KR100323178B1

KR100323178B1 - 절연내력이향상된전력케이블

Info

Publication number: KR100323178B1
Application number: KR1019940023607A
Authority: KR
Inventors: 하킴자나; 죠세베질르; 장베께; 쟝-끌로드알라드니즈; 베르나르알라드니즈; 알렝르메보뜨
Original assignee: 제라르 오제; 넥쌍
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 2002-05-13
Also published as: AU7296794A; DK0645781T3; DE69402494T2; DE69402494D1; EP0645781B2; DE69402494T3; FR2710183A1; CN1124868A; KR950009751A; AU683076B2; JPH07169339A; EP0645781A1; JP4040114B2; EP0645781B1; DK0645781T4; FR2710183B3

Abstract

절연 내력이 향상된 전력 케이블은 전기적 코어 및 이 코어를 절연시키는 제 1 폴리머 유전층을 포함하며, 상기 제1 유전층은, 적어도 하나의 전도성 폴리머를, 최종 전도도가 DC 사용에 있어서는 10^-14S/cm 이하이고, AC 사용에 있어서는 10^-10S/cm 이하로 되게 하는 중량 농도로 혼입한 절연성 폴리머 매트릭스로 구성된다.

Description

절연 내력이 향상된 전력 케이블

본 발명은 DC 또는 AC용의 고압 전력 케이블에 관한 것으로, 특히 절연 내압이 향상된 전력 케이블에 관한 것이다.

이러한 전력 케이블은 양호하게 돌출되는 폴리머 절연체를 포함한다. 일반적으로, 절연체는 외부 반도체 스크린으로 덮이고 내부 반도체 스크린을 덮으며, 자체적으로 케이블의 전도성 코어를 덮는다. 폴리머 절연체는 높은 고유 유전강도를 갖는다. 케이블 상에서 얻어지는 실제 유전 강도는 고유 유전 강도보다 약하다. 이러한 차이는 근본적으로, 케이블 상에 절연체를 제공하기 이전에 또는 중에 포함되거나 형성되는 불순물 또는 캐비티의 존재로 인한 것이므로, 케이블의 절연체에 걸쳐 전기적 고장을 일으킬 수 있는 절연체 내의 전계의 국부 집중을 발생시킨다.

문헌 JP-A-2 188811은 0.2 중량% 내지 1.5중량%의 카본 블랙을 함유하는 폴리머 절연체로 되어 있는 전력 케이블에 대해 기술한다. 이런 식으로 변형된 절연체는 케이블의 전도성 코어에 직접 제공될 수 있다. 적은 양이 함유되어 있는 의 카본 블랙은 전계 분포의 균일성, 따라서 케이블의 신뢰도를 향상시키므로써, 코어 주변부의 불규칙, 및 절연체의 내부 불순물 또는 캐비티로 인해 발생할 수 있는 전기적 고장의 위험을 감소시킨다. 이는 절연체를 약간 도체로 만드는데, 다시 말하면 전도도는 낮으나 0은 아니라는 것을 의미한다.

이러한 전도도는 일정하고 절연체에 함유된 카본 블랙의 고유 전도도에 직접 관련되며, 전도도는 전형적으로 10 S/cm 내지 100 S/cm이다. 이는 절연체를 통해 누설 전류를 조장하고 유전 손실을 증가시킨다. 또한, 이는 이런 식으로 변형됨에 따라 절연체의 고유 유전 강도를 감소시키고, 따라서 불규칙 또는 내부 캐비티의 존재 여부에 상관없이 케이블 상에서의 실제 유전 강도를 감소시킨다.

본 발명의 목적은 폴리머 절연체의 유전 강도가 높고, 소정의 불순물 또는 캐비티에, 그러나 국부적으로만 적응되는 전력 케이블을 제공하는 것이다.

