KR101729034B1 - 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기케이블에 의해 발생하는 정전기, 감전, 누전, 합선 및 스파크 방지 등을 최소화하여 안전하게 전기케이블을 사용할 수 있도록 할 수 있는 전력 케이블에 관한 것으로서, 도체를 보호하는 시스(Seath)의 외면에 제전성섬유를 사용하고, 상기 제전성섬유의 외면에 탄소섬유 또는 아라미드 섬유를 이용하여 피복을 구성하므로, 제전성섬유에 의해서 전력케이블의 폭발방지와 스파크 방지 등의 효과가 있고, 또 전력케이블의 꺾임, 단선, 합선 등을 방지할 수 있도록 고강도 고탄력성을 지닌 탄소섬유 또는 아라미드 섬유를 사용한다. 탄소섬유는 불활성 분위기 속에서 내열성이 높고 전기 전도성, 내 마모성이 있어서, 인장강도, 탄성률이 높고, 아라미드 섬유는 인장강도, 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력, 고탄성률을 갖고 있어서, 전력케이블의 꺾임, 단선, 합선 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

다기능 보호피복을 이용한 전력케이블{Power cables with cross-functional protective clothing}

본 발명은 정전기 또는 화재 예방이 가능한 전력케이블에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력케이블에 의해 발생하는 정전기, 감전, 누전, 합선 및 스파크 방지 등을 최소화하여 안전하게 전력케이블을 사용할 수 있도록 할 수 있는 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블에 관한 것이다.

일반적으로 전력케이블의 구조를 살펴보면 피복체가 있는 경우와 없는 경우가 있다. 사람이나 생물의 직접적인 접촉 가능성이 있을 경우에는 전선으로부터 인명을 보호하기 위해서 전기가 통하는 금속 도체 위에 절연 피복을 하게 되며 건물의 옥내, 외 환경에서 다양한 규격으로 사용된다. 반면 사람이나 생물의 직접적인 접촉 가능성이 크지 않을 경우에는 금속 도체 위의 절연 피복체를 제거함으로써 제조상 비용절감과 사용시에 가볍게 하여 다양한 규격으로 사용하며 철탑을 경유하는 원거리 전력 전송로에 주로 사용하게 된다.

그리고, 피복체가 있는 경우의 전력케이블의 구조를 살펴보면 도체, 절연체, 외장 및 시스(Seath)로 구성된다. 먼저 전력케이블의 가장 중심부에 위치한 도체는 전류를 흘려주기 위한 금속으로 구성되며, 보통 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)등으로 구성된다. 그리고 도체의 외부에는 절연체가 위치하게 된다. 절연체는 전압에 견딜 수 있고, 전류가 외부로 새어나가는 것을 방지하기 위한 피복이다. 또한 내부 반도전층과 외부 반도전층이 존재하는데, 이는 도체 표면의 평활성을 확보하여 절연체와의 밀착효과를 통하여 계면에서의 부분방전을 억제하고 국부적인 전기 스트레스의 집중을 완화하는 작용을 한다. 그리고 절연체의 외부에 시스(Seath)라는 절연체를 보호하기 위한 보호피복이 구성된다. 시스(Seath)에는 보통 PVC 또는 PE 등이 사용된다. 마지막으로 기계적인 강도를 증가시켜 케이블을 보호하기 위한 피복으로 외장이 포함되어 구성된다.

상기와 같은 전력케이블은 가정 또는 산업용으로 공급되는 전력을 가정 내에서 또는 산업현장에서 전기기구에 연결하여 사용한다. 그러나, 상기의 전력케이블 등은 가정 내에서 또는 산업현장 등에서 다양한 사용자들이 사용하면서 접힘 또는 꺾임 등이 자주 발생할 수 있다. 이로 인해서, 전력케이블의 단선, 합선, 누전, 감전, 정전기 등이 발생하게 된다. 이로 인해서, 전기를 송배전하는 전력케이블의 특성상, 화재 또는 폭발 등의 안전사고로 이어질 수 있어서 항상 안전하게 사용해야 한다.

