KR102267874B1 - 고전압 dc 케이블 조인트를 제조하는 방법, 및 고전압 dc 케이블 조인트 - Google Patents

고전압 dc 케이블 조인트를 제조하는 방법, 및 고전압 dc 케이블 조인트 Download PDF

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Abstract

개개의 동심으로 배열된 층들을 갖는 멀티 벽 적층형 구성을 포함하는 고전압 DC 케이블 조인트. 조인트는, 내측으로부터 외측으로, 내부 전도성 고무층 (1), 미리 결정된 맞춤 제제로 이루어진 필드 그레이딩 고무층 (2), 절연성 고무층 (3) 및 외부 전도성 고무층(4) 을 포함한다. 필드 그레이딩 고무층은 전도성 고무층들을 분리하고 상호접속하며, 고무층들은 무부산물 제조 방법에 의해 가교된다. 케이블 조인트는 바람직하게 백금 경화 고무들로부터 몰딩 프로세스 단계들에 의해 제조된다. 바람직한 실시형태에서, 케이블 조인트는 주입 몰딩에 의해 제조된다.

Description

고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법, 및 고전압 DC 케이블 조인트{A METHOD OF MANUFACTURING A HIGH-VOLTAGE DC CABLE JOINT, AND A HIGH-VOLTAGE DC CABLE JOINT}
본 발명은 독립 청구항들의 전제부에 따른 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법 및 고전압 케이블 조인트에 관한 것이다.
통상적으로 6 kV 이상의 동작 전압을 갖는 전력 케이블들은 필드 균등화를 위해 케이블 절연에서 내부 및 외부 전도성 층들을 포함한다. 그러한 케이블들을 다른 케이블들 또는 디바이스들과 연결하기 위해서, 케이블들의 개개의 엘리먼트들은 각각 케이블 단부들의 영역에서 점진적으로 노출되거나 컷백 (cut back) 되고, 예를 들어 케이블 조인트들 및 케이블 종단들과 같은 케이블 피팅으로서 알려진 봉합 디바이스들 또는 접속 디바이스들은 케이블 단부들에 배열된다. 외부 전도성 층의 컷백 단부의 존재는, 개별 케이블의 동작 시 이러한 포지션에서 전기장의 증가를 유도한다. 안전 동작을 보장하고 특히 전기장의 증가가 방전, 브레이크다운 또는 플래시오버를 확실히 유도하지 않도록 하기 위해서, 필드 제어로서 알려진 적절한 수단 및 측정들에 의해 전기장이 제어되거나 그레이딩된다. 이점에 있어서, 알려진 케이블 피팅은 보통 대응 필드 제어 엘리먼트들 또는 필드 제어 바디들을 포함한다.
고전압 직류 (DC) 케이블 조인트들은 통상적으로 상이한 종류의 재료 그레이드 (grade) 로 이루어진 멀티 벽 구조형 관상 기하학적 구조 (도 2 참조) 를 포함한다. 개개의 재료층들의 배열 및 그 설계는, 조인트의 코어 (케이블) 가 정상 동작 조건들에서 접지 전위 (외측) 로부터 절연되고, 필드 그레이드 특성들이 국부적 전기장 강화 방지에 대해 달성되는 방식으로 선택된다. 예를 들어, WO-00/74191 및 WO-2007/147755 를 참조한다.
WO-00/74191 는 DC 전압에 대한 고전압 케이블의 조인트 또는 접속에서 전기장을 제어하기 위한 디바이스에 관련된다. 전기장은 기하학적 구조의 필드 제어에 의해 달성된다.
WO-2007/147755 는 또한 전기장 제어를 위한 디바이스에 관련된다. 이 디바이스는 필드 제어를 위한 저항층, 저항층 상에 배열된 절연층, 및 절연층 상에 배열된 반전도층 또는 전도층을 포함하는 적층형 구조를 갖는다. 디바이스의 제조는 캐리어 상에 저항층을 와인딩하고 그 후 원하는 형상으로 그라인딩하는 단계; 저항층 외부에 절연층을 와인딩하고 그것을 원하는 형상으로 그라인딩하고, 추가로 나머지 층들을 입히는 단계를 포함한다.
조인트들은 종종 다중 프로세스 단계들로 EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) 고무로부터 제조된다. EPDM 고무는 합성 고무 타입이고 넓은 범위의 물리적 특성들에 의해 특징화되는 엘라스토머이다.
다중 프로세스 단계들에서, 상이한 비경화된 EPDM 고무 타입의 층들이 맨드릴 (mandrel) 주위에 와인딩되고 이어서 서라운딩 강철 몰드 (압축 몰딩) 에서 상승 온도 및 압력 하에서 경화된다. 그러한 케이블 조인트들의 개개의 재료층들은 상이한 전기적 특성들을 갖는 재료로 이루어진다. 도 2 에 도시되어 있는, 통상의 케이블 조인트에서는, (내측으로부터 외측으로) 고전압 전위 상에 있는 전도성 층 (1), 필드 그레이딩층 (2), 절연층 (3), 및 전도성 층 (4) 이 있으며, 전도성층 (4) 의 외측 상이 접지 전위 상이다. 적절한 비선형 전기적 거동을 유도하는 필러 재료들을 함유하는 EPDM 고무로 이루어진 필드 그레이딩층 (2) 은 2 가지 주요 기능을 갖는다: 첫번째로, 그것은 정상 동작 전압에서 절연되지 않은 케이블 단부들로부터의 전기장을 제어한다. 두번째로, 그것은 부착된 전기 디바이스들을 보호하기 위해서, 과 전압의 경우 국부적 필드 강화를 억제하는 공간 전하들을 축적 (build-up) 하도록 설계된다.
