特別論文

直流 XLPE ケーブル誕生秘話ほか
矢作吉之助先生の教え～真実を求めよ～Behind the Scenes of the Development of DC XLPE Power Cables
The Teachings of Prof. K. Yahagi: “Seek the Truth”

片貝昭史

Shoshi Katakai

筆者は、2019年に電気学会 誘電・絶縁材料技術委員会の技術貢献賞である「矢作賞」を受賞した。筆者は、賞の名を戴く故矢作吉之助
教授の教え子であり、ここではいくつかの矢作先生の思い出を紹介するとともに、先生の「真実を求めよ」という教えに従って取り組んだ電力ケーブルの研究開発について記載した。特に、この教えに従い真実を追求した結果、世界最高電圧を誇る架橋ポリエチレン絶縁超高圧直流ケーブルが誕生したともいえる。

The author received the Yahagi Memorial Award 2019 from the Institute of Electrical Engineering of Japan, TechnicalCommittee on Dielectrics and Electrical Insulation. In this paper, memories of the late Prof. Kichinosuke Yahagi and histeachings are described by a former student. The teachings of Prof. K. Yahagi can be summarized as “Seek the Truth.” Theauthor pursued a number of truths according to the teachings in his research and development endeavors. The
development of cross-linked polyethylene insulated DC power cables rated for the world’s highest voltage was brought
about as one of the results of the teachings.
キーワード：矢作賞、XLPE ケーブル、直流ケーブル、空間電荷、トリーイング

1.

緒

言

て先生は次のように言われた。
「その画家のフェルメールと筆者は、2019年に度電気学会 誘電・絶縁材料技術委員会

同じ名前の方です。ガラスの絶縁破壊の論文（2）です。このの技術貢献賞である「矢作賞」を受賞した。同委員会では誘論文に、先日の学会で匹田さん（当時、名古屋大学博士課

電・絶縁材料研究を世界レベルにまで引き上げた三先生、程学生。後に九州工業大学教授）から受けた質問の答えが犬石嘉雄先生（大阪大学）、家田正之先生（名古屋大学）、

書いてあります。熟読するように。」矢作先生は、私が回答

矢作吉之助先生（早稲田大学）の名を冠する学術・技術貢に窮していた質問に解を授けて下さったのであった。当時

献賞があり、矢作賞は特に業界への貢献が著しい者を顕彰

私は、ポリエチレンの高温領域の絶縁破壊の研究（3）をしてすると規定されている。筆者は、その矢作研究室出身であおり、溶融領域のポリエチレンは、完全アモルファスであり、学生の時から矢作先生の薫陶を受け、その研究スタイル

るガラスの絶縁破壊に共通点があるので勉強せよ、というは、矢作先生の教えを受け継いでいる。ここでは、先生の意であった。しかし、ガラスの絶縁破壊理論以上に「画家いくつかの思い出と先生の教え、さらにその教えがもたらのフェルメール」の方が強烈に印象に残ったのであった。

した研究成果を紹介することとする。なお本稿は、矢作賞

また、ポリエチレンの絶縁破壊の印加電圧波形依存性のをもとに、再編集したものである。

話をしている際、先生は次のように発言された。
「人間は、受賞記念講演の予稿（1）

きつく当たればきつい反応をするし、ソフトにあたればソ2.

矢作先生の教え矢作吉之助先生は、何事に対しても非常に厳しい先生として知られていた。すなわち“怖い”というイメージの先生であったが、意外なことに私は、矢作先生から画家の「フェルメール」を教えてもらっている。私が大学院生のとき、先生に呼ばれ、一冊の論文を渡され、「片貝君、君は“フェルメール”という画家を知っていますか？」と問いかけられた。
「牛乳を注ぐ女」や「真珠の耳飾りの少女」等で有名なフェルメールであるが、地方から東京に出てきた私には、絵画は無縁の世界であった。ましてや、矢作先生から画家の問いかけをされるとは夢にも思わなかった。続け

写真1

故矢作吉之助・教授（中央）、穂積直裕氏（現豊橋技術科学大学教授）（左）と筆者（右）（1983年当時）

2020 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 197 号

1

フトに返ってきますよね。ポリエチレンも同じです。急峻返したが、ボイドを起点とした電気トリーは認められるも波や緩波頭、直流、交流など、与える波形によって違う顔のの、何度やっても写真2のような方向不定の電気トリーのをするのです。」妙に哲学的な説明に意表を突かれた。

片りんさえ認められない。そこで、模擬試験と実機の現象

私はこのようなやりとりもあり、ケーブルメーカーに就職と何が違うのかを考えた。模擬試験はごく短時間での破壊

し、ポリエチレンに魅せられた人生を送ることになった。

現象であり、実機は年オーダーで生じた現象であった。ま忘れもしないのが、卒業して旅立とうとするときの言葉でた、電界も十～百 kV/mm ではなく、ほんの数 kV/mm の破ある。
「とにかく真実を追求しなさい。真実を追い求めてい壊現象であった。一般にボイド放電からの絶縁破壊（電気れば、いつかは他から認められるようになります。」このトリーの発生）を考えた場合、寿命指数 n（V-t 則（V n × t

