WO2011093211A1 - 架橋ポリオレフィン組成物、直流電力ケーブル及び直流電力線路の施工方法 - Google Patents

架橋ポリオレフィン組成物、直流電力ケーブル及び直流電力線路の施工方法 Download PDF

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田中　俊哉
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株式会社フジクラ
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Definitions

  • the present invention relates to a crosslinked polyolefin composition, a DC power cable having an insulating layer formed of the crosslinked polyolefin composition (herein referred to as "DC power cable” in the present application), and a method of applying a DC power line using a DC power cable.
  • An extruded insulated cable (hereinafter referred to as an XLPE cable), in which an insulating layer is formed using a composition of cross-linked polyethylene (XLPE), is generally used as an AC power cable (referred to as "AC power cable” in the present application).
  • AC power cable AC power cable
  • An oil immersion cable (OF cable, MI cable) is generally used as a high voltage DC power cable of 22 V or more.
  • DCP dicumyl peroxide
  • Patent Document 1 describes that, in an XLPE-based cable, the direct current characteristics are improved by blending a certain type of carbon black with the composition of the XLPE-based material that forms the insulating layer.
  • patent document 2 describes that triallyl isocyanurate is mix
  • Patent Document 3 discloses that, in a direct current power cable, a resin composition obtained by blending triallyl isocyanurate and a diene polymer with polyolefin is crosslinked to form an insulator layer, and a certain amount of organic peroxide crosslinking agent is used. It is described that formation of space charge due to a crosslinking agent decomposition residue is suppressed by blending triallyl isocyanurate and a diene-based polymer while suppressing the following.
  • the inventors evaluated the electrical characteristics of the DC power cable in which the insulating layer was formed by the composition of XLPE type which blended carbon black. As a result, it has been found that sufficient electrical characteristics can not always be obtained after adding a thermal history for a fixed time. For example, the DC breakdown characteristics evaluated after heating at 160 ° C. for 10 hours or more decreased to nearly 70% of the characteristics before heating.
  • connection portion and the end portion of XLPE cables In the case of mold jointing the connection portion and the end portion of XLPE cables, when the semiconductive layer and the insulating layer covering the connection portion and the end portion of the cable are heat-molded, the high temperature heat as described above History is added. For this reason, in the XLPE cable in which the direct current electrical characteristics are deteriorated after the heat history is added, the performance in the vicinity of the connection portion and the end portion is affected, which is disadvantageous for direct current power transport.
  • An object of the present invention is to improve the insulating material for a DC power cable disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 3602297), and to suppress the deterioration of DC electrical characteristics due to heat history. It is to provide. That is, to provide a DC power cable of XLPE type that can be used for higher voltage power transportation.
  • the crosslinked polyolefin composition according to the present invention is a crosslinked polyolefin composition in which an organic peroxide crosslinking agent is blended with a polyolefin, and further, (1) per 100 parts by mass of polyolefin, (2) 0.1 to 5 parts by mass of carbon black and (3) 0.02 to 2 parts by mass of at least one compound selected from triallyl isocyanurate or trimethallyl isocyanurate Do.
  • the direct current power cable according to the present invention is characterized in that an insulating layer is formed of the crosslinked polyolefin composition.
  • the insulating layer is formed by covering the portion to which the DC power cable is connected with an insulating material and performing a heating process.
  • the crosslinked polyolefin composition according to the present invention comprises (1) 0.1 to 5 parts by mass of (2) carbon black with respect to 100 parts by mass of polyolefin, and (3) triallyl isocyanurate or trime as a crosslinking assistant. It comprises 0.02 to 2 parts by mass of at least one compound selected from taryl isocyanurate, and (4) a predetermined amount of an organic peroxide crosslinking agent.
  • part by mass indicates the mass ratio of each raw material to be blended, and in the following description, indicates the part by mass with respect to 100 parts by mass of polyolefin.
  • Polyolefins form the basis of the crosslinked polyolefin composition according to the invention.
  • polyolefins include low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), ethylene-vinyl acetate copolymer, ethylene ethyl acrylate copolymer, polypropylene, ethylene-propylene copolymer, ethylene-propylene-diene copolymer.
  • LDPE low density polyethylene
  • HDPE high density polyethylene
  • ethylene-vinyl acetate copolymer ethylene ethyl acrylate copolymer
  • polypropylene ethylene-propylene copolymer
  • ethylene-propylene-diene copolymer ethylene-propylene-diene copolymer.
  • a polymer, a mixture of two or more of these, and the like can be used.
  • the carbon black is preferably nano-dispersed particles having an average primary particle size of 10 to 100 nm. Such a nano-dispersed particle is to exert a space charge suppressing function.
  • the average primary particle diameter is given by the following equation.
  • Average primary particle size Ni Ni ⁇ Di / Ni Ni
  • the carbon black having a size of 10 to 100 nm of the average primary particle diameter is an optimal value that does not disturb the crystal structure of the insulator such as polyethylene. Disruption of the crystal structure reduces the electrical performance of the insulator. If the particle size is larger than this range, the dispersion and mixing of the carbon black will be poor. If it is smaller than this, manufacture is difficult and unrealistic.
  • the compounding amount of carbon black is preferably 0.1 to 5 parts by mass. If the amount is less than 0.1 parts by mass, the effect of improving the direct current characteristics can not be obtained. On the other hand, if the amount is more than 5 parts by mass, the direct current characteristics deteriorate. If the amount is more than 5 parts by mass, the amount of the filler will be large, and the long extrusion characteristics will be impaired.
  • the proportion of carbon black particles having a particle size of 300 nm or more is preferably 1% by weight or less.
  • the lightning impulse breakdown voltage can be improved by setting the proportion of carbon black particles having a particle size of 300 nm or more to 1% by weight or less.
  • the conductive protrusion is often the origin of the breakdown.
