KR101142882B1 - 지중 배전전용 절연케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 22.9 KV의 특고압을 지중으로 배전하면서 감전, 누전, 합선의 위험성을 줄이므로 전기 에너지 자원을 절약하면서 배전의 효율성을 높이고 배전 여장의 확보가 용이하여 유사시에 안정적인 배전환경을 조성할 수 있는 지중 배전전용 절연케이블에 관한 것으로 멀티스트랜드 케이블을 다수 포함하며 발포불소수지로 채운 심선부; 심선부의 외주면을 2 내지 4 밀리미터 두께로 감싸는 제 1 절연층; 제 1 절연층의 외주면을 3 내지 6 밀리미터 두께로 감싼 제 2 절연층(1300); 제 2 절연층의 외주면을 0.6 내지 1.4 밀리미터의 두께의 납으로 감싼 제 1 완충부; 제 1 완충부의 외주면을 1/2 씩 감싸며 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께를 하는 제 1 공기층부와 제 2 공기층부로 이루어진 제 2 완충부; 제 2 완충부의 외주면을 2 내지 4 밀리미터 두께로 감싸는 제 3 절연층; 제 3 절연층의 외주면을 2 내지 3 밀리미터의 두께로 감싼 제 4 절연층 및 제 4 절연층의 외주면을 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께로 감싸는 절연피복층을 포함하는 특징에 의하여 물리적인 외부충격이 인가되어도 자체적으로 완충시켜 심선이 노출되지 않으며 누전, 합선이 발생하지 않도록 보호하여 에너지 자원을 절약하고 작은 면적에서도 여장을 충분히 확보하는 효과가 있다.

Description

지중 배전전용 절연케이블{Insulated cable of electric power transmitting in underground}

본 발명은 지중 배전전용 절연케이블에 관한 것으로 더욱 상세하게는 22.9 KV의 특고압을 지중으로 배전하면서 감전, 누전, 합선의 위험성을 줄이므로 전기 에너지 자원을 절약하면서 배전의 효율성을 높이고 배전 여장의 확보가 용이하여 유사시에 안정적인 배전환경을 조성할 수 있는 지중 배전전용 절연케이블에 관한 것이다.

화력발전소, 수력발전소, 원자력 발전소 등이 포함되는 발전소에서 약 20,000V 정도의 전압으로 발전된 전기는 송전에 적합한 초고압(154 KV 또는 345 KV)으로 승압되며 승압된 전기는 초고압선로를 통하여 1 차 변전소로 송전된다.

1 차 변전소는 배전된 초고압의 전기를 특고압인 22.9 KV로 강하시켜 대용량의 수용가 근처에 위치한 2 차 변전소 또는 배전선로를 따라 일반적인 각 수용가로 송전 또는 배전한다.

1 차 변전소 또는 2 차 변전소로부터 배전된 전기 또는 전력은 가공배전선과 지중배전선으로 구성된 송배전계통을 통하여 공장지대, 주거단지의 주상변압기 등의 수전설비로 송전 또는 배전된다.

전력의 송배전계통은 철탑과 가공배전선을 이용하는 지상송배전방식 및 지중관과 지중전선을 이용하는 지중송배전방식으로 구분할 수 있다.

전력의 송배전에 있어서 지상을 이용하는 방식은 주변의 환경 및 자연을 해치는 문제와 항공기 등과 충돌을 발생시켜 인명이 손상되는 문제가 있으므로 점차 지하 또는 지중을 이용하는 방식을 선호하고 있는 추세에 있다.

지중을 이용하는 송배전 방식은 지하에 지중관을 시설하고 시설된 지중관에 전력 송배전용 케이블을 설치하여 수용가에 전력을 송전 또는 배전하는 방식이지만, 지하는 침수 등에 의하여 습기에 쉽게 노출될 수 있는 문제가 있다.

또한, 각종 건설공사 등에 의하여 지하에 설치된 전력 케이블이 손상되면서 누전 및 합선 사고가 발생하거나 또는 크고 작은 인명사고를 발생시킬 수 있는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래기술로 특허출원 제10-1994-0023607호(1994.09.16.)에 의한 “절연 내력을 갖는 전력 케이블”이 있다.

도 1 은 종래 기술의 일실시 예에 의한 지중 배전전용 절연케이블의 구성을 설명하는 도시도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 전기적 코어(1) 및 이 코어를 절연시키기 위한 제1 폴리머 유전층을 포함하는 전력케이블에 있어서, 상기 제1 폴리머 유전층은 그의 최종 전도도가 10의 -14승 S/cm 이하로 될 정도의 중량 농도가 최소한 하나 이상의 전도성 폴리머를 함유하는 절연성 폴리머 매트릭스에 의해 구성된다.

