KR102038707B1 - 고압용 내화 케이블 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

고압용 내화 케이블이 개시된다. 본 발명에 따른 고압용 내화 케이블에 의하면, 내화 성능과, 전기적 특성을 동시에 만족하고, 내화층을 이루는 마이카 테이프를 감는 곡률반경이 작아서 발생하는 굴곡, 공극을 방지하고 그로 인한 부분방전을 억제할 수 있으며, 내화층을 절연두께와 내전압, 부분방전 등을 고려하여 최적의 전계강도를 갖는 부분에 형성함으로써 포설작업의 편의성과 함께 전기적 특성의 향상을 도모할 수 있다.

Description

고압용 내화 케이블 및 그 제조방법{fire resistant cable for medium or high voltage and manufacturing method of the same}

본 발명은 고압용 내화 케이블 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 중, 고압급 케이블의 내화 성능을 만족시키고, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 고압용 내화 케이블에 관한 것이다.

최근, 케이블 제조 산업의 주요한 이슈는 극도의 온도상태, 특히 화재 시에 직면하게 되는 상황에서 케이블의 거동 및 성능을 향상시키는 것이다. 안전을 위해서 불길이 번지는 것을 지연시키고 또한 화염을 견딜 수 있는 케이블의 능력을 최대화하는 것이 필수적이다.

케이블의 내화성(fire-resistance)을 향상시킬수록 화재 시 케이블의 통전력을 더 지속시킬 수 있으며, 불길이 번지는 시간을 지연시킴으로써 사람들을 대피시키거나 또는 적절한 소화 수단을 배치하는데 필요한 시간을 확보할 수 있다.

내화특성에 대한 요구 수준은 점차 강화되는 추세이며, 특히 육/해상 플랜트, 빌딩 인프라에 사용되는 케이블 제품일수록 고 내화 특성이 요구된다. 플랜트나, 빌딩 등에 화재 발생 시 인력 탈출 및 대피를 위해 최소한의 시간 동안 핵심설비의 비상용 전원이나 화재 경보기, 스프링쿨러 등의 소방/방재 시스템 가동 유지를 위한 케이블이 필요하다.

기존에는 주로 저압용으로 내화 케이블이 사용되어왔으나 최근 재난/화재 방지가 주요 이슈로 떠오르면서 중, 고압급의 내화 케이블에 대한 필요성이 커지고 있으며, 고압용 내화 케이블 제품에 대해서는 일반적인 내화 규격인 IEC 60331-21(750℃, 90분) 성능을 요구하고 있다.

여기서 중, 고압급 케이블이라 함은 통상 6kV 이상의 MV급(Medium Voltage) 또는 HV급(High Voltage)의 케이블을 말하며, 중, 고압급 케이블을 통칭하여 고압용 케이블이라 부르기도 한다.

내화용이 아닌 일반 케이블에 있어서, 3kV 이하의 저압용 케이블은 도체 위에 1층의 절연만으로 전기적인 특성을 만족시키는데 충분하나 중, 고압급 케이블의 경우 ‘도체-내부 반도전-절연-외부 반도전’의 3중 구조를 적용한다.

여기서, 절연층은 내부의 도체와 외부를 절연함으로써 케이블 바깥으로 전류가 흐르지 않게 하는 역할을 수행하고, 내부 반도전층은 도체 표면의 전하 분포를 균일하게 하여 케이블 내부의 전계 집중을 완화시키며 도체와 절연체 간의 갭(Gap)을 메워 전리 현상에 의한 절연체 열화를 최소화 한다. 또한, 외부 반도전층은 절연체 내의 전기 스트레스를 균일화 하고 외부 코로나를 최소화한다.

6kV 이상의 전압이 인가되면 절연체에 트리(Tree)가 발생하여 중요한 전기 특성 중의 하나인 부분방전(PD, Partial Discharge) 값이 증가하고 점진적인 절연 파괴가 발생할 확률이 높아기기 때문에, 위와 같이 3중 구조를 적용하여 내/외부의 반도전층을 형성함으로써 전계 분포 및 전기 스트레스를 균일화하여 부분방전 특성을 만족시키고 절연 파괴를 최소화해야 한다.