後、この「真実を求めよ」を座右の銘として、私は研究開＝一定、ここで V ：電圧、t ：時間））は、n ＝9と言われて発に励むこととなった。以下、その事例のいくつかを紹介いる（5）。これは、ボイド内で放電が続いたとしても、なかする。

なかボイド壁面の浸食は進まず電気トリー転換（発生）までに時間を要することを意味する（6）。また、通常の破壊試

3.

験は数十 kV/mm 以上の高電界で実施されることが多く、真実の追究 -1 事故原因の究明～真綿状トリーの発見と再現～

ひとたび電気トリーが発生した場合は、即座に全路破壊に至る。しかし、実機ではボイド周辺の電界は高々数 kV/mm

メーカーの研究部門にいると、製品事故が起こると、そであり、ボイドから電気トリーが発生したとしてもなかなの対応に駆り出されることが多い。特に、重要製品や記録か電気トリーは伸展せず、全路破壊までに時間を要するの品の事故となると、真因究明を至上命題として課される。

ではないかと考えた。そこで次の実験を行った（4）。

真因究明は推定論に留まらず、その原因であることを実証

試料はケーブル絶縁体と同材質の架橋ポリエチレン

すべく再現試験の実施、さらには、既納入品の波及範囲の（XLPE）ブロックである。このブロックに先端曲率半径10µm限定と発生抑止対策まで立てる必要がある。事故事例は積のトリーイング針を挿入し、まず AC18kV を30分間印加し極的に報告することは少ないが、事例解明に発見等が伴ったて、電気トリー（いわゆる、まりも状トリー）を発生させ際は、学会発表することもある。その一例を以下に示す 。

た。その後、電圧を10kV に下げ、長時間電圧印加を続け、ある製品の絶縁破壊箇所を観察したところ、写真2に示す

そこで発生するトリー形状を観察した。写真3に AC18kV

ように、「くも膜下出血」かのような方向不定の電気トリー

×30分＋ AC10kV ×2時間印加後の試料のトリー形状をが絶縁体中に認められた。かかる事例を見た者は誰もいな示す。針先端にまりも状トリーが認められ、その先端からかった。破壊原因を突き止めたにしても、この現象を再現

いくつもの方向不定の樹枝状トリーが発生していることがさせることは不可能と誰もが思っていた。ともあれ、このわかる。まりも状トリーから先に伸展したトリーは、後の現象を表すのに「くも膜下出血状トリー」というのはあまAC10kV 課電中に発生したものである。この錯綜した樹枝りに無粋と考え、その命名から始めた。なかなかいい言葉

状トリーは個々に見れば従来の電気トリー形状であるが、は見当たらなかったが、かつての流行りの曲「シクラメン

集団的に見ればその形状はトリーの伸展方向が錯綜しておのかほり」にも出てきた「真綿」をヒントに、「真綿状トり、まさに写真2の実機の破壊箇所に認められた「真綿状リー」と命名し、問題の解明を開始した。絶縁破壊の原因

トリー」とほぼ同じ形状である。さらに別試料を用いて、自体は、比較的短時間に「ボイド」発生にあると特定する

絶縁破壊（貫通破壊）発生まで長時間課電を AC10kV で課ことができた。しかし、人工ボイドを作り破壊試験を繰り電を継続したところ、17時間で貫通破壊が発生した。

（4）

こうして、再現不可能と思われた「真綿状トリー」は再現させることができたが、次の課題は、なぜ方向不定の電写真22主絶縁体の破壊パス近傍に認められた方向不定の
電気トリー ( 真綿状トリー )（1）

直流XLPEケーブル誕生秘話ほか

写真3

矢作吉之助先生の教え ～真実を求めよ～AC18kV×30分 + AC10kV×2時間後に発生した
電気トリーの形状 ( マリモ状トリーと真綿状トリー（4））

気トリーが発生したかを説明することであった。かかる特異トリー形状は、電子線照射ポリエチレンや PMMA ブロッ
クに観察されるリヒテンベルク像（7）、すなわち空間電荷に起因する現象を連想させる。そこで空間電荷が関与するかどうか、ダストフィガー法（8）によりその検討を行った。
写真4に、写真3のサンプルをスライスしその断面に見られたダストフィガーを示す。断面には明らかにトナーの付着が認められ、空間電荷が蓄積していたことが伺える。その極性は、正負混在したものであり、電荷の分布は複雑であるが、トリーの幹にあたる近傍の絶縁体には正電荷が多く存在し、トリー先端近傍の絶縁体には負電荷が多いように見える。一般的に、XLPE 絶縁体中に交流課電により空間電荷が顕著に蓄積するという報告はない。しかし、この実験

