ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル
【課題】鉛シースの疲労劣化を抑制したゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルを提供する。
【解決手段】ケーブルコア３と鉛シース５の間に第一のクッション層４を設け、鉛シース５の外側に第二のクッション層６と補強層７を順次設けたゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルであって、第二のクッション層６の線熱膨張率とヤング率との積を、第一のクッション層４の線熱膨張率とヤング率との積より大きくした。温度上昇によってケーブルコア３が熱膨張した場合に、第二のクッション層の６熱膨張力を利用して鉛シース５を内側へ押さえ込む作用を発生させ、鉛シース５の膨張を抑制する。
【解決手段】ケーブルコア３と鉛シース５の間に第一のクッション層４を設け、鉛シース５の外側に第二のクッション層６と補強層７を順次設けたゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルであって、第二のクッション層６の線熱膨張率とヤング率との積を、第一のクッション層４の線熱膨張率とヤング率との積より大きくした。温度上昇によってケーブルコア３が熱膨張した場合に、第二のクッション層の６熱膨張力を利用して鉛シース５を内側へ押さえ込む作用を発生させ、鉛シース５の膨張を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉛シースが基本となるＯＦケーブルでは、鉛シースの内側の油圧に対し、鉛シースの外側に金属テープ（ステンレステープや亜鉛メッキ鋼帯）を巻いて補強する構造が採用されている。ＯＦケーブルの場合は、鉛シースの内側の油圧を一定に保つように油圧補償用の給油装置が取り付けられているため、送電の負荷変動によるケーブルコアの熱膨張・収縮が発生しても鉛シースの内側の油圧は変化しにくく、油圧の変動に起因した鉛シースの繰返し歪み劣化は起こりにくい。
【０００３】
一方、ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルの場合は、一般に中心導体の外側に順次、内部半導電層、ゴム・プラスチック絶縁層、外部半導電層、鉛シースを設けた構造となっている。このうち中心導体から外部半導電層までをケーブルコアと定義すると、送電の負荷変動によるケーブルコアの熱膨張・収縮により鉛シースの内側の圧力（内圧）が変動するため、送電の負荷変動によるケーブルコアの熱膨張・収縮に起因する鉛シースの繰返し歪み劣化が発生するという問題がある。特に海底ケーブルあるいは水底ケーブルの場合は、鉛シースの外側に水圧がかかっているため、ケーブルコアの熱膨張・収縮に追従して鉛シースの膨張・収縮が起こり、陸上ケーブルの場合に比べ繰返し歪み劣化は顕著となる。
【０００４】
ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルの鉛シース疲労問題に対しては、従来から、外部半導電層と鉛シースの間にクッション層を設けることにより、あるいはクッション層と補強層を設けることにより、ケーブルコアの膨張力が鉛シースに伝わる量を緩和する方法、鉛シースの外側に金属テープ巻きによる補強層を設けて鉛シースが外側へ膨張することを抑制する方法、あるいはこれらの方法の組合せにより鉛シースの膨張・収縮による疲労を低減する方法が公知である（例えば特許文献１、２参照）。
【０００５】
鉛シースの繰返し歪み劣化は、ケーブル使用中に受ける鉛シースの繰返し歪み変化幅の累積で決まると考えられており、ケーブル設計に際しては、設計寿命に対して想定される鉛シースの繰返し歪み変化幅の累積量が許容量を超えないようにする必要がある。鉛シースの材質にも依存するが、一般的には３０年間に１日１回の熱膨張・収縮（約１００００回の繰返し歪み）を受けることを想定し、その時の鉛シースの許容歪み変化幅は０．１５％程度とされている。したがって、ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、鉛シースの許容歪み変化幅を超えないように鉛シース疲労低減対策をとる必要がある。
【０００６】
【特許文献１】実開平５−７９８１４号公報
【特許文献２】特開平８−２４９９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルでは、送電の負荷変動などに基づく温度変化により、鉛シースより内側のケーブルコアの熱膨張・収縮量が大きく、従来提案されているケーブルコアと鉛シースの間にクッション層を設ける方法では、鉛シースが受ける繰返し歪みを十分に低減することができない場合がある。特に、外側に水圧が加わる海底・水底ケーブルでは、陸上ケーブルに比べ、ケーブルコアの収縮に対しても鉛シースが追従して収縮しやすいため、鉛シースは繰返し疲労を受けやすくなる。また、鉛シースが常に外水圧を受けているため、クッション層は常に圧縮力を受けている状態となり、期待するほどクッション効果を得ることができない。更には、クッション層の設計によってはクッション層自体の熱膨張・収縮により、鉛シースの膨張・収縮を促進させてしまうという逆効果が生じるおそれもある。以上のように、ケーブルコアと鉛シースの間にクッション層を設けるだけでは、鉛シースが受ける繰返し歪みを低減させる効果は小さいと考えられる。
【０００８】
次に、ケーブルコアと鉛シースの間にクッション層と金属テープ巻きによる補強層とを設けて鉛シースの歪み低減を図る方法に関しては、補強層を設ける効果はあるものの、金属テープ巻き補強層の上に直接鉛シースを設ける構造では、ケーブル製造上の問題やケーブルの機械的な挙動に対する設計上の問題が生じる。そこで現実的には、金属テープ巻き補強層の上に半導電性の押えテープ巻き層を設け、その上に鉛シースを設ける構造をとることになるが、この押えテープ巻き層自体の熱膨張・収縮が直接鉛シースに伝わるために、期待するほど鉛シースの繰返し歪み低減効果は得られない。また、鉛シースの内側に金属テープ巻き補強層を設けるという複雑な構造をとることは、ケーブル製造性が悪くなると共に、コストアップにもつながるため、費用対効果を考えると得策な方法とはいえない。
【０００９】
従来考えられている方法で最も現実的で有効であると考えられるのは、ケーブルコアと鉛シースの間にクッション層を設け、さらに鉛シースの外側に金属テープ巻き等により形成される補強層を設ける方法である。この方法は、クッション層でケーブルコアの熱膨張力が鉛シースに伝わる量を緩和すると同時に、補強層で鉛シースが外側へ膨張する量を抑制するという効果が期待できる。しかしこの方法は、ケーブルコアの膨張力により鉛シースが外側へ膨張する力が大きいために、補強層の金属テープのエッジ部が鉛シースに食い込むなどして鉛シースが損傷を受ける危険性が高い。これを回避するには、ＯＦケーブルのように鉛シースの上に不織布などの座床テープを巻いてクッション層とし、その上に金属テープ巻きによる補強層を設ける構造をとることが考えられるが、ＯＦケーブルの鉛シース内側の内圧に比べ、ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルでは鉛シースの内側のケーブルコアの熱膨張による内圧が高いため、座床テープのエッジ部やその上の金属テープのエッジ部で鉛シースが変形し、局所的な鉛シースの機械的疲労を発生させる危険性がある。
【００１０】
本発明の目的は、以上のような問題点に鑑み、鉛シースの疲労劣化を低減したゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、ケーブルコアと鉛シースの間に第一のクッション層を設け、鉛シースの外側に第二のクッション層と補強層を順次設けたゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルであって、第二のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積が、第一のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積より大きいことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、第二のクッション層が樹脂の押出成形で形成されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、補強層が金属テープ巻きにより形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、補強層が高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによるテープ巻きにより形成されていてもよい。
