KR101687794B1 - 전계강도가 강화된 절연체를 구비한 풍력 발전기용 전력 케이블 - Google Patents

전계강도가 강화된 절연체를 구비한 풍력 발전기용 전력 케이블 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전계강도가 보강된 절연체를 구비한 풍력 발전기용 전력 케이블에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 여러 개의 금속 소선이 모여 있는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 외주를 순서대로 둘러싸는 바인딩 테이프, 절연체 및 시스층을 포함하는 풍력 발전용 전력 케이블은, 상기 절연체의 두께가 7.5mm 이하이고 상기 절연체의 전계강도가 40KV/mm 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전계강도가 보강되고 두께가 얇아진 절연체를 풍력 발전용 전력 케이블에 배치시킴으로써, 상기 풍력 발전용 전력 케이블을 소형화시키고 절연체와 시스층의 재료비를 절감시키는 이점이 있다.

Description

전계강도가 강화된 절연체를 구비한 풍력 발전기용 전력 케이블{Aerogenerator electrical cable including insulator reinforced electric field strength}
본 발명은 풍력 발전기용 전력 케이블에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 케이블 소형화에 따라 전계강도가 강화된 절연체를 구비한 풍력 발전기용 전력 케이블에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 지속적인 전력 생산이 가능하고 환경오염에 문제가 없는 풍력 발전기가 주목받고 있다. 풍력 발전기는 전 세계 신재생 에너지 발전량 중 차지하는 비율이 67.2%(2006년 기준)에 달하고 있다. 이에 따라, 풍력 발전기의 발전 용량 역시 1,000KW급에서 2,000KW급까지 대형화되고 있는 추세이다.
통상적으로, 풍력 발전기는 풍력에 의해 회전되는 풍차, 상기 풍차와 연결된 회전력 전달기구, 상기 회전력 전달기구에 의해 전달된 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 유닛을 구비한다. 상기 발전 유닛 내에는 전력 전송을 위한 전력 케이블이 설치되어 있는데, 발전 유닛이 좌,우로 회전함에 따라 이 전력 케이블 역시 큰 각도로 비틀리게 된다. 일반적으로 그 비틀림각은 최대 ±540°정도에 달한다.
도 1은 종래의 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 풍력 발전기용 전력 케이블은 케이블 길이 방향을 따라 연장되는 적어도 하나 이상의 도체선(10), 다수의 도체선(10)의 중심에 배치된 인장부재(20), 외부의 충격으로부터 도체선(10)을 보호하는 내부 시스(30) 및 외부 시스(40)를 구비한다.
상기 도체선(10)은 중심 도체(11), 바인딩 테이프(12) 및 절연체(13)가 순서대로 배치되는 구성을 갖는다. 중심 도체(11)는 여러 개의 구리선이나 구리 합금선이 중심축을 기준으로 의도적으로 꼬여 있는 복합 연선 구조이고, 이 중심 도체(11)의 외주면에는 바인딩 테이프(12)가 감싸고 있으며, 바인딩 테이프(12)의 외부면은 절연체(13)가 감싸고 있다. 이러한 도체선(10)은 내부 시스(30) 및 외부 시스(40)의 내부에 배치된다.
그런데 풍력발전 환경의 특성상, 풍력 발전소의 발전 유닛이 회전함에 따라 발전 유닛 내에 포설된 전력 케이블에 반복적인 비틀림 거동이 가해진다. 이러한 비틀림 거동에 의해 중심 도체(11)를 형성하는 금속 소선들은 서로 마찰하거나 크게 굴곡(예를 들어, 굽힘, 꺾임, 좌굴)됨으로써 쉽게 파손되거나 단선될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 절연체(13), 내부 시스(30) 및 외부 시스(40)의 두께를 두껍게 하여 외부의 충격이 중심 도체(11)로 전달되는 것을 최소화시키는 방안이 고려될 수 있다.
그러나, 시스층(30, 40) 또는 절연체(13)의 두께를 두껍게 하는 것은 케이블의 소형화 추세에 반하고, 풍력 발전용 전력 케이블의 제조 단가를 높이는 문제점으로 작용한다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 소형화에 용이하며 전기적 특성과 기계적 특성을 향상시켜 외부 충격으로부터 강인한 특성을 갖는 풍력 발전기용 전력 케이블을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 여러 개의 금속 소선이 모여 있는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 외주를 순서대로 둘러싸는 바인딩 테이프, 절연체 및 시스층을 포함하는 풍력 발전용 전력 케이블은, 상기 절연체의 두께가 7.5mm 이하이고 상기 절연체의 전계강도가 40KV/mm 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 절연체의 탄성계수는 250kg/cm2 ~ 400 kg/cm2이고, 상기 절연체의 인장강도는 1.5kgf/mm2 이상이다.
더욱 바람직하게, 상기 절연체의 신장률은 200% 이상이다.
더불어, 상기 절연체는 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리카보네이트 및 에틸렌프로필렌고무(ERP)를 포함하는 그룹으로부터 선택된 고분자 수지로 형성될 수 있다.
