KR100530139B1

KR100530139B1 - 초평활 반도전성 수지조성물 및 이를 이용한 전력케이블

Info

Publication number: KR100530139B1
Application number: KR10-2002-0067066A
Authority: KR
Inventors: 한재홍; 김동명; 이재봉; 이승부; 김시균
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2005-11-21
Also published as: KR20040038183A

Abstract

본 발명은 고전압 전력케이블에 사용되는 반도전층의 돌기를 감소시킴으로서 전계집중을 방지할 수 있는 초평활성(supersmooth) 반도전성의 수지조성물과 이를 사용한 전력케이블에 관한 것으로, 본 발명의 초평활 반도전성 수지조성물은 폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대하여 클린 도전성 카본블랙 30 내지 80 중량부, 산화방지제 0.1~5중량부, 가공조제 0.1~10 중량부, 가교제 0.5~5 중량부를 함유함을 특징으로 한다.

상기 구성에 따른 본 발명의 초평활 반도전성 수지조성물은 종래의 반도전성 수지 조성물보다 발생되는 돌기의 크기와 불순물 함량이 현저히 감소하여 표면 평활성이 크게 개선되며, 따라서 본 발명의 초평활 반도전성 수지조성물을 사용하여 제조된 전력케이블은 전계집중이 현저히 감소하고 이에 의해 조기 고장을 획기적으로 억제할 수 있으며 또한 불순물 중의 이온함량이 매우 적기 때문에 수트리(water tree) 발생의 가능성을 현저하게 감소시킬 수 있는 유용한 발명이다.

Description

초평활 반도전성 수지조성물 및 이를 이용한 전력케이블{Supersmooth semiconductive resin composition and power cable using the same}

본 발명은 초평활(supersmooth) 반도전성 수지조성물 및 이를 사용한 전력케이블에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전압 전력케이블에 사용되는 반도전층의 돌기(protrusion)를 감소시킴으로서 전계집중을 방지할 수 있는 초평활성 반도전성의 수지조성물과 이를 사용한 전력케이블에 관한 것이다.

일반적으로 고전압 전력케이블은 도체, 내부반도전층, 절연층, 외부반도전층, 중성선, 수팽창테이프, 그리고 외피로 구성되어 있다. 이 중에서 절연층의 내외부에 사용되는 반도전층은 절연층에 걸리는 전기장을 완화해주는 역할을 담당한다.

도 1은 고전압 전력케이블의 일예를 나타낸 단면도로서, 각 도면 부호에 대응하여 그 구성을 설명하면 하기의 표 1과 같다.

No.	항목	재료	비고
1	도체	수밀 컴파운드 충진 원형압축 연동연선	수밀구조
2	내부반도전층	흑색 반도전 열경화성 컴파운드	고순도 컴파운드
3	절연층	가료 폴리에틸렌 컴파운드	t=6.6mm
4	외부반도전층	흑색 반도전 열경화성 컴파운드	고순도 컴파운드
5	중선선수밀층	반도전성 부풀음 테이프
6	중성선	연동선
7	중성선수밀층	부풀음 테이프
8	외피	흑색 PVC	t=3~4mm

그런데, 이러한 반도전층에 돌기나 이물질 같은 결함이 존재하게 되면 전계를 집중시켜 전력케이블 고장을 조기에 유발할 수 있다. 실제로 조기에 고장난 케이블을 분석해보면 반도전층 돌기에 의한 고장이 대부분인 것으로 나타나고 있다. 따라서 반도전층의 특성에서 가장 강조되는 것은 전계집중이 일어날 수 있는 돌기의 크기를 제한하는 것이다.

도 2는 반도전층에 발생한 돌기의 예를 나타낸 사진으로서, 도시된 a 부분은 내부반도전층에 발생된 돌기를 나타낸다.

일반적인 반도전층 결함은 2승의 전계집중 인자(stress enhancement factor)를 갖는 것으로 알려져 있지만, 돌기와 같은 결함은 10~100승의 스트레스 인자를 갖는 것으로 알려져 있다(C.G.Reid, High Performance Conductor Shields for HV/EHV Solid Dielective Power Cables, Proc. of Jicable'99, p.839, 1999.). 그러므로 반도전층은 돌기를 발생하지 않고, 발생하더라도 그 크기가 아주적게되는 특성을 갖는 것이 중요하다.

