KR101199289B1 - Polymer composite producing insulating material of a high voltage direct current cable for power transmission and method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A polymer composite is provided to remove a space charge generated in an insulating material of a high voltage direct current cable for power transmission by comprising a partially reduced material of a graphene oxide. CONSTITUTION: A polymer composite comprises a graphene oxide partially reduced by 80-0.01%. The comprised amount of the partially reduced material of graphene oxide is 0.01-50 weight%. The size of the partially reduced material of graphene oxide is 15 um or less. A manufacturing method of the partially reduced material of graphene oxide is 15 um or less. A manufacturing method of the polymer composite comprises a step(S20) of manufacturing the partially reduced material of graphene oxide by partially reducing graphene oxide; a step(S30) of manufacturing a polymer composite comprising the partially reduced material. [Reference numerals] (AA) Start; (BB) Finish; (S10) Manufacturing graphene oxide; (S20) Partial reduction graphene oxide; (S30) Manufacturing polymer composite by graphene oxide comprising partial reduced material

Description

고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체 및 제조방법{POLYMER COMPOSITE PRODUCING INSULATING MATERIAL OF A HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT CABLE FOR POWER TRANSMISSION AND METHOD THEREOF}POLYMER COMPOSITE PRODUCING INSULATING MATERIAL OF A HIGH VOLTAGE DIRECT CURRENT CABLE FOR POWER TRANSMISSION AND METHOD THEREOF}

본 발명은 고분자 복합체 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 포함하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체 및 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a polymer composite and a manufacturing method, and more particularly, to a polymer composite and a method for producing an insulator for a high-pressure direct current transmission cable comprising a graphene oxide partial reduction body.

일반적으로, 대용량과 장거리 송전이 요망되는 대형 전력계통에서는 전력손실의 감소, 건설용지 문제, 송전용량 증대 등의 면에서 볼 때 송전전압을 높이는 고압송전이 필수적이라 할 수 있다. In general, in a large power system where large capacity and long distance transmission are desired, high voltage transmission to increase the transmission voltage is essential in view of reduction of power loss, construction site problem, and transmission capacity increase.

송전 방식은 교류송전방식과 직류송전방식으로 구분될 수 있으며, 이 중 직류송전방식은 직류전압이나 전류로 전기 에너지를 보내는 것을 말한다. 상기 직류송전방식은 먼저 송전 쪽의 교류전력을 적당한 전압으로 바꾸고 순변환장치로 직류로 변환한 뒤 송전선로를 통해 수전 쪽으로 보내면, 수전 쪽에서는 역변환장치로 직류전력을 다시 교류전력으로 변환하는 방식이다. The transmission method may be divided into an AC transmission method and a DC transmission method. Among these, the DC transmission method refers to sending electric energy by DC voltage or current. The DC transmission method first converts the AC power of the transmission side to a suitable voltage, converts the DC power into a forward conversion device, and then sends it to the faucet through the transmission line. .

상기 방식은 대용량의 전력을 장거리 수송하는데 좋고 비동기 전력계통의 상호 연계가 가능하다는 장점이 있을 뿐더러, 장거리 송전이나 케이블 송전에 있어서 직류가 교류보다 전력 손실이 적고 안정도가 높으므로 많이 이용되고 있는 실정이다.The above method has the advantage that it is good for long-distance transportation of large amount of power, and that asynchronous power system can be interconnected. In addition, DC has less power loss and higher stability than AC in long distance transmission or cable transmission. .

그런데, 고압 직류 송전 케이블을 이용하여 송전이 진행되는 경우에는 케이블을 감싸고 있는 절연체의 온도가 상승할 때나 부극성 임펄스나 극성 반전이 이루어진 경우에 그 절연 특성이 현저하게 저하되는 현상을 보이는 문제점이 있다. 이는 절연체 내에 일단의 전하가 포획되거나 방전되지 않으면서도 수명이 긴 공간 전하(space charge)가 축적되기 때문인 것으로 알려져 있다. By the way, when the power transmission is carried out by using a high-voltage DC power transmission cable, there is a problem in that the insulation characteristics are significantly reduced when the temperature of the insulator surrounding the cable rises or when the negative impulse or polarity inversion is made. . This is known to be due to the accumulation of long-lived space charges in the insulator without the capture or discharge of charges.