본 발명은 기계적 강도와 전계강도가 강화되고 두께가 얇아진 절연체를 풍력 발전용 전력 케이블에 배치시킴으로써, 상기 풍력 발전용 전력 케이블을 소형화시키는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 풍력 발전용 전력 케이블을 소형화함으로써, 절연체 및 시스층의 재료비를 절감하는 장점이 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전계강도가 보강된 절연체를 구비한 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 풍력 발전용 전력 케이블에서 측정된 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 풍력 발전용 전력 케이블에 다양한 형태의 전압을 인가시킴으로써 절연체에서 요구되는 전계강도를 측정한 그래프이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전계강도가 보강된 절연체를 구비한 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 발전기용 전력 케이블은 케이블 길이 방향으로 연장되는 하나 이상의 도체선(100), 다수의 도체선(100)의 중심에 배치된 인장부재(200), 내부 시스(300) 및 외부 시스(400)를 구비한다.
상기 인장부재(200)는 다수의 도체선(100)의 중심에 개재되고 케이블 길이 방향을 따라 연장된다. 상기 인장부재(200)는 섬유 강화 폴리에틸렌(FRP : Fiber Reinforced Polyethylene)이나, 강선 등과 같이 인장강도가 우수한 소재가 채택되는 것이 바람직하다.
상기 내부 시스(300)는 다수의 도체선(100)을 직접적으로 둘러싸서 보호하고, 상기 외부 시스(400)는 케이블의 최외각에 구비되어 외부 충격이나 부식 작용으로부터 케이블을 보호한다. 이러한 내부 시스(300)와 외부 시스(400)는 내충격성, 내부식성 등이 우수한 폴리우레탄(PU), 폴리스틸렌(PS), 폴리올레핀(PO), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카보네이트(PC), 에틸렌프로필렌고무(EPR) 등과 같은 고분자 물질로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 도체선(100)은 풍력 발전기로부터 발생되는 고압의 전력을 변전소 또는 전력 수용지까지 전송하기 위한 수송 수단으로서, 상기 도체선(100)에는 중심 도체(110), 바인딩 테이프(120) 및 절연체(130)가 순서대로 배치된다.
상기 중심 도체(110)는 복수의 금속 소선들을 의도적으로 꼬아 만든 복합 연선 유닛으로서, 상기 금속 소선은 단일 금속으로 이루어지거나 적어도 2 이상의 금속의 합금으로 이루어진다. 즉, 상기 금속 소선은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni) 중에서 선택된 금속으로 이루어지거나 이들 금속들의 합금으로 이루어진다. 바람직하게, 상기 중심 도체(110)는 신장률 15% 이상이고 인장 강도 27kgf/㎟ 이하인 특성을 갖는다.
상기 바인딩 테이프(120)는 상기 중심 도체(110)의 외주를 둘러싸서 꼬여 있는 중심 도체(110)의 금속 소선들을 묶어준다. 이 바인딩 테이프(120)로는 면사로 직조된 테이프, 폴리에스터 테이프(예를 들어, 테트론 테이프)나 폴리스티렌 테이프 등이 사용될 수 있다. 상기 바인딩 테이프(120)는 신장률 50% 이상이고 인장 강도가 6kgf/㎟ 이하인 특성을 갖는 것이 바람직하다.
상기 절연체(130)는 상기 바인딩 테이프(120)로 묶여 있는 중심 도체(110)의 외주에 압출 성형되는 절연 고분자 수지층으로서, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리카보네이트, 에틸렌프로필렌고무 등을 포함하는 그룹으로부터 선택된 고분자수지로 형성된다.
특히, 상기 절연체(130)는 케이블의 소형화를 위하여 7.5mm 이하의 두께로 풍력 발전용 전력 케이블에 배치된다. 또한, 상기 절연체(130)는 두께 감소에 따른 전기적 특성을 보완하기 위하여 40KV/mm 이상의 전계강도를 갖는다. 아울러, 상기 절연체(130)는 두께 감소에 따른 기계적 강도를 보완하기 위하여, 탄성계수가 250kg/cm2 이상이고 400kg/cm2 이하이며, 인장강도가 1.5kgf/mm2 이상인 특성을 갖는다. 즉, 상기 절연체(130)는 두께 감소에 따른 전기적 강도와 기계적 강도를 보강하기 위하여, 전계강도, 인장강도 및 탄성률이 강화된다.
도 3은 종래의 풍력 발전용 전력 케이블에서 측정된 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 풍력 발전용 전력 케이블에서 측정된 전기장의 최대값은 중심 도체(11)와 절연체(13)가 접촉되는 부위에서 측정한다. 다시 말하면, 최대 전기장에 노출된 절연체(13)에서 중심 도체(11)의 변형을 유발하는 절연 파괴 현상이 자주 발생하고, 이에 따라 절연체(13)는 상기 최대 전기장을 견딜 수 있는 충분한 전계강도를 가져야 한다.
도 4는 종래의 풍력 발전용 전력 케이블에 다양한 형태의 전압을 인가시킴으로써 절연체에서 요구되는 전계강도를 측정한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 절연체(13)에 가장 많은 전기장을 발생시키는 전압은 임펄스 전압이고, 이에 따라 절연체(13)의 전계강도는 최악전압 환경인 임펄스 전압을 견딜수 있도록 설계되어야 한다.
상기 임펄스 전압을 견딜수 있도록 절연체(13)의 두께에 따라 요구되는 전계강도는 표 1과 같다.

