(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁テープを巻き付けて構成されるケーブル接続部の寿命を推定するケーブル接続部の寿命推定方法において、
Ｄを前記絶縁テープの単体の既知の酸素拡散係数、ａを前記絶縁テープの単体の酸素消費量の経時変化の実験データから得られた定数、ａ1を前記絶縁テープの単体の経時変化の実験データから得られた単位体積当たりの最大酸素消費量、ａ2を前記絶縁テープの単体の酸素濃度１００％下での所定の温度における既知の酸素溶解度、ｒを前記絶縁テープの任意の位置の座標（ｘ、ｙ、ｚ）、ｔを時間、Ｃ（ｒ，ｔ）を座標ｒでの時刻ｔにおける前記ケーブル接続部を構成する前記絶縁テープの酸素濃度、およびκ（ｔ）を前記ケーブル接続部を構成する前記絶縁テープの単位体積当たりの酸素消費量の前記ａ1に対する割合（酸化度）、αを酸素消費速度としたとき、
【数１】
0003995831.tif 000005
によって成立し、酸素の拡散に起因する拡散項と酸素の消費に関する消費項より成立する方程式に基づいて、前記ケーブル接続部を構成する前記絶縁テープの酸素消費量が前記絶縁テープの単体がその寿命時までに要する酸素消費量の水準に達するまでの時間を算出し、
算出した前記時間を前記ケーブル接続部の耐用寿命とすることを特徴とするケーブル接続部の寿命推定方法。
【請求項２】
前記耐用寿命とされる前記時間は、パーソナルコンピュータによって自動的に算出されることを特徴とする請求項１項記載のケーブル接続部の寿命推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ケーブル接続部の寿命推定方法に関し、特に、絶縁テープを巻き付たケーブル接続部の耐用寿命を推定するのに好適なケーブル接続部の寿命推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、架橋化ポリエチレンを絶縁電力ケーブルの接続部の構成例を示す。
４は、導体５の上に半導電遮蔽層６と架橋化ポリエチレンの絶縁体７を形成した電力ケーブルを示し、圧縮スリーブ８によって導体５が接続されている。
【０００３】
９は圧縮スリーブ８から半導電遮蔽層６にかけて巻き付けた半導電テープ、１０は一方のケーブル４の絶縁体７から他方のケーブル４の絶縁体７にかけて形成された絶縁補強層を示し、エチレン・プロピレンゴム等をベース材料とした絶縁テープの巻き付けによって構成されている。
【０００４】
絶縁補強層１０を構成する絶縁テープは、通常、３倍程度に延伸された状態で巻き付けられ、このとき、延伸によって発生した張力は、多少の緩和はあるものの保持された状態で通電が行われる。従って、絶縁テープに酸化劣化が生ずると、絶縁テープが張力に耐えられなくなるため、テープが切れて絶縁補強層１０に亀裂等が発生する恐れがある。
【０００５】
ケーブル接続部１１の耐用寿命が酸化劣化に起因した絶縁テープの破断によって支配されるとすれば、絶縁テープの寿命を知ることが重要となる。
このため、従来においては、熱老化の試験結果に基づくアーレニウスプロットを行うことよって絶縁テープの寿命を評価し、この評価に基づいてケーブル接続部の寿命を推定する方法が採られている。
【０００６】
即ち、絶縁テープを所定の倍率に延伸し、これを高温雰囲気下に保持して絶縁テープが破断するまでの時間と温度を求め、得られた結果に基づいてアーレニウスプロットを行い、これにより得られたグラフの時間と温度の関係から絶縁テープの寿命を評価し、評価した絶縁テープの寿命をケーブル接続部の寿命として捉える推定方法が一般に採用されている。この方法は、伸ばした供試試料を恒温槽に入れるだけで寿命の評価が行えるため、簡易な手法として定着している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のケーブル接続部の寿命推定方法によると、飽くまでも絶縁テープの単体を対象とした試験結果だけに基づくものであり、従って、これをそのまま実際の接続部に適用するのには、接続部の構成を考えたときには無理があるといわざるを得ない。
【０００８】
図５からも明らかなように、絶縁補強層１０の内部に位置する絶縁テープは、大気と接触した状態にはなく、従って、その酸化劣化の進行度合は遅くなり、大気中に晒された絶縁テープの劣化と比べた場合には、乖離があると見るのが妥当である。
【０００９】