図1

真綿状トリー発生のメカニズムの概要（4）では交流課電でも電気トリー周辺には明らかに空間電荷が蓄積していることが確認された。本実験の最初の AC18kVの課電で、まりも状トリーを発生させている。このまりも状トリーは、電気トリーが発生したボイドと見ることがでところで、メーカーは、もの作りと販売を続けている限

きよう。従って、その後の AC10kV 課電における電気トり、何らかの事故が起こることを避けることは難しいかもし

リーは、放電を伴いながら長時間かけて伸展したものと考れない。しかし、事故解明への真摯な取り組みは、解析能えられる。すなわち、この空間電荷の蓄積は、放電と電気力を始め、設計、製造、検査能力を高めることができる。

トリーの伸展により生じたものと考えられる。ちなみに、

また原因究明と対策が万全であれば、顧客からの信頼を回

球状ボイド中の放電のみで空間電荷蓄積が起こるか確認し復することもできるので、前向きに取り組む必要がある。

たが、緩やかなボイド壁面における放電だけでは、空間電（9）で事故の未然防止
なお、事前検討（FMEA、DRBFM 等）

荷は認められなかった。しかし、電気トリーが発生していを図ることが重要であることは言うまでもない。

ると、トリー先端の形状は極めて鋭利なため、放電時に電荷の注入・引抜きが繰り返され、電荷の極性により注入・間電荷が蓄積するものと考えられる。トリー先端近傍に電真実の追究 -2 直流 XLPE ケーブルの開発～失敗を克服して～荷が集中的に蓄積した場合、交流の半サイクル毎の極性反私の矢作賞受賞の一因は、直流 XLPE ケーブルの開発に

転時に局部高電界が発生し、部分的な破壊（トリーの伸あるかと思う。実際、私自身が独自のケーブル配合を考案

展）が生ずる可能性がある。真綿状トリーの発生は、このし、北海道―本州連系線等で実用化できたという点で、実放電・電荷の蓄積・トリー伸展という現象が繰り返された績を伴うエポック的な発明になったと思うが、これに至るものと考えられる。この発生メカニズムを模式的に示したまでには、数多くの失敗の積み重ねがあった。ここでは、ものが、図1である。

その一例について述べることとする。

引抜きの距離にアンバランスが生じるため、結果として空

4.

4－1

XLPE の直流絶縁上の問題点の究明

交流用 XLPE ケーブルでは、2000年には500kV 長距離線路が実用化されている（10）が、それを直流用として使用する
ことは、下記の問題があり困難であった（11）。①直流破壊強度自体が低い、②直流破壊強度の厚さ依存性が大きい、③直流破壊強度の温度依存性が大きい、④逆極性インパルス
重畳破壊強度が低い、⑤極性反転破壊強度が低い。
これらの原因を究明することをまず行った。直流ケーブ
ルの電界は体積抵抗率ρで決まるので、XLPE ケーブル絶縁体の径方向のρ分布を調査した（12）。図2にその結果を示す。ここでは XLPE ケーブルの絶縁体を径方向に薄くスライスし、ρと架橋剤分解残渣量 W を調査した。絶縁体の径方向の部位を三層（内・中・外層）に分けると、内層、外層
写真4

AC18kV×30分＋AC10kV×2時間印加後のダストフィガーの様相（4）のρは高いが、絶縁体中層のρは低い。かかるρ分布の状
況で直流電圧が印加されると、電圧は主として内層、外層

2020 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 197 号

3

に分担され、ケーブルの実効絶縁厚が低下してしまう。こら、電荷蓄積量が違うのは、添加物の影響であると予想されのρ分布の原因は、残渣量の分布に起因している。XLPE のる。この蓄積量増大の原因ついて詳細に調査したところ、

ρは、残渣の濃度依存性があり、残渣量が多いほどρは低主たる原因は架橋剤分解残渣にあることがわかった（12）。

下する。ケーブル絶縁中の残渣は、外側ならびに導体の隙

以上、架橋剤分解残渣の存在で、ρの低下や空間電荷蓄間に向け揮散し易いため、図2のように、径方向の残渣量分積量が増大することが判明した。XLPE の直流絶縁上の問題

布は絶縁体中層に多く、内層外層が少ない分布になる。従点として挙げられた①～⑤は、①～③はρ分布やその絶対い、ρ分布は、内層外層が高く、中層が低い分布となる。

値で説明することができ、④、⑤は空間電荷の蓄積で説明

また、XLPE の空間電荷蓄積量を熱刺激電流（TSC）で調が可能である。①、②は、空間電荷が原因となって発生す査した（13）。その結果を図3に示す。図3には、XLPE だけでる局部高電界による説明も可能である。いずれも架橋剤分なくその母材である低密度ポリエチレン（LDPE）や比較の解残渣に起因することから、直流ケーブルの開発のカギはため高密度ポリエチレン（HDPE）のデータも併せて示し