이러한 중, 고압급 케이블에 내화층을 적용함으로써 내화 성능을 발휘하게 되는데, 내화층은 고내열 특성을 가진 마이카(Mica) 테이프를 감아서 700~800℃ 의 고온에서도 일정시간 이상 케이블의 기능을 유지할 수 있도록 한다. 이때, 마이카 테이프는 마이카 가루를 유리사나 PE(Poly Ethylene) 테이프에 접착시켜 제조하며, 화재 시 절연체까지 모두 불에 타더라도 도체를 감싸고 있어 절연체의 역할을 대신해 준다.

위에서 언급한 바와 같이, 저압용의 경우에는 내화 케이블도 구조가 간단하여 주로 도체 바로 위에 마이카 테이프를 감아 내화층을 형성하면 되지만, 중, 고압급의 내화 케이블을 제조함에 있어서는 전기적 특성과 내화 성능을 모두 고려하여 이를 모두 만족시킬 수 있도록 내화층을 형성하여야 한다.

이러한, 내화 케이블의 기존 선행기술과 관련하여, 일본국 실용신안등록 제2521343호와 대한민국 공개특허 제2011-0105563호 및 제2012-0005246호는 도체 직상에 구비되는 제1(내부) 내화층과 절연층 외측 또는 시스층 상에 구비되는 제2(외부) 내화층의 이중 구조로 이루어진 내화 케이블을 제시하고 있다.

구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 도체(4), 내부 내화층(5), 절연층(6), 외부 내화층(9) 및 시스층(10)이 순차적으로 적층된 구조가 제시되어 있으며, 상기 선행기술들 모두 약간의 차이는 있지만, 도 1과 유사한 구조로 이루어진다.

그러나 상기 선행기술들은 위에서 설명한 중,고압용 케이블의 전기적 특성을 구현하기 위한 구조 즉, '도체-내부 반도전-절연-외부 반도전'의 3중 구조와, 이러한 3중 구조에서 내화층이 어떻게 적용되야 하는지에 대해서는 언급하지 않고 있다.

그리고, 곡율반경이 작은 도체 바로 위에 마이카 테이프가 감기면서 마이카 테이프의 손상이 발생할 수 있으며, 그 손상에 의해 이후 공정에서 절연층이 손상될 수 있다. 이와 같이 절연층이 손상되면 트리가 발생하여 부분방전 값이 증가하고 케이블 성능이 저하될 수 있다.

또한, 마이카 테이프 자체의 손상은 마이카 테이프의 절연내력 성능 저하를 초래할 수 있으며, 그 결과 케이블의 내화 성능을 만족하지 못할 수 있다.

일본국 공개실용신안 제1993-182532호의 경우 도체, 내부 반도전, 절연, 외부 반도전, 금속차폐층이 순차적으로 형성된 케이블 코어 상에 단열층(내화층)과 발포성 방화층을 형성하는 구조로 이루어진 내화 케이블을 개시하고 있다.

그러나, 화재 시 높은 온도에서 내부의 절연층이 타버리는 경우에 내화층이 도체와 금속차폐층 사이에서 절연 역할을 수행하여야 하는데도 불구하고 금속차폐층과 시스 외측에 내화층이 구비됨으로써 이러한 역할을 수행할 수 없기 때문에 실제 중, 고압급 내화 케이블에 적용하기 어려운 문제점이 있다.

일본국 공개실용신안 제1994-033319호는 내부도체 상에 2중 구조의 절연층을 형성하고 그 위에 내화층을 형성하는 구조의 내열성 동축 케이블을 개시하고 있지만, 동축 케이블과 중, 고압급 케이블은 구조와 전기적 특성, 용도 등에서 차이가 있으므로, 중, 고압급 케이블에 적용하기에 적합하지 않다.