  • the insulating layer of the cable is formed of the crosslinked polyolefin composition according to the present invention
  • the aggregates present in the insulating layer become large, the aggregates are in contact with the inner semiconductive layer and the outer semiconductive layer adjacent to the insulating layer. Or the probability of proximity also increases.
  • Such carbon aggregates in the vicinity of the inner semiconductive layer and in the vicinity of the outer semiconductive layer are considered to affect the impulse breakage of the cable.
  • the carbon black preferably has a ratio of oil absorption (cc / 100 g) of mineral oil to specific surface area (m 2 / g) measured by BET method is 0.7 or more and 3.5 or less.
  • the BET method is one of methods of measuring the surface area of powder by vapor phase adsorption method, and is a method of determining the total surface area of a 1 g sample, that is, the specific surface area, from the adsorption isotherm.
  • nitrogen gas is often used as the adsorption gas, and the method of measuring the adsorption amount from the change in pressure or volume of the gas to be adsorbed is most frequently used.
  • the most prominent ones representing the isotherm of multimolecular adsorption are the Brunauer, Emmett, Teller equations, called the BET equation.
  • the BET equation is widely used for surface area determination. The amount of adsorption is determined based on the BET equation, and the surface area is obtained by multiplying the area occupied by one adsorbed molecule on the surface.
  • the resistivity (specific resistance) of the crosslinked polyethylene composition is ⁇ ( ⁇ ⁇ m)
  • the temperature coefficient of insulation resistance is ⁇ (1 / ° C.)
  • the electric field coefficient stress coefficient of insulation resistance
  • E kv / mm
  • the temperature coefficient ⁇ decreases while the electric field coefficient ⁇ increases, and the leakage of space charge in the insulator composition is promoted.
  • the reason is that when the electric field coefficient ⁇ is increased, the resistivity ⁇ is decreased, so that the electric field in the high stress portion (the portion to which the strong electric field is applied) is relaxed.
  • the temperature coefficient ⁇ decreases, the maximum electric field Emax appearing on the shielding side decreases when the conductor temperature is high.
  • the electric field distribution in the insulator composition moves in the direction of homogenization, and the space charge accumulation is reduced.
  • this ratio is larger than 3.5, the degree of aggregation of the particles is increased, the apparent (aggregate) particle diameter is increased, and the condition of mixing with a thermoplastic resin such as polyethylene becomes worse.
  • acetylene carbon in particular, this effect is significant because the particles are linked in a chain.
  • the carbon black of SAF, ISAF, I-ISAF, CF, SCF, or HAF carbon which is furnace carbon black is used, the above ratio is particularly good in the range of 0.7 to 1.5. What has been confirmed experimentally.
  • the carbon black preferably has a carbon content of 97% by weight or more.
  • Carbon black contains impurities such as ash, O 2, H 2 and the like, and when the amount of these impurities is large, the electrical characteristics deteriorate. Therefore, the higher the carbon purity, the better.
  • the most characteristic point of the crosslinked polyolefin composition according to the present invention is that it contains at least one compound selected from triallyl isocyanurate or trimethallyl isocyanurate as a crosslinking assistant.
  • the compounding ratio is 0.02 to 2 parts by mass. If the amount is less than 0.02 parts by mass, the effect of suppressing the decrease in insulation performance due to the high temperature heat history can not be obtained. On the other hand, when the amount is more than 2 parts by mass, slip and resin burn occur in the extruder when extruding the crosslinked polyolefin composition. When resin burning occurs, the resin pressure rises during extrusion, making it impossible to produce a stable DC power cable.
  • a further preferable compounding amount of the crosslinking coagent is 0.1 to 2 parts by mass. By blending 0.1 parts by mass or more, the blending amount of the organized oxide crosslinking agent can be reduced, and the effect of suppressing resin burning in the extruder can also be obtained.
  • organic peroxide crosslinking agent any organic peroxide used for ordinary crosslinking may be used.
  • dicumyl peroxide (DCP) dicumyl peroxide
  • t-butylcumyl peroxide t-butylcumyl peroxide
  • ⁇ , ⁇ '-bis t-butylperoxy-m-isopropyl
  • the decomposition residue of t-butylcumyl peroxide and ⁇ , ⁇ '-bis (t-butylperoxy-m-isopropyl) benzene contains, like the decomposition residue of DCP, compounds having a polar group such as a hydroxyl group.
  • DCP dicumyl peroxide
  • t-butylcumyl peroxide t-butylcumyl peroxide
  • ⁇ , ⁇ '-bis t-butylperoxy-m-isopropyl
  • the present invention can solve this problem.
  • the compounding quantity of the organic peroxide crosslinking agent is suitably adjusted with the kind of organic peroxide to be used, polyolefin, etc.
  • the amount is preferably 0.1 to 5 parts by mass, and more preferably 0.5 to 3 parts by mass.
  • the compounding amount of the organic peroxide crosslinking agent is too small, crosslinking is insufficient and mechanical properties and heat resistance of the insulating layer are lowered.
  • the compounding amount of the organic peroxide crosslinking agent is too large, resin extruding occurs in the extruder when extruding the crosslinked polyolefin composition. When resin burning occurs, the resin pressure rises during extrusion, making it impossible to produce a stable DC power cable. Also, the electrical performance of the DC power cable is degraded.
  • antioxidant commonly used antioxidants can be appropriately selected and blended. Phenolic, phosphite and thioether anti-aging agents are preferred. In particular, 4,4′-thiobis (3-methyl-6-tert-butylphenol) has the effect of suppressing the crosslinking reaction when extruding the crosslinked polyolefin composition, and is thus preferable.
  • the compounding amount of the antioxidant is appropriately adjusted in consideration of the type of the antioxidant to be used and the oxidation resistance, but is preferably 0.1 to 1.0 parts by mass.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the created DC cable 10.
  • the direct current power cable 10 is formed by sequentially forming an inner semiconductive layer 12, an insulating layer 13, an outer semiconductive layer 14, a metal shielding layer 15, and a sheath 16 outside the conductor 11.