상술한 공간 전하는 고압 직류 송전 케이블 절연체 내의 전기장을 변화시켜 최초 설계된 절연 파괴 전압보다 낮은 전압에서 절연파괴를 일으킬 수 있으므로, 상기 문제를 해결하기 위한 방법이 연구가 이루어지고 있다.Since the above-mentioned space charge may cause an insulation breakdown at a voltage lower than the first designed breakdown voltage by changing the electric field in the high voltage DC transmission cable insulator, a method for solving the above problem has been studied.

본 발명의 실시예들은 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 포함함으로써 고압 직류 송전 케이블 절연체 내에서 발생하는 공간전하를 제거할 수 있는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체를 제공하고자 한다. Embodiments of the present invention to provide a polymer composite for producing an insulator of a high voltage direct current transmission cable that can remove the space charge generated in the high voltage direct current transmission cable insulator by including a graphene oxide partial reduction body.

본 발명의 일 측면에 따르면, 80~0.01%로 부분적으로 환원된 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체가 제공될 수 있다. According to an aspect of the present invention, there may be provided a polymer composite for preparing an insulator of a high-pressure direct current transmission cable comprising a partially reduced graphene oxide partially reduced to 80 to 0.01%.

또한, 상기 그래핀 옥사이드 부분 환원체는 0.01~50중량% 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the graphene oxide partial reducer may be characterized in that it comprises 0.01 to 50% by weight.

또한, 상기 그래핀 옥사이드 부분 환원체는 크기가 15㎛ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the graphene oxide partial reducer may be characterized in that the size is less than 15㎛.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 그래핀 옥사이드를 부분 환원시켜 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 제조하는 제1단계; 및 상기 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 포함하여 고분자 복합체를 제조하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체의 제조방법이 제공될 수 있다. According to another aspect of the invention, the first step of producing a graphene oxide partial reduction by partially reducing the graphene oxide; And a second step of preparing a polymer composite including the graphene oxide partial reducer, a method of manufacturing a polymer composite for preparing an insulator of a high voltage direct current transmission cable may be provided.

또한, 상기 제1단계는, 상기 그래핀 옥사이드를 80~0.01%로 부분 환원시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the first step may be characterized in that the graphene oxide is partially reduced to 80 ~ 0.01%.

또한, 상기 제2단계는, 상기 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 0.01~50중량%을 포함하여 고분자 복합체를 제조하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the second step may include a polymer composite including 0.01 to 50% by weight of the graphene oxide partial reducer.

본 발명의 실시예들은 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 포함하는 고분자 복합체를 제공함으로써, 절연성능을 유지하면서도 고압 직류 송전 케이블 내에서 발생하는 공간전하를 제거할 수 있다. Embodiments of the present invention by providing a polymer composite including a graphene oxide partial reduction, it is possible to remove the space charge generated in the high-voltage DC transmission cable while maintaining the insulation performance.

또한, 공간전하를 제거함으로써, 고압 직류 송전 케이블 절연체에서 최초 설계된 절연 파괴 전압보다 낮은 전압에서 절연파괴를 일으키는 절연 전압 하강 현상을 최소화 할 수 있다.In addition, by removing the space charge, it is possible to minimize the insulation voltage drop phenomenon that causes the breakdown at a voltage lower than the dielectric breakdown voltage originally designed in the high-voltage DC transmission cable insulator.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체 제조방법의 순서도이다.
도 2는 도 1의 그래핀 옥사이드가 그래핀으로 환원되는 과정을 도시한 개념도이다.
도 3은 그래핀 옥사이드, 그래핀 옥사이드 부분 환원체, 그래핀의 XPS 스펙트라(XPS Spectra)를 나타낸 그래프이다. 1 is a flow chart of a method for manufacturing a polymer composite for insulator production of a high-voltage DC power transmission cable according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a process of reducing the graphene oxide of FIG. 1 to graphene.
Figure 3 is a graph showing the graphene oxide, graphene oxide partial reducer, graphene XPS Spectra (XPS Spectra).

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 직류 송전 케이블 제조용 고분자 복합체 제조방법(S100)의 순서도이고, 도 2는 도 1의 그래핀 옥사이드가 그래핀으로 환원되는 과정을 도시한 개념도이다.1 is a flowchart of a method of manufacturing a polymer composite for manufacturing a high pressure DC power transmission cable according to an embodiment of the present invention (S100), and FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a process of reducing graphene oxide of graph 1 to graphene.

