KR101860661B1 - 고전력 케이블용 전계 제어 디바이스 및 그 제조 방법 - Google Patents

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산토쉬 븜프
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엔케이티 에이치브이 케이블스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 에 관한 것이다. 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 는 스트레스 콘 (12) 및 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 포함하고, 스트레스 콘 (12) 및 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 가황에 의해 화학적으로 결합된다. 본 발명은 또한, 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 및 전력 케이블을 포함하는 전기 설비, 및 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고전력 케이블용 전계 제어 디바이스 및 그 제조 방법{ELECTRIC FIELD CONTROL DEVICE FOR HIGH POWER CABLE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 명세서에 개시된 기술은 일반적으로, 전기적 스트레스 완화 디바이스의 분야, 특히 고전압 케이블용의 전계 제어 디바이스, 전기 설비 및 이 전계 제어 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.
고전력 케이블의 종단부에서는, 고전압이 특히 케이블의 외부 실드에서 전계 및 전기적 스트레스를 발생시킨다. 따라서, 고전압 케이블은 이러한 전기적 스트레스를 처리하기 위해 그 종단부에 설치된 몇가지 타입의 응력 완화 디바이스를 가질 필요가 있다.
스트레스 콘 (stress cone) 은 특히 케이블 종단부에서 자계를 제어하기 위한 응력 완화 디바이스의 한 유형이며, 많은 경우에서 케이블 종단부의 기능 및 견고성을 위해 중요하다. 스트레스 콘은 전형적으로 두 개의 상이한 고무 재료, 즉 반도전성 고무 및 절연 고무로 만들어지며, 형상 및 재료 특성의 차이가 절연 파괴의 위험을 최소화하기 위해 전계를 안내하고 분배한다. 예를 들어 반도전성 고무로 만들어진 디플렉터는 높은 파괴 강도를 가진 절연 고무를 통해 자계를 안내한다.
기존의 고전력 케이블 종단부, 특히 고전압 직류 (HVDC) 종단부에서, 스트레스 콘은 케이블 단부에 다음에 장착된 필드 그레이딩 어댑터 (field grading adapter) 에 설치된다. 필드 그레이딩 재료를 포함하는 저항성 필드 그레이딩 어댑터는 그의 필드-의존 (field-dependent) 도전성을 통해 전계를 재분배하며, 전기 전도도는 전계에 의존한다. 스트레스 콘은 또한, 임펄스와 같은 과도기 동안 자계를 제어하기 위해 기하학적 필드 그레이딩을 제공한다.
응력 완화 디바이스의 2 개의 개별 부분들, 즉 고전압 케이블의 종단부에 설치된 필드 그레이딩 어댑터 및 스트레스 콘은 상이한 재료들이 만나는 2 개의 물리적인 인터페이스를 초래한다. 이러한 인터페이스는, 예를 들어, 필드 그레이딩 어댑터가 케이블 단부 상에 먼저 배열되고 그 후에 스트레스 콘이 필드 그레이딩 어댑터 상에 배열되는 전통적인 설치 방법과 관련된 단점을 수반할 수 있다. 이들 부분들에는 오염물, 즉 그리스 및 화학물질이 도입될 위험이 있어 이들의 성능을 저하시킬 수 있다. 스트레스 콘 및 필드 그레이딩 어댑터의 기능은 설치시에 생성되는 인터페이스에서의 보이드 (voids) 의 존재에 의해 더 영향을 받을 수 있다. 따라서, 여러 가지 위험이 확인되었고 이에 대한 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점들 중 적어도 하나를 해결하거나 적어도 완화시키는 것이다.
상기 목적은, 제 1 양태에 따르면, 고전압 케이블용의 전계 제어 디바이스에 의해 달성된다. 전계 제어 디바이스는 스트레스 콘 및 필드 그레이딩 어댑터를 포함하고, 스트레스 콘 및 필드 그레이딩 어댑터는 가황 (vulcanization) 에 의해 화학적으로 결합된다. 본 발명은 설치중에 오염될 수 있는 필드 그레이딩 어댑터와 스트레스 콘 사이의 물리적 인터페이스를 제거함으로써 증가된 작동 견고성을 갖는 전계 제어 디바이스를 제공한다. 또한, 하나의 보디만이 전력 케이블 단부 상에 장착되기 때문에보다 보다 신속한 설치가 제공된다. 또한, 단일 디바이스가 정확하게 배치된다는 점에서 설치가 용이해지고 더 안전해진다.
일 실시형태에서, 스트레스 콘은 함께 가황된 디플렉터 및 고무 부분을 포함한다.
상기 실시형태의 변형예에서, 필드 그레이딩 어댑터가 스트레스 콘의 고무 부에만 접촉하도록, 스트레스 콘의 고무 부분이 필드 그레이딩 어댑터의 길이를 따라 연장한다. 이 실시형태에서, 트리플 포인트는 없다; 즉 3 개의 상이한 재료들이 만나는 포인트가 없다. 트리플 포인트와 관련된 위험, 즉 위험하게 높은 전계 강도는 따라서 제거된다.