종래, 일반적으로 가교 폴리에틸렌을 절연층으로 사용하는 전력케이블에서는 반도전성 수지 조성물로 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(ethylene vinyl acetate copolymer: EVA) 수지에 산화방지제를 비롯하여 가교제 및 일반 카본블랙을 배합하여 얻어진 조성물을 사용하였다.

그런데, 상기한 종래의 반도전성 수지 조성물을 사용하여 전력케이블을 제조할 경우, 절연층과 반도전층의 계면에 존재하는 돌기나 각종 불순물 등을 근본적으로 억제할 수 없고, 따라서 이들 돌기나 각종 불순물로 인한 전력 케이블 고장이 지속적으로 발생할 가능성이 매우 크다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 고전압 전력 케이블의 고장을 유발하는 주요 원인인 반도전층의 돌기의 발생을 효과적으로 개선할 수 있는 반도전성 수지 조성물을 제공하기 위한 것이다.

더욱이 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 반도전성 수지 조성물을 사용하여 제조된 전력케이블에서 발생하는 문제점을 효과적으로 개선한 반도전성 수지 조성물을 사용한 전력케이블을 제공하기 위한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초평활 반도전성 수지조성물은;

폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대하여 클린 도전성 카본블랙 30 내지 80 중량부, 산화방지제 0.1~5중량부, 가공조제 0.1~10 중량부, 가교제 0.5~5 중량부를 함유함을 특징으로한다.

한편, 본 발명의 반도전성 수지 조성물을 사용한 전력케이블은;

도체(1), 내부반도전층(2), 절연층(3), 외부반도전층(4), 중성선(6), 수팽창테이프(5,7) 및 외피(8)로 구성된 고전압 전력케이블에 있어서, 상기 내외부반도전층(2,4)은 폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대하여 클린 도전성 카본블랙 30 내지 80 중량부, 산화방지제 0.1~5중량부, 가공조제 0.1~10 중량부, 가교제 0.5~5 중량부를 함유하여 구성된 초평활 반도전성 수지조성물로 제조됨을 특징으로 한다.

본 발명의 조성물에서 폴리올레핀계 수지는 기본 수지로 작용하고, 클린 카본블랙은 도전성 부여를 위하여 사용되는 충진제이며, 산화방지제는 가공 또는 사용시 발생할 수 있는 산화를 방지하기 위해 부가되는 것이다. 또 본 발명의 일 특징인 가공조제는 컴파운딩(compounding)을 원활하게 해주는 작용을 하며, 가교제는 열적 특성을 보완하는 작용을 하는 유기과산화물이다.

본 발명에 사용되는 폴리올레핀계 수지로서는 에틸린 비닐 아세테이트, 에틸렌 에틸 아크릴레이트(ethylene ethyl acrylate: EEA), 에틸렌 부틸 아크릴레이트(ethylene butyl acrylate: EBA), 에틸렌 메틸 아크릴레이트(ethylene methyl acrylate) 수지가 사용되어 질 수 있다. 본 발명에 사용되는 폴리올레핀계 수지는 바람직하기로는 공중합체의 함량은 10~50%의 범위를 갖고 용융지수가 1~20g/10min의 범위를 갖는 것을 사용한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 본 발명의 반도전성 수지조성물에 사용되는 클린 카본블랙은 아세틸렌 블랙(acetylene black) 또는 퍼네이스 블랙(furnace black)을 사용함을 특징으로한다.

상기한 클린 카본블랙은 입자경의 분포가 15~60nm, 표면적이 40~200mg/g이며, 불순물을 제외한 순수 카본블랙이 98%이상이고 불순물 중의 이온은 칼슘, 칼륨, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 니크롬, 규소가 0.05% 이하의 조건을 만족하는 카본블랙임을 특징으로 한다.

본 발명의 반도전성 수지조성물에 사용되는 산화방지제로서는 페놀계와 티오에스테르(thioester)계를 사용할 수 있다. 이러한 산화방지제는 0.1~5 중량부를 사용하는데, 0.1 중량부 이하이면 산화방지 효과가 적으며, 5 중량부 이상을 사용하게 되면 가교제의 성능 저하시켜 가교화도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 못하다.

