KR102231397B1 - 두꺼운 절연 층을 갖는 전력 케이블 및 그의 제조 방법 - Google Patents

두꺼운 절연 층을 갖는 전력 케이블 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

(A) 전도체, (B) 전도체와 접촉하는 제1 반도체; (C) 제1 반도체와 접촉하는 제1 절연 층; (D) 제1 절연 층과 접촉하는 제2 반도체 층; (E) 제2 반도체 층과 접촉하는 제3 반도체 층; (F) 제3 반도체 층과 접촉하는 제2 절연 층; 및 (G) 제2 절연 층과 접촉하는 제4 반도체 층을 포함하는 전력 케이블에 관한 것이다.

Description

두꺼운 절연 층을 갖는 전력 케이블 및 그의 제조 방법 {POWER CABLE WITH A THICK INSULATION LAYER AND A METHOD FOR ITS MANUFACTURE}
본 발명은 전력 케이블에 관한 것이다. 한 측면에서 본 발명은 두꺼운 절연 층을 포함하는 전력 케이블에 관한 것이고, 또 다른 측면에서 본 발명은 두꺼운 절연 층을 갖는 전력 케이블을 제조하는 방법에 관한 것이다.
압출된 고전압 케이블에서는 신뢰성 있는 사용 수명을 보장하기 위해 두꺼운 절연 층이 이용되었다. 이러한 케이블 디자인은 케이블 제조에 있어서 하기를 포함하는 도전과제를 초래한다: i) 내부 절연 층의 적절한 가교를 보장하기에 충분히 긴 가황 공정, ii) 릴링(reeling)이 가능하도록 케이블을 냉각시키기에 충분한 냉각 공정, iii) 절연 층으로부터의 전도체의 "축퇴(shrink-back)"를 초래하는 종방향 응력을 최소화하도록 제어된 냉각, iv) 후벽 케이블 디자인에 전도체 주위의 용융된 절연물의 늘어짐을 초래하는 중력이 가해지는 일부 제조 구성에서의, 케이블 센터링(centering)의 곤란성, v) 두꺼운 절연 층을 통한 확산 공정을 통해 가교 부산물을 제거하는데 필요한 긴 탈기 시간, 및 vi) 고전압 케이블 제조에 적합한 케이블 라인의 제한된 이용가능성.
최신의 케이블 제조 공정은 2개의 반도체 (차폐) 층들 사이의 절연 층을 전도체 주위에 동심원 모양으로 진(true)-삼중 압출하는 것을 수반한다. 이러한 공정은 절연물과 주위 물질 사이에 매끄러운 계면을 제공하며, 다단계 공정에서의 오염물의 혼입을 회피한다. 그러나, 두꺼운 절연 층에 대해, 열적으로 유도된 가교 및 가교 부산물의 후속적인 배출 또는 탈기는 낮은 생산성을 초래한다.
다단계에서의 절연 층의 압출에 대한 가능성이 공지되어 있지만, 어떠한 참조 문헌에도 높은 전도도 및/또는 유전율을 갖는 중간 층에 의해 분리된 다중 압출된 절연 층은 제시되지 않았다. 이러한 중간 층의 부재 하의 다중의 층에서는, 짝지워진 절연 층들 사이에서의 오염물 또는 공극의 혼입에 대한 가능성이 열려 있으며, 이는 케이블의 신뢰성에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 더욱이, 다단계에서 절연 층을 압출하는 것은 케이블의 수집 및 저장을 허용하도록 제2 반도체 층을 도포할 수 있게 단계들을 비교적 빠르게 연속적으로 수행하는 것을 필요로 하기 때문에, 보다 얇은 층의 경화로 인한 단축된 가교 및 탈기 시간의 이점이 상실되는데, 이는 절연 층이 단일 단계에서 압출된 경우와 마찬가지로 두껍기 때문이다. 또한 추가로, 단일 통과 공정에서의 다중 압출 층의 사용에서는, 최신의 진-삼중 공정에서 현재 달성되는 품질을 달성하기 위한 시도로서, 기존 제조 공정에 추가의 압출기를 설치하는 것을 필요로 할 것이다.