일 실시형태에서, 고무 부분은 본질적으로 절두 콘 형상을 가지며, 고무 부분의 절두 상부 부분에 대향한 단부에서 원주 홈을 포함하며, 디플렉터는 원주 홈의 표면을 따라서 배치된다. 그러한 홈은 몇몇 경우에, 예를 들어 전계 제어 디바이스가 설치될 때에 기계적인 지지를 제공하는데 유리할 수 있다.
일 실시형태에서, 디플렉터는 반도전성 고무로 만들어지고, 고무 부분은 절연 고무로 만들어진다.
일 실시형태에서, 필드 그레이딩 어댑터는 제 1 필드 그레이딩 재료로 만들어지고, 고무 부분은 제 2 필드 그레이딩 재료로 만들어진다.
상기 실시형태의 변형예에서, 제 1 필드 그레이딩 재료는 제 2 필드 그레이딩 재료와 상이한 전기적 특성을 갖는다.
상기 목적은, 제 2 양태에 따르면, 전술한 실시형태들 중 어느 하나에 따른 전계 제어 디바이스를 포함하고 절연 층과 도전성 실드에 의해 원주방향으로 둘러싸인 전기 도체를 포함하는 고전력 케이블을 포함하는 전기 설비에 의해 달성된다. 전계 제어 디바이스는 도전성 실드가 종단되는 에지에 배치될 수 있으며, 따라서 상기 위치에서 생성된 전계에 대해 보호한다.
상기 목적은, 제 3 양태에 따르면, 고전압 케이블용의 전계 제어 디바이스의 제조 방법에 의해 달성된다. 상기 방법은 스트레스 콘과 필드 그레이딩 어댑터를 함께 가황시켜, 스트레스 콘과 필드 그레이딩 어댑터를 화학적으로 결합시키는 것을 포함한다. 이 방법은 가황에 의해 스트레스 콘과 필드 그레이딩 어댑터 사이의 물리적 계면을 제거하고 그럼으로써 오염물 및 보이드와 같은 내부 결함의 영향을 감소시키고, 이에 따라 전계 제어 디바이스의 전기적 파괴 강도를 증가시킨다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 스트레스 콘과 필드 그레이딩 어댑터를 함께 가황시키기 이전에, 스트레스 콘을 몰딩하고 필드 그레이딩 어댑터를 몰딩하는 것을 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 스트레스 콘과 필드 그레이딩 어댑터를 함께 가황시키기 이전에, 원통형 보디 주위에 필드 그레이딩 재료로 만들어진 테이프를 감는 것을 포함하는 테이핑 프로세스에 의해 필드 그레이딩 어댑터를 제조하는 것을 포함한다.
일 실시형태에서, 상기 방법은 스트레스 콘과 필드 그레이딩 어댑터를 함께 가황시키기 이전에, 테이프를 보디에 감고 보디를 스트레스 콘의 원하는 형상으로 형성하는 것을 포함하는 테이핑 프로세스에 의해 스트레스 콘을 제조하는 것을 포함한다.
일 실시형태에서, 스트레스 콘은 디플렉터 및 고무 부분을 포함하고, 상기 방법은 스트레스 콘과 필드 그레이딩 어댑터를 함께 가황시키기 이전에, 디플렉터와 고무 부분을 함께 가황시키는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 하기의 설명 및 첨부도면을 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1 은 종래의 응력 완화 디바이스를 도시한다.
도 2 는 종래의 응력 완화 디바이스의 단점을 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 전계 제어 디바이스의 실시형태를 도시한다.
도 4 는 케이블 상에 장착된 본 발명에 따른 전계 제어 디바이스의 실시형태를 도시한다.
도 5 는 본 발명에 따른 전계 제어 디바이스의 다른 실시형태를 도시한다.
도 6 은 케이블 상에 장착된 본 발명에 따른 전계 제어 디바이스의 실시형태를 도시한다.
도 7 은 전계 제어 디바이스를 제조하는 방법의 흐름도이다.
이하의 설명에서, 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 아키텍처, 인터페이스, 기술 등과 같은 구체적인 세부 사항이 설명되지만, 이는 설명을 위한 것이지 제한하기 위한 것은 아니다. 다른 경우, 불필요한 세부 사항으로 설명을 모호하게 하지 않도록 하기 위해, 잘 알려진 장치, 회로 및 방법에 대한 자세한 설명은 생략된다. 동일한 참조 부호는 설명 전반에 걸쳐 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.
