KR101355572B1 - 초고압 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고압 케이블에 관한 것이다. 본 발명은, 중심 도체, 상기 중심 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연체층, 상기 절연체층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 차폐층, 및 상기 차폐층을 감싸는 방식층으로 이루어지며, 상기 절연체층은, 비중이 0.92 g/㎤ 이하인 저밀도 폴리에틸렌인 제1기본수지; 및 상기 제1기본수지 100 중량부에 대해, 0.1 내지 2 중량부의 금속산화물 또는 상기 제1기본수지 100 중량부에 대해, 0.1 내지 5 중량부의 전도성 고분자를 포함하는 수지조성물로 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 초고압 케이블 내의 공간전하 축적을 탁월하게 저하시키며, 절연체층과 반도전층의 계면 특성을 향상시켜 뇌전압 파괴 특성이 개선됨으로써 고전압 직류 전송을 효과적으로 수행할 수 있도록 한다.

초고압 케이블, 공간전하, 뇌전압, 반도전, 전도성 고분자

Description

초고압 케이블{EXTRA HIGH VOLTAGE CABLE}

본 발명은 초고압 케이블에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초고압 케이블 내의 절연층 제조에 이용되는 수지 조성물 내에 금속산화물이나 전도성 고분자를 분산시켜 공간 전하의 축적을 저감시키며, 외부 또는 내부의 반도전층 제조용 수지 조성물 내에 반도전재료와 기핵제를 첨가시켜 뇌전압파괴 특성을 향상시킴으로써, 공간전하 축적을 저감시키면서 뇌전압파괴특성을 개선시킬 수 있는 초고압 케이블에 관한 것이다.

전력이란 전압과 전류의 곱에 비례하기 때문에 전력을 송전할 때 전압을 높이면 전류가 적게 되어 전선비가 경감되며, 똑같은 굵기의 전선이면 보다 많은 전력을 보낼 수 있게 된다. 따라서, 대용량과 장거리 송전이 요망되는 대형 전력계통에서는 전력손실의 감소, 건설용지 문제, 송전용량의 증대 등의 면에서 볼 때 송전전압을 높이는 초고압송전이 필수적이라고 할 수 있다.

이렇게 초고압의 전압으로 송전하기 위해서는 초고압에 충분히 견딜 수 있는 송전선로나 변압기, 차단기 등의 연결기기에 대한 절연 기술이 필요하며, 코로나 잡음이나, 전파장애, 통신유도장애 등의 문제점도 제기되고 있으나 이들에 대한 보 완 기술이 지속적으로 개발되고 있어서 이들에 대한 문제점도 점차 해결되고 있다.

송전 방식에는 교류송전방식과 직류송전방식이 있다. 교류송전방식은 변압기를 사용해 쉽게 전압을 바꿀 수 있어 많이 쓰인다. 단상2선식, 단상3선식, 삼상3선식, 삼상4선식이 있다. 낮은 전압의 배전선에는 단상3선식을 주로 사용하고, 말단의 부하가 작은 부분에는 단상2선식을 사용한다. 또 대규모 수용가에는 삼상4선식이 좋고, 송전선에는 대용량의 전력을 효율적으로 보낼 수 있는 삼상3선식을 사용한다. 전기가 실용화된 초기에는 직류를 주로 사용했으나, 전압을 쉽게 높이고 낮출 수 있는 3상교류가 실용화됨에 따라 발전, 송전, 배전은 대부분 교류로 이루어지고 있다.

직류송전방식은, 직류전압이나 전류로 전기 에너지를 보내는 것을 말한다. 원리는 먼저 송전 쪽의 교류전력을 적당한 전압으로 바꾸고 순변환장치로 직류로 변환한 뒤 송전선로를 통해 수전 쪽으로 보내면, 수전 쪽에서는 역변환장치로 직류전력을 다시 교류전력으로 변환하는 방식이다. 이 방식은 대용량의 전력을 장거리 수송하는 데 좋고 비동기 전력계통의 상호 연계가 가능하다는 장점이 있으나 변압이 어려운 탓에 이제까지는 주로 전압을 자유롭게 바꿀 수 있는 교류를 사용해왔다. 그러나 최근 들어 변환장치인 사이리스터의 성능이 향상됨에 따라 직류고전압을 얻을 수 있게 되었고, 또 장거리 송전이나 케이블 송전에는 직류가 교류보다 전력 손실이 적고 안정도가 높아 많이 이용되고 있다.

