常温収縮型ゴムユニット
【課題】現場での施工が容易で、高圧電力ケーブルの接続部に適用することができる常温収縮型ゴムユニットを提供すること。
【解決手段】ケーブル接続部に取り付けたとき、ケーブル絶縁体との接触面の面圧が０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるように形成したゴムユニットを予め工場で拡径保持部材上に拡径支持し、現場で拡径保持部材を取り除き、ゴムユニットを超高圧電力ケーブルに装着する。ゴムユニットの初期嵌合面圧を上記値以上とすることにより、３０年使用してもほぼ０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度以上の嵌合面圧を確保することができ、必要な電気的性能、防水性能を確保することができる。また、現場で拡径保持部材を取り除き高圧電力ケーブルの接続部に装着するようにしたので、現場での施工が容易となり、異物を巻き込んだまま接続作業が行われる危険性も回避することができる。
【解決手段】ケーブル接続部に取り付けたとき、ケーブル絶縁体との接触面の面圧が０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるように形成したゴムユニットを予め工場で拡径保持部材上に拡径支持し、現場で拡径保持部材を取り除き、ゴムユニットを超高圧電力ケーブルに装着する。ゴムユニットの初期嵌合面圧を上記値以上とすることにより、３０年使用してもほぼ０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度以上の嵌合面圧を確保することができ、必要な電気的性能、防水性能を確保することができる。また、現場で拡径保持部材を取り除き高圧電力ケーブルの接続部に装着するようにしたので、現場での施工が容易となり、異物を巻き込んだまま接続作業が行われる危険性も回避することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル等の電力ケーブル接続部の絶縁等に用いられる常温収縮型ゴムユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ＣＶケーブル用中間接続部には、押出モールド型、プレハブ型、テープ巻きモールド型、テープ巻き型と様々な種類の構造が適用されている。これらに加えて、近年、ゴムモールド技術の著しい進歩により、施工性に優れたワンピースのゴムブロック型ジョイント（ＲＢＪ）が開発され、この適用が急速に拡大しつつある。現在のゴムブロック型ジョイントの主流はエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）製である（例えば特許文献１参照）。 上記したゴムブロック型ジョイントを用いて、例えば６６ｋＶ以上の高圧電力ケーブル（以下、必要に応じてケーブルと略記する）を接続する際には、現場にて接続部分にゴムユニットを装着して接続部を形成する現場施工方式が用いられていた。
【特許文献１】国際公開第９７／０８８０１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来方式は現場にて施工を行うため、施工にかなり時間がかかり、また施工のための作業スペースを確保する必要もあった。
また、現場にて施工を行う場合、ゴムユニット内に入り込む異物等の管理を充分に行うことができず、異物を巻き込んだまま接続作業が行われる危険性があった。
一方、現場での施工を容易にするため、予め工場でゴムユニットを拡径保持部材により拡径しておき、現場で拡径されたゴムユニットから拡径保持部材を除去することによりゴムユニットをケーブル接続部に装着する方法が知られている。 しかし、従来から使用されていたこの種のゴムユニットは、電圧階級の低いケーブルに適用されるものであって、６６ｋＶ以上の高圧電力ケーブルに使用できるものは実用化されていなかった。
【０００４】
本発明は上記した問題点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、現場での施工が容易で、６６ｋＶ以上の高圧電力ケーブルの接続部に適用することができる常温収縮型ゴムユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
近年、高耐熱、低応力緩和（永久伸びが小）、低硬度等、多くの点でエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）より優れているシリコーンゴム（ＳｉＲ）の機械的特性の向上はめざましいものがある。
シリコーンゴムは、長い間、引き裂き力が低いという問題点を抱えていたが、近年の技術的な進歩に伴い、高い引き裂き力を有するシリコーンゴムが開発されるに至った。そこで、本発明者らは、このシリコーンゴムの可能性に着目し、高圧電力ケーブル用工場拡径方式の常温収縮型ゴムユニットの適用について検討した。
【０００６】
その結果、シリコーンゴムは、その温度特性、弾性率、永久伸び特性の物性面において、前記したエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）と比較して優れた特性を有し、特に、永久伸び特性において、工場拡径方式の常温収縮型ゴムユニットに適用する上で優れた特性を有することがわかった。また、シリコーンゴムは加硫前は液状であり、成形性についても上記ＥＰＲと比較して極めて優れている。
一方、実験等によれば、ゴムユニットの絶縁部分の嵌合面圧として０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上確保できれば、高圧電力ケーブルに必要な絶縁性能を確保できることが確認された。また、嵌合面圧として０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 あれば、防水性能を確保することもできる。
