KR102584633B1

KR102584633B1 - 복합쉬스층을 포함하는 전력케이블

Info

Publication number: KR102584633B1
Application number: KR1020190108549A
Authority: KR
Inventors: 박관수; 김경윤; 임상현; 김기병
Original assignee: 한국전력공사; 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2023-10-10
Also published as: KR20210028299A

Abstract

본 발명은 복합쉬스층을 포함하는 전력케이블에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 전력케이블은 하나 이상의 도체; 상기 도체를 감싸는 내부반도전층; 상기 내부반도전층을 감싸는 절연층; 상기 절연층을 감싸는 외부반도전층; 상기 외부반도전층을 감싸는 쿠션층; 상기 쿠션층의 외주면에 형성되는 복합쉬스층; 및 상기 복합쉬스층의 외주면에 형성되는 방식층;을 포함하며, 상기 복합쉬스층은 제1 금속쉬스층, 상기 제1 금속쉬스층을 감싸는 절연필름 및 상기 절연필름을 감싸는 제2 금속쉬스층을 포함한다.

Description

복합쉬스층을 포함하는 전력케이블 {POWER CABLE COMPRISING COMPOSITE SHEATH LAYER}

본 발명은 복합쉬스층을 포함하는 전력케이블에 관한 것이다.

도성을 띠는 물체의 외부에서 시간에 따라 변하는 자기장이 인가되면 전도체에는 하기 식 1과 같은 페러데이의 법칙에 의해 역기전력(counter electromotive force)이 발생하게 된다. 이때 역기전력의 방향은 렌츠의 법칙에 의해 외부에서 인가되는 자기장을 방해하는 방향으로 발생한다:

[식 1]

(상기 식 1에서, e: 역기전력, Φ: 도체를 통과하는 자속 및 N: 선소도체의 수(권선의 수)이다).

이 때 발생하게 되는 역기전력(e)에 의하여, 전도체에는 소용돌이 모양의 전류가 흐르게 되는데 이를 와전류(eddy current) 라고 한다. 일반적으로, 교류 전류를 이용하는 모든 전기기기에서는 와전류로 인한 손실이 열에너지의 형태로 발생하게 된다.

도 1(a)는 건식 전력변압기를 나타낸 것이며, 도 1(b)는 변압기 코어의 모식도이다. 상기 도 1을 참조하면 변압기의 코어로 많이 사용되는 철심 등 대부분의 전자기기는 도체를 포함하여 구성된다. 권선에 유도되는 기전력에 의해 자속이 변화하게 되면, 변압기의 코어에도 기전력이 유도된다.

이 때 코어의 내부에 도 1(b)와 같이 회전하는 와전류가 발생하게 되고, 이 와전류는 변압기의 코어 내부에서 손실과 열을 발생시키며 감자 현상을 일으키게 된다. 만일 와전류의 경로가 일정한 저항을 가지고 감자 현상에 의한 자속 분포의 변화를 무시한다면 자속밀도는 균일한 값을 가지게 된다. 자기 포화를 무시한다면, 시간에 대해 정현적으로 유도되는 기전력에 의한 와전류 손실(P _e)은 하기 식 2와 같이 나타낼 수 있다:

[식 2]

(상기 식 2에서, k_e는 철심의 재료 특성에 의해 결정되는 비례상수이며, Vol은 상기 변압기 코어의 체적이고, f는 주파수이며, r은 적층 두께, B _m은 자속밀도의 최대값이다).

상기 식 2를 참조하면, 와전류 손실은 도체의 전기저항에 반비례하고(즉, 도체의 부피에 비례), 주파수, 적층 두께 및 최대 자속밀도의 제곱에 비례함을 알 수 있다.