  • the cross-sectional area of the conductor 11 is 200 mm 2
  • the thickness of the insulating layer 13 is 3 mm
  • the thicknesses of the inner semiconductive layer 12 and the outer semiconductive layer 14 are 1 mm.
  • Inner semiconductive layer The inner semiconductive layer 12 is formed of ethylene-vinyl acetate copolymer, organic peroxide crosslinker (DCP), carbon black (acetylene black), antioxidant (4,4'-thiobis ( It formed using the composition (semiconductive resin composition) which mix
  • Insulating Layer The insulating layer 13 was formed using the crosslinked polyethylene composition according to the present invention.
  • the compounding ratio (parts by mass) of the polyolefin, carbon black, crosslinking aid and organic peroxide crosslinking agent is as shown in Tables 1 to 4.
  • Carbon black has a specific surface area of 140 m 2 / g as measured by the BET method, an oil absorption of 114 cc / 100 g of mineral oil, a carbon content of 97.5 mass%, and an average particle size of primary particles of 18 nm and coarse particles of 300 nm or more An amount of 1% or less of furnace carbon black SA was used.
  • the ratio of oil absorption (cc / 100 g) of mineral oil to specific surface area (m 2 / g) is 0.8.
  • Triallyl isocyanurate or trimethallyl isocyanurate was used as a coagent.
  • the organic peroxide crosslinking agent DCP, t-butylcumyl peroxide, ⁇ , ⁇ '-bis (t-butylperoxy-m-isopropyl) benzene was used.
  • the above materials were kneaded with a Banbury mixer, passed through a metal screen mesh with an opening of 34 ⁇ m, and further mixed with DCP using a Henschel mixer to prepare a crosslinked polyethylene composition.
  • (3) Outer Semiconductive Layer The outer semiconductive layer 14 was formed using a semiconductive resin composition having the same composition as the inner semiconductive layer 12.
  • compositions (1) to (3) are simultaneously extruded to the outer peripheral part of the conductor 11, and pressure heating is performed at a pressure of 10 kg / cm 2 and a temperature of 280 ° C. in a nitrogen atmosphere, and an organic peroxide crosslinking agent is used as an initiator
  • the crosslinking was advanced by the radical reaction.
  • a metal shielding layer and a sheath were provided by a conventional method to prepare a DC power cable.
  • the DC power line was manufactured by connecting the DC power cable 10 created by the above procedure.
  • a schematic cross section of the cable connection is shown in FIG.
  • the cable connection portion is formed by connecting two DC power cables 10, 10 with the conductors 11, 11 facing each other at their ends and facing each other (reference numeral 21 in the figure).
  • the conductive layer 22, the insulating layer 23, and the outer semiconductive layer 24 are sequentially coated.
  • the inner semiconductive layer 22 and the insulating layer 23 are formed by sequentially winding a semiconductive tape and an insulating tape around the conductors 11 and 11 butted connected to each other to a predetermined thickness and then heating and fusing the wound tape. Be done.
  • the outer semiconductive layer 24 is formed using a semiconductive shrink tube.
  • the semiconductive tape and the semiconductive shrink tube were formed using the same semiconductive resin composition (before crosslinking) as the inner semiconductive layer 12 and the outer semiconductive layer 14 of the DC power cable 10.
  • the insulating tape is obtained by extruding a crosslinked polyethylene composition (before crosslinking) of the same composition as the insulating layer 13 of the DC power cable 10 into a tape having a thickness of 0.1 mm, a width of 20 mm, and a length of 150 m by a single screw extruder. Created by doing.
  • the outer periphery of the semiconductive shrink tube was coated with a gas barrier layer, and the outer periphery of the gas barrier layer was coated with a heater. Further, a cross-linked tube consisting of two halves of the mold and packing at both ends was assembled on the outside of the heater.
  • the cross-linked tube is selected to be sufficiently longer than the distance (the range of A to C in FIG. 2) between the outer semiconductive layers 14 of the two DC power cables 10.
  • the distance between the outer semiconductive layers 14 is 760 mm, and a cross-linked tube having a length of 1150 mm covering A to D in FIG. 2 was used.
  • the internal pressure in the cross-linking tube was adjusted to 0.8 MPa with nitrogen gas, and the temperature was raised by a heater and held at 220 ° C. for 3 hours to form the insulating layer 23 and the outer semiconductive layer 24.
  • the broken part In the case of breakage between both ends 23A and 23A of the insulating layer 23, the broken part is A, and in the case of breakage at both ends 23A and 23A of the insulating layer 23, the broken part is B and the end 23A of the insulating layer 23
  • the fracture site is C if it is fractured with the end 14A of the outer semiconductive layer 14 or the fracture site if it is fractured between the end 14A of the outer semiconductive layer 14 and the end of the bridging tube. It was D.
  • Tables 1 to 4. In manufacturing a direct current power cable, the pressure of the extruded resin was measured with a 34 ⁇ m metal screen mesh portion attached to the tip of the insulating layer extruder screw.
  • the extrusion characteristics were evaluated from the rising tendency of the resin pressure 5 hours after the start of the extrusion.
  • the criteria for evaluation are as follows. Moreover, x was displayed for what a slip produced in the extruder and stable extrusion was not able to be performed. -: Almost no rise in resin pressure is observed. +: A rise in resin pressure is observed, but there is no problem at all in the production of a long cable. ++: An increase in resin pressure is observed, but a long cable can be manufactured. + ++: Resin pressure rise is recognized, and it is difficult to manufacture a long cable.
  • LDPE made by DOW NUC-9026 A: Center of connection, B: Upstanding tape insulation layer, C: Outer conductor treatment section, D: Cable reheating section
  • LDPE made by DOW NUC-9026 A: Center of connection, B: Upstanding tape insulation layer, C: Outer conductor treatment section, D: Cable reheating section
  • the compounding amount of the crosslinking aid was 0.01 parts by mass (Comparative Examples 1, 5, 8 and 10)
  • the direct current breakdown voltage was 200 or less in absolute value, and the direct current electrical characteristics were poor.