또한, 본 발명의 반도전성 수지조성물에 사용되는 가공조제는 0.1~10중량부를 사용하는데, 분자량이 1000~10000이고 밀도가 0.90~0.96인 폴리에틸렌 왁스와 에스테르계 왁스, 방향족 알콜 지방산 에스테르, 복합에스테르계 활제를 사용할 수 있다. 이러한 가공조제를 0.1 중량부 이하로 사용하면 각 조성간의 혼화 효과가 적으며, 10중량부 이상 사용하는 경우는 기계적 물성이 크게 저하될 수 있어 바람직하지 못하다.

본 발명의 반도전성 수지 조성물에 사용되는 가교제로는 유기과산화물을 사용할 수 있으며, 함량은 폴리올레핀계 수지 총량 100중량부에 대하여 0.5~5중량부로 함이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 초평활 반도전성 수지조성물은 각 조성물의 상관적인 특성으로 인하여 불순물의 함량이 현저하게 감소되고, 돌기의 크기가 효과적으로 억제되며, 따라서 본 조성물을 사용하여 제조된 전력 케이블에서는 돌기에 의해 발생되는 고장이 미연에 방지된다.

이하, 본 발명을 실시예로 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예1 ~ 6, 비교예1

하기의 표 1과 같은 조성으로 기본 수지에 카본 블랙과 산화방지제를 첨가하여 니더(kneader)에서 소련한 후, 다시 2차로 가공조제를 투입하여 혼련을 실시하고, 압출기를 통하여 펠렛으로 제조하였다. 이후 펠렛을 건조한 다음 믹서에서 가교제 함침을 실시하였으며, 열 프레스로 가교하였다. 단, 평활도의 측정에서는 시험용 압출기로 성형한 테이프를 사용하여 표면의 돌기를 측정하였다. 압출 테이프는 100~130℃의 온도 조건에서 두께 1mm, 폭 50mm크기로 성형하였다.

제조된 반도전성 수지조성물에 대하여 용융지수(g/10min), 인장강도(MPa) 및 신장율(%), 가열노화 후의 인장강도 잔율(%) 및 신장율 잔율(%), 전기전도도(Ω·cm), 돌기 크기(㎛) 그리고 이온성 불순물 함량을 측정하여 평가하였다.

각 시료의 특성 중 용융지수는 ASTM D1238, 인장강도 및 신장율은 ASTM D638, 전기전도도는 ASTM D991을 사용하였으며 돌기 크기는 특성평가 방법의 미비로 인하여 60㎠의 단면적을 갖는 테이프 표면을 저배율용(x40)의 입체 현미경(stereo microscope)과 이미지 분석기(image analyzer)를 이용하여 측정하였다. 한편 이온성 불순물 함량은 한국전력 구매규격인 ES126-650~664를 사용하였다. 이와 같이 평가한 결과는 하기 표 2에 나타냈다.

조성물	비교예1	실시예
조성물	비교예1	1	2	3	4	5	6
EVA	100	100	100
EEA				100	100
EBA						100	100
일반 카본블랙	60
클린 아세틸렌 블랙		60		60		60
클린 퍼네이스 블랙			60		60		60
산화방지제	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
가공조제	-	3	3	3	3	3	3
가교제	2	2	2	2	2	2	2

특성	비교예1	실시예
특성	비교예1	1	2	3	4	5	6
용융지수(g/10min)	0.6	0.3	0.5	0.3	0.4	0.2	0.3
인장강도(MPa)	2.10	2.07	2.10	1.95	1.90	1.9	2.0
신장율(%)	190	212	207	215	210	220	210
인장강도 잔율(%)	96	97	96	97	97	96	95
신장율 잔율(%)	95	94	94	95	96	94	95
전기전도도(Ω·cm)	65	38	28	28	27	28	32
돌기 크기(㎛)	120	30	34	27	29	30	36
이온성불순물함량(ppm)	3251	156	163	166	170	159	175

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 각 실시예의 조성에 따라 제조된 반도전성 수지 조성물에서 측정된 돌기의 크기가 비교예1의 조성에 따라 제조된 반도전성 수지 조성물에서 측정된 돌기의 크기에 비하여 상대적으로 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 클린 아세틸렌 블랙을 사용한 실시예1, 3 및 5의 반도전성 수지조성물이 클린 퍼네이스 블랙을 사용한 실시예2, 4 및 6의 것보다 약간 더 작은 돌기 크기를 보인다. 전체적으로 볼 때 비교예의 돌기 크기보다 1/4 정도로 크게 감소됨을 알 수 있다.