도 1 및 도 2를 참조하면, 고압 직류 송전 케이블 제조용 고분자 복합체 제조방법(S100)은 우선 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide)를 제조한다. 1 and 2, the polymer composite manufacturing method (S100) for manufacturing a high pressure DC power transmission cable first produces graphene oxide (Graphene Oxide).

상기 그래핀 옥사이드(A)를 제조하는 방법은 공지의 것을 사용 가능하다. 예를 들면, 그래파이트(Graphite) 입자를 강산 처리하여 산화시킴으로써, 하이드록시기, 에폭사이드기, 카르복실기, 락톨기 등 탄소에 산소 기능기가 함유된 그래핀 옥사이드(A)를 제조할 수 있다.The method for producing the graphene oxide (A) may be a known one. For example, graphene oxide (A) in which oxygen functional groups are contained in carbon, such as a hydroxy group, an epoxide group, a carboxyl group, a lactol group, and the like can be produced by treating the graphite particles with a strong acid.

한편, 그래핀 옥사이드(A)를 제조할 때에는 상기 그래파이트 입자를 15㎛ 이하의 크기로 파쇄하여 제조하는 것이 가능하다. 이 경우에는, 후술할 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)의 크기가 15㎛ 이하의 크기로 제조될 수 있고, 상기 크기는 고분자 복합체에 첨가되어 절연성을 유지하면서 트랩사이트로 기능할 수 있는 적정 크기에 해당한다(이상 S10단계).On the other hand, when preparing the graphene oxide (A) it is possible to crush the graphite particles to a size of 15㎛ or less. In this case, the size of the graphene oxide partial reduction body (B) to be described later may be manufactured to a size of 15㎛ or less, the size is added to the polymer composite is appropriate size that can function as a trap site while maintaining insulation Corresponds to (S10 above).

다음으로, 그래핀 옥사이드(A)를 부분 환원하여 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)를 제조한다. 여기에서 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)란 그래핀 옥사이드(A)를 완전 환원시키면 그래핀(C)을 생산할 수 있는데, 그래핀 옥사이드(A)를 완전 환원시키지 않고 부분적으로 환원시켜 제조된 물질을 의미한다. Next, graphene oxide (A) is partially reduced to prepare graphene oxide partial reducer (B). Here, the graphene oxide partial reductant (B) is a graphene oxide (A) can be produced by completely reducing the graphene (C), a material prepared by partially reducing the graphene oxide (A) without completely reducing Means.

본 발명의 일 실시예에 따른 고압 직류 송전 케이블 제조용 고분자 복합체 및 제조방법은 상기 고분자 복합체에 있어 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다. The polymer composite and manufacturing method for manufacturing a high pressure DC power transmission cable according to an embodiment of the present invention is characterized by including a graphene oxide partial reduction body (B) in the polymer composite.

상술한 바와 같이, 고압 직류 송전 케이블 절연체의 절연 특성이 현저하게 저하되는 원인으로 공간 전하의 축적이 지적되고 있다. 상기 공간 전하를 제거하기 위해서는, 상기 절연체 내에서 공간전하를 제거하는 트랩사이트(trap site)로 기능하는 물질을 첨가하여야 하는데, 상기 트랩사이트로 기능하는 물질의 대표적인 것이 탄소입자이다.As described above, the accumulation of space charges has been pointed out as a cause of the remarkable degradation of the insulation characteristics of the high-voltage DC power transmission cable insulator. In order to remove the space charge, a material that functions as a trap site for removing space charge in the insulator should be added, and carbon particles are representative of a material that functions as the trap site.

그러나, 탄소 입자의 경우에는 고분자 복합체 내에 혼합되면 퍼콜레이션(percolation) 과정을 거쳐 전기 전도도가 증가하게 되는 바, 고압 직류 송전 케이블 절연체 내에 탄소 입자를 첨가하는 경우에는 상기 탄소 입자의 전기 전도도 증가에 따라 상기 절연체의 절연 특성이 감소한다는 문제점이 있다. However, in the case of carbon particles, the electrical conductivity increases through percolation when mixed in the polymer composite. When carbon particles are added to the high-voltage direct-current transmission cable insulator, the electrical conductivity of the carbon particles increases. There is a problem that the insulating properties of the insulator are reduced.

