KR100465363B1

KR100465363B1 - 전기절연적층지,이의제조방법및이를함유하는오일함침전력케이블

Info

Publication number: KR100465363B1
Application number: KR1019970060320A
Authority: KR
Inventors: 히데미쓰 구와바라; 료스케 하타; 쥰 요리타; 가쓰히코 가타야마; 도루 쓰지오카; 히로시 다키가와
Original assignee: 가부시키가이샤 도모에가와 세이시쇼; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1996-11-18
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 2005-06-27
Also published as: KR19980042478A

Abstract

본원에는 결합제로서의 폴리올레핀 수지를 1 또는 2매(枚)의 크래프트 절연지 시트 위에 압출기를 사용하여 용융 압출시켜 적층지를 수득하는 단계 및 이러한 적층지의 총 두께가 30 내지 200㎛로 되고 폴리올레핀 수지를 포함하는 중합체의 비율이 40 내지 90%가 되도록 적층지를 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 전기 절연 적층지가 기술되어 있다. 이러한 적층지는 유전 성질, 유전 강도, 및 접착력과 같은 기계적 특성이 탁월하다.

Description

전기 절연 적층지, 이의 제조방법 및 이를 함유하는 오일 함침 전력 케이블

본 발명은 유전 성질, 유전 강도 및 기계적 성질, 특히 접착력이 탁월한 전기 절연 적층지, 이의 제조 방법 및 이를 함유하는 오일 함침된 전력 케이블에 관한 것이다.

최근 수 년간, 급증하는 전력 수요에 따라 275 내지 500kV 수준의 전력 케이블을 설치하는 것이 통상적인 관행이었다. 실제적으로 사용되어 왔던 전력 케이블의 예로는 통상적인 크래프트(kraft) 절연지 OF 또는 POF 케이블, 소위 반합성지 (적층지) 절연된 초고압의 전압 OF 또는 POF 케이블, 예를 들면, 규소 크래프트된 폴리에틸렌 적층지(SIOLAP) 절연된 OF 케이블, 폴리프로필렌 적층지(PPLP) 절연된 OF 케이블, PPLP 절연된 POF 케이블, 이축 배향된 폴리프로필렌 적층지(OPPL) 절연된 OF 케이블, OPPL 절연된 POF 케이블 및 에틸렌 테트라플루오라이드-폴리프로필렌 헥사플루오라이드 적층지(FEP) 절연된 OF 케이블, 및 가교결합된 폴리에틸렌 절연된 CV 케이블이 있다. 특히, 폴리프로필렌 적층지 절연된 OF 케이블이 800kV OF 케이블로서 실제적으로 사용할 수 있는 것으로 확인되었다.

더욱이, 솔리드(solid) 또는 매스(mass) 함침된 케이블용 절연재가, 현재, 집중적으로 연구되고 있다.

전력 케이블에 대한 앞으로의 경향은 보다 높은 송전 용량, 보다 높은 인가 전압 및 보다 긴 송전 거리를 요구한다는 것이다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는, 반합성지의 다공성으로 인한 유전 강도 증진상의 어려움을 상쇄시킴으로써 높은 유전 강도를 제공하면서 상기 반합성지의 전기적 응력에 대한 차단성을 증진시킬 수 있는 수준으로, 상기 반합성지의 시트내에 플라스틱 필름 층의 비율을 증가시킬 필요가 있다. 이를 위해서는, 크래프트지를 플라스틱 시트의 양면에 접착시킴으로써 수득한 샌드위치형 구조 또는 반합성지의 시트의 총 두께를 감소시키기 위하여 플라스틱 시트 중의 한 시트 및 크래프트지 중의 한 시트를 적층시킴으로써 수득한 한쪽면 구조를 제공함으로써, 이러한 케이블 내의 절연 층의 두께를 감소시켜 치밀한 케이블을 제공하여 적층지가 감겨져 있는 케이블의 길이를 증가시킬 필 요가 있다. 이들 적층지를 제조하는데 있어서의 큰 어려움 중의 하나는 크래프트 절연지를 어떠한 방식으로 충분한 접착 강도로 중합체 층에 물리적으로 접착시키느냐는 것이다.

상기 크래프트 절연지를 구성하고 있는 셀룰로즈 섬유는 열 용융성을 지니고 있지 않기 때문에, 이러한 섬유로 적층될 폴리올레핀 수지가 필름으로 용융 압출되는 온도에서는 상기 셀룰로즈 섬유가 폴리올레핀 수지 필름 층에 용융되거나 화학적으로 결합되거나 또는 접착될 수가 없다. 다시 말해서, 크래프트지를 구성하는 셀룰로즈 섬유를 폴리올레핀 수지의 용융 압출된 필름에 접착 가공시키는 일반적인 메카니즘은 셀룰로즈 섬유를 크래프트 절연지의 표면 상에 교락시킴으로써 생성된 미세한 다공성 공간으로 고온 용융된 폴리올레핀 수지를 도입하는 것을 수반하는 소위 앵커링 효과(anchoring effect)이다.

그러나, 폴리올레핀 수지를 크래프트 절연지 상으로 단순히 용융 압출시켜 이러한 폴리올레핀 수지의 열 용융에 의해 접착시키는 것을 포함하는 통상적인 적층지의 제조 방법은 이로써 제조된 적층지를 절연층으로서 전력 케이블에 적용시키는 단계에서 크래프트지가 폴리올레핀 수지 필름으로부터 쉽게 박리되고 또한 상기 와 같이 수득된 적층지가 도체에 권취되고 절연유로 함침된 후일지라도 박리되기가 쉽다는 단점을 지닌다. 이렇게 제조된 케이블은 열화된 성질을 지니기 때문에 장기간에 걸친 절연 안정성 측면에서 보면 신뢰도가 떨어진다.