종래기술에 의한 구성의 송배전용 절연 케이블은 22.9 KV의 특고압을 송배전할 수 있으나 외부로부터 인가되는 물리적 충격을 송배전용 절연 케이블이 자체적으로 완충시키지 못하고 절연피복을 손상시키게 되어 특고압이 송전 또는 배전되는 심선을 노출시키는 문제가 있다.

또한, 종래기술은 절연피복이 손상되는 경우 심선이 쉽게 노출되어 누전, 합선 및 감전 등을 방지하지 못하는 문제가 있다.

따라서 외부의 물리적 충격을 송배전용 절연 케이블이 자체적으로 완충시키고 외부의 절연피복이 손상되는 경우에도 심선이 노출되지 않도록 하여 누전, 합선 및 감전 등이 발생하지 않도록 하는 기술을 개발할 필요가 있다.

또한, 작은 면적에서 여장을 충분하게 확보할 수 있는 절연케이블 구조를 개발할 필요가 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점과 필요성을 해소하기 위하여 본 발명은 지중에 설치되고 외부로부터 물리적인 충격을 인가받은 경우에도 자체적으로 충격을 완충시켜 심선을 보호하므로 누전, 합선이 발생되지 않도록 하는 지중 배전전용 절연케이블을 제공한다.

또한, 본 발명은 작은 면적에서도 절연케이블의 여장을 충분하게 확보할 수 있는 지중 배전전용 절연케이블을 제공한다.

본 발명의 과제를 달성하기 위한 것으로 지중 배전전용 절연케이블은 8 AWG 내지 1000 MCM 크기의 멀티스트랜드 케이블(1110)을 다수 포함하며 상기 다수의 멀티스트랜드 케이블(1110) 사이는 질화붕소를 발포핵제로 사용하며 질소 기체에 의하여 발포된 발포불소수지(1120)로 채우고 연속된 원통형상을 하는 심선부(1100); 상기 심선부(1100)의 외주면을 부직시트와 절연체가 각각 50 중량%씩 포함되고 상기 부직시트는 파라페닐렌 테레프탈아미드와 메타페닐렌 이소프탈아미드 중에서 선택된 어느 하나에 의한 메타-아라미드 중합체이거나 파라-아라미드 중합체로 이루어진 아라미드 섬유를 0.5 그램/세제곱미터의 밀도로 제조되며 상기 절연체는 셀룰로스, 폴리아미드, 폴리이미드, 액정 중합체, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리벤족사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 전방향족 코폴리아미드, 플루오르화 탄화수소 중에서 어느 하나 이상으로 구성시켜 2 내지 4 밀리미터 두께로 감싸는 제 1 절연층(1200); 상기 제 1 절연층(1200)의 외주면을 붕산 알루미늄, 붕산 마그네슘, 티탄산 칼륨, 질화규소 중에서 어느 하나 이상으로 이루어진 전기절연성 위스커 또는 질화붕소를 발포핵제로 사용하여 불소수지와 혼합하며 발포제로 질소 기체를 사용하여 지름 20 내지 30 마이크로미터의 기포가 50 내지 60 % 형성시킨 절연물질을 3 내지 6 밀리미터 두께로 감싼 제 2 절연층(1300); 상기 제 2 절연층(1300)의 외주면을 0.6 내지 1.4 밀리미터의 두께의 납으로 감싼 제 1 완충부(1400); 상기 제 1 완충부(1400)의 외주면 일측 1/2 을 감싸면서 설치되고 밀폐되지 않은 다수의 공기주머니(1510)를 형성하며 돌기부(1520)와 홈부(1530)를 양쪽 끝단부에 각각 형성하고 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께를 하는 제 1 공기층부(1540); 상기 제 1 완충부(1400)의 외주면 타측 1/2 을 감싸면서 설치되고 밀폐되지 않은 다수의 공기주머니(1510)를 형성하며 돌기부(1520)와 홈부(1530)를 양쪽 끝단부에 각각 형성하고 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께를 하는 제 2 공기층부(1550); 상기 제 1 공기층부(1540)와 상기 제 2 공기층부(1550)는 상기 돌기부(1520)와 상기 홈부(1530)에 의하여 체결되어 상기 제 1 완충부(1400)의 외주면을 감싸면서 제 2 완충부(1500)를 형성하고, 상기 제 2 완충부(1500)의 외주면을 부직시트와 절연체가 각각 50 중량%씩 포함되고 상기 부직시트는 파라페닐렌 테레프탈아미드와 메타페닐렌 이소프탈아미드 중에서 선택된 어느 하나에 의한 메타-아라미드 중합체이거나 파라-아라미드 중합체로 이루어진 아라미드 섬유를 0.5 그램/세제곱미터의 밀도로 제조하며 상기 절연체는 셀룰로스, 폴리아미드, 폴리이미드, 액정 중합체, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리벤족사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 전방향족 코폴리아미드, 플루오르화 탄화수소 중에서 어느 하나 이상으로 구성시켜 2 내지 4 밀리미터 두께로 감싸는 제 3 절연층(1600); 상기 제 3 절연층(1600)의 외주면을 25 ℃에서 0.2 내지 0.3 마이크로미터의 거칠기와 15 ℃에서 40 내지 60 센티미터의 연성을 갖으며 양전하의 유화제가 포함된 양이온계 유화아스팔트로 2 내지 3 밀리미터의 두께로 감싼 제 4 절연층(1700) 및 상기 제 4 절연층(1700)의 외주면을 폴리에틸렌 수지로 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께로 감싸는 절연피복층(1800); 을 포함하되, 상기 제 1 공기층부(1540) 또는 제 2 공기층부(1550)는 폴리카보네이트(PC)로 이루어지며 5 밀리미터의 폭(W)으로 형성된 구성과 고무류(1560)로 이루어지며 5 밀리미터의 폭(W)으로 형성된 구성이 케이블의 길이 방향에서 각각 순서대로 반복 결합되어 연속 성형될 수 있다.