架橋剤分解残渣の影響を抑止することにかかっている。

た。この結果によれば、XLPE の TSC のピークが非常に大

4－2

、13）
HDPE による直流ケーブル開発のアプローチ（12）（きく、電荷の蓄積量が多いことがわかる。一方、その母材

図3に XLPE、LDPE、HDPE の TSC を示したが、この中でである LDPE のピークはそれほど大きくなく、ポリエチレ

は HDPE の TSC は最も小さく、空間電荷の蓄積が小さいこ

ン自体の空間電荷の蓄積は多くない。同一母材でありながとがわかる。電荷の蓄積はポリエチレン分子の分岐長に起因し、HDPE は直鎖状で分岐長が短いことが功を奏している（12）。ところで、ポリエチレンの絶縁破壊強度は、密度との相関性があり、密度が大きいほど絶縁破壊強度は高く（13）。すなわち、HDPE は、空間電荷の蓄積が少ななる（12）、く、かつ絶縁破壊強度が高い材料である。また、HDPE の
融点は130℃近くあることから、ケーブルの連続運転温度
を90℃と考えれば、ケーブル絶縁体を非架橋で使うことも可能である。非架橋であれば、架橋剤も使用しないことか
ら、架橋剤分解残渣の影響を考える必要がない。かかる観点から、直流ケーブル用絶縁体として HDPE を採用することは一つの道であると考えた。そこで、絶縁厚3～13mmのモデルケーブルを試作評価した。期待通り、絶縁厚3mmのケーブルではインパルス、直流破壊性能ともに良好な性能が得られた。しかし、絶縁厚が厚くなるに従い、図4に示すように直流破壊強度の低下が大きく認められた。この原因を種々調査した結果、絶縁厚が厚くなると、絶縁体中
図2

AC275kV XLPE ケーブル (27mm-t, 600mm2) の体積抵抗率ρと架橋剤分解残渣量 W の絶縁体径方向の分布（12）にボイドが多く発生することが明らかになった。図5に絶縁厚13mm のケーブル絶縁体の密度分布を示す。この図から、絶縁体密度は内層になるに従い低下していることが図3

4

XLPE, LDPE, HDPE の TSC（13）直流XLPEケーブル誕生秘話ほか

図4

矢作吉之助先生の教え ～真実を求めよ～

HDPE ケーブルの絶縁破壊の強さの絶縁厚さ依存性（13）に充填剤入り XLPE の TSC 測定結果を示す（15）。ここでも、比較のため汎用 XLPE の TSC も併せて示した。図7は、TSC
測定時のコレクティング電圧 V c の極性を振っての測定結果である。汎用 XLPE が V c の極性で TSC ピークの極性が変わるのに対し、充填剤入り XLPE の TSC は、V c の極性を変えても変化がなく、初期バイアス電圧 V b 印加時と逆極性の電流のみが認められる。これは、汎用 XLPE の TSC は、
内部電荷（蓄積電荷）による電流を反映しているが、充填剤入り XLPE の TSC は、脱分極現象を主に反映しており、また蓄積電荷がほとんど認められないことを示している。
図5

HDPE ケーブル ( 絶縁厚：13mm) の密度分布（13）

図6、7の結果から、充填剤を添加することにより、ρの向上と電荷蓄積の抑制があり、また残渣の影響をなくす効果があると考えられる。
このように充填剤は直流絶縁上優れた効果を示すが、一わかる。しかし一般的には、ケーブル製造時に絶縁体の内方でポリエチレン中のいわゆる異物として作用するため、層は外層に比べ徐冷されるため、内層の結晶化度が高くな

インパルス破壊強度を低下させてしまうという欠点を有しり、密度は高くなるはずである。そこで、密度の低下にはていた（15）。そこで、超高圧級の直流 XLPE ケーブルを開発

ボイドの発生が関与しているかもしれないと考え、絶縁体のボイド観察を行った。その結果、絶縁厚が厚くなるとボイドの量ならびに大きさも増大していた（13）。HDPE の特徴
として、結晶化する際に急激に体積収縮が起こる。ケーブ
ル絶縁厚が厚くなると絶縁体内層、外層の温度差が大きく
なり外層側が固化しても内層側はまだ溶融状態にあることから、HDPE のように体積変化が大きいと、径方向に応力が大きく働きボイドが発生しやすくなる。すなわちボイド
発生は、HDPE の結晶化時の急激な体積変化に起因する。
このような結晶化時の特性から、HDPE は厚肉成型に不向きであり、厚肉で性能が出ないことが判明した。結果的にHDPE による直流ケーブルの開発は断念せざるを得なかった。製品開発としては失敗であったが、超高圧の直流ケー
ブル用絶縁体には、直流絶縁性能が優れるだけでなく、厚肉成型性にも優れることが必要であるという知見を得た。
4－3