한 실시양태에서, 본 발명은
(A) 제1 반도체 층과 제2 반도체 층 사이에 위치한 제1 절연 층을 전도체 주위에 압출하여,
(1) 제1 반도체 층과 접촉하는 전도체,
(2) 제1 절연 층과도 접촉하는 제1 반도체 층,
(3) 제2 반도체 층과도 접촉하는 제1 절연 층,
(4) 제2 반도체 층
을 포함하는 내부 전력 케이블을 제조하는 단계, 및
(B) 제3 반도체 층과 제4 반도체 층 사이에 위치한 제2 절연 층을 내부 전력 케이블 주위에 압출하여,
제2 반도체 층이 제3 반도체 층과 접촉하는 것인 내부 전력 케이블,
(5) 제2 절연 층과도 접촉하는 제3 반도체 층,
(6) 제4 반도체 층과도 접촉하는 제2 절연 층,
(7) 제4 반도체 층
을 포함하는 전력 케이블을 제조하는 단계
를 포함하는, 전도체, 반도체 층 및 절연 층을 포함하는 전력 케이블을 제조하는 방법이다.
한 실시양태에서, 본 발명은
(A) 외부 면상 표면을 갖는 전도체;
(B) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 전도체의 외부 면상 표면과 접촉하는 것인 제1 반도체 층;
(C) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제1 반도체의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제1 절연 층;
(D) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제1 절연 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제2 반도체 층;
(E) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제2 반도체 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제3 반도체 층;
(F) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제3 반도체 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제2 절연 층; 및
(G) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제2 절연 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제4 반도체 층
을 포함하는 전력 케이블이다.
한 실시양태에서, 제1 통과와 제2 통과 둘 다는 삼중 압출이다. 본 발명의 방법은 두 통과를 동일한 장비를 사용하여 수행하는 것을 허용하며, 우수한 품질의 계면을 유지한다. 중간 (제2 및 제3) 반도체 층은 높은 전도도 또는 유전율의 장벽을 제공하며, 이들은 응력 집중을 회피할 수 있는 방식으로 임의의 잠재적인 오염물을 캡슐화한다. 달리 말하면, 제2 반도체 층 위에 축적될 수 있는 임의의 오염물은, 제3 반도체 층을 제2 반도체 층에 도포할 때에 제2 반도체 층과 제3 반도체 층 사이에 포획된다.
도 1은 본 발명의 내부 전력 케이블의 제조 방법의 한 실시양태의 도시적 예시이다.
도 2는 본 발명의 내부 전력 케이블의 한 실시양태의 도시적 예시이다.
도 3은 내부 전력 케이블 위에 제3 및 제4 반도체 층 및 제2 절연 층을 압출하는 한 실시양태의 도시적 예시이다.
도 4는 본 발명의 전력 케이블의 한 실시양태의 도시적 예시이다.
도 5는 분해도 형태의, 본 발명의 전력 케이블의 구성 부분의 도시적 예시이다.
정의
반대로 언급되지 않거나, 문맥으로부터 암시되지 않거나, 또는 관련 기술분야에서 통상적이지 않는 한, 모든 부 및 퍼센트는 중량 기준이고, 모든 시험 방법은 본 개시내용의 출원일 당시의 것이다. 미국 특허 실시의 목적을 위해, 임의의 인용된 특허, 특허 출원 또는 공보의 내용은 특히 정의 (본 개시내용에 구체적으로 제공된 임의의 정의와 불일치하지 않는 한도 내에서) 및 관련 기술분야의 일반적인 지식의 개시와 관련하여 그 전문이 참조로 포함된다 (또는 이의 등가의 미국 버전이 마찬가지로 참조로 포함됨).
본 개시내용에서 숫자 범위는 대략적인 것이며, 따라서 달리 명시되지 않은 한, 범위 밖의 값도 포함할 수 있다. 숫자 범위는 보다 작은 값 및 보다 큰 값을 포함하여, 이들로부터 한 단위씩 증가하는 모든 값을 포함하되, 단 임의의 보다 작은 값과 임의의 보다 큰 값 사이가 두 단위 이상 분리되어 있다. 예를 들어, 조성적, 물리적 또는 다른 특성, 예컨대 예를 들어 온도가 100 내지 1,000인 경우에, 100, 101, 102 등과 같은 모든 개별 값, 및 100 내지 144, 155 내지 170, 197 내지 200 등과 같은 하위 범위가 명백히 열거된다. 1 미만인 값을 함유하거나 1보다 큰 분수 (예를 들어, 1.1, 1.5 등)를 함유하는 범위의 경우에, 한 단위는 경우에 따라 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1인 것으로 간주된다. 10 미만의 한자리 숫자 (예를 들어, 1 내지 5)를 함유하는 범위의 경우에, 한 단위는 전형적으로 0.1인 것으로 간주된다. 이는 구체적으로 의도된 것들의 예일 뿐이며, 열거된 가장 작은 값과 가장 큰 값 사이의 숫값의 모든 가능한 조합이 본 개시내용에서 명백히 언급된 것으로 간주되어야 한다. 본 개시내용에서 숫자 범위는, 특히, 다양한 전력 케이블 층의 두께에 관해 제공된다.