즉, 직류 송전은 교류에 비교하여 장거리, 대용량 송전에 있어서, 절연체의 유전 손실이 없고, 충전 전류에 대한 무효분을 보상하기 위한 설비가 불필요하다. 또한 직류 송전은, 절연체의 절연 내압을 높고 안정하게 운전할 수 있는 등의 여러 가지 특징을 가지고 있다. 현재 직류 송전을 위한 고전압 직류 케이블은 절연유와 종이로 절연된 OF(Oil Filled) 케이블이 사용되고 있지만, 급유 설비 등의 유지 관리가 필요한 단점이 있다. 한편, 교류 송전용으로는 유지관리가 불필요한 가교 폴리에틸렌 케이블이 OF 케이블이나 MI(Mass Impregnated) 케이블에 비해 그 성능이 대등한 정도에 이를 정도로 관련 기술이 발전하고 있다.

추가 유지관리가 불필요하다는 장점으로 인해, 교류 송전용으로 이용되고 있는 가교 폴리에틸렌을 초고압 직류 송전 케이블에 적용하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 이는 초고압 직류 송전 케이블로 이용하여 송전이 진행되면 케이블을 감싸고 있는 절연체의 온도가 상승할 때나 극성 반전시에 절연파괴전압이 현저하게 저하되는 현상을 보이는 문제점이 발생되고 있다. 이는 무극성의 폴리에텔렌 또는 가교 폴리에텔렌 내에 일단의 전하가 포획되거나 방전되지 않으면서도 수명이 긴 공간 전하가 축적되기 때문인 것으로 알려져 있다. 따라서, 이러한 공간 전하의 증가 현상을 방지하기 위한 연구가 이루어지고 있다.

본 발명은, 전술한 바와 같은 문제점이 상존하는 가운데서 문제해결을 위한 다각적인 노력과 연구의 기술적 배경하에서, 그 결실로서 안출된 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 케이블 내에서 공간 전하 축적에 따른 뇌전압 파괴 특성이 저하되는 문제를 해결하는 것이며, 상기와 같은 케이블 내의 공간 전하의 감소를 위해 무기금속화합물 등의 극성 재료를 재료 조성물에 첨가하는 방향으로의 기술은 케이블의 뇌전압 파괴 특성이 열화되는 문제가 발생되고 있어 이를 보완할 수 있는 새로운 대체 기술이 요구되고 있는 바, 이를 해결할 수 있는 초고압용 케이블의 절연체 제조용 수지 조성물을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 과제 해결 수단으로 제공되는 초고압용 케이블은, 중심 도체, 상기 중심 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연체층, 상기 절연체층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 차폐층, 및 상기 차폐층을 감싸는 방식층으로 이루어지며, 상기 절연체층은, 비중이 0.92 g/㎤ 이하인 저밀도 폴리에틸렌인 제1기본수지; 및 상기 제1기본수지 100 중량부에 대해, 0.1 내지 2 중량부의 금속산화물 또는 상기 제1기본수지 100 중량부에 대해, 0.1 내지 5 중량부의 전도성 고분자를 포함하는 수지조성물로 제조되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 금속산화물은, 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 이산화규소(SiO₂), 및 산화알루미늄(Al₂O₃) 중 선택된 하나의 물질이 이용되면 바람직하고, 상기 전도성 고분자는, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리피롤, 및 폴리사이오펜 중 선택된 하나의 물질이 이용되면 바람직하다.