상술한 제조 방법 및 설계 추천에 이어서, 산업적 규모에 대해, DC 케이블 조인트들은 80kV 내지 320kV 범위에서 제작된다.
이러한 제조 기법들의 이점들은, 예를 들어 이들이 정착되어 있고 저전압 레이팅의 프로세스가 효율적이라는 것이다.
하지만, EPDM 및 EPDM 경화 화학의 프로세싱에 관련된 현재 제조 방법은 노동 집중적이고 따라서 비용이 높을 수도 있다. 하나의 이유는, EPDM 이 비경화된 단계에서 이미 매우 높은 점성 재료이고, 위에 논의된 바와 같이, 코어 (맨드릴) 주위에서 또는 개별적으로 반제품 조인트의 이전 층 주위에서 비경화된 EDMP 와운드들 (wounds) 의 형태로 종종 와인딩된다. 후속하여, 그것은 상승 온도 하에서 압축 와인딩되고 경화된다.
EPDM 은 경화제로서 과산화물에 의해 개시되는, 라디칼 경화 반응에 의해 경화된다. 경화 단계 동안, 과산화물은 저분자, 휘발성 화합물로 분해된다. 이러한 부산물들은 EPDM 고무의 전기적 특성들에 악영향을 미칠 수도 있다. 따라서, 경화된 EPDM 케이블 조인트는 이러한 휘발성 부산물을 제거하기 위해 탈가스 (degass) 되어야 한다.
US-5801332 는 절연성, 반전도성 및 전도성 실리콘 고무, 및 특히 백금 촉매형 실리콘 고무의 층들을 포함하는 탄성적으로 회복가능한 실리콘 고무 슬라이스 커버에 관련된다. 이 커버는 예를 들어, 주입 몰딩 기법을 사용하여 제작된다.
US-2005/0139373 는 고전압 케이블을 위한 슬리브 및 그러한 슬리브에 제공된 케이블 엘리먼트에 관련된다. 이 슬리브는 필드 강도 의존 재료, 예를 들어 실리콘 고무, EPDM, 또는 천연 고무로부터, 예를 들어 주입 몰딩 프로세스를 사용하여 제조된 필드 제어 엘리먼트를 포함한다.
EP-2026438 및 EP-2019466 는 절연성 바디 및 그 바디에 임베딩된 필드 그레이딩층을 포함하는 케이블 접속 전기장 제어 디바이스에 관련된다. 필드 그레이딩층을 형성하는 통상의 필드 그레이딩 재료는 반도체 재료 입자들로 충진된 실리콘 고무 또는 EPDM 일 수도 있다.
본 발명의 일반적인 목적은 최적의 전기적 그리고 기계적 특성들을 갖는 개선된 고전압 DC 케이블 조인트를 달성하는 것이다. 또한 부가적으로 목적은, 휘발성 부산물의 탈가스가 회피되는 개선된 고전압 DC 케이블 조인트를 야기하는 개선된 제조 방법을 달성하는 것이다.
위에 언급된 목적들은 독립 청구항들에 따른 본 발명에 의해 달성된다.
발명에 의한 목적은, 개개의 동심으로 배열된 층들을 갖는 멀티 벽 적층형 구성을 포함하는 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법에 의해 달성되고, 방법은 다음의 몰딩 프로세스 단계들:
A - 맨드릴 상에 내부 전도성 고무층을 몰딩하는 단계,
B - 상기 전도성 고무층 상에 미리 결정된 맞춤 재료 제제 (tailored material formulation) 로 이루어진 필드 그레이딩 고무층을 몰딩하는 단계,
C - 상기 필드 그레이딩 고무층 위로 절연성 고무층을 몰딩하는 단계, 및
D - 상기 절연성 고무층 위로 그리고 상기 필드 그레이딩 고무층 위로 배열되도록 외부 전도성 고무층을 몰딩하는 단계
에 의해 조인트를 몰딩하는 것을 포함하고,
필드 그레이딩 고무층은 전도성 고무층들을 분리하고 상호접속하도록 구성되고, 고무층들은 무부산물 제조 방법에 의해 가교된다.
일 실시형태에 따라, 방법은 고무들로서 백금 경화 고무들을 사용하는 것을 포함한다.
추가 실시형태에 따라, 방법은, 몰딩 프로세스 단계들 A-D 중 하나 이상에서 주입 몰딩을 포함한다.
절연성 고무층은 방사선 경화성 고무층이고, 방법은 방사선 투과 몰드를 사용하는 것에 의해 경화하는 것을 포함할 수도 있다.
또한, 방법은, 절연성 고무층으로서, 자외선 (UV) 방사선 경화성 고무층을 사용하는 것을 포함한다.
방법은, 에폭시 또는 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 계 재료들로 이루어진 자외선 (UV) 방사선 투과 몰드를 사용하는 것에 의해 상기 절연성 고무층을 경화하는 것을 포함할 수도 있다.
방법은, 상기 고무 재료로서, 실리콘 고무를 사용하는 것을 포함할 수도 있다.