"포함하는", "비롯한", "갖는" 및 유사 용어는 조성물, 공정 등이 개시된 성분, 단계 등으로 제한되는 것이 아니라 오히려 다른 개시되지 않은 성분, 단계 등을 포함할 수 있음을 의미한다. 이와 대조적으로, 용어 "~로 본질적으로 이루어진"은, 조성물, 공정 등의 성능, 작동성 등에 필수적이지 않은 것을 제외하고는, 임의의 다른 성분, 단계 등을 임의의 조성물, 공정 등의 범주로부터 배제한다. 용어 "이루어진"은 구제적으로 개시되지 않은 임의의 성분, 단계 등을 조성물, 공정 등으로부터 배제한다. 용어 "또는"은, 달리 언급되지 않은 한, 개시된 구성원을 개별적으로뿐만 아니라 임의의 조합으로서 지칭한다.
"케이블", "전력 케이블" 및 유사 용어는 보호 자켓 또는 외장 내의 1개 이상의 전도성 와이어 또는 광섬유를 의미한다. 전형적으로, 케이블은, 전형적으로 공통의 보호 자켓 또는 외장 내의, 함께 결합된 2개 이상의 와이어 또는 광섬유이다. 개별 와이어 또는 섬유는 미가공이거나 또는 피복될 수 있다. 보호 자켓 또는 외장은 1개 이상의 반도체 층, 및/또는 절연 층, 및/또는 금속성 테이프, 및/또는 외부 코팅을 포함할 수 있다. 복합 케이블은 전기 와이어와 광섬유 둘 다를 함유할 수 있다. 케이블 등은 저전압, 중전압, 고전압 또는 극고전압 응용 분야를 위해 디자인될 수 있다. 전형적인 케이블 디자인은 USP 5,246,783, 6,496,629 및 6,714,707에 예시되어 있다.
"면상 표면", "평탄 표면", "상부 표면", "하부 표면" 등은 "연부 표면"과 구별되어 사용된다. 직사각형 형상 또는 구성의 경우에, 물품, 예를 들어 시트 또는 필름은 4개의 연부 표면 (각각의 쌍이 다른 쌍과 직각으로 교차하는 것인, 두 쌍의 대향하는 연부 표면)에 의해 연결된 2개의 대향하는 면상 표면을 포함할 것이다. 원형 구성의 경우에, 물품은 1개의 연속적인 연부 표면에 의해 연결된 2개의 대향하는 면상 표면을 포함할 것이다. 케이블의 문맥에서, 층은 원통 형상이며, 따라서 내부 또는 외부 또는 제1 및 제2 면상 표면은 곡면형이다.
"층"은 표면 위에 분포되거나 표면을 피복하는 단일 두께의 코팅 또는 박층을 의미한다.
"다층"은 서로 접촉하는 인접 층을 갖는 2개 이상의 층을 의미한다.
전도체
전도체는 케이블의 코어이다. 이는 제1 반도체 층에 의해 감싸지고 그와 접촉하는 케이블의 성분이며, 이는 단일의 전기 전도성 와이어, 또는 전기 전도성 와이어 다발을 포함할 수 있다. 이들 와이어는 전형적으로 금속, 바람직하게는 구리 또는 알루미늄이다. 전력 전송에 있어서, 알루미늄 전도체/강철 보강 (ACSR) 케이블, 알루미늄 전도체/알루미늄 보강 (ACAR) 케이블, 또는 알루미늄 케이블이 전형적이다. 전도체가 와이어 다발을 포함하는 경우에, 개별 와이어는 임의의 적합한 결합 또는 포팅 물질, 예를 들어 에폭시 수지에 의해 함께 결합될 수 있다.
한 실시양태에서 전도체는 광섬유를 포함한다.
반도체 층 및 절연 층의 화학적 조성
반도체 층 및 절연 층의 조성은 본 발명에서 결정적이지는 않아서, 매우 다양할 수 있으며, 사실상 임의의 중합체, 가장 전형적으로 가교성 열가소성 중합체로부터 제조될 수 있다. 이들 중합체는 관련 기술분야에 널리 공지되어 있고, 일부 실시양태에서, 반도체 층과 절연 층은 동일한 중합체로부터 제조되며, 이들 층은 단지 전도성 충전제, 예를 들어 전도성 카본 블랙, 금속 미립자 등의 존재 또는 부재만 상이하다. 중합체는 임의의 통상적인 방식으로 가교될 수 있지만, 전형적으로 퍼옥시드 및/또는 수분-경화된다.