본 발명은 향상된 유전 강도를 갖는 DC 전력 케이블을 포함하는데, 이 케이블은 전기적 코어 및 이 코어를 절연시키기 위한 제1 폴리머 유전층을 포함하고, 또한 이 케이블은 상기 제1 유전층의 최종 전도도가 10^-14S/cm보다 작게 되도록 최소한 1 종류의 전도성 폴리머가 농도(중량 단위)로 혼입되어 있는 절연 폴리머 매트릭스에 의해 상기 제1 유전층이 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 향상된 유전 강도를 갖는 AC 전력 케이블을 포함하는데, 이 케이블은 전기적 코어 및 이 코어를 절연시키기 위한 제1 폴리머 유전층을 포함하고, 또한 이 케이블은 상기 제1 유전층의 최종 전도도가 10^-10S/cm보다 작게 되도록 최소한 1 종류의 전도성 폴리머가 중량 농도로 혼입되어 있는 절연 폴리머 매트릭스에 의해 상기 제1 유전층이 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 특징 및 장점이 도면을 참조하여 상세히 기술된다.

제1도에 도시된 케이블은 꼬여진 도체 가닥들에 의해 형성된 전도성 코어(1)를 포함하지만, 이는 단일 도체에 의해 똑같이 형성될 수도 있다. 케이블은 내부 반도체 스크린(2)에 의해 둘러싸여지고, 내부 반도체 스크린은 절연체(3)의 유전층에 의해 둘러싸여지며, 차례로 유전층은 외부 반도체 스크린(4)에 의해 둘러싸여진다. 보호 외장(5)는 외부 반도체 스크린(4)를 둘러싸서 케이블을 보호한다. 특히, 보호 외장은 리드 또는 리드 합금으로 만들어질 수 있다. 이것은 절연성을 가질 수 있으며, 이 경우, 바로 밑에 깔려 있는 금속 접지 스크린과 양호하게 결합된다.

본 발명에 따르면, 이러한 케이블에 있어서, 절연체(3)의 유전층은 적어도 한 종류의 전도성 폴리머가 중량 농도로 혼입되어 있는 절연성 폴리머 매트릭스에 의해 구성되기 때문에, 유전층(3)의 최종 전도도는 DC에 있어서는 10^-14S/cm보다 작게 되고, AC에 있어서는 10^-10S/cm보다 작게 된다.

적은 양이 포함되어 있는 전도성 폴리머의 형태에 따르면, 본 발명의 케이블 내의 층(3)은 전도도 및 유전 상수를 나타내는데, 이들 둘 다는 어떤 포인트에서는 결점이 생길 시에 사실상 국부적으로 증가하고, 포인트들에서의 결점들의 함수로서 한 포인트에서 다른 포인트로 변한다.

결과적으로, 유전층(3)은 제시되는 여러가지 결점들에 따라 국부적으로 자기-적응(self-adaptive)된다고 할 수 있다. 따라서, 유전층은 케이블의 전체 길이에 걸쳐서 이를 통한 전계 분포를 균일하게 하여, 결점으로 인한 브레이크다운의 위험을 감소시킨다.

예로서, 전도성 폴리머는 논-도프(non-doped), 디-도프(de-doped), 또는 셀프-도프(self-doped)되는 폴리머일 수 있다.

논-도프 전도성 폴리머는 합성 반응시에 예를 들어, 아닐린과 퀴논의 반응에 의해 얻어진 폴리아닐린, 또는 중합 반응이 자이글러-나타(Zeigler-Natta) 타입의 촉매에 의해 초기화된 폴리아세틸렌 등과 같은 도핑제의 첨가를 필요로 하지 않는 폴리머이다.

셀프-도프 전도성 폴리머는 합성 중에 도핑제를 그라프팅시키므로써 얻어진 폴리머, 즉 고리에 술폰기가 그라프팅되어 있는 폴리아닐린이다.

디-도프 전도성 폴리머는 합성 중에 도프되는 폴리머인데, 예를 들면 염산으로 처리된 다음에 적절한 수단으로 상기 염산을 처리하여 디-도프된 폴리아닐린이 있다.

