KR102410783B1

KR102410783B1 - 전력 케이블, 전력 케이블의 제조 방법 및 사용

Info

Publication number: KR102410783B1
Application number: KR1020217033165A
Authority: KR
Inventors: 베른트 헨릭 헬레소에
Original assignee: 블루 씨 노르웨이 에이에스
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2022-06-22
Also published as: KR20210132717A; PT3924983T; DK3924983T3; US20230126536A1; EP3924983B1; AU2020240976A1; RU2767303C1; EP3924983A1; US20220157490A1; ES2938476T3; FI3924983T3; NO345275B1; CN113614857B; AU2020240976B2; CA3134024C; SG11202110133WA; NO20190358A1; US11562833B2; BR112021018399A2; CA3134024A1

Abstract

본 발명은 상기 전력 케이블의 중앙에 위치하는 인장재(1); 상기 인장재(1)를 내장하는 제1 절연층(3); 및 외측 보호 외피(9);를 포함하고, 상기 전력 케이블은 상기 제1 절연층(3)에 내장된 하나 이상의 제1 알루미늄 도체(4)를 더 포함하는 전력 케이블에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 본 발명의 전력 케이블을 제조하는 방법으로서, 단일 단계로 인장재(1)와 하나 이상의 도체(4) 상에 제1 중합체 절연층(3)을 압출성형하는 단계를 포함하는 전력 케이블 제조방법에 관한 것이다. 마지막으로, 본 발명은 본 발명의 전력 케이블을 지상 풍차 케이블 구조 또는 해양 펌프의 구동과 같이 중-전압 내지 고-전압의 해양 애플리케이션에서 사용하는 방법에 관한 것이다.

Description

전력 케이블, 전력 케이블의 제조 방법 및 사용

본 발명은 전력 케이블, 전력 케이블의 제조 방법 및 해저 애플레이케션에서의 전력 케이블의 사용에 관한 것이다.

지난 수 십년간, 해저 고전압(HV) 전력 케이블이 예기치 않게 고장나는 일이 증가해왔다. 대부분의 경우 가교 폴리에틸렌(PEX), 고-복합 재료 때문에 고장이 발생하는 것처럼 보인다. PEX는 우선, 도체 작동 온도를 70℃까지 대신에 90℃까지 수용하는 지상 케이블용 디자인 요구사항의 변화에 대응하여 HV 케이블 제조 물질로 도입되었다. 이 온도 요구사항은 일반적으로 주변 온도가 0℃보다 몇도 높은 온도에 거의 도달하지 않는 차가운 해저 환경에서 관련이 없는 것처럼 보인다.

재료의 관점에서, 특히 도체 전기장 스트레스가 감소된 레벨로 유지될 때, 에틸렌과 같은 무가교 중합체, 폴리에틸렌 및 에틸렌 프로펜 러버가 66 킬로 볼트까지 작동하는 HV 케이블에서 사용될 수 없는 이유는 없다. 그러나, HV 케이블에서 전기장 스트레스를 허용할 수 있는 레벨로 줄이기 위해, 도체의 외경은 증가되어야만 하고, 이는 결국 외측 케이블 외장의 비용을 허용할 수 없는 레벨로 증가시키고 심각한 중량상의 불이익에 당도하게 되며, HV 케이블의 핸들링 용이성도 더 감소시킨다.

본 발명은 전력 케이블의 중앙에 위치하는 인장재; 인장재를 내장하는 제1 절연층; 및 외측 보호 외피;를 포함하고, 전력 케이블은 제1 절연층에 내장된 하나 이상의 제1 알루미늄 도체를 더 포함하는 전력 케이블에 관한 것이다.

본 발명은 또한 본 발명의 전력 케이블을 제조하는 방법으로서, 단일 단계로 인장재와 하나 이상의 도체 상에 제1 중합체 절연층을 압출성형하는 단계를 포함하는 전력 케이블 제조방법에 관한 것이다.

마지막으로, 본 발명은 본 발명의 전력 케이블을 지상 풍차 케이블 구조 또는 해양 펌프의 구동과 같이 중-전압 내지 고-전압의 해양 애플리케이션에서 사용하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 알루미늄 기반의 도체를 이용하며, 이는 종래의 구리 기반의 도체와 비교하여 증가된 도체의 직경을 요구한다. 나아가, 본 발명은 종래의 외장(outer armoring)을 전력 케이블의 중심에 위치하는 내측 인장재로 대체한다. 내측 인장재를 이용함으로써, 인장재를 수용하도록 반경방향으로 연장되는 점에서 도체의 외경이 더 증가된다. 이러한 셋업으로, 종래의 전력 케이블과 비교하여 전기장 스트레스가 현저하게 감소하고, 안전하게 비싼 외장을 생략할 수 있다. 또한, 전기장 스트레스가 감소되었기 때문에, 절연 두께가 감소되고, 절연체로서 솔리드(solid) 형태의 무가교(non-cross-linked) 에틸렌, 폴리에틸렌 또는 에틸렌 프로펜 러버(rubber) 물질을 사용할 수 있어서, PEX를 대체하고 상술한 문제점들을 해결할 수 있다.

