交流ケーブルにおける電界応力分布は均一であり、ケーブル絶縁材料の焦点は温度の影響を受けない誘電率にある。一方、直流ケーブルにおける応力分布は絶縁体の内層で最も高く、絶縁材料の抵抗率に影響される。絶縁材料は負の温度係数を示し、これは温度が上昇すると抵抗率が低下することを意味する。
ケーブルが稼働中は、導体損失によって温度が上昇し、絶縁材料の抵抗率が変化します。これにより、絶縁層内の電界応力が変化します。つまり、絶縁体の厚さが同じ場合、温度上昇に伴って絶縁破壊電圧は低下します。分散型発電所の直流幹線ケーブルでは、周囲温度の変動により、絶縁材料の劣化速度が埋設ケーブルに比べて著しく速いため、これは重要な注意点です。
ケーブル絶縁層の製造過程では、不純物が必然的に混入します。これらの不純物は比較的低い絶縁抵抗率を持ち、絶縁層の半径方向に沿って不均一に分布します。その結果、場所によって体積抵抗率が変化します。直流電圧が印加されると、絶縁層内の電界も変化するため、体積抵抗率が最も低い領域は劣化が早く、故障の原因となる可能性があります。
交流ケーブルではこのような現象は見られません。簡単に言うと、交流ケーブルの材料にかかる応力は均一に分布するのに対し、直流ケーブルでは絶縁応力は常に最も弱い部分に集中します。したがって、交流ケーブルと直流ケーブルの製造工程と規格は異なる方法で管理する必要があります。
架橋ポリエチレン（XLPE）絶縁ケーブルは、優れた誘電特性と物理特性、そして高いコストパフォーマンス比により、交流用途で広く使用されています。しかし、直流ケーブルとして使用する場合、空間電荷に関連する重大な課題に直面します。これは、特に高電圧直流ケーブルにおいて深刻な問題となります。直流ケーブルの絶縁材としてポリマーを使用すると、絶縁層内に多数の局所的なトラップが存在し、空間電荷が蓄積されます。空間電荷が絶縁材料に及ぼす影響は、主に電界歪みと非電界歪みの2つの側面で現れ、どちらも絶縁材料に非常に有害です。
空間電荷とは、巨視的な材料の構造単位内で電気的中性を超える過剰電荷を指します。固体では、正または負の空間電荷は局所的なエネルギー準位に束縛され、束縛ポーラロンの形で分極効果をもたらします。空間電荷分極は、誘電体材料中に自由イオンが存在する場合に発生します。イオンの移動により、負イオンは正極付近の界面に蓄積され、正イオンは負極付近の界面に蓄積されます。交流電界では、正負電荷の移動が電力周波数電界の急速な変化に追いつかないため、空間電荷効果は発生しません。しかし、直流電界では、電界は抵抗率に応じて分布するため、空間電荷が形成され、電界分布に影響を与えます。XLPE絶縁材は多数の局在状態を含むため、空間電荷効果が特に顕著になります。
XLPE絶縁体は化学的に架橋されており、一体化した架橋構造を形成しています。非極性ポリマーであるため、ケーブル自体は大型コンデンサに例えることができます。直流送電が停止すると、コンデンサが充電されるのと同等の状態になります。導体コアは接地されていますが、効果的な放電は起こらず、かなりの量の直流エネルギーが空間電荷としてケーブル内に蓄積されます。空間電荷が誘電損失によって散逸される交流電力ケーブルとは異なり、これらの電荷はケーブルの欠陥部に蓄積されます。
時間の経過とともに、頻繁な停電や電流強度の変動により、XLPE絶縁ケーブルには空間電荷が蓄積され、絶縁層の劣化が加速し、ケーブルの耐用年数が短くなります。
投稿日時: 2025年3月10日