【００１５】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、第二のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積が、第一のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積の２０倍以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
第一のクッション層の内半径をｒ１、外半径をＲ１、厚さをｄ１(＝Ｒ１−ｒ１)とし、材料の線熱膨張率をβ１、ヤング率をＥ１とする。同様に、第二のクッション層の内半径をｒ２、外半径をＲ２、厚さをｄ２(＝Ｒ２−ｒ２)とし、材料の線熱膨張率をβ２、ヤング率をＥ２とする。第一のクッション層および第二のクッション層が温度上昇ΔＴに対して自由熱膨張したときの半径方向の厚さの変化量をそれぞれΔｄ１、Δｄ２とする。ここで、簡単のため、第一のクッション層は外側のみに熱膨張する(内側のケーブルコア側には熱膨張しない)場合を考え、第二のクッション層は内側のみに熱膨張する(外側の補強層側には熱膨張しない)場合を考える。すると、第一のクッション層の厚さの変化量Δｄ１、および第二のクッション層の厚さの変化量Δｄ２は、近似的にそれぞれ次の〔数１〕、〔数２〕で記述される。ただし、γは熱膨張の方向に依存する定数である。
【００１７】
【数１】
【００１８】
【数２】
【００１９】
ここで、温度上昇ΔＴに対して上記の第一のクッション層および第二のクッション層が熱膨張するのを抑えるのに必要な力を熱膨張力Ｆ１と熱膨張力Ｆ２と定義すると、近似的に次の〔数３〕、〔数４〕の比例関係で記述される。
【００２０】
【数３】
【００２１】
【数４】
【００２２】
〔数３〕、〔数４〕より、第一のクッション層と第二のクッション層の熱膨張力を表す指標として、それぞれ熱膨張力指数α１と熱膨張力指数α２を考え、次の〔数５〕、〔数６〕で定義する。
【００２３】
【数５】
【００２４】
【数６】
【００２５】
上記の熱膨張力指数が大きいほど熱膨張力が大きいことを示す。そこで、第一のクッション層と第二のクッション層の熱膨張力の差を表す指標として、熱膨張力指数比率Ｋを次の〔数７〕で定義する。
【００２６】
【数７】
【００２７】
ここで、(１＋ｒ１/Ｒ１)の項および(１＋Ｒ２/ｒ２)の項は、第一のクッション層および第二のクッション層の構造（内半径と外半径の比率）で決まる部分であるが、通常は両者の値は大きくは変わらないと考えられるので、簡単のため、それらの項の影響が無視できると考え、第一のクッション層と第二のクッション層の簡易熱膨張力指数としてそれぞれα１’とα２’を次の〔数８〕、〔数９〕で定義し、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’を次の〔数１０〕で定義する。
【００２８】
【数８】
【００２９】
【数９】
【００３０】
【数１０】
【００３１】
上記の熱膨張力指数比率Ｋ、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が大きいほど、第二のクッション層の熱膨張により鉛シースを内側へ押さえ込む作用が大きく、鉛シースの膨張を抑制する効果が大きい。
【００３２】
本発明は、補強層により径方向への膨張を抑制した上で、鉛シースの内側に設けられる第一のクッション層の熱膨張力よりも、鉛シースの外側に設けられる第二のクッション層の熱膨張力を大きくしたものである。すなわち、第一のクッション層の熱膨張力指数α１および簡易熱膨張力指数α１’に対して、第二のクッション層の熱膨張力指数α２および簡易熱膨張力指数α２’を大きくしたものである。この構造をとることにより、温度上昇によってケーブルコアが熱膨張した場合に対して、第二のクッション層の熱膨張力を利用して鉛シースを内側へ押さえ込む作用を発生させ、鉛シースの膨張を効果的に抑制することができる。したがって、鉛シースの膨張、収縮量が少なくなり、疲労劣化を低減することができる。
【００３３】
本発明において、第二のクッション層を樹脂の押出成形により形成すると、第二のクッション層の内面が平滑になるため、第二のクッション層がその熱膨張力で鉛シースに強く押し付けられても鉛シースに食い込むことがなく、鉛シースに変形、損傷を与えるのを防止できる。また、鉛シースの膨張を抑えるのに必要な第二のクッション層の厚さを確保することも容易である。
【００３４】
また本発明において、第二のクッション層の熱膨張力指数α２(あるいは簡易熱膨張力指数α２’)を、第一のクッション層の熱膨張力指数α１(あるいは簡易熱膨張力指数α１’)の２０倍以上とすることにより、第二のクッション層の熱膨張力を利用して鉛シースを内側へ押さえ込む作用をより確実に発生させることができる。これは、熱膨張力指数比率Ｋ（＝α２/α１）あるいは簡易熱膨張力指数比率Ｋ’（＝α２’/α１’）を２０以上としたことに相当し、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’で考えれば、第二のクッション層の線熱膨張率β2 とヤング率Ｅ2 との積を、第一のクッション層の線熱膨張率β1とヤング率Ｅ1との積の２０倍以上とすることにより、第二のクッション層の熱膨張力を利用して鉛シースを内側へ押さえ込む作用をより確実に発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１は本発明の一実施形態を示す。このゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、中心導体１とその外側のゴム・プラスチック絶縁層２からなるケーブルコア３の外側に、第一のクッション層４、鉛シース５、第二のクッション層６、膨張抑制用補強層７を順次設けたものである。中心導体１は一般に銅撚線で構成され、ゴム・プラスチック絶縁層２は内部半導電層２ａ、ゴム・プラスチック絶縁層本体２ｂ、外部半導電層２ｃから構成される。通常、内部半導電層２ａ、ゴム・プラスチック絶縁絶縁層本体２ｂ、外部半導電層２ｃは同時押出法により形成され、この３層は一体化されている。
【００３６】
第一のクッション層４は、半導電性クッションテープによるテープ巻きにより形成される。第二のクッション層６は、樹脂の押出成形又はクッションテープ巻きにより形成されるが、樹脂の押出成形により形成することが好ましい。また第二のクッション層６は、樹脂の押出層の外側に座床テープ巻き層を設けることにより構成してもよい。補強層７は、第二のクッション層６が外側へ膨張するのを抑制するもので、ステンレステープや亜鉛メッキ鋼帯などの金属テープ巻きにより形成することができる。また補強層７は、高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによるテープ巻きにより形成することもできる。
【００３７】
このゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルでは、第二のクッション層６の線熱膨張率とヤング率との積（簡易熱膨張力指数α２’）が、第一のクッション層４の線熱膨張率とヤング率との積（簡易熱膨張力指数α１’）より大きく設定されている。これにより、第一のクッション層の熱膨張力よりも第二のクッション層の熱膨張力を高くして、鉛シース５の膨張、収縮を抑制し、疲労劣化を低減するものである。この原理は以下のとおりである。
【００３８】
ケーブルコア３の温度上昇により、第一のクッション層４及び第二のクッション層６の温度も上昇し、したがって第一のクッション層４及び第二のクッション層６がともに熱膨張する。この時、第一のクッション層４は内側にケーブルコア３があるため内面側へは変位しにくく、外面側へは変位しやすいのに対して、第二のクッション層６は外面側に補強層７があるため外面側へは変位しにくく、内面側へは変位しやすい。このため、第二のクッション層６は温度上昇時に鉛シース５の膨張を抑える働きをする。そして、第一のクッション層４に対して第二のクッション層６の熱膨張力が大きいほど、鉛シース５の膨張を抑える効果が大きくなる。また熱膨張力は温度と温度上昇幅に依存しており（数３、数４参照）、温度上昇幅が大きくなるほど大きくなる。また線熱膨張率に関しても温度が高くなるほど大きくなる傾向を示す。ケーブルコア３の熱膨張量も温度上昇幅が大きくなるほど増大するが、本発明は第二のクッション層６の熱膨張力を利用して鉛シース５の膨張を抑える仕組みであるため、温度上昇幅が大きくなるほど第二のクッション層６の熱膨張力も大きくなり、鉛シース５を内側へ押さえ込む作用も強くなる。したがって、温度変化に追従して効果的に鉛シース５の膨張を抑えることができる。このことは、温度が低下した場合に対しても同様であり、温度が低下してケーブルコア３の熱膨張量が小さくなった場合には、第二のクッション層６の熱膨張量も小さくなるため、鉛シース５を必要以上に内側へ押さえ込むということは起こらない。