본 발명의 발명자들은 상기 탄소 입자의 트랩사이트(trap site) 기능을 유지하면서도, 고압 직류 송전 케이블 절연체에 첨가했을 때에 상기 절연체의 절연 특성을 감소시키지 않게 하기 위하여 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)를 사용하는 방법을 제공하게 되었다. The inventors of the present invention provide a graphene oxide partial reducer (B) so as not to reduce the insulation properties of the insulator when added to the high voltage direct current transmission cable insulator while maintaining the trap site function of the carbon particles. Provided a way to use.

그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)는 그래핀 옥사이드(A)를 부분적으로만 환원시킴으로써 얻어지고, 도 2에서 보이는 바와 같이 산소가 완전히 제거되지 않고 부분적으로 제거되어 형성된다. The graphene oxide partial reducer (B) is obtained by only partially reducing the graphene oxide (A), and as shown in FIG. 2, oxygen is partially removed instead of completely removed.

한편, 상기 환원은 황화수소, 하이드라진, 하이드로퀴논, 수산화나트륨, 수한화카륨, 알루미늄 분말 등 다양한 환원제를 사용함으로써 이루어질 수 있다. 예를 들면, 그래핀 옥사이드(A)를 80℃에서 2시간동안 하이드라진 모노하이드레이트(hydrazine monohydrate)를 사용하여 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)를 제조할 수 있다. On the other hand, the reduction may be made by using a variety of reducing agents such as hydrogen sulfide, hydrazine, hydroquinone, sodium hydroxide, carium hydride, aluminum powder. For example, graphene oxide (A) may be prepared using graphene oxide partial reducer (B) using hydrazine monohydrate at 80 ° C. for 2 hours.

또한, 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)의 환원 정도는 그래핀 옥사이드(A)를 80~0.01%로 환원시킬 수 있다. 상기 단위는 탄화도를 의미한다. 상기와 같이 제조된 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)는 전기적으로 연결되어 있지 않으므로, 절연성을 지니면서도 외부 전기장에 의해 충분한 분극이 이루어져 공간 전하를 제거할 수 있는 트랩사이트의 역할을 수행 가능하다(이상 S20단계).In addition, the degree of reduction of the graphene oxide partial reducer (B) may reduce the graphene oxide (A) to 80 ~ 0.01%. The unit means degree of carbonization. Since the graphene oxide partial reduction body (B) prepared as described above is not electrically connected, sufficient polarization is achieved by an external electric field while having insulation, and thus may serve as a trap site capable of removing space charge ( Above step S20).

다음으로, 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)를 포함하여 고분자 복합체를 제조한다. 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)의 첨가량은 0.01~50중량%일 수 있다. 한편, 상기 고분자 복합체는 고압 직류 송전 케이블 절연체를 제조하는 데 사용되는 공지의 수지 조성물을 포함할 수 있다(이상 S30단계).Next, a graphene oxide partial reducer (B) is prepared to produce a polymer composite. The amount of graphene oxide partially reduced (B) may be 0.01 to 50% by weight. On the other hand, the polymer composite may include a known resin composition used to manufacture a high voltage direct current transmission cable insulator (step S30).

도 3은 그래핀 옥사이드(A), 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B) 및 그래핀(C)의 XPS 스펙트라(XPS Spectra)를 나타낸 그래프이다. 3 is a graph showing XPS Spectra of graphene oxide (A), graphene oxide partial reducer (B) and graphene (C).

도 3을 참조하면, 도3a는 그래핀 옥사이드(A)의 XPS 스펙트라, 도 3b는 그래핀 옥사이드 부분 환원체(B)의 XPS 스펙트라, 도3c는 그래핀(C)의 XPS 스펙트라를 나타낸다. 각 그래프에서 X축은 결합에너지(binding energy, eV)를 나타내고, Y축은 피크 강도(Intensity)를 나타낸다. Referring to FIG. 3, FIG. 3A shows an XPS spectra of graphene oxide (A), FIG. 3B shows an XPS spectra of graphene oxide partial reducer (B), and FIG. 3C shows an XPS spectra of graphene (C). In each graph, the X axis represents the binding energy (eV), and the Y axis represents the peak intensity.