발명에 의한 추가 목적은, 개개의 동심으로 배열된 층들을 갖는 멀티 벽 적층형 구성을 포함하는 고전압 DC 케이블 조인트에 의해 달성되고,
조인트는, 내측으로부터 외측으로, 내부 전도성 고무층 (1), 미리 결정된 맞춤 재료 제제로 이루어진 필드 그레이딩 고무층 (2), 절연성 고무층 (3), 및 외부 전도성 고무층 (4) 을 포함하고, 필드 그레이딩 고무층은 전도성 고무층들을 분리하고 상호접속하도록 구성되고, 고무층들은 무부산물 몰딩 프로세스 단계들에 의해 가교된 고무들로 이루어진다.
고무들은 백금 경화 고무들일 수도 있다.
일 실시형태에 따라, 상기 몰딩 프로세스 단계들의 하나 이상이 주입 몰딩 단계이다.
절연성 고무층은 자외선 (UV) 경화성 고무층일 수도 있다.
일 실시형태에 따라, 절연성 고무층은 에폭시 또는 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 계 재료들로 이루어진 자외선 (UV) 투과 몰드를 사용하는 것에 의해 경화된다.
상기 맞춤 재료 제제로 이루어진 필드 그레이딩 고무층은, 미리 결정된 전기장 강도 아래의 낮은 전기장 강도에서는, 적어도 10 의 팩터만큼, 그리고 바람직하게는 100 의 팩터만큼, 절연성 고무층 보다 더 높지만 전도성 고무층들 사이에서 무시할 정도의 누설 전류를 보장하기에 충분히 작은 전도성을 갖는 것을 특징으로 하며, 맞춤 재료 제제는 또한, 미리 결정된 전기장 강도 임계 위의 전기장 강도를 갖는 전압에서 비선형 필드 그레이딩 특성을 갖고, 맞춤 재료 제제는 인접 재료들 및/또는 인터페이스들 또는 3중 지점들의 전기 브레이크다운 필드에 따라 맞춰지는 것을 특징으로 한다.
미리 결정된 전기장 강도는 1 과 20 kV/mm 사이, 바람직하게 2 와 8 kV/mm 사이일 수도 있다.
또한, 고무 재료는 실리콘 고무일수도 있다.
본 발명의 개시물은 다층 고무 조성물로 이루어진 고전압 DC 케이블 조인트에 관련되고, 상이한 고무층들은 상이한 전기 전도 특성들을 갖는다. 획득된 케이블 조인트는, 필드 그레이딩 엘리먼트에 의한 접지 접속에 대해 고전압을 갖고, 하나의 고무층은 비선형 전도 특성을 갖는 것을 특징으로 한다. 게다가, 적어도 하나의 고무층은 바람직하게 자외선 광에 의해 경화될 수도 있고, 제조 프로세스는 부산물이 없는 것을 특징으로 한다. 하나의 이점은 휘발성 저분자 부산물을 방출하기 위해 탈가스가 필요하지 않다는 것이다.
비 탈가스는 조인트의 모든 층들이 무부산물 제조 방법에서 가교되는 고무들로 이루어진다는 사실에 기인한다. 바람직하게, 백금 경화 고무들이 몰딩 프로세스 단계들에서 사용된다. 백금 경화 고무들을 사용하는 것이 무부산물 제조 방법이다.
경화제로서 과산화물이 필요하지 않으며, 따라서 케이블 조인트가 비 과산화물 제조 경화 방법을 적용하는 것에 의해 제조된다.
필드 그레이딩 고무 재료는 최적의 기계적 및 전기적 특성들을 야기하는 미리 결정된 맞춤 제제를 갖는다.
일 실시형태에 따라, 케이블 조인트는 주입 몰딩 프로세스 단계들에 의해 백금 경화 실리콘 고무들로 제조된다. 바람직하게, 케이블 조인트는 무부산물 백금 경화 실리콘 고무들로 이루어진다.
제조 방법은 고전압 레이팅, 예를 들어 500kV 를 위한 용이한 업 스케일러블 (up-scalable) 제조 방법을 제공한다.
주입 몰딩을 사용할 때 제조가 간소화될 수 있어서, 감소된 리드 타임, 그리고 부가적으로 고 품질을 야기한다.
본 발명에 따른 제조 방법은, 가스성, 고체, 또는 액체일 수도 있는, 부산물이 제거, 예를 들어 탈가스될 필요가 없다는 점에서 환경적으로 지속가능한 해결방안이다.
일 실시형태에서, 자외선 (UV) 광에 의한 경화가 수행되며 이는 균질 경화 프로세스이고 본질적으로 열 생성 없이 수행될 수 있다. 이것은 특히 절연성 재료와 관련된 최소 품질 이슈들로 용이한 업 스케일링을 가능하게 한다는 점에서 이롭다. 최종 구조는 높은 두께, 예를 들어 100 nm 이상에서도 충분히 그리고 균질하게 경화된다. 이것은 고전압 DC 어플리케이션들에 대해 오히려 중요한데, 이는 비균질 경화가 절연성 재료 내측에서 전도성 변동을 유발할 수도 있기 때문이다. 부가적으로 절연층 전에 경화된 층들은, 절연이 열적으로 경화되었다면 그 경우인 것처럼 고온에서 길게 노출되지 않는다.
