(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂に対して、次の条件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（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、かつ、
（ｂ）  炭素含有率が９７重量％以上で、かつ、
（ｃ）  粒径が３００ｎｍ以上の粗粒カーボンブラックの存在割合が１％以下。
【請求項２】
添加したカーボンブラックは、平均粒径が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の直流電力ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間電荷による電界の変歪を取り除くことにより絶縁耐力向上を図った直流電力ケーブルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりＣＶケーブルなど、通常の交流高電圧電力ケーブルの絶縁体としては、絶縁耐圧、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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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くく、したがって、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。
【０００４】
上記の不都合を解消するべく、絶縁体中に適当量のカーボンブラックを添加して空間電荷の蓄積を低減することにより絶縁耐力を高める直流電力ケーブルが提案されている（特開昭６１−２５３７１２号）。
【０００５】
この提案の添加条件は、熱可塑性樹脂に対して、次の条件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したことを要旨とするものである。その条件は、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以上で、１．５以下で、かつ、炭素含有率が９７重量％以上で、かつ、平均粒径１０〜１００ｎｍ（ナノメータ）のカーボンブラックである。
【０００６】
しかるに、この提案の場合は、直流破壊特性は向上するが、一方、添加したカーボンブラックは異物としての作用もする恐れがある。すなわち、電力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する傾向にあるという問題点がある。
【０００７】
本発明は、前記の問題点を解消するべくなされたものであって、直流破壊特性を向上させ得ると共に、雷インパルス破壊特性をも大幅に向上できる直流電力ケーブルを提供することを特徴とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため次の構成を有する。
請求項１の発明は、熱可塑性樹脂に対して、次の条件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である。
（ａ）  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、かつ、
（ｂ）  炭素含有率が９７重量％以上で、かつ、
（ｃ）  粒径が３００ｎｍ以上の粗粒カーボンブラックの存在割合が１％以下。
【０００９】
請求項２の発明は、添加したカーボンブラックは、平均粒径が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の直流電力ケーブルである。
【００１０】
ここで、比表面積は、カーボンブラック１ｇ当たりに吸着する所定物質（Ｎ２、Ａｒなど）の量で、ｇ当たりの表面積として表すものである。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見るためのものである。
【００１１】
また、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン（低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン）、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレンエチルアクリレート共重合体（ＥＥＡ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）など、ならびにこれらの混合物を用いることができる。また、架橋して使用することももちろん可能である。
【００１２】
一方、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。
【００１３】
請求項１の発明の構成のうちで、上記（ｃ）の構成により、粒径が３００ｎｍ以上の粗粒カーボンブラックの存在割合を１％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た。その理由は、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く、大きいカーボン粒子（３００ｎｍ以上）の存在割合が多いと、カーボン粒子が凝集してできる粗粒子も当然大きくなり、これが内外導に接触又は近接する確率も増える。このような内外導付近の凝集粗粒子カーボンが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。
【００１４】
また、それ以外の構成（ａ）、（ｂ）など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。
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／℃）、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、
ρ＝ρ0ｅｘｐ−（αＴ＋βＥ）              ……（１）
なる関係が成り立つことが知られている。
【００１５】
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、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。各数値限定の理由につき説明する。
【００１６】
（１）カーボンブラックの添加量が０．２〜５重量％の理由。
前記添加量が０．２％以下では上述の効果が十分に得られず、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、熱破壊の恐れが生じる。
【００１７】
（２）吸油量／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。
【００１８】
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、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た。
【００１９】
（３）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、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。
【００２０】
（４）カーボンブラックの平均粒径を１０〜１００ｎｍとする理由（請求項２）。
カーボンブラックの平均粒径は、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、
平均粒径＝ΣＮｉ・Ｄｉ／ΣＮｉ
で与えられる。
この平均粒径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。
【００２１】
以上のように、カーボンブラックの粒粉分（粗粒分）を除去し、粒径が３００ｎｍ以上の粗粒カーボンブラックの存在割合を１％以下にすることにより直流特性を向上させると共に、雷インパルス破壊特性を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明にかかる絶縁材料を用いて直流電力ケーブルを製造する（本発明品）と共に、比較品の絶縁材料を電力ケーブルを製造した（比較品）。
【００２３】
すなわち、本発明品の電力ケーブルは、絶縁体は、架橋ポリエチレンに対して、次の条件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した。この場合に、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、かつ、炭素含有率が９７重量％以上のカーボンブラックであり、さらに該カーボンブラックの最大粒径が３００ｎｍであって３００ｎｍを超える粗粒分を除去して粒径が３００ｎｍ以上の粗粒カーボンブラックの存在割合を１％以下にした。
【００２４】
また、比較品の電力ケーブルは、次の条件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した。この場合に、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、かつ、炭素含有率が９７重量％以上のカーボンブラックであり、さらに該カーボンブラックの平均粒径が１０〜１００ｎｍであり、最大粒径は規定しないものである。
【００２５】
そして、本発明品および比較品の電力ケーブルは、共に、導体断面積が８００ｍｍ２、絶縁体厚さ２０ｍｍであり、内部および外部半導電層と絶縁体とを同時押し出しによって形成したものである。
【００２６】
上記の本発明品および比較品のそれぞれの直流電力ケーブルを実際に製造してそれぞれの直流電力ケーブルの絶縁体を顕微鏡観察し、それにより、カーボン粒子のサイズの分布を調査した。調査結果を図１に示す。
【００２７】
また、これらの直流電力ケーブルの雷インパルス破壊試験と直流破壊試験を行って、図２に示すよう結果を得た。図２から、本発明品の電力ケーブルでは、雷インパルス破壊電圧が大幅に改善されており、併せて直流破壊電圧も向上していることが理解される。したがって、本発明が比較品に比べて優れたものであることが理解される。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した通り請求項１の発明によれば、絶縁体をなす熱可塑性樹脂中に特定のカーボンブラックを特定量添加することで空間電荷の蓄積を低減させて、電力ケーブルの直流破壊電圧を向上させることができると共に、この添加するカーボンブラックは粒径が３００ｎｍ以上の粗粒カーボンブラックの存在割合を１％以下に押さえることにより、雷インパルス破壊特性を大幅に向上させる。したがって、直流破壊特性と雷インパルス破壊特性を同時に向上させて、直流電力ケーブルの総合的な絶縁耐力を向上できる。
また、請求項２の発明によれば、さらに直流破壊電圧が上昇して直流破壊特性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明品と比較品のカーボン粒子サイズの分布調査結果の説明図である。
【図２】本発明品と比較品の電気的性能を比較して示す説明図である。
【図１】
0003602297.tif 000002
【図２】
0003602297.tif 000003