도 2(a)는 종래 가교 폴리에틸렌(XLPE) 전력케이블의 단면 사진이며, 도 2(b)는 종래 전력케이블의 구조를 나타낸 사진이다. 상기 도 2를 참조하면, 전력케이블은 도체(1), 도체를 감싸는 내부 반도전층(2), 내부반도전층을 감싸는 절연층(3), 절연층을 감싸는 외부 반도전층(4), 외부 반도전층을 감싸는 쿠션층(5), 쿠션층을 감싸는 금속쉬스층(6) 및 금속쉬스층을 감싸는 방식층(7)을 포함한다.

한편, 전력케이블의 도체(1)를 따라 전력이 전송될 때, 도체(1)에 생성된 전하는 쿨롱의 법칙에 따라 전계를 형성하여 외부로 방출된다. 방출된 전계는 케이블 외부의 도전체에 유도 전압을 형성하게 되는데, 이를 방지하고자 금속쉬스층을 형성한다. 금속쉬스층은 가우스 폐곡면을 구성하여 내부 도체에 의해 형성되는 전계를 접지시켜주는 역할을 한다. 또한 금속쉬스층은 고장전류로부터 선로를 보호해주는 역할을 수행하며, 외부에서의 물리적인 충격으로부터 송전케이블을 보호해주는 역할도 수행한다.

그러나 도체 전류로 인해 형성되는 시변 자계가 금속쉬스층에 인가되면, 금속쉬스층 내부에 송전 전류의 방향과 같은 방향으로 와전류가 발생하고 형성되는 와전류의 손실만큼 열 손실이 발생하게 된다. 이 때 금속쉬스층에서 와전류 손실에 의해 발생하는 열은 케이블 내부 절연체의 열화를 초래하고 케이블 도체의 송전용량 변화를 일으킬 수 있는 문제가 발생하게 된다.

본 발명과 관련한 배경기술은 일본 공개특허공보 제2017-174552호(2017.09.28. 공개, 발명의 명칭: 철도용 통신 케이블)에 개시되어 있다.

본 발명의 하나의 목적은 쉬스층의 와전류 감소 효과가 우수한 복합쉬스층을 포함하는 전력케이블을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 케이블 절연체의 열화 및 도체의 송전용량 저하 방지효과가 우수한 전력케이블을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 관점은 복합쉬스층을 포함하는 전력케이블에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 전력케이블은 하나 이상의 도체; 상기 도체를 감싸는 내부반도전층; 상기 내부반도전층을 감싸는 절연층; 상기 절연층을 감싸는 외부반도전층; 상기 외부반도전층을 감싸는 쿠션층; 상기 쿠션층의 외주면에 형성되는 복합쉬스층; 및 상기 복합쉬스층의 외주면에 형성되는 방식층;을 포함하며, 상기 복합쉬스층은 제1 금속쉬스층, 상기 제1 금속쉬스층을 감싸는 절연필름 및 상기 절연필름을 감싸는 제2 금속쉬스층을 포함한다.

한 구체예에서 상기 제1 금속쉬스층 및 제2 금속쉬스층은 두께가 각각 0.5~5mm이며, 상기 절연필름은 두께가 50㎛~5mm 일 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 금속쉬스층 및 제2 금속쉬스층은 각각 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 하나 이상을 포함하며, 상기 절연필름은 실리콘, 에폭시, 폴리올레핀, 폴리에스테르 및 폴리염화비닐 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 복합쉬스층을 적용시, 쉬스층의 와전류 감소 효과가 우수하며, 케이블 절연체의 열화 및 도체의 송전용량 저하 방지효과가 우수할 수 있다.