절연지가 폴리올레핀 수지 필름으로부터 박리되는 것을 방지하기 위해서, 포장재 기술분야에서 실제적으로 사용되어 왔던 이소시아네이트 또는 코로나 처리 기술과 같은, 크래프트 절연지의 표면을 앵커 도포제로 도포하는 기술을 이용하는 방법이 제안될 수도 있다. 그러나, 이러한 앵커 도포제는 극성 물질이므로, 이러한 도포제가 전기 절연 적층지의 유전 성질을 열화시킨다는 단점을 지니고 있다. 추가로, 코로나 처리 기술은 크래프트 절연지 내에 핀홀을 형성시키거나 카보닐 그룹, 카복실 그룹 및 아미노 그룹과 같은 작용성 그룹(극성 그룹)이 크래프트 절연지의 표면 상에 발생되게 함으로써 전기 절연 적층지의 유전 성질을 열화시킨다는 점에서 불리하다. 따라서, 코로나 처리 기술은 낮은 유전 소산 계수를 요구하는, 고전압 장치용 절연재로서 적합하지 않다.

반합성지의 특정 시트 내의 플라스틱 필름 층의 비율을 증가시킴으로써 유전 강도를 증진시키기 위한 하나의 접근 방법으로서, 상기 적층지를 형성하고 있는 크래프트 절연지의 두께를 감소시키는 방안이 제안된 바 있다[참조: JP-B-61-45328 참조(본원에서 사용된 바와 같은 용어 "JP-B"는 "심사된 일본 특허 공보"를 의미한다)]. 일반적으로, 얇은 적층지를 제공하기에 용이한 방법은 얇은 크래프트지를 선택하는 것이다.

캐패시터지(capacitor paper)가 얇은 크래프트지의 그룹에 속한다. 커패시터지의 두께에 대한 하한치는 6 내지 7㎛인 것으로 전해진다. 일반적으로, 얇은 커패시터지는 펄프의 타융도(beating degree)를 상승시키고, 이러한 펄프로부터 원지(base paper)를 제조한 다음, 이러한 원지를 대상으로 하여 2차 가공처리, 즉 평활성을 제공하는데 있어서 보다 효과적인 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링을 수행함을 포함하는 방법에 의해 제조된다. 이로써 수득된 생성물은 외견상으로 작은 얼룩이 있고 평활도가 높은 종이이다. 성질의 관점에서 보면, 이러한 종이는 고 밀도이고 공기 투과성이 높다.

앞서 언급한 바와 같이, 크래프트 절연지를 용융된 폴리올레핀 필름 층에 접착시키는 기전은 오로지 앵커 효과만으로 이루어진다. 그러나, 얇은 캐패시터지를 제조하는데 있어서, 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링 단계가 상기 언급된 바와 같이 필수적으로 수행되고, 이로써 제조된 얇은 캐패시터지는 표면이 그리 불균일하지는 않다. 따라서, 상기와 같은 용융된 폴리올레핀 수지에 얇은 캐패시터지를 적층시키는 경우에는, 이러한 용융된 수지가 도입될 수 있는 다공성 구멍이 극도로 소량으로만 존재하기 때문에 앵커링 효과가 발휘될 수 없다. 그 결과, 접착력이 낮은 적층지만이 수득될 수 있다. 다시 말해서, 선행 기술은, 얇은 크래프트 절연지를 이용하면 이것이 적층될 플라스틱 필름 층에 불충분한 접착력을 제공한다는 단점을 지니고 있다.

본 발명의 기술적 과제는 상기한 바와 같은 선행 기술 분야의 문제점들을 해결하기 위하여, 다음에 제시된 바와 같은 본 발명의 양태들을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태는 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링시켜 총 두께가 30 내지 200㎛로 되고 폴리올레핀 수지를 포함하는 중합체의 비율이 40 내지 90%로 되게 한, 용융 압출에 의해 합체되는, 1 또는 2매의 크래프트 절연지 시트와 폴리올레핀 수지를 포함하는 전기 절연 적층지; 및 결합제로서의 폴리올레핀 수지를 1 또는 2매의 크래프트 절연지 시트 위 또는 사이에 압출기를 사용하여 용융 압출시켜 적층지를 수득하는 단계, 및 이러한 적층지의 총 두께가 30 내지 200㎛이 되고 폴리올레핀 수지를 포함하는 플라스틱 필름 층의 비율이 40 내지 90%로 되도록 적층지를 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링시키는 단계를 포함하는, 전기 절연 적층지의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 폴리올레핀 수지는 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체 또는 폴리부텐 중에서 선택된다. 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링은 온-머신(on-machine) 또는 오프-머신(즉, 온-라인 또는 오프-라인)으로 수행할 수 있다.

본 발명의 제2 양태는 이의 적어도 일부가 상기 제1 양태에 따르는 전기 절연 적층지를 권취시킴으로써 형성되는 특정 절연층을 포함하는 오일 함침된 전력 케이블에 관한 것이다. 이러한 절연층은 절연유로 함침시키는 동안 또는 함침시킨 후에 열 처리하는 것이 바람직하다.

당해 오일 함침된 전력 케이블은 주로 OF 케이블을 참조로 하여 다음에 추가로 후술될 것이다. OF 케이블의 예로는 절연층이 절연유에 의해 정압하에 유지되도록 케이블의 한쪽 말단 또는 양 말단에 장착된 오일 공급 장치로부터 항상 공급되는 비교적 저 점도의 절연유에 함침된 OF 케이블(또는 자체 함유 OF 케이블), 케이블 코어(금속성 시드 플라스틱 자켓이 없는 케이블 구성 요소들의 어셈블리)를 미리 설치되어 있는 강 파이프 내로 삽입하고 이러한 강 파이프를 탈기시킨 다음, 이 강 파이프에 OF 케이블용 절연유보다 점도가 약간 높은 절연유를 충전시킴으로써 제조된 POF 케이블(고압 파이프형 OF 케이블)과 같은 모든(d.c. 및 a.c.) 오일 함침된 전력 케이블이 있으며, 이때 솔리드 케이블(매스 함침된 케이블 또는 MI 케이블)은 POF 케이블용 절연유보다 점도가 높은 절연유로 함침시키고, 금속성 시드로 덮으며, 왁스 등과 혼합시킨 절연유로 함침된 오일 배전선과 비-드레이닝 케이블(매스 함침된 비-드레이닝 케이블 또는 MIND 케이블)을 생략함으로써 솔리드 케이블용 절연유보다 점도가 높게 한다. 일부 경우에, 솔리드 케이블은 MI 케이블 및 MIND 케이블을 나타낸다.