본 발명에 따르면 상기와 같은 구성은 지중에 설치된 지중 배전전용 절연케이블에 물리적인 외부충격이 인가되어도 자체적으로 완충시켜 심선이 노출되지 않으며 누전, 합선이 발생하지 않도록 보호할 수 있다.

또한, 본 발명은 지중 배전전용 절연케이블의 휨성을 높여 작은 면적에서도 여장을 충분하게 확보할 수 있다.

도 1 은 종래 기술의 일실시 예에 의한 지중 배전전용 절연케이블의 구성을 설명하는 도시도,
도 2 는 본 발명의 일실시 예에 의한 지중 배전전용 절연케이블의 단면도,
그리고
도 3 은 본 발명의 일실시 예에 의하여 제 2 완충부를 구성하는 제 1 공기층부와 제 2 공기층부의 사시도 이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2 는 본 발명의 일실시 예에 의한 지중 배전전용 절연케이블의 단면도 이고, 도 3 은 본 발명의 일실시 예에 의하여 제 2 완충부를 구성하는 제 1 공기층부와 제 2 공기층부의 사시도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 지중 송배전용 절연케이블(1000)은 심선부(1100), 제 1 절연층(1200), 제 2 절연층(1300), 제 1 완충부(1400), 제 2 완충부(1500), 제 3 절연층(1600), 제 4 절연층(1700), 절연피복층(1800)을 포함하는 구성이다.

심선부는 22.9 KV의 특고압을 송배전하는 것으로 다수의 멀티스트랜드 케이블(1110)로 구성되고, 각 멀티스트랜드 케이블(1110)의 사이는 발포불소수지(1120)로 채워진다.

멀티스트랜드 케이블(1110)은 각각 구리 도체를 다발 형태로 묶은 것이며 다수로 이루어진다.

멀티스트랜드 케이블의 전체 굵기는 8 AWG 내지 1000 MCM의 범위이고 바람직하게는 1/0 내지 750 MCM 의 굵기를 갖도록 한다.

멀티스트랜드 케이블을 구성하는 각 구리 도체는 ASTM B172, ASTM B173, ASTM B8로 정의되는 ASTM 표준 규격들 중에서 어느 하나 이상을 만족할 수 있고, 이러한 표준 규격의 구리도체는 미국 아칸소주 오세올라 소재의 리 마그넷 와이어 캄파니 인코포레이티드(Rea Magnet Wire Company, Inc.) 및 미국 조지아주 캐롤톤 소재의 사우쓰와이어 캄파니(Southwire Company)에서 입수할 수 있다.

다수의 멀티스트랜드 케이블(1110)은 서로 밀접 되도록 묶인 상태이므로 전체적으로 연속된 원통형상을 하고 공간이 없을 수 있으나 미세한 공기층이 있을 수 있다.

이러한 미세한 공기층을 발포불소수지(1120)로 채운다.

발포불소수지(1120)는 발포제로서 질소 등의 기체를 사용하고, 발포핵제로서는 질화붕소가 사용된다.