一般に、ゴムユニットをケーブルに装着後、ゴムユニットとケーブル間の嵌合面圧は時間とともに低下していく。シリコーンゴムを使用した場合、実験結果に基づく試算によれば、想定される導体温度（９０°Ｃ連続）、最も厳しい使用条件下では、３０年経過後には嵌合面圧の低下は４０％以下となり、初期嵌合面圧の６０％以上となることがわかった。したがって、３０年後の面圧を０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上とするためには、初期嵌合面圧として０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上を確保できればよい。
前記したシリコーンゴムを用いれば、上記初期嵌合面圧０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 を確保することができ、かつ、３０年経過しても上記０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の嵌合面圧を確保できる。
【０００７】
以上に基づき、本発明においては、次のようにして前記課題を解決する。
（１）ケーブル接続部に取り付けたとき、ケーブル絶縁体との接触面の面圧が０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるように形成したゴムユニットを予め工場で拡径保持部材上に拡径支持し、現場で拡径保持部材を取り除きゴムユニットを高圧電力ケーブルに装着する。
（２）上記ゴムユニットを、ケーブル絶縁体との接触面の面圧の低下率が、使用３０年間で４０％以下であるシリコーンゴムで形成する。
本発明においては、高圧電力ケーブルの接続作業において、ゴムユニットを予め工場で拡径保持部材上に拡径支持し、現場で拡径保持部材を取り除き高圧電力ケーブルの接続部に装着するようにしたので、現場での施工が容易となり、異物を巻き込んだまま接続作業が行われる危険性も回避することができる。特に、ゴムユニットの初期嵌合面圧を０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるようにしたので、３０年使用してもほぼ０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の嵌合面圧を確保することができ、必要な絶縁性能および防水性能を確保することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明においては、初期嵌合面圧が０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるよう形成したゴムユニットを、予め工場で拡径保持部材上に拡径支持し、現場で拡径保持部材を取り除き高圧電力ケーブルの接続部に装着するようにしたので、３０年近く使用してもほぼ０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の嵌合面圧を確保することができ、高圧電力ケーブルにおける必要な電気的性能および防水性能を確保することができる。また、現場での施工が容易となり、異物を巻き込んだまま接続作業が行われる危険性も回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の実施例の高圧電力ケーブル用常温収縮型ゴムユニット１（素管）の構成を示す図である。ゴムユニット１は略円筒形状であり、内部半導電層１ａと、絶縁層１ｂと、外部半導電層１ｃから構成されている。ゴムユニット１はシリコンゴムを主体とする弾性部材で形成され、半導電層１ａ，１ｃにはカーボン等が混入され半導電性が付与されている。
ゴムユニット１の内径は、装着されるケーブル外形より小さく形成され、ゴムユニットをケーブルに装着したときの嵌合面圧は、ゴムユニット１を拡径することにより生ずる弾性により確保される。
【００１０】
図２は拡径保持部材によりゴムユニット１を拡径支持した状態を示す図である。同図において、２は拡径支持部材であり、ゴムユニット１は、予め工場において、同図に示すように拡径支持部材２上に拡径支持され、図２に示す状態で施工現場に運ばれる。
拡径支持部材２の内径は、装着するケーブルの外径より大きく形成されており、拡径支持部材２内にケーブルを挿入した際、拡径支持部材２はケーブル上を移動できる。
また、拡径支持部材２内にケーブルを挿入してゴムユニット１をケーブル接続部上に位置させたとき、拡径支持部材２がゴムユニット１から容易に引き抜けるようにするため、拡径支持部材２を例えば摩擦係数の小さな材料で構成したり、拡径支持部材２の表面に潤滑材等を塗布したり、また、拡径支持部材２とゴムユニット１の間に低摩擦係数材料を介在させたり、あるいは拡径支持部材２を解体して除去できるようにしておいてもよい。
【００１１】
図３はゴムユニット１をケーブル接続部に装着した状態を示す図である。
同図において、３はケーブル、３ａはケーブル絶縁体、３ｂはケーブル導体、４は導体接続管である。
ゴムユニット１を図３に示すようにケーブル接続部に装着するには、図２に示すように拡径支持部材２上に支持されたゴムユニット１内にケーブルを挿入したのち、接続される２本のケーブルのケーブル導体３ｂを導体接続管４で接続して接続部を形成する。ついで、拡径支持部材２上に支持されたゴムユニット１をケーブル接続部上に位置させ、拡径支持部材２を抜き取る。これにより、ゴムユニット１が縮径し、ゴムユニット１がケーブル接続部上に装着される。
【００１２】
本実施例の高圧ケーブル用常温収縮型ゴムユニットに適用したシリコーンゴムの物性値を、従来のエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）との比較を合わせて、表１に示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】