  • the fracture site was a D portion outside the end 14 A of the outer semiconductive layer 14. The failure occurred at such a site because the direct current electrical characteristics of the insulating layer 13 of the direct current power cable were deteriorated by the heat treatment for crosslinking the crosslinked polyethylene composition to be the insulating layer 23 of the connection portion.
  • Example 4 and Comparative Example 1 The blending amounts of the crosslinking agent in Example 4 and Comparative Example 1, Example 10 and Comparative Example 5, Example 13 and Comparative Example 8, and Example 16 and Comparative Example 10 are the same.
  • the direct current electricity in Examples 4, 10, 13, 16 is higher than that in Comparative Examples 1, 5, 8, 10.
  • the decrease in characteristics is small. From this result, it can be seen that the effect of preventing deterioration of the direct current electrical characteristics at the time of reheating becomes remarkable when the triallyl isocyanurate or trimethallyl isocyanurate is added in an amount of not less than 0.02 parts by mass.
  • Comparative Example 3 in which the blending amount of carbon black is small, and Comparative Example 4 in which the blending amount of carbon black is large, the DC breakdown voltage is low and the DC electrical characteristics are not sufficient.
  • the comparative example 7 is an example which mix
  • the cable D is broken at -160 kV. This destruction occurs because the DC electric characteristics of the insulating layer 13 of the DC power cable are deteriorated by the heat treatment for crosslinking the crosslinked polyethylene composition to be the insulating layer 23 of the connection portion. From this result, it can be seen that m? -Phenylene bismaleimide does not have an effect like triallyl isocyanurate or trimethallyl isocyanurate.
  • the cross-linked polyethylene composition according to the present invention it is possible to obtain a DC power cable with little deterioration in electrical characteristics even when subjected to heat history. Also, this DC power cable can be used for higher voltage DC power transportation.
  • connection method of cable the method of forming the insulating layer by winding the insulating tape and heating it is described, but the connection method used in the method of manufacturing the DC power line of the present invention is Any other method may be employed as long as the connecting portion is covered with an insulating material and heat treated.
  • a so-called extrusion molding method (EMJ) of extruding an insulating material using an extruder and heating and crosslinking it to form an insulating layer may be adopted as a connection method. it can.
  • EMJ extrusion molding method
  • the insulating material used to connect the cable may not have the same composition as the insulating material used for the cable insulator shown in the embodiment, as long as it is a DC insulating material.