본 발명의 고유 전도도를 얻기 위해서는, 셀프 도프 폴리머를 사용할 때 유전층(3) 내에서의 중량 농도가 DC 사용 및 AC 사용에 대해서 약 2 중량％를 넘지 않는다. 논-도프 또는 디-도프 폴리머가 사용되면, 유전층(3) 내에서의 중량 농도가 양호하게는 DC 사용 및 AC 사용에 대해서 약 5 중량%를 넘지 않는다.

내부 및 외부 반도체 스크린(2 및 4)들 중 하나 또는 각각은 문헌 EP-A-0507 676에서 기술된 양호한 형태로 되어 있으며, 이러한 스크린은 절연성 폴리머 매트릭스와 최소한 1 종류의 전도성 폴리머에 의해 구성되어, 전도도가 1 S/cm 이 하인 반도체 스크린을 얻는데, 상기 전도성 폴리머는 논-도프 폴리머들과 도프된 다음에 디-도프되어, 상기 절연성 폴리머 매트릭스 내에 5 중량% 내지 70 중량% 양호하게는 20 중량% 내지 3O 중량%의 농도로 혼입된 폴리머들 중에서 선택된다.

똑같은 장점을 갖는 변이체(variant)에 있어서, 반도체 스크린들 중 하나 또는 각각은 절연성 폴리머 매트릭스와 문헌 EP-A-0 512 926에 기술된 형태의 최소한 1 종류의 셀프-도프 전도성 폴리머에 의해 구성되는데, 이 전도성 폴리머는 5 중량% 이상, 양호하게는 10 중량% 내지 40 중량% 범위의 농도로 상기 절연성 폴리머 매트릭스 내에 혼입된다.

반도체 스크린에 대해 주어진 농도 및 전도도는 DC 및 AC 둘 다에 적용된다.

유전층(3)의 폴리머 매트릭스는 반도체 스크린(2 및 4)와 유사한 것을 포함하고, 아크릴 수지, 스틸렌 수지, 비닐 수지, 셀룰로이즈 수지, 폴리올레핀, 플루오로폴리머, 폴리에테르, 폴리이미드, 폴리카보나이트, 폴리우레탄, 실리콘, 이들의 코폴리머 중 선택된 최소한 1 종류의 열가소성 수지 폴리머를 포함하며, 호모폴리머와 코폴리머의 혼합물과 호모폴리머와의 혼합물을 포함한다.

특히, 열가소성 수지 폴리머는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌-비닐 아세테이트 코폴리머(EVA), 에틸렌-프로필렌-디엔-모노머(EPDM), 폴리비닐리덴 플루오르(PVDF), 에틸렌-부틸 아크릴(EBA) 중에서 단일체 또는 혼합물 형태로 선택된다.

변이체에 있어서, 폴리머 매트릭스는 폴리에스테르, 에폭시 수지 및 페놀 수지 중에서 선택된 최소한 1 종류의 열경화성 수지 폴리머를 포함한다.

논-도프 또는 도프된 다음에 디-도프된 폴리머 또는 유전층(3)의 폴리머들, 또한 반도체 스크린(2 및 4)들에 사용될 수 있는 폴리머 또는 폴리머들은, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리파라페닐렌, 폴리아킬티오펜, 이들의 유도체, 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.

이들 논-도프 및 디-도프된 폴리머들은 이온기들을 포함하지 않는다. DC를 사용하여 측정된 고유 전도도는 매우 낮고 약 10^-10S/cm 내지 10^-9S/cm 범위이다. 5% 이하로 논-도프 또는 디-도프 폴리머를 함유하는 유전층(3)의 전도도는 예를 들어, 달리 유전층의 높은 유전 강도를 낮추게 되는, 소정의 결점이 존재하거나 무시할 수 있는 정도의 결점이 존재하는 경우에, 저전계의 DC 사용에 있어서는 약 10^-14S/cm 또는 그 이하이고, 저전계의 AC 사용에 있어서는 10^-10S/cm 이하이다. 국부적으로, 전도도는 고전계이고 결점이 존재하는 경우에 약 10^-9S/cm이지만, 이는 국부적으로만 그리고 결점에 대항할 수 있는 방식으로 유전 강도를 낮추므로써, 이러한포인트에서 고전계를 분산시키고, 발생될 수 있는 브레이크다운의 위험을 방지한다.