배경 섹션에서 위에 언급된, 테이핑 프로세스는 상당히 노동 집중적이고 시간 소모적이다. 본 발명에 따른 방법은 간단한 동심 배열된 층 설계 덕분에 다른 실리콘 고무계 개념들과 비교하여 더 경쟁력이 있다. 이것은 필드 그레이딩 고무를 통해 상호접속된 전도성 고무층들로 기술적으로 우수한 제품들 뿐만 아니라, 더 간결하고, 더 빠르며 그리고 덜 노동 집중적인 제조를 야기한다.
추가의 이점들은 간략화된 실행 계획이고, 간략화된 품질 제어가 수행될 수도 있고 배치 투 배치 (batch to batch) 변동이 적다는 것이다. 특히 배경 섹션에서 위에 논의된 테이핑 프로세스를 위해 사용된 재료들과 비교하면.
일 실시형태에 따라, 절연성 고무, 특히 실리콘 고무는, 전기적 절연성, UV 광 투과 및 UV 광 경화성인 것을 특징으로 한다. 부가적으로, 절연층의 UV 광 경화를 적용하는 것에 의해, 경화 시간이 감소할 것이다.
상이한 실리콘 고무층들 사이의 접착력을 개선하기 위하여, 개별 층의 몰딩 프로세스 전에 상업적 실리콘 프라이머가 각각의 개별 층 상에 도포될 수 있다.
기계적 재료 특성들 및 선택된 기하학적 구조 설계는 케이블의 x 축을 따라 거의 일정한 반지름 방향 힘을 보장하기 위해 최적화된다.
조인트의 전기적 설계는 높은 필드에서 접지와 고전압 전위 사이의 전기적 접속의 존재에 의해 특징화된다. 이것은 고전압 전위와 접지 사이에서 직접 접속하는 필드 그레이딩 고무층, 바람직하게 필드 그레이딩 실리콘 고무층의 통합에 의해 달성된다.
도 1 은 본 발명에 다른 제조 방법을 도시하는 플로우 다이어그램이다.
도 2 는 본 발명에 따른 조인트의 개략적인 횡단면 도시이다.
이제 첨부된 도면들을 참조하여 발명이 상세하게 기재될 것이다.
먼저, 도 1 에 나타낸 제조 방법을 도시하는 플로우 다이어그램을 참조한다.
발명은 개개의 동심으로 배열된 층들을 갖는 멀티 벽 적층형 구성을 포함하는 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법에 관련된다. 케이블 조인트는 주위에 조인트가 배열될 케이블의 길이 방향에서 가늘고 긴 연장을 갖는다. 케이블 조인트의 횡단면도가 도 2 에 도시된다.
따라서, 방법은 다음의 몰딩 프로세스 단계들을 적용하는 것에 의해 조인트를 몰딩하는 것을 포함한다:
A - 내부 전도성 고무층 (1)(도 2) 을 몰딩하는 단계.
이를 위해, 전도성 고무층 (1)(도 2) 은 제 1 금속 몰드에 통합되는, 맨드릴 주위에서 몰드되어, 제 1 고무층 (1) 의 기하학적 구조를 정의한다. 이 층은 바람직하게 전도성 실리콘 고무 (예를 들어, 충진된 탄소 블랙) 로 이루어지고, 일 실시형태에 따라, 약 100-120°C 에서 0.5-2 시간 동안 열적으로 경화된다.
B - 내부 전도성 고무층 상으로 미리 결정된 맞춤 재료 제제로 이루어진 필드 그레이딩 고무층 (2) 을 몰딩하는 단계.
필드 그레이딩 고무층 (2) 은 추가 금속 몰드를 사용하여 내부 전도성 층 (1) 주위에서 몰드되어, 필드 그레이딩 고무층 (2) 의 외부 기하학적 구조를 정의한다. 일 실시형태에 따라, 경화는 단계 A 에서와 같이 수행된다.
C - 필드 그레이딩 고무층 상으로 절연성 고무층 (3) 을 몰딩하는 단계. 절연층은 또한, 외부 전도성 층이 별도로 몰딩되고 그 후 절연층을 몰딩할 때 몰드 내에 삽입되는 경우 최종적으로 몰딩된 층일 수 있다.
이 절연성 고무층은, 일 실시형태에 따라, 방사선 경화성 고무층이고, 그러한 경우 방법은, 자외선 (UV) 방사선 투과 몰드를 사용하는 것에 의한 경화를 포함한다. 바람직하게, 절연성 고무층은 UV 방사선 경화성 고무층이다. 방사선 경화는 무부산물 프로세스 단계이다.
이롭게, 방법은 UV 방사선 투과 몰드를 사용하는 것, 그리고 특히 에폭시 또는 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 계 재료들로 이루어진 몰드를 사용하는 것에 의해 상기 절연성 고무층을 경화하는 것을 포함한다. UV 경화의 이점은 더 저렴한 폴리머 몰드, 그리고 발광 다이오드 (LED) UV 광원 또는 도핑된 수은 램프를 사용한, 비열적, 초고속, 경화 단계를 사용하는 것이다.
대안으로, 종래의 열적 경화 실리콘 고무는, 강철 몰드에서 또한 사용될 수도 있다.