본 발명의 기술 내용을 보다 명료하게 하기 위하여, 첨부된 도면을 참조할 수 있으며, 도 1 내지 도 5에 있어서, (1)은 크래프트 절연지를 나타내고, (2)는 용융 압출된 폴리올레핀 필름 층을 나타내며, (3)은 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링된 크래프트 절연지를 나타내고, (4)는 예비 슈퍼칼렌더링된 크래프트 절연지를 나타내며, (11)은 지지체를 나타내고, (12)는 상부 그립(grip)을 나타내며, (13)은 적층물의 잔여분을 나타내고, (A-1)은 본 발명의 적층지 내의 슈퍼칼렌더링되지 않거나 슈퍼칼렌더링된 크래프트 절연지의 내부 표면을 나타내며, (A-2)는 통상적인 방법에 따라서 수득된 크래프트 절연지의 내부 표면을 나타내고, (20)은 오일 패시지를 나타내며, (21)은 연선(stranded conductor)을 나타내고, (22)는 내부 차폐층을 나타내고, (23)은 절연층을 나타내며, (24)는 외부 차폐층을 나타내고, (25)는 금속성 시드를 나타내며, (26)은 내식층을 나타낸다. (27)은 ε_k 의 유전 상수 및 tanδ_k의 유전 손실 인자를 갖는 크래프트 절연지를 나타내고, (28)은 ε_p의 유전 상수 및 tanδ_p의 유전 손실 인자를 갖는 폴리올레핀 필름 층을 나타낸다.

본 발명에 따라서, 탁월한 접착력은 유지하면서 얇은 캐패시터지의 기본적 성질들을 나타내는 전기 절연 적층지를 수득할 수 있다. 본 발명의 전기 절연 적층지의 구조를 참조로 하면, 크래프트 절연지(1)와 폴리올레핀 수지(2)는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 단단하게 접착되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 2개 시트의 크래프트 절연지(1)가 사용될 수 있다. 또 다른 방법으로는, 1개 시트의 크래프트 절연지(1)가 사용될 수도 있다.

본 발명에 따라서 수득된 적층지와 통상적인 방법에 따라서 수득된 적층지는 도 2(a) 내지 도 2(c)와 관련하여 추가로 후술될 것이다.

본 발명에 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 농포 자국의 불균일한 표면 A-1을 갖는 저밀도 크래프트 절연지(1,1)의 2개의 시트 사이에 삽입되어 있는 용융 압출된 폴리올레핀 필름 층(2)을 포함하는 Ta의 두께를 갖는 적층지를 슈퍼칼렌더링하여 도 2(b)에 도시된 바와 같은 Tb의 두께를 갖는 적층지를 수득한다. 그 결과, 도 2(b)에 도시된 바와 같은 크래프트 절연지(1,1)는 내부에 농포 자국의 불균일 표면 A-1을 유지하면서 평활한 외부 표면을 갖는다. 추가로, 두께 Tb는 두께 Ta 보다 작다.

도 2(a)에 도시된 바와 같은 슈퍼칼렌더링되지 않은 크래프트 절연지(1)의 두께가 슈퍼칼렌더링된 크래프트 절연지(3)의 두께보다 크긴 하지만, 이들 사이에 삽입되어 있는 폴리올레핀 필름 층의 두께는 여전히 동일하다.

선행 기술에 따르면, 상기한 두께 Tb를 갖는 적층지는 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 미리 슈퍼칼렌더링시킨, 평활한 표면 A-2를 갖는 얇은 고밀도 크래프트 절연지(4)를 용융 압출된 폴리올레핀 필름 층(2)으로 적층시킴으로써 제조한다.

그 결과, 용융 압출된 폴리올레핀 필름 층(2)과 접촉하게 되는 한쪽 측면 (A-1) 상에서의 본 발명의 크래프트 절연지의 평활도는 선행 기술의 크래프트 절연지(A-2)의 평활도보다 낮다. 따라서, 본 발명의 크래프트 절연지는 거친 A-1 표면을 지니고 있기 때문에, 폴리올레핀 수지 층과의 계면과의 접착력이 우수하다.

본 발명에 따르는 적층지의 양태에 관해서는 다음에 기술될 것이다.

플라스틱 필름 층의 비율("필름 층 비율%"로서 후술됨), 즉 적층물 내에 혼입된 폴리올레핀 필름 층의 비율은 다음 수학식 1로 산정할 수 있다:

[수학식 1]

필름층 비율% = T₁/T₂ × 100%

상기식에서,

T₁는 필름 층의 두께, W/D(여기서, W는 필름 층의 중량(g/m²)이고, D는 필름 층의 밀도(g/m³)이다)이고,

T₂는 적층지의 총 두께이다.

일반적으로, 폴리프로필렌의 밀도는 약 0.9(g/m³)이다.