발포불소수지(1120)의 유전율은 발포층의 기공률에 좌우되므로 기공률을 크게 해서 유전율이 낮게 할 수 있다. 발포핵제로 사용되는 질화붕소는 흡습성이 없고 전기적 특성에 악영향을 미치지 않으므로 발포핵제로서 바람직한 성분이다.

제 1 절연층(1200)은 심선부(1100)의 외주연을 부직시트와 절연체가 각각 50 중량%씩 포함되는 절연물질로 이루어지며 2 내지 4 밀리미터(mm)의 두께를 감싸는 구성이고 3 밀리미터의 균일한 두께로 감싸는 것이 바람직하다.

부직시트는 아라미드 섬유를 포함하는 부직포로 구성된다.

아라미드는 아라미드 결합(-CONH-)의 85% 이상이 2개의 방향족 고리에 직접 결합된 폴리아미드를 의미한다. 아라미드와 함께 첨가제를 사용할 수 있고, 10 중량% 이하의 기타 중합체성 물질을 아라미드와 블렌딩할 수 있거나, 아라미드의 디아민이 10%의 기타 디아민으로 대체되거나 아라미드의 이산 염화물이 10%의 기타 이산 염화물로 대체된 공중합체를 사용할 수 있다.

일반적인 아라미드는 파라페닐렌 테레프탈아미드의 폴리 및 메타페닐렌 이소프탈아미드의 폴리이며, 메타페닐렌 이소프탈아미드의 폴리를 사용하는 것이 바람직하다.

절연체는 셀룰로스, 폴리아미드, 폴리이미드, 액정 중합체, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리벤족사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 테크노라(Technora, 등록상표)의 상표명으로서 판매되는 전방향족 코폴리아미드, 플루오르화 탄화수소가 포함되는 것 중에서 어느 하나 이상을 선택하여 구성시킨다.

제 2 절연층(1300)은 제 1 절연층(1200)의 외주면을 전기절연성 위스커와 불소수지가 혼합되어 발포된 절연물질로 이루어지고 3 내지 6 밀리미터(mm)의 두께로 감싸는 구성이며 4 밀리미터의 균일한 두께로 감싸는 것이 바람직하다.

전기절연성 위스커는 붕산 알루미늄, 붕산 마그네슘, 티탄산 칼륨, 질화규소 중에서 어느 하나 이상이 포함될 수 있다.

전기절연성 위스커와 불소수지가 혼합된 상태를 발포시키는 발포핵제로서 전기절연성 위스커를 이용함으로써, 질화붕소 입자를 발포핵제로 한 경우에 비해서 미세한 독립 기포를 갖는 발포체를 얻을 수 있다.

발포핵제로 사용되던 질화붕소는 입자상, 인편상(鱗片狀) 입자가 이용되고 있지만, 수염형상의 절연성 위스커를 이용함으로써 발포율이 높아서 미세한 기포를 형성하는 것이 가능하다.

발포핵제로 전기적 특성에 영향을 미치지 않는 절연성의 세라믹계의 위스커를 사용하는 것이 바람직하다.

붕산 알루미늄 위스커, 붕산 마그네슘 위스커, 티탄산 칼륨 위스커, 질화규소 위스커로부터 선택되는 위스커가 있고, 이들의 어느 하나 이상을 혼합해서 사용할 수 있다. 예를 들면 붕산 알루미늄 위스커로 시코쿠카세이제의 아르보렉스Y(개수 평균 지름 0.5～1㎛ 개수 평균 길이 10～30㎛)를 들 수 있다. 또한, 티탄산 칼륨 위스커로서는 오츠카카가쿠제의 티스모D(개수 평균 지름 0.2～0.5 ㎛ 개수 평균 길이 10～20 ㎛)가 있다. 또한, 발포 조성물 중의 절연성 위스커는 발포 조성물 중에 0.1~5 질량%로 하고, 0.1~1 질량%로 하는 것이 보다 바람직하다.

절연성 위스커의 양이 0.1 질량%보다 적으면 발포율이 저하되므로 바람직하지 못하고, 5 질량%보다 많으면 기포가 크게 되거나, 전기적 특성을 저하시키는 원인이 된다.

또한, 전기절연성 위스커는 애스펙트비가 10～100 정도이며 지름이 0.1㎛～1㎛인 것이 바람직하고 이것보다 큰 위스커로는 미세한 기포를 형성할 수 없다.

발포용 조성물 및 발포체에 이용되는 불소수지는 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로프로필 비닐 에테르 공중합체 등의 테트라플루오로에틸렌-알킬비닐에테르 공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌-퍼플루 오로부틸 에틸렌 공중합체, 에틸렌-클로로트리 플루오로 에틸렌 공중합체, 폴리불화 비닐리덴 등의 열가소성 불소 수지가 있다.