적합한 중합체의 비제한적인 예는 스티렌 블록 공중합체 (예를 들어, SEBS), 에틸렌-기재 엘라스토머/플라스토머 (예를 들어, 엔게이지(ENGAGE)™ 및 어퍼니티(AFFINITY) 에틸렌-기재 공중합체), 에틸렌 블록 공중합체 (OBC) (예를 들어, 인퓨즈(INFUSE)™ 9507 또는 9100 OBC) 및 프로필렌-기재 플라스토머 및 엘라스토머 (예를 들어, 베르시파이(VERSIFY)™ 3300 및 4200)를 포함한다. 본 발명의 실시에서 유용한 다른 TPE 중합체는, 예를 들어 특히, 열가소성 우레탄 (TPU), 에틸렌/비닐 아세테이트 (EVA) 공중합체 (예를 들어, 엘박스(ELVAX) 40L-03 (40%VA, 3MI) (듀폰(DuPont))), 에틸렌/에틸 아크릴레이트 (EEA) 공중합체 (예를 들어, 암플리피(AMPLIFY)) 및 에틸렌 아크릴산 (EAA) 공중합체 (예를 들어, 프리마코르(PRIMACOR)) (더 다우 케미칼 캄파니(The Dow Chemical Company)), 폴리비닐클로라이드 (PVC), 에폭시 수지, 스티렌 아크릴로니트릴 (SAN) 고무, 및 노릴(Noryl)® 개질된 PPE 수지 (사빅(SABIC)의 폴리페닐렌 옥시드 (PPO)와 폴리스티렌 (PS)의 무정형 블렌드)를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 초저밀도 폴리에틸렌 (VLDPE) (예를 들어, 더 다우 케미칼 캄파니의 플렉소머(FLEXOMER)® 에틸렌/1-헥센 폴리에틸렌), 균일 분지화 선형 에틸렌/α-올레핀 공중합체 (예를 들어, 미쓰이 페트로케미칼즈 캄파니 리미티드(Mitsui Petrochemicals Company Limited)의 타프머(TAFMER)® 및 덱스플라스토머스(DEXPlastomers)의 이그젝트(EXACT)®), 및 균일 분지화 실질적 선형 에틸렌/α-올레핀 중합체 (예를 들어, 더 다우 케미칼 캄파니의, 어퍼니티® 에틸렌-옥텐 플라스토머 (예를 들어, EG8200 (PE)) 및 엔게이지® 폴리올레핀 엘라스토머)를 포함하는 올레핀성 엘라스토머가 또한 유용하다. 실질적 선형 에틸렌 공중합체는 USP 5,272,236, 5,278,272 및 5,986,028에 보다 상세히 기술되어 있다.
본 발명에서 유용한 추가의 올레핀성 혼성중합체는 선형 중밀도 폴리에틸렌 (LMDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌 (LLDPE), 및 극저밀도 폴리에틸렌 (ULDPE)를 포함하나 이에 제한되지는 않는 불균일 분지화 에틸렌-기재 혼성중합체를 포함한다. 상업적인 중합체는 다우렉스(DOWLEX)™ 중합체, 아탄(ATTANE)TM 중합체, 플렉소머™, HPDE 3364 및 HPDE 8007 중합체 (더 다우 케미칼 캄파니), 에스코렌(ESCORENE)TM 및 엑시드(EXCEED)TM 중합체 (엑손 모빌 케미칼(Exxon Mobil Chemical))를 포함한다. 적합한 TPU의 비제한적인 예는 펠레탄(PELLETHANE)TM 엘라스토머 (루브리졸 코포레이션(Lubrizol Corp.) (예를 들어, TPU 2103-90A); 에스탄(ESTANE)™, 테코플렉스(TECOFLEX)™, 카르보탄(CARBOTHANE)™, 테코필릭(TECOPHILIC)™, 테코플라스트(TECOPLAST)™ 및 테코탄(TECOTHANE)™ (노베온(Noveon)); 엘라스톨란(ELASTOLLAN)™ 등 (바스프(BASF)), 및 바이엘(Bayer), 헌츠만(Huntsman), 루브리졸 코포레이션 및 메르퀸사(Merquinsa)로부터 입수가능한 상업적인 TPU를 포함한다.