한편 정전기가 일어나지 않는 합성 섬유는 두 종류로 분류된다. 첫째, 제전성섬유(antistatic fiber)로서 정전기가 일어나지 않도록 화합물이나 탄소미분을 방사원액에 섞어서 방사한 것과 합성 섬유 표면에 친수성의 물질로 피막을 만든 것이 있다. 그리고 둘째, 도전성 섬유로서, 금속이나 금속의 화합물, 탄소 등 전기를 잘 통하게 하는 성분을 섬유의 축 방향으로 길게 줄기 모양으로 분포시킨 합성 섬유인데 복합섬유로 된 것이 많이 있다.

상기의 정전기 방지 섬유로 제전성 섬유와 도전성 섬유가 있다면, 탄소섬유는 비강도, 비탄성률 중 특히 비탄성률이 높은 것이 특징이다. 수지로 굳히면 가볍고 변형이 잘 되지 않는 재료가 된다.

탄소섬유는 많은 유기 고분자 섬유를 약 1000 ~ 3000℃로 소성하면 생성되는데, 현재 아크릴(폴리아크리로니트릴, PAN)섬유, 피치섬유, 액정 피치섬유로부터 생산되고 있다. 탄소섬유는 주로 탄소원자 6각망 평면으로 구성되어 있지만 이 망평면이 섬유축에 평행에 가깝게 배열된 것(고배향, 이방성)과 난잡하게 집합한 것(등방성)이 있다. PAN계, 액정 피치계는 전자의 전형이고, 피치계는 후자의 전형이다. 비중이 낮고 산, 알카리에 침해당하는 일이 없으며, 불활성 분위기 속에서 내열성이 높고 전기 전도성, 내 마모성이 있다. 그리고 고배향 탄소섬유는 인장강도, 탄성률이 높아 고성능(하이그레이드)탄소섬유로 취급되며, 선팽창계수가 낮다. 그리고 수지와의 접착성을 높이기 위해 표면 처리가 되어 있다. 레이용, PAN, 페놀 섬유에서 제조되는 활성 탄소섬유는 입상 활성탄과 같은 정도의 흡착 성능과 훨씬 높은 흡탈착 속도를 나타낸다. 이밖에 벤젠 등을 1000℃ 전후로 가열하여 10cm 정도까지 성장시킬 수 있는 탄소섬유가 있다.

상기와 같이 탄소섬유는 대부분이 구조재료용 복합재료 강화재로 사용된다. 특히 고성능 탄소섬유는 에폭시 수지 모재 복합재료(CFRP)로 가장 많이 사용된다. 그 밖에 열가소성 수지, 구리, 알루미계, 마그네슘계 합금, 탄소(CC콤포지트), 시멘트 콘크리트 등을 모재로 하는 복합재료의 강화재로 사용된다. 각종 탄소섬유 강화 복합재료로 응용이 폭넓게 전개되기 때문에, 탄소섬유의 시장 규모는 해마다 증가될 것으로 기대되며, 활성 탄소섬유는 공기 정화 등에 사용된다.

또 상기의 탄소섬유와 같이 강도가 높아서 케이블의 꺾임 등에 강한 아라미드 섬유가 있다. 아라미드 섬유는 아마이드결합 -CONH가 벤젠고리와 같은 방향족고리를 결합시켜 고분자 폴리아마이드를 형성하고 있다. 인장강도, 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력, 고탄성률을 갖고 있다. 5mm 정도 굵기의 가느다란 실이지만, 2t의 자동차를 들어올릴 정도의 막강한 힘을 가지고 있다. 불에 타거나 녹지 않으며, 500℃가 넘어야 비로소 검게 탄화한다. 또 아무리 힘을 가해도 늘어나지 않아 가장 좋은 플라스틱 보강재로 꼽힌다. 이런 장점이 있으므로 방탄 재킷이나 방탄 헬멧 등 군수물자와 골프채, 테니스 라켓 등을 만드는데 알맞은 소재이다. 보잉 747 등 항공기의 내부골재는 이 섬유로 보강된 에폭시수지(FRP)를 사용한다.