본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해, 종래 기술의 스트레스 콘 배열체에 대한 간략한 설명이 비교를 위해 도 1 을 참조하여 주어진다. 스트레스 콘 배열체 (1) 는 스트레스 콘 (2) 및 필드 그레이딩 어댑터 (3) 를 포함한다. 스트레스 콘 (2) 및 필드 그레이딩 어댑터 (3) 는 도 1 의 상부 부분의 단면도로 도시된다. 스트레스 콘 (2) 은 반도전성 고무로 만들어진 디플렉터 (4) 및 절연 고무로 만들어진 콘 모양의 고무 부분 (5) 을 전형적으로 포함한다. 디플렉터 (4) 는 절연 고무 부분 (5) 을 통해 케이블 단부에서 생성된 전계를 안내한다. 따라서 스트레스 콘 (2) 은 함께 가황되는 두 개의 상이한 고무 재료들로 전형적으로 만들어진다.
도 1 은 또한 상이한 층들에 의해 둘러싸인 중심 도체 코어를 전형적으로 포함하는 케이블 (6) 의 종단면도를 도시한다. 이들 층들은 예를 들어 반도전성 및 절연 층들, 도전성 실드(들) 및 외부 재킷을 포함한다.
케이블 (6) 은 예를 들어 변전소의 설비에 연결되는 때에 절단되어야 하며 케이블의 일부 층들은 벗겨져야, 즉 제거되어야 한다. 이어서 스트레스 콘 배열체 (1) 는 안전한 작동을 보장하도록 설치된다. 설치시, 필드 그레이딩 어댑터 (3) 는 케이블 (6) 의 표면을 그라운드에서 고전압까지 커버하기 위해 케이블 (6) 위에서 말단에 장착된다. 케이블 (6) 은 외부 도전성 실드 (또한 외부 세미콘으로 표시됨) 에서 그라운딩되고, 고전압은 케이블 (6) 의 접속 장치에 있다. 그런 다음, 스트레스 콘 (2) 은 필드 그레이딩 어댑터 (3) 위에 장착되고, 특히 푸싱 오버되고, 따라서 필드 그레이딩 어댑터 (3) 를 원주방향으로 둘러싼다. 이는 도 1 의 최하부에 도시되어 있다.
본 발명의 발명자들은 강건성의 관점에서 위험을 제기하기 위한 전술한 절차를 확인하였다. 앞에서 언급했듯이, 위에서 언급한 설치시에 생성된 두 개의 물리적 인터페이스들은 오염, 보이드 및 그리스를 유발할 수 있으며, 스트레스 콘 배열체의 파괴 강도를 낮추고, 이는 곧 그 기능을 위태롭게 할 수 있다.
도 2 는 생성된 두 개의 인터페이스를 보여준다. 필드 그레이딩 어댑터 (3) 와 스트레스 콘 (2) 사이에는 제 1 인터페이스 (7) 가 생성되고, 필드 그레이딩 어댑터 (3) 와 케이블 (6) 사이에는 제 2 인터페이스 (8) 가 생성된다.
종래 기술의 위험 및 단점은 본 발명의 다양한 실시형태들에 의해 극복된다. 간략하게, 필드 그레이딩 어댑터 및 스트레스 콘을 그 제조시에 가황시키고 이들을 단일 전계 제어 디바이스로서 설치함으로써, 언급된 위험들의 하나 이상이 제거된다.
도 3 은 본 발명의 실시형태, 특히 전계 제어 디바이스 (10) 를 도시한다. 전계 제어 디바이스 (10) 는 함께 가황된 스트레스 콘 (12) 및 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 포함한다. 전계 제어 디바이스 (10) 는 축방향 대칭 선 (100) 을 따라 종단면으로 도시되어 있다.
스트레스 콘 (12) 은, 도면 부호 12 로 표시된 바와 같이, 디플렉터 (14) 와 콘 모양의 고무 부분 (15) 을 포함한다. 디플렉터 (14) 는 예를 들어 카본 블랙 충전 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 (EPDM) 고무와 같은 반도전성 고무로 제조될 수 있다. 고무 부분 (15) 은 예를 들어 절연 고무, 예를 들어 EPDM 고무 또는 필드 그레이딩 재료로 제조될 수 있다. 따라서, 스트레스 콘 (12) 은 상이한 전기적 특성을 갖는 2 개의 상이한 고무 재료로 제조된다. 고무 부분 (15) 과 디플렉터 (14) 는 가황에 의해 서로 화학적으로 결합된다. 스트레스 콘 (12) 은 케이블 단부의 영역에서 특히 케이블의 반도전성 실드가 절단되는 경우에 전계를 제어하는데 적합한 기하학적 형상을 갖는다.