D - 절연성 고무층 상으로 그리고 상기 필드 그레이딩 고무층 상에 배열되도록 외부 전도성 고무층 (4) 을 몰딩하거나, 또는 그것이 별도로 몰딩되고 그 후 절연층을 몰딩할 때 삽입될 수 있는 단계. 외부 전도성 고무층 (4) 은 또한, 내부 전도성 층 (1) 과 동일하거나 유사한 재료일 수도 있는, 전도성 고무층으로 이루어지며, A 단계와 동일한 경화 방법이 사용된다.
필드 그레이딩 고무층 (2) 은 내부 및 외부 전도성 고무층들 (1, 4) 을 분리하고, 외부 전도성 층 (4) 과 케이블 절연성 스크린 사이의 전기 커넥터에 의해 제공된 전기 콘택을 통해 또는 직접 내부 및 외부 전도성 고무층들 (1, 4) 을 상호접속한다.
게다가, 모든 고무층들은 무부산물 제조 방법에서 가교된 고무들로 이루어진다. 바람직하게, 가교된 고무들은 백금 경화 고무들이고, 특히 백금 경화 실리콘 고무들이다.
도 2 를 참조하면, 케이블 조인트의 중간 부분은 절연성 고무층 (3) 의 연장을 갖는 길이 방향에서의 부분으로서 정의된다. 케이블 조인트의 단부 부분들은 중간 부분에 의해 분리된 개별 부분들이다.
도 2 로부터 보여지는 바와 같이, 절연층 (3) 은 필드 그레이딩 고무층 (2) 의 중간 부분 및 내부 전도성 고무층 (1) 을 인클로징하는 케이블 조인트의 길이 방향에서의 연장을 갖는다. 필드 그레이딩 고무층 (2) 의 중간 부분이 결국 내부 전도성 고무층 (1) 을 인클로징한다. 외부 전도성 고무층 (4) 은 중간 부분에서 절연성 고무층 (3) 을 직접 인클로징하고 또한 필드 그레이딩 고무층 (2) 의 개별 단부 부분들을 직접 인클로징한다. 따라서, 외부 전도성 고무층 (4) 은 내부 전도성 고무층 (1) 으로부터 분리되고, 케이블 조인트의 단부 부분들에서 필드 그레이딩 고무층 (2) 을 통해 내부 전도성 고무층 (1) 에 상호접속된다.
선택적으로, 프라이머들이 상이한 층들 사이의 계면들에서 기계적 강도를 개선하기 위해 사용될 수도 있다. 그 목적을 위해, 상업적으로 입수가능한 실리콘 고무 프라이머들이 몰딩 전에 개별 층들의 외부 표면들 상에 도포될 수 있다. 프라이머들은 분사, 디핑 또는 브러싱에 의해 도포될 수 있다.
하나의 이로운 실시형태에 따라, 몰딩 프로세스 단계들의 하나 이상은 주입 몰딩 단계이다.
바람직하게, 방법은 또한, 특정 예에서, 전도성이 2 kV/mm 까지의 낮은 전기장 강도에서는 약 10-13 내지 10-11 S/m 이고 4 kV/mm 위의 전기장 강도에서는 약 10-7 내지 10-9 S/m 이도록, 미리 결정된 맞춤 재료 제제를 달성하기 위해 절연성 고무 및 필드 그레이딩 필러 재료를 혼합하는 것을 포함한다. 절연성 고무 및 필드 그레이딩 필러 재료의 혼합은 바람직하게 단계들 A-D 전에 수행되고, 적어도 필드 그레이딩 고무층의 몰딩 (단계 B) 전에 행해진다.
필드 그레이딩 필러 재료는 바람직하게 작은 - 실질적으로 구형의 ZnO 입자들로 구성된, 세라믹 재료를 포함하는 복합 재료이다. ZnO 입자들은 상이한 금속 산화물, 이를 테면 예를 들어, Sb203, Bi203, Cr203 및 Co304 로 도핑되고, 900 ℃ 와 1300 ℃ 사이의 온도에서 소결된다. 배리스터 (varistor) 처럼, 소결된 입자들은 전기장 강도에 의존하는 비선형 전기 특성들을 갖는다. 낮은 전기장 강도 범위에서, 입자들은 절연체처럼 거동하고 전기장이 증가함에 따라 입자들은 전도성이 더 커지게 된다. 다른 적용가능한 필드 그레이딩 필러 재료는 실리콘 탄화물 (SiC) 이다.
일 실시형태에 따라, 모든 층들에 사용된 고무 재료는 실리콘 고무이다. 1, 2 또는 3 층들로 실리콘 고무를 사용하는 것이 또한 본질적으로 가능하다.
다음에서는 케이블 조인트의 이로운 제조 방법이 개시될 것이다.
케이블 조인트는 몰딩 프로세스 단계들, 바람직하게 주입 몰딩에 의해 제조되며, 여기에서는 백금 경화 실리콘 고무들이 사용된다.
이른바 부가 시스템으로도 또한 칭하는, 백금계 실리콘 고무 경화 시스템에 있어서 (백금이 시스템에 촉매로서 부가되고 동시에 부산물이 없기 때문), 2 개의 별도의 성분들은 폴리머들을 촉진시키기 위해 혼합되어야 한다. 하나의 성분은 제 2, 하이드라이드- 및 비닐-관능기 실록산 폴리머와 혼합되어야 하는 백금 착물을 함유하여, 그 둘 사이에서 에틸 브리지를 생성한다. 그러한 실리콘 고무들은, 경화 레이트 또는 경화하기 위한 능력까지 원소 주석, 황 및 많은 아민 화합물들의 존재에 의해 쉽게 억제될 수도 있더라도, 빨리 경화한다. 따라서, 백금 경화 실리콘 고무들은 휘발성 부산물의 방출 없이 경화한다. 이로써, 탈가스가 없는 단계가 필요하고, 이에 따라 제조 프로세스는 "탈가스 프리" 로 된다.