表１に示すように、本実施例で使用したシリコーンゴムは、上記ＥＰＲと較べて硬度が小さいが、引き裂き強さおよび永久伸び特性において優れており、特に永久伸び特性は、１００％伸長させたときＥＰＲでは３２．４％までしか戻らないのに対し、本実施例で使用したシリコーンゴムでは２．６％まで戻り、永久伸び特性において極めて優れた特性を示している。
本実施例で使用したシリコーンゴムは上記した永久伸び特性を備えているので、上記シリコーンゴムから形成されるゴムユニットを工場で予め拡径して保管しておいても、現場で電力ケーブルに装着したときゴムユニットの径を、ほぼ拡径前の状態に戻すことができる。このため、工場拡径方式のゴムユニットに適用しても、必要な初期嵌合面圧を確保することが可能である。
【００１５】
本実施例で使用したシリコーンゴムが、高圧電力ケーブルのゴムユニットに適用するに必要な耐電圧特性を備えているかを調べた。
シリコーンゴムの耐電圧特性を調べるため、図４に示す構造のリセスシートを用いた。同図（ａ）（ｂ）において、１１は高圧側電極、１２はエポキシ樹脂、１３は本実施例で使用したシリコーンゴムであり、シリコーンゴム１３には同図（ｂ）の拡大図を示すように半導電ゴム１３ａ，１３ｂが上面と下面に接着されており、絶縁体部分の厚さは１５０μｍ〜２００μｍである。
上記シリコーンゴム１３を図４に示すようにオイル中に設置し、シリコーンゴム１３の下面にアース電極１４を接触させ、高圧電極１１、アース電極１４間にＡＣ電圧、インパルス（Ｉｍｐ）電圧を印加してシリコーンゴムの電気的特性を調べた。試験条件は次の通りである。
【００１６】
(1) ＡＣ破壊試験
開始電圧 ：６ｋＶ／１０分
ステップ電圧：１ｋＶ／１０分
測定温度 ：室温、９０°Ｃ、１０５°Ｃ
測定試料数 ：各温度ｎ＝５
すなわち、上記各測定温度において、開始電圧を６ｋＶとしてＡＣ電圧を印加し、１０分毎に１ｋＶずつ電圧をステップ状に上昇させ、シリコーンゴムが絶縁破壊するＡＣ破壊ストレス（ｋＶ／ｍｍ）と温度依存性を調べた。
(2) インパルス（Ｉｍｐ）破壊試験
開始電圧 ：＋または− １４ｋＶ／３回
ステップ電圧：＋または− １ｋＶ／３回
測定温度 ：室温、９０°Ｃ
測定試料数 ：各温度ｎ＝５
すなわち、上記各測定温度において、開始電圧を＋または−１４ｋＶとして、＋または−１ｋＶずつ電圧を上昇／下降させながら、インパルス電圧を各電圧について３回印加して、シリコーンゴムが絶縁破壊するＩｍｐ破壊ストレス（ｋＶ／ｍｍ）を調べた。
【００１７】
図５、図６に上記試験結果を示す。図５は上記(1) の破壊試験の結果、図６は上記(2) の破壊試験の結果であり、横軸は温度（°Ｃ）、縦軸はそれぞれＡＣ破壊ストレス（ｋＶ／ｍｍ）、Ｉｍｐ破壊ストレス（ｋＶ／ｍｍ）である。なお、図５、図６において、同図中の縦棒で示した範囲内に破壊した試料がプロットされた。また、図６において、丸印は前記した高圧側電極１１に正電圧を印加した場合の破壊ストレスを示し、三角印は前記した高圧側電極１１に負電圧を印加した場合の破壊ストレスを示している。
【００１８】
図５に示すように、ＡＣ破壊試験においては１０５°Ｃまでの範囲において、シリコーンゴムのＡＣ破壊ストレスに温度依存性はほとんど見られなかった。
また、図６に示すように、Ｉｍｐ破壊試験においては、Ｉｍｐ破壊ストレスに極性による違いはほとんどみられなかった。しかしながら、ＡＣ破壊試験では見られなかった温度依存性が正負いずれの極性においても確認された。但し、温度係数（図６において室温における破壊ストレスの平均値をＡ、９０°Ｃにおける破壊ストレスの平均値をＢとしたとき、Ａ／Ｂ）は、いずれも１．１と小さかった。
【００１９】
次に、上記シリコーンゴムの寿命検証試験を行った。
寿命検証試験（Ｖ−ｔ試験）は、前記図４に示した構造の試験装置を用い、課電時間（分）を変えて、シリコーンゴムが破壊する課電ストレス（ｋＶ／ｍｍ）を求めた。
図７に上記試験結果を示す。同図において、横軸は時間（分）、縦軸は課電ストレス（ｋＶ／ｍｍ）であり、同図の黒丸は試料が破壊したときの時間（分）、課電ストレスをプロットしたものであり、また、白丸は破壊しなかった試料を示している。また、同図の実線は寿命指数ｎ＝１７の直線を示している。
ここで、一般に電気絶縁材料の寿命に関して、以下の式（１）で整理できることが知られている。なお、Ｖは課電電圧、ｔは課電時間、ｎは上記寿命指数と呼ばれ試料の長期課電特性である寿命指数を示すパラメータであり、通常ｎが１５以上であれば、長期使用に耐えることができると言われている。
【００２０】
Ｖn ・ｔ＝一定 （１）
図７から明らかなように、本実施例で使用したシリコーンゴムの寿命指数ｎは１５以上であり、長期特性を有することが確認された。
以上の試験により、本実施例で使用したシリコーンゴムが高圧用ＣＶケーブルの付属品材料として充分な耐電圧特性、長期特性を有することが確認された。
【００２１】
次に、上記シリコーンゴムを用いた高圧ケーブル用常温収縮型ゴムユニットと電力ケーブルとの接触面の面圧と破壊ストレスに関係について検討した。
上記構成のゴムユニットの各部位におけるストレスとしては、前記図３に示す次の各部位である。
(1) 内導電極平坦部ストレス：τ１
(2) 内導電極先端部ストレス：τ２
(3) 界面沿層ストレス ：τ３
(4) 界面立ち上がりストレス：τ４
これらの部位におけるストレス・バランスを考慮して電界解析によりゴムユニットの最適形状を決定したが、これらの部位の内、最もクリティカルな部分は、上記(2) のτ２、(4) のτ４である。
【００２２】
そこで、上記τ２、τ４について、界面モデル試料を用いて嵌合面圧に対する破壊ストレスを調べた。その結果、シリコーンゴムを用いたゴムユニットでは、嵌合面圧を０．４ｋｇ／ｃｍ2 以上とすれば必要十分な耐圧特性が得られることが分かった。
次に、本実施例で使用したシリコーンゴムで形成されたゴムユニットについて、ケーブル装着時の嵌合面圧の低下率を調べた。その結果、嵌合面圧の低下は、６ヶ月経過しても見られなかった。さらに、想定される最も厳しい使用条件下（導体温度９０°Ｃで３０年間使用）での、３０年経過したときの面圧を試算したところ、面圧低下は初期面圧に対して４０％以内であり、６０％以上になることが分かった。