또한, 발포체의 발포는, 용융한 조성물 중에 질소 등의 기체를 발포제로서 주입하거나, 또는 가열로 열분해 하여 기체를 발생시키는 발포성 물질 등을 발포 수지 조성물에 혼합할 수 있다.

이하에서 일실험 예를 설명한다.

테트라플루오로에틸렌-플루오로알킬 비닐 공중합체(미츠이, 듀폰 플루오로케미칼제 FEP5100J) 99.5 질량%, 붕산 알루미늄 위스커(시코쿠카세이제 아르보렉스Y) 0.5 질량%를 함유하는 조성물을 압출기에서 온도 380℃에서 압출성형하고, 0.52 MPa의 질소를 주입하며 압출기에 부착된 헤드를 주행하는 지름 0.511 mm의 은도금 연동선 상의 발포 성형에 의해 외경 1.44 mm의 발포체층을 형성하고 동축 절연 케이블용의 중심도체의 주위에 발포체층에 의한 피복체를 형성하였다.

얻어진 발포체층의 정전용량을 측정하여 계산식 “ε=(C×log(D/d))/24.16” 에 의해, 유전율ε을구하고 얻어진 유전율에 기초하여 기공률 V(%)를 구했다.

계산식에서 C는 1 m 당의 정전용량(pF)이고, D는 외경(mm)이며, d는 도체의 지름(mm)이다.

또한, 계산식 “V=(1-logε/logεf)×100”에서의 εf는 발포체층을 구성하는 조성물의 발포 전의 유전율이다.

연산된 단위길이 당의 정전용량은 75.2 pF/m, 유전율ε은 1.400, 기공률은 54.6 % 였다.

또한, 발포체로부터 임의로 추출한 50 개의 기포의 지름은 20 내지 30 마이크로미터이고, 평균 지름은 24.2 마이크로미터(㎛) 이다.

제 2 절연층(1300)은 전기적으로 절연시키는 동시에 외부로부터 인가되는 물리적 충격을 대폭적으로 흡수할 수도 있다.

제 1 완충부(1400)는 제 2 절연층(1300)의 외주면을 0.6 내지 1.4 밀리미터의 두께의 납(Pb)으로 감싸는 구성이다.

제 1 완충부(1400)는 외부의 기계적 충격과 화학적 충격을 완충시키는 동시에 심선부가 노출되는 경우에도 누전, 합선을 차단한다.

제 1 완충부(1400)의 누전 및 합선을 차단하는 결과에 의하여 귀중한 전기 에너지 자원의 낭비를 막는 동시에 전기 에너지 자원을 효율적으로 이용 및 관리하도록 할 수 있다.

제 2 완충부(1500)는 제 1 완충부(1400)의 외주면을 감싸면서 절연시키는 동시에 외부의 충격을 흡수할 수 있다.

제 2 완충부(1500)는 제 1 공기층부(1540)와 제 2 공기층부(1550)를 포함하는 구성이고, 제 1 공기층부(1540)와 제 2 공기층부(1550)는 돌기부(1520)와 홈부(1530)에 의하여 체결된다.

제 1 공기층부(1540)와 제 2 공기층부(1550)는 대응되는 동일한 구성이며 제 1 완충부(1400)의 외주면 일측 1/2 을 각각 감싸는 상태로 제 1 완충부(1400)의 외주면에 각각 설치된다.

다수의 공기층(1510)은 지중 배전전용 절연케이블(1000)의 길이 방향에서 각 양쪽 끝단이 개방되므로 밀폐되지 않은 공간을 형성하며, 돌기부(1520)와 홈부(1530)는 제 1 공기층부(1540) 또는 제 2 공기층부(1550)의 절단면 양쪽 끝 부분에 각각 형성된다.

제 1 공기층부(1540)와 제 2 공기층부(1550)는 절단면에서의 두께(D)를 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께로 형성하고 2 밀리미터의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

제 1 공기층부(1540)와 제 2 공기층부(1550)는 대응되는 동일한 구성이므로 이하에서는 제 1 공기층부(1540)만을 설명하여 중복 설명되지 않도록 한다.

제 1 공기층부(1540)는 케이블의 길이 방향으로 폴리카보네이트(PC)(1570)와 고무류(1560)가 한번씩 교대로 순차 인접하도록 이중성형하여 형성된다.

즉, 한번은 폴리카보네이트(1570)를 5 밀리미터의 폭(W1)으로 성형하고 그 옆에 고무류(1560)로 이루어지며 5 밀리미터의 폭(W2)으로 성형되어 결합된 상태가 케이블의 길이 방향을 따라 연속 반복된다.