도 1(a)는 건식 전력변압기를 나타낸 것이며, 도 1(b)는 변압기 코어의 모식도이다.
도 2(a)는 종래 전력케이블의 단면 사진이며, 도 2(b)는 종래 전력케이블의 구조를 나타낸 사진이다.
도 3(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 전력케이블 단면도이며, 도 3(b)는 본 발명의 전력케이블에 포함되는 복합금속층의 단면을 나타낸 것이다.
도 4(a)는 종래 전력케이블에 송전 전류 인가시 금속쉬스층의 교번 자계형성을 나타낸 모식도이며, 도 4(b)는 유도 자계에 의해 금속쉬스층에 형성되는 와전류를 나타낸 모식도이다.
도 5는 종래 전력케이블의 금속쉬스층 내부의 와전류 밀도 분포를 나타낸 것이다.
도 6은 상기 도 5의 전력케이블 금속쉬스층의 A-B 방향의 와전류 밀도를 나타낸 것이다.
도 7(a)는 비교예 금속쉬스층 내부에 발생하는 와전류 밀도의 분포를 나타낸 것이며, 도 7(b)는 실시예 복합쉬스층 내부의 와전류 밀도 분포를 나타낸 것이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

복합쉬스층을 포함하는 전력케이블

본 발명의 하나의 관점은 복합쉬스층을 포함하는 전력케이블에 관한 것이다. 도 3(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 전력케이블 단면도이며, 도 3(b)는 본 발명의 전력케이블에 포함되는 복합금속층의 단면을 나타낸 것이다.

상기 도 3을 참조하면, 전력케이블(100)은 하나 이상의 도체(10); 도체(10)를 감싸는 내부반도전층(20); 내부반도전층(20)을 감싸는 절연층(30); 절연층(30)을 감싸는 외부반도전층(40); 외부반도전층(40)을 감싸는 쿠션층(50); 쿠션층(50)의 외주면에 형성되는 복합쉬스층(60); 및 복합쉬스층(60)의 외주면에 형성되는 방식층(70);을 포함하며, 복합쉬스층(60)은 제1 금속쉬스층(62), 제1 금속쉬스층(62)을 감싸는 절연필름(64) 및 절연필름(64)을 감싸는 제2 금속쉬스층(66)을 포함한다.

한 구체예에서 하나 이상의 도체(10)는, 막대 형태 또는 서로 꼬아서 스트랜드 형태로 배치될 수 있다. 도체(10)는 전기적으로 도체인 금속 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 중 하나 이상 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 도체는 횡단면이 원형일 수 있다. 한 구체예에서 상기 하나 이상의 도체는, 직경이 5mm 내지 25mm일 수 있다.

내부반도전층(20)은 도체(10) 및 절연층(30) 사이에 도체 표면의 전계완화와 부분방전을 방지할 수 있다. 한 구체예에서 상기 내부반도전층의 두께는 0.1~5mm일 수 있다.

절연층(30)은 도체를 따라 흐르는 전류가 외부로 누설되지 않도록 외부와 전기적으로 절연시키며, 내부 반도전층을 통과한 열이 외부로 전달되는 것을 차단하 역할을 할 수 있다. 한 구체예에서 상기 절연층은 실리콘 수지계, 실리콘 고무계, 에폭시계, 아크릴계, 에틸셀룰로스(ethyl cellulose)계, 폴리올레핀계, 폴리프로필렌계, 스티렌부타디엔(styrenebutadiene)계 및 폴리부틸렌(polybutylene)계 수지 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면 가교된 폴리에틸렌계 수지를 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 절연층의 두께는 2mm 내지 10mm일 수 있다. 예를 들면 절연층의 두께는 5mm 내지 10mm일 수 있다.

외부 반도전층(40)은 전계완화와 더불어 절연층(30)을 보호하는 역할을 할 수 있다. 한 구체예에서 내부반도전층과 외부반도전층은 각각 카본블랙 및 열가소성 수지를 포함하는 제1 조성물을 이용하여 형성될 수 있다. 한 구체예에서 상기 외부반도전층의 두께는 0.1~5mm일 수 있다.

쿠션층(50)은 전기가 통하지 않는 부도체 또는 반도전체를 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들면 쿠션층(50)은 발포 스펀지 또는 반도전성 부풀음 테이프를 포함할 수 있다. 상기 반도전성 부풀음 테이프는 수분을 흡수시 팽창하는 성질을 가지며, 통상적인 것을 사용할 수 있다.