상기와 같은 전력케이블과 관련된 선행기술로는 국내 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0032219호에는 전원공급 도체선이 알루미늄선으로 이루어져 케이블의 중량이 대폭감소되고, 용접기용 케이블의 구조를 개선하여 케이블의 이동성, 운반성 및 내구성을 향상시킨 이산화탄소가스 용접기용 케이블 및 그의 제조방법에 관하여 개시되어 있다. 또 국내 등록특허공보 등록번호 제10-0706495호에는 활성탄소 섬유층이 형성된 다층 필름을 구비한 초전도 케이블은, 외측 쉬스의 내부에 위치한 내측 쉬스의 외주를 감쌈에 있어, 일면에 활성탄소 섬유층이 형성되고 상기 활성탄소 섬유층이 상기 내측 쉬스와 접하도록 감싸는 다층 필름을 포함하여 구성된 활성탄소 섬유층이 형성된 다층 필름을 구비한 초전도케이블에 대해서 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 선행기술은 특수한 분야에 사용하며, 일반적인 가정용 또는 산업용으로 쓰이는 전력케이블보다 훨씬 높은 수준의 강도와 비용이 발생하고, 가정용으로 쓰이는 것은 적절치 못한 문제점이 발생한다.

이에 전력케이블의 내측에 위치한 도체를 보호하기 위해서, 시스(Seath)의 외면에 제전성섬유를 이용하여 보호피복을 구성하고, 상기의 제전성섬유의 외면에 탄소섬유 또는 아라미드 섬유를 이용하여 외장 피복을 구성하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하고, 전력 케이블의 중심선에 있는 도체의 꺾임이나 단선 등을 방지하기 위하여 시스(Seath)의 외면에 정전기 방지 섬유인 제전성섬유와 고강도의 탄성을 지닌 탄소섬유 또는 아라미드 섬유 등을 이용하여 가정용 또는 산업용 전력케이블의 제공을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에서 목적으로 하고 있는 전력케이블 구조의 해결수단으로는 전력케이블의 중심부에 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 등으로 구성된 도체(5)가 위치하고, 상기 도체(5)의 외부인 외주면에는 일반적으로 PVC 또는 PE 등으로 제조되는 시스(10)가 위치하며, 상기 시스(10)의 외주면에는 내부피복(20)이 구성되며, 상기 내부피복(20)의 외주면에는 외부피복(30)을 포함하여 본체(1)로 구성한다.

상기의 내부피복(20)은 정전기를 방지하기 위해서 제전성섬유를 사용하고, 상기 외부피복(30)은 고탄성, 고강도의 특성이 있는 탄소섬유를 사용하거나 또는 아라미드 섬유를 사용하게 된다.

본 발명의 다른 실시예로 상기 시스(10)의 외주면에 제전성섬유 50중량%와 탄소섬유 50중량%를 결합한 혼합물로 구성된 보호피복(40)을 사용하거나 또는 제전성섬유 50중량%와 아라미드 섬유 50중량%를 결합한 혼합물로 구성된 보호피복(40)을 사용하여 구성된 본체(2)로 이루어진다.

본 발명은 도체를 보호하는 시스(Seath)의 외면에 제전성섬유를 사용하고, 상기 제전성섬유의 외면에 탄소섬유 또는 아라미드 섬유를 이용하여 피복을 구성하므로, 제전성섬유에 의해서 전력케이블의 폭발방지와 스파크 방지 등의 효과가 있고, 또 전력케이블의 꺾임, 단선, 합선 등을 방지할 수 있도록 고강도 고탄력성을 지닌 탄소섬유 또는 아라미드 섬유를 사용한다.