절연체 두께(mm)
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10

전계강도
(KV/mm)
44
42
40
38
37
35
34
33
표 1을 참조하면, 7.5mm 이하의 절연체의 제작을 위해서는 상기 절연체가 40KV/mm 이상의 전계강도를 지녀야 한다.
도 3과 도4에 나타난 실험 데이터에 근거하여, 본 발명에 따른 풍력 발전용 전력 케이블은 전계강도가 40KV/mm 이상인 절연체(130)를 구비하여 소형화된다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 풍력 발전용 전력 케이블을 종래의 풍력 발전용 전력 케이블과 대비하여 설명한다.
종래의 풍력 발전용 전력 케이블의 기계적, 전기적, 물리적 특성은 표 2와 같다.
치수(mm)
신장률
인장강도 및 다른 특성

중심 도체
D=12mm
15% 이상
27kgf/mm2 이하

바인딩 테이프
T=0.03mm
50% 이상
6kgf/mm2 이하


절연체

T=12mm

200% 이상
1.1kgf/mm2 이하
탄성계수 : 250kg/cm2 이하
전계강도 : 25KV/mm 이하

내부 시스
T=3.0mm
120% 이상
2.0kgf/mm2 이하

외부 시스
T=4.0mm
120% 이상
2.0kgf/mm2 이하

케이블 외경
D=93.6mm

표 2를 참조하면, 종래의 풍력 발전용 전력 케이블의 절연체(13)는 전계강도가 25KV/mm 이하, 두께가 12mm, 인장강도가 1.1kgf/mm2 이하, 탄성계수가 250kg/cm2 이하인 특성을 가지며, 상기 종래의 풍력 발전용 전력 케이블의 전체 외경은 93.6mm이다.
본 발명의 일 실시예 따라 제작된 두께 7.5mm의 절연체(130)를 구비한 풍력 발전용 전력 케이블의 기계적, 전기적, 물리적 특성은 표 3과 같다.
치수(mm)
신장률
인장강도 및 다른 특성