充填剤による直流 XLPE ケーブル開発（14）～（18）厚肉成型性では、XLPE は交流用ケーブル絶縁体として実績もあり、優れた材料である。そこで、XLPE をベースとし

図6

充填剤有無による XLPE ケーブルの体積抵抗率と架橋剤分解残渣量の絶縁体径方向の分布の相違（15）て直流ケーブルを開発するアプローチに重点をおくこととした。しかし、XLPE をベースとするには、4－1節で述べたように、架橋剤残渣の影響を抑止することが課題であった。幸いなことに、かつて充填剤による直流 XLPE ケーブ
ルの検討例（14）があり、直流性能だけをみれば、良好な特性を有していた。そこで、充填剤の効果を洗い直した。
図6に充填剤入り XLPE ケーブル（絶縁厚13mm）の絶縁体の径方向のρ分布を示す（15）。比較のために、汎用（非充填）XLPE ケーブルのρ分布も示す。充填剤入り XLPE ケー
ブルのρは絶対値が高く、かつ径方向にほぼ同一の分布を有している。なお、充填剤入り XLPE ケーブルの残渣量は、内層に多くの残渣があり、外側は少ない分布となっている。
しかるに径方向にρが均一であることは、充填剤入り XLPEのρは残渣の影響を受けにくいことを示唆している。図7

図7

充填剤有無による XLPE の TSC の相違（15）2020 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 197 号

5するには、充填剤の直流上の優れた特性を確保しつつ、インパルス破壊性能を向上させることが必要であった。当時の検討に用いていた充填剤は、タルクやクレー等の天然鉱石を原料とするものであった。従い種々の成分が混ざっているため、まずそれらの成分分析を行い、どの成分が直流特性上に寄与しているのかを探るとともに、インパルス特性上悪影響を及ぼさない成分を探った。評価は、それぞれの成分の試薬をポリエチレンに混練し、TSC 測定ならびにインパルス破壊試験を実施した。その結果、直流特性改善に寄与している主成分とインパルスにあまり影響を与えない成分を導きだすことができた。そこで、充填剤を種々調査し、高純度かつ超微細の充填剤（ナノフィラー）が存在することを見いだした。その後、この新充填剤（高純度
ナノフィラー）入り XLPE で評価を進めたところ、インパ
ルス破壊性能もさることながら、直流特性が格段に向上した（16）。図8に90℃における新充填剤入り XLPE のρ特性を示す（17）。図中には比較のため汎用 XLPE のρ特性も記してある。新充填剤入り XLPE は、高温高電界でも極めて高いρを有しており、汎用 XLPE に比べると2桁以上高い。また、図9にパルス静電応力法（PEA 法）による空間電荷測定結果を示す図9 新充填剤入りXLPEと汎用（非充填）XLPE の空間電荷分布（18）。新充填剤入り XLPE には空間電荷の蓄積（18）がほとんど認められない。図10に絶縁厚9mm のケーブルの直流破壊性能を示すが、新充填剤入り XLPE ケーブルは140kV/mm もの直流破壊強度があり、汎用 XLPE に比べ倍以上の直流破壊強度を有する（17）。また、インパルス破壊性
能も、500kV 級実機ケーブル（絶縁厚：23mm、導体サ
イズ3,000mm2）において、2,000kV 近い性能を有するとともに、逆極性インパルス重畳破壊性能も、バーダー係数

K で K =0.5と良好な特性が得られた（16）。この新充填剤入り
XLPE ケーブルは、CIGRE TB-219（19）に準拠した±250kV
級の PQ 試験、Type 試験をクリアし、2012年12月より北海
道－本州間直流幹線として運転を継続中である（18）。また、
本材料を用いた直流ケーブルは、国内のみならず、英国－

図10

新充填剤入りXLPEケーブルと汎用（非充填）XLPEケーブルの直流絶縁破壊強度の比較（17）ベルギー間の±400kV 直流連系線として2019年1月より運転を開始した（20）。なお、±525kV 級ケーブルも CIGRE
TB-496（21）準拠の Type 試験、PQ 試験をすでに完了している。

5.