고무류(1560)는 천연고무류와 합성고무류 중에서 선택된 것을 사용할 수 있고 잘 늘어나거나 휘어질 수 있는 성질이 있으면 된다.

단단한 특성이 있는 폴리카보네이트(1570)와 늘어나거나 휘어지는 특성이 있는 고무류(1560)를 각각 5 밀리미터의 폭(W1, W2)으로 반복 성형하므로 케이블이 잘 휘어질 수 있어 좁은 공간에서도 케이블의 배전 여장을 충분히 확보할 수 있다.

제 3 절연층(1600)은 제 2 완충부(1500)의 외주연을 2 내지 4 밀리미터(mm)의 두께로 감싸며 제 1 절연층(1200)과 동일한 구성 및 작용을 하므로 중복 설명하지 않기로 한다.

제 3 절연층(1600)은 제 1 절연층(1200)과 동일하게 3 밀리미터(mm)의 두께로 감싸는 것이 절연성을 유지하면서 케이블의 굽힘성 확보를 위하여 바람직하다.

제 4 절연층(1700)은 제 3 절연층(1600)의 외주연을 2 내지 3 밀리미터(mm)의 두께로 감싸는 것으로써 25 ℃에서 0.2 내지 0.3 마이크로미터의 거칠기와 15 ℃에서 40 내지 60 센티미터의 연성을 갖으며 양전하의 유화제가 포함된 양이온계 유화아스팔트로 구성된다.

제 4 절연층(1700)을 구성하는 아스팔트는 25 ℃에서 0.2 내지 0.3 마이크로미터(㎛)의 거칠기로 연마된 침을 사용하여, 침입도가 10 내지 30(침입도는 0.1mm를 1 로 표시한다)을 이루며, 신도(연성을 나타낸 것으로 시료의 양끝을 규정온도, 규정속도로 인장 하였을 때 시료가 파단 될 때까지 늘어난 길이)는 15 ℃에서 40 cm 내지 60 cm를 갖는다.

이러한 아스팔트는 석유계 잔류물을 사용하는 것이 일반적이며 미세한 입자로 만들어 물에 분산시키는데, 이때 물속에서 아스팔트 상 분리현상이 일어나지 않고 분산된 상태를 그대로 유지할 수 있도록 유화제(Emulsifier)와 안정제를 사용한다.

유화제는 양전하(+)로 대전되는 양이온계 유화 아스팔트를 사용하며, 양이온계 유화아스팔트의 조건은 거칠기가 0.2 내지 0.3 마이크로미터(㎛)로 연마된 침을 사용하여 침입도가 10 내지 30의 범위를 만족하여야 한다.

또한, 최대 195 ℃ 이하로 가열하여 거품이 발생하지 않으며 연화점이 90 ℃ 내지 95 ℃이하이고 신도는 25±0.5 ℃의 온도에서 ±0.25 cm/min의 속도로 당겼을 때 2 내지 4 이하의 값을 만족하여야 한다.

또한, 양이온계 유화아스팔트에 불꽃을 접근시켜 인화점이 280 ℃ 내지 290 ℃를 만족하여야 한다.

제 4 절연층(1700)은 배전용 케이블을 절연시키는 동시에 습기의 완전한 차단이 가능할 수 있다.

절연피복층(1800)은 제 4 절연층(1700)의 외주면을 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께 감싸는 것으로 폴리에틸렌 수지로 구성되고 2 밀리미터의 두께로 감싸는 것이 바람직하다.

폴리에틸렌 수지는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 기본 수지 100 중량부에 대하여 나노 탄소 입자 0.05 내지 0.5 중량부를 포함하는 구성이다.

나노 탄소 입자는 10 nm 이하의 두께와 500 nm 이하의 평균 지름을 가지며, 6 겹 이하의 그래파이트(graphite) 층을 포함하는 나노 크기의 탄소입자를 의미하는 것으로서 공간전하 저감제로서의 기능을 한다.

일반적으로 공간전하 저감제로 산화마그네슘, 이산화티탄과 같은 유전체성 금속 산화물을 사용하고 있으나, 나노 탄소 입자에 의한 금속성 입자는 더 큰 퍼텐셜 우물(potential well)을 가진다.

따라서 일반적인 유전체성 금속산화물을 사용한 경우에 비하여 훨씬 적은 함량의 나노 탄소 입자를 사용하여도 우수한 공간전하 저감 효과가 있다.

