ACケーブルにおける電界応力分布は均一であり、ケーブル絶縁材料は温度の影響を受けない誘電率に重点が置かれています。一方、DCケーブルにおける応力分布は絶縁体の内層で最も高く、絶縁材料の抵抗率の影響を受けます。絶縁材料は負の温度係数を示し、温度が上昇すると抵抗率が減少します。
ケーブルが稼働中、コア損失によって温度が上昇し、絶縁材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、同じ厚さの絶縁材の場合、温度上昇に伴い絶縁破壊電圧が低下します。分散型発電所の直流幹線では、埋設ケーブルと比較して周囲温度の変動により絶縁材の劣化速度が大幅に速まるため、この点は重要な注意点です。
ケーブル絶縁層の製造過程において、不純物の混入は避けられません。これらの不純物は絶縁抵抗が比較的低く、絶縁層の半径方向に沿って不均一に分布しています。その結果、場所によって体積抵抗率が異なります。直流電圧下では、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進み、潜在的な故障箇所となります。
ACケーブルではこの現象は見られません。簡単に言えば、ACケーブルの材料にかかる応力は均一に分散されますが、DCケーブルでは絶縁応力が常に最も弱い部分に集中します。そのため、ACケーブルとDC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的特性、そして高いコストパフォーマンスにより、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、空間電荷に関する大き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。ポリマーを直流ケーブルの絶縁体として使用すると、絶縁層内に多数の局所的なトラップが生じ、空間電荷が蓄積されます。空間電荷が絶縁材料に与える影響は、主に電界歪みと非電界歪みの2つの側面に現れ、どちらも絶縁材料に大きな悪影響を及ぼします。
空間電荷とは、マクロ材料の構造単位内で電気的に中性を超える過剰な電荷を指します。固体では、正または負の空間電荷が局所的なエネルギーレベルに束縛され、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、誘電体内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、負イオンは正極近くの界面に蓄積され、正イオンは負極近くの界面に蓄積されます。交流電界では、正負の電荷の移動が電力周波数電界の急激な変化に追いつけないため、空間電荷効果は発生しません。ただし、直流電界では、電界が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絶縁体には多数の局在状態が含まれるため、空間電荷効果が特に深刻になります。
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。無極性ポリマーであるため、ケーブル自体は大きな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じ状態になります。導体コアは接地されていますが、有効な放電は発生せず、ケーブル内にかなりの量の直流エネルギーが空間電荷として蓄積されます。交流電力ケーブルでは空間電荷が誘電損失によって消散しますが、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 絶縁ケーブルに蓄積される空間電荷が増加し、絶縁層の老化が加速され、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