特に、絶縁補強層７の内層側への空気の供給は、導体２の撚線の隙間を通した僅かなものとなるが、これによる絶縁テープの劣化の進行は、格段に遅れたものとなるのは確実であり、これを大気中の条件と同列に論ずることには無理がある。
【００１０】
従って、本発明の目的は、実際の寿命との乖離が少ないケーブル接続部の寿命推定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】
本発明は、上記の目的を達成するため、絶縁テープを巻き付けて構成されるケーブル接続部の寿命を推定するケーブル接続部の寿命推定方法において、Ｄを前記絶縁テープの単体の既知の酸素拡散係数、ａを前記絶縁テープの単体の酸素消費量の経時変化の実験データから得られた定数、ａ1を前記絶縁テープの単体の経時変化の実験データから得られた単位体積当たりの最大酸素消費量、ａ2を前記絶縁テープの単体の酸素濃度１００％下での所定の温度における既知の酸素溶解度、ｒを前記絶縁テープの任意の位置の座標（ｘ、ｙ、ｚ）、ｔを時間、Ｃ（ｒ，ｔ）を座標ｒでの時刻ｔにおける前記ケーブル接続部を構成する前記絶縁テープの酸素濃度、およびκ（ｔ）を前記ケーブル接続部を構成する前記絶縁テープの単位体積当たりの酸素消費量の前記ａ1に対する割合（酸化度）、αを酸素消費速度としたとき、
【数１】
0003995831.tif 000002
によって成立し、酸素の拡散に起因する拡散項と酸素の消費に関する消費項より成立する方程式に基づいて、前記ケーブル接続部を構成する前記絶縁テープの酸素消費量が前記絶縁テープの単体がその寿命時までに要する酸素消費量の水準に達するまでの時間を算出し、算出した前記時間を前記ケーブル接続部の耐用寿命とすることを特徴とするケーブル接続部の寿命推定方法を提供するものである。
【００１２】
図５のケーブル接続部において、導体５の撚線の隙間からケーブル接続部１１の内部に供給される空気中に含まれる酸素は、半導電遮蔽層６、絶縁体７、半導電テープ９、および絶縁補強層１０の中に溶解し、拡散して行く。
【００１３】
絶縁体７への酸素の拡散係数Ｄ1 、半導電遮蔽層６への酸素の拡散係数Ｄ2 、あるいは絶縁補強層１０を構成する絶縁テープへの酸素の拡散係数Ｄ3 など接続部１１を構成する材料の拡散係数が知られていれば、これらの拡散係数に起因する式（１）の右辺の▲１▼は決定し、一方、酸化劣化に起因する▲２▼も定数ａを与えれば決定する。定数ａは、以下のような実験によって求めることができる。
【００１４】
まず、絶縁テープの酸素消費量の経時変化を求める。ケーブル接続部においては、絶縁テープは所定の倍率に延伸されながら巻き付けられるので、この状態を模擬するために、治具を使用して厚さ０．５ｍｍの絶縁テープを所定の倍率に延伸し、これを透明容器の中に入れ、たとえば、１６０℃と１８０℃に設定された２つの恒温槽の中で保持する。この場合の温度としては、定数ａの温度依存性を求めるために少なくとも２点設定する必要がある。
【００１５】
次に、透明容器内の絶縁テープの状態を観察しながら、所定時間ごとに容器内の酸素濃度を測定し、ある時間ｔi を経過した後の絶縁テープの単位体積当たりの酸素消費量を以下の式により算出する。
絶縁テープの単位体積当たりの酸素消費量＝（容器内の初期酸素濃度−ｔi 後の容器内の酸素濃度）×容器内容積÷絶縁テープ試料の体積
【００１６】
これによって絶縁テープの単位体積当たりの酸素消費量の経時変化を把握することができる。また、この実験を継続することで絶縁テープが破断に至るときまでに要する酸素消費量が明確になり、さらに、最大酸素消費量ａ1も明確になる。
定数ａ2は、絶縁テープへの酸素溶解度であり、これは知られている。
【００１７】
以上の結果、式（１）は決定することになり、この方程式を有限要素法に基づいて解けば、接続部における酸素濃度の分布および酸素消費量の分布を求めることができる。そして、接続部内の絶縁補強層１０における任意の部分の酸素消費量の経時変化を計算し、計算による経時変化において、絶縁補強層１０を構成する絶縁テープの酸素消費量が、前記実験における絶縁テープ単体の破断までに要した酸素消費量と同じになるまでの時間を求めれば、この時間を接続部の寿命時間として評価することができる。方程式を解くに当たっては、パーソナルコンピュータなどによる自動計算が簡易である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるケーブル接続部の寿命推定方法の実施の形態を説明する。図１は、ケーブル接続部を想定して構成された模擬試料の構成を示す。