접착력은 다음 방법으로 측정한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 표본(10)을 금속판으로 만들어진 지지체(11)에 부착시킨다. 연속적으로, 종이 층(1)을 적층물로부터 부분적으로 박리시킨 다음, 텐실론 유형의 만능 인장 시험기의 하부 그립에 부착시킨다. 나머지 적층물(13)[용융 압출된 층(2) + 종이 층(1)]을 인장 시험기의 상부 그립에 고정시킨다. 이어서, 종이(1)가 용융 압출된 층(2)으로부터 박리되도록 박리각을 180°로 유지하면서 하부 그립을 100mm/min의 속도로 아래로 밀어 넣는다. 접착력을 산정하기 위하여, 챠트 상에 표시된 100mm 박리된 면적 측정치 중에서, 중앙의 50mm 면적을 박리시키는데 요구되는 접착력의 평균값을 산정한다. 이어서, 평균값을 폭 15mm에 대한 값으로 축소시킨다.

본 발명에 따라서 수득된 전기 절연 적층지를 포함하는 오일 함침된 전력 케이블의 양태가 도 4와 관련하여 단일 코어 OF 케이블을 참조로 하여 후술될 것이다. 도 4는 단일 코어 OF 케이블의 한 예의 단면도이다. 단일 코어 OF 케이블의 코어에는 주변이 구리 와이어와 같은 연선으로 되어 있는 오일 패시지(20)가 설치되어 있고, 내부 차폐층(22), 절연 층(23) 및 외부 차폐층(24)의 순서대로 설치되어 있다. 바깥 원주 상에는 금속성 시드(25)와 내부식층(26)이 순서대로 설치되어 있다. 절연층(23)의 적어도 일부는 전력 케이블의 코어 주위를 감고 있는 본 발명의 전기 절연 적층지로 구성되어 있다. 도 2(b)는 본 발명에 따라서 수득된 전기 절연 적층지의 확대 단면도이다. 이러한 적층물의 중앙에는 상부 및 하부 크래프트지 층(1,1)에 의해 샌드위치된 폴리올레핀 필름 층(2)이 놓여 있다. 절연 층(23)은 오일 패시지(20)으로부터 가압 주입된 절연유에 함침시킨다.

적층지의 제조 방법은 다음 실시예 및 비교 실시예에서 후술될 것이다.

실시예 1

두께가 20㎛이고 밀도가 0.70g/cm³이며 공기 투과도가 2,500sec/100ml인 크래프트 절연지의 2개 시트를 다음 폴리프로필렌 압출 공정에 따라서 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 115㎛이고 필름 층(폴리프로필렌 필름 층) 비율(%)이 64%이며 수분 함량이 6%인 적층지(PPLP)를 제조한다.

이렇게 수득된 PPLP 중의 종이 층에 이의 수분 함량이 14%에 도달할 때까지 가습기(오프-머신)로 물을 공급한다. 이어서, 총 두께가 100㎛이 되고 필름 층 비율%이 74%가 되도록 PPLP를 슈퍼칼렌더링(금속 롤과 활성 롤로 이루어진 16-단계 슈퍼칼렌더)한다. 이로써, 본 발명의 전기 절연 적층지를 수득된다.

슈퍼칼렌더링하기 전 및 슈퍼칼렌더링한 후에 용융 압출된 층과 종이 층과의 접착력("무수지의 접착력"으로 후술됨)을 측정하였는데, 슈퍼칼렌더링하기 전 및 슈퍼칼렌더링한 후의 무수지의 접착력은 각각 100gf/15mm 및 115gf/15mm이다. 이어서, PPLP를 24시간 동안 OF 케이블에 사용된 알킬벤젠 오일 중에서 100℃의 온도하에서 숙성 시험시킨 후에 오일 함침된 종이의 접착력을 측정한다. 오일 함침된 PPLP는 95gf/15mm의 접착력을 나타내었다. 이들 값은 당해 적층지가 실제적인 작동 조건하에서 어떠한 문제점도 야기시키지 않는다는 것을 입증해준다.

실시예 2

두께가 20㎛이고 밀도가 0.70g/cm³이며 공기 투과도가 2,500sec/100ml인 크래프트 절연지의 2개 시트를 다음 폴리프로필렌 압출 공정에 따라서 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 139㎛이고 % 필름 층 비율이 79%이며 수분 함량이 6%인 PPLP를 제조한다.

이렇게 수득된 PPLP 중의 종이 층에 이의 수분 함량이 14%에 도달할 때까지 가습기(오프-머신)로 물을 공급한다. 이어서, 총 두께가 129㎛이 되고 % 필름 층 비율이 86%가 되도록 실시예 1에서와 동일한 방식으로 PPLP를 슈퍼칼렌더링한다. 이로써, 본 발명의 얇은 PPLP가 수득된다.

슈퍼칼렌더링하기 전 및 슈퍼칼렌더링한 후의 무수지의 접착력은 각각 105gf/15mm 및 105gf/15mm이다. 이어서, PPLP를 또한 24시간 동안 OF 케이블에 사용된 알킬벤젠 오일 중에서 100℃하에서 숙성 시험시킨다. 오일 함침된 PPLP는 100gf/15mm의 접착력을 나타내었다. 이들 값은 당해 적층지가 실제적인 작동 조건하에서 어떠한 문제점도 야기시키지 않는다는 것을 입증해준다.

실시예 3

두께가 20㎛이고 밀도가 0.70g/cm³이며 공기 투과도가 2,500sec/100ml인 크래프트 절연지의 2개 시트를 다음 폴리프로필렌 압출 공정에 따라서 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 161㎛이고 % 필름 층 비율이 84%이며 수분 함량이 6%인 PPLP를 제조한다.

이렇게 수득된 PPLP 중의 종이 층에 이의 수분 함량이 14%에 도달할 때까지 가습기(오프-머신)로 물을 공급한다. 이어서, 총 두께가 157㎛이 되고 % 필름 층 비율이 86%가 되도록 실시예 1에서와 동일한 방식으로 PPLP를 슈퍼칼렌더링한다. 이로써, 본 발명의 얇은 PPLP가 수득된다.

