(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子量の標準偏差が８００〜１２００であるポリエチレン１００重量部に対し、０．１〜０．８重量部の導電性添加剤が混合され、架橋されたポリエチレンからなる絶縁層を有することを特徴とする直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流特性を向上させた直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、絶縁層を架橋ポリエチレンから形成したもので、取扱いが簡便なため、広く用いられている。
また、近年、海底に敷設できる海底ケーブルの開発が盛んである。海底ケーブルにおいては、送電距離が長く、かつ大容量送電であること望まれている。
最近では５００ｋＶ級の直流用ＯＦケーブルの海底ケーブルが実用段階にまできている。しかし、ＯＦケーブルは油圧をかける必要があるために長尺化しにくくいという問題がある。
一方、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルとしては、交流用の５００ｋＶ級の地中ケーブルが開発されているが、交流送電は架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層中における損失が大きいという問題があり、長距離送電には適さない。
取扱いが簡便で、長尺化が可能な架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルを大容量の直流用として用いることができればよいが、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは直流破壊電圧が低く、高電圧、大容量、例えば２５０ｋＶ以上の直流用電力ケーブルとしては十分な信頼性、安全性が得られないために実用化されていないのが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、直流特性を向上させた直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルとその製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては、分子量の標準偏差が８００〜１２００であるポリエチレン１００重量部に対し、０．１〜０．８重量部の導電性添加剤が混合され、架橋されたポリエチレンからなる絶縁層を有することを特徴とする直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルを提案する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルにおいて、直流特性が低下する原因のひとつとして空間電荷の蓄積があげられる。
すなわち、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層に直流電圧を印加すると、電極からの電荷注入、双極子の反転、イオン性不純物の解離などにより電荷（空間電荷）が生じ、蓄積する。このときの絶縁層に蓄積する空間電荷の分布は、電極（陽極および陰極）近傍に各々の電極と逆極性の電荷が蓄積するヘテロ空間電荷分布であるので、絶縁層の内部電界が変歪され、陽極および陰極との両界面付近の内部電界が強調されて絶縁破壊がおこりやすくなるのである。
この空間電荷の蓄積の原因に関しては十分なデータが得られておらず、このため直流用としては正確な架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの設計基準が立てにくいのが現状である。
【０００６】
本発明者らの検討によれば少量のカーボンブラック、酸化金属などの導電性添加剤（充填剤）を添加したポリエチレンを架橋させてなる絶縁層を有する架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、空間電荷の蓄積が抑制され、直流特性が向上することが確認されている。このときインパルス破壊電圧と体積抵抗率値はやや低下するが、総合的に、直流用としては従来の架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルよりも優れた特性が得られる。
導電性添加剤は、製造工程時などに発生する架橋ポリエチレン中の架橋剤、老化防止剤の分解残渣などの各種イオン性不純物を吸着し、その移動を制限することによって、直流電圧が印加されてもイオン性不純物が解離して空間電荷が発生しないようにする働きをし、このため空間電荷の蓄積を抑制することができるものである。
【０００７】
また、さらなる検討の結果、導電性添加剤の分散性が架橋ポリエチレンの直流特性に大きな影響をおよぼすことがわかった。これは分散性が良好であれば、架橋ポリエチレン全体に導電性添加剤が均等にいきわたり、多くのイオン性不純物が吸着されるようになるためである。
そこで、分散性が向上するような条件について種々検討し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルにおける大きな特徴は、例えば図１に示したような分子量分布を有する直鎖状の低密度ポリエチレンを材料として、絶縁層を形成する点である。
図１において、本発明に用いるポリエチレンの分子量分布は実線Ａで示され、従来のポリエチレンの分子量分布は破線Ｂで示されている。