그러므로 전계가 인가되면 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지와 나노 탄소 입자의 경계에서 큰 퍼텐셜 우물(potential well)이 생김으로 전하의 이동 및 축적을 억제할 수 있다.

특히 본 발명의 나노 탄소 입자가 2 nm 이하의 두께와 100 nm 이하의 평균 지름을 가질 때, 공간전하의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 일반적인 그래파이트는 1 mm 내지 2.5 cm의 평균 지름을 가지며 매우 단단하고 깨지기 쉬운 구조를 가지기 때문에 절연 재료 조성물에 포함되었을 때, 임펄스 강도 및 압출성 저하가 커지는 문제점이 있다.

탄소 나노 튜브는 매우 큰 종횡비로 인해 부분적으로 통전(通電)의 우려가 있고, 절연 파괴 가능성이 크고, 침상형이기 때문에 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지에 분산되기 어려운 문제점이 있다. 그러나 나노 탄소 입자는 10 nm 이하의 두께와 500 nm 이하의 평균 지름을 가지기 때문에, 일반적인 그래파이트나 탄소나노튜브에 비해 보다 우수한 직류 절연 파괴 강도와 임펄스 강도를 나타낸다.

또한, 나노 탄소 입자는 종래의 산화마그네슘, 이산화티탄과 같은 금속 산화물에 비해 10 배 이상 가격이 저렴하기 때문에 원가 절감 효과도 기대할 수 있다.

일반적으로 절연 재료 조성물에 무기 입자가 많이 첨가될수록 연속 압출량이 감소하는 경향이 있는데 나노 탄소 입자의 함량을 적게 포함함으로써 결과적으로 압출성도 개선시킬 수 있다.

나노 탄소 입자는 10 내지 20 GPa의 인장강도를 갖기 때문에, 제조되는 절연 재료 조성물의 유리 전이온도(Tg)의 상승을 유발하여 열적 안정성이 증대되는 등의 물성 향상 효과도 기대할 수 있다. 또한, 본 발명의 나노 탄소 입자는 1.8 내지 2.2 g/cm의 밀도를 가지는 것이 바람직하며, 이와 같이 높은 밀도로 인해 절연 재료의 기계적 강도 및 열적 특성이 개선된다. 또한, 본 발명의 나노 탄소 입자는 1 × 10(-5승) 내지 8 × 10(-5승) Ω.cm의 전기 전도도를 가지는 것이 바람직하며, 이러한 높은 전기 전도도로 인해 상대적으로 큰 퍼텐셜 우물(potential well)을 가지게 되며, 우수한 공간전하 저감 효과가 발휘된다.

나노 탄소 입자의 함량과 관련하여, 저밀도 폴리에틸렌 기본 수지 100 중량부에 대하여 0.05 중량부 미만으로 포함될 경우에는 공간전하 저감 효과가 작으며, 0.5 중량부를 초과하여 포함될 경우에는 공간전하 저감 효과는 뛰어나지만 비저항의 저하로 인해 직류 절연 파괴 강도가 감소하는 문제점이 발생한다. 따라서 나노 탄소 입자는 상기의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.

나노 탄소 입자가 2 겹 이상의 그래파이트 층으로 구성되는 경우에는, 적층되는 그래파이트층 사이의 간격이 약 0.34 nm를 이룬다.

이때, 산화방지제로서, 아민계, 페놀계, 황계 및 인계 산화방지제로 구성된 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.

황계 산화방지제로서, 디스테아릴 디설파이드, 디라우릴 3,3'-티오디프로피오네이트, 라우릴 스테아릴 3,3'-티오 디프로피오네이트, 디스테아릴 3,3'-티오디프로피오네이트 등이 사용될 수 있다.

인계 산화방지제로서, 트리스(2,4-디-t-부틸페닐)포스파이트, 디-(2,4-디-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 디포스파이트, 테트라키스(2,4-디-t-부틸페닐)4,4'-디페닐렌 디포스파이트 등이 사용될 수 있다.

이러한 절연피복층(1800)에는 색소를 포함시켜 지중 배전전용 절연케이블(1000)의 외관을 장식할 수도 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1000 : 지중 배전전용 절연케이블 1100 : 심선부
1110 : 멀티스트랜드 케이블 1120 : 발포불소수지
1200 : 제 1 절연층 1300 : 제 2 절연층
1400 : 제 1 완충부 1500 : 제 2 완충부
1510 : 공기층 1520 : 돌기부
1530 : 홈부 1540 : 제 1 공기층부
1550 : 제 2 공기층부 1560 : 고무류
1570 : 폴리카보네이트 1600 : 제 3 절연층
1700 : 제 4 절연층 1800 : 절연피복층

Claims (1)