슈퍼칼렌더링하기 전 및 슈퍼칼렌더링한 후의 무수지의 접착력은 각각 110gf/15mm이다. 이어서, PPLP를 또한 24시간 동안 OF 케이블에 사용된 알킬벤젠 오일 중에서 100℃하에서의 숙성 시험시킨다. 오일 함침된 PPLP는 105gf/15mm의 접착력을 나타내었다. 이들 값은 당해 적층지가 실제적인 작동 조건하에서 어떠한 문제점도 야기시키지 않는다는 것을 입증해준다.

실시예 4

두께가 25㎛이고 밀도가 0.72g/cm³이며 공기 투과도가 3,000sec/100ml인 크래프트 절연지의 2개 시트를 다음 폴리프로필렌 압출 공정에 따라서 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 113㎛이고 % 필름 층 비율이 59%이며 수분 함량이 6%인 PPLP를 제조한다.

이렇게 수득된 PPLP 중의 종이 층에 이의 수분 함량이 14%에 도달할 때까지 가습기(오프-머신)로 물을 공급한다. 이어서, 총 두께가 105㎛이 되고 % 필름 층 비율이 64%가 되도록 실시예 1에서와 동일한 방식으로 PPLP를 슈퍼칼렌더링한다. 이로써, 본 발명의 얇은 PPLP가 수득된다.

슈퍼칼렌더링하기 전 및 슈퍼칼렌더링한 후의 무수지의 접착력은 각각 90gf/15mm이다. 이어서, PPLP를 또한 24시간 동안 OF 케이블에 사용된 알킬벤젠 오일 중에서 100℃하에 숙성 시험시킨다. 오일 함침된 PPLP는 80gf/15mm의 접착력을 나타내었다. 이들 값은 당해 적층지가 실제적인 작동 조건하에서 어떠한 문제점도 야기시키지 않는다는 것을 입증해준다.

실시예 5

두께가 25㎛이고 밀도가 0.72g/cm³이며 공기 투과도가 3,000sec/100ml인 크래프트 절연지의 2개 시트를 다음 폴리프로필렌 압출 공정에 따라서 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 136㎛이고 % 필름 층 비율이 66%이며 수분 함량이 6%인 PPLP를 제조한다.

이렇게 수득된 PPLP 중의 종이 층에 이의 수분 함량이 14%에 도달할 때까지 가습기(오프-머신)로 물을 공급한다. 이어서, 총 두께가 129㎛이 되고 % 필름 층 비율이 68%가 되도록 실시예 1에서와 동일한 방식으로 PPLP를 슈퍼칼렌더링한다. 이로써, 본 발명의 얇은 PPLP가 수득된다.

슈퍼칼렌더링하기 전 및 슈퍼칼렌더링한 후의 무수지의 접착력은 각각 95gf/15mm이다. 이어서, PPLP를 또한 24시간 동안 OF 케이블에 사용된 알킬벤젠 오일 중에서 100℃의 온도하에 숙성 시험시킨다. 오일 함침된 PPLP는 80gf/15mm의 접착력을 나타내었다. 이들 값은 당해 적층지가 실제적인 작동 조건하에서 어떠한 문제점도 야기시키지 않는다는 것을 입증해준다.

실시예 6

두께가 25㎛이고 밀도가 0.72g/cm³이며 공기 투과도가 3,000sec/100ml인 크래프트 절연지의 2개 시트를 다음 폴리프로필렌 압출 공정에 따라 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 168㎛이고 % 필름 층 비율이 71%이며 수분 함량이 6%인 적층지(PPLP)를 제조한다.

이렇게 수득된 PPLP 중의 종이 층에 이의 수분 함량이 14%에 도달할 때까지 가습기(오프-머신)로 물을 공급한다. 이어서, 총 두께가 159㎛이 되고 % 필름 층 비율이 75%가 되도록 PPLP를 슈퍼칼렌더링(금속 롤과 탄성 롤로 구성된 16단계 슈퍼칼렌더)한다. 이로써, 본 발명의 얇은 PPLP가 수득된다.

슈퍼칼렌더링하기 전 및 슈퍼칼렌더링한 후의 무수지의 접착력은 각각 110gf/15mm 및 105gf/15mm이다. 이어서, PPLP를 또한 24시간 동안 OF 케이블에 사용된 알킬벤젠 오일 중에서 100℃의 온도하에 숙성 시험시킨다. 오일 함침된 PPLP는 95gf/15mm의 접착력을 나타내었다. 이들 값은 당해 적층지가 실제적인 작동 조건하에서 어떠한 문제점도 야기시키지 않는다는 것을 입증해준다.

비교 실시예 1

두께가 15㎛이고 밀도가 1.09g/cm³이며 공기 투과도가 100,000sec/100ml 이상인 얇은 커패시터지의 2개 시트를 칼렌더링한 다음, 폴리프로필렌 압출 공정에 따라서 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 100㎛이고 % 필름 총 비율이 74%인 비교용 얇은 PPLP를 제조한다. 이렇게 수득된 PPLP의 무수지의 접착력은 단지 14gf/15mm일 뿐이다. 생성된 PPLP는 알킬벤젠 오일 중에 침지시키는 동안 또는 후에 완전한 박리되었다.

비교 실시예 2

두께가 15㎛이고 밀도가 1.09g/cm³이며 공기 투과도가 100,000sec/100ml 이상인 얇은 커패시터지의 2개 시트를 비교 실시예 1에서와 동일한 방식으로 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 128㎛이고 % 필름 층 비율이 75%인 비교용의 얇은 PPLP를 제조한다.

이렇게 수득된 PPLP의 무수지의 접착력은 단지 15gf/15mm일 뿐이다. PPLP는 알킬벤젠 오일에 침지시키는 동안 또는 후에 1gf/15mm 만의 접착력을 나타내었다.