고무 부분 (15) 은, 고체 재료로 구성되고 그 길이방향 축선을 따라 관통하는 원통형 보어 (18) 를 갖는 잘라진 콘 (또한 절두 콘이라고도 함) 의 형상을 본질적으로 가질 수도 있다. 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 이 원통형 보어 (18) 내에 배치된 것으로 도시된 도면에 도시되어 있다. 따라서, 스트레스 콘 (12) 의 외부 직경은 그 길이방향 축선을 따라 일 단부에서 다른 단부로 변한다. 스트레스 콘 (12) 의 고무 부분 (15) 의 제 2 단부에는, 원주 홈 (17) 이 제공된다. 홈 (17) 은 몇몇 경우에, 예를 들어 전계 제어 디바이스 (10) 가 설치될 때 기계적 지지를 제공하는데 유리할 수 있다. 특정 예로서, 예를 들어, 설치시에는 금속으로 된 지지부를 홈에 끼울 수도 있다. 그 후, 지지부는 전계 제어 디바이스의 기계적 안정성 및 정확한 위치결정을 보증한다. 따라서, 홈 (17) 은 기능을 위해 중요한 정확한 위치에 스트레스 콘을 고정시킴으로써, 제공되는 필드-그레이딩이 원하는 필드-그레이딩임을 보장한다. 그러나, 그루브 (17) 는 실제 필드 그레이딩 시스템의 일부가 아니며 다른 디자인을 갖거나 생략될 수 있음을 주목해야 한다.
디플렉터 (14) 는 원주 홈 (17) 을 따르는 고무 부분 (15) 의 표면을 따라서 원주방향으로 배치된다. 디플렉터 (14) 는 스트레스 콘 (12) 의 보어 (18) 에 가장 근접한 제 1 두께를 가질 수 있는데, 이 두께는 도 3 에 도시된 바와 같이 고무 부분 (15) 의 표면을 따라서 그 배열체를 따라 감소될 수도 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 따라서, 도시된 실시형태에서, 디플렉터 (14) 는 본질적으로 원형의 u자형 보디를 갖는다. 그러나, 절연 고무 부분 (15) 을 향한 디플렉터 (14) 의 곡률은 도면에 도시된 것과 상이한 형상일 수 있다. 또한, 그 두께는 일정하거나 그 연장부를 따라 변할 수 있다. 전계에 대한 스트레스 콘의 형상의 적응은 알려져 있다. 디플렉터 (14) 와 고무 부분 (15) 은 함께 가황된다.
전계 제어 디바이스 (10) 는 또한 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 포함한다. 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 관형 보디, 예를 들어 특정 길이의 실린더를 포함할 수도 있다. 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 선형 또는 비선형 저항성 필드 그레이딩 재료 (FGM) 를 포함할 수 있다. 비선형 저항성 FGM 은 케이블 종단부에서 발생하는 변화하는 전기 응력에 적응한다. 저항성 비선형 FGM 은 경험한 전계 스트레스에 비선형 방식으로 전도도를 적응시킴으로써 전압 임펄스 형상에 동적으로 또한 반응할 수도 있다. FGM 어댑터 (13) 는 특정 응용의 예상되는 전계 스트레스를 충족시키기 위해 원하는 전기 전도도를 갖도록 FGM 을 적응시킴으로써 그리고/또는 그 두께를 적응시킴으로써 당면한 특정 응용을 고려하여 적응될 수도 있다. FGM 은 상이한 방식들로 특징지어질 수 있다. 비선형 FGM 의 전도도는 전계에 좌우되며, 특히 다른 재료보다 훨씬 더 큰 정도로 크게 변한다. FGM 은 낮은 전도도 값에서 높은 전도도 값으로 크게 증가할 수 있는 필드-의존 전도도를 갖는다; 즉 높은 절연성 (높은 저항성) 에서 높은 도전성 (낮은 저항성) 으로 변화한다. 특정한 비제한적인 예로서, FGM 은 낮은 전계에 노출되는 경우에 10-16 또는 10-14 S/m (Siemens per meter) 영역의 전도도를 가질 수도 있고, 높은 전계에 노출되는 경우에 10-3 S/m 또는 0.1 S/m 영역의 전도도를 갖도록 변화할 수도 있다. FGM 은 예를 들어 SiC 및/또는 ZnO 및/또는 카본 블랙 충전 폴리머를 포함할 수도 있으며, FGM 의 특성은 특정 전도도를 갖도록 설계될 수도 있다. FGM 은 또한, 예를 들어 필러 재료 및 그에 따라 선택된 필러 재료의 농도를 선택함으로써, 일부 정전 필드 그레이딩을 얻는 관점에서 설정된 유전율 (유전상수라고도 함) 을 갖도록 설계될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 와 스트레스 콘 (12) 은 함께 가황되어, 단일 보디를 포함하는 전계 제어 디바이스 (10) 를 제공한다. 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 스트레스 콘 (12) 의 내부 표면을 따라, 즉 그의 보어 (18) 의 표면을 따라 배치된다. 도 4 에 도시된 실시형태에서, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 디플렉터 (14) 뿐만 아니라 고무 부분 (15) 과도 접촉한다. 도 5 를 참조하여 도시되고 설명된 다른 실시형태에서, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 오직 고무 부분 (15) 과만 접촉한다.