真実の追求 -3 BTT の有害性の評価～メカニズム検討とともに～

最近、前々からの筆者の懸念事項の再評価を行った。それは、BTT（ボウ・タイ状水トリー）からの電気トリー発
図86

新充填剤入り XLPE と汎用（非充填）XLPE の体積抵抗率の電界依存性（17）直流XLPEケーブル誕生秘話ほか

生メカニズムを半定量的に評価するというものである（22）。
さらにその検討を受けて、現在の超高圧 XLPE ケーブルの矢作吉之助先生の教え ～真実を求めよ～設計に考慮されていない BTT の影響を、再考すべきと考えた（23）。背景には、275kV 線路が設計寿命の30年を迎える
こと、500kV 線路も20年の経年を迎えることがある。
5－1

BTT からの電気トリー発生メカニズムの検討

浸水環境下で使用される XLPE ケーブルには課電により水トリーが発生し劣化現象が起こる。水トリーが伸展すると、写真5に示すように水トリー部（写真5では BTT）から
電気トリーが発生し絶縁破壊が起こる。その電気トリーの発生起点は、BTT が小さいうちは BTT の先端部であることが多いが、BTT が伸展した場合には、写真5に示すように、
BTT 先端から若干内部に入ったところから電気トリーが発

図11

BTT をポリエチレン中の高誘電率を有する異種誘電体と見立てたモデル（22）

生することがある。筆者らは、水トリーからの電気トリーの発生現象に注目し、その発生メカニズムについて半定量的な検討を行った（22）。その検討は真の破壊現象を説明しうるものとして、2020年電気学会論文賞を受賞した。詳細説
明については、その文献（22）に譲るが、ここでは、水トリーの長さと絶縁破壊の関係、すなわち水トリーの有害性評価に関して論述する。

図12 BTT 長とXLPE ケーブルの残存破壊電圧の関係（22）	（BTT を高誘電率を有する異種誘電体と想定した場合の計算値と実験値の比較）
写真5

実線路撤去66kV ケーブル絶縁体に認められた破壊起点（22）（BTT からの電気トリーの発生）ある。ここで注目すべきは、BTT 長が500µm 以下の短い
5－2

BTT の有害性の評価

水トリーは水が充填された微小ボイドの塊りであると言領域（領域 B と記載）では、ε（r BTT）の値をε（r BTT）＝80、電気トリー発生電界 E i を E i ＝220～300kV/mm と仮定した場合の方が、ε（r BTT）を低く見積もった場合よりも実プロッ

われている。ポリエチレンの比誘電率εr（PE）=2.3であり、トに合う。しかし、εr ＝80とは水のεr そのものであるこ

水の比誘電率εr（H O）=80であるので、水トリー（BTT）とから、BTT が短い領域、すなわち劣化があまり進んでいの比誘電率ε（r BTT）は、周囲のポリエチレンより高いと思わ＝80になるとは考えにくい。しかるに、ない領域でε（BTT）
r

れる。すなわち、BTT はポリエチレン中の異種誘電体と考＝80と考えた方が合うということは、ε（BTT）＝80にε（BTT）rr

えることができる。そこで、BTT 内部の比誘電率を均一相当する現象が起こっていると考えるべきである。BTT 長の値を有する誘電体と捉え、BTT 先端電界が電気トリー

500µm 以下でのケーブル破壊電圧はいずれも高い絶対値

発生電界に達したときに電気トリーが発生する、すなわちを有しており、平均電界 E mean で30～50kV/mm を超えて絶縁破壊が発生すると仮定した。かかる考え方によれば、いる。従い、BTT の電気伝導に非線形性が出現する（24）可ε（r BTT）の値と電気トリー発生電界 E i の値を決めることで、能性、すなわち抵抗率が急減する可能性が高い。かかる抵

BTT 長とケーブル破壊強度の関係を導くことができる（22）。

抗率が小さい場合は、誘電率ではなく抵抗率が優勢になる

この概念を示したものが図11である。

と考えられる。そこでどの程度のρになれば、BTT 先端電2

このようにして、絶縁厚6mm の XLPE ケーブルの BTT の界が220～300kV/mm になるかを検討した。その結果を長さと、破壊電圧の実測値と計算値を示したものが図12で＝80としたときの電界増倍率 k f と同じ
図13に示す。ε（BTT）
r

2020 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 197 号

7値となるρの値を求めると、ρ＝1.46×109Ω・cm となっE in ・t ＝ E i30yn ・t 30y....................................................（1）た。このρの値は、文献（24）の BTT のρ＝1010Ω・cm に比べると若干小さいが、本対象が30～50kV/mm という高電界であり、高電界下での BTT の電気伝導の非線形性を考えれば、十分現実的な値である。すなわち、BTT が短い領域

ここで E i ＝300kV/mm、t ＝15分、t 30y=30年、n =20と す れ ば、E i30y ＝150kV/mm と な る。な お、こ こ で の

