DCケーブルの絶縁要件とPPの問題

現在、一般的に使用されている断熱材DCケーブルの絶縁材料として最も有望なのはポリエチレンです。しかし、研究者たちはポリプロピレン（PP）など、より有望な絶縁材料の探索を続けています。しかしながら、PPをケーブル絶縁材料として使用することにはいくつかの問題があります。

 

1. 機械的特性

直流ケーブルの輸送、敷設、運用における基本要件を満たすには、絶縁材料は優れた柔軟性、破断伸び、低温衝撃耐性など、一定の機械的強度を備えている必要があります。しかし、PPは高結晶性ポリマーであるため、使用温度範囲内では硬直性を示します。さらに、低温環境では脆く割れやすいため、これらの要件を満たしていません。したがって、これらの問題に対処するために、PPの強化と改質に関する研究に重点を置く必要があります。

 

2. 耐老化性

長期使用中、DCケーブルの絶縁体は、高電界強度と熱サイクルの複合影響により徐々に劣化します。この劣化により、機械的特性と絶縁特性が低下し、破壊強度も低下し、最終的にはケーブルの信頼性と耐用年数に影響します。ケーブル絶縁体の劣化には、機械的、電気的、熱的、化学的な側面が含まれますが、電気的および熱的劣化が最も懸念されます。酸化防止剤を添加すると、PPの熱酸化劣化に対する耐性をある程度向上させることができますが、酸化防止剤とPPの相性の悪さ、マイグレーション、添加剤としてのそれらの不純物がPPの絶縁性能に影響を与えます。したがって、PPの耐老化性を向上させるために酸化防止剤だけに頼っていては、DCケーブル絶縁体の寿命と信頼性の要件を満たすことができず、PPの改質に関するさらなる研究が必要になります。

 

3. 断熱性能

空間電荷は、品質と寿命に影響を与える要因の1つです。高電圧DCケーブルは、局所的な電界分布、絶縁強度、および絶縁材料の劣化に重大な影響を及ぼします。DCケーブルの絶縁材料は、空間電荷の蓄積を抑制し、同極性空間電荷の注入を低減し、異極性空間電荷の発生を阻害することで、絶縁体およびインターフェース内の電界歪みを防ぎ、絶縁破壊強度とケーブル寿命への影響を回避しなければなりません。

直流ケーブルが単極性電界に長時間さらされると、絶縁体内の電極材料で発生した電子、イオン、不純物の電離が空間電荷となります。これらの電荷は急速に移動し、電荷パケットとして蓄積されます。この現象は空間電荷の蓄積と呼ばれます。そのため、直流ケーブルにPPを使用する場合は、電荷の発生と蓄積を抑制するための改良が必要です。

 

4. 熱伝導率

PPベースのDCケーブルは熱伝導率が低いため、動作中に発生した熱を速やかに放散できず、絶縁層の内側と外側の温度差が生じ、温度場が不均一になります。ポリマー材料の電気伝導率は温度上昇とともに上昇します。そのため、電気伝導率の低い絶縁層の外側は電荷が蓄積しやすくなり、電界強度が低下します。さらに、温度勾配によって大量の空間電荷が注入・移動し、電界がさらに歪みます。温度勾配が大きいほど、空間電荷の蓄積が多くなり、電界の歪みが激しくなります。前述のように、高温、空間電荷の蓄積、電界の歪みは、DCケーブルの正常な動作と耐用年数に影響を与えます。そのため、DCケーブルの安全な動作と耐用年数の延長を確保するには、PPの熱伝導率を向上させることが必要です。