일 실시형태에서, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 및 고무 부분 (15) 쌍방은 FGM 재료로 만들어지고 함께 가황되어 단일 보디로 된다. 예를 들어, 고무 부분 (15) 은 필드 그레이딩 어댑터 (13) 의 전기적 특성과는 상이한 전기적 특성을 갖는 FGM 재료로 제조될 수도 있다.
필드 그레이딩 어댑터 (13) 및 스트레스 콘 (12) 을 함께 가황시키기 위해 사용되는 가황 프로세스는 예를 들어 황과 같은 가황제 또는 교차-결합제로도 지칭되는 경화제를 첨가하는 것을 포함할 수도 있고 고압 및 고온을 사용할 수도 있다. 사용될 수 있는 가황 프로세스의 다른 예는 열풍 가황 및 자외선 가황을 포함한다. 가황 프로세스에 사용되는 경화제는 예를 들어 전술한 황 또는 과산화물을 포함할 수 있다. 가황 프로세스중에, 재료는 개개의 폴리머 사슬이 교차결합 (가교) 되는 방식으로 개질된다. 가황에 의한 2 개의 고무 재료의 병합은 인터페이스의 기계적 및 전기적 안정성 모두를 향상시키는 공지된 프로세스이다. 가황 파라미터를 신중하게 선택함으로써, 재료들 사이에 폴리머들의 교차 결합이 일어난다. 물리적 인터페이스를 제거함으로써, 오염물질, 보이드 등의 내부 결함의 영향이 크게 감소된다. 이러한 결함은 전기 파손의 주요한 원인이며, 본 발명에 의해 수행되는 바와 같이, 이를 제거함으로써, 전기적 파괴 강도가 크게 증가될 수 있다. 또한, 병합될 때 재료의 기계적 안정성이 증가한다. 가황 프로세스는 재료들 사이의 접착을 증가시키고, 미끄러짐을 방지하며, 인터페이스를 따라 크랙 전파를 크게 감소시킨다.
도 4 는 케이블 (16) 상에 장착된 도 3 의 전계 제어 디바이스 (10) 를 도시한다. 케이블 (16) 은 임의의 고 파워 케이블 또는 중간 파워 케이블, 예를 들어 교차결합된 폴리에틸렌, (XLPE) 케이블일 수 있다. 전계 제어 디바이스 (10) 는 예를 들어 차폐된 파워 케이블 상에 배치될 수 있으며, 원주형 도전성 실드 (외부 반도전층 에지 또는 세미콘 에지라고도 함) 의 종단에서 전계가 형성된다. 이 세미콘 에지에서, 즉 도전성 실드가 절단된 곳에서, 높은 전계 및 전계 스트레스가 생성된다.
화학적으로 결합된 필드 그레이딩 어댑터 (13) 및 스트레스 콘 (12) (이는 다시 고무 부분 (15) 및 디플렉터 (14) 를 포함함) 을 포함하는 전계 제어 디바이스 (10) 는 단일 보디를 포함한다. 따라서, 전계 제어 디바이스 (10) 는 이를 케이블 단부에 걸쳐, 특히 박리된 케이블 (16) 의 외부 실드에 걸쳐, 즉 세미콘 에지에 걸쳐 간단하게 끼워맞춤함으로써 용이하게 설치될 수 있다. 이는 전술한 바와 같은 위험을 수반하면서 2 개의 별도의 보디들, 필드 그레이딩 어댑터 및 스트레스 콘의 설치를 필요로 하는 종래기술의 설치와는 대조적이다.
전계 제어 디바이스 (10) 는, 안전성 측면에서 개선된 견고성을 제공할 뿐만 아니라, 케이블 단부상에 오직 하나의 보디만이 장착되기 때문에 보다 신속한 설치를 가능하게 한다. 또한, 종래기술에서와 같이 2 개가 아닌 오직 1 개의 보디가 정확하게 배치 및 끼워맞춤된다는 점에서 설치가 보다 안전해질 수 있다. 또한 어댑터 및 스트레스 콘의 서로에 대한 오정렬의 위험이 장착되는 단일 보디를 제공하는 본 발명에 의해 완전히 제거된다.