층은 가공 조제, 충전제, 가교제, 가교 조제, 커플링제, 자외선 흡수제 또는 안정화제, 대전방지제, 핵형성제, 슬립제, 가소제, 윤활제, 점도 조절제, 점착부여제, 블로킹 방지제, 계면활성제, 증량 오일, 산 소거제, 및 금속 불활성화제를 포함하나 이에 제한되지는 않는 1종 이상의 첨가제를 함유할 수 있고 통상적으로는 함유한다. 충전제 이외의 첨가제는, 전형적으로 조성물의 중량을 기준으로 0.01 중량% 이하 내지 10 중량% 이상 범위의 양으로 사용된다. 충전제는, 그 양이 조성물의 중량을 기준으로 0.01 중량% 이하 정도로 적은 양 내지 50 중량% 이상 범위일 수 있지만, 일반적으로 보다 많은 양으로 첨가된다. 충전제의 예는, 전형적인 산술 평균 입자 크기가 15 나노미터 초과인, 점토, 침강 실리카 및 실리케이트, 퓸드 실리카, 탄산칼슘, 분쇄된 광물, 및 카본 블랙을 포함하지만 이로 제한되는 것은 아니다. 전도성 첨가제 및 충전제, 예를 들어 충전된 조성물에서 1,000 오옴/미터 (ohm-m) 미만의 전도도를 제공하는 것이 전형적으로 반도체 층에서 사용되고, 비전도성 또는 저전도성 첨가제 및 충전제, 예를 들어 108 ohm-m나 되는 절연 부피 저항도를 제공하는 것이 전형적으로 절연 층에서 사용된다.
배합 및 제조
케이블 층 물질의 배합은 통상의 기술자에게 공지된 표준 장비를 사용하여 수행될 수 있다. 배합 장비의 예는 내부 배치 혼합기, 예컨대 밴버리(Banbury)™ 또는 볼링(Bolling)™ 내부 혼합기이다. 대안적으로, 연속 단축 또는 이축 스크류 혼합기, 예컨대 파렐(Farrel)™ 연속 혼합기, 베르너 앤드 플라이더러(Werner and Pfleiderer)™ 이축 스크류 혼합기, 또는 부스(Buss)™ 혼련 연속 압출기가 사용될 수 있다.
반도체 층 및 절연 층을 함유하는 케이블을 다양한 유형의 압출기, 예를 들어 단축 또는 이축 스크류 유형의 압출기를 사용하여 제조할 수 있다. 통상적인 압출기에 대한 설명을 USP 4,857,600에서 찾을 수 있다. 공-압출 및 이를 위한 압출기의 예를 USP 5,575,965에서 찾을 수 있다. 전형적인 압출기는 이의 상류 말단에 호퍼 및 이의 하류 말단에 다이를 갖는다. 호퍼는, 스크류를 함유하는 배럴에 공급한다. 하류 말단에서, 스크류의 말단과 다이 사이에는, 스크린 팩 및 브레이커 플레이트가 존재한다. 압출기의 스크류 부분은 공급 구획, 압축 구획 및 계량투입 구획인 3개의 구획, 및 후방 가열 대역 및 전방 가열 대역인 2개의 대역으로 나누어지는 것으로 간주되며, 이들 구역 및 대역은 상류로부터 하류로 이어져 있다. 대안에서, 상류로부터 하류로 이어지는 축을 따라 다수의 (2개 초과의) 가열 대역이 존재할 수 있다. 1개 초과의 배럴이 존재하는 경우에, 배럴들은 직렬로 연결되어 있다. 각각의 배럴의 길이 대 직경 비는 약 15:1 내지 약 30:1 범위이다. 층을 압출 후 가교시키는 와이어 코팅에서, 케이블을 종종 즉시 압출 다이 하류의 가열된 가황 대역에 통과시킨다. 가열된 경화 대역은 약 200℃ 내지 약 350℃ 범위, 바람직하게는 약 170℃ 내지 약 250℃ 범위의 온도에서 유지될 수 있다. 가열된 대역은 가압 증기, 또는 유도 가열된 가압 질소 가스에 의해 가열될 수 있다.
제조 방법
도 1에는 내부 전력 케이블(10) (도 2)의 제조의 한 실시양태가 기재되어 있다. 전도체(11)는 삼중 압출 다이(12)에 공급되고, 여기서 제1 반도체 층, 제1 절연 층 및 제2 반도체 층을 상기에 동심원 모양으로 도포한다. 삼중 압출은 공지된 공정이며, 여기서 제1 반도체 층이 전도체 위에 도포되어 그와 접촉하고, 제1 절연 층이 제1 반도체 층 위에 도포되어 그와 접촉하고, 제2 반도체 층이 제1 절연 층 위에 도포되어 그와 접촉하도록, 각각의 층을 동시에 또는 거의 동시에 도포한다. 제1 반도체 층은 압출기(13)로부터 다이(12)에 공급되고, 제1 절연 층은 압출기(14)로부터 다이(12)에 공급되고, 제2 반도체 층은 압출기(15)로부터 다이(12)에 공급된다.