본 발명은 또한, 상술한 제조 방법에 따라 제조된 개개의 동심으로 배열된 층을 갖는 멀티 벽 적층형 구성을 포함하는 고전압 DC 케이블 조인트에 관련된다. 이 케이블 조인트가 이제 도 2 를 참조하여 상세하게 기재될 것이다.
케이블 조인트는 서로 접속되는 2 개의 케이블들의 공통 길이 방향 축들을 따라 가늘고 길며, 따라서 2 개의 케이블들 사이의 접속은 케이블 조인트에 의해 보호된다.
조인트는 내측으로부터 외측으로, 내부 전도성 고무층 (1), 미리 결정된 맞춤 재료 제제로 이루어진, 필드 그레이딩 고무층 (2), 절연성 고무층 (3), 및 외부 전도성 고무층 (4) 을 포함한다.
필드 그레이딩 고무층 (2) 은 전도성 고무층들을 분리하고 이들을 상호접속시키며, 모든 고무층들은 무부산물 몰딩 프로세스 단계에서 가교된다. 일 실시형태에서, 몰딩 프로세스 단계(들) 의 하나 이상은 주입 몰딩 단계들이다.
일 실시형태에 따라, 고무층들은 백금 경화 고무들이다. 상이한 층들의 고무 재료는 바람직하게 실리콘 고무이다.
이로운 실시형태에서, 절연성 고무층은 UV 경화성 실리콘 고무층이고, 이 층은 에폭시 또는 PMMA 계 재료들로 이루어진 몰드를 사용하여 UV 투과 몰드를 사용하는 것에 의해 경화된다.
필드 그레이딩층은 영향을 받게 되는 전기장의 강도에 전기 전도성이 의존하는 재료를 포함하는 층으로서 지칭된다. 따라서, 이것은 비선형 전류/전압 특성들을 포함하는 층으로서 또한 지칭될 수도 있다.
필드 그레이딩층의 맞춤 재료 제제는, 미리 결정된 전기장 아래의 낮은 전기장 강도에서는, 절연성 고무층 보다 적어도 10 의 팩터 만큼, 바람직하게는 100 의 팩터 만큼 더 높지만, 전도성 고무층들 사이에서 무시할 정도의 누설 전류를 보장하기 위해 충분히 작은 전기 전도성을 갖는 것을 특징으로 한다.
맞춤 재료 제제는 인접 재료들 및/또는 인터페이스들 또는 3중 지점들 (즉, 층이 만나는 곳) 의 전기 브레이크다운 필드에 따라 맞춰지고, 추가로 그것은 미리 결정된 전기장 강도 임계 위의 전기장 강도를 갖는 전압에서 비선형 필드 그레이딩 특성을 갖는 것을 특징으로 하며, 미리 결정된 전기장 강도 임계는 통상적으로 1 과 20 kV/mm 사이, 바람직하게 2 와 8 kV/mm 사이이다.
미리 결정된 맞춤 제제는, 특정 예에서, 전도성이 2 kV/mm 까지의 낮은 전기장 강도에서는 약 10-13 내지 10-11 S/m 이고 4 kV/mm 위의 전기장 강도에서는 약 10-7 내지 10-9 S/m 이도록, 절연성 고무 및 필드 그레이딩 필러 재료를 포함한다. 필드 그레이딩 필러 재료들의 예는 위에 주어져 있다.
하나의 특정 실시형태에 따라, 미리 결정된 맞춤 재료 제제는 30-40 w% 절연성 실리콘, 2-12 w% 전도성 실리콘 및 50-60 w% 의 미리 결정된 필드 그레이딩 필러 재료를 포함한다.
전도성 고무층은 100 Ωm 아래, 바람직하게 50 Ωm 아래의 체적 저항률을 갖는 것을 특징으로 한다.
다음에서, 이로운 고전압 케이블 조인트가 개시될 것이다.
도 2 에 나타낸 바와 같이, 조인트는 멀티 벽 적층형 실리콘 고무 구성으로 이루어진다. 상이한 종류의 실리콘 고무들이 사용되며, 이는 상이한 전기적 및 기계적 특성들에 의해 특징화된다. 내측으로부터 외측으로, 조인트는 내부 전도성 (디플렉터) 층 (1), 필드 그레이딩층 (2), 절연층 (3) 및 외부 전도성 실리콘 (접지) 층 (4) 으로 구성된다. 전도성 및 절연성 실리콘 고무들에 대하여, 상업적으로 입수가능한 실리콘 고무 그레이드들이 사용된다. 기계적 특성들, 특히 영률 (Young's modulus) 은 가령 ATH (alumina trihydrate) 에 대한 것으로서, 전체 조인트의 포괄적인 기계적 설계 요건들을 매칭하기 위해, 필러 입자들을 첨가하는 것에 의해 개별적으로 조정될 수 있다.
절연성 고무층은 1012 Ωm 보다 높은 체적 저항률을 갖는 절연성 고무 제제로 이루어질 수도 있다.