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Abstract

　高温の熱履歴後でも電気特性が低下しない直流電力ケーブルを提供する。　ポリオレフィンに有機過酸化物架橋剤を配合した架橋ポリオレフィン組成物であって、更に、（１）ポリオレフィン１００質量部に対して、（２）カーボンブラックを０．１～５質量部、及び（３）トリアリルイソシアヌレートまたはトリメタリルイソシアヌレートから選ばれる少なくとも1種以上の化合物を０．０２～２質量部配合し、さらに（４）所定量の有機過酸化物架橋剤を配合した架橋ポリオレフィン組成物を絶縁層として用いることで、高温の熱履歴後でも電気特性が低下しない直流電力ケーブルを得ることができる。

Description

架橋ポリオレフィン組成物、直流電力ケーブル及び直流電力線路の施工方法
　本発明は、架橋ポリオレフィン組成物、架橋ポリオレフィン組成物で絶縁層を形成した直流用の電力ケーブル（本願において「直流電力ケーブル」という）、及び直流電力ケーブルを用いた直流電力線路の施工方法に関する。
　架橋ポリエチレン（ＸＬＰＥ）系の組成物を用いて絶縁層を形成した押出絶縁ケーブル（以下、ＸＬＰＥ系ケーブル）は交流用の電力ケーブル（本願において「交流電力ケーブル」という）に汎用されている。しかし、ＸＬＰＥ系ケーブルの高電圧直流電力ケーブルへの適用例は少ない。２２Ｖ以上の高電圧直流電力ケーブルとしては、一般に油浸ケーブル（ＯＦケーブル、ＭＩケーブル）が使用されている。
　高電圧直流電力ケーブルへのＸＬＰＥ系ケーブルの適用例が少ない理由は、ＸＬＰＥ系ケーブルでは、ジクミルパーオキサイド（ＤＣＰ）の分解残渣（アセトフェノン、クミルアルコール）が直流高電圧の印加時に空間電荷を形成し、直流特性を顕著に低下させるからである。ここで、ジクミルパーオキサイド（ＤＣＰ）は、ポリエチレンを架橋するのに汎用的に用いられる架橋剤である。
　上述の空間電荷を抑制する手段として、ある種の無機充填剤をＸＬＰＥ系の組成物に配合することが行われている。例えば、特許文献１には、ＸＬＰＥ系ケーブルにおいて、絶縁層を形成するＸＬＰＥ系の組成物にある種のカーボンブラックを配合することで直流特性を向上させることが記載されている。
　なお、特許文献２には、交流電力ケーブルにおいて、トリアリルイソシアヌレートを架橋助剤として配合することが記載されている。架橋助剤を配合することにより、架橋剤の配合量を減らすことができることが公知である。
　また、特許文献３には、直流電力ケーブルにおいて、ポリオレフィンにトリアリルイソシアヌレート及びジエン系ポリマーを配合した樹脂組成物を架橋して絶縁体層を形成すること、有機過酸化物架橋剤を一定量以下に抑えるとともにトリアリルイソシアヌレート及びジエン系ポリマーを配合することで、架橋剤分解残渣による空間電荷の形成が抑制されることが記載されている。
特許第３６０２２９７号公報 特開昭５７－４９６３５号公報 特開２００１－３２５８３４号公報
　ところで、発明者らは、カーボンブラックを配合したＸＬＰＥ系の組成物で絶縁層を形成した直流電力ケーブルの電気特性を評価した。その結果、一定時間の熱履歴を加えた後では、必ずしも充分な電気特性が得られないことがわかった。例えば、１６０℃で１０時間以上の加熱を行った後に評価した直流破壊特性は、加熱前の特性の約７０％近くまで低下した。
　ＸＬＰＥ系ケーブル同士の接続部や終端部をモールドジョイントする場合には、ケーブルの接続部や終端部を覆う半導電層や絶縁層を加熱成型する際に、その付近に上記のような高温の熱履歴が加わる。このため、熱履歴を加えた後に直流電気特性が低下するＸＬＰＥ系ケーブルでは、接続部や終端部の付近の性能に影響があり、直流電力輸送に不利である。
　本発明の課題は、前記特許文献１（特許第３６０２２９７号公報）に開示された直流電力ケーブル用絶縁材料を改良して、熱履歴による直流電気特性の低下を抑制できるＸＬＰＥ系の直流電力ケーブルを提供することである。すなわち、より高電圧の電力輸送に使用可能なＸＬＰＥ系の直流電力ケーブルを提供することである。
　上記課題を解決するために、本発明に係る架橋ポリオレフィン組成物は、ポリオレフィンに有機過酸化物架橋剤を配合した架橋ポリオレフィン組成物であって、更に、
（１）ポリオレフィン１００質量部に対して、
（２）カーボンブラックを０．１～５質量部、及び
（３）トリアリルイソシアヌレートまたはトリメタリルイソシアヌレートから選ばれる少なくとも1種以上の化合物を０．０２～２質量部配合したことを特徴とする。
　また、本発明にかかる直流電力ケーブルは、前記架橋ポリオレフィン組成物で絶縁層を形成することを特徴とする。
　また、本発明にかかる直流電力線路の製造方法は、前記直流電力ケーブルを接続した部分を絶縁材料で覆い加熱処理することにより絶縁層を形成することを特徴とする。
　本発明によれば、熱履歴を受けた場合でも直流電気特性の低下が小さく、より高電圧の電力輸送に使用可能なＸＬＰＥ系の直流電力ケーブルを提供することができる。
　本発明は、以下の詳細な説明及び添付図面によって、より十分に理解されるであろうが、これらはもっぱら説明のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
作成した直流ケーブル１０の断面図である。 ケーブル接続部の断面図である。
　以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
　本発明に係る架橋ポリオレフィン組成物は、（１）ポリオレフィン１００質量部に対して、（２）カーボンブラックを０．１～５質量部、及び（３）架橋助剤として、トリアリルイソシアヌレートまたはトリメタリルイソシアヌレートから選ばれる少なくとも1種以上の化合物を０．０２～２質量部配合し、さらに（４）所定量の有機過酸化物架橋剤を配合してなる。ここで、「質量部」の語は、配合する各原料の質量比を示し、以下の説明では、ポリオレフィン１００質量部に対する質量部を示す。
〔ポリオレフィン〕
　ポリオレフィンは、本発明に係る架橋ポリオレフィン組成物のベースとなる。ポリオレフィンとしては、例えば、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、エチレン－酢酸ビニル共重合体、エチレンエチルアクリレート共重合体、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン共重合体、エチレン－プロピレン－ジエン共重合体や、これらの２以上の混合物等を用いることができる。
