現在、一般的に使用されている断熱材直流ケーブルの絶縁材としてはポリエチレンが用いられています。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を継続的に模索しています。とはいえ、PPをケーブル絶縁材として使用することにはいくつかの問題点があります。
1. 機械的特性
直流ケーブルの輸送、設置、運用における基本要件を満たすためには、絶縁材料は優れた柔軟性、破断伸度、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剛性を示します。さらに、低温環境では脆く、亀裂が生じやすいため、これらの条件を満たしていません。したがって、これらの問題を解決するために、PPの強化と改質に関する研究に注力する必要があります。
2. 老化耐性
長期間の使用において、直流ケーブルの絶縁体は、高電界強度と熱サイクルの複合的な影響により徐々に劣化します。この劣化は、機械的特性と絶縁特性の低下、および絶縁破壊強度の低下につながり、最終的にはケーブルの信頼性と耐用年数に影響を与えます。ケーブル絶縁体の劣化には、機械的、電気的、熱的、および化学的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ことで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の相溶性の悪さ、移行、および添加剤としての不純物が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るだけでは、直流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となります。
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。高電圧直流ケーブルは、局所的な電界分布、絶縁耐力、および絶縁材料の劣化に大きな影響を与えます。直流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、絶縁体内部および界面における電界の歪みを防ぎ、絶縁破壊強度とケーブル寿命への影響を最小限に抑える必要があります。
直流ケーブルが長時間単極電界中に置かれると、絶縁体内部の電極材料で発生した電子、イオン、および不純物イオン化によって空間電荷が生じる。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る。これを空間電荷蓄積と呼ぶ。したがって、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対策が必要となる。
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が速やかに放散されず、絶縁層の内側と外側で温度差が生じ、温度分布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増加します。そのため、伝導率の低い絶縁層の外側で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、温度勾配によって多数の空間電荷が注入・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量が増え、電界の歪みが強まります。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。したがって、DCケーブルの安全な動作と長寿命化を確保するためには、PPの熱伝導率を向上させる必要があります。
投稿日時：2024年1月4日