실리콘 필드 그레이딩 엘리먼트는 동작 필드를 넘는 전기장 값들에서 전기장에 대한 전류 밀도의 비선형 의존성을 갖는, 맞춤 재료 제제이다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 그것은 절연성 실리콘 (30-40 w%), 전도성 실리콘 (2-12 w%), 및 필러 입자들 (50-60 w%) 로 구성되며, 이는 원하는 비선형 거동을 유도한다.
본질적으로, 전기적 비선형 거동은 재료가 절연 특성들 갖지만, 동작 조건들과 유사한 전기장에서 (통상적으로 약 2 kV/mm 까지), 조인트 및 케이블 절연체들 보다 더 큰 전도성 (10-100 의 팩터만큼) 을 여전히 갖도록 하는 방식으로 조정된다. 2 kV/mm 위의 필드 강도에 대하여, 재료는 훨씬 더 큰 전도성으로 전환하고, 국부적 필드 강화의 제한을 초래한다.
하나의 특정 예에서, 결과의 필드 그레이딩 재료는 통상적으로 2 kV/mm 까지의 낮은 필드에서는 약 10-13 내지 10-11 S/m , 그리고 4 kV/mm 위의 필드에서는 약 10-7 내지 10-9 S/m 의 전도성을 갖는다.
개개의 실리콘 고무층들의 이러한 배열로 케이블 조인트를 피처링하는 것에 의해, 예를 들어 뇌충격 (lightning impulses) 에 의해 또는 기술적 결함들에 의해 트리거되는 과전압에 의해 야기되는 손상들에 대해 접속된 전기 디바이스들을 보호하는 것이 가능하다.
기계적 관점으로부터, 조인트 설계는 x 축을 따라 (즉, 케이블의 길이 방향에서) 거의 균질한 기계적 특성들을 획득하는데 최적화된다. 이것은 기계적 설계 및 이에 따라 재료 특성들을 최적화하는 것에 의해 달성된다. 케이블 조인트에 이러한 피처를 제공하면, 삽입된 (imbedded) 케이블 상의 힘이 x 축 전체를 따라 거의 일정하다.
하나의 이로운 실시형태에서, 위에 논의된 바와 같이, 고무 재료는 실리콘 고무 재료이다. 이러한 실시형태를 추가로 기재하기 위해서, 실리콘 고무의 상이한 양태들이 다음에서 논의될 것이다.
실리콘 (silicone) 은 탄소, 수소, 산소, 그리고 때때로 부가적으로 다른 엘리먼트와 함께 실리콘 (silicon) 을 포함하는 폴리머이다. 실리콘은, 다양한 형태들 및 용도들을 갖는 비활성, 합성 화합물이다. 통상적으로, 내열성 고무 처럼, 이들은 실런트, 접착제, 윤활유, 메디컬 어플리케이션, 요리용 도구들에서 그리고 절연에서 사용된다. 보다 정확하게, 실리콘은 화학식 [R2SiO]n 를 갖는 혼합된 무기-유기 폴리머이며, 여기서 R 은 메틸, 에틸, 또는 페닐과 같은 유기 기이다. 이들 재료들은, 4 배위인, 실리콘 원자들에 부착된 유기 측 기들을 갖는 무기 실리콘 산소 백본 (… -Si-O-Si-O-Si-O-…) 이다.
일부 경우들에서, 유기 측 기들은 이들 -Si-O- 백본들의 하나 이상을 함께 링크하는데 사용될 수 있다. -Si-O- 체인 길이, 측 기 및 가교를 변화시키는 것에 의해, 실리콘은 광범위한 특성들 및 조성들로 합성될 수 있다.
일 실시형태에 따라, 제조 방법은 케이블 조인트를 제조할 때 주입 몰딩을 적용하는 것을 포함한다. 액체 실리콘 고무 (LSR) 의 주입 몰딩은 높은 체적에서 내구성 있는 부분들을 제작하기 위한 프로세스이다.
LSR 은 낮은 압축 세트, 큰 안정성, 및 부분들의 제작을 위해 이상적으로 적합한 극도의 고온 및 저온에 저항하는 능력을 갖는 고순도 백금 경화성 실리콘이며, 여기서 고품질은 필수이다. 재료의 열경화성 성질로 인해, 액체 실리콘 주입 몰딩은, 가열된 캐비티 (cavity) 내에 도입되고 가황처리 (vulcanized) 되기 전에 저온에서 재료를 유지하면서, 집중적인 분배 혼합과 같은 특별한 처리를 필요로 한다.
화학적으로, 실리콘 고무는 메틸 또는 비닐 측 기들과 실리콘 및 산소 원자들을 교번하는 백본을 갖는 열경화성 수지 고무류이다. 실리콘 고무는 실리콘류의 약 30% 를 구성하여, 이들이 그 류 중 가장 큰 기가 된다. 실리콘 고무는 넓은 범위의 온도에 걸쳐 그 기계적 특성들을 유지하며 실리콘 고무에서의 메틸 기의 존재는 이 재료들이 극도로 소수성이게 한다.
본 발명은 상술한 바람직한 실시형태들에 제한되지 않는다. 다양한 대안들, 수정들 및 등가물들이 사용될 수도 있다. 따라서, 상기 실시형태들은 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 발명의 범위를 제한하는 것으로 취해지지 않아야 한다.