탄소섬유는 불활성 분위기 속에서 내열성이 높고 전기 전도성, 내 마모성이 있어서, 인장강도, 탄성률이 높고, 아라미드 섬유는 인장강도, 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력, 고탄성률을 갖고 있어서, 전력케이블의 꺾임, 단선, 합선 등을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명인 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블의 사시도이다.
도 2는 본 발명인 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블의 단면도이다.
도 3은 본 발명인 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블의 다른 실시예의 사시도이다.
도 4는 본 발명인 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블의 다른 실시예의 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하였다.

그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명인 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블의 사시도이고, 도 2는 본 발명인 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블의 단면도로서, 도 1과 도 2를 참조하여 상세하게 설명하면,

전력케이블의 중심부에 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 등으로 구성된 도체(5)가 위치하고, 상기 도체(5)의 외부인 외면에는 일반적으로 PVC 또는 PE 등으로 제조되는 시스(10)가 위치하며, 상기 시스(10)의 외면에는 내부피복(20)이 구성되며, 상기 내부피복(20)의 외부에는 외부피복(30)을 포함하는 본체(1)로 구성된다.

상기의 시스(10)의 외면에 구성되는 내부피복(20)은 정전기 또는 스파크를 방지하기 위해서 제전성섬유를 사용한다.

제전성섬유는 정전기가 발생하지 않도록 친수성기(親水性基)를 가진 표면 가공제로 처리를 한 섬유로서, 예를 들어 스커트가 발 주위에 감기거나 옷을 벗을 때 정전기가 발생하는 것은 의복 내부에서 마찰에 의해서 일어난다. 그래서 정전기의 발생 그 자체를 없앨 수는 없으므로 발생한 정전기를 신속하게 외부로 분산시키는 기술이 개발되고 있는 실정이다. 이에 대한 원리는 제전성을 부여하는 방법과 도전성을 부여하는 방법으로 구별되는데, 제전성을 부여하는 방법으로는 친수성 폴리머 등으로 직물을 친수화 시키는 방법과 친수성 모노머를 공중합 또는 그라프트 중합하여 폴리머를 친수화하는 방법 및 친수성 물질이나 폴리머를 혼입시키는 방법 등이 있다. 또한 도전성을 부여하기 위해서는 금속섬유, 금속도금섬유, 탄소혼입섬유 등의 도전성 섬유를 혼방, 교편교직하는 방법이 있다.

상기의 제전성섬유를 고탄력의 접착성 테이프의 양면 또는 단면에 부착하여 시스(10)의 외주면에 내부피복(20)으로써 구성하게 된다. 이때 내부피복(20)의 두께는 0.01mm 내지 0.1mm의 두께로 구성한다.

상기의 제전성섬유를 이용하는 내부피복(20)의 외주면에 구성되는 외부피복(30)은 도체(5)의 꺾임, 단선, 합선 등을 방지하기 위해서 고탄성, 고강도의 특성을 지닌 탄소섬유 또는 아라미드 섬유를 사용한다.

탄소섬유의 원료로는 셀룰로스, 아크릴 섬유, 비닐론, 피치(Pitch) 등이 쓰이는데, 원료에 따라 또는 처리 온도에 따라 분자배열과 결정의 변화가 생긴다. 일반적으로 탄소의 육각 고리가 연이어 층상격자를 형성한 구조이며 금속광택이 있고 검은색이나 회색을 띄게 된다. 강도는 10 ~ 20g/d이고 비중은 1.5 ~ 2.1 이다. 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고 해충에 대한 저항성이 크다. 가열과정에서 산소, 질소, 수소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 금속인 알루미늄보다 가볍고 반면에 금속인 철에 비해 탄성과 강도가 뛰어나다. 이런 특성으로 스포츠용품, 항공우주산업, 자동차, 토목건축, 전기전자, 통신, 환경산업 등 각 분야의 고성능 산업용 소재로 널리 쓰이고 있다.