【００３９】
また、第二のクッション層６の熱膨張力を効果的に発生させるためには、第二のクッション層６に対する補強層７の拘束力が重要であり、鉛シース５、第二のクッション層６及び補強層７のヤング率の大小関係は、第二のクッション層６、鉛シース５、補強層７の順で大きくなることが好ましい。第一のクッション層４に関しては、ケーブルコア３の熱膨張に対して十分なクッション性を持たせることが重要であり、ゴム・プラスチック絶縁層２、第一のクッション層４、鉛シース５のヤング率の大小関係は、第一のクッション層４、ゴム・プラスチック絶縁層２、鉛シース５の順で大きくなることが好ましい。
【００４０】
本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、第二のクッション層６は樹脂の押出成形により形成することが好ましい。第二のクッション層６を樹脂の押出成形により形成すると、テープ巻きにより形成する場合よりも、第二のクッション層６の内面を平滑にできるため、第二のクッション層６がその熱膨張力で鉛シース５に強く押し付けられても鉛シース５に食い込むことがなく、鉛シース５に損傷を与えるのを防止できる。また、第二のクッション層６の熱膨張力を高めるためには、第二のクッション層６の厚さも重要な要素である（数６、数７参照）。テープ巻きにより鉛シースの膨張を抑えるのに効果的な第二のクッション層の厚さを確保するには、テープ巻きの層数を多くする必要があり、ケーブル製造面で得策とはいえない。第二のクッション層を樹脂の押出成形により形成すれば、第二のクッション層の形成を１工程で出来るため容易であり、かつ鉛シースの膨張を抑えるのに効果的な第二のクッション層の厚さを確保することも容易である。また、補強層７が金属テープ巻きで形成される場合でも、金属テープのエッジ部が鉛シース５を傷つけるのを防止できる。さらに場合によっては第二のクッション層６をケーブルの防食層として利用することも可能である。
【００４１】
なお、第二のクッション層の厚さを厚くするほど熱膨張力が大きくなり（数６参照）、鉛シースの膨張を抑える効果が高くなると考えられるが、第二のクッション層の厚さが増大するほど、送電時のケーブル中心導体での発熱による温度上昇が大きくなるため、ケーブルの熱設計面で不利になるという問題と、ケーブルの製造コストが高くなるという問題があるため、第二のクッション層の厚さはそれらの問題も踏まえて適切に選択することが好ましい。また、上記のことから、第一のクッション層、第二のクッション層の材料には、熱抵抗の小さい材料を選択することが好ましい。
【００４２】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、補強層７は金属テープ巻きにより形成することが好ましい。金属テープとしては、ステンレステープや亜鉛メッキ鋼帯などを使用することができる。金属テープ巻き層の厚さは、温度上昇時に第二のクッション層の熱膨張力で鉛シースを内側へ押さえ込む作用が効果的に働く厚さを選択することが好ましい。
【００４３】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、補強層７は高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによる補強テープ巻きにより形成することもできる。すなわち、補強層７の形成に使用するテープ材として、金属テープの代わりに、ヤング率が高く低伸度の高強度繊維（アラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維など）で形成されたテープや、これらのテープにエポキシ樹脂などを含浸硬化させた高強度繊維−樹脂複合テープなどを使用することができる。高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによるテープ巻き層の厚さは、温度上昇時に第二のクッション層の熱膨張力で鉛シースを内側へ押さえ込む作用が効果的に働く厚さを選択することが好ましい。
【００４４】
次に、本発明の効果を確認するための計算結果を説明する。供試ケーブルの中心導体１は断面積500mm２の銅撚線、ゴム・プラスチック絶縁層本体２ｂは厚さ13mmの架橋ポリエチレンである。
【００４５】
第一のクッション層４は、半導電性クッションテープ巻きにより形成され、その厚さは1.1mm、内径は60.3mm、外径は62.5mmである。半導電性クッションテープの線熱膨張率β１は1.0×10−４［1/℃］、ヤング率Ｅ１は4.41×10７［Ｐａ］である。したがって第一のクッション層４の線熱膨張率β１とヤング率Ｅ１と内径(内半径)と外径(外半径)とで〔数５〕で定義される第一のクッション層の熱膨張力指数α１は8.66×10３[Ｐａ/℃]、また〔数８〕の線熱膨張率β１とヤング率Ｅ１との積で定義される第一のクッション層の簡易熱膨張力指数α１’は4.41×10３[Ｐａ/℃]である。鉛シース５の厚さは3.3mmである。
【００４６】
第二のクッション層６は、ポリエチレンの押出成形により形成され、その厚さは4.5mm、内径は69.1mm、外径は78.1mmである。第二のクッション層６の線熱膨張率β２に関しては、プラスチックの線熱膨張率は一般に温度が高くなると大きくなる傾向を示し、ポリエチレンの場合は20℃で2.0×10−４［1/℃］、60℃で7.0×10−４［1/℃］、90℃で1.0×10−３［1/℃］である。第二のクッション層６のヤング率Ｅ２は、ポリエチレンの場合で1.47×10８［Ｐａ］であり、したがって〔数６〕で定義される第二のクッション層６の熱膨張力指数α２は、20℃の場合で6.27×10４[Ｐａ/℃]、60℃の場合で2.19×10５[Ｐａ/℃]、90℃の場合で3.13×10５[Ｐａ/℃]である。また、〔数９〕で定義される第二のクッション層の簡易熱膨張力指数α2’は、20℃の場合で2.94×104[Pa/℃]、60℃の場合で1.03×10５[Ｐａ/℃]、90℃の場合で1.47×10５[Ｐａ/℃]である。いずれも第二のクッション層６の熱膨張力指数α２および簡易熱膨張力指数α2’は、第一のクッション層４の熱膨張力指数α１および簡易熱膨張力指数α1’より大きく、〔数７〕で定義される熱膨張力指数比率Ｋは、20℃の場合で7.2、60℃の場合で25.3、90℃の場合で36.2であり、〔数１０〕で定義される簡易熱膨張力指数比率Ｋ’は、20℃の場合で6.7、60℃の場合で23.3、90℃の場合で33.4である。補強層７は、厚さ0.5mmの亜鉛メッキ鋼帯を２枚巻くことにより形成され、その厚さは１mmである。
【００４７】
図２は、上記のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、第二のクッション層６の効果を確認するために、第二のクッション層６の線熱膨張率を2.0×10−４［1/℃］から1.0×10−３［1/℃］までの範囲で1.0×10−４［1/℃］刻みで設定し、第二のクッション層６の厚さを変化させた場合について、中心導体１に1200Ａを通電した時の定常状態での熱膨張による鉛シース５の円周方向の歪みを計算した結果である。なお、ケーブルの周囲の基底温度は20℃、大気中を想定した計算である。
【００４８】
図２の結果から、第二のクッション層の線熱膨張率が小さい領域（2.0×10−４から5.0×10−4［1/℃］の場合）、あるいは簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が小さい領域(6.7から16.7)では、第二のクッション層の厚さの増加と共に鉛シースの歪みは増加する傾向を示し、また線熱膨張率および簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が増加するに従って鉛シースの歪みの増加量は低減する傾向を示すものの、第二のクッション層は鉛シースの歪みを低減させる効果がないことが分かる。これに対し、第二のクッション層の線熱膨張率が6.0×10−４［1/℃］程度、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が20程度まで大きくなると、第二のクッション層の厚さが増加しても鉛シースの歪みはほとんど変化しなくなる(第二のクッション層を入れない場合の鉛シースの歪みと同程度)。そして更に線熱膨張率、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が大きくなると、第二のクッション層の厚さの増加に対して鉛シースの歪みが単調に減少し、鉛シースの歪みの低減効果が顕著に現れることが分かる。このことから、第二のクッション層の熱膨張力が大きいほど、鉛シースの歪みの低減効果が大きくなることが分かる。