상기 외부 반도전층 또는 내부 반도전층은, 그 비중이 0.92 g/㎤ 이하이며, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 에틸렌에틸아크릴레이트(EEA), 에틸렌부틸아크릴레이 트(EBA), 및 에틸렌메틸아크릴레이트(EMA) 중 선택된 하나의 고분자 수지인 제2기본수지; 상기 제2기본수지 100 중량부에 대해, 겔성분이 20중량% 이하의 값을 갖는 10 내지 30 중량부의 고분자 겔; 상기 제2기본수지 100 중량부에 대해, 40 내지 70 중량부의 반도전재료; 및 상기 고분자 수지 100 중량부에 대해, 0.3 내지 5 중량부의 기핵제;를 포함하는 수지조성물로 제조되면 바람직하다. 상기 반도전재료는, 카본블랙이 이용되면 바람직하고, 상기 기핵제는, 글리세린 지방산 에스터 또는 데카그린 지방산 에스터가 이용되면 바람직하다.

본 발명에 따르면, 초고압 케이블 내의 공간전하 축적을 탁월하게 저하시키며, 절연체층과 반도전층의 계면 특성을 향상시켜 뇌전압 파괴 특성이 개선됨으로써 고전압 직류 전송을 효과적으로 수행할 수 있도록 한다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명은 절연 수지 조성물 내에 금속산화물이나 전도성 고분자를 분산시켜 공간 전하의 축적을 저감시키며, 반도전층 제조용 수지 조성물 내에 기핵제를 첨가 시켜 뇌전압파괴 특성을 향상시키는 데 기술적 특징이 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 초고압 케이블의 단면구조이다.

본 발명에 따르는 초고압 케이블은, 중심 도체(10), 상기 중심 도체(10)를 감싸는 내부 반도전층(12), 상기 내부 반도전층(12)을 감싸는 절연체층(14), 상기 절연체층(14)을 감싸는 외부 반도전층(16), 상기 외부 반도전층(16)을 감싸는 차폐층(18), 및 상기 차폐층(18)을 감싸는 방식층(20)으로 이루어져 있다.

본 발명에 따르는 초고압 케이블의 절연체층(14)은, 비중이 0.92 g/㎤ 이하인 저밀도폴리에틸렌; 상기 저밀도 폴리에틸렌 100 중량부에 대해, 0.1 내지 2 중량부의 금속산화물과 0.1 내지 5 중량부의 전도성 고분자 중 선택된 하나의 단일물 또는 둘의 혼합물을 포함하는 수지 조성물로 제조된다. 이때, 상기 금속산화물은, 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 이산화규소(SiO₂), 및 산화알루미늄(Al₂O₃) 중 선택된 하나의 물질이 이용되면 바람직하며, 상기 전도성 고분자는, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리피롤, 및 폴리사이오펜 중 선택된 하나의 물질이 이용되면 바람직하다. 상기 금속산화물은 수지 조성물 내에 균일하게 분산되어 표면의 이온 캐리어를 흡착하고 그 이동을 억제함으로써 통전시 공간 전하의 국부적인 트랩(trap)이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 상기 전도성 고분자는 일반적인 전도성 물질에 비해 에너지 밴드 갭이 작기 때문에 도전성이 우수하여 공간 전하 축적을 탁월하게 저하시킬 수 있다.

상기 제1기본수지의 비중에 대한 수치범위와 관련하여, 그 상한을 초과하는 저밀도 폴리에틸렌을 제조하기 위해서는 촉매가 필요하고 따라서 잔사로 인한 내부 불순물 증가로 절연파괴전압이 낮아지고 이종 공간전하가 증가하는 나쁜 효과가 있어 바람직하지 못하다.

상기 금속산화물의 함량에 대한 수치범위와 관련하여, 그 하한에 미달하면 공간전하 저감효과가 낮아져서 바람직하지 못하고, 그 상한을 초과하면 직류절연파괴강도 및 내전압파괴강도가 낮아져 바람직하지 못하다.

상기 전도성 고분자의 함량에 대한 수치범위와 관련하여, 그 하한에 미달하면 공간전하 저감효과가 낮아서 바람직하지 못하고, 그 상한을 초과하면 직류절연파괴강도 및 내전압파괴강도가 낮아서 바람직하지 못하다.

