーブル
として適正なものであるのかの判断は、実際にケーブル
を製造し、空間電荷の影響を最も受けやすいとされてい
る絶縁厚の比較的厚い領域での直流破壊試験や極性反転
試験あるいは直流・逆極性インパルス重畳破壊試験を実
施してその適性を判定せざるを得なかった。

【０００９】従って、必然的に最適な絶縁材料を見出す
には多くの費用と日数がかかることとなり、さらに簡便
な選定方法が強く望まれていた。

【００１０】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、直流ケーブルに適する絶
縁材料をケーブルでの評価試験を必要とせず、簡便に見
出せる方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、前述した直
流ケーブル用絶縁材料の選定方法として、材料の熱刺激
電流（ＴＳＣ）を測定した際のＴＳＣパターンから判断
するようにしたものであり、具体的にはこの絶縁体の熱
刺激電流（ＴＳＣ）が事前に印加するバイアス電圧Ｖｂ
と逆極性のコレクティングバイアス電圧Ｖｃを印加した
際に観測される熱刺激電流（ＴＳＣ）がコレクティング
バイアス電圧Ｖｃと逆極性側（バイアス電圧Ｖｂと同極
性側）となることを選定基準としたものである。

【００１２】ここで、選定法として熱刺激電流（ＴＳ
Ｃ）を取り上げた理由を説明する。熱刺激電流（Ｔｈｅ
ｒｍａｌｌｙ Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｃｕｒｒｅｔ）
は絶縁体内の電荷現象を熱刺激（温度上昇）によって生
じる電流であり、絶縁体内の電荷現象、即ち、分極やト
ラップ電荷の挙動を知る上で有効な手段とされている。

【００１３】直流絶縁上特に問題となるのは、電極から
の注入，励起，イオントラップ等で絶縁体内にトラップ
された電荷であり、分極は問題とならない。従って、熱
刺激電流（ＴＳＣ）がトラップ電荷によるものか分極に
よるものかを判別することが重要であり、測定時にはバ
イアス電圧Ｖｂと逆極性のコレクティングバイアス電圧
Ｖｃを印加しているのはその判別を容易に行うためであ
る。ちなみに、このようにして測定した熱刺激電流（Ｔ
ＳＣ）がコレクティングバイアス電圧Ｖｃと逆極性側
（バイアス電圧Ｖｂと同極性側）となるということは、
分極の挙動を反映するものであり、直流絶縁上問題とな
るトラップ電荷の存在が少ないと判断することができ
る。

【００１４】

【実施例】図１および図２にこの発明による絶縁材料選
定評価に使用する熱刺激電流（ＴＳＣ）測定回路と手順
を示す。図１に示す測定回路は評価しようとする絶縁材
料のシート１を挟む電極２，２′とバイアス電圧Ｖｂを
印加するための直流電源３、コレクティングバイアス電
圧Ｖｃを印加するための直流電源４、これらの電源の切
り替えスイッチ５、そして微小電流計６で構成される。
図示していないが、サンプルを取り付けた電極２、２′
は所定の速度で温度上昇，下降の制御が可能な恒温槽に
収納され、電流とともに温度を記録することができる。
これらは基本的には微小電流の測定であり、例えば、電
極２′はガード電極付であること等、一般的な微小電流
測定技術がそのまま採用することは当然である。

【００１５】次に図２を参照して具体的な測定法につい
て述べる。測定手順として、（１）シートサンプルを電
極２，２′にセットし、測定用チェンバーに入れる。
（２）サンプルを所定のバイアス温度Ｔｂ（例えば室温
２０℃）にし、スイッチ５をバイアス電圧Ｖｂ印加用直
流電源３側に入れ、所定のバイアス電圧Ｖｂ（−４ｋ
Ｖ）を所定の時間Ｔｂ（３０分）間印加する。（３）バ
イアス電圧Ｖｂ印加状態のまま、チェンバー内に液体窒
素を注入し、温度を−２０℃付近まで急冷し、バイアス
電圧Ｖｂ印加による電荷を凍結する。（４）スイッチ５
をｅ側に切り替え、サンプル間電極を短絡する。（５）
スイッチ５をｃ側に切り替え、コレクティングバイアス
電圧Ｖｃ印加用直流電源４に接続し、コレクティングバ
イアス電圧Ｖｃ（−１８０Ｖ）を印加する。ここでコレ
クティングバイアス電圧Ｖｃはバイアス電圧Ｖｂと同極
性であり、かつ電圧印加による漏れ電流が無視できるほ
ど小さいことがポイントである。（６）チェンバーのヒ
ータによりサンプルを所定の速度β（１℃／分）で昇温
し、微小電流計６でそのときの電流を測定、記録する
（ｆｉｒｓｔ ｒｕｎ）（７）所定の温度（例えば１０
０℃）に達したら、約１０分間その温度で保持し、所定
の降温速度（１℃／分）で冷却し、同様に電流を測定す
る。（ｓｅｃｏｎｄ ｒｕｎ）昇温時の電流（ｆｉｒｓ
ｔ ｒｕｎ）と降温時の電流（ｓｅｃｏｎｄ ｒｕｎ）
の差が測定しようとする熱刺激電流Ｉ_TSC となる。