【００４９】
図２の計算結果に対して、第二のクッション層の厚さを0.5mmから8mmの範囲で変化させた場合の熱膨張力指数比率Ｋと鉛シースの歪みの関係を図３に示す。同様に簡易熱膨張力指数比率Ｋ’と鉛シースの歪みの関係を図４に示す。図３、図４の結果から、熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’がいずれも20以上とすることで、第二のクッション層を入れることによる鉛シースの歪みの低減効果が現れることが分かる。更に、図３の結果から、熱膨張力指数比率Ｋが20以上の領域では、熱膨張力指数比率Ｋに対して第二のクッション層の厚さを大きくするほど鉛シースの歪みの低減効果が高まるが、その効果は飽和傾向にあり、第二のクッション層の厚さが4mmから8mmの範囲ではほぼ同一曲線になっていることが分かる。このことから、熱膨張力指数比率Ｋが決まれば、必要以上に第二のクッション層の厚さを厚くすることは得策ではなく、本実施例における第二のクッション層の厚さ4.5mmは妥当な厚さであるといえる。また、図３、図４の結果から、第二のクッション層の厚さを3mmから8mmの範囲で考えた場合、鉛シースの歪みの低減に効果的な熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’の値の設定範囲は20〜40の範囲であり、また熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’を40以上に設定することは過剰設計であり、40以上にする必要はないことが分かる。また、約10000回の繰返し歪みに対する鉛シースの許容歪み変化幅である0.15％以下に鉛シースの歪みを抑えるためには、熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’を25以上に設定すればよいことが分かる。本実施例である第二のクッション層の厚さ4.5mmの場合においては、第二のクッション層の温度が50℃程度であり、その時の線熱膨張率は6.0×10−４［1/℃］程度であるため、熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’はともに20程度あり、鉛シースの歪みの低減効果が得られ始める場合に相当する。なお、この計算例は亜鉛メッキ鋼帯巻きの補強層までのケーブルに対してのものであるが、実際のケーブルでは亜鉛メッキ鋼帯巻きの補強層の外側に防食層や鉄線鎧装などが設けられるため、第二のクッション層の温度は60℃前後となり、その時の線熱膨張率は8×10−４［1/℃］程度となるため、熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’はともに25以上となり、鉛シースの許容歪み変化幅である0.15%以下まで鉛シースの歪みを低減することができる。また、図３と図４の結果の比較から、熱膨張力指数比率Ｋの替わりに材料の線熱膨張率とヤング率の積のみで定義される簡易膨張力指数比率Ｋ’で考えても鉛シースの歪みの低減効果の傾向を把握するには十分であり、第二のクッション層の材料を選定する上で重要な指標となる。
【００５０】
図５は、上記のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、第二のクッション層６の厚さを4.5mmとした場合の、中心導体１の通電電流と鉛シースの歪みの関係を計算した結果である。なお、第二のクッション層の線熱膨張率は図２の計算結果と同様に2.0×10−４［1/℃］から1.0×10−３［1/℃］までの範囲で1.0×10−４［1/℃］刻みで設定し、中心導体に通電した時の定常状態での熱膨張による鉛シース５の円周方向の歪みを計算した結果である。ケーブルの周囲の基底温度は20℃、大気中を想定した計算である。
【００５１】
中心導体の通電電流の増大に伴い鉛シースの歪みは増大していくが、第二のクッション層の線熱膨張率β２が大きくなるほど、鉛シースの歪みの増加の度合いは低減され、第二のクッション層の熱膨張力が鉛シースの歪みの低減に対して効果的に作用することが分かる。ここで、第二のクッション層の線熱膨張率は温度依存性があり、中心導体の通電量が少なく温度が低い場合には線熱膨張率が小さく（例えば20℃で2.0×10−４［1/℃］）、第二のクッション層の熱膨張力による鉛シースの歪みの低減効果はほとんど期待できないか、あるいは逆に熱膨張を促進させるように作用するが、通電量が小さく温度が低い領域では、もともとケーブルコアの膨張量も少ないため、鉛シースの疲労に大きな影響を与えるまでの鉛シースの膨張は発生せず、問題にはならない。重要なのは、通電量が大きく温度が高くなり、ケーブルコアの膨張量が大きくなった場合であり、この場合には温度の上昇により第二のクッション層の線熱膨張率も高くなるため、第二のクッション層の熱膨張力により鉛シースの歪みの低減作用が効果的に働く。
【００５２】
この計算例では、亜鉛メッキ鋼帯巻きの補強層までのケーブルについて検討したが、亜鉛メッキ鋼帯巻きの補強層の外側に防食層や鉄線鎧装などが設けられるケーブルに対しても第二のクッション層の熱膨張力が鉛シースの歪みの低減に対して有効に作用することは言うまでもない。また、第二のクッション層はポリエチレンのほかにポリ塩化ビニルなどを使用して防食層の役割を兼ねさせることもできる。
【００５３】
以上の実施形態では、単心の交流用又は直流用のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルを説明したが、３心の交流用ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルであっても、３本のケーブルコアに対してそれぞれその外側に、第一のクッション層、鉛シース、第二のクッション層、補強層を順次設けることで、第二のクッション層の熱膨張力を利用した鉛シースの歪みの低減効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルの一実施形態を示す断面図。
【図２】第二のクッション層及び厚さが鉛シースの円周方向の歪みを低減させる効果を確認するため、第二のクッション層の線熱膨張率β(あるいは簡易熱膨張力指数比率Ｋ’)を変えて、第二のクッション層の厚さと鉛シースの歪みの大きさとの関係を計算した結果を示すグラフ。
【図３】図２の計算結果に対して、第二のクッション層の厚さに対する熱膨張力指数比率Ｋと鉛シースの歪みの関係にまとめなおした結果を示すグラフ。
【図４】図２の計算結果に対して、第二のクッション層の厚さに対する簡易熱膨張力指数比率Ｋ’と鉛シースの歪みの関係にまとめなおした結果を示すグラフ。
【図５】第二のクッション層の線熱膨張率β(あるいは簡易熱膨張力指数比率Ｋ’)が鉛シースの円周方向の歪みを低減させる効果を確認するため、第二のクッション層の厚さを一定とし、第二のクッション層の線熱膨張率を変えて、中心導体の通電電流の大きさと鉛シースの歪みの大きさとの関係を計算した結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５５】
１：中心導体
２：ゴム・プラスチック絶縁層
２ａ：内部半導電層
２ｂ：ゴム・プラスチック絶縁層本体
２ｃ：外部半導電層
３：ケーブルコア
４：第一のクッション層
５：鉛シース
６：第二のクッション層
７：補強層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力用ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉛シースが基本となるＯＦケーブルでは、鉛シースの内側の油圧に対し、鉛シースの外側に金属テープ（ステンレステープや亜鉛メッキ鋼帯）を巻いて補強する構造が採用されている。ＯＦケーブルの場合は、鉛シースの内側の油圧を一定に保つように油圧補償用の給油装置が取り付けられているため、送電の負荷変動によるケーブルコアの熱膨張・収縮が発生しても鉛シースの内側の油圧は変化しにくく、油圧の変動に起因した鉛シースの繰返し歪み劣化は起こりにくい。
【０００３】
一方、ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルの場合は、一般に中心導体の外側に順次、内部半導電層、ゴム・プラスチック絶縁層、外部半導電層、鉛シースを設けた構造となっている。このうち中心導体から外部半導電層までをケーブルコアと定義すると、送電の負荷変動によるケーブルコアの熱膨張・収縮により鉛シースの内側の圧力（内圧）が変動するため、送電の負荷変動によるケーブルコアの熱膨張・収縮に起因する鉛シースの繰返し歪み劣化が発生するという問題がある。特に海底ケーブルあるいは水底ケーブルの場合は、鉛シースの外側に水圧がかかっているため、ケーブルコアの熱膨張・収縮に追従して鉛シースの膨張・収縮が起こり、陸上ケーブルの場合に比べ繰返し歪み劣化は顕著となる。