내부 전력 케이블(10)은, 다양한 층이 (개별 층의 조성에 따라 부분적으로 또는 완전히) 가교되는 연속 가황 (CV) 튜브(16), 냉각 스테이션(17), 최종적으로 권취 릴(take-up reel)(18)에 통과시킨다. 전도체, 다양한 층의 화학적 조성 및 케이블의 물리적 구성 (예를 들어, 층 두께)에 따라, 일부 실시양태에서, 이러한 내부 전력 케이블은 저전압 또는 중전압 케이블로서 사용될 수 있다. 도 2에 나타내어진 바와 같이, 내부 전력 케이블(10)은 전도체(11) (여기서는 와이어 다발로서 도시되어 있음), 제1 반도체 층(13A), 제1 절연 층(14A) 및 제2 반도체 층(15A)을 포함한다. 층들은 전도체(11) 주위에 동심원으로 배열되어 있다.
또 다른 실시양태에서, 내부 전력 케이블은, 먼저 제1 반도체 층을 전도체 위에 압출하고, 이어서 제1 절연층을 제1 반도체 층 위에 압출하고, 이어서 제2 반도체 층을 제1 반도체 층 위에 압출함으로써 제조된다. 일부 실시양태에서, 각각의 층을, 그 다음 층을 도포하기 전에 적어도 부분적으로 경화시킨다. 한 실시양태에서, 제1 반도체 층 및 제1 절연 층을, 제2 반도체 층이 도포되기 전에 동시에 또는 거의 동시에 도포한다. 한 실시양태에서, 제1 절연 층 및 제2 반도체 층은 제1 반도체 층 위에, 동시에 또는 거의 동시에 도포된다. 삼중 압출은 3개의 층을 전도체에 도포하는 바람직한 방법이다.
이어서, 제3 및 제4 반도체 층 및 제2 절연층을, 그의 대응부가 전도체에 도포되는 것과 동일한 방식으로 내부 전력 케이블에 도포한다. 실제로, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 전력 케이블(10)을 제조하는데 사용된 장치와 동일한 장비가 전력 케이블(20) (도 5)의 구성을 완성하는데 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 내부 전력 케이블(10)은 전도체(11)를 대체하고, 압출기(13)는 제3 반도체 층(13B)이 되는 조성물을 다이(12)에 공급하고, 압출기(14)는 제2 절연물(14B)이 되는 조성물을 다이(12)에 공급하고, 압출기(15)는 제4 반도체(15B)가 되는 조성물을 다이(12)에 공급한다. 대안적으로, 층(13B, 14B 및 15B)이 되는 조성물을, 개별적으로 도포할 수 있거나, 또는 상기 기재된 바와 같은 인접 층이 되는 조성물과 조합하여 도포할 수 있다.
도 4 및 도 5에는 전력 케이블(20)의 제조가 개략적으로 도시되어 있다. 제1 압출 통과에 의해 내부 전력 케이블(10)이 제조되고, 제2 압출 통과에 의해 제2 압출 코팅(19)이 도포된다. 이들 2개의 제조물의 조합이 전력 케이블(20)이다.
본 발명의 방법은 두꺼운, 즉 9 밀리미터 (mm) 이상의 총 두께를 갖는 절연물을 갖는 전력 케이블의 제조를 허용한다. "총 두께"는 케이블 내의 각각의 절연 층의 두께의 합계를 의미한다. 각각의 절연 층의 두께는 동일하거나 상이할 수 있다.
단일의 두꺼운 절연 층을 갖는 전력 케이블은 하기 이유 중 하나 이상으로 인해 제조가 어렵다: i) 내부 절연 층의 적절한 가교를 보장하기 위해 충분히 긴 가황 공정이 요구됨, ii) 릴링이 가능하도록 케이블의 충분한 냉각이 요구됨, iii) 전도체로부터의 절연 층의 축퇴를 초래할 수 있는 종방향 응력을 최소화하도록 제어된 냉각이 요구됨, iv) 후벽 케이블 디자인에 전도체 주위의 용융된 절연물의 늘어짐을 초래하는 중력이 가해지는 일부 제조 구성에서의, 케이블 센터링의 곤란성, v) 두꺼운 절연 층을 통한 확산을 통해 가교 부산물을 제거하는데 필요한 긴 탈기 시간, 및 vi) 고전압 케이블 제조에 적합한 케이블 라인의 제한된 이용가능성. 이들 문제 중 일부를 회피하기 위해, 절연 층을 다중 통과로 도포할 수 있지만, 이로 인해 절연 층들 사이에서의 오염물의 포획을 초래할 수 있다.