【００１６】前記測定において、（７）のｓｅｃｏｎｄ
ｒｕｎの電流はコレクティングバイアス電圧Ｖｃによ
る漏れ電流であるが、例でも示したように、コレクティ
ングバイアス電圧Ｖｃはバイアス電圧Ｖｂに比べて非常
に小さく設定していることから必然的に漏れ電流も小さ
く、通常はｆｉｒｓｔ ｒｕｎで測定される電流に比
べて無視できる大きさの場合も多い。そのような場合に
はｓｅｃｏｎｄ ｒｕｎは省略しても差し支えない。ま
た、上記（ ）内の数値は一例を示したものでありこれ
に限定されるものではない。

【００１７】図３はケーブルとした場合、空間電荷の蓄
積が多く直流絶縁上の問題が多いことが周知である通常
の架橋ポリエチレンの厚さ０．１ｍｍのシートを作成
し、前記した測定法で熱刺激電流（ＴＳＣ）を測定した
結果である。測定条件は前述の（ ）内に示すとおりで
あるが、コレクティングバイアス電圧Ｖｃは比較のた
め、−１８０Ｖ，０Ｖ，＋１８０Ｖの３条件で測定して
いる。これより明らかなように、通常の架橋ポリエチレ
ンの熱刺激電流（ＴＳＣ）の出力パターンはコレクティ
ングバイアス電圧Ｖｃに大きく依存しており、コレクテ
ィングバイアス電圧Ｖｃがプラスの場合には熱刺激電流
（ＴＳＣ）はプラス側に、コレクティングバイアス電圧
Ｖｃがマイナスの場合には熱刺激電流（ＴＳＣ）はマイ
ナス側に、コレクティングバイアス電圧Ｖｃが０の場合
には熱刺激電流（ＴＳＣ）の大きなピークは示していな
い。このように観測される熱刺激電流（ＴＳＣ）がコレ
クティングバイアス電圧Ｖｃに大きく依存するのは、熱
刺激電流（ＴＳＣ）の起源が絶縁体中に注入、トラップ
された電荷であることを示すものといわれている。

【００１８】一方、図４は直流破壊特性が良好で、極性
反転や直流・逆極性インパルス重畳破壊特性の試験結果
から、空間電荷の蓄積が少ないとされている特許公昭５
７−２１８０５号記載の有極性無機絶縁粉末を添加した
架橋ポリエチレンの熱刺激電流（ＴＳＣ）を同様に測定
した結果である。前記した通常の架橋ポリエチレンとは
異なり、熱刺激電流（ＴＳＣ）はコレクティングバイア
ス電圧Ｖｃの極性に全く依存せず、いずれもバイアス電
圧Ｖｂの放電方向電流であるプラス側に表われているこ
とが特徴的である。これは熱刺激電流（ＴＳＣ）の起源
が絶縁体中に注入、トラップされている電荷ではなく、
有極性無機絶縁粉末の極性基の影響、即ち、脱分極（双
極子配向の戻り）が反映された結果であり、分極電荷に
よるものといわれている。

【００１９】図３と図４の比較から明らかなように、バ
イアス電圧Ｖｂと逆極性のコレクティングバイアス電圧
Ｖｃを印加した場合には、いずれの場合も熱刺激電流
（ＴＳＣ）は同じ極性側に現われ、両者の違いを識別す
ることはできない。しかしながら、バイアス電圧Ｖｂと
同極性のコレクティングバイアス電圧Ｖｃを印加する
と、空間電荷の蓄積がある場合にはコレクティングバイ
アス電圧Ｖｃの極性側に、分極電荷の場合にはコレクテ
ィングバイアス電圧Ｖｃの極性と反対側に熱刺激電流
（ＴＳＣ）が現われ、両者の差を容易に識別することが
可能となる。

【００２０】なお、コレクティングバイアス電圧Ｖｃを
印加しない場合には、空間電荷の蓄積がある場合でも熱
刺激電流（ＴＳＣ）のピークは小さくなり識別が難しく
なる。熱刺激電流（ＴＳＣ）測定時のコレクティングバ
イアス電圧Ｖｃをバイアス電圧Ｖｂと同極性の電圧とし
たのは以上のような理由からである。

【００２１】第１表はこの発明によるケーブル絶縁体の
選定の妥当性を確認するために、種々の絶縁材料の熱刺
激電流（ＴＳＣ）判定結果と同じ絶縁体で製造したケー
ブル（絶縁厚３．５ｍｍ，導体サイズ６０ｍｍ² ）の温
度９０℃での直流破壊電圧，直流・逆極性インパルス重
畳破壊試験から得たバーダ係数Ｋを整理したものであ
る。

【００２２】ここで、熱刺激電流（ＴＳＣ）判定におい
て、Ｓと表記してあるのはバイアス電圧Ｖｂと同極性の
コレクティングバイアス電圧Ｖｃを印加した際の熱刺激
電流（ＴＳＣ）がコレクティングバイアス電圧Ｖｃと同
じ極性（ｓａｍｅ ｐｏｌａｒｉｔｙ）であったことを
示し、０と表記してあるのは同条件において、熱刺激電
流（ＴＳＣ）がコレクティングバイアス電圧Ｖｃと反対
の極性（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｐｏｌａｒｉｔｙ）であっ
たことを示している。