반도체 스크린(2 및 4)들에 사용될 수 있는 것과 유사한 유전층(3)의 셀프-도프 폴리머(들)은, 일부는 최소한 1개의 헤테로 원자(여기서, 헤테로 원자는 0 또는 S로부터 선택되는 것임)로 단속된 탄소 원자수가 2 내지 8의 탄화수소기로 이루어지고, 나머지는 강산 관능기 또는 그의 염(여기서, 강산 관능기는 술폰산, 포스폰산 및 인산 또는 그의 염으로부터 선택됨)으로 이루어진 그라프트된 체인을 갖는 벤젠 고리들 또는 벤젠 및 퀴논 고리들을 함유하는 셀프-도프 폴리아닐린들로부터 선택된다.

DC를 사용하여 측정된 이들 셀프-도프 폴리머들의 고유 전도도는 평균적으로 약 10^-3S/cm 내지 10^-2S/cm이다. 이는 또한, 그라프팅된 측의 체인의 2가지 형태의 몰비(molecular ratio)를 변화시키므로써 10^-5S/cm 내지 1 S/cm의 범위에 걸쳐서 마음대로 조절될 수 있다. 첨가된 상기 셀프-도프 폴리머의 2 중량% 이하를 함유하는 상기 폴리머 매트릭스에 의해 구성된 유전층(3)의 전도도는 자체적으로 조절가능하고 저전계의 DC 사용에 대한 약 10^-14S/cm보다 크지 않으며, 저전계의 AC 사용에 대한 약 10^-10S/cm보다 크지 않다. 이러한 유전 강도는 전계를 증가시킴에 따라 감소된다. 반면에, 이러한 유전층의 전도도 및 유전 상수는 전계와 함께 상당히 증가하므로, 아무런 문제없이 공간 전하의 국부적 고집중에 견딜 수 있게 하며, 이러한 전하를 분산시킨다.

도면에 도시되지 않은 제1도의 변이체에 있어서, 상기 유전층(3)은 직접 케이블 코어를 감싸고 보호 외장(5)에 의해 직접 덮히는데, 여기에서 내부 및 외부 반도체 스크린들은 둘 다 생략된다.

제2도에 도시된 변이체에 있어서, 제1도에서와 동일한 참조 부호는 제1도와 유사한 부분을 나타낸다.

제2도에 도시된 케이블은 전도성 코어(1)과 유전층(3) 사이에 내부 유전층(7)을 포함하고, 유전층(3)과 보호 외장(5) 사이에 외부 유전층(8)을 포함한다.

이들 2개의 유전층(7 및 8) 각각은 절연성 폴리머 매트릭스의 상기 폴리머들 중 최소한 1 종류의 폴리머, 및 상기 매트릭스에 5 중량% 내지 20 중량%의 농도로 혼입된 최소한 1 종류의 전도성 폴리머에 의해 구성된다. 전도성 폴리머는 상기 3가지 형태의 전도성 폴리머들 중 최소한 1가지 형태의 폴리머이지만, 이는 야호하게 논-도프 또는 디-도프 폴리머들 중에서만 선택된다. 이것은 20 중량%보다는 크지 않고 5 중량%보다는 콘 농도로 유전층의 폴리머 매트릭스에 첨가된다.

유전층(8 및 9)들의 최종적인 전도도는 DC 사용에 있어서는 10^-14S/cm 내지 1 S/cm이고, AC 사용에 있어서는 10^-10S/cm 내지 1 S/cm이다.

논-도프 또는 디-도프 폴리머를 포함하는 내부 및 외부 유전층(8 및 9)들의 전도도는 이들이 고전계의 영향하에 있을 때, 수 S/cm에 달할 수 있다.

제2도 실시예의 변이체에 있어서, 케이블은 제1도에 도시된 바와 같은 2개의 반도체 스크린을 포함하는데, 내부 스크린은 내부 유전층(7)에 의해 덮히고 외부 스크린은 외부 유전층(8)을 덮는다.