한편, '도체-내부 반도전-내화층- 절연층-외부 반도전'의 4중 구조로 적용하는 내화 케이블을 고려해 볼 수도 있지만, 내화층으로 사용되는 마이카 테이프가 내부 반도전과 절연층 사이에 적용됨으로써, 내부 반도전과 절연층 사이의 표면이 상대적으로 매끄럽지 못하여 트리 발생에 의한 부분방전 값이 증가하거나 절연 파괴가 쉽게 일어날 수 있으며, 케이블의 주요 특성인 내전압 특성, 부분방전 특성의 규격을 만족하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 내부 반도전 위에 마이카 테이프를 감더라도 여전히 곡률반경이 작기 때문에 위에서 설명한 바와 같이, 마이카 테이프의 손상이 발생하거나, 마이카 테이프를 감은 이후에 절연층, 외부 반도전 형성 등 다수의 공정들을 거치면서 내화층이 추가로 손상될 수 있는 문제가 여전히 남아있게 된다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하여 중, 고압급에서 내화 성능을 만족시키고, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 고압용 내화 케이블의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 실시 예들은 중, 고압급 케이블의 내화 성능을 만족시키고, 전기적 특성을 향상시키고자 한다.

또한, 내화층을 이루는 마이카 테이프를 감는 곡률반경이 작아서 발생하는 굴곡, 공극을 방지하고 그로 인한 부분방전을 억제하고자 한다.

또한, 내화층을 절연두께와 내전압, 부분방전 등을 고려하여 최적의 전계강도를 갖는 부분에 형성함으로써 포설작업의 편의성과 함께 전기적 특성의 향상을 도모하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면 도체와, 상기 도체의 외측에 형성되는 제1 반도전층과, 상기 제1 반도전층 외측에 형성되는 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 외측에 형성되는 제2 반도전층과, 상기 제2 반도전층 외측에 형성되는 차폐층 및, 상기 제1 절연층과 상기 제2 반도전층 사이에 구비되는 내화층을 포함하는 고압용 내화 케이블이 제공될 수 있다.

상기 제1 반도전층과 제1 절연층은 서로 접하도록 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 고압용 내화 케이블은 상기 차폐층 외측에 형성되는 쉬스층을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고압용 내화 케이블은 상기 내화층과 제2 반도전층 사이에 구비되는 제2 절연층을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 제2 절연층은 실리콘 코팅처리를 통해 형성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 고압용 내화 케이블은 상기 제2 절연층 외측에 별도의 내화층과 절연층이 추가로 형성되는 다층구조로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 제1 반도전층은 압출로 형성되고, 상기 제2 반도전층은 반도전 테이프를 감아서 형성될 수 있다.

상기 내화층은 마이카 테이프로 이루어지며, 2회 이상 권선되어 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 도체와, 상기 도체의 외측에 형성되는 제1 반도전층과, 상기 제1 반도전층 외측에 형성되는 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 외측에 형성되는 제2 반도전층과, 상기 제2 반도전층 외측에 형성되는 차폐층 및, 화재 시 상기 도체 보호와 절연 기능을 수행하는 내화층을 포함하며, 상기 내화층은 전계강도가 1kV/mm 내지 3kV/mm인 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 고압용 내화 케이블이 제공될 수 있다.

상기 제1 반도전층과 제1 절연층은 서로 접하도록 구성될 수 있다.

그리고, 상기 내화층과 제2 반도전층 사이에 구비되는 제2 절연층이 더 포함될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 중, 고압급 케이블의 내화 성능을 만족시키고, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 내화층을 이루는 마이카 테이프를 감는 곡률반경이 작아서 발생하는 굴곡, 공극을 방지하고 그로 인한 부분방전을 억제할 수 있다.

또한, 내화층을 절연두께와 내전압, 부분방전 등을 고려하여 최적의 전계강도를 갖는 부분에 형성함으로써 포설작업의 편의성과 함께 전기적 특성의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 종래의 내화 케이블 구조를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단상 고압용 내화 케이블의 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 고압용 내화 케이블의 단면도
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단상 고압용 내화 케이블의 단면도
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3상 고압용 내화 케이블의 단면도
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압용 내화 케이블에서 제2 절연층을 형성하기 전과 후의 구조 차이를 도시한 구성도
도 7은 도체로부터의 거리에 따른 전계강도의 변화를 나타낸 구성도