중심 도체
D=12mm
15% 이상
27kgf/mm2 이하

바인딩 테이프
T=0.03mm
50% 이상
6kgf/mm2 이하


절연체

T=7.5mm

200% 이상
1.5kgf/mm2 이상
탄성계수 : 250kg/cm2 이상 400kg/cm2 이하
전계강도 : 40KV/mm 이상

내부 시스
T=3.0mm
120% 이상
2.0kgf/mm2 이하

외부 시스
T=4.0mm
120% 이상
2.0kgf/mm2 이하

케이블 외경
D=82mm

표 3을 참조하면, 본 발명에 따라 제작된 풍력 발전용 전력 케이블의 절연체(130)는 두께가 7.5mm, 인장강도가 1.5kgf/mm2 이상, 탄성계수가 250kg/cm2 ~ 400kg/cm2, 전계강도가 40KV/mm 이상인 특성을 가진다.
본 발명에 따라 제작된 풍력 발전용 전력 케이블과 종래의 풍력 발전용 전력 케이블에 대비하면, 본 발명에 따른 풍력 발전용 전력 케이블은 절연체(130)의 두께가 4.5mm 감소되고, 이에 따라 전체 케이블 외경이 93.6mm에서 82mm로 11.6mm 감소된다. 즉, 본 발명에 따라 제작된 풍력 발전용 전력 케이블은 전체 케이블 외경이 종래 보다 대략 10% 정도로 감소된다.
또한, 본 발명에 따른 풍력 발전용 전력 케이블의 두께가 감소됨에 따라 약화된 전기적, 기계적 특성을 보완하고자, 상기 절연체(130)는 40KV/mm 이상의 전계강도, 1.5kgf/mm2 이상의 인장강도 및 250kg/cm2 ~ 400kg/cm2의 탄성계수를 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 풍력 발전용 전력 케이블은 전계강도와 기계적 강도(즉, 탄성계수와 인장강도)가 향상된 절연체(130)를 통하여 두께 감소로 인하여 저하된 전계강도 및 기계적 강도를 보상받는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 절연체(130)의 전계강도 및 기계적 강도(즉, 인장강도, 탄성계수)의 보강을 통해 풍력 발전용 전력 케이블에서 요구되는 전기적, 기계적 특성을 만족시키면서 동시에 절연체(130)의 두께를 감소시켜 풍력 발전용 전력 케이블을 소형화하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 풍력 발전용 전력 케이블을 소형화함으로써, 절연체(130) 및 시스층(300, 400)의 재료비를 절감시키는 이점이 있다.
한편, 도 2를 참조한 설명에서 4개의 도체선(100)을 구비하는 풍력 발전용 전력 케이블을 예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 상기 도체선(100)의 개수에 한정되지 않고 하나 이상의 도체선(100)을 구비한 풍력 발전용 전력 케이블에 두루 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10, 100 : 도체선 11, 110 : 중심 도체
12, 120 : 바인딩 테이프 13, 130 : 절연체
20, 200 : 인장부재 30, 300 : 내부 시스
40, 400 : 외부 시스

Claims (5)

  1. 여러 개의 금속 소선이 모여 있는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 외주를 순서대로 둘러싸는 바인딩 테이프, 상기 바인딩 테이프로 묶여 있는 중심 도체의 외주에 압출 성형되는 절연체를 포함하는 하나 이상의 도체선, 상기 하나 이상의 도체선을 둘러싸서 보호하는 시스층 및 상기 하나 이상의 도체선의 중심에 배치된 인장부재를 포함하는 풍력 발전용 전력 케이블에 있어서,
    상기 절연체의 두께가 7.5mm 이하이고 상기 절연체의 전계강도가 40KV/mm 이상이며, 상기 절연체의 탄성계수가 250kg/cm2 ~ 400 kg/cm2이고, 상기 절연체의 인장강도가 1.5kgf/mm2 이상이며, 상기 절연체의 신장률이 200% 이상인 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 전력 케이블.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연체는, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리카보네이트 및 에틸렌프로필렌고무를 포함하는 그룹으로부터 선택된 고분자 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 전력 케이블.
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