【０００４】
ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルの鉛シース疲労問題に対しては、従来から、外部半導電層と鉛シースの間にクッション層を設けることにより、あるいはクッション層と補強層を設けることにより、ケーブルコアの膨張力が鉛シースに伝わる量を緩和する方法、鉛シースの外側に金属テープ巻きによる補強層を設けて鉛シースが外側へ膨張することを抑制する方法、あるいはこれらの方法の組合せにより鉛シースの膨張・収縮による疲労を低減する方法が公知である（例えば特許文献１、２参照）。
【０００５】
鉛シースの繰返し歪み劣化は、ケーブル使用中に受ける鉛シースの繰返し歪み変化幅の累積で決まると考えられており、ケーブル設計に際しては、設計寿命に対して想定される鉛シースの繰返し歪み変化幅の累積量が許容量を超えないようにする必要がある。鉛シースの材質にも依存するが、一般的には３０年間に１日１回の熱膨張・収縮（約１００００回の繰返し歪み）を受けることを想定し、その時の鉛シースの許容歪み変化幅は０．１５％程度とされている。したがって、ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、鉛シースの許容歪み変化幅を超えないように鉛シース疲労低減対策をとる必要がある。
【０００６】
【特許文献１】実開平５−７９８１４号公報
【特許文献２】特開平８−２４９９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルでは、送電の負荷変動などに基づく温度変化により、鉛シースより内側のケーブルコアの熱膨張・収縮量が大きく、従来提案されているケーブルコアと鉛シースの間にクッション層を設ける方法では、鉛シースが受ける繰返し歪みを十分に低減することができない場合がある。特に、外側に水圧が加わる海底・水底ケーブルでは、陸上ケーブルに比べ、ケーブルコアの収縮に対しても鉛シースが追従して収縮しやすいため、鉛シースは繰返し疲労を受けやすくなる。また、鉛シースが常に外水圧を受けているため、クッション層は常に圧縮力を受けている状態となり、期待するほどクッション効果を得ることができない。更には、クッション層の設計によってはクッション層自体の熱膨張・収縮により、鉛シースの膨張・収縮を促進させてしまうという逆効果が生じるおそれもある。以上のように、ケーブルコアと鉛シースの間にクッション層を設けるだけでは、鉛シースが受ける繰返し歪みを低減させる効果は小さいと考えられる。
【０００８】
次に、ケーブルコアと鉛シースの間にクッション層と金属テープ巻きによる補強層とを設けて鉛シースの歪み低減を図る方法に関しては、補強層を設ける効果はあるものの、金属テープ巻き補強層の上に直接鉛シースを設ける構造では、ケーブル製造上の問題やケーブルの機械的な挙動に対する設計上の問題が生じる。そこで現実的には、金属テープ巻き補強層の上に半導電性の押えテープ巻き層を設け、その上に鉛シースを設ける構造をとることになるが、この押えテープ巻き層自体の熱膨張・収縮が直接鉛シースに伝わるために、期待するほど鉛シースの繰返し歪み低減効果は得られない。また、鉛シースの内側に金属テープ巻き補強層を設けるという複雑な構造をとることは、ケーブル製造性が悪くなると共に、コストアップにもつながるため、費用対効果を考えると得策な方法とはいえない。
【０００９】
従来考えられている方法で最も現実的で有効であると考えられるのは、ケーブルコアと鉛シースの間にクッション層を設け、さらに鉛シースの外側に金属テープ巻き等により形成される補強層を設ける方法である。この方法は、クッション層でケーブルコアの熱膨張力が鉛シースに伝わる量を緩和すると同時に、補強層で鉛シースが外側へ膨張する量を抑制するという効果が期待できる。しかしこの方法は、ケーブルコアの膨張力により鉛シースが外側へ膨張する力が大きいために、補強層の金属テープのエッジ部が鉛シースに食い込むなどして鉛シースが損傷を受ける危険性が高い。これを回避するには、ＯＦケーブルのように鉛シースの上に不織布などの座床テープを巻いてクッション層とし、その上に金属テープ巻きによる補強層を設ける構造をとることが考えられるが、ＯＦケーブルの鉛シース内側の内圧に比べ、ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルでは鉛シースの内側のケーブルコアの熱膨張による内圧が高いため、座床テープのエッジ部やその上の金属テープのエッジ部で鉛シースが変形し、局所的な鉛シースの機械的疲労を発生させる危険性がある。
【００１０】
本発明の目的は、以上のような問題点に鑑み、鉛シースの疲労劣化を低減したゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、ケーブルコアと鉛シースの間に第一のクッション層を設け、鉛シースの外側に第二のクッション層と補強層を順次設けたゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルであって、第二のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積が、第一のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積より大きいことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、第二のクッション層が樹脂の押出成形で形成されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、補強層が金属テープ巻きにより形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、補強層が高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによるテープ巻きにより形成されていてもよい。
【００１５】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、第二のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積が、第一のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積の２０倍以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
第一のクッション層の内半径をｒ１、外半径をＲ１、厚さをｄ１(＝Ｒ１−ｒ１)とし、材料の線熱膨張率をβ１、ヤング率をＥ１とする。同様に、第二のクッション層の内半径をｒ２、外半径をＲ２、厚さをｄ２(＝Ｒ２−ｒ２)とし、材料の線熱膨張率をβ２、ヤング率をＥ２とする。第一のクッション層および第二のクッション層が温度上昇ΔＴに対して自由熱膨張したときの半径方向の厚さの変化量をそれぞれΔｄ１、Δｄ２とする。ここで、簡単のため、第一のクッション層は外側のみに熱膨張する(内側のケーブルコア側には熱膨張しない)場合を考え、第二のクッション層は内側のみに熱膨張する(外側の補強層側には熱膨張しない)場合を考える。すると、第一のクッション層の厚さの変化量Δｄ１、および第二のクッション層の厚さの変化量Δｄ２は、近似的にそれぞれ次の〔数１〕、〔数２〕で記述される。ただし、γは熱膨張の方向に依存する定数である。
【００１７】
【数１】
【００１８】
【数２】
【００１９】
ここで、温度上昇ΔＴに対して上記の第一のクッション層および第二のクッション層が熱膨張するのを抑えるのに必要な力を熱膨張力Ｆ１と熱膨張力Ｆ２と定義すると、近似的に次の〔数３〕、〔数４〕の比例関係で記述される。
【００２０】
【数３】
【００２１】
【数４】
【００２２】
〔数３〕、〔数４〕より、第一のクッション層と第二のクッション層の熱膨張力を表す指標として、それぞれ熱膨張力指数α１と熱膨張力指数α２を考え、次の〔数５〕、〔数６〕で定義する。
【００２３】
【数５】
【００２４】
【数６】
【００２５】
上記の熱膨張力指数が大きいほど熱膨張力が大きいことを示す。そこで、第一のクッション層と第二のクッション層の熱膨張力の差を表す指標として、熱膨張力指数比率Ｋを次の〔数７〕で定義する。
【００２６】
【数７】
【００２７】
ここで、(１＋ｒ１/Ｒ１)の項および(１＋Ｒ２/ｒ２)の項は、第一のクッション層および第二のクッション層の構造（内半径と外半径の比率）で決まる部分であるが、通常は両者の値は大きくは変わらないと考えられるので、簡単のため、それらの項の影響が無視できると考え、第一のクッション層と第二のクッション層の簡易熱膨張力指数としてそれぞれα１’とα２’を次の〔数８〕、〔数９〕で定義し、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’を次の〔数１０〕で定義する。