E i30y は、継 続 的 に150kV/mm に さ ら さ れ た 場 合 の 数 値

B においては、高電界下で BTT のρが低下したことによりであるので、評価としてはかなり厳しめのものとなる。

εr ＝80と等価な現象が起こっていると考えられる。

n =20を想定して得られた E i、すなわち、E i=150kV/mm と＝80として、絶縁厚23mm、導体サイズ1,000mm2
ε（BTT）
rの275kV XLPE ケーブル、ならびに絶縁厚27mm、導体サ
イズ2,500mm2の500kV XLPE ケーブルで BTT 長とケーブ
ル絶縁破壊電圧の関係を計算した。図14にその結果を示す（23）。図中には、経年30年後に撤去調査として実施された残存破壊試験結果と観察された BTT 最大長（26）も◇プロットで併せて示した。この図によれば、◇プロットは計算曲線に比較的近いところにある。この図から、275kV XLPE
ケーブルの BTT 有害長ℓ（対地運転電圧 V =159kV で破壊する BTT 長）は、ℓ ＝1.57mm となり、500kV XLPE ケー
ブルの BTT 有害長ℓ（対地運転電圧 V =318 kV で破壊する
BTT 長）は、ℓ ＝0.58mm となる。275kV ケーブルの BTT
有害長は、実際の275kV 撤去ケーブルで認められた BTT 長
200µm（26）に比べ長く、性能的には余裕を持っている。しかし、500kV ケーブルの BTT 有害長は、あまり余裕のない数値である。従い、かかる裕度を確認する上でも、今後、
超高圧ケーブル（275kV 級、500kV 級）の撤去調査（残

図13

5－3

電界増倍率｜k f｜の値が等しくなる比誘電率εr と体積抵抗率ρの等価値（22）存破壊試験や BTT 観察）を行い、劣化実態を把握することが必須であると考える。

経年超高圧 XLPE ケーブルへの BTT の有害性評価

金属被（遮水層）を有する超高圧 XLPE ケーブルにおいては、浸水の影響がないとして BTT の影響は設計に考慮されていない。確かに大きな BTT の発生は認められていないものの、ケーブル絶縁体中に内存する水分でも、微小な BTT
は短時間課電においても発生する。一般的に外部からの浸水のないケーブルでは、BTT の成長は200µm 程度で飽和する（25）といわれており、BTT の影響を考慮する必要はない。
しかし、経年30年を迎えるにあたり、超高圧 XLPE ケーブ
ルに対し BTT の影響について改めて検討した。BTT が小さ
いうちは、ケーブルの破壊電界が高いことから、BTT の等

図14

は、ε（BTT）＝80と見なすことができ、BTT
価比誘電率ε（BTT）
r
r

275kVと500kV XLPE ケーブルにおける BTT 長と絶縁破壊電圧の関係（23）先端の電気トリー発生電界 E i は、E i ＝300kV/mm と考えてよいことは、図12の結果が示す通りである。ここで、E i＝300kV/mm は、XLPE における課電ステップ15分における値であるので、ケーブルの設計寿命である30年運転後で

6.

結

言

の電気トリー発生電界 E i30y を V-t 則に基づき求める。超高「矢作賞」受賞に際して、矢作先生の思い出を記載する

圧 XLPE ケーブルの寿命指数 n は、n =15 であるが、実力的とともに、矢作先生の「真実を求めよ」という教えに従いには n =20以上は期待できる行った研究開発のいくつかを記述した。今後の若い世代の。そこで、n =20で計算す（10）

ると30年後の E i30y は次のようになる。

8

直流XLPEケーブル誕生秘話ほか

方々にも、こうした偉大な先生により世界に誇る誘電・絶矢作吉之助先生の教え ～真実を求めよ～縁材料の研究が築かれたことを忘れず、次世代に向けた研究開発を進めてもらいたいと考える。
なお、本研究開発を進めるにあたりましては、電源開発㈱、東京電力㈱の関係の皆様に多大なるご支援いただきました。厚く御礼申し上げます。