1. 8 AWG 내지 1000 MCM 크기의 멀티스트랜드 케이블(1110)을 다수 포함하며 상기 다수의 멀티스트랜드 케이블(1110) 사이는 질화붕소를 발포핵제로 사용하며 질소 기체에 의하여 발포된 발포불소수지(1120)로 채우고 연속된 원통형상을 하는 심선부(1100);
   상기 심선부(1100)의 외주면을 부직시트와 절연체가 각각 50 중량%씩 포함되고 상기 부직시트는 파라페닐렌 테레프탈아미드와 메타페닐렌 이소프탈아미드 중에서 선택된 어느 하나에 의한 메타-아라미드 중합체이거나 파라-아라미드 중합체로 이루어진 아라미드 섬유를 0.5 그램/세제곱미터의 밀도로 제조되며 상기 절연체는 셀룰로스, 폴리아미드, 폴리이미드, 액정 중합체, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리벤족사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 전방향족 코폴리아미드, 플루오르화 탄화수소 중에서 어느 하나 이상으로 구성시켜 2 내지 4 밀리미터 두께로 감싸는 제 1 절연층(1200);
   상기 제 1 절연층(1200)의 외주면을 붕산 알루미늄, 붕산 마그네슘, 티탄산 칼륨, 질화규소 중에서 어느 하나 이상으로 이루어진 전기절연성 위스커 또는 질화붕소를 발포핵제로 사용하여 불소수지와 혼합하며 발포제로 질소 기체를 사용하여 지름 20 내지 30 마이크로미터의 기포가 50 내지 60 % 형성시킨 절연물질을 3 내지 6 밀리미터 두께로 감싼 제 2 절연층(1300);
   상기 제 2 절연층(1300)의 외주면을 0.6 내지 1.4 밀리미터의 두께의 납으로 감싼 제 1 완충부(1400);
   상기 제 1 완충부(1400)의 외주면 일측 1/2 을 감싸면서 설치되고 밀폐되지 않은 다수의 공기주머니(1510)를 형성하며 돌기부(1520)와 홈부(1530)를 양쪽 끝단부에 각각 형성하고 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께를 하는 제 1 공기층부(1540);
   상기 제 1 완충부(1400)의 외주면 타측 1/2 을 감싸면서 설치되고 밀폐되지 않은 다수의 공기주머니(1510)를 형성하며 돌기부(1520)와 홈부(1530)를 양쪽 끝단부에 각각 형성하고 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께를 하는 제 2 공기층부(1550);
   상기 제 1 공기층부(1540)와 상기 제 2 공기층부(1550)는 상기 돌기부(1520)와 상기 홈부(1530)에 의하여 체결되어 상기 제 1 완충부(1400)의 외주면을 감싸면서 제 2 완충부(1500)를 형성하고,
   상기 제 2 완충부(1500)의 외주면을 부직시트와 절연체가 각각 50 중량%씩 포함되고 상기 부직시트는 파라페닐렌 테레프탈아미드와 메타페닐렌 이소프탈아미드 중에서 선택된 어느 하나에 의한 메타-아라미드 중합체이거나 파라-아라미드 중합체로 이루어진 아라미드 섬유를 0.5 그램/세제곱미터의 밀도로 제조하며 상기 절연체는 셀룰로스, 폴리아미드, 폴리이미드, 액정 중합체, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리벤족사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 전방향족 코폴리아미드, 플루오르화 탄화수소 중에서 어느 하나 이상으로 구성시켜 2 내지 4 밀리미터 두께로 감싸는 제 3 절연층(1600);
   상기 제 3 절연층(1600)의 외주면을 25 ℃에서 0.2 내지 0.3 마이크로미터의 거칠기와 15 ℃에서 40 내지 60 센티미터의 연성을 갖으며 양전하의 유화제가 포함된 양이온계 유화아스팔트로 2 내지 3 밀리미터의 두께로 감싼 제 4 절연층(1700); 및
   상기 제 4 절연층(1700)의 외주면을 폴리에틸렌 수지로 1.5 내지 2.5 밀리미터의 두께로 감싸는 절연피복층(1800); 을 포함하되,
   상기 제 1 공기층부(1540) 또는 제 2 공기층부(1550)는
   폴리카보네이트(PC)(1570)로 이루어지며 5 밀리미터의 폭(W)으로 형성된 구성과 고무류(1560)로 이루어지며 5 밀리미터의 폭(W)으로 형성된 구성이 케이블의 길이 방향에서 각각 순서대로 반복 결합되어 연속 성형된 것을 특징으로 하는 지중 배전전용 절연케이블.
   
   

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