한 구체예에서 상기 쿠션층의 두께는 0.1~5mm일 수 있다.

복합쉬스층(60)은 제1 금속쉬스층(62), 제1 금속쉬스층(62)을 감싸는 절연필름(64) 및 절연필름(64)을 감싸는 제2 금속쉬스층(66)을 포함한다. 한 구체예에서 상기 제1 금속쉬스층 및 제2 금속쉬스층은 두께가 각각 0.5~5mm이며, 상기 절연필름은 두께가 50㎛~5mm 일 수 있다.

한편 도 4(a)는 종래 전력케이블에 송전 전류 인가시 한 겹으로 형성된 금속쉬스층의 교번 자계형성을 나타낸 모식도이며, 도 4(b)는 유도 자계에 의해 금속쉬스층에 형성되는 와전류를 나타낸 모식도이다. 상기 도 4(a)를 참조하면, 종래 전력케이블의 도체에 60 Hz의 송전 전류를 인가시, 도체를 둘러싸고 있는 금속 쉬스층의 원주 방향을 따라 교번 자계가 형성된다.

또한, 상기 도 4(b)를 참조하면, 상기 식 1에 제시된 패러데이의 법칙에 의해, 상기 금속쉬스층에 인가되는 교번 자계를 상쇄시키는 방향으로, 금속쉬스층의 내부에 와전류가 형성된다. 종래 한 겹으로 구성된 금속쉬스층에서 발생하는 와전류는, 금속쉬스층의 내부와 외부에서 path를 형성하면서 순환한다. 또한 상기 형성되는 와전류의 손실만큼 열이 발생한다. 와전류 손실에 의해 발생하는 열은 케이블 내부 절연체의 열화를 초래하고 케이블 도체의 송전용량 변화를 일으킬 수 있는 문제가 발생하였다.

도 5는 종래 전력케이블의 금속쉬스층 내부의 와전류 밀도 분포를 나타낸 것이며, 도 6은 상기 도 5의 전력케이블 금속쉬스층의 A-B 방향의 와전류 밀도를 나타낸 것이다. 상기 도 5를 참조하면, 와전류의 특성 상 인가되는 교번 자계를 상쇄시키는 방향으로 전류가 흐르므로, 금속쉬스층의 바깥쪽과 안쪽에서 강한 와전류가 형성됨을 알 수 있다. 또한, 상기 도 6을 참조하면, 금속쉬스층의 단면을 기준으로 최내부를 A, 최외부를 B라고 할 때, 금속쉬스층의 금속쉬스층 외부와 내부의 와전류 크기는 거의 동일하며, 방향이 반대라는 것을 확인할 수 있다. 즉, 금속쉬스층에 형성되는 와전류는 선로 도체에 의해 형성되는 교번 자계의 변화에 따라 금속쉬스층의 내부 및 외부로 순환하는 형태로 형성됨을 알 수 있다.

그러나, 본 발명의 경우, 기계적 강도를 고려하여 금속쉬스층의 총 두께는 일정하게 유지하되, 금속쉬스층을 두 겹으로 분할하고, 금속쉬스층 사이에 절연필름을 개재하였다. 본 발명의 복합쉬스층을 적용하는 경우, 변압기의 코어와 유사한 적층 구조가 형성되어, 전력케이블의 금속쉬스층에서 발생하는 와전류의 분포를 감소시키며, 제1 및 제2 금속쉬스층 사이에 절연필름을 형성시 와전류 path의 형성을 방지할 수 있다.