제2도에서 점선으로 표시된 다른 변이체에 있어서, 내부 및 외부 유전층(7 및 8)들 중 하나 또는 둘 다는 7A 및 7B 또는 8A 및 8B와 같은 다수의 서브층들로 나뉘어지며, 각각은 5 중량% 내지 20 중량%의 범위 내로 유지되는 전도성 폴리머의 농도를 갖고 있지만, 한 서브층의 농도와 다음 서브층의 농도는 서로 다르다. 내부 유전층(7)의 서브층들 내의 전도성 폴리머의 농도는 코어와 접촉되어 있는 최내각 서브층(7A)로부터 진행하면서 계속 감소된다. 반면에, 외부 유전층(8) 전체에 걸쳐서 농도는 유전층(3)과 접촉되어 있는 최내각 서브층(8A)로부터 보호 외장(5)와 접촉되어 있는 최외각 서브층(8B)로 진행하면서 증가된다.

내부 및 외부 유전층(7 및 8), 또는 이들의 서브층들은 만약 존재한다면, 이들이 자체의 내부 결점으로 인해 고전계의 영향하에 있게 되고, 또한 전도성 코어상에서의 주변 불규칙성 또는 보호 외장의 결점이 발생될 때, 내부 및 외부 반도체 스크린으로서 역할을 한다. 이들은 저전계하에서 유전층으로 기능한다.

DC 사용에 있어서, 서브층(7A)의 전도도는 10^-9S/cm 내지 1 S/cm의 범위 내에 있고, 서브층(7B)의 전도도는 10^-14S/cm 내지 10^-9S/cm의 범위 내에 있으며, 서브층(8A)의 전도도는 10^-14S/cm 내지 10^-9S/cm의 범위 내에 있으며, 서브층(8B)의전도도는 10^-9S/cm내지 1 S/cm의 범위 내에 있다.

AC 사용에 있어서, 서브층(7A)의 전도도는 10^-5S/cm 내지 1 S/cm의 범위 내에 있고, 서브층(7B)의 전도도는 10^-10S/cm 내지 10^-5S/cm의 범위 내에 있으며, 서브층(8A)의 전도도는 10^-10S/cm 내지 10^-5S/cm의 범위 내에 있으며, 서브층(8B)의 전도도는 10^-5S/cm 내지 1 S/cm의 범위 내에 있다.

본 발명의 전력 케이블에 의해 제시되고 이러한 전력 케이블에 대해 큰 신뢰도를 이끌어 내는 주된 장점은 다음과 같은 특징을 갖는다:

먼저 높게 유지되는 케이블의 유전층(들)의 고유 유전 강도로 인해, 그리고 두번째로는 결점이 없는 모든 영역에서 고유값과 동등하게 유지되며 결점의 존재시에 국부적으로만 그리고 결점의 함수로서 변형되는 최종적인 실제 유전 강도로 인해, 케이블의 유전 강도가 전체적으로 증가한다;

특정 형태의 종래의 전력 케이블에서 약 10 KV/mm의 전형적인 값으로부터 동일한 형태의 케이블에서 20 KV/mm 내지 30 KV/mm의 값으로 증가할 수 있는, 국부적으로 수용가능하고 본 발명을 구현시키는 최대 전계가 증가한다;

동작을 강하게 증가시키므로써 케이블에 의해 전송된 전력을 증가시킬 수 있는 가능성이 있다;

주어진 케이블 성능에 있어서, 절연성 유전층의 두께가 감소될 수 있다.

일반적으로, 본 발명은 상술한 실시예들로 국한되지 않는다.

특히, 본 발명의 케이블은 반도체 스크린들을 포함하는데, 이들은 상술한 물질로 만들어 질 수 있거나, 종래 케이블의 반도체 스크린에 사용된 종래 물질로 만들어질 수도 있다.

이 외에도, 본 발명의 케이블은, 종래에 이러한 형태의 케이블에 사용되었던 제조 기술을 이용하여 만들어질 수 있다.

마지막으로, 제2도의 실시예에 있어서, 각각의 유전층(7 및 8)에 2개 이상의 서브층들을 제공할 수 있다.