〔カーボンブラック〕
　カーボンブラックは、平均一次粒径が１０～１００ｎｍのナノ分散粒子であることが好ましい。このようなナノ分散粒子であれば、空間電荷抑制作用を発揮するためである。
　各粒子径区間の粒子数をＮｉ、粒径径区間の中心値をＤｉとしたとき、平均一次粒径は、以下の式で与えられる。
　平均一次粒径＝ΣＮｉ・Ｄｉ／ΣＮｉ
　この平均一次粒径１０～１００ｎｍの大きさのカーボンブラックが、ポリエチレンなど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が低下する。また粒径がこれより大きいとカーボンブラックの分散や交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。
　カーボンブラックの配合量は、０．１～５質量部であることが好ましい。０．１質量部未満では直流特性の改善効果が得られない。また、５質量部よりも多いと直流特性が低下する。また、５質量部よりも多いと充填剤が多量となるため、長尺押出し特性を損ねる。
　カーボンブラックは、粒径が３００ｎｍ以上のカーボンブラック粒子の存在割合が１重量％以下であることが好ましい。粒径が３００ｎｍ以上のカーボンブラック粒子の存在割合を１重量％以下にすることで、雷インパルス破壊電圧を向上させることができる。インパルス破壊は、導電性突起が破壊起点になるケースが多い。粒径３００ｎｍ以上の大きいカーボン粒子の存在割合が多いと、カーボン粒子が凝集してできる凝集体も当然大きくなる。本発明に係る架橋ポリオレフィン組成物でケーブルの絶縁層を形成した場合、絶縁層中に存在する凝集体が大きくなると、絶縁層に隣接する内部半導電層や外部半導電層にこの凝集体が接触又は近接する確率も増える。このような内部半導電層付近や外部半導電層付近のカーボン凝集体はケーブルのインパルス破壊に影響を及ぼすと考えられるからである。
　また、カーボンブラックは、ＢＥＴ法で測定した比表面積（ｍ2／ｇ）に対する鉱物油の吸油量（ｃｃ／１００ｇ）の比が０．７以上、３．５以下であることが好ましい。ここで、ＢＥＴ法とは、気相吸着法による粉体の表面積測定法の一つであり、吸着等温線から１ｇの試料の持つ総表面積、即ち比表面積を求める方法である。通常吸着気体としては、窒素ガスが多く用いられ、吸着量を被吸着気体の圧、または容積の変化から測定する方法が最も多く用いられている。多分子吸着の等温線を表すのに最も著名なものは、Brunauer、Emmett、Tellerの式であり、ＢＥＴ式と呼ばれる。ＢＥＴ式は表面積決定に広く用いられている。ＢＥＴ式に基づいて吸着量を求め、吸着分子１個が表面で占める面積を掛けて、表面積が得られる。
　比表面積（ｍ２／ｇ）に対する鉱物油の吸油量（ｃｃ／１００ｇ）の比が０．７以上、３．５以下とすることで、空間電荷の漏れを促すことができる。以下、この理由を説明する。
　架橋ポリエチレン組成物の抵抗率（比抵抗）をρ（Ω・ｍ）とし、絶縁抵抗の温度係数をα（１／℃）、電界係数（絶縁抵抗のストレス係数）をβ（ｍｍ／ｋｖ）、絶縁体にかかる電界強度をＥ（ｋｖ／ｍｍ）とすれば、以下の関係が成り立つことが知られている。
ρ＝ρ0ｅｘｐ－（αＴ＋βＥ）　・・・（１）
　そして、カーボンブラックを配合すると、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が増加すると抵抗率ρが低下するため、高ストレス部（強い電界のかかる部分）の電界が緩和されるからである。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Ｅｍａｘ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る。
　カーボンブラックの配合量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が流れる。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。したがって、少ない配合量で（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量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かけの（凝集体の）粒子径が大きくなり、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂との混じり具合が悪くなる。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。
　なお、ファーネス系カーボンブラックであるＳＡＦ、ＩＳＡＦ、Ｉ－ＩＳＡＦ、ＣＦ、ＳＣＦ、ＨＡＦ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、上記の比が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。
　さらに、カーボンブラックは、炭素含有率が９７重量％以上であることが好ましい。カーボンブラックには、灰分、Ｏ２、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。したがって、カーボンの純度は高いほど良好である。
〔架橋助剤〕
　本発明に係る架橋ポリオレフィン組成物の最も特徴的な点は、架橋助剤として、トリアリルイソシアヌレートまたはトリメタリルイソシアヌレートから選ばれる少なくとも1種以上の化合物を配合する点である。配合比は、０．０２～２質量部である。０．０２質量部未満では、高温の熱履歴による絶縁性能低下を抑制する効果が得られない。一方、２質量部を越えると、架橋ポリオレフィン組成物を押し出しする際、押出機内でスリップや樹脂焼けが生じる。樹脂焼けが生じると、押し出し中に樹脂圧力が上昇し、安定した直流電力ケーブルの製造ができなくなる。また、直流ケーブルの電気性能も低下する。前記架橋助剤のさらに好ましい配合量は、０．１～２質量部である。０．１質量部以上配合することで、有機化酸化物架橋剤の配合量を減らすことができ、押出機内における樹脂焼けを抑制する効果も得ることができる。
〔有機過酸化物架橋剤〕
　有機過酸化物架橋剤としては、通常の架橋に用いる有機過酸化物であればよい。例えば、ジクミルパーオキサイド（ＤＣＰ）、ｔ－ブチルクミルパーオキサイド、α，α’－ビス（ｔ－ブチルパーオキシ－ｍ－イソプロピル）ベンゼン等を用いることができる。ｔ－ブチルクミルパーオキサイド、α，α’－ビス（ｔ－ブチルパーオキシ－ｍ－イソプロピル）ベンゼンの分解残渣には、ＤＣＰの分解残渣と同様、水酸基などの極性基を有した化合物が含まれており、ＤＣＰを用いた場合と同様、前述の問題が発生するが、本発明により、この問題を解決できる。