비교 실시예 3

두께가 15㎛이고 밀도가 1.09g/cm³이며 공기 투과도가 100,000sec/100ml 이상인 얇은 캐패시터지의 2개 시트를 비교 실시예 1에서와 동일한 방식으로 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 155㎛이고 % 필름 층 비율이 81%인 비교용의 얇은 PPLP를 제조한다.

이렇게 수득된 PPLP의 무수지의 접착력은 단지 17gf/15mm일 뿐이다. PPLP는 알킬벤젠 오일 중에 침지시키는 동안 또는 후에 단지 2gf/15mm 만의 접착력을 나타내었다.

비교 실시예 4

두께가 20㎛이고 밀도가 1.13g/cm³이며 공기 투과도가 100,000sec/100ml 이상인 얇은 커패시터지의 2개 시트를 비교 실시예 1에서와 동일한 방식으로 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 98㎛이고 % 필름 층 비율이 64%인 비교용 얇은 PPLP를 수득한다.

이렇게 수득된 PPLP의 무수지의 접착력은 단지 7gf/15mm일 뿐이다. PPLP는 알킬벤젠 오일 중에 침지시키는 동안 또는 후에 완전히 박리되었다.

비교 실시예 5

두께가 20㎛이고 밀도가 1.13g/cm³이며 공기 투과도가 100,000sec/100ml 이상인 얇은 캐패시터지의 2개 시트를 비교 실시예 1에서와 동일한 방식으로 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 122㎛이고 % 필름 층 비율이 72%인 비교용의 얇은 PPLP를 수득한다.

이렇게 수득된 PPLP의 무수지의 접착력은 단지 6gf/15mm일 뿐이다. PPLP는 알킬벤젠 오일 중에 침지시키는 동안 또는 후에 완전히 박리되었다.

비교 실시예 6

두께가 20㎛이고 밀도가 1.13g/cm³이며 공기 투과도가 100,000sec/100ml 이상인 얇은 캐패시터지의 2개 시트를 비교 실시예 1에서와 동일한 방식으로 결합제로서 용융된 폴리프로필렌에 적층시켜 총 두께가 152㎛이고 % 필름 층 비율이 77%인 비교용 얇은 PPLP를 수득한다.

상기한 실시예 및 비교 실시예의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조 방법은 저밀도 박지로부터 얇은 PPLP를 미리 제조한 다음, 이로써 제조된 PPLP를 상기 종이의 거친 표면이 평편하게 되어 이의 총 두께가 감소되게 함으로써 접착력 저하가 현저하게 억제될 수 있도록 슈퍼칼렌더링하는 것을 포함한다. 따라서, 본 발명의 제조 방법은 기계적 성질 측면에서 보면 매우 바람직하다.

상기한 실시예 및 비교 실시예의 결과를 다음 표 1에 제시하였다.

당해 적층지에 있어서, 폴리올레핀 필름 층은 a.c., 임펄스 및 d.c.에 대하여 보다 높은 유전 파단 강도를 나타내고 적층지의 구성 성분으로서의 크래프트 절연지 보다 낮은 유전 상수(ε) 및 유전 소산 계수(tanδ)를 나타낸다. 높은 파단 전압은 이것이 a.c 전력 케이블 또는 d.c. 전력 케이블에 적용되든지 간에 상관없이 바람직하다. 본 발명의 전기 절연 적층지를 사용하면, 보다 높은 전압이 적용될 수 있는 치밀하고도 경제적인 전력 케이블을 실현하는데 있어서 바람직하다.

한편, a.c. 케이블에 있어서, 이의 전송 용량 및 전송 손실에 커다란 영향을 미치는 유전 손실은 (인가 전압)²과 εx tanδ 를 곱한 값에 비례하여 증가된다. 따라서, 유전 상수와 유전 손실율 모두는 작은 것이 바람직하다. 이러한 경향은 인가 전압이 극도로 높거나(EHV) 초극도로 높은(UHV)인 경우에 현저해진다. 따라서, a.c. 케이블에 본 발명의 전기 절연 적층지를 적용하는 것이 매우 효과적이다.

그 어느 때보다도 더 높은 % 폴리올레핀 필름 층 비율을 갖는 전기 절연 적층지를 개발하기 위한 각종 시도가 있어 왔다. 그러나, 본원에서 추가로 언급되는 바와 같이, 충분한 접착력을 지닌 적층지는 지금까지 결코 수득된 바가 없으며 실제적으로 사용된 바가 없다.

보다 명료히 하기 위하여, a.c. 용인지 아니면 d.c.용인지와 상관없이, 전력 케이블의 절연 성능을 결정짓는 인자들 중의 하나는 이것이 임펄스 전압을 잘 견딜 수 있는냐 하는 것이다. 특정 적층지의 한 시트의 구조, 유전 상수 및 유전 손실 율은 도 5와 관련하여 다음에 기술될 것이다. 도 5는 폴리올레핀 필름 층(28)의 전기적 성질(유전 상수 및 유전 소산 계수)을 ε_p 및 tanδ_p로서 각각 나타내고 있으며 크래프트 절연지(27)의 전기적 성질(유전 상수 및 유전 소산 계수)을 각각 ε_k 및 tanδ_k로서 나타내고 있다.

일반적으로, 전기장 E(kV/mm으로 나타냄; 절연층 1mm 당 인가된 전압의 크기)은 유전 상수(ε)에 반비례한다. 따라서, 강력한 폴리올레핀 필름 층에서의 전기장은 증가시키면서 약한 크래프트지에서의 전기장은 감소시키기 위해서는, 상기 크래프트지 층의 유전 상수(ε_k)를 증가시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 제조 방법에 따라서 수득된 적층지는 적층물을 칼렌더링시켜 크래프트지 층을 압축시킴으로써 각각 두께를 감소시킨 크래프트지 층을 갖는다. 그 결과, 크래프트지 층의 밀도가 상승되고 이의 유전 상수 또한 증가된다. 크래프트지 층의 유전 강도가 크래프트지 층의 두께를 가능한 한 많이 감소시킴으로써 저하되는 경향은 유전 상수의 증가로 인해 상쇄되기 때문에, 폴리올레핀 필름 층의 비율(%)이 높은 본 발명의 적층 절연지가 상당히 우수한 성능을 획득할 수 있다.