본 발명의 방법은 고전압 응용분야에 적합한 총 절연물 두께를 갖는 전력 케이블을 제조할 수 있고, 이들 도전과제 중 일부 또는 전부를 회피할 수 있다. 이러한 신규 방법 및 케이블 디자인은, 경화 및 냉각으로 인한 제한이 감소된 덕분에 순간 라인 속도가 극적으로 증가할 수 있는 공-압출 및 가교 제조 라인을 통한 다중 제조 통과를 사용한다. 축퇴 및 늘어짐은, 내부 전력 케이블이 제2 통과 시에 이미 냉각되었기 때문에, 현저하게 감소된다. 추가로, 이러한 다단계 공정은 중전압 케이블에 현재 이용되는 장비를 사용한 고전압 케이블의 제조에 적합할 수 있다.
이러한 신규한 케이블 디자인은 또한 2개의 절연 층들 사이에 반도체 또는 전기장 완화(field grading) 층을 사용한다. 이러한 중간 반도체/전기장 완화 층은, 내부 전력 케이블의 제조 동안에 제2 반도체 층의 표면 위에 혼입될 수 있는 임의의 오염물을 캡슐화함으로써 케이블에서 엄격한 성능 척도를 충족시키는 것을 돕는다. 더욱이, 이러한 신규 방법 및 케이블 디자인은 제조 공정 허용범위를 증가시킬 수 있으며, 라인 속도 증가를 통해 대형 연속 가황 (CV) 라인에서의 용량을 해방시킬 수 있다 (중전압 CV 라인에서는 보다 작은 코어가 제조될 수 있음). 이들 이점은 또한 극고전압 케이블 제조로 확장될 것이다.
본 발명의 또 다른 잠재적 이점은 내부 및 외부 절연 층에 대해 상이한 절연물 유형을 이용하는 능력이다. 이는, 내부 (최고 응력) 층만의 매우 높은 품질의 (가장 순수하고 가장 값비싼) 물질과, 외부 층의 덜 비싼 물질을 의미할 뿐만 아니라, 이는 또한 케이블의 가요성을 증가시키기 위한 수단으로서, 보다 가요성인 또는 충전된 절연 층을 외부 층에 혼입하도록 하는 기회를 제공할 것이다. 물론, 본 발명은 반도체 층에 의해 분리된 2개의 절연 층의 관점에서 기재되었지만, 공정을 반복하여, 3개 이상의 절연 층을 가지며 각각의 층이 반도체 층에 의해 분리된 것인 전력 케이블을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명은 전력 케이블의 관점에서 기재되었지만, 이는 다른 케이블, 예를 들어 저전압 및 중전압 케이블, 광섬유 케이블 등을 제조하는데에도 사용될 수 있다.
본 발명의 케이블의 반도체 층 및 절연 층의 상대 두께는 편의상 달라질 수 있지만, 전형적으로 각각의 반도체 층은 각각의 절연 층보다 좁거나 또는 더 낮은 두께를 갖는다. 제2 반도체 층 및 제3 반도체 층은, 2개의 개별 층의 합한 두께, 예를 들어 0.4 내지 3 mm를 갖는 합체된 층을, 물리적으로는 아니더라도 (2개의 층들 사이에 계면이 존재할 수 있음), 효과적으로 형성하는 것으로 간주될 수 있지만, 각각의 반도체 층은 반드시 그런 것은 아니지만 전형적으로, 예를 들어 0.2 내지 1.5 mm, 보다 전형적으로 0.4 내지 1 mm의 유사한 두께를 갖는다. 물론, 제2 반도체 층 및 제3 반도체 층은, 제1 반도체 층 및 제4 반도체 층의 두께의 절반 또는 그보다 낮은 두께로 도포되어, 제1 반도체 층 및 제4 반도체 층의 두께와 대략 동일하거나 또는 그보다 낮은 두께를 갖는 조합된 중간 층을 형성할 수 있으며, 제2 반도체 층과 제3 반도체 층의 합한 두께는 전형적으로 0.4 내지 1.5 mm, 또는 0.4 내지 1 mm이다. 조합된 제2 반도체 층 및 제3 반도체 층이 제1 반도체 층 및 제4 반도체 층의 두께보다 더 큰 두께를 갖는 경우에, 이는 이들 다른 2개의 반도체 층에 비해 높은 전도도 및/또는 유전율을 가질 것이다. 각각의 절연 층은 또한 반드시 그런 것은 아니지만 전형적으로 다른 절연 층(들)과 동일한 두께를 갖는다.