実線Ａにおいては分子量のばらつきが少なく、殆どが分布の中心の数平均分子量付近に集中しているのに対し、破線Ｂはなだらかな曲線を描き、幅の広い分子量分布を有し、低分子量から高分子量のものが混在していることがわかる。
【０００９】
本発明に用いるポリエチレンは、分子量の標準偏差が１０００程度であると好ましく、実質的には８００〜１２００の範囲であると望ましい。
標準偏差は試料平均に対してのばらつきを表す指標であって、試料の測定値をχ1，χ2，…，χnとするとき、以下の式（ｉ）で表される。
【００１０】
【数１】
0003901790.tif 000002
【００１１】
すなわちポリエチレンの分子量の標準偏差が１０００程度であるということは、ひとつひとつの分子量（試料の測定値）と数平均分子量（試料平均）との差が平均１０００程度であることを示している。架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層に用いられるポリエチレンは低密度で、分子量は通常１〜４万程度なので、１０００程度の標準偏差に対して十分大きい。
このように、数平均分子量に対して分子量の標準偏差が小さいと、分子量のばらつきが少なく、図１に示すように数平均分子量付近に集中した分子量分布が得られる。
また、本発明に用いるポリエチレンは、数平均分子量の１／３以下の分子量を有するものの数が１０％以下程度で、殆ど無視できる量であると好ましい。
これは、以下に説明するように、低分子量の分子が多いと導電性添加剤の分散の妨げになることがあるためである。
【００１２】
ところで、粉末状の導電性添加剤をポリエチレンに添加して混合すると、導電性添加剤はポリエチレンの分子と分子の間に分散する。特に直鎖状のポリエチレンの場合、ある程度高分子量の直鎖状分子が略平行に並び、これら直鎖状分子の相互間に導電性添加剤が分散する。
このとき、図１中破線Ｂで示されるように様々な分子量のものが混在するポリエチレンを用いると、低分子量のポリエチレンが、高分子量の直鎖状分子どうしの間に混在している状態となっているので、導電性添加剤の分散性を妨げることになる。
これに対して図１中実線Ａで示されるような分子量分布を有するポリエチレンを用いると、ほぼ同じ分子量の直鎖状分子が略平行に並び、これら直鎖状分子の相互間に導電性添加剤が均等に分散することになる。したがって、低分子量のものが混在する場合と異なり、ポリエチレン中に導電性添加剤が均一にいきわたり、分散性が向上する。
【００１３】
図１中実線Ａで示されるような、数平均分子量付近に分子量が集中して分布しているものは、最近工業化されたシングルサイト触媒（メタロセン触媒）を用いた重合方法によって得られる。
シングルサイト触媒（メタロセン触媒）を用いたポリエチレンの重合においては、分子設計が容易で、図１に示したような特異な分子量分布を有するポリエチレンを設計して製造することができる。このような分子量分布を有するものは、従来の重合方法では得ることが難しかったものである。
【００１４】
本発明において用いるポリエチレンは、上述のような分子量分布条件を満足し、さらにメルトフローインデックス（以下ＭＩと記す）が１〜４、密度が０．８〜０．９５であると好ましい。架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層は好ましくは押出成形によって形成されるので、このときＭＩが適切な値のポリエチレンでない場合、硬すぎて樹脂の押出ができなかったり、柔らかすぎて流れてしまい、絶縁層を形成できなかったりすることがある。また、密度が０．８未満であると電気特性が低下することがあり、０．９５をこえると硬すぎて曲げなどの機械的特性が低下することがある。
【００１５】
導電性添加剤としては、カーボンブラック、酸化金属などが用いられる。カーボンブラックは特に限定されないが、ファーネス系カーボンブラックなどが好ましい。
酸化金属としては、酸化マグネシウムなどが用いられる。
導電性添加剤の添加量は、イオン性不純物の吸着特性によって若干変化し、またこのとき必要なインパルス破壊電圧と体積抵抗率とが得られるように考慮する必要があるが、通常ポリエチレン１００重量部に対して０．１〜０．８重量部、好ましくは０．１〜０．５重量部が目安とされる。０．１重量部未満であると添加効果が得られず、０．８重量部をこえると必要なインパルス破壊電圧と体積抵抗率が得られないことがある。
【００１６】
また、十分な分散性を確保するためには、導電性添加剤の平均粒径は０．０１〜０．１μｍ、好ましくは０．０１９〜０．８μｍとされる。０．０１μｍ未満であると凝集性が大きくなり、０．１μｍをこえると分散性が低下することがある。
【００１７】
本発明の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、特定のポリエチレンを用いて絶縁層を構成する以外は、従来の架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルと同様の構造とすることができる。
図２は本発明の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの構造の一例を示したものである。この直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは、素線２を複数本撚り合わせた導体４上に順次、内部半電導層６、絶縁層８、外部半導電層１０、金属遮蔽層１２、シース１４が設けられて構成されている。
この実施例の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルを構成する導体４の導体面積は８００〜３０００mm2とされ、絶縁層８の厚さは２０〜２５mmとされる。また、この直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの外径は１００mm程度とされる。