【００２８】
【数８】
【００２９】
【数９】
【００３０】
【数１０】
【００３１】
上記の熱膨張力指数比率Ｋ、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が大きいほど、第二のクッション層の熱膨張により鉛シースを内側へ押さえ込む作用が大きく、鉛シースの膨張を抑制する効果が大きい。
【００３２】
本発明は、補強層により径方向への膨張を抑制した上で、鉛シースの内側に設けられる第一のクッション層の熱膨張力よりも、鉛シースの外側に設けられる第二のクッション層の熱膨張力を大きくしたものである。すなわち、第一のクッション層の熱膨張力指数α１および簡易熱膨張力指数α１’に対して、第二のクッション層の熱膨張力指数α２および簡易熱膨張力指数α２’を大きくしたものである。この構造をとることにより、温度上昇によってケーブルコアが熱膨張した場合に対して、第二のクッション層の熱膨張力を利用して鉛シースを内側へ押さえ込む作用を発生させ、鉛シースの膨張を効果的に抑制することができる。したがって、鉛シースの膨張、収縮量が少なくなり、疲労劣化を低減することができる。
【００３３】
本発明において、第二のクッション層を樹脂の押出成形により形成すると、第二のクッション層の内面が平滑になるため、第二のクッション層がその熱膨張力で鉛シースに強く押し付けられても鉛シースに食い込むことがなく、鉛シースに変形、損傷を与えるのを防止できる。また、鉛シースの膨張を抑えるのに必要な第二のクッション層の厚さを確保することも容易である。
【００３４】
また本発明において、第二のクッション層の熱膨張力指数α２(あるいは簡易熱膨張力指数α２’)を、第一のクッション層の熱膨張力指数α１(あるいは簡易熱膨張力指数α１’)の２０倍以上とすることにより、第二のクッション層の熱膨張力を利用して鉛シースを内側へ押さえ込む作用をより確実に発生させることができる。これは、熱膨張力指数比率Ｋ（＝α２/α１）あるいは簡易熱膨張力指数比率Ｋ’（＝α２’/α１’）を２０以上としたことに相当し、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’で考えれば、第二のクッション層の線熱膨張率β2 とヤング率Ｅ2 との積を、第一のクッション層の線熱膨張率β1とヤング率Ｅ1との積の２０倍以上とすることにより、第二のクッション層の熱膨張力を利用して鉛シースを内側へ押さえ込む作用をより確実に発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１は本発明の一実施形態を示す。このゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルは、中心導体１とその外側のゴム・プラスチック絶縁層２からなるケーブルコア３の外側に、第一のクッション層４、鉛シース５、第二のクッション層６、膨張抑制用補強層７を順次設けたものである。中心導体１は一般に銅撚線で構成され、ゴム・プラスチック絶縁層２は内部半導電層２ａ、ゴム・プラスチック絶縁層本体２ｂ、外部半導電層２ｃから構成される。通常、内部半導電層２ａ、ゴム・プラスチック絶縁絶縁層本体２ｂ、外部半導電層２ｃは同時押出法により形成され、この３層は一体化されている。
【００３６】
第一のクッション層４は、半導電性クッションテープによるテープ巻きにより形成される。第二のクッション層６は、樹脂の押出成形又はクッションテープ巻きにより形成されるが、樹脂の押出成形により形成することが好ましい。また第二のクッション層６は、樹脂の押出層の外側に座床テープ巻き層を設けることにより構成してもよい。補強層７は、第二のクッション層６が外側へ膨張するのを抑制するもので、ステンレステープや亜鉛メッキ鋼帯などの金属テープ巻きにより形成することができる。また補強層７は、高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによるテープ巻きにより形成することもできる。
【００３７】
このゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルでは、第二のクッション層６の線熱膨張率とヤング率との積（簡易熱膨張力指数α２’）が、第一のクッション層４の線熱膨張率とヤング率との積（簡易熱膨張力指数α１’）より大きく設定されている。これにより、第一のクッション層の熱膨張力よりも第二のクッション層の熱膨張力を高くして、鉛シース５の膨張、収縮を抑制し、疲労劣化を低減するものである。この原理は以下のとおりである。
【００３８】
ケーブルコア３の温度上昇により、第一のクッション層４及び第二のクッション層６の温度も上昇し、したがって第一のクッション層４及び第二のクッション層６がともに熱膨張する。この時、第一のクッション層４は内側にケーブルコア３があるため内面側へは変位しにくく、外面側へは変位しやすいのに対して、第二のクッション層６は外面側に補強層７があるため外面側へは変位しにくく、内面側へは変位しやすい。このため、第二のクッション層６は温度上昇時に鉛シース５の膨張を抑える働きをする。そして、第一のクッション層４に対して第二のクッション層６の熱膨張力が大きいほど、鉛シース５の膨張を抑える効果が大きくなる。また熱膨張力は温度と温度上昇幅に依存しており（数３、数４参照）、温度上昇幅が大きくなるほど大きくなる。また線熱膨張率に関しても温度が高くなるほど大きくなる傾向を示す。ケーブルコア３の熱膨張量も温度上昇幅が大きくなるほど増大するが、本発明は第二のクッション層６の熱膨張力を利用して鉛シース５の膨張を抑える仕組みであるため、温度上昇幅が大きくなるほど第二のクッション層６の熱膨張力も大きくなり、鉛シース５を内側へ押さえ込む作用も強くなる。したがって、温度変化に追従して効果的に鉛シース５の膨張を抑えることができる。このことは、温度が低下した場合に対しても同様であり、温度が低下してケーブルコア３の熱膨張量が小さくなった場合には、第二のクッション層６の熱膨張量も小さくなるため、鉛シース５を必要以上に内側へ押さえ込むということは起こらない。
【００３９】
また、第二のクッション層６の熱膨張力を効果的に発生させるためには、第二のクッション層６に対する補強層７の拘束力が重要であり、鉛シース５、第二のクッション層６及び補強層７のヤング率の大小関係は、第二のクッション層６、鉛シース５、補強層７の順で大きくなることが好ましい。第一のクッション層４に関しては、ケーブルコア３の熱膨張に対して十分なクッション性を持たせることが重要であり、ゴム・プラスチック絶縁層２、第一のクッション層４、鉛シース５のヤング率の大小関係は、第一のクッション層４、ゴム・プラスチック絶縁層２、鉛シース５の順で大きくなることが好ましい。
【００４０】
本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、第二のクッション層６は樹脂の押出成形により形成することが好ましい。第二のクッション層６を樹脂の押出成形により形成すると、テープ巻きにより形成する場合よりも、第二のクッション層６の内面を平滑にできるため、第二のクッション層６がその熱膨張力で鉛シース５に強く押し付けられても鉛シース５に食い込むことがなく、鉛シース５に損傷を与えるのを防止できる。また、第二のクッション層６の熱膨張力を高めるためには、第二のクッション層６の厚さも重要な要素である（数６、数７参照）。テープ巻きにより鉛シースの膨張を抑えるのに効果的な第二のクッション層の厚さを確保するには、テープ巻きの層数を多くする必要があり、ケーブル製造面で得策とはいえない。第二のクッション層を樹脂の押出成形により形成すれば、第二のクッション層の形成を１工程で出来るため容易であり、かつ鉛シースの膨張を抑えるのに効果的な第二のクッション層の厚さを確保することも容易である。また、補強層７が金属テープ巻きで形成される場合でも、金属テープのエッジ部が鉛シース５を傷つけるのを防止できる。さらに場合によっては第二のクッション層６をケーブルの防食層として利用することも可能である。
【００４１】
なお、第二のクッション層の厚さを厚くするほど熱膨張力が大きくなり（数６参照）、鉛シースの膨張を抑える効果が高くなると考えられるが、第二のクッション層の厚さが増大するほど、送電時のケーブル中心導体での発熱による温度上昇が大きくなるため、ケーブルの熱設計面で不利になるという問題と、ケーブルの製造コストが高くなるという問題があるため、第二のクッション層の厚さはそれらの問題も踏まえて適切に選択することが好ましい。また、上記のことから、第一のクッション層、第二のクッション層の材料には、熱抵抗の小さい材料を選択することが好ましい。