【００２３】
図８はケーブル絶縁体表面とゴムユニット内面の界面における面圧設計の概念図である。同図に示すように、ゴムユニットを拡径部材で拡径した拡径状態で２年間保管しておくと面圧は約４０％低下する。また、上記拡径状態で保管したゴムユニットをケーブルに装着すると、時間の経過とともにケーブル絶縁体表面とゴムユニット内面の界面面圧は低下していき、約３０年使用することを想定すると面圧は、上記したように更に約４０％低下し、ケーブル装着時の初期嵌合面圧に対して約６０％になる。
【００２４】
本実施例においては、上記面圧の変化を考慮して、ゴムユニット１の締めばめ率〔（ケーブル装着時のゴムユニットの内径−素管状態のゴムユニット１の内径）／（ケーブル装着時のゴムユニットの内径）〕と、ゴムユニット１の材質等を適宜選定し、ケーブル絶縁体３ａとゴムユニット１の絶縁層１ｂと間の初期嵌合面圧（ケーブル装着時）が、０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 となるようにした。これにより、前記したように、３０年経過後であっても、０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 の面圧を確保することができ、絶縁性能を確保することができるともに、防水性能を確保することができた。
【００２５】
次に、本発明を１１０ｋＶの高圧電力ケーブルの接続部の絶縁に適用した場合の具体例について説明する。
本発明を適用したケーブルの絶縁体外径は５９ｍｍであり、これに対し素管状態のゴムユニットの内径を４１．３ｍｍ、外径を１５４．０ｍｍとした。締めばめ直径差は１７．７ｍｍ（＝５９−４１．３）であり、締めばめ率は３０％である。ゴムユニットの材質は前記したシリコーンゴムであり、ポアソン比は０．４８、縦弾性係数は６．５である。また、上記ゴムユニットをケーブル接続部に装着した後のゴムユニットの外径は１５９．７ｍｍであった。
【００２６】
上記ゴムユニットをケーブルに装着したのち、ゴムユニット内部に埋め込んだ面圧センサにより初期嵌合面圧を測定した。その結果、ケーブル絶縁体とゴムユニットの絶縁層と間（図３のＡ部分）の嵌合面圧は、１．７０ｋｇｆ／ｃｍ2 であった。
次に、上記ゴムユニットを拡径保持部材上に保持した状態でヒートサイクルを繰り返す加速試験を行い、拡径した状態で２年間保管した場合の面圧変化を調べた。
その結果、ゴムユニットを拡径保持部材上に保持した状態で２年間保管したのち、ケーブル上に装着した場合の前記Ａ部分の嵌合面圧は０．９３ｋｇｆ／ｃｍ2 であった。
【００２７】
一方、３０年経過した後の嵌合面圧の低下を試算したところ、前記したように、３０年経過後には、嵌合面圧はほぼ４０％低下し、初期嵌合面圧の６０％となることがわかった。
したがって、初期嵌合面圧が０．９３ｋｇｆ／ｃｍ2 の場合、３０年後の面圧は０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 となり、前記した０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上を十分確保できることが確認された。
以上のことから、ゴムユニットを上記構成とすれば、拡径した状態で２年間保管したのちケーブルに装着しても、必要な嵌合面圧を確保できることが確認された。
【００２８】
一方、嵌合面圧を０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 としたときの電気的性能を調べた。
実験では、内径がφ２８．１ｍｍゴムユニットを次の３種類のケーブルに装着し、ＡＣ破壊試験、インパルス電圧破壊試験を行った。
(1) ケーブル絶縁外径：φ３１ｍｍ（２２ｋＶケーブル２００ｓｑ）
嵌合面圧：０．４ｋｇｆ／ｃｍ2
(2) ケーブル絶縁外径：φ３３ｍｍ（２２ｋＶケーブル２５０ｓｑ）
嵌合面圧：０．６９ｋｇｆ／ｃｍ2
(3) ケーブル絶縁外径：φ４０ｍｍ（６６ｋＶケーブル４００ｓｑ）
嵌合面圧：１．７ｋｇｆ／ｃｍ2
【００２９】
その結果、それぞれの破壊値より得られた電気的ストレスが、所望の電気的性能を確保することが可能な設計ストレスを満足することが確認され、嵌合面圧が０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 であれば、電気的絶縁性能を充分確保できることがわかった。なお、ケーブルとゴムユニットの間の気密を保持するためにも嵌合面圧として０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度が必要であり、これより嵌合面圧が小さくなると防水性能の面でも問題がでてくる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例のゴムユニット（素管）の構成を示す図である。
【図２】図１のゴムユニットを拡径支持部材上に拡径支持した状態を示す図である。
【図３】図１のゴムユニットをケーブル接続部に装着した状態を示す図である。
【図４】シリコーンゴムの耐電圧特性を調べるために用いたリセスシートを示す図である。
【図５】本発明の実施例のシリコーンゴムのＡＣ破壊試験結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例のシリコーンゴムのＩｍｐ破壊試験結果を示す図である。
【図７】本発明の実施例のシリコーンゴムの寿命検証試験（Ｖ−ｔ試験）を示す図である。
【図８】ケーブル絶縁体表面とゴムユニット内面の界面における面圧設計の概念図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ ゴムユニット
１ａ 内部半導電層
１ｂ 絶縁層
１ｃ 外部半導電層
２ 拡径支持部材
３ ケーブル
３ａ ケーブル導体
３ｂ ケーブル絶縁体
