KR100323179B1 - 케이블절연구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 제3층으로 덮혀진 전기 절연성 제2 층으로 둘러싸이고, 케이블 코어와 동축으로 접촉하는 반도체 제1 층을 적어도 포함하는 케이블 절연 구조에 있어서, 상기 반도체층들은 분자량이 1000보다 큰 성분들을 갖는 비극성 중합체를 포함하는 매트릭스와 전도성 충진제로만 구성된 케이블 절연 구조로 구성된다.
Description
본 발명은 직류 또는 교류용 중간 전압, 고전압 및 초고전압 케이블용 절연구조에 관한 것이다.
일반적으로, 이런 케이블은 동축 절연 구조로 둘러싸인 도전성 코어로 구성된다. 이 구조는 케이블 코어와 접촉하는 제1 반도체 층을 적어도 포함하고, 이 제1 반도체 층은 제2 전기적 절연층으로 둘러싸이며, 이는 다시 제3 반도체 층으로 덮이게 된다. 또다른 외부 층들이 케이블을 보호한다.
일반적으로, 이들 절연층은 고-밀도 또는 저-밀도 폴리에틸렌, 가교된 (cross-linked) 폴리에틸렌 또는 메틸렌 주 체인을 갖는 에틸렌-프로필렌-디엔 터폴리머(EPDM)을 기초로 한다.
일반적으로, 반도체 층은 극성 매트릭스를 포함하고, 카본 블랙이 로드 (loaded)된 에틸렌 및 알킬 아크릴레이트의 공중합체를 포함한다. 퍼센트 로딩은 사용된 카본 블랙의 성질에 따라 변화한다. 아세틸렌 블랙 또는 노 블랙(furnace black)에 대해 이것은 일반적으로 28%와 40% 사이이다.
이러한 종류의 케이블의 유전 강도는 반도체 층과 절연층 사이의 계면의 질에 따라 크게 다르다. 이 계면에서 약간의 꺼칠꺼칠함은 전계를 증가시킬 수 있고 절연층의 절연 파괴 및 관통을 일으킨다.
일반적으로, 현재 사용하고 있는 고전압 케이블의 반도체 층의 매트릭스를 압출하는 동안 가능한 한 부드러운 개면을 얻기 위하여, 아주 넓은 분자량 분포 및 약 17의 고용융 지수를 갖는 중합체를 사용한다 (고용융 지수는 저 분자량의 존재를 나타내고, 용융 지수는 표준 ASTM D1238 또는 NFT 51-016에 따라 측정된다). 그러나, 공간 전하들이 반도체 층 근처의 절연 층에서 관측되었고, 이들 전하의 축적은 절연체의 유전 강도를 가능하게는 절연 파괴점에 이르기까지 감소시킨다.
몇몇 반도체 제조업자는 에틸렌 공중합체(EPR: 에틸렌-프로필렌 열가소성 탄성중합체, 또는 EPDM: 메틸렌 주 체인을 갖는 에틸렌-프로필렌-디엔 터폴리머)를 기초로 한 비극성 매트릭스를 사용하고, 반도체 층 표면상에서 양질의 표면 처리를 촉진하기 위하여 오일 또는 가소제를 여기에 첨가한다. 이런 오일 또는 가소제는 절연층속으로 확산하여, 반도체 층과 절연층 사이의 계면에서 유전 강도가 감소된 영역을 생기게 하며, 여기서 전계는 가장 높게 된다.
본 발명의 목적은 종래에 비해 더 안정된 유전 특성을 갖는 직류 또는 교류용 중간 전압, 고전압 및 초고전압 케이블 절연 구조를 제공하는 것이다.
본 발명은 제3 반도체 층으로 덮인 전기적으로 절연성인 제2 층으로 둘러싸이고, 케이블 코어와는 동축으로 접촉하는 제1 반도체 층을 적어도 포함하는 케이블 절연 구조로 구성된다. 상기 반도체 층들은 분자량 1,000 이상의 구성 성분을 갖는 비극성 중합체와 도전성 전하를 포함하는 매트릭스를 독점적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.
양호하게는, 매트릭스의 구성 성분은 5,000을 초과하는 분자량을 갖는다.
반도체 층이 오일 또는 가소제와 같은 저 분자량 물질 또는 첨가제를 포함하면, 이 물질들은 절연층으로 이동한다. 이 현상은 전계를 강화하는 공간 전하의 형성을 일으키고 결국 절연 파괴를 일으킬 수 있다. 전계의 강화는 형성된 전하량에관련되고 전하 이동도에도 관련된다: 균일하게 분포된 소정 전하량은 동일한 양의 전하가 국부화되는 경우만큼은 전계를 강화시키지 않는다. 이러한 전하 이동은 케이블의 설치 또는 사용시에 발생할 수 있다.