Claims (14)

  1. 개개의 동심으로 배열된 층들을 갖는 멀티 벽 적층형 구성을 포함하는 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은, 다음의 몰딩 프로세스 단계들:
    A - 맨드릴 상에 내부 전도성 고무층 (1) 을 몰딩하는 단계,
    B - 상기 전도성 고무층 (1) 상에 미리 결정된 맞춤 재료 제제로 이루어진 필드 그레이딩 (field grading) 고무층 (2) 을 몰딩하는 단계,
    C - 상기 필드 그레이딩 고무층 (2) 위로 절연성 고무층 (3) 을 몰딩하는 단계, 및
    D - 상기 절연성 고무층 (3) 위로 그리고 상기 필드 그레이딩 고무층 (2) 위로 배열되도록 외부 전도성 고무층 (4) 을 몰딩하는 단계에 의해 상기 조인트를 몰딩하는 것을 포함하고,
    상기 필드 그레이딩 고무층 (2) 은 상기 전도성 고무층들 (1, 4) 을 분리하도록 그리고 상호접속하도록 구성되고, 상기 고무층들 (1, 2, 3, 4) 은 무부산물 제조 방법에 의해 가교되며,
    상기 방법은, 상기 단계 B 전에, 전도성이 2 kV/mm 까지의 낮은 전기장 강도에서는 약 10-13 내지 10-11 S/m 이고, 4 kV/mm 위의 전기장 강도에서는 약 10-7 내지 10-9 S/m 이도록, 30-40 w% 절연성 실리콘, 2-12 w% 전도성 실리콘, 및 50-60 w% 의 필드 그레이딩 필러 재료를 포함하는, 상기 미리 결정된 맞춤 재료 제제를 달성하기 위해 절연성 고무 및 필드 그레이딩 필러 재료를 혼합하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은, 고무들로서, 백금 경화 고무들을 사용하는 것을 포함하는, 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 몰딩 프로세스 단계들 A-D 중 하나 이상에서 주입 몰딩을 포함하는, 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연성 고무층은 방사선 경화성 고무층이고,
    상기 방법은 방사선 투과 몰드를 사용하는 것에 의해 경화하는 것을 포함하는, 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 절연성 고무층으로서, 자외선 (UV) 방사선 경화성 고무층을 사용하는 것을 포함하는, 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은,
    에폭시 또는 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 계 재료들로 이루어진 자외선 (UV) 방사선 투과 몰드를 사용하는 것에 의해 상기 절연성 고무층을 경화하는 것을 포함하는, 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은, 고무 재료로서, 실리콘 고무를 사용하는 것을 포함하는, 고전압 DC 케이블 조인트를 제조하는 방법.
  8. 개개의 동심으로 배열된 층들을 갖는 멀티 벽 적층형 구성을 포함하는 고전압 DC 케이블 조인트로서,
    상기 조인트는, 내측으로부터 외측으로, 내부 전도성 고무층 (1), 미리 결정된 맞춤 재료 제제로 이루어진 필드 그레이딩 고무층 (2), 절연성 고무층 (3), 및 외부 전도성 고무층 (4) 을 포함하고, 상기 필드 그레이딩 고무층 (2) 은 상기 전도성 고무층들 (1, 4) 을 분리하도록 그리고 상호접속하도록 구성되고, 상기 고무층들 (1, 2, 3, 4) 은 무부산물 몰딩 프로세스 단계들에 의해 가교된 고무들로 이루어지는 것을 특징으로 하고,
    30-40 w% 절연성 실리콘, 2-12 w% 전도성 실리콘, 및 50-60 w% 의 필드 그레이딩 필러 재료를 포함하는, 상기 맞춤 재료 제제로 이루어진 상기 필드 그레이딩 고무층 (2) 은, 1 과 20 kV/mm 사이의 미리 결정된 전기장 강도 아래의 낮은 전기장 강도에서는, 적어도 10 의 팩터만큼 또는 100 의 팩터만큼, 상기 절연성 고무층 (3) 보다 더 높지만 상기 전도성 고무층들 (1, 4) 사이에서 무시가능할 정도의 누설 전류를 보장하기에 충분히 작은 전도성을 갖는 것을 특징으로 하며, 그리고
    상기 맞춤 재료 제제는 또한, 상기 미리 결정된 전기장 강도 임계 위의 전기장 강도를 갖는 전압에서 비선형 필드 그레이딩 특성을 갖고, 상기 맞춤 재료 제제는 인접 재료들 및/또는 인터페이스들 또는 3중 지점들의 전기 브레이크다운 필드에 따라 맞춰지는 것을 특징으로 하는 고전압 DC 케이블 조인트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고무들은 백금 경화 고무들인, 고전압 DC 케이블 조인트.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 몰딩 프로세스 단계들의 하나 이상이 주입 몰딩 단계인, 고전압 DC 케이블 조인트.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 절연성 고무층 (3) 은 자외선 (UV) 경화성 고무층인, 고전압 DC 케이블 조인트.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연성 고무층 (3) 은 에폭시 또는 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA) 계 재료들로 이루어진 자외선 (UV) 투과 몰드를 사용하는 것에 의해 경화되는, 고전압 DC 케이블 조인트.
  13. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전기장 강도는 2 와 8 kV/mm 사이인, 고전압 DC 케이블 조인트.
  14. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고무 재료는 실리콘 고무인, 고전압 DC 케이블 조인트.
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