한편 각 실시예에서 기계적 특성은 비교예1과 거의 동등한 특성을 보이고 있으며, 전기전도도 증가와 이온성 불순물 함량의 저하가 보여지므로 반도전성 수지조성물로 유용하게 적용될 수 있다.

상기 구성에 따른 본 발명의 초평활 반도전성 수지조성물은 종래의 반도전성 수지 조성물보다 발생되는 돌기의 크기와 불순물 함량이 현저히 감소하여 표면 평활성이 크게 개선되며, 따라서 본 발명의 초평활 반도전성 수지조성물을 사용하여 제조된 전력케이블은 전계집중이 현저히 감소하고 이에 의해 조기 고장을 획기적으로 억제할 수 있으며 또한 불순물 중의 이온함량이 매우 적기 때문에 수트리(water tree) 발생의 가능성을 현저하게 감소시킬 수 있다.

더욱이, 본 발명의 초평활 반도전성 수지조성물은 배전급 전력 케이블은 물론 송전급의 전력케이블에도 적용 가능한 초평활 반도전성 수지조성물이며, 초평활성으로 인해 전계집중이 완화되므로 전력케이블의 절연성능과 수명을 크게 향상시킬 수 있는 유용한 발명이다.

도 1은 고전압 전력케이블의 일예를 나타낸 단면도,

도 2는 반도전층에 발생한 돌기의 예를 나타낸 사진이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 도체 2: 내부반도전층

3: 절연층 4: 외부반도전층

5: 중선선수밀층 6: 중성선

7: 중성선수밀층 8: 외피

Claims

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폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대하여 도전성 카본블랙 30 내지 80 중량부, 산화방지제 0.1~5중량부, 가공조제 0.1~10 중량부, 가교제 0.5~5 중량부를 함유하며,

상기 도전성 카본블랙은 입자경의 분포가 15~60nm, 표면적이 40~200mg/g이며, 불순물을 제외한 순수 카본블랙이 98%이상이고 불순물 중의 이온은 칼슘, 칼륨, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 니크롬, 규소가 0.05% 이하의 조건을 만족하는 아세틸렌 블랙(acetylene black) 또는 퍼네이스 블랙(furnace black)으로 이루어지며,

상기 가공조제는 분자량이 1,000~10,000이고 밀도가 0.90~0.96인 폴리에틸렌 왁스와 에스테르계 왁스, 방향족 알콜 지방산 에스테르, 복합에스테르계 활제임을 특징으로 하는 초평활 반도전성 수지조성물.
도체(1), 내부반도전층(2), 절연층(3), 외부반도전층(4), 중성선(6), 수팽창테이프(5,7) 및 외피(8)로 구성된 전력케이블에 있어서,

상기 내부반도전층(2) 및 외부반도전층(4)은,

폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대하여 도전성 카본블랙 30 내지 80 중량부, 산화방지제 0.1~5중량부, 가공조제 0.1~10 중량부, 가교제 0.5~5 중량부를 함유하며, 상기 도전성 카본블랙은 입자경의 분포가 15~60nm, 표면적이 40~200mg/g이며, 불순물을 제외한 순수 카본블랙이 98%이상이고 불순물 중의 이온은 칼슘, 칼륨, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄, 아연, 철, 구리, 니크롬, 규소가 0.05% 이하의 조건을 만족하는 아세틸렌 블랙(acetylene black) 또는 퍼네이스 블랙(furnace black)으로 이루어지며, 상기 가공조제는 분자량이 1,000~10,000이고 밀도가 0.90~0.96인 폴리에틸렌 왁스와 에스테르계 왁스, 방향족 알콜 지방산 에스테르, 복합에스테르계 활제로 이루어지는, 초평활 반도전성 수지조성물로 제조됨을 특징으로 하는 초평활 반도전성 수지 조성물을 사용한 전력케이블.