이어서, 실시예 1에서 수득된 PPLP를 포함하는 모델 케이블을 제조한다. 이렇게 제조된 모델 케이블을 대상으로 하여 전기적 시험을 수행한다. 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

1) 전압 적용 조건

100kV에서 시작하여 5kV/5min의 속도로 단계적으로 상승시킴(실온, DC)

100kV에서 시작하여 5kV/3times의 속도로 단계적으로 상승시킴(실온, Imp.)

비교용으로 사용된 종이는 일반지 B(두께: 115㎛; % 필름 층 비율: 64%) 및 일반지를 슈퍼칼렌더링하여 수득한 신규한 가공지 A(두께: 100㎛; % 필름 층 비율: 74%)이다. 전선으로서, 직경이 20mmφ 인 스텐레스 강 파이프를 사용한다. 이어서, 이러한 전선을 약 1.5mm의 두께를 제공하도록 PPLP 절연층에 적층시킨다. 그 다음, 상기 적층물을 솔리드유(상온에서 2,000cSt, 100℃에서 30cSt)로 함침시킨다.

그 다음, 상기한 모델 케이블을 대상으로 다음 조건하에서 DC 및 임펄스 파쇄(BD) 시험을 수행한다:

DC·BD: 100kV에서 시작하여 5kV/5min의 속도로 단계적으로 상승시킴;

Imp·BD: 100kV에서 시작하여 5kV/3times의 속도로 단계적으로 상승시킴.

그 결과, 신규한 가공지 A는 23% 증가된 DC·BD값을 나타내고 6% 증가된 Im p·BD값을 나타낸다. 이는 다음과 같은 사실에 기인될 수 있다:

d.c. 전압이 PPLP를 통해 적용되는 경우에는, d.c. 응력이 각 구성 성분의 저항력(다시말하면, "저항")에 비례해서 작용하므로 거의 PP 부분에 대해서만 부하된다. 본 발명의 신규한 가공지 A로부터 제조된 케이블의 % PP 비율은 74%인데, 이는 일반지 B의 % PP 비율보다 16% 증가된 것이다. 따라서, 본 발명의 케이블은 상기 비율에 거의 상응하는 DC 파단 값의 증가를 나타내는 것으로 예상될 수 있다. 이로써 수득된 데이터는 이러한 기대를 철저하게 충족시킬 수 있다.

Imp·전압이 PPLP를 통해 적용되는 경우에는, 상기 응력이 DC와는 달리 PP 필름 층 부분 및 크래프트 부분 위에 별개로 작용한다. PPLP를 슈퍼칼렌더링하는 경우, 크래프트지의 두께 만이 압축됨으로써, 크래프트지의 밀도가 증가하게 되며, 그 결과, 공기 투과도가 증진된다. 크래프트지 층 부분이 감소된 두께와 증진된 공기 투과도를 지니기 때문에, 이의 Imp·BD 응력(kV/mm)이 상승된다. 그러나, 크래프트지 층 부분의 두께 감소와 Imp·BD 전압의 증가는 서로 상쇄된다. 따라서, Imp·BD 전압의 증가는 0에서부터 수 %인 것으로 예상될 수 있다. 이렇게 수득된 데이터는 이러한 기대를 철저히 충족시킬 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 신규의 가공지 A를 사용함으로써 전력 케이블의 전기적 파괴 특징을 증진시킬 수 있다. 이로써, 신뢰도가 높고 보다 얇은 절연 층을 갖는 치밀한 전력 케이블을 실현할 수 있다.

본 발명에 따라서 수득된 적층지를 전력 케이블 내의 절연층으로서 혼입하고 건조시킨 다음 절연유에 함침시킨다. 절연층을 절연유로 함침시키는 단계에서, 케이블 코어를, 예를 들면, 100 내지 120℃의 온도로 가열한 다음 약 1주일 동안 가열 온도에서 정치시켜 둔다. 그 결과, 케이블에 대한 최대의 허용가능한 온도보다 낮은 온도(통상적으로 약 90℃ 이하)에서 관찰되지 않는 현상이 발생된다. 다시 말해서, 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링시킴으로써 감소시킨 적층지 내의 크래프트지 층의 두께가 부분적으로 복원된 것으로 밝혀졌다. 따라서, 이러한 효과를 유효하게 활용함으로써 코어의 조잡함과 유전 강도의 강하로부터 계획적으로 복원시킬 수 있다. 보다 상세히 언급하면, 적층지가 권취됨과 동시에 크래프트지 내에 함유된 수분이 건조 단계시 제거되어 크래프트지 층의 두께를 감소시킨다. 그 결과, 절연층은 조잡하게 되고 오일 층의 두께가 증가하게 되는데, 이때 케이블의 유전 강도는 감소한다. 함침된 케이블에 충분히 장시간 동안 충분히 높은 온도를 제공함으로써(적합한 온도 및 적용 시간은 절연유의 종류에 따라 다소 좌우된다), 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링에 의해 감소시킨 크래프트지 층의 두께를 복원할 수 있으며, 이로써 코어의 조잡함 뿐만 아니라 유전 강도의 강하로부터 계획적으로 복원할 수 있다.

이러한 현상은 절연유에 함침시킨 케이블을 가열하는 경우에 조차 발생되는 것으로 밝혀졌다. 이는 절연유에 함침시킨 후의 임의의 단계에서 열 처리를 수행하는 경우 조차 유사한 효과가 발휘될 수 있다는 것을 입증해준다.