【００４２】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、補強層７は金属テープ巻きにより形成することが好ましい。金属テープとしては、ステンレステープや亜鉛メッキ鋼帯などを使用することができる。金属テープ巻き層の厚さは、温度上昇時に第二のクッション層の熱膨張力で鉛シースを内側へ押さえ込む作用が効果的に働く厚さを選択することが好ましい。
【００４３】
また、本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、補強層７は高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによる補強テープ巻きにより形成することもできる。すなわち、補強層７の形成に使用するテープ材として、金属テープの代わりに、ヤング率が高く低伸度の高強度繊維（アラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維など）で形成されたテープや、これらのテープにエポキシ樹脂などを含浸硬化させた高強度繊維−樹脂複合テープなどを使用することができる。高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによるテープ巻き層の厚さは、温度上昇時に第二のクッション層の熱膨張力で鉛シースを内側へ押さえ込む作用が効果的に働く厚さを選択することが好ましい。
【００４４】
次に、本発明の効果を確認するための計算結果を説明する。供試ケーブルの中心導体１は断面積500mm２の銅撚線、ゴム・プラスチック絶縁層本体２ｂは厚さ13mmの架橋ポリエチレンである。
【００４５】
第一のクッション層４は、半導電性クッションテープ巻きにより形成され、その厚さは1.1mm、内径は60.3mm、外径は62.5mmである。半導電性クッションテープの線熱膨張率β１は1.0×10−４［1/℃］、ヤング率Ｅ１は4.41×10７［Ｐａ］である。したがって第一のクッション層４の線熱膨張率β１とヤング率Ｅ１と内径(内半径)と外径(外半径)とで〔数５〕で定義される第一のクッション層の熱膨張力指数α１は8.66×10３[Ｐａ/℃]、また〔数８〕の線熱膨張率β１とヤング率Ｅ１との積で定義される第一のクッション層の簡易熱膨張力指数α１’は4.41×10３[Ｐａ/℃]である。鉛シース５の厚さは3.3mmである。
【００４６】
第二のクッション層６は、ポリエチレンの押出成形により形成され、その厚さは4.5mm、内径は69.1mm、外径は78.1mmである。第二のクッション層６の線熱膨張率β２に関しては、プラスチックの線熱膨張率は一般に温度が高くなると大きくなる傾向を示し、ポリエチレンの場合は20℃で2.0×10−４［1/℃］、60℃で7.0×10−４［1/℃］、90℃で1.0×10−３［1/℃］である。第二のクッション層６のヤング率Ｅ２は、ポリエチレンの場合で1.47×10８［Ｐａ］であり、したがって〔数６〕で定義される第二のクッション層６の熱膨張力指数α２は、20℃の場合で6.27×10４[Ｐａ/℃]、60℃の場合で2.19×10５[Ｐａ/℃]、90℃の場合で3.13×10５[Ｐａ/℃]である。また、〔数９〕で定義される第二のクッション層の簡易熱膨張力指数α2’は、20℃の場合で2.94×104[Pa/℃]、60℃の場合で1.03×10５[Ｐａ/℃]、90℃の場合で1.47×10５[Ｐａ/℃]である。いずれも第二のクッション層６の熱膨張力指数α２および簡易熱膨張力指数α2’は、第一のクッション層４の熱膨張力指数α１および簡易熱膨張力指数α1’より大きく、〔数７〕で定義される熱膨張力指数比率Ｋは、20℃の場合で7.2、60℃の場合で25.3、90℃の場合で36.2であり、〔数１０〕で定義される簡易熱膨張力指数比率Ｋ’は、20℃の場合で6.7、60℃の場合で23.3、90℃の場合で33.4である。補強層７は、厚さ0.5mmの亜鉛メッキ鋼帯を２枚巻くことにより形成され、その厚さは１mmである。
【００４７】
図２は、上記のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、第二のクッション層６の効果を確認するために、第二のクッション層６の線熱膨張率を2.0×10−４［1/℃］から1.0×10−３［1/℃］までの範囲で1.0×10−４［1/℃］刻みで設定し、第二のクッション層６の厚さを変化させた場合について、中心導体１に1200Ａを通電した時の定常状態での熱膨張による鉛シース５の円周方向の歪みを計算した結果である。なお、ケーブルの周囲の基底温度は20℃、大気中を想定した計算である。
【００４８】
図２の結果から、第二のクッション層の線熱膨張率が小さい領域（2.0×10−４から5.0×10−4［1/℃］の場合）、あるいは簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が小さい領域(6.7から16.7)では、第二のクッション層の厚さの増加と共に鉛シースの歪みは増加する傾向を示し、また線熱膨張率および簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が増加するに従って鉛シースの歪みの増加量は低減する傾向を示すものの、第二のクッション層は鉛シースの歪みを低減させる効果がないことが分かる。これに対し、第二のクッション層の線熱膨張率が6.0×10−４［1/℃］程度、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が20程度まで大きくなると、第二のクッション層の厚さが増加しても鉛シースの歪みはほとんど変化しなくなる(第二のクッション層を入れない場合の鉛シースの歪みと同程度)。そして更に線熱膨張率、簡易熱膨張力指数比率Ｋ’が大きくなると、第二のクッション層の厚さの増加に対して鉛シースの歪みが単調に減少し、鉛シースの歪みの低減効果が顕著に現れることが分かる。このことから、第二のクッション層の熱膨張力が大きいほど、鉛シースの歪みの低減効果が大きくなることが分かる。
【００４９】
図２の計算結果に対して、第二のクッション層の厚さを0.5mmから8mmの範囲で変化させた場合の熱膨張力指数比率Ｋと鉛シースの歪みの関係を図３に示す。同様に簡易熱膨張力指数比率Ｋ’と鉛シースの歪みの関係を図４に示す。図３、図４の結果から、熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’がいずれも20以上とすることで、第二のクッション層を入れることによる鉛シースの歪みの低減効果が現れることが分かる。更に、図３の結果から、熱膨張力指数比率Ｋが20以上の領域では、熱膨張力指数比率Ｋに対して第二のクッション層の厚さを大きくするほど鉛シースの歪みの低減効果が高まるが、その効果は飽和傾向にあり、第二のクッション層の厚さが4mmから8mmの範囲ではほぼ同一曲線になっていることが分かる。このことから、熱膨張力指数比率Ｋが決まれば、必要以上に第二のクッション層の厚さを厚くすることは得策ではなく、本実施例における第二のクッション層の厚さ4.5mmは妥当な厚さであるといえる。また、図３、図４の結果から、第二のクッション層の厚さを3mmから8mmの範囲で考えた場合、鉛シースの歪みの低減に効果的な熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’の値の設定範囲は20〜40の範囲であり、また熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’を40以上に設定することは過剰設計であり、40以上にする必要はないことが分かる。また、約10000回の繰返し歪みに対する鉛シースの許容歪み変化幅である0.15％以下に鉛シースの歪みを抑えるためには、熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’を25以上に設定すればよいことが分かる。本実施例である第二のクッション層の厚さ4.5mmの場合においては、第二のクッション層の温度が50℃程度であり、その時の線熱膨張率は6.0×10−４［1/℃］程度であるため、熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’はともに20程度あり、鉛シースの歪みの低減効果が得られ始める場合に相当する。なお、この計算例は亜鉛メッキ鋼帯巻きの補強層までのケーブルに対してのものであるが、実際のケーブルでは亜鉛メッキ鋼帯巻きの補強層の外側に防食層や鉄線鎧装などが設けられるため、第二のクッション層の温度は60℃前後となり、その時の線熱膨張率は8×10−４［1/℃］程度となるため、熱膨張力指数比率Ｋおよび簡易熱膨張力指数比率Ｋ’はともに25以上となり、鉛シースの許容歪み変化幅である0.15%以下まで鉛シースの歪みを低減することができる。また、図３と図４の結果の比較から、熱膨張力指数比率Ｋの替わりに材料の線熱膨張率とヤング率の積のみで定義される簡易膨張力指数比率Ｋ’で考えても鉛シースの歪みの低減効果の傾向を把握するには十分であり、第二のクッション層の材料を選定する上で重要な指標となる。