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명 되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공 되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단상 고압용 내화 케이블의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3상 고압용 내화 케이블의 단면도이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 다른 고압용 내화 케이블은 크게 도체(111)와, 상기 도체(111)의 외측에 형성되는 제1 반도전층(112)과, 상기 제1 반도전층(112) 외측에 형성되는 절연층(113)과, 상기 절연층(113) 외측에 형성되는 제2 반도전층(115)과, 상기 제2 반도전층(115) 외측에 형성되는 차폐층(116) 및, 상기 절연층(113)과 상기 제2 반도전층(115) 사이에 구비되는 내화층(114)을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 도체(111)는 IEC 60228 규격을 만족하는 Class 2 또는 Class 5 도체가 사용될 수 있다. 상기 도체(111) 외측에 형성되는 제1 반도전층(112)은 반도전 컴파운드를 압출 또는 반도전성 테이프를 권선하여 형성하며, 이들을 동시에 적용하여 복합층으로 형성하는 것도 가능하다.

상기 제1 반도전층(112)은 내부 반도전으로서, 도체 표면의 전하 분포를 균일하게 하여 케이블 내부의 전계 집중을 완화시키며 도체와 절연체 간의 갭(Gap)을 메워 전리 현상에 의한 절연체 열화를 최소화하는 역할을 수행할 수 있다.

상기 절연층(113)은 절연성 및 내충격성 특성을 갖는 물질로 이루어지며, 상기 도체(111)를 피복하여 보호하고 내부의 도체와 외부를 절연함으로써 케이블 바깥으로 전류가 흐르지 않게 하는 역할을 수행한다. 여기서 상기 절연층(113)은 실리콘 러버(Silicone rubber), 가교 폴리에틸렌(Cross-linked polyethylene; XLPE), 가교 폴리올레핀(Cross Linked Polyollefin; XLPO), 에틸렌프로필렌고무(ethylene-propylene rubber; EPR), 고밀도 에틸렌 프로필렌 고무(high ethylene-propylene rubber; EPR), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC) 등의 고분자 및 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.

상기 절연층(113) 외측에 형성되는 제2 반도전층(115)은 외부 반도전으로서, 내부 반도전과 마찬가지로 반도전 컴파운드를 압출 또는 반도전성 테이프를 권선하여 형성하며, 이들을 동시에 적용하여 복합층으로 형성하는 것도 가능하다.

상기 제2 반도전층(115)은 절연체 내의 전기 스트레스를 균일화 하고 외부 코로나를 최소화하는 역할을 수행한다.

상기 차폐층(116)은 구리, 알루미늄 및 구리 합금, 알루미늄 합금 등의 재료를 적용하며 금속 테이프 형태이거나 금속 편조 형태로 이루어질 수 있다. 상기 차폐층(116)은 상기 제2 반도전층(115)과 접해야 하는데, 그 이유는 만일 차폐층(116)과 제2 반도전층(115)이 접해 있지 않은 경우에는 접지를 따로 해주어야 하는 문제가 발생하기 때문이다.

상기 내화층(114)으로는 마이카(연질 마이카, 경질 마이카) 분말을 PE 필름이나, 유리사 직물 위에 접착하여 테이프 형태로 만들어진 마이카 테이프를 감아서 사용할 수 있다. 이때 권선 회수는 요구되는 내화 성능이나 케이블 구조 및 용도 등에 따라 달라질 수 있지만, 일반적으로 기본적인 내화 성능을 구현하기 위하여 2회 이상 권선하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압용 내화 케이블은 상기 내화층(114)이 상기 절연층(113)과 상기 제2 반도전층(115) 사이에 구비되는 것이 바람직하다. 상기 내화층(114)이 기존처럼 상기 도체(111) 바로 외측이나 제1 반도전층(112) 바로 외측에 형성되면, 마이카 테이프가 감기는 곡률반경이 작기 때문에 권선 중 또는 이후의 공정 작업 중에 마이카 테이프의 손상이 발생할 가능성이 크다.

그리고, 내화층(114)이 도체(111)와 가까울수록 마이카 테이프의 권선 후에 생기는 굴곡과 공극이 도체(111) 가까운 곳 즉, 전계가 큰 곳에 생길 가능성이 크므로 부분방전의 문제가 발생할 수 있다.