参

考

文

献

（1）
	片貝昭史、「ポリエチレンに魅せられて 矢作先生の教え ～真実を求めよ～」、第50回電気電子絶縁材料システムシンポジウム予稿、M-2、2019-9-17～19、名古屋、pp.11-20（2019-9）（2）	e.g. J.Vermeer,“The Impulse breakdown strength of pyrex
glass,”Physica, Vol.20, pp.313-326（1954）（3）
	e.g. S. Katakai, K. Yahagi,“Effect of Thermal Aging on Breakdown
Strength of Polyethylene,”JJAP, Vol.24, No.4, pp.441-445（1985-4）（4）	片貝昭史、村田義直、高橋憲司、「低電圧・長時間における電気トリー
進展形状の検討」、平成11年電気学会全国大会、No.293、1999-322、山口、pp.2-44～45（1999-3）（5）
	F. H. Kreuger,“Endurance Tests with Polyethylene Insulated
Cables Methods and Criteria,”CIGRE 1968, No.21-01（1968）（6）	電気協同研究、「CV ケーブル及び接続部の高電圧試験法」、第51巻第1号、3-6節、電気協同研究会（1995-7）（7）
	e.g. B. Gross, S. V. Nablo,“High Potentials in Electron-IrradiatedDielectrics,”Journal of Applied Physics, Vol.38, pp.2272-2275（1967-4）（8）	例えば、神永建二、武田直樹、片貝昭史、村田義直、金岡護 ら、「500
kV CVケーブルの直流耐圧試験の検討」、電学論 B、117巻1号、pp.92100（1997-1）（9）	例えば、多田直彦、「モノづくりにおける実践の DRBFM―より高い品質をめざした未然防止手法のすすめタイトル」、友月書房（2014-3）（10）	T. Kubota, Y. Takahashi, S. Sakuma, M. Watanabe, M. Kanaoka,
H. Yamanouchi,“Development of 500-kV XLPE Cables andAccessories for Long Distance Underground Transmission Line
–Part I,”IEEE Trans. on Power Delivery , Vol.9, No.4, pp.17411749（1994-10）（11）	直流ケーブル技術動向調査専門委員会、「直流ケーブルの技術動向と今後の課題」、電気学会技術報告第745号（1999-10）（12）	T. Suzuki, S. Katakai, M. Kanaoka, Y. Sekii,“DC Characteristics
of Cable Insulating Materials,”Proceedings of the 3rd ICSD , 3-6
July 1989, Trondheim, Norway, B-7, pp.66-71（13）	神永建二、武田直樹、片貝昭史、村田義直、金岡護、高橋憲司、「ケー
ブ ル 絶 縁 材 料 の 直 流 破 壊 現 象」
、電 学 論 A、117巻1号、pp.42-50（1997-1）（14）	安藤順夫、沼尻文哉、登守邦明、村木浩二、熊谷竹男、「±250 kV 直流 CV ケーブルの開発」、日立評論、Vol.58、No.10、pp.806-811（1976-10）（15）	前川雄一、山口昭生、原信、関井康雄、「直流 CV ケーブルの開発に関する研究」、電学論 B、112巻10号、pp.905-913（1992-10）（16）	前川雄一、渡部知津夫、浅野光正、村田義直、片貝昭史、嶋田光正、「直流500kV XLPE ケーブルの開発」、電学論 B、121巻3号、pp.390398（2001-3）（17）
	Y. Murata, S. Mashio, S. Katakai, et al.,“HVDC XLPE Cables andAccessories at a Rated Voltage up to 500kV,”CIGRE Colloquium
on HVDC and P.E. Systems , 7-9 March 2012, San Francisco, USA,
B1-3
（18）
	C . Watanabe, Y. Itou, H. Sasaki, S. Katakai, M. Watanabe,
Y. Murata,“Practical Application of ±250 kV DC-XLPE Cable for
Hokkaido-Honshu HVDC Link,”CIGRE 2014 , B1-110（2014-8）（19）	Working Group 21-01 CIGRE,“Recommendations for Testing
DC Extruded Cable Systems for Power Transmission at a Rated
Voltage up to 250kV,”CIGRE Technical Brochure 219（2003）（20）
	T. Igi, S. Asai, S. Mashio, S. Nishikawa, et al.,“Qualification,
installation and commissioning of-world’s first DC 400kV XLPE
cable system,”Proceedings of the 10th JICABLE , A6-1, 23-27
June 2019, Versailles, France（21）	Working Group B1.32 CIGRE,“Recommendations for testing
DC extruded cable systems for power transmission at a rated
voltage up to 500 kV,”CIGRE Technical Brochure 496（2012）（22）	片貝昭史、日渡重雄、鈴木弘、「ボウ・タイ状水トリーからの電気トリー
発生メカニズムの検討」、電学論 A、139巻5号、pp.264-276（2019-5）（23）	S. Katakai, S. Hiwatashi, K. Suzuki, S. Mashio, H. Suzuki,“Study of
Inception Mechanism of Electrical Trees from Bow-Tie Trees,”
Proceedings of the 10th JICABLE , E6-5, 23-27 June 2019,
Versailles, France（24）	豊田毅彦、向井茂雄、大木義路、李英、前野恭、「ポリエチレン中の水トリーの導電率と誘電率」、電学論 A、120巻7号、pp.750-754（2000-7）（25）
	大畠勝一、勝田銀造、岩田善輔、丸山義雄、関井康雄、金岡護、「CV
ケーブルの長期絶縁特性に関する検討」、電学論 B、112巻9号、pp.821828（1992-9）（26）	浅 井洋平、井上昌宏、「経年275 kV CV ケーブル設備の劣化評価」、
平成29年電気学会全国大会、7-170（2017-3）

執

筆

片貝

者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
昭史

：フェロー
電力事業部
博士（工学）
電気学会フェロー
、文部科学大臣
電気学会進歩賞（2014）
表 彰 科 学 技 術 賞（2015）、電 気 学 会
矢作賞（2019）、電気学会論文賞（2020）
受賞

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

2020 年 7 月・S E I テクニカルレビュー・第 197 号

9