고 분자량의 물질만으로 구성된 본 발명의 구성을 갖는 반도체 층을 사용함으로써, 전하가 절연층으로 이동하여 결과적으로 계면 근처에 공간 전하가 축적되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 매트릭스는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 이들의 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 이의 공중합체로부터 선택된 중합체의 합금, 및 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 이의 공중합체 및 전술한 합금들로부터 선택된 물질들의 혼합물들로부터 선택된다.
본 발명의 제2 실시예에서, 매트릭스는 폴리올레핀 열가소성 탄성중합체 및 이의 혼합물로부터 선택된다.
매트릭스를 구성하는 중합체를 선택 사용함으로써, 절연층과의 계면의 성질, 얻어진 반도체 층의 기계적인 특성들을 첨가제를 사용하지 않고도 조정할 수 있다.
본 발명의 장점은 저 분자량인 물질의 이동을 제거함으로써 절연 구조의 유전 특성을 안정화시킨다는 것이다. 결국, 여러가지 층 사이의 계면의 성질은 덜 중요해진다.
전하는 최소한의 가능한 불순물을 포함하는 카본 블랙이다. 노 블랙 또는 "KETJEN" 블랙이 사용될 수 있지만, 양호하게는 아세틸렌 블랙이 휠씬 순수하기때문에 선택될 수 있다.
몇가지 경우에서, 매트릭스는 가교제를 더 포함한다. 이 물질이 압출된 후 그것의 열기계적 특성들을 향상시키기 위해 이것은 가교될 수 있다. 이들 특성들은 교류 케이블에서 특히 중요한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면과 관련하여 설명된 다음의 예시적이고 비제한적 예로부터 알 수 있을 것이다.
압력 파 테스트가 제1도에 도시한 설비를 사용하여 수행된다. 이 테스트는 절연 구조의 전계의 강화를 테스트한다.
압력 파 테스트를 위한 절연 구조의 샘플 1은 제2도에 평면도로, 제3도에 단면도로 각각 도시되어 있다. 20 mm의 직경 A를 가진 원형 표면상에 다음이 적층된다.
- 0.5 mm의 두께 B를 갖는 반도체 제1층(2),
- 0.8 mm의 두께 C를 갖는 전기 절연성 제2 층(3),
- 층 2와 동일한 반도체 제3층(4)
제1도에 도시된 설비는 "YAg" 레이저(10)을 포함하는데, 이 레이저로부터 빔은 샘플 1에 대응하는 타겟(11)으로 향하게 되고, 샘플 1의 각각의 반도체 층은 (+) 또는 (-) 전극을 구성한다. (-) 전극(2)의 표면에서 흡수된 빔은 이 표면의 열분해(pyrolysis)를 발생시키고, 방출된 가스들은 샘플을 통과하는 압력 파를 발생시킨다. 이 파는 전극들에 있는 영상 전하를 변조시키고, 샘플의 체적 전하 밀도의 표시를 제공한다.
포토다이오드(12)는 검출기(13)을 레이저(10)에 동기시키는데 사용된다. 회로에는 저항(15)를 포함하는 고전압 전원(14)에 의해 전원이 공급된다. 로그(log)된 데이타는 컴퓨터(16)로 처리하기 위해 전송되고 플로터(17)상에 시간의 함수로서 디스플레이된다. 레이저(10)은 타겟(11)에 파를 인가하여 공간 전하의 출현 및 전계 분포의 수정을 발생시키기고, 이는 다음에 검출기(13)에 의해 측정된다.
예 1
제2도에 도시한 샘플과 유사한, 종래 기술의 절연 구조의 샘플이 준비되었고,
- 8의 용융 지수와 20%의 에스테르 양을 갖는 에틸렌과 알킬 아크릴레이트의 공중합체에 기초하고, 매트릭스의 100 중량부당 66 중량부의 비율로 아세틸렌 블랙의 전하가 부가된 극성 매트릭스를 포함하는 반도체 제1층,
- 올레핀 열가소성 탄성중합체를 포함하는 전기 절연성 제2층,
- 제1층과 동일한 반도체 제3 층을 포함한다.
다음에 이 샘플은 제1도에 도시한 설비를 사용하여 압력 파 테스트를 받았다. 많은 양의 음 전하가 음극(2)에 나타났다. 전계의 강화는 20%를 초과하였고 전하는 전압이 분리된 후 수 시간 동안 물질내에 트랩되어 남아있었다.
예 2
제1도에 도시한 샘플과 유사한 종래 기술의 절연 구조의 예가 준비되었고,
- 8의 용융 지수와 20%의 에스테르 양을 갖는 에틸렌 및 알킬 아르릴레이트의 공중합체에 기초하고, 매트릭스의 100 중랑부당 66 중량부의 비율로 아세틸렌 블랙의 전하가 부가된 극성 매트릭스를 포함하는 반도체 제1층,
- 화학적으로 가교된 폴리에틸렌을 포함하는 전기 절연성 제2층,
- 제1층과 동일한 반도체 3층을 포함한다.