　有機過酸化物架橋剤の配合量は、使用する有機過酸化物、ポリオレフィンの種類等により適宜調整される。０．１～５質量部が好ましく、０．５～３質量部がより好ましい。有機過酸化物架橋剤の配合量が少なすぎると架橋が不充分であり、絶縁層の機械的特性及び耐熱性が低下する。一方、有機過酸化物架橋剤の配合量が多すぎると、架橋ポリオレフィン組成物を押し出しする際、押出機内で樹脂焼けが生じる。樹脂焼けが生じると、押し出し中に樹脂圧力が上昇し、安定した直流電力ケーブルの製造ができなくなる。また、直流電力ケーブルの電気性能も低下する。
〔酸化防止剤〕
　また、必要に応じて架橋ポリオレフィン組成物に酸化防止剤を配合してもよい。酸化防止剤としては、一般に使用される酸化防止剤を適宜選択して配合することができる。フェノール系、ホスファイト系、チオエーテル系の老化防止剤が好ましい。特に、４，４’－チオビス（３－メチル－６－ｔｅｒｔ－ブチルフェノール）は、架橋ポリオレフィン組成物を押し出しする際、架橋反応を抑制する効果があり、好ましい。
　酸化防止剤の配合量は、使用する酸化防止剤の種類、耐酸化性能を考慮して適宜調整されるが、０．１～１．０質量部であることが好ましい。
（実施例）
　以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
〔電力ケーブル〕
　図１は作成した直流ケーブル１０の断面図である。図１に示すように、直流電力ケーブル１０は、導体１１の外側に内部半導電層１２、絶縁層１３、外部半導電層１４、金属遮蔽層１５、シース１６を順に形成してなる。導体１１の断面積は２００ｍｍ２、絶縁層１３の厚さは３ｍｍであり、内部半導電層１２、および、外部半導電層１４の厚さはそれぞれ１ｍｍである。
（１）内部半導電層
　内部半導電層１２は、エチレン－酢酸ビニル共重合体、有機過酸化物架橋剤（ＤＣＰ）、カーボンブラック（アセチレンブラック）、酸化防止剤（４，４’－チオビス（３－メチル－６－ｔｅｒｔ－ブチルフェノール））を配合した組成物（半導電性樹脂組成物）を用いて形成した。
（２）絶縁層
　絶縁層１３は、本発明に係る架橋ポリエチレン組成物を用いて形成された。ポリオレフィン、カーボンブラック、架橋助剤、有機過酸化物架橋剤の配合比（質量部）は表１～４に示すとおりである。
　ポリオレフィンには、ＬＤＰＥ（ＤＯＷ社製のＮＵＣ－９０２６）を用いた。カーボンブラックは、ＢＥＴ法で測定した比表面積１４０ｍ２／ｇ、鉱物油の吸油量１１４ｃｃ／１００ｇ、炭素含有量が９７．５質量％、一次粒子の平均粒径が１８ｎｍ、３００ｎｍ以上の粗粒含有量が１％以下のファーネス系カーボンブラックであるＳＡＦを用いた。比表面積（ｍ2／ｇ）に対する鉱物油の吸油量（ｃｃ／１００ｇ）の比は、０．８である。
　架橋助剤には、トリアリルイソシアヌレートまたはトリメタリルイソシアヌレートを用いた。
　有機過酸化物架橋剤には、ＤＣＰ、ｔ－ブチルクミルパーオキサイド、α，α’－ビス（ｔ－ブチルパーオキシ－ｍ－イソプロピル）ベンゼンを用いた。
　上記材料をバンバリーミキサーにより混練し、目開き３４μｍの金属製スクリーンメッシュに通し、さらにヘンシェル混合機によりＤＣＰを混合することで架橋ポリエチレン組成物を作成した。
（３）外部半導電層
　外部半導電層１４は、内部半導電層１２と同じ配合の半導電性樹脂組成物を用いて形成された。
　（１）～（３）の組成物を導体１１の外周部に同時に押し出し、窒素雰囲気下で圧力１０ｋｇ／ｃｍ２、温度２８０℃の加圧加熱を行い、有機過酸化物架橋剤を開始剤とするラジカル反応により架橋を進行させた。次いで、常法により、金属遮蔽層及びシースを設け、直流電力ケーブルを作成した。
〔ケーブル接続部の構造〕
　直流電力線路は、上記手順により作成した直流電力ケーブル１０を接続して製造された。
ケーブル接続部の概略断面を図２に示す。ケーブル接続部は、図２に示すように、２本の直流電力ケーブル１０、１０を端部で導体１１、１１同士を対向させて突き合わせて接続し(図中符号２１)、その周囲を内部半導電層２２、絶縁層２３、外部半導電層２４により順に被覆した構造である。
　内部半導電層２２、絶縁層２３は、突き合わせて接続した導体１１、１１に半導電性テープ、絶縁テープを順次所定の厚さまで巻回した後、巻回したテープを加熱融着することにより形成される。外部半導電層２４は、半導電性収縮チューブを用いて形成される。半導電性テープ、半導電性収縮チューブは、直流電力ケーブル１０の内部半導電層１２、外部半導電層１４と同様の半導電性樹脂組成物（架橋前のもの）を用いて形成した。絶縁テープは、直流電力ケーブル１０の絶縁層１３と同じ配合の架橋ポリエチレン組成物（架橋前のもの）を単軸押出機により厚さ０．１ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍのテープ状に押出加工することで作成した。
〔ケーブルの接続方法〕
　以下、ケーブルの接続方法について説明する。
　まず、２本の直流電力ケーブル１０、１０の終端部をシース１６、金属遮蔽層１５、外部半導電層１４、絶縁層１３、内部半導電層１２の順に段状に剥ぎ、略円錐形状に加工した。次に、２本の直流ケーブル１０、１０の導体１１、１１同士を付き合わせて接続を行い、導体接続部２１を形成した。次に、半導電性テープを導体接続部２１に巻きまわし、加熱融着することで、内部半導電層２２を作成した。
　次に、絶縁テープを内部半導電層２２に巻きまわし、さらにその外周を半導電性収縮チューブで被覆した。この上に、更に半導電性収縮チューブを被せ加熱し収縮させた。
　次に、半導電性収縮チューブの外周をガスバリアー層で被覆し、ガスバリアー層の外周をヒーターで被覆した。さらに、ヒーターの外側に、２つ割の金型と両端部のパッキンからなる架橋管を組み立てた。なお、架橋管は、２本の直流電力ケーブル１０、１０の外部半導電層１４、１４間の距離（図２中Ａ～Ｃの範囲）よりも充分に長いものを用いる。この実施例では、外部半導電層１４、１４間の距離は７６０ｍｍであり、架橋管には図２中Ａ～Ｄを覆う長さ１１５０ｍｍのものを用いた。
　その後、架橋管内の内圧を窒素ガスにより０．８ＭＰａとし、ヒーターにより昇温し２２０℃を３時間保持することで、絶縁層２３、外部半導電層２４を形成した。
〔評価〕
（１）製造した電力ケーブルの架橋度は、ケーブル絶縁体の厚さ方向の中間部分より試験片を採取し、ＪＩＳＣ　３００５　４．２５項に準拠して測定した。
