架橋ポリエチレンにおける印加電圧極性反転にともなう電荷注入メカニズムの検討

摘要

近年，都市部における電力需要の増加にともない，陸地から遠く離れた沖合の発電施設などから都市部に電力を送電する，長距離送電が必要となっている。都市部のような比較的近距離の送電において主流となっている交流送電は，長距離送電においては送電損失が大きく，系統の不安定性が懸念される。また今後活用が重要視されている風力や太陽光といった再生可能エネルギーを利用した発電方式を含む電力ネットワークでは，交流で発電された電力を一旦直流に変換して送電する必要があるため，長距離送電には直流送電が使用される。ただし直流送電では，交流で発電された電力を直流に変換し，受電端では直流を交流に変換しなければならないため，変換器のコストの問題があるが，送電損失は交流送電に比べて少なく，安定した送電が行えるため長距離送電においては有効的である。こうした背景を基に，ヨーロッパを中心に直流で電力ネットワークを構築するHVDC（High Voltage Direct Current）構想が活発化しており，長距離直流送電はこれを実現するために重要である。またHVDC構想では，大陸間をまたいで接続することも計画されているため，架空線ではなく海底ケーブルによる送電を実現する必要があり，固体高分子絶縁材料であるXLPE（Cross-Linked Polyethylene）ケーブルの使用が求められている。なお，直交変換器においては，他励式と自励式の2種類の方式があるが，他励式直交変換システムを用いたHVDC構想においては，電力の潮流方向を反転させる場合，送電·受電端の整流器とインバータの役割を反転させる際に，電圧の極性を反転させる必要がある。したがって，ケーブル絶縁材料であるXLPEに印加される電圧の極性が反転する。しかし，XLPEは極性反転時に空間電荷が蓄積し，絶縁破壊する可能性があると言われている。そこで筆者らは，これまでパルス静電応力法（PEA法：Pulsed Electro-Acoustic method）を用いて極性反転がXLPEの空間電荷挙動に与える影響を調査してきたが，その結果，極性反転時に多量のパケット状正電荷がXLPE内部に注入され，局所的に電界が強調され，平均印加電界の2倍以上の電界が発生する場合があることがわかっている。ただし，このパケット状電荷の発生に関しては不明な点も多いので，本報告では，まず各極性印加時間の長さが極性反転後の空間電荷挙動に与える影響を調査した。さらに，極性反転前後のXLPE内部の空間電荷挙動と電界の変歪に着目し，極性反転時にパケット状電荷が注入する要因に関して調査した結果を報告する。