본 발명에 따르는 초고압 케이블의 외부 반도전층(16) 또는 내부 반도전층(12)은, 그 비중이 0.92 g/㎤ 이하이며, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 에틸렌에틸아크릴레이트(EEA), 에틸렌부틸아크릴레이트(EBA), 및 에틸렌메틸아크릴레이트(EMA) 중 선택된 하나의 고분자 수지인 제2기본수지; 상기 제2기본수지 100 중량부에 대해, 겔성분이 20중량% 이하의 값을 갖는 10 내지 30 중량부의 고분자 겔; 상기 제2기본수지 100 중량부에 대해, 40 내지 70 중량부의 반도전재료; 및 상기 제2기본수지 100 중량부에 대해, 0.3 내지 5 중량부의 기핵제;를 포함하는 수지조성물로 제조되면 바람직하다. 상기 반도전재료는, 카본블랙이 이용되면 바람직하고, 상기 기핵제는, 글리세린 지방산 에스터 또는 데카그린 지방산 에스터가 이용되면 바람직하다.

상기 반도전재료로 이용되는 카본블랙의 함량에 대한 수치범위와 관련하여, 그 하한에 미달하면 반도전성을 나타내지 못하여 바람직하지 못하고, 그 상한을 초 과하면 가공성능이 현저히 감소하여 생산이 불가능하여 바람직하지 못하다.

상기 기핵제의 함량에 대한 수치범위와 관련하여, 그 하한에 미달하면 기핵제의 역할을 하지 못하여 바람직하지 못하고, 그 상한을 초과하면 불순물로 작용하여 압출 중에 표면으로 기어나와 외관 불량을 일으키며, 반도전성능을 저하시켜 바람직하지 못하다.

상기 기핵제는, 비이온성계면활성제로서, 세린 지방산 에스터 또는 데카그린 지방산 에스터가 이용되면 바람직하다. 상기와 같이 사용된 기핵제로 인하여 절연체층과 반도전층의 계면 특성을 향상시킴으로써 뇌전압 파괴 특성이 향상된다.

하기 표 1과 같이 구분설정된 실시예들(1~4)과 비교예들(1~3)의 조성을 갖는 수지 조성물을 이용하여, 절연체층과 반도전층을 제조한 후, 뇌전압파괴특성과 공간전하의 축적도 등의 전기적 특성을 비교하기로 한다.

구분	성분	실시예(1~4)				비교예(1~3)
		1	2	3	4	1	2	3
절연체층	제1기본수지	100	100	100	100	100	100	100
	금속산화물	0.5	-	0.5	1	0.5	-	-
	전도성고분자	-	0.5	0.5	1	-	0.5	-
반도전층	제2기본수지	100	100	100	100	100	100	100
	카본블랙	55	55	60	60	60	60	60
	기핵제	0.5	0.5	0.5	0.5	-	-	0.5

상기 표 1에서, 절연체층과 반도전층은, 초고압케이블의 중심 도체를 감싸는 수지층의 하나를 나타낸다. 제1기본수지는 저밀도폴리에틸렌(LDPE)이 사용되었으며, 금속산화물로는 산화마그네슘(MgO)이 사용되었으며, 전도성 고분자로는 PEDOT이 사용되었으며, 제2기본수지는 에틸렌에틸아크릴레이트(EEA)가 사용되었으며, 카본블랙은 반도전층에서 전도성을 부여하기 위해 사용되었으며, 기핵제로는 데카글리세린 헵타 스테아레이트가 사용되었다.

구분	성분	실시예(1~4)				비교예(1~3)
		1	2	3	4	1	2	3
뇌전압파괴	kV/㎜	60	65	65	60	55	55	60
공간전하	전하종류/세기	동+	동+	동+	동+	동++	동++	이+++
밀도지수	Q	26	26	26	26	20	21	26