가황 프로세스는 필드 그레이딩 어댑터 (13) 와 스트레스 콘 (12) 사이의 인터페이스의 절연 파괴 강도를 증가시킨다. 그러나, 디플렉터 (14) 의 시작 지점에는 3 개의 상이한 재료가 만나는 트리플 포인트가 여전히 존재한다. 이 트리플 포인트는 도 4 에서 원으로 표시되어 있고 참조 번호 50 으로 표시되어 있다. 트리플 포인트는 매우 상이한 물리적 특성을 갖는 3 개의 재료가 만나는 지점이다. 고전압 디바이스에서, 트리플 포인트는 전기적 고장의 시작점이 되는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 이 트리플 포인트에는 단독으로 또는 조합하여 고장 위험을 증가시키는 두 가지의 주요 위험 요소가 있다; 첫째, 일 지점에서 3 개의 재료의 가황이 어렵고 이 지점의 결합 강도는 주변 벌크 재료 및 인터페이스에서보다 종종 더 낮다. 둘째로, 트리플 포인트를 포함하는 영역에서 절연 고무 부분 (15) 은 훨씬 더 높은 전기 전도도를 갖는 2 개의 재료 사이에, 즉 필드 그레이딩 어댑터 (13) 와 디플렉터 (14) 사이에 끼워진다. 이는 대부분의 전계를 절연 고무 부분 (15) 에 집중시키는데, 절연성 고무 부분 (15) 이 얇을수록 전계는 더 커진다. 이는, 디플렉터 (14) 의 시작 지점에서, 고무 부분 (15) 의 두께가 0 에 근접하는 곳에서 문제가 될 수 있으며, 이 지점에서 큰 전계 집중을 초래한다.
도 5 는 본 발명에 따른 전계 제어 디바이스 (10a) 의 다른 실시형태를 도시한다. 이 실시형태는 고무 부분 (15) 의 약간 다른 디자인에 의해 트리플 포인트의 전술한 어려움을 해소하고 극복한다.
이 실시형태의 전계 제어 디바이스 (10a) 는, 절연 고무 부분 (15a) 이 디플렉터 (14) 아래로 연장되도록 허용되고 그럼으로써 도 4 에 도시된 트리플 포인트가 제거된다는 점에서 도 3 을 참조하여 기술된 실시형태와 상이하다. 따라서, 디플렉터 (14) 는, 이 실시형태에서, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 와 접촉하지 않는다. 첫째로, 높은 전계에서 트리플 포인트를 갖는 것과 관련된 위험은 완전히 회피된다. 둘째로, 고무 부분 (15a) 의 절연 두께가 더 이상 0 에 근접하지 않기 때문에, 전계 강도가 위험한 레벨에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
도 6 은 케이블 (16) 상에 장착된 도 5 의 전계 제어 디바이스를 도시하며, 이로부터 트리플 포인트가 회피되는 것이 다시 주목된다.
전술한 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 다양한 특징은 상이한 방식으로 결합될 수 있으며, 그 예가 다음에 주어진다.
따라서, 고전압 케이블 (16) 을 위한 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 가 제공된다. 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 는 스트레스 콘 (12) 및 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 포함하며, 스트레스 콘 (12) 과 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 가황에 의해 화학적으로 결합된다. 스트레스 콘 (12) 과 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 가황 또는 교차결합에 의해 연결되어 단일 보디를 형성한다.
일 실시형태에서, 스트레스 콘 (12) 은 함께 가황된 디플렉터 (14) 및 고무 부분 (15) 을 포함한다.
일 실시형태에서, 스트레스 콘 (12) 의 고무 부분 (15a) 은 필드 그레이딩 어댑터 (13) 가 스트레스 콘 (12) 의 고무 부분 (15a) 에만 접촉하도록 필드 그레이딩 어댑터 (13) 의 길이를 따라 연장된다. 필드 그레이딩 어댑터는, 예를 들어, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는 관형 보디를 포함할 수 있으며, 스트레스 콘 (12) 의 고무 부분 (15a) 은 필드 그레이딩 어댑터 (13) 가 스트레스 콘 (12) 의 고무 부분 (15a) 에 의해 원주 방향으로 둘러싸이도록 필드 그레이딩 어댑터 (13) 의 외부 표면에 배열될 수도 있다. 스트레스 콘 (12) 의 디플렉터 (14) 는 고무 부분 (15a) 의 표면 전체에 배치된다. 예를 들어 파워 케이블 (16) 의 세미콘 에지에 걸쳐 배열되어 사용되는 중에, 관형 필드 그레이딩 어댑터 (13) 의 내부 표면은 파워 케이블 (16) 과 접촉하고, 관형 필드 그레이딩 어댑터 (13) 의 외부 표면은 오직 고무 부분 (15) 에만 접촉하고, 즉 디플렉터 (14) 에는 접촉하지 않는다. 이 실시형태는 예를 들어 도 5 를 참조하여 기술한 바와 같이 트리플 포인트를 제거한다.
일 실시형태에서, 고무 부분 (15) 은 기본적으로 절두 원뿔 형상을 가지며, 고무 부분 (15) 의 절두 상부 부분에 마주하는 단부에 원주 홈 (17) 을 포함하며, 디플렉터 (14) 는 원주 홈 (17) 의 표면을 따라 배치된다.
일 실시형태에서, 디플렉터 (14) 는 반도전성 고무로 만들어지고, 고무 부분 (15) 은 절연성 고무로 만들어진다.