【００２３】また、バータ係数Ｋはケーブルの直流・逆
極性インパルス重畳破壊試験、即ち、ケーブルに直流電
圧を印加した状態で、直流電圧と逆極性のインパルス電
圧を重畳して印加した際のインパルス破壊電圧から次式
により求めたものである。

【００２４】

【数１】

【００２５】ここで、

【００２６】Ｖ_imp ：ケーブルのインパルス単独の破壊
電圧（Ｖｄｃ＝０）

【００２７】Ｖ_r ：直流電圧に重畳した際のインパル
ス破壊電圧（対地）

【００２８】Ｖｄｃ：直流印加電圧

【００２９】上式から分かるように、バーダ係数Ｋはイ
ンパルス破壊電圧が直流電圧印加の影響度合いを示すも
のであり、Ｋ＝１では直流電圧印加分だけインパルス破
壊電圧が低下していること、逆にＫ＝０の場合には直流
電圧印加による低下が全くないことを意味している。直
流電圧印加によるインパルス破壊電圧の低下はケーブル
絶縁体内に形成される空間電荷の影響であるといわれて
おり、このため、バーダ係数Ｋは空間電荷の影響を示す
指標とされている。なお、一連の実験はＶｄｃ＝１００
ｋＶの条件で実施されたものである。

【００３０】調査した絶縁材料は次のとおりである。こ
こで、Ｃ，Ｄは充填剤の種類が異なるものである。

【００３１】Ａ：架橋ポリエチレン

【００３２】Ｂ：低密度ポリエチレン（非架橋）

【００３３】Ｃ：有極性無機充填剤入架橋ポリエチレン
（１）

【００３４】Ｄ：有極性無機充填剤入架橋ポリエチレン
（２）

【００３５】Ｅ：有極性ポリマーブレンド架橋ポリエチ
レン

【００３６】

【表１】

【００３７】第１表に示したように、熱刺激電流（ＴＳ
Ｃ）判定において、Ｓ、即ち直流ケーブル用絶縁体とし
て不適と判定されたのは５試料中Ａ，Ｂの２試料であ
り、逆に熱刺激電流（ＴＳＣ）判定において適とされた
のは試料Ｃ，Ｄ，Ｅの３試料である。

【００３８】これらをケーブルの直流破壊電圧およびバ
ーダ係数Ｋと対応させてみると、不適と判定された試料
Ａ，Ｂは他の３者の相対比較において、直流破壊電圧が
低く、特に空間電荷の蓄積の指標となるバーダ係数Ｋが
１以上であることが確認された。一方、Ｃ，Ｄ，Ｅの３
試料は直流破壊電圧も高く、バーダ係数Ｋは０．４から
０．７となっており、直流ケーブル材料として良好な特
性を有していることが確認された。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明による直
流ケーブル用絶縁体の選定法によれば、従来その適正を
判断するため不可欠であった比較的絶縁厚の大きいケー
ブルでの直流破壊試験や直流・逆極性インパルス破壊試
験による評価を行うことなく、シート試験で適正が判断
できるため、評価試験に要する費用や時間の大幅な節減
が可能となることから幅広い種類の絶縁体から最適な材
料の選定を可能とした。

【００４０】また、このようにして選定した絶縁材料を
絶縁体とした直流ケーブルとすることにより、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で
きるケーブルができ、これによってケーブルの直流絶縁
特性の安定化、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】この発明による絶縁材料選定方法である熱刺激
電流（ＴＳＣ）の測定回路図、

【図２】この発明による絶縁材料選定方法である熱刺激
電流（ＴＳＣ）の測定手順を示す波形図、

【図３】通常の架橋ポリエチレンシートの熱刺激電流
（ＴＳＣ）の測定データの一例を示すグラフ、

【図４】有極性無機絶縁体を充填した充填剤入架橋ポリ
エチレンシートの熱刺激電流（ＴＳＣ）の測定データの
一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ シートサンプル ２，２′ 電極 ３ バイアス電圧印加用直流電源 ４ コレクティングバイアス電圧印加用直流電源 ５ 切換スイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 芯線導体の外周部に高分子からなる絶縁
   体を形成した直流電力ケーブルの絶縁体選定方法とし
   て、この絶縁体の熱刺激電流が事前に印加するバイアス
   電圧Ｖｂと逆極性のコレクティングバイアス電圧Ｖｃを
   印加した際に観測される熱刺激電流（ＴＳＣ）がコレク
   ティングバイアス電圧Ｖｃと逆極性側（バイアス電圧Ｖ
   ｂと同極性側）となることを選定基準とする直流電力ケ
   ーブル用絶縁体の選定方法。
2. 【請求項２】 「請求項１」記載の選定方法により選定
   された絶縁体を使用したことを特徴とする直流電力ケー
   ブル。