４ 導体接続管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、架橋ポリエチレン絶縁電力ケーブル等の電力ケーブル接続部の絶縁等に用いられる常温収縮型ゴムユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ＣＶケーブル用中間接続部には、押出モールド型、プレハブ型、テープ巻きモールド型、テープ巻き型と様々な種類の構造が適用されている。これらに加えて、近年、ゴムモールド技術の著しい進歩により、施工性に優れたワンピースのゴムブロック型ジョイント（ＲＢＪ）が開発され、この適用が急速に拡大しつつある。現在のゴムブロック型ジョイントの主流はエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）製である（例えば特許文献１参照）。 上記したゴムブロック型ジョイントを用いて、例えば６６ｋＶ以上の高圧電力ケーブル（以下、必要に応じてケーブルと略記する）を接続する際には、現場にて接続部分にゴムユニットを装着して接続部を形成する現場施工方式が用いられていた。
【特許文献１】国際公開第９７／０８８０１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来方式は現場にて施工を行うため、施工にかなり時間がかかり、また施工のための作業スペースを確保する必要もあった。
また、現場にて施工を行う場合、ゴムユニット内に入り込む異物等の管理を充分に行うことができず、異物を巻き込んだまま接続作業が行われる危険性があった。
一方、現場での施工を容易にするため、予め工場でゴムユニットを拡径保持部材により拡径しておき、現場で拡径されたゴムユニットから拡径保持部材を除去することによりゴムユニットをケーブル接続部に装着する方法が知られている。 しかし、従来から使用されていたこの種のゴムユニットは、電圧階級の低いケーブルに適用されるものであって、６６ｋＶ以上の高圧電力ケーブルに使用できるものは実用化されていなかった。
【０００４】
本発明は上記した問題点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、現場での施工が容易で、６６ｋＶ以上の高圧電力ケーブルの接続部に適用することができる常温収縮型ゴムユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
近年、高耐熱、低応力緩和（永久伸びが小）、低硬度等、多くの点でエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）より優れているシリコーンゴム（ＳｉＲ）の機械的特性の向上はめざましいものがある。
シリコーンゴムは、長い間、引き裂き力が低いという問題点を抱えていたが、近年の技術的な進歩に伴い、高い引き裂き力を有するシリコーンゴムが開発されるに至った。そこで、本発明者らは、このシリコーンゴムの可能性に着目し、高圧電力ケーブル用工場拡径方式の常温収縮型ゴムユニットの適用について検討した。
【０００６】
その結果、シリコーンゴムは、その温度特性、弾性率、永久伸び特性の物性面において、前記したエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）と比較して優れた特性を有し、特に、永久伸び特性において、工場拡径方式の常温収縮型ゴムユニットに適用する上で優れた特性を有することがわかった。また、シリコーンゴムは加硫前は液状であり、成形性についても上記ＥＰＲと比較して極めて優れている。
一方、実験等によれば、ゴムユニットの絶縁部分の嵌合面圧として０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上確保できれば、高圧電力ケーブルに必要な絶縁性能を確保できることが確認された。また、嵌合面圧として０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 あれば、防水性能を確保することもできる。
一般に、ゴムユニットをケーブルに装着後、ゴムユニットとケーブル間の嵌合面圧は時間とともに低下していく。シリコーンゴムを使用した場合、実験結果に基づく試算によれば、想定される導体温度（９０°Ｃ連続）、最も厳しい使用条件下では、３０年経過後には嵌合面圧の低下は４０％以下となり、初期嵌合面圧の６０％以上となることがわかった。したがって、３０年後の面圧を０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上とするためには、初期嵌合面圧として０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上を確保できればよい。
前記したシリコーンゴムを用いれば、上記初期嵌合面圧０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 を確保することができ、かつ、３０年経過しても上記０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の嵌合面圧を確保できる。
【０００７】
以上に基づき、本発明においては、次のようにして前記課題を解決する。
（１）ケーブル接続部に取り付けたとき、ケーブル絶縁体との接触面の面圧が０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるように形成したゴムユニットを予め工場で拡径保持部材上に拡径支持し、現場で拡径保持部材を取り除きゴムユニットを高圧電力ケーブルに装着する。
（２）上記ゴムユニットを、ケーブル絶縁体との接触面の面圧の低下率が、使用３０年間で４０％以下であるシリコーンゴムで形成する。