이 샘플은 제1도에 도시된 설비를 사용하여 압력 파 테스트를 받았다. 많은 양의 음 전하가 음극(2) 근처에 나타났고, 전압이 분리된 후에 절연층의 매트릭스에 트랩되어 남았다. 전계의 강화는 20%를 초과하였다.
예 3
제2도에 도시된 샘플과 유사한, 본 발명의 절연 구조의 샘플이 준비되었고,
- 매트릭스의 100 중량부당 66 중량부의 비율로 아세틸렌 블랙의 전하가 부가되고, 2의 용융 지수와 1.1 ×106을 중심으로 하여 103내지 107사이의 분자량을 갖는 폴리에틸렌(PE) 20% 및 에틸렌 중량으로 약 50%를 포함하고 40 정도의 "MOONEY" 점도(표준 NFT 43005에 따라 측정)와 1.2 ×105을 중심으로 하여 103내지 107사이의 분자량을 갖는 에틸렌과 프로필렌의 공중합체 80%를 포함하는 비극성 매트릭스를 포함하는 제1 반도체층,
- 화학적으로 가교된 폴리에틸렌을 포함하는 전기 절연성 제2 층,
제1 층과 동일한 반도체 제3층을 포함한다.
다음에 이 샘플은 제1 도에 도시한 설비를 사용하여 압력 파 테스트를 받았다. 전계의 강화는 10% 미만이었고, 전압 분리후 절연층 내에 트랩된 전하는 없었다.
예 4
제2도에 도시한 샘플과 유사한 본 발명의 절연 구조의 샘플이 준비되었고,
- 매트릭스의 100 중량부당 66 중량부의 비율로 아세틸렌 블랙의 전하가 부가되고, 2의 용융 지수와 1.1 ×106에서 집중된 분자량을 갖는 20%의 폴리에틸렌 (DD) 및 에틸렌 중량으로 약 50%를 함유하고 40 정도의 "MOONEY" 점도(표준 NFT43005에 따름)와 103내지 107이되 1.2 ×105에서 집중된 분자량을 갖는 에틸렌과 프로필렌의 공중합체를 80% 포함하는 비극성 매트릭스를 포함하는 반도체 제1 층,
- 올레핀 열가소성 탄성중합체를 포함하는 전기 절연성 제2층,
- 제1층과 동일한 반도체 제3층을 포함한다.
이 샘플은 다음에 제1도에 도시한 설비를 사용하여 압력 파 테스트를 받았다. 전계의 강화는 10% 미만이었고 전압이 분리된 후 절연 물질내에 트랩된 전하는 없었다.
예 5(비교)
예 4에 기술된 것과 유사한 샘플이 준비되었으나, 반도체 층 매트릭스에 부가된 파라핀 오일의 매트릭스에 비해 5 중량%를 가졌다.
다음에 이 샘플은 제1도에 도시한 설비를 사용하여 압력 파 테스트를 받았다. 이 경우에 전계의 강화는 140% 이었다.
물론, 본 발명은 기술된 실시예에 제한되지 않고 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 본 기술 분야에 숙련된 자들에게 멍백한 여러가지 방식으로 변화될 수 있다. 특히, 임의의 수단이 발명의 범위를 벗어나지 않고서 해당 수단과 대체될 수있다.
제1도는 압력 파 테스트 설비를 도시하는 블럭도.
제2도는 압력 파 테스트에 대한 절연 구조의 샘플을 도시하는 평면도.
제3도는 제2도의 샘플의 개략적인 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 샘플
2 : 반도체 제1 층
3 : 전기 절연성 제2 층
10 : 레이저
11 : 타겟
12 : 포토다이오드
13 : 검출기
14 : 전원
15 : 저항
17 : 플로터
Claims (6)
- 적어도 케이블 코어와 동축으로 접촉하는 반도체 제1층, 전기 절연성 제2층, 및 반도체 제3층을 포함하며, 여기서 상기 전기 절연성 제1층은 상기 전기 절연성 제2층에 의해서 둘러싸여 있고, 상기 전기 절연성 제2층은 상기 반도체 제3층에 의해 덮여 있는 케이블 절연 구조에 있어서,상기 반도체층들은, 그 성분들이 상기 전기 절연성 층으로 이동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 성분들의 분자량이 1000보다 큰 비극성 중합체를 포함하는 매트릭스와 도전성 충진제로만 구성된 것을 특징으로 하는 케이블 절연 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 매트릭스의 상기 성분들은 5000보다 큰 분자량을 갖는 것을 특징으로 하는 케이블 절연 구조.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 매트릭스는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 이들의 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 이들의 공중합체로부터 선택된 중합체의 합성물, 및 상기 물질들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 케이블 절연 구조.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 매트릭스는 폴리올레핀 열가소성 탄성중합체 및 이의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 케이블 절연 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 충진제는 아세틸렌 블랙인 것을 특징으로 하는 케이블 절연 구조.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 매트릭스는 가교제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 절연 구조.
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