（２）接続した直流電力ケーブルの直流破壊電圧（ｋＶ）を計測した。ケーブル接続部を含む全長２０ｍの直流電力ケーブルに対し、－６０ｋＶのスタート電圧から－２０ｋＶ／１０分のステップアップで電圧を上昇させて破壊電圧を測定した。通電中の導体温度は９０℃となるように調整した。なお、接続前の直流電力ケーブルの直流破壊電圧は平均－３２０ｋＶであった。
（３）破壊後に接続部を解体し、破壊部位を特定した。絶縁層２３の両端部２３Ａ、２３Ａの間で破壊された場合は破壊部位をＡ、絶縁層２３の両端部２３Ａ、２３Ａで破壊された場合は破壊部位をＢ、絶縁層２３の端部２３Ａと外部半導電層１４の端部１４Ａとの間で破壊された場合は破壊部位をＣ、外部半導電層１４の端部１４Ａと架橋管の端部との間で破壊された場合は破壊部位をＤとした。
　結果を表１～４に示す。
(４)直流電力ケーブルを製造するに当たり、絶縁層押出機スクリュー先端に装着した目開き３４μｍの金属製スクリーンメッシュメッシュ部分で押出樹脂圧力を測定した。押出開始から５時間経過した時点での樹脂圧力の上昇傾向から押出特性を評価した。評価の基準は以下の通りである。また、押出機中でスリップが生じて安定した押出ができなかったものには×を表示した。
　　　－：樹脂圧力の上昇はほとんど認められない。
　　　＋：樹脂圧力の上昇は認められるが、長尺ケーブル製造上全く問題ない。
　　＋＋：樹脂圧力の上昇は認められるが、長尺ケーブル製造が可能である。
　＋＋＋：樹脂圧上昇が認められ、長尺ケーブルの製造が困難である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　　ＬＤＰＥ；ＤＯＷ製　ＮＵＣ－９０２６
Ａ；接続部中央、Ｂ；テープ絶縁層立上部、Ｃ；ケーブル外導処理部、Ｄ；ケーブル再加熱部
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　　ＬＤＰＥ；ＤＯＷ製　ＮＵＣ－９０２６
Ａ；接続部中央、Ｂ；テープ絶縁層立上部、Ｃ；ケーブル外導処理部、Ｄ；ケーブル再加熱部
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
  
　架橋助剤の配合量が０．０２～２質量部の範囲では、架橋助剤としてトリアリルイソシアヌレートを用いた場合（実施例１～６及び１２～１７）、トリメタリルイソシアヌレートを用いた場合（実施例７～１１）の直流破壊電圧が－３２０～－２６０ｋＶであり、いずれも優れた直流電気特性を示した。破壊部位はＡ部又はＢ部、すなわち接続部の絶縁層２３の範囲であった。
　一方、架橋助剤の配合量が０．０１質量部の場合（比較例１、５、８及び１０）は、直流破壊電圧が絶対値で２００以下になっており、直流電気特性が悪かった。破壊部位は外部半導電層１４の端部１４Ａよりも外側のＤ部であった。このような部位で破壊が起きたのは、接続部の絶縁層２３となる架橋ポリエチレン組成物を架橋させるための加熱処理で、直流電力ケーブルの絶縁層１３の直流電気特性が低下したためである。
　実施例４と比較例１、実施例１０と比較例５、実施例１３と比較例８、実施例１６と比較例１０における架橋剤配合量は同じである。しかし、接続部の絶縁層２３となる架橋ポリエチレン組成物を架橋させるための加熱処理を行っても、実施例４、１０、１３、１６では比較例１、５、８、１０に比べて直流電気特性の低下が小さい。この結果から、トリアリルイソシアヌレート、または、トリメタリルイソシアヌレートを０．０２質量部以上配合すると、再加熱時に直流電気特性が低下してしまうのを防止する効果が顕著になることが分かる。
　トリアリルイソシアヌレート等の配合量が２．５質量部の場合（比較例２、６、比較例９、比較例１１）は、押出中にスリップを生じたため、直流電力ケーブルを製造することができなかった。
　カーボンブラックの配合量が少ない比較例３、多い比較例４では、ともに直流破壊電圧が低く、直流電気特性が十分ではない。
　比較例７は、架橋助剤としてｍ?フェニレンビスマレイミドを配合した例である。比較例７では、ケーブルＤ部において－１６０ｋＶで破壊している。この破壊は、接続部の絶縁層２３となる架橋ポリエチレン組成物を架橋させるための加熱処理により、直流電力ケーブルの絶縁層１３の直流電気特性が低下したために生じた。この結果から、トリアリルイソシアヌレートやトリメタリルイソシアヌレートのような効果が、ｍ?フェニレンビスマレイミドにはないことが分かる。
　以上説明したように、本発明に係る架橋ポリエチレン組成物を用いることで、熱履歴を受けても電気特性の低下が少ない直流電力ケーブルを得ることができる。また、この直流電力ケーブルは、より高電圧の直流電力輸送に使用することができる。
　なお、前記実施例では、〔ケーブルの接続方法〕として、絶縁テープを巻きこれを加熱架橋して絶縁層を形成する方法を説明したが、本発明の直流電力線路の製造方法で用いる接続方法は、接続部を絶縁材料で覆い加熱処理する方法であれば、他の方法を採用することもできる。例えば、本発明の直流電力線路の製造方法では、押出機を用いて絶縁材料を押出し、これを加熱架橋して絶縁層を形成する、いわゆる押出モールド法（ＥＭＪ）を接続方法として採用することができる。また、ケーブルの接続に用いられる絶縁材料は、直流用絶縁材料であれば、実施例に示すケーブル絶縁体に用いられる絶縁材料と同一組成でなくてとも構わない。
　２０１０年１月２８日に出願された、日本国特許出願第２０１０－０１６１１１号の明細書、請求の範囲、図面、要約を含む全ての開示は、ここに引用によって組み込まれる。
　種々の典型的な実施の形態を示しかつ説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されない。したがって、本発明の範囲は、次の請求の範囲によってのみ限定されるものである。
１０　直流電力ケーブル
１１　導体
１２、２２　内部半導電層
１３、２３　絶縁層
１４、２４　外部半導電層
１４Ａ　端部
２１　導体接続部
２３Ａ　両端部

Claims (3)

  1. 　ポリオレフィンに有機過酸化物架橋剤を配合した架橋ポリオレフィン組成物であって、
    更に、
    （１）ポリオレフィン１００質量部に対して、
    （２）カーボンブラックを０．１～５質量部、及び
    （３）トリアリルイソシアヌレートまたはトリメタリルイソシアヌレートから選ばれる少なくとも1種以上の化合物を０．０２～２質量部を配合したことを特徴とする架橋ポリオレフィン組成物。
  2. 　請求項１に記載の架橋ポリオレフィン組成物で絶縁層を形成することを特徴とする直流電力ケーブル。
  3. 　請求項２に記載の直流電力ケーブルを接続した部分を絶縁材料で覆い加熱処理することにより絶縁層を形成することを特徴とする直流電力線路の製造方法。
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