그래핀 옥사이드(A)의 경우에는 XPS 스펙트라 상에 C-O 결합에 의한 피크가 강하게 발생하는 반면, 그래핀 옥사이드(A)가 완전 환원된 그래핀(C)의 경우에는 XPS 스펙트라 상에 C-O 결합에 의한 피크가 측정되지 않음을 확인할 수 있다.In the case of graphene oxide (A), a peak due to CO bonds is strongly generated on the XPS spectra, whereas in the case of graphene (C) in which graphene oxide (A) is completely reduced, it is caused by CO bonding on the XPS spectra. It can be seen that the peak is not measured.

한편, 그래핀 옥사이드(A)가 부분 환원된 그래핀 옥사이드 부분 환원체(C)의 경우에는 XPS 스펙트라 상에 C-O 결합에 의한 피크 크기가 그래핀 옥사이드(A)에 비하여 줄어들었으나, 그래핀(C)의 경우와 같이 완전히 없어지지는 않음을 확인할 수 있다.On the other hand, in the case of the graphene oxide (A) is partially reduced graphene oxide (C), the peak size of the CO bond on the XPS spectra is reduced compared to the graphene oxide (A), but graphene (C) It can be seen that it does not disappear completely as in the case of).

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 포함하는 고분자 복합체를 제공함으로써, 절연성능을 유지하면서도 고압 직류 송전 케이블 내에서 발생하는 공간전하를 제거할 수 있다. 또한, 공간전하를 제거함으로써, 고압 직류 송전 케이블 절연체에서 최초 설계된 절연 파괴 전압보다 낮은 전압에서 절연파괴를 일으키는 절연 전압 하강 현상을 최소화 할 수 있다.As described above, the embodiments of the present invention can remove the space charge generated in the high-voltage DC power transmission cable while maintaining the insulation performance by providing a polymer composite including a graphene oxide partial reduction body. In addition, by removing the space charge, it is possible to minimize the insulation voltage drop phenomenon that causes the breakdown at a voltage lower than the dielectric breakdown voltage originally designed in the high-voltage DC transmission cable insulator.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

A : 그래핀 옥사이드
B : 그래핀 옥사이드 부분 환원체
C : 그래핀A: graphene oxide
B: graphene oxide partial reducer
C: graphene

Claims (6)

80~0.01%로 부분적으로 환원된 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체.
Polymer composite for insulator production of high-voltage direct-current transmission cable comprising a partially reduced graphene oxide partially reduced to 80 to 0.01%.
제 1항에 있어서,
상기 그래핀 옥사이드 부분 환원체는 0.01~50중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체.
The method of claim 1,
The graphene oxide partial reducer is a polymer composite for the production of insulators of high voltage direct current transmission cable, characterized in that it comprises 0.01 to 50% by weight.
제 1항에 있어서,
상기 그래핀 옥사이드 부분 환원체는 크기가 15㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체.
The method of claim 1,
The graphene oxide partial reducer is a polymer composite for the production of insulators of high voltage direct current transmission cable, characterized in that the size of 15㎛ or less.
그래핀 옥사이드를 부분 환원시켜 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 제조하는 제1단계; 및
상기 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 포함하여 고분자 복합체를 제조하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체의 제조방법.
A first step of partially reducing graphene oxide to produce a graphene oxide partial reducer; And
And a second step of manufacturing a polymer composite including the graphene oxide partial reducer.
제 4항에 있어서,
상기 제1단계는,
상기 그래핀 옥사이드를 80~0.01%로 부분 환원시키는 것을 특징으로 하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체의 제조방법.
The method of claim 4, wherein
In the first step,
Method for producing a polymer composite for insulator production of a high-voltage DC power transmission cable, characterized in that to partially reduce the graphene oxide to 80 ~ 0.01%.
제 4항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 그래핀 옥사이드 부분 환원체를 0.01~50중량%을 포함하여 고분자 복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 송전 케이블의 절연체 제조용 고분자 복합체의 제조방법.The method of claim 4, wherein
The second step comprises:
Method for producing a polymer composite for insulator production of a high-voltage direct current transmission cable, characterized in that to produce a polymer composite comprising 0.01 to 50% by weight of the graphene oxide partial reducing body.
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KR101465300B1 (en) 2012-06-15 2014-11-28 경북대학교 산학협력단 Poly amic acid composition comprising graphane oxide and preparation method thereof

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