그리고, 아라미드 섬유는 지방족 또는 방향족 아미드의 주쇄구조를 갖는 폴리머로, 우수한 내마찰성 및 내열성, 탄력성 및 내마모성, 낮은 마찰계수, 높은 충격강도 및 인장강도를 갖는 것이 특징이다. 지방족 폴리아미드는 일반적으로 나일론이란 상표명으로, 방향족 폴리아미드는 아라미드라는 상표명으로 잘 알려져 있다.

섭씨 500도에서도 연소되지 않는 내열성과 화학약품에 강한 내약품성을 지닌 섬유로, 섬유 가운데 가장 강하기 때문에 '슈퍼섬유'라고도 불린다. 불과 직경 약 1.6mm의 크기로 무게 350kg을 들어 올릴 수 있다. 항공, 우주분야와 군사용으로 많이 이용되며, 고성능 타이어, 호스, 벨트, 광케이블 보강재, 브레이크 마찰재, 방탄복에 주로 사용되고 있다.

도 2의 단면 형상은 일반적인 케이블과 같이 원형이지만, 여기에 국한되는 것은 아니며, 단면 형상은 원형, 삼각형, 사각형 등 사용자의 필요에 의해서 다양하게 구성할 수 있다. 그리고 외부피복(30)은 0.1mm ~ 1mm의 두께로 구성한다.

도 3은 본 발명인 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블의 다른 실시예의 사시도이고, 도 4는 본 발명인 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블의 다른 실시예의 단면도로서, 도 3과 도 4를 참조하여 상세하게 설명하면,

전력케이블의 중심부에 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 등으로 구성된 도체(5)가 위치하고, 상기 도체(5)의 외부인 외면에는 일반적으로 PVC 또는 PE 등으로 제조되는 시스(10)가 위치하며, 상기 시스(10)의 외면에는 보호피복(40)을 포함하는 본체(2)로 구성된다.

상기의 시스(10)의 외주면에 구성되는 보호피복(40)은 정전기 또는 스파크를 방지하고, 고탄성, 고강도를 유지하기 위해서, 제전성섬유와 탄소섬유를 동일한 비율로 결합하거나 또는 제전성섬유와 아라미드 섬유를 동일한 비율로 결합한 혼합물로 구성하게 된다. 상기 혼합물은 제전성섬유 50중량%와 탄소섬유 50중량%로 구성하거나 또는 제전성섬유 50중량%와 아라미드 섬유 50중량%로 구성된다.

본 발명에서 상기 실시 형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

1. 본체
2. 본체(다른 실시예의)
5. 도체
10. 시스(Seath)
20. 내부피복
30. 외부피복
40. 보호피복

Claims (5)

1. 중심부에는 전류가 흐르는 도체(5)가 위치하고, 상기 도체(5)의 외주면에는 PVC 또는 PE인 시스(10) 위치하며, 상기 시스(10)의 외주면에는 내부피복층(20)이 위치하며, 상기 내부 피복층(20)의 외주면에는 외부 피복층(30)으로 피복된 전력 케이블에 있어서,
   상기의 내부피복(20)은 접착성 테이프의 양면 또는 단면에 정전기가 발생하지 않도록 친수성기(親水性基)를 가진 표면 가공제로 처리한 제전성 섬유를 부착하여 0.01mm 내지 0.1mm의 두께로 시스(10)의 외주면에 결합되어 있으며,
   상기의 외부 피복(30)은 도체(5)의 꺾임, 단선, 합선을 방지하기 위하여 고탄성 및 고강도의 특성을 지닌 탄소섬유 또는 아라미드 섬유를 0.01mm 내지 0.1mm의 두께로 내부피복(20)의 외주면에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기의 외부 피복(30)은 제전성섬유 50중량%와 탄소섬유 50중량%로 구성하거나 또는 제전성섬유 50중량%와 아라미드 섬유 50중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 다기능 보호피복을 이용한 전력케이블.

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