本発明においては、高圧電力ケーブルの接続作業において、ゴムユニットを予め工場で拡径保持部材上に拡径支持し、現場で拡径保持部材を取り除き高圧電力ケーブルの接続部に装着するようにしたので、現場での施工が容易となり、異物を巻き込んだまま接続作業が行われる危険性も回避することができる。特に、ゴムユニットの初期嵌合面圧を０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるようにしたので、３０年使用してもほぼ０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の嵌合面圧を確保することができ、必要な絶縁性能および防水性能を確保することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明においては、初期嵌合面圧が０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるよう形成したゴムユニットを、予め工場で拡径保持部材上に拡径支持し、現場で拡径保持部材を取り除き高圧電力ケーブルの接続部に装着するようにしたので、３０年近く使用してもほぼ０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度の嵌合面圧を確保することができ、高圧電力ケーブルにおける必要な電気的性能および防水性能を確保することができる。また、現場での施工が容易となり、異物を巻き込んだまま接続作業が行われる危険性も回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の実施例の高圧電力ケーブル用常温収縮型ゴムユニット１（素管）の構成を示す図である。ゴムユニット１は略円筒形状であり、内部半導電層１ａと、絶縁層１ｂと、外部半導電層１ｃから構成されている。ゴムユニット１はシリコンゴムを主体とする弾性部材で形成され、半導電層１ａ，１ｃにはカーボン等が混入され半導電性が付与されている。
ゴムユニット１の内径は、装着されるケーブル外形より小さく形成され、ゴムユニットをケーブルに装着したときの嵌合面圧は、ゴムユニット１を拡径することにより生ずる弾性により確保される。
【００１０】
図２は拡径保持部材によりゴムユニット１を拡径支持した状態を示す図である。同図において、２は拡径支持部材であり、ゴムユニット１は、予め工場において、同図に示すように拡径支持部材２上に拡径支持され、図２に示す状態で施工現場に運ばれる。
拡径支持部材２の内径は、装着するケーブルの外径より大きく形成されており、拡径支持部材２内にケーブルを挿入した際、拡径支持部材２はケーブル上を移動できる。
また、拡径支持部材２内にケーブルを挿入してゴムユニット１をケーブル接続部上に位置させたとき、拡径支持部材２がゴムユニット１から容易に引き抜けるようにするため、拡径支持部材２を例えば摩擦係数の小さな材料で構成したり、拡径支持部材２の表面に潤滑材等を塗布したり、また、拡径支持部材２とゴムユニット１の間に低摩擦係数材料を介在させたり、あるいは拡径支持部材２を解体して除去できるようにしておいてもよい。
【００１１】
図３はゴムユニット１をケーブル接続部に装着した状態を示す図である。
同図において、３はケーブル、３ａはケーブル絶縁体、３ｂはケーブル導体、４は導体接続管である。
ゴムユニット１を図３に示すようにケーブル接続部に装着するには、図２に示すように拡径支持部材２上に支持されたゴムユニット１内にケーブルを挿入したのち、接続される２本のケーブルのケーブル導体３ｂを導体接続管４で接続して接続部を形成する。ついで、拡径支持部材２上に支持されたゴムユニット１をケーブル接続部上に位置させ、拡径支持部材２を抜き取る。これにより、ゴムユニット１が縮径し、ゴムユニット１がケーブル接続部上に装着される。
【００１２】
本実施例の高圧ケーブル用常温収縮型ゴムユニットに適用したシリコーンゴムの物性値を、従来のエチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）との比較を合わせて、表１に示す。
【００１３】
【表１】
【００１４】
表１に示すように、本実施例で使用したシリコーンゴムは、上記ＥＰＲと較べて硬度が小さいが、引き裂き強さおよび永久伸び特性において優れており、特に永久伸び特性は、１００％伸長させたときＥＰＲでは３２．４％までしか戻らないのに対し、本実施例で使用したシリコーンゴムでは２．６％まで戻り、永久伸び特性において極めて優れた特性を示している。
本実施例で使用したシリコーンゴムは上記した永久伸び特性を備えているので、上記シリコーンゴムから形成されるゴムユニットを工場で予め拡径して保管しておいても、現場で電力ケーブルに装着したときゴムユニットの径を、ほぼ拡径前の状態に戻すことができる。このため、工場拡径方式のゴムユニットに適用しても、必要な初期嵌合面圧を確保することが可能である。
【００１５】
本実施例で使用したシリコーンゴムが、高圧電力ケーブルのゴムユニットに適用するに必要な耐電圧特性を備えているかを調べた。
シリコーンゴムの耐電圧特性を調べるため、図４に示す構造のリセスシートを用いた。同図（ａ）（ｂ）において、１１は高圧側電極、１２はエポキシ樹脂、１３は本実施例で使用したシリコーンゴムであり、シリコーンゴム１３には同図（ｂ）の拡大図を示すように半導電ゴム１３ａ，１３ｂが上面と下面に接着されており、絶縁体部分の厚さは１５０μｍ〜２００μｍである。
上記シリコーンゴム１３を図４に示すようにオイル中に設置し、シリコーンゴム１３の下面にアース電極１４を接触させ、高圧電極１１、アース電極１４間にＡＣ電圧、インパルス（Ｉｍｐ）電圧を印加してシリコーンゴムの電気的特性を調べた。試験条件は次の通りである。
【００１６】
(1) ＡＣ破壊試験
開始電圧 ：６ｋＶ／１０分
ステップ電圧：１ｋＶ／１０分
測定温度 ：室温、９０°Ｃ、１０５°Ｃ
測定試料数 ：各温度ｎ＝５
すなわち、上記各測定温度において、開始電圧を６ｋＶとしてＡＣ電圧を印加し、１０分毎に１ｋＶずつ電圧をステップ状に上昇させ、シリコーンゴムが絶縁破壊するＡＣ破壊ストレス（ｋＶ／ｍｍ）と温度依存性を調べた。
(2) インパルス（Ｉｍｐ）破壊試験
開始電圧 ：＋または− １４ｋＶ／３回
ステップ電圧：＋または− １ｋＶ／３回