제1도는 본 발명의 전력 케이블의 단면도.

제2도는 제1도의 케이블의 상이한 실시예의 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 전도성 코어 2 : 내부 반도체 스크린

3 : 유전체 절연층 4 : 외부 반도체 스크린

5 : 보호 외장 7, 8 : 유전층

Claims

절연 내력이 향상된 DC 전력 케이블에 있어서,

전기적 코어; 및

상기 코어를 절연시키기 위한 제1 폴리머 유전층

을 포함하고,

상기 제1 폴리머 유전층은, 적어도 하나의 전도성 폴리머를, 상기 제1 폴리머 유전층의 전도도가 10^-14S/cm 이하로 되게 하는 중량 농도로 함유하는 절연성 폴리머 매트릭스로 구성되는 것을 특징으로 하는 케이블.
절연 내력이 향상된 AC 전력 케이블에 있어서,

전기적 코어; 및

상기 코어를 절연시키기 위한 제1 폴리머 유전층

을 포함하고,

상기 제1 폴리머 유전층은, 적어도 하나의 전도성 폴리머를, 상기 제1 폴리머 유전층의 전도도가 10^-10S/cm 이하로 되게 하는 중량 농도로 함유하는 절연성 폴리머 매트릭스로 구성되는 것을 특징으로 하는 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전도성 폴리머는, 논-도프(non-doped) 또는 디-도프(de-dopcd)되고, 상기 폴리머 매트릭스 내에서의 농도가 약 5 중량% 이하인 폴리머인 것을 특징으로 하는 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전도성 폴리머는 상기 폴리머 매트릭스에서의 농도가 약 2 중량% 이하인 셀프-도프(self-doped) 폴리머인 것을 특징으로 하는 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 전기적 코어와 상기 제1 폴리머 유전층 사이의 내부 반도체 스크린; 및

상기 제1 폴리머 유전층과 외부 보호 외장 사이의 외부 반도체 스크린

을 더 포함하고,

상기 반도체 스크린들 각각은, 전도성 폴리머를, 전도도가 1 S/cm 이하로 되게 하는 중량 농도로 함유하는 절연성 폴리머 매트릭스에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 케이블.
제5항에 있어서,

상기 전도성 폴리머는, 상기 반도체 스크린들의 상기 폴리머 매트릭스 내에서의 농도가 5 중량% 내지 70 중량% 범위에 있는 논-도프 또는 디-도프 폴리머인 것을 특징으로 하는 케이블.
제5항에 있어서,

상기 전도성 폴리머는, 상기 반도체 스크린들의 상기 폴리머 매트릭스 내에서의 농도가 5 중량% 이상인 셀프-도프 폴리머인 것을 특징으로 하는 케이블,
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 폴리머 유전층(3) 아래에 있는 추가의 제2 내부 유전층(7); 및

상기 제1 폴리머 유전층(3)을 덮고 있는 추가의 제3 외부 유전층(8)

을 더 포함하고;

제2 내부 유전층(7) 및 제3 외부 유전층(8) 각각은, 논-도프 폴리머, 디-도프 폴리머, 및 셀프-도프 폴리머 중에서 선택된 전도성 폴리머를 함유하는 절연성 폴리머 매트릭스에 의해 구성되며;

상기 제2 및 제3 유전층들의 전도도가, DC 사용에 있어서는 10^-14S/cm 내지 1 S/cm의 범위 내에 있고, AC 사용에 있어서는 10^-10S/cm 내지 1 S/cm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 케이블.
제8항에 있어서,

상기 제2 및 제3 유전층들 중 최소한 하나의 유전층은 전도성 폴리머의 농도가 서로 다른 다수의 서브층들(sublayers)을 포함하고;

상기 제2 내부 유전층의 연속적인 서브층들의 농도는 최내각 서브층으로부터 차츰 감소하고, 상기 제3 외부 유전층의 연속적인 서브층들의 농도는 최내각 서브층으로부터 차츰 증가하는 것을 특징으로 하는 케이블.