상기 표 2에서, 공간전하 항목에서 표기된 '동+'에서 '동'은 전극의 극성과 동일한 전하 주입으로 전하가 발생되었음을 나타내며, '+'의 갯수로서 축적 전하의 상대적인 양을 나타낸다. 따라서, '동++'는 '동+'에 비하여 그 전하의 속성은 동일하지만 축적된 전하량이 2배에 달함을 나타내고 있다. 한편, 공간전하 항목에서 '이+'로 표기된 '이'의 의미는 전극의 극성과 반대 극성을 갖는 전하가 축적되었음을 나타내며, 이는 불순물에 의해 전하 축적이 이루어졌음을 나타낸다. 상기 표 2에 나타난 결과로부터, 실시예들의 경우에는 축적된 공간 전하량이 비교예들에 비해 절반 수준에 불과함을 알 수 있으며, 특히 비교예 3과 달리 축적된 공간전하가 외부 불순물에 의한 이종 전하형성이 되지 않고 전하주입에 의한 동종전하 형성이 주를 이루며 이 또한 적은 양으로서 직류 케이블의 안정성이 확보되고 있음을 알 수 있다.

상기 표 2에서, 뇌전압파괴특성의 평가 기준치는 58kV/㎜이며, 그 이상이면 뇌전압파괴특성이 양호한 것으로 평가될 수 있다. 이로부터, 실시예들 모두는 기준치에 적합한 것으로 평가되었으나, 비교예 1, 2는 기준치에 미달하고 있으며, 이는 기핵제를 사용하지 않음으로써 기인하는 것으로서, 기핵제의 사용이 고분자 결정의 라멜라 밀도를 향상시킴으로 인해, 즉 밀도지수 Q값이 상승됨으로써 절연체와 반도전재료의 계면 평활도를 높이고 이로 인해 뇌전압파괴특성을 개선함에 중요한 성분으로 작용하고 있음을 알 수 있다.

상기 표 2에서, 밀도지수 항목은, 구체적으로 고분자의 라멜라 밀도 지수에 관한 것으로서, 그 평가 기준치는 25이며, 그 이상이면 밀도지수 특성이 양호한 것으로 평가될 수 있다. 이로부터 모든 실시예들에서는 상기 기준치를 충족시키고 있으나, 비교예 3을 제외하고는 기준치에 미달하여 바람직하지 못함을 알 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 본 발명에 따르는 초고압 케이블의 단면구조이다.

<도면의 주요부에 대한 간단한 설명>

10...중심 도체 12...내부 반도전층 14...절연체층

16...외부 반도전층 18...차폐층 20...방식층

Claims (3)

1. 중심 도체, 상기 중심 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연체층, 상기 절연체층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 차폐층, 및 상기 차폐층을 감싸는 방식층으로 이루어진 초고압 케이블에 있어서,

   상기 절연체층은,

   비중이 0.92 g/㎤ 이하인 저밀도 폴리에틸렌인 제1기본수지; 및

   상기 제1기본수지 100 중량부에 대해, 0.1 내지 2 중량부의 금속산화물 또는 상기 제1기본수지 100 중량부에 대해, 0.1 내지 5 중량부의 전도성 고분자를 포함하는 수지조성물로 제조되며

   상기 내부 반도전층 및 외부 반도전층은,

   그 비중이 0.92 g/㎤ 이하이며, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 에틸렌에틸아크릴레이트(EEA), 에틸렌부틸아크릴레이트(EBA), 및 에틸렌메틸아크릴레이트(EMA) 중 선택된 하나의 고분자 수지인 제2기본수지;

   상기 제2기본수지 100 중량부에 대해, 40 내지 70 중량부의 반도전재료; 및

   상기 제2기본수지 100 중량부에 대해, 0.3 내지 5 중량부의 기핵제;를 포함하는 수지조성물로 제조되는 것을 특징으로 하는 초고압 케이블.
2. 제1항에 있어서,

   상기 금속산화물은, 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 이산화규소(SiO₂), 및 산화알루미늄(Al₂O₃) 중 선택된 하나의 물질이며,

   상기 전도성 고분자는, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리피롤, 및 폴리사이오펜 중 선택된 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 초고압 케이블.
3. 제1항에 있어서,

   상기 반도전재료는, 카본블랙이고,

   상기 기핵제는, 글리세린 지방산 에스터 또는 데카그린 지방산 에스터인 것을 특징으로 하는 초고압 케이블.

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