３０ｍｍの外径を有し、全面に多数の孔（図示せず）を設けた銅パイプ１を準備し、これに導電性ブチルゴムから構成される半導電テープを２倍に延伸した状態で１／２ラップに巻き付け、厚さ０．９６ｍｍの半導電層２を形成した。
【００１９】
３は、半導電層２の上に形成された絶縁層を示し、エチレン・プロピレンゴムをベース材料とした絶縁テープの往復巻き付けにより構成されている。絶縁テープの巻き付けは、３倍に延伸して１／２ラップによって行われ、中央部の厚さを４ｍｍとしたコーン状に形成された。
【００２０】
次に、この模擬試料を透明な密閉容器に入れ、密閉容器の中の空気を窒素ガスに置換した後、銅パイプ１の内部に１００％の酸素ガスを供給し、この状態で密閉容器を１６０℃に設定した恒温槽と１８０℃に設定した恒温槽の中にそれぞれ入れた。
【００２１】
以上の状態のもとに模擬試料の加熱を続け、絶縁テープが破断するまでの時間を測定した。絶縁テープの破断は、内層側から発生し、これを起点として絶縁層３の全厚さに徐々に波及することによって進展する。
【００２２】
以下、図１の模擬試料に基づいて本実施の形態におけるケーブル接続部の寿命推定の手順を説明する。なお、表１に、模擬試料に使用された半導電テープと絶縁テープの酸素拡散係数と酸素溶解度を示しておく。いずれも測定によって既に知られている数値である。
【００２３】
【表１】
0003995831.tif 000003
【００２４】
１．絶縁テープ単体が破断に至るまでに必要とする酸素消費量と破断に至るまでの時間の確認
図２は、【００１４】および【００１５】に述べた方法において、延伸倍率を３倍に設定した場合の１６０℃と１８０℃における絶縁テープ単体の酸素消費量の経時変化を測定した結果を示したものである。
【００２５】
この図によれば、絶縁テープの単位体積当たりの最大酸素消費量ａ1 は１００ｃｍ3 、絶縁テープが破断するまでに要した単位体積当たりの酸素消費量Ａは６０ｃｍ3 ということが確認できる。また、絶縁テープが破断に至る時間も知ることができ、１８０℃の場合が３４時間、１６０℃の場合が５５時間である。
【００２６】
２．定数ａの導きだし
図２に示した酸素消費量のデータをもとに定数ａを算出する。式（２）の微分方程式を初期条件κ（０）＝０（初期での酸素消費量はゼロ）に基づいて解くと、
κ（ｔ）＝１−ｅｘｐ（−ａ・ｔ）    （０≦κ（ｔ）≦１）      （４）
κ（ｔ）＝絶縁テープの単位体積当たりの酸素消費量／ａ1         （５）
となり、次に、式（４）を変形すると、
ａ・ｔ＝ｌｎ〔１−κ（ｔ）〕                                  （６）
となる。
【００２７】
即ち、ｌｎ〔１／（１−κ（ｔ）〕とｔの関係をグラフ化したときの傾きがａとなる。  図２の酸素消費量の実験データから、式（５）および式（６）を使用して各温度における定数ａを求めると、
１８０℃の場合がａ＝１．０４０×１０-5となり、
１６０℃の場合がａ＝２．９１３×１０-6となる。
ここで、最大酸素消費量ａ1 は、図２から求めた１００ｃｍ3 である。
【００２８】
３．寿命推定計算
以上により、計算に必要な絶縁テープの拡散係数と各定数が決定する。次に、これらを使用して図１の模擬試料内での酸素濃度の分布と酸素消費量の分布を計算する。
【００２９】
図３は、模擬試料の絶縁層３において最も酸化劣化が進む個所である半導電層２直上の部分での酸素消費量の経時変化を計算により求めたものであり、温度が１８０℃の場合を示す。
図４は、１６０℃の場合の同じ部分での酸素消費量の経時変化を計算により求めた結果である。これらの図には、酸素消費量（酸化度）κの経時変化と酸素濃度の経時変化が示されている。
【００３０】
ここで、酸素消費量（酸化度）κ（％）は、
（絶縁テープの単位体積当たりの酸素消費量）／最大酸素消費量ａ1 ×１００により求められ、また、酸素濃度は、表１に示される半導電テープの１８０℃と１６０℃における酸素溶解度７．５３３×１０-2〔（ｃｍ3 ／（ｃｍ3 ・ａｔｍ）〕と７．３９０×１０-2〔ｃｍ3 ／（ｃｍ3 ・ａｔｍ）〕をそれぞれ１００％としたときの濃度を示したものである。
【００３１】
図２に示されるように、絶縁テープの単体が破断するまでに要する酸素消費量は６０ｃｍ3 であり、一方、最大酸素消費量ａ1 は１００ｃｍ3 であるから、６０ｃｍ3 ／１００ｃｍ3 ＝６０％により、模擬試料の寿命は酸化度が６０％に達するまでの時間となる。