測定温度 ：室温、９０°Ｃ
測定試料数 ：各温度ｎ＝５
すなわち、上記各測定温度において、開始電圧を＋または−１４ｋＶとして、＋または−１ｋＶずつ電圧を上昇／下降させながら、インパルス電圧を各電圧について３回印加して、シリコーンゴムが絶縁破壊するＩｍｐ破壊ストレス（ｋＶ／ｍｍ）を調べた。
【００１７】
図５、図６に上記試験結果を示す。図５は上記(1) の破壊試験の結果、図６は上記(2) の破壊試験の結果であり、横軸は温度（°Ｃ）、縦軸はそれぞれＡＣ破壊ストレス（ｋＶ／ｍｍ）、Ｉｍｐ破壊ストレス（ｋＶ／ｍｍ）である。なお、図５、図６において、同図中の縦棒で示した範囲内に破壊した試料がプロットされた。また、図６において、丸印は前記した高圧側電極１１に正電圧を印加した場合の破壊ストレスを示し、三角印は前記した高圧側電極１１に負電圧を印加した場合の破壊ストレスを示している。
【００１８】
図５に示すように、ＡＣ破壊試験においては１０５°Ｃまでの範囲において、シリコーンゴムのＡＣ破壊ストレスに温度依存性はほとんど見られなかった。
また、図６に示すように、Ｉｍｐ破壊試験においては、Ｉｍｐ破壊ストレスに極性による違いはほとんどみられなかった。しかしながら、ＡＣ破壊試験では見られなかった温度依存性が正負いずれの極性においても確認された。但し、温度係数（図６において室温における破壊ストレスの平均値をＡ、９０°Ｃにおける破壊ストレスの平均値をＢとしたとき、Ａ／Ｂ）は、いずれも１．１と小さかった。
【００１９】
次に、上記シリコーンゴムの寿命検証試験を行った。
寿命検証試験（Ｖ−ｔ試験）は、前記図４に示した構造の試験装置を用い、課電時間（分）を変えて、シリコーンゴムが破壊する課電ストレス（ｋＶ／ｍｍ）を求めた。
図７に上記試験結果を示す。同図において、横軸は時間（分）、縦軸は課電ストレス（ｋＶ／ｍｍ）であり、同図の黒丸は試料が破壊したときの時間（分）、課電ストレスをプロットしたものであり、また、白丸は破壊しなかった試料を示している。また、同図の実線は寿命指数ｎ＝１７の直線を示している。
ここで、一般に電気絶縁材料の寿命に関して、以下の式（１）で整理できることが知られている。なお、Ｖは課電電圧、ｔは課電時間、ｎは上記寿命指数と呼ばれ試料の長期課電特性である寿命指数を示すパラメータであり、通常ｎが１５以上であれば、長期使用に耐えることができると言われている。
【００２０】
Ｖn ・ｔ＝一定 （１）
図７から明らかなように、本実施例で使用したシリコーンゴムの寿命指数ｎは１５以上であり、長期特性を有することが確認された。
以上の試験により、本実施例で使用したシリコーンゴムが高圧用ＣＶケーブルの付属品材料として充分な耐電圧特性、長期特性を有することが確認された。
【００２１】
次に、上記シリコーンゴムを用いた高圧ケーブル用常温収縮型ゴムユニットと電力ケーブルとの接触面の面圧と破壊ストレスに関係について検討した。
上記構成のゴムユニットの各部位におけるストレスとしては、前記図３に示す次の各部位である。
(1) 内導電極平坦部ストレス：τ１
(2) 内導電極先端部ストレス：τ２
(3) 界面沿層ストレス ：τ３
(4) 界面立ち上がりストレス：τ４
これらの部位におけるストレス・バランスを考慮して電界解析によりゴムユニットの最適形状を決定したが、これらの部位の内、最もクリティカルな部分は、上記(2) のτ２、(4) のτ４である。
【００２２】
そこで、上記τ２、τ４について、界面モデル試料を用いて嵌合面圧に対する破壊ストレスを調べた。その結果、シリコーンゴムを用いたゴムユニットでは、嵌合面圧を０．４ｋｇ／ｃｍ2 以上とすれば必要十分な耐圧特性が得られることが分かった。
次に、本実施例で使用したシリコーンゴムで形成されたゴムユニットについて、ケーブル装着時の嵌合面圧の低下率を調べた。その結果、嵌合面圧の低下は、６ヶ月経過しても見られなかった。さらに、想定される最も厳しい使用条件下（導体温度９０°Ｃで３０年間使用）での、３０年経過したときの面圧を試算したところ、面圧低下は初期面圧に対して４０％以内であり、６０％以上になることが分かった。
【００２３】
図８はケーブル絶縁体表面とゴムユニット内面の界面における面圧設計の概念図である。同図に示すように、ゴムユニットを拡径部材で拡径した拡径状態で２年間保管しておくと面圧は約４０％低下する。また、上記拡径状態で保管したゴムユニットをケーブルに装着すると、時間の経過とともにケーブル絶縁体表面とゴムユニット内面の界面面圧は低下していき、約３０年使用することを想定すると面圧は、上記したように更に約４０％低下し、ケーブル装着時の初期嵌合面圧に対して約６０％になる。
【００２４】
本実施例においては、上記面圧の変化を考慮して、ゴムユニット１の締めばめ率〔（ケーブル装着時のゴムユニットの内径−素管状態のゴムユニット１の内径）／（ケーブル装着時のゴムユニットの内径）〕と、ゴムユニット１の材質等を適宜選定し、ケーブル絶縁体３ａとゴムユニット１の絶縁層１ｂと間の初期嵌合面圧（ケーブル装着時）が、０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 となるようにした。これにより、前記したように、３０年経過後であっても、０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 の面圧を確保することができ、絶縁性能を確保することができるともに、防水性能を確保することができた。
【００２５】
次に、本発明を１１０ｋＶの高圧電力ケーブルの接続部の絶縁に適用した場合の具体例について説明する。
本発明を適用したケーブルの絶縁体外径は５９ｍｍであり、これに対し素管状態のゴムユニットの内径を４１．３ｍｍ、外径を１５４．０ｍｍとした。締めばめ直径差は１７．７ｍｍ（＝５９−４１．３）であり、締めばめ率は３０％である。ゴムユニットの材質は前記したシリコーンゴムであり、ポアソン比は０．４８、縦弾性係数は６．５である。また、上記ゴムユニットをケーブル接続部に装着した後のゴムユニットの外径は１５９．７ｍｍであった。