또한, 마이카 테이프가 제1 반도전층(112)과 절연층(113) 사이에 형성되면, 제1 반도전층(112)과 절연층(113) 사이의 표면이 상대적으로 매끄럽지 못하여 트리 발생에 의한 부분방전 값이 증가하거나 절연 파괴가 쉽게 일어날 수 있는 문제가 있다.

한편, 화재 시의 고온에서 절연층(113)이 타버림으로 인해 도체(111)와 차폐층(116)간에 쇼트(short)가 발생할 수 있으므로, 상기 내화층(114)이 차폐층(116) 내측에 형성되어 절연층(113) 역할을 수행하여야 하는 점도 고려하여야 한다.

그리고, 전술한 바와 같이, 제2 반도전층(115)과 차폐층(116)은 접지 문제로 인해 서로 인접한 위치에 있어야 하므로, 이러한 모든 조건을 만족하면서 전기적 특성과 내화성능을 만족시키려면, 상기 내화층(114)은 상기 절연층(113)과 제2 반도전층(115) 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

따라서, 기존 저압용 케이블에서 내화층(114)이 전기적 특성이나 구조적 특징에 대한 고민 없이 도체(111) 외측 또는 제1 반도전층(112) 외측에 형성되던 것과는 달리 고압용 내화 케이블(100)에 있어서는 내화층(114)을 절연층(113)과 제2 반도전층(115) 사이에 형성함으로써 전기적 특성과 내화 특성을 모두 만족시킬 수 있다.

결국, 상기 내화층(114)이 절연층(113)과 제2 반도전층(115) 사이에 형성되므로, 상기 제1 반도전층(112) 외측에 내화층(114)이 개재되지 않게 되고, 상기 제1 반도전층(112)과 제1 절연층(113a)은 서로 맞닿아 접한 상태를 이루게 된다.

그리고, 위에서 열거한 조건을 만족시키기 위하여 도체(111)와 제1 반도전층(112)도 서로 접하게 되며, 상기 제2 반도전층(115)과 차폐층(116)도 접지를 위해 적어도 일부가 접하는 구조로 이루어진다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압용 내화 케이블(100)은 도체(111), 제1 반도전층(112), 절연층(113), 내화층(114), 제2 반도전층(115) 및 차폐층(116)을 기본으로 케이블 코어(110)를 구성하게 되며, 케이블 코어(110) 외측에 쉬스와 외장 작업을 함으로써 고압용 내화 케이블(100)이 완성될 수 있다.

구체적으로, 상기 케이블 코어(110) 외측에는 내부 쉬스층(120)이 형성될 수 있는데, 상기 내부 쉬스층(120)은 내충격성이 크면서 비할로겐계(halogen free)인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리클로프렌고무(polychloroprene rubber; CR), 크로로설폰화 폴리에틸렌(Chloro Sulfonated Polyethylene; CSPE), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene; CPE), 에틸렌초산비닐수지(ethylene vinyl acetate; EVA) 또는 이들의 혼합물의 압출층 형태로 적용할 수 있다.

상기 내부 쉬스층(120) 외측에는 외장층(130)이 형성되는데 상기 외장층(130)은 구리, 알루미늄, 철 및 구리 합금, 알루미늄 합금 등의 금속재료가 적용되며, 금속 편조, 금속 테이프, 금속 와이어 등의 형태로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 외장층(130) 외측에는 외부 쉬스층(140)이 형성되는데, 상기 외부 쉬스층(140)은 내부 쉬스층(120)과 마찬가지로, 내충격성이 크면서 비할로겐계(halogen free)인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리클로프렌고무(polychloroprene rubber; CR), 크로로설폰화 폴리에틸렌(Chloro Sulfonated Polyethylene; CSPE), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene; CPE), 에틸렌초산비닐수지(ethylene vinyl acetate; EVA) 또는 이들의 혼합물의 압출층 형태로 이루어지며, 외부 충격이나 부식 작용으로부터 케이블을 보호하는 역할을 수행한다.

이러한 내부 쉬스층(120), 외장층(130), 외부 쉬스층(140)의 구조는 케이블의 용도에 따라 달라질 수 있다.