일 실시형태에서, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 제 1 필드 그레이딩 재료로 만들어지고, 고무 부분 (15, 15a) 은 제 2 필드 그레이딩 재료로 만들어진다.
상기 실시형태의 변형예에서, 제 1 필드 그레이딩 재료는 제 2 필드 그레이딩 재료와는 상이한 전기적 특성을 갖는다. 필드 그레이딩 어댑터 (13) 의 FGM 재료는, 예를 들어, 앞서 설명한 바와 같이, 필러 재료를 선택하고 그에 따라 선택된 필러 재료의 농도를 선택함으로써, 고무 부분 (15, 15a) 의 FGM 재료의 전도도 및/또는 유전율과는 상이한 전도도 및/또는 유전율을 가지도록 선택될 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 설명된 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 포함하고 절연 층 및 도전성 실드에 의해 원주 방향으로 둘러싸인 전기 도체를 포함하는 고 파워 케이블 (16) 을 포함하는 전기 설비를 제공한다.
도 7 은 전계 제어 디바이스를 제조하는 방법의 흐름도이다. 따라서, 또 다른 양태에서, 본 발명은 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a)를 제조하는 방법 (20) 을 제공한다. 이 방법 (20) 은 스트레스 콘 (12) 과 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키는 것을 포함하고, 그럼으로써 스트레스 콘 (12) 과 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 화학적으로 결합된다.
필드 그레이딩 어댑터 (13) 및 스트레스 콘 (12) 을 함께 가황시키기 위해 사용되는 가황 프로세스는 예를 들어 전술한 바와 같이 경화제를 첨가하는 것을 포함할 수 있고 고압 및 고온을 사용한다. 사용될 수 있는 가황 프로세스의 다른 예는 열풍 가황 및 자외선 가황을 포함한다. 가황 프로세스에서 사용되는 경화제는, 앞서 언급한 바와 같이, 예를 들어, 언급된 황 또는 과산화물을 포함할 수 있다. 가황 파라미터는 신중하게 선택되어야 하며, 선택된 재료 및/또는 당면한 응용을 고려하여 적응될 수도 있다. 본 발명에 따른 가황에 의한 물리적 인터페이스의 제거는 보이드, 오염물 등과 같은 내부 결함의 영향을 감소시키고, 그럼으로써 전계 제어 디바이스 (10) 의 전기적 파괴 강도를 증가시킨다. 또한, 병합될 때 재료의 기계적 안정성이 증가한다. 가황 프로세스는 재료들간의 접착을 증가시키고, 미끄러짐을 방지하며, 인터페이스를 따라 크랙 전파를 크게 감소시킨다.
일 실시형태에서, 방법 (20) 은, 스트레스 콘 (12) 과 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 스트레스 콘 (12) 을 몰딩 (22) 하고 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 몰딩 (23) 하는 것을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 방법 (20) 은, 스트레스 콘 (12) 과 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 원통형 보디 주위에 필드 그레이딩 재료로 만들어진 테이프를 감는 것을 포함하는 테이핑 프로세스에 의해 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 제조하는 것을 포함한다. 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 그 다음에 가황될 수 있다.
일 실시형태에서, 방법 (20) 은, 스트레스 콘 (12) 과 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 테이프를 보디에 감고 보디를 스트레스 콘 (12) 의 원하는 형상으로 형성하는 것을 포함하는 테이핑 프로세스에 의해 스트레스 콘 (12) 을 제조하는 것을 포함한다. 스트레스 콘 (12) 은 예를 들어 전술한 콘 형상과 같은 형상으로 형성될 수있다. 테이프의 보디를 원하는 형상으로 형성하는 것은, 예를 들어, 잘삭 또는 선삭 (선반에서) 에 의해 수행될 수 있다. 테이프는 고무 또는 필드 그레이딩 재료와 같은 재료로 제조될 수 있다. 스트레스 콘 (12) 은 그 다음에 가황될 수 있다.
테이핑 프로세스에 의해 제조된 필드 그레이딩 어댑터 (13) 및, 또한 테이핑 프로세스에 의해 제조된 스트레스 콘 (12) 은 함께 장착되어 단일 보디로 가황될 수 있다.
대안적으로, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 및 스트레스 콘 (12) 은 단일 테이핑 프로세스에서 제조되는데, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 예를 들어 전술한 바와 같이 먼저 제조된다. 다음으로 스트레스 콘 (12) 은 필드 그레이딩 어댑터 (13) 주위의 테이프를 보디에 감음으로써 제조되며, 그 후 보디는 스트레스 콘 (12) 의 원하는 형상으로 형성된다. 다음으로 스트레스 콘 (12) 및 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 함께 가황될 수 있다.