【００２６】
上記ゴムユニットをケーブルに装着したのち、ゴムユニット内部に埋め込んだ面圧センサにより初期嵌合面圧を測定した。その結果、ケーブル絶縁体とゴムユニットの絶縁層と間（図３のＡ部分）の嵌合面圧は、１．７０ｋｇｆ／ｃｍ2 であった。
次に、上記ゴムユニットを拡径保持部材上に保持した状態でヒートサイクルを繰り返す加速試験を行い、拡径した状態で２年間保管した場合の面圧変化を調べた。
その結果、ゴムユニットを拡径保持部材上に保持した状態で２年間保管したのち、ケーブル上に装着した場合の前記Ａ部分の嵌合面圧は０．９３ｋｇｆ／ｃｍ2 であった。
【００２７】
一方、３０年経過した後の嵌合面圧の低下を試算したところ、前記したように、３０年経過後には、嵌合面圧はほぼ４０％低下し、初期嵌合面圧の６０％となることがわかった。
したがって、初期嵌合面圧が０．９３ｋｇｆ／ｃｍ2 の場合、３０年後の面圧は０．５６ｋｇｆ／ｃｍ2 となり、前記した０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 以上を十分確保できることが確認された。
以上のことから、ゴムユニットを上記構成とすれば、拡径した状態で２年間保管したのちケーブルに装着しても、必要な嵌合面圧を確保できることが確認された。
【００２８】
一方、嵌合面圧を０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 としたときの電気的性能を調べた。
実験では、内径がφ２８．１ｍｍゴムユニットを次の３種類のケーブルに装着し、ＡＣ破壊試験、インパルス電圧破壊試験を行った。
(1) ケーブル絶縁外径：φ３１ｍｍ（２２ｋＶケーブル２００ｓｑ）
嵌合面圧：０．４ｋｇｆ／ｃｍ2
(2) ケーブル絶縁外径：φ３３ｍｍ（２２ｋＶケーブル２５０ｓｑ）
嵌合面圧：０．６９ｋｇｆ／ｃｍ2
(3) ケーブル絶縁外径：φ４０ｍｍ（６６ｋＶケーブル４００ｓｑ）
嵌合面圧：１．７ｋｇｆ／ｃｍ2
【００２９】
その結果、それぞれの破壊値より得られた電気的ストレスが、所望の電気的性能を確保することが可能な設計ストレスを満足することが確認され、嵌合面圧が０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 であれば、電気的絶縁性能を充分確保できることがわかった。なお、ケーブルとゴムユニットの間の気密を保持するためにも嵌合面圧として０．４ｋｇｆ／ｃｍ2 程度が必要であり、これより嵌合面圧が小さくなると防水性能の面でも問題がでてくる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例のゴムユニット（素管）の構成を示す図である。
【図２】図１のゴムユニットを拡径支持部材上に拡径支持した状態を示す図である。
【図３】図１のゴムユニットをケーブル接続部に装着した状態を示す図である。
【図４】シリコーンゴムの耐電圧特性を調べるために用いたリセスシートを示す図である。
【図５】本発明の実施例のシリコーンゴムのＡＣ破壊試験結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例のシリコーンゴムのＩｍｐ破壊試験結果を示す図である。
【図７】本発明の実施例のシリコーンゴムの寿命検証試験（Ｖ−ｔ試験）を示す図である。
【図８】ケーブル絶縁体表面とゴムユニット内面の界面における面圧設計の概念図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ ゴムユニット
１ａ 内部半導電層
１ｂ 絶縁層
１ｃ 外部半導電層
２ 拡径支持部材
３ ケーブル
３ａ ケーブル導体
３ｂ ケーブル絶縁体
４ 導体接続管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め工場で拡径保持部材上に拡径支持された高圧用電力ケーブルに使用される常温収縮型ゴムユニットであって、
ケーブル接続部に取り付けたとき、ケーブル絶縁体との接触面の面圧が０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるように形成した
ことを特徴とする常温収縮型ゴムユニット。
【請求項２】
常温収縮型ゴムユニットは、ケーブル絶縁体との接触面の面圧の低下率が、使用３０年間で４０％以下であるシリコーンゴムで形成されていることを特徴とする請求項１の常温収縮型ゴムユニット。
【請求項１】
予め工場で拡径保持部材上に拡径支持された高圧用電力ケーブルに使用される常温収縮型ゴムユニットであって、
ケーブル接続部に取り付けたとき、ケーブル絶縁体との接触面の面圧が０．６７ｋｇｆ／ｃｍ2 以上となるように形成した
ことを特徴とする常温収縮型ゴムユニット。
【請求項２】
常温収縮型ゴムユニットは、ケーブル絶縁体との接触面の面圧の低下率が、使用３０年間で４０％以下であるシリコーンゴムで形成されていることを特徴とする請求項１の常温収縮型ゴムユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３２０１９７（Ｐ２００６−３２０１９７Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１３０６２（Ｐ２００６−２１３０６２）
【出願日】平成１８年８月４日（２００６．８．４）
【分割の表示】特願平１１−１７６３５９の分割
【原出願日】平成１１年６月２３日（１９９９．６．２３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月４日（２００６．８．４）
【分割の表示】特願平１１−１７６３５９の分割
【原出願日】平成１１年６月２３日（１９９９．６．２３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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