한편, 상기 고압용 내화 케이블(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 케이블 코어(110) 1개로 이루어진 단일 코어 제품 또는 도 3에 도시된 바와 같이 2개 이상의 코어로 이루어진 다중 코어 제품으로 이루어질 수 있다.

다중 코어 제품의 경우 여러 케이블 코어(110)들을 모아 일정 피치로 연합한 후에 그 공극에 충진재(150)를 적용하며, 그 후 전술한 내부 쉬스층(120), 외장층(130) 및 외부 쉬스층(140)을 형성하여 제품을 완성할 수 있다. 도 3에 도시된 고압용 내화 케이블(100)은 3상 케이블로서 케이블 코어(110)가 3개로 이루어지는 경우를 예로 들어 도시하였다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 고압용 내화 케이블(100)의 전기적 특성과 내화 성능을 표 1을 통해 기존 구성과 비교하여 설명하면 다음과 같다.

<표 1>

기존의 내화층(114)이 제1 반도전층(112) 즉, 내부 반도전 외측에 인접하여 형성되는 경우의 구성을 내화층(114)이 절연층(113)과 제2 반도전층(115) 사이에 형성되는 본 발명과 비교하여 각각의 전기적 특성 및 내화성능을 실험하였다.

공정 편의상 내화층(114) 즉, 마이카 테이프가 권선된 부분과 인접한 부분의 반도전은 반도전 압출보다 반도전 테이프를 권선하여 형성하는 것이 작업상 용이하므로, 본 발명에서 상기 제1 반도전층(112)인 내부 반도전은 압출로 형성되고, 상기 내화층(114)과 인접한 제2 반도전층(115) 즉, 외부 반도전은 반도전 테이프를 감아서 형성한다.

반대로 기존 구성에 있어서는 상기 내화층(114)과 인접한 제1 반도전층(112)이 반도전 테이프를 감아 형성되고, 상기 제2 반도전층(115)은 반도전 압출을 통해 형성된다.

작업의 용이성을 위해 상기와 같이 내화층(114)과 인접한 반도전층을 반도전 테이프를 감아 형성하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며 내화층(114)과 인접한 반도전층을 압출을 통해 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이 기존 구성의 케이블과 본 발명의 고압용 내화 케이블(100)의 전기적 특성과 내화 성능을 비교하면, 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 6kV 급 이하 제품에 대해서는 내화층(114)의 위치와 관계없이 전기적 특성(부분방전, 내전압) 및 내화성능을 만족한다. 그러나 10kV 급 이상으로 전압이 상승할 경우에는 기존 제품은 내화 성능은 만족하지만 부분방전, 내전압 등의 전기적인 성능 저하를 가져온다.

그리고, 15kV 급 이상으로 전압을 상승시킬 경우에 기존 제품은 전기적 특성 뿐만 아니라 내화 특성도 만족시키지 못한다. 반면 본 발명 기술을 적용한 제품의 경우 6~15kV 모든 전압 등급에 대해서 전기 특성, 내화 특성을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 단상 고압용 내화 케이블의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3상 고압용 내화 케이블의 단면도이며, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고압용 내화 케이블에서 제2 절연층을 형성하기 전과 후의 구조 차이를 도시한 구성도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예를 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고압용 내화 케이블(100)은 상기 내화층(114)과 제2 반도전층(115) 사이에 구비되는 제2 절연층(113b)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 편의상 이전 실시 예에서의 절연층(113)을 제1 절연층(113a)으로 표시하여 이를 제2 절연층(113b)과 구분하여 설명하도록 한다.

이전 실시 예에 의한 고압용 내화 케이블(100)은 표 1에서 살펴본 바와 같이 전기적 특성과 내화 성능을 만족하였지만, 내화층(114)이 마이카 테이프(114a)와 같은 테이핑 형태로 형성되기 때문에 제1 절연층(113a)과 내화층(114), 내화층(114)과 제2 반도전층(115) 사이에 공극이 발생하여 에어포켓(114b, air pocket)이 형성되고 그에 따라 절연체 표면의 불균일에 의한 전계 집중으로 절연 파괴가 일어날 가능성이 있다.