본 발명의 방법의 또 다른 이점은, 내부 전력 케이블을 고전압 케이블로 즉시 가공할 수 있으며, 즉 삼중 압출 라인에 다시 통과시킬 수 있다는 점, 또는 이것을 이후의 가공을 위해 예를 들어 1일 이상 동안, 동일하거나 상이한 라인에서, 또는 이와 관련하여 상이한 장소에서 함께 보관할 수 있다는 점이다.
한 실시양태에서, 절연 층을 자유 라디칼 (예를 들어, 퍼옥시드) 경화시키고, 그에 따라 도 1 및 도 3에 기재된 바와 같이 연속 가황으로 처리하여, 가교제를 열적으로 활성화시킨다. 한 실시양태에서, 절연물을 수분-경화시키며, 도 1 및 도 3에 기재된 연속 가황 튜브를, 절연 층 내로의 물 확산을 촉진하기 위한 사우나 또는 유사 처리 (도시되지 않음)로 대체하거나, 또는 단순하게 절연물을 주변 조건에서 경화되도록 한다. 수분-경화 조성물의 경우, 조성물 성분 중 하나 이상은 전형적으로 실란 또는 유사 관능 기를 함유한다.
본 발명은 특정한 세부 사항에 대해서 기술되긴 했지만, 이러한 세부 사항은 주로 예시를 목적으로 한다. 통상의 기술자라면 하기 청구범위에서 기술되는 바와 같은 본 발명의 개념 및 범주에서 벗어나지 않게 많은 변형 및 개질을 할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. (A) 제1 반도체 층과 제2 반도체 층 사이에 위치한 제1 절연 층을 전도체 주위에 압출하여,
    (1) 제1 반도체 층과 접촉하는 전도체,
    (2) 제1 절연 층과도 접촉하는 제1 반도체 층,
    (3) 제2 반도체 층과도 접촉하는 제1 절연 층,
    (4) 제2 반도체 층
    을 포함하는 내부 전력 케이블을 제조하는 단계, 및
    (B) 제3 반도체 층과 제4 반도체 층 사이에 위치한 제2 절연 층을 내부 전력 케이블 주위에 압출하여,
    제2 반도체 층이 제3 반도체 층과 접촉하는 것인 내부 전력 케이블,
    (5) 제2 절연 층과도 접촉하는 제3 반도체 층,
    (6) 제4 반도체 층과도 접촉하는 제2 절연 층,
    (7) 제4 반도체 층
    을 포함하는 9 mm 이상의 제1 절연 층과 제2 절연 층의 합한 두께를 갖는 전력 케이블을 제조하는 단계
    를 포함하는, 전도체, 반도체 층 및 절연 층을 포함하는 전력 케이블을 제조하는 방법.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서, 제2 절연 층을 내부 전력 케이블 주위에 압출하는 단계 전에, 내부 전력 케이블의 제1 절연 층을 자유 라디칼 촉진된 가교로 처리하는 것인 방법.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서, 제2 절연 층을 내부 전력 케이블 주위에 압출하는 단계 전에, 내부 전력 케이블의 제1 절연 층을 수분-촉진된 가교로 처리하는 것인 방법.
  4. ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서, 내부 전력 케이블을 제조하는 단계와 제2 절연 층을 내부 전력 케이블 주위에 압출하는 단계 사이에 1일 이상이 경과하는 것인 방법.
  5. (A) 제1 압출 통과에 의해 제조되는 내부 전력 케이블로서,
    (1) 외부 면상 표면을 갖는 전도체;
    (2) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 전도체의 외부 면상 표면과 접촉하는 것인 제1 반도체 층;
    (3) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제1 반도체 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제1 절연 층; 및
    (4) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제1 절연 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제2 반도체 층
    을 포함하는 내부 전력 케이블; 및
    (B) 제2 압출 통과에 의해 제조되는 압출 코팅으로서,
    (5) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제2 반도체 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제3 반도체 층;
    (6) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제3 반도체 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제2 절연 층; 및
    (7) 제1 및 제2 면상 표면을 가지며, 제1 면상 표면이 제2 절연 층의 제2 면상 표면과 접촉하는 것인 제4 반도체 층
    을 포함하는 압출 코팅
    을 포함하며, 여기서 제1 절연 층과 제2 절연 층의 합한 두께가 9 mm 이상인 전력 케이블.
  6. 제5항에 있어서, 제2 반도체 층과 제3 반도체 층의 합한 두께가 0.4 내지 1.5 mm인 전력 케이블.
  7. 제6항에 있어서, 제1 절연 층의 조성과 제2 절연 층의 조성이 동일한 것인 전력 케이블.
  8. 제5항에 있어서, 제1 절연 층이 가교된 것인 전력 케이블.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서, 제2 절연 층이 가교된 것인 전력 케이블.
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