【００１８】
前記絶縁層８は、図１の実線Ａで示されるような分子量分布を有するポリエチレン中に導電性添加剤が分散され、さらに酸化防止剤などの老化防止剤、ＤＣＰなどの架橋剤が添加、混合された材料が架橋されてなる架橋ポリエチレンから構成されている。
【００１９】
上述の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルは例えば以下のようにして製造することができる。
まず、導体４となる素線２を複数本撚り合わせて導体４とする。
この導体４上に、内部半導電層６、絶縁層８、外部半導電層１０の材料を３層押出被覆し、内部半導電層６、絶縁層８、外部半導電層１０を形成する。
内部半導電層６と外部半導電層１０はエチレン−酢酸ビニル共重合体などからなる半導電性組成物から形成し、絶縁層８は、分子量の標準偏差が１０００程度のポリエチレンに導電性添加剤、架橋剤、酸化防止剤などを混合したものから構成する。
これを架橋装置に導き、絶縁層８を構成するポリエチレンを架橋させ、ついで常法に従って金属遮蔽層１２、シース１４を形成して直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルとする。
【００２０】
上述のように分子量の標準偏差が１０００程度であるポリエチレンから直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの絶縁層を構成し、絶縁層中の導電性添加剤の分散性を向上させることにより、より多くのイオン性不純物が吸着されやすくなり、空間電荷の蓄積が抑制され、直流特性が向上する。このため、例えば５００ｋＶ以上の高電圧用の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルとして用いることが可能となる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例を示して詳しく説明する。
（実施例１、比較例１、２）
表１に示した材料を用い、架橋ポリエチレンからなる厚さ２ｍｍ、外径１１０ｍｍのシート状のサンプルを作成した。
【００２２】
【表１】
0003901790.tif 000003
【００２３】
表１に示した（Ａ）のポリエチレンは、図１中の実線Ａに示した分子量分布を有するもので、数平均分子量は２万であり、分子量の標準偏差は１０００である。また、数平均分子量の１／３以下の分子量を有するものの含量は無視できる量である。
（Ｂ）のポリエチレンは従来用いられいられているもので、図１の破線Ｂに示した分子量分布を有するもので、数平均分子量は２万であり、分子量の標準偏差は２０００である。
【００２４】
このようなシート状サンプルにおいて、導電性添加剤であるカーボンブラックを添加した実施例１と比較例１のカーボンブラックの分散状態を電子顕微鏡（倍率：２万倍）で観察したものが図３（ａ）（実施例１）、図３（ｂ）（比較例１）である。
図３より、実施例１においてはカーボンブラックが略等間隔で、均等に分散しているのに対し、比較例１においては、カーボンブラックの分散の片寄りが見られる。
【００２５】
また、シート状サンプルの表裏に直径３０ｍｍのアルミ電極を蒸着し、外導表面温度一定で、パルス静電応力法により、３０ｍｍ／ｋｖの電圧を３０分間印加した際の接地前の空間電荷密度を測定した結果を示したものが図４である。曲線ａ，ｂ，ｃは実施例１、比較例１、２の結果をそれぞれ示している。
図４より、カーボンブラックを添加していない比較例２が最も空間電荷の蓄積が多く、従来のポリエチレンを用いてカーボンブラックを添加した比較例２、本発明に係る実施例１の順に空間電荷が蓄積しにくくなっていることがわかる。
さらに、表面温度一定で、１０ｋｖ／５分ステップアップ×３回の条件で、インパルス破壊電圧を測定したところ、それぞれの結果は１２０ｋｖ／ｍｍ（実施例１）、９０ｋｖ／ｍｍ（比較例１）、１６０ｋｖ／ｍｍ（比較例２）となった。
【００２６】
上述の結果より、実施例１においては、カーボンブラックの分散性がよく、空間電荷の蓄積が抑制され、直流特性が向上することが明らかである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明においては、分子量の標準偏差が１０００程度である、分子量のばらつきが少ないポリエチレンを用いて絶縁層を形成するので、絶縁層中の導電性添加剤の分散性が良好で、結果として良好な直流特性が得られるものである。このため、大容量、高電圧用の直流架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルとして用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に用いるポリエチレンの分子量分布の一例を示したグラフである。
【図２】  架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブルの正断面図である。
【図３】  実施例のカーボンブラック（導電性添加剤）の分散状態を示した図である。
【図４】  実施例の電荷密度の測定結果を示した図である。
【符号の説明】
８・・・絶縁層
【図１】
0003901790.tif 000004
【図２】
0003901790.tif 000005
【図３】
0003901790.tif 000006
【図４】
0003901790.tif 000007