제2 반도전층(115)과 테이핑된 내화층(114)의 불균일 접촉에 의한 전기특성 저하 문제를 보완하기 위해 본 발명에서는 내화층(114) 위에 추가로 제2 절연층(113b)을 압출 형성하여 제2 반도전층(115)과 내화층(114)이 직접 접하지 않고 표면이 매끈한 제2 절연층(113b)이 제2 반도전층(115)과 접촉하도록 구성하는 것이다.

여기서, 상기 제2 절연층(113b)은 실리콘 코팅처리를 통해 형성될 수 있고, 기존의 테이핑된 내화층(114)에 의해 제1 절연층(113a)과의 사이 및 제2 반도전층(115)과의 사이에 형성되던 에어포켓(114b)을 줄이고, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 마치 매끈한 층과 같은 형태로 내화층(114)을 구성할 수 있는 장점이 있으며, 그에 따라 전기적 특성도 더욱 향상될 수 있다.

그리고, 더 나아가 상기 제2 절연층(113b) 외측에 별도의 내화층(114)과 절연층(113)이 추가로 형성되는 다층구조로 구성하여 내화성능을 향상시키는 구성도 적용될 수 있다.

이와 같이 제2 절연층(113b)이 상기 내화층(114)과 제2 반도전층(115) 사이에 구비되는 고압용 내화 케이블(100)의 전기적 특성과 내화 성능을 표 2를 통해 기존 구성과 비교하여 설명하면 다음과 같다.

<표 2>

6/10kV급과 8.7/15kV급에서는 기존의 내화층(114)이 제1 반도전층(112) 즉, 내부 반도전 외측에 인접하여 형성되는 경우의 구성을 내화층(114)이 절연층(113)과 제2 반도전층(115) 사이에 형성되는 본 발명과 비교하여 각각의 전기적 특성 및 내화성능을 실험하였고, 18/30kV급에서는 제2 절연층(113b)이 없는 이전 실시 예와 제2 절연층(113b)을 형성한 경우를 비교하여 실험하였다.

6/10kV급과 8.7/15kV급에서 비교한 바와 같이, 기존 구성은 부분방전과 내전압 등 전기적 특성과 내화성능을 모두 만족하지 못한 반면, 본 발명은 전기적 특성과 내화성능을 모두 만족하고 있다.

한편, 내화층(114)위에 제2 절연층(113b)이 없는 이전 실시 예의 경우 표 1에서 본 바와 같이, 30kV급에서는 부분방전값이 5pC수준으로 5pC 이하라는 규격을 가까스로 만족하는 수준이지만, 내화층(114) 위에 제2 절연층(113b)을 추가하는 본 발명의 경우 특히 부분방전에 대해서는 1pC 이하로 더욱 안정적인 전기적인 품질을 보여준다.

따라서, 고압급의 케이블로 갈수록 전기적 특성에 대해 더욱 신경을 써야 하며, 내화층(114)과 제2 반도전층(115) 사이에 제2 절연층(113b)을 추가로 형성하는 것이 바람직함으로 확인할 수 있다.

도 7은 도체로부터의 거리에 따른 전계강도의 변화를 나타낸 구성도이다.

도 2 내지 7을 참조하여, 도체(111)로부터의 거리에 따른 전계 강도와 그에 따른 최적의 내화층(114) 형성 위치의 관계를 살펴보면 다음과 같다. 도 7에서 ri는 내도(내부 반도전)-절연 사이의 반지름, R은 외도(외부 반도전)-절연 사이의 반지름, t는 절연두께를 각각 나타낸다.

도 7에서 보는 바와 같이, 전계 강도 계산 시 도체(111) 표면에 가까운 지점일수록 전계 강도가 크다. 따라서 기존의 내화 케이블 제품과 같이 상대적으로 전계 강도가 큰 내부 반도전 위에 내화층(114) 즉, 마이카 테이프가 적용될 경우 권선된 마이카 테이프 불균일에 의한 부분방전, 절연 파괴 등의 현상이 더욱 심화되는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 표 3은 70SQ의 10kV급과 15kV급 케이블의 시제품을 통해 내도-절연 사이의 전계 강도와 절연-외도 사이의 전계 강도를 비교한 것이다.