방식층(70)은 외부충격 및 부식 등으로부터 전력케이블을 보호하며, 폴리올레핀 또는 폴리염화비닐(PVC)을 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 쿠션층의 두께는 0.5~25mm일 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예 및 비교예

실시예

하나 이상의 도체; 상기 도체를 감싸는 내부반도전층; 상기 내부반도전층을 감싸는 가교 폴리에틸렌 포함하는 절연층; 상기 절연층을 감싸는 외부반도전층; 상기 외부반도전층을 감싸는 쿠션층; 상기 쿠션층의 외주면에 형성되는 복합쉬스층; 및 상기 복합쉬스층의 외주면에 형성되는 방식층;을 포함하며, 상기 복합쉬스층은 1.3mm 두께의 구리를 포함하는 제1 금속쉬스층, 상기 제1 금속쉬스층을 감싸는 0.2mm 두께의 폴리에틸렌을 포함하는 절연필름 및 상기 절연필름을 감싸는 1.3mm 두께의 구리를 포함하는 제2 금속쉬스층을 포함하는 도 3(b)와 같은 구조의 전력케이블을 제조하였다.

비교예

두께 2.6mm의 구리를 포함하는 금속쉬스층을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 방법으로 전력케이블을 제조하였다.

상기 실시예 전력케이블의 복합쉬스층과 비교예 전력케이블의 금속쉬스층 에서 발생하는 와전류 밀도의 크기와, 와전류 손실의 크기를 측정하여 그 결과를 하기 도 7 및 도 8에 나타내었다. 상기 와전류 밀도의 크기는 그 분포에서 가장 큰 값을 나타내는 값으로 나타내었고, 와전류 손실은 1km 당 손실로 표현하였다.

하기 도 7(a)는 비교예 금속쉬스층 내부(위상 90°)에서 발생하는 와전류 밀도의 분포를 나타낸 것이며, 도 7(b)는 실시예 복합쉬스층 내부의 와전류 밀도 분포를 나타낸 것이다. 상기 도 7(a)를 참조하면, 비교예 금속쉬스층의 경우, 바깥쪽과 안쪽에서의 와전류 밀도의 최대값이 약 0.086 A/mm²로 나타났다. 반면 상기 도 7(b)를 참조하면, 본 발명의 복합쉬스층의 와전류 밀도의 최대값은 약 0.042 A/mm²로 비교에에 비해 절반 가까이 감소하였으며, 와전류 손실량은 비교예 금속쉬스층이 43.68 W/km 였으나, 본 발명의 복합쉬스층을 적용시, 11.06W/km으로 현저하게 감소하였음을 알 수 있었다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

1, 10: 도체 2, 20: 내부반도전층
3, 30: 절연층 4, 40: 외부반도전층
5, 50: 쿠션층 6: 금속쉬스층
60: 복합쉬스층 62: 제1 금속쉬스층
64: 절연필름 66: 제2 금속쉬스층
7, 70: 방식층 100: 절연케이블

Claims

하나 이상의 도체;
상기 도체를 감싸는 내부반도전층;
상기 내부반도전층을 감싸는 절연층;
상기 절연층을 감싸는 외부반도전층;
상기 외부반도전층을 감싸는 쿠션층;
상기 쿠션층의 외주면에 형성되는 복합쉬스층; 및
상기 복합쉬스층의 외주면에 형성되는 방식층;을 포함하며,
상기 복합쉬스층은 제1 금속쉬스층, 상기 제1 금속쉬스층을 감싸는 절연필름 및 상기 절연필름을 감싸는 제2 금속쉬스층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력케이블.
제1항에 있어서, 상기 제1 금속쉬스층 및 제2 금속쉬스층은 두께가 각각 0.5~5mm이며,
상기 절연필름은 두께가 50㎛~5mm인 것을 특징으로 하는 전력케이블.
제1항에 있어서, 상기 제1 금속쉬스층 및 제2 금속쉬스층은 각각 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 하나 이상을 포함하며,
상기 절연필름은 실리콘, 에폭시, 폴리올레핀, 폴리에스테르 및 폴리염화비닐 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력케이블.