【００５０】
図５は、上記のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルにおいて、第二のクッション層６の厚さを4.5mmとした場合の、中心導体１の通電電流と鉛シースの歪みの関係を計算した結果である。なお、第二のクッション層の線熱膨張率は図２の計算結果と同様に2.0×10−４［1/℃］から1.0×10−３［1/℃］までの範囲で1.0×10−４［1/℃］刻みで設定し、中心導体に通電した時の定常状態での熱膨張による鉛シース５の円周方向の歪みを計算した結果である。ケーブルの周囲の基底温度は20℃、大気中を想定した計算である。
【００５１】
中心導体の通電電流の増大に伴い鉛シースの歪みは増大していくが、第二のクッション層の線熱膨張率β２が大きくなるほど、鉛シースの歪みの増加の度合いは低減され、第二のクッション層の熱膨張力が鉛シースの歪みの低減に対して効果的に作用することが分かる。ここで、第二のクッション層の線熱膨張率は温度依存性があり、中心導体の通電量が少なく温度が低い場合には線熱膨張率が小さく（例えば20℃で2.0×10−４［1/℃］）、第二のクッション層の熱膨張力による鉛シースの歪みの低減効果はほとんど期待できないか、あるいは逆に熱膨張を促進させるように作用するが、通電量が小さく温度が低い領域では、もともとケーブルコアの膨張量も少ないため、鉛シースの疲労に大きな影響を与えるまでの鉛シースの膨張は発生せず、問題にはならない。重要なのは、通電量が大きく温度が高くなり、ケーブルコアの膨張量が大きくなった場合であり、この場合には温度の上昇により第二のクッション層の線熱膨張率も高くなるため、第二のクッション層の熱膨張力により鉛シースの歪みの低減作用が効果的に働く。
【００５２】
この計算例では、亜鉛メッキ鋼帯巻きの補強層までのケーブルについて検討したが、亜鉛メッキ鋼帯巻きの補強層の外側に防食層や鉄線鎧装などが設けられるケーブルに対しても第二のクッション層の熱膨張力が鉛シースの歪みの低減に対して有効に作用することは言うまでもない。また、第二のクッション層はポリエチレンのほかにポリ塩化ビニルなどを使用して防食層の役割を兼ねさせることもできる。
【００５３】
以上の実施形態では、単心の交流用又は直流用のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルを説明したが、３心の交流用ゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルであっても、３本のケーブルコアに対してそれぞれその外側に、第一のクッション層、鉛シース、第二のクッション層、補強層を順次設けることで、第二のクッション層の熱膨張力を利用した鉛シースの歪みの低減効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルの一実施形態を示す断面図。
【図２】第二のクッション層及び厚さが鉛シースの円周方向の歪みを低減させる効果を確認するため、第二のクッション層の線熱膨張率β(あるいは簡易熱膨張力指数比率Ｋ’)を変えて、第二のクッション層の厚さと鉛シースの歪みの大きさとの関係を計算した結果を示すグラフ。
【図３】図２の計算結果に対して、第二のクッション層の厚さに対する熱膨張力指数比率Ｋと鉛シースの歪みの関係にまとめなおした結果を示すグラフ。
【図４】図２の計算結果に対して、第二のクッション層の厚さに対する簡易熱膨張力指数比率Ｋ’と鉛シースの歪みの関係にまとめなおした結果を示すグラフ。
【図５】第二のクッション層の線熱膨張率β(あるいは簡易熱膨張力指数比率Ｋ’)が鉛シースの円周方向の歪みを低減させる効果を確認するため、第二のクッション層の厚さを一定とし、第二のクッション層の線熱膨張率を変えて、中心導体の通電電流の大きさと鉛シースの歪みの大きさとの関係を計算した結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５５】
１：中心導体
２：ゴム・プラスチック絶縁層
２ａ：内部半導電層
２ｂ：ゴム・プラスチック絶縁層本体
２ｃ：外部半導電層
３：ケーブルコア
４：第一のクッション層
５：鉛シース
６：第二のクッション層
７：補強層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーブルコアと鉛シースの間に第一のクッション層を設け、鉛シースの外側に第二のクッション層と補強層を順次設けたゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルであって、第二のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積が、第一のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積より大きいことを特徴とするゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項２】
第二のクッション層が樹脂の押出成形で形成されていることを特徴とする請求項１記載のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項３】
補強層が金属テープ巻きにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項４】
補強層が高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによるテープ巻きにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項５】
第二のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積が、第一のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積の２０倍以上、４０倍以下である請求項１記載のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項１】
ケーブルコアと鉛シースの間に第一のクッション層を設け、鉛シースの外側に第二のクッション層と補強層を順次設けたゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブルであって、第二のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積が、第一のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積より大きいことを特徴とするゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項２】
第二のクッション層が樹脂の押出成形で形成されていることを特徴とする請求項１記載のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項３】
補強層が金属テープ巻きにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項４】
補強層が高強度繊維テープ又は高強度繊維−樹脂複合テープによるテープ巻きにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【請求項５】
第二のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積が、第一のクッション層の線熱膨張率とヤング率との積の２０倍以上、４０倍以下である請求項１記載のゴム・プラスチック絶縁鉛シースケーブル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１２３３６１（Ｐ２０１０−１２３３６１Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９５１８９（Ｐ２００８−２９５１８９）
【出願日】平成２０年１１月１９日（２００８．１１．１９）
【出願人】（５０２３０８３８７）株式会社ビスキャス (205)
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１９日（２００８．１１．１９）
【出願人】（５０２３０８３８７）株式会社ビスキャス (205)
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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