이러한 효과는 본 발명의 방법에 의해 제조된 적층 절연지에 특히 활용될 수 있는 기술을 제공해줌으로써 오일 함침된 전력 케이블의 성능 향상에 상당한 기여를 한다.

본 발명에 따라, 통상적인 방법에 의해서는 수득될 수 없는, 크래프트 절연지에 의해 샌드위칭된 비교적 두꺼운 플라스틱 필름 층을 포함하는 적층지를, 적층물을 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링하는 것을 포함하는 간단한 방법에 의해 수득할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법에 따라, 당해 적층지가 플라스틱 필름 층과 단단하게 접착될 수 있게 해주는 앵커링 효과를 발휘하면서 불균일한 구조가 상기 적층지와 중합체와의 계면에서 유지될 수 있다. 추가로, % 플라스틱 필름 층 비율 상승으로 인해, 상기 적층물의 유전 강도를 증진시킬 수 있다. 더욱이, 적층지의 특정 시트의 층 두께는 케이블 내의 절연층의 두께가 감소됨으로써 케이블 크기와 중량을 감소시킬 수 있는 수준으로 감소시킨다. 궁극적으로, 적층지가 권취된 케이블 길이의 증가가 실현될 수 있다.

추가로, 오일 함침된 전력 케이블 내의 절연층의 적어도 일부분에 본 발명의 적층 절연지를 제공함으로써, 전력 케이블이 a.c. 용이든지 아니면 d.c.용이든지간에 상관없이 유전 강도가 높은 전력 케이블을 수득할 수 있다. 따라서, 보다 치밀하고 경제적인 전력 케이블을 수득할 수 있다.

a.c. 전력 케이블의 경우에는, 인가 전압이 더 높을수록, 전력 케이블에 의해 획득되는 유전 손실율을 저하시키는 효과가 더욱 주목할 만한다. 따라서, 경제적 유용성을 상당히 증대시키면서, 보다 큰 송전 용량과 보다 적은 송전 손실을 실현할 수 있다.

본 발명이 이의 구체적인 양태를 참조로 하여 상세히 기술되긴 하였지만, 당해 분야의 숙련인은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고서도 각종 변화와 변형이 이루어질 수 있다는 것을 명백히 인지할 것이다.

본 발명에 따라 유전 성질, 유전 강도, 및 접착력과 같은 기계적 특성이 탁월한 전기 절연 적층지가 제공된다.

도 1은 본 발명에 따라서 수득된 적층지의 구조를 도시한 단면도이다.

도 2(a)는 본 발명에 따라 칼렌더링되지 않은 적층지의 상태를 도시한 확대단면도이다.

도 2(b)는 본 발명에 따라 칼렌더링된 적층지의 상태를 도시한 확대 단면도이다.

도 2(c)는 통상적인 방법에 따라 수득된 적층지의 구조를 도시한 확대 단면도이다.

도 3은 박리 시험을 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따르는 OF 케이블의 한 양태를 도시한 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따라 수득한 적층지의 구조와 전기적 성질들을 나타낸 단면도이다.

Claims

칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링시켜 총 두께가 30 내지 200㎛로 되고 폴리올레핀 수지를 포함하는 플라스틱 필름 층의 비율이 40 내지 90%로 되게 한, 용융 압출에 의해 합체되는, 1 또는 2매(枚)의 크래프트 절연지 시트와 폴리올레핀 수지로 제조된 플라스틱 필름 층을 포함하는 전기 절연 적층지.
제1항에 있어서, 플라스틱 필름 층을 생성하는 폴리올레핀 수지가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체 또는 폴리부텐인 전기 절연 적층지.
제1항에 있어서, 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링이 온-머신(on-machine) 또는 오프-머신(off-machine)으로 수행되는 전기 절연 적층지.
결합제로서의 폴리올레핀 필름 층을 1 또는 2매의 크래프트 절연지 시트 위에 압출기를 사용하여 용융 압출시켜 적층지를 수득하는 단계 및

이러한 적층지의 총 두께가 30 내지 200㎛로 되고 폴리올레핀 수지를 포함하는 플라스틱 필름 층의 비율이 40 내지 90%로 되도록 적층지를 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링시키는 단계를 포함하는, 전기 절연 적층지의 제조방법.
제4항에 있어서, 플라스틱 필름 층을 생성하는 폴리올레핀 수지가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체 또는 폴리부텐인 방법.
제4항에 있어서, 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링이 온-머신 또는 오프-머신으로 수행되는 방법.
절연층의 적어도 일부분이, 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링시켜 총 두께가 30 내지 200㎛로 되고 폴리올레핀 수지를 포함하는 플라스틱 필름 층의 비율이 40 내지 90%로 되게 한, 용융 압출에 의해 합체되는, 1 또는 2매의 크래프트 절연지 시트와 폴리올레핀 수지로 제조된 플라스틱 필름 층을 포함하는 전기 절연 적층지를 권취시켜 형성한, 절연층을 포함하는 오일 함침 전력 케이블.
제7항에 있어서, 플라스틱 필름 층을 생성하는 폴리올레핀 수지가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체 또는 폴리부텐인 오일 함침 전력 케이블.
제7항에 있어서, 칼렌더링 또는 슈퍼칼렌더링이 온-머신 또는 오프-머신으로 수행되는 오일 함침 전력 케이블.
제7항에 있어서, 절연유에 함침시키는 동안 및/또는 함침시킨 후에 절연층이 열 처리되는 오일 함침 전력 케이블.
제8항에 있어서, 절연유에 함침시키는 동안 및/또는 함침시킨 후에 절연층이 열 처리되는 오일 함침 전력 케이블.
제9항에 있어서, 절연유에 함침시키는 동안 및/또는 함침시킨 후에 절연층이 열 처리되는 오일 함침 전력 케이블.