【００３２】
図３および図４から酸化度が６０％に達するまでに要する時間を求めると、１８０℃のときが２８８時間であり、１６０℃のときが７４４時間となり、これが１００％酸素供給下における模擬試料の寿命ということになる。
【００３３】
表２は、以上の計算によって求められた模擬試料の推定寿命（イ）と、模擬試料において実際に絶縁テープが破断するまでに要した時間（ロ）と、従来の寿命推定方法に相当する図２での絶縁テープの破断時間（ハ）を比較してまとめたものである。
【００３４】
【表２】
0003995831.tif 000004
【００３５】
表２によれば、模擬試料において実際に絶縁テープが破断するのに要した時間（ロ）が、１６０℃と１８０℃においてそれぞれ７８８時間と１８０時間であるのに比べ、本実施形態による（イ）の７４４時間と２８８時間は、比較的これに近似した水準にある。
【００３６】
一方、これに対して（ハ）の場合には、５５時間と３４時間であり、実際の時間である（ロ）に比較すると大きく乖離していることが認められる。従来の方法に比較して、本実施形態の方法による寿命推定の精度が優れていることは、以上の実施結果から明白である。
因みに、（イ）、（ロ）の値は、それぞれ１００％酸素供給下のもので、（ハ）の値は、空気供給下のものであるが、（ハ）の値は、１００％酸素供給下では更に小さく（短く）なることが予想される。
【００３７】
以上の実施の形態においては、結果を早く出すために１６０℃と１８０℃の高温を例にとって説明したが、酸素拡散係数、酸素溶解度および定数ａは、その温度依存性から様々な温度での値を算出できるので、広い温度範囲においてケーブル接続部の寿命を推定することができる。
たとえば、架橋化ポリエチレン絶縁電力ケーブルの接続部を寿命推定の対象とする場合には、９０℃前後に温度を設定すればよく、その場合にも実施の形態と同様に、実際の寿命との乖離の少ない高い寿命推定を行うことができる。
なお、表２の（イ）では、同（ロ）の試験条件に合わせて１００％酸素供給下における寿命計算を行なった。しかし、実際には、空気供給下での寿命計算を行なうこととなるが、その際には式（３）の定数ａ2 を空気供給下（空気雰囲気下）の場合の数値に変更すれば良い。その変更手順は次の通りである。
所定の温度における空気供給下での酸素溶解度
−酸素１ａｔｍ下での酸素溶解度×２０．９％（空気中の酸素）
酸素１ａｔｍ下での酸素溶解度は、表１に示した酸素溶解度である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるケーブル接続部の寿命推定方法によれば、酸素の拡散に起因する拡散項と酸素の消費に起因する消費項による方程式（１）〜（３）に基づいて、絶縁テープの単体がその寿命時までに要する酸素消費量の水準にケーブル接続部を構成する絶縁テープの酸素消費量が達するまでに必要とする時間を算出し、算出した時間をケーブル接続部の寿命と推定するものであるため、従来の推定方法に比べて実際の寿命と乖離の少ない推定を行うことができ、従って、精度の高いケーブル接続部の寿命推定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるケーブル接続部の寿命推定方法の実施の形態において使用された模擬試料の構造を示す説明図。
【図２】絶縁テープの単体の酸素消費量の経時変化を示すグラフ。
【図３】図１の模擬試料における絶縁テープの１８０℃での酸化度と酸素濃度の経時変化を計算によって求めた結果を示したグラフ。
【図４】図１の模擬試料における絶縁テープの１６０℃での酸化度と酸素濃度の経時変化を計算によって求めた結果を示したグラフ。
【図５】ケーブル接続部の構造を示す説明図。
【符号の説明】
１        銅パイプ
２        半導電層
３        絶縁層
４        電力ケーブル
５        導体
６        半導電遮蔽層
７        絶縁体
９        半導電テープ
１０        絶縁補強層
１１        ケーブル接続部
【図１】
0003995831.tif 000006
【図２】
0003995831.tif 000007
【図３】
0003995831.tif 000008
【図４】
0003995831.tif 000009
【図５】
0003995831.tif 000010