<표 3>

표 3에서 보는 바와 같이, 10, 15kV급 케이블에서의 전계 강도 계산시 내도-절연 사이의 전계 강도 대비 절연-외도 사이에서의 전계 강도가 약 1/2 수준으로 감소함을 알 수 있다. 즉, 절연-외도 사이에 내화층(114)을 형성하는 것이 내도-절연 사이에 내화층(114)이 위치하는 구조에 비해 전압 인가 시 전계의 영향을 1/2 수준으로 감소시키는 효과가 나타나는 것을 실제로 확인할 수 있다.

한편, 전계강도가 3kV/mm 이상인 영역에 내화층(114)이 적용될 경우 내전압, 부분방전 등의 전기 특성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 절연층의 반경방향으로 도체에서 멀어질 수록 전계강도가 감소하며 적어도 3kV/mm 이하로 낮아지는 거리 이상에 내화층(114)이 적용되어야 한다.

반면에, 내화층(114)의 위치가 도체에서 거리가 멀어질수록 전기적 품질은 향상이 되나 절연두께가 두꺼워지므로 케이블 외경이 증가하고 중량이 증가하여 케이블 포설시 작업 편의성이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 전기적인 품질 및 외경 최적화 수준에서 전계강도가 최소 1kV/mm 이상인 영역에 내화층(114)을 형성하는 것이 바람직하며, 결론적으로 상기 내화층(114)은 전계강도가 1kV/mm 내지 3kV/mm인 영역에 위치하는 것이 최적의 조건에 해당한다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명은 도체(111)를 보호하면서도 상대적으로 전계 강도가 낮게 형성되는 절연층(113)과 외부 반도전인 제2 반도전층(115) 사이에 내화층(114)을 형성함으로써 내화 성능은 유지하면서 부분방전, 절연 파괴 등의 전기적은 성능을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.

또한, 내부 반도전인 제1 반도전층(112)과 절연층(113) 사이에 비해 곡률 반경이 큰 절연층(113)과 제2 반도전층(115) 사이에 내화층(114)을 적용함으로써 부스러지기 쉬운 마이카 테이프와 같은 재료를 적용할 경우에 보다 안정적인 제조가 가능하며, 결과적으로 내화 성능도 기존 제품보다 향상되었음을 확인할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

100: 고압용 내화 케이블 111: 도체
112: 제1 반도전층 113, 113a: 제1 절연층
113b: 제2 절연층 114: 내화층
115: 제2 반도전층 116: 차폐층
120: 내부 쉬스층 130: 외장
140: 외부 쉬스층

Claims (11)

1. 도체;
   상기 도체의 외측에 형성되는 제1 반도전층;
   상기 제1 반도전층 외측에 형성되는 제1 절연층;
   상기 제1 절연층 외측에 형성되는 제2 반도전층;
   상기 제2 반도전층 외측에 형성되는 차폐층; 및,
   상기 제1 절연층과 상기 제2 반도전층 사이에 구비되는 내화층;을 포함하고,
   상기 내화층과 제2 반도전층 사이에 구비되는 제2 절연층을 더 포함하고,
   상기 도체와 상기 제1 반도전층은 서로 접하며,
   상기 내화층은 전계강도가 1kV/mm 내지 3kV/mm인 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 고압용 내화 케이블.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 반도전층과 제1 절연층은 서로 접하는 것을 특징으로 하는 고압용 내화 케이블.
3. 제1항에 있어서,
   상기 차폐층 외측에 형성되는 쉬스층을 더 포함하는 고압용 내화 케이블.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 절연층은 실리콘 코팅처리를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 고압용 내화 케이블.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2 절연층 외측에 별도의 내화층과 절연층이 추가로 형성되는 다층구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압용 내화 케이블.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 반도전층은 압출로 형성되고, 상기 제2 반도전층은 반도전 테이프를 감아서 형성되는 것을 특징으로 하는 고압용 내화 케이블.
8. 제1항에 있어서,
   상기 내화층은 마이카 테이프로 이루어지며, 2회 이상 권선되는 것을 특징으로 하는 고압용 내화 케이블.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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