다른 실시형태에서, 스트레스 콘 (12) 은 필드 그레이딩 어댑터 (13) 와는 상이한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 스트레스 콘 (12) 은 테이핑 프로세스로 제조될 수 있는 반면, 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 몰딩되며, 또는 그 반대도 가능하다.
일 실시형태에서, 스트레스 콘 (12) 은 디플렉터 (14) 및 고무 부분 (15, 15a) 을 포함하고, 방법 (20) 은, 스트레스 콘 (12) 과 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 디플렉터 (14) 및 고무 부분 (15, 15a) 을 함께 가황시키는 것을 포함한다. 예를 들어 테이핑 프로세스에 의해 제조된 스트레스 콘 (12) 에는 예를 들어 테이핑 프로세스로 제조된 디플렉터 (14) 가 제공될 수 있으며, 스트레스 콘 (12) 과 디플렉터 (14) 는 그 다음에 함께 가황된다.
본원에서 본 발명은 주로 몇몇 실시형태를 참조하여 설명되었다. 그러나, 당업자라면 알 수 있듯이, 여기에 개시된 특정 실시형태 이외의 다른 실시형태들이 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 동일하게 가능하다.

Claims (13)

  1. 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 로서,
    상기 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 는 스트레스 콘 (stress cone: 12) 및 비선형 저항성 필드 그레이딩 재료를 포함하는 필드 그레이딩 어댑터 (field grading adapter: 13) 를 포함하고,
    상기 스트레스 콘 (12) 및 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 가황 (vulcanization) 에 의해 화학적으로 결합되고,
    상기 스트레스 콘 (12) 은 함께 가황된 디플렉터 (14) 및 고무 부분 (15, 15a) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 가 상기 스트레스 콘 (12) 의 상기 고무 부 (15a) 에만 접촉하도록, 상기 스트레스 콘 (12) 의 상기 고무 부분 (15a) 이 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 의 길이를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고무 부분 (15, 15a) 은 본질적으로 절두 콘 형상을 가지며, 상기 고무 부분 (15, 15a) 의 절두 상부 부분에 대향한 단부에서 원주 홈 (17) 을 포함하며, 상기 디플렉터 (14) 는 상기 원주 홈 (17) 의 표면을 따라서 원주방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 디플렉터 (14) 는 반도전성 고무로 만들어지고, 상기 고무 부분 (15, 15a) 은 절연 고무로 만들어지는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 는 제 1 필드 그레이딩 재료로 만들어지고, 상기 고무 부분 (15, 15a) 은 제 2 필드 그레이딩 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 필드 그레이딩 재료는 상기 제 2 필드 그레이딩 재료와 상이한 전기적 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a).
  8. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 를 포함하고 절연 층과 도전성 실드에 의해 원주방향으로 둘러싸인 전기 도체를 포함하는 고전력 케이블 (16) 을 포함하는 전기 설비.
  9. 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법으로서,
    스트레스 콘 (12) 과 비선형 필드 그레이딩 재료를 포함하는 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시켜, 상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 화학적으로 결합시키고,
    상기 스트레스 콘 (12) 은 디플렉터 (14) 및 고무 부분 (15, 15a) 을 포함하고,
    상기 방법은, 상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 상기 디플렉터 (14) 와 상기 고무 부분 (15, 15a) 을 함께 가황시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법.
  10. 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법으로서,
    스트레스 콘 (12) 과 비선형 필드 그레이딩 재료를 포함하는 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시켜, 상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 화학적으로 결합시키고,
    상기 방법은, 상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 상기 스트레스 콘 (12) 을 몰딩 (22) 하고 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 몰딩 (23) 하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법.
  11. 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법으로서,
    스트레스 콘 (12) 과 비선형 필드 그레이딩 재료를 포함하는 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시켜, 상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 화학적으로 결합시키고,
    상기 방법은, 상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 원통형 보디 주위에 필드 그레이딩 재료로 만들어진 테이프를 감는 것을 포함하는 테이핑 프로세스에 의해 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 제조하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법.
  12. 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법으로서,
    스트레스 콘 (12) 과 비선형 필드 그레이딩 재료를 포함하는 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시켜, 상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 화학적으로 결합시키고,
    상기 방법은, 상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 테이프를 보디에 감고 상기 보디를 상기 스트레스 콘 (12) 의 원하는 형상으로 형성하는 것을 포함하는 테이핑 프로세스에 의해 상기 스트레스 콘 (12) 을 제조하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 스트레스 콘 (12) 과 상기 필드 그레이딩 어댑터 (13) 를 함께 가황 (21) 시키기 이전에, 테이프를 보디에 감고 상기 보디를 상기 스트레스 콘 (12) 의 원하는 형상으로 형성하는 것을 포함하는 테이핑 프로세스에 의해 상기 스트레스 콘 (12) 을 제조하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 케이블 (16) 용의 전계 제어 디바이스 (10, 10a) 의 제조 방법.
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