내측 인장재를 제공하면서 종래의 외장을 생략함으로써 생기는 추가적인 이점은, 전체 케이블 직경, 전체 케이블 중량 및 케이블 굽힘강성이 감소된다는 것이다. 물에 잠겼을 때 본 발명에 따른 전력 케이블의 낮은 비중과 감소된 강성에 의해, 클램핑 힘이 낮고 전력 케이블을 설치할 때 예를 들어 캐터필러 설치 중에 핸들링이 향상된다. 본 발명의 전력 케이블은 따라서 종래의 케이블 보다 훨씬 더 가요성이 있고, 결과적으로 스트랩 작업을 하기가 더 쉽다.

마지막으로, 외장은 보통 전력 케이블의 총 재료비의 40%를 포함하는데, 종래의 외장을 생략함으로써 비용을 크게 줄일 수 있다.

본 발명의 전력 케이블이 갖는 추가 이점은, 알루미늄 도체가 반-도전성 절연을 불필요하게 만들고, 따라서 전력 케이블을 형성하는데 필요한 요소의 개수를 줄여주고, 나아가 전력 케이블 자체의 전체 직경도 줄여준다.

마지막으로, 솔리드 형태의 절연 물질은 종래의 전력 케이블과 비교하여 전력 케이블을 파손에 매우 강하게 견딜수 있게 한다. 솔리드 형태의 디자인과 그에 따라 PEX 폼에 있는 빈공간이 없게 됨으로써, 본 발명의 전력 케이블은 소위 수퍼 드라이 디자인(super dry design)이 될 수 있다. 수퍼 드라이 디자인이라는 것은, 실제로 드라이한 구조를 의미하며, 이러한 구조에서는 케이블 제품의 수명 내에 어떤 한 포인트에 물이 채워질 수 있는 빈공간이 케이블 재료 내에 존재할 잠재적인 위험이 없다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 케이블의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 케이블의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전력 케이블의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 두 개의 멀티-코어 전력 케이블 구조를 보여준다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 케이블의 단면도이다. 전력 케이블은 전력 케이블의 중앙에 위치하는 인장재(1)(tension member)와, 인장재(1)를 둘러싸는 제1 절연층(3)를 포함하고, 외피(9)에 의해서 주변환경으로부터 보호된다. 제1 절연층(3) 내에 제1 알루미늄 도체(4)가 하나 이상, 바람직하게는 3개가 있다. 각각의 제1 알루미늄 도체는 단면이 원형일 수 있고, 각각의 도체는 동일한 원형 단면을 갖는다. 도체의 직경은 전력 케이블의 필요한 애플리케이션에 따라 선택될 수 있다.

또한, 전력 케이블은 인장재(1)를 둘러싸는 제1 반-도전성 외측 스크린(2)과, 절연층(3)을 둘러싸는 제2 반-도전성 외측 스크린(5)을 포함할 수 있다. 전력 케이블은 선택적으로 제1 금속 스크린(6) 및/또는 제2 금속 스크린(7)을 포함할 수 있고, 제1 및/또는 제2 금속 스크린은 여러 기능을 가질 수 있는데, 예를 들어 단선(failure)을 발견하는 것을 수월하게 하는 것이다. 제1 및/또는 제2 금속 스크린은 반-도전성 테이프 랩핑(8)으로 싸여 있다.

원형 단면과 둘 이상의 제1 알루미늄 도체(4)를 갖는 전력 케이블에 있어서, 도체들은 바람직하게 원주방향으로 균등한 간격으로 배치되어 있다. 이것은 3개의 도체를 갖는 실시예를 나타내는 도 1에서 볼 수 있다. 중간-전압(1kV까지) 부터 고-전압(1KV 이상)의 애플리케이션에서, 셋 이상의 상(phase)이 보통 필요하다; 전력 케이블은 대응하는 개수의 도체를 포함한다.

제1 실시예에 따른 전력 케이블에 대한 일반적인 기계적인 특성이 아래 표 1에 제시되어 있다.

표 1

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 케이블 단면의 개략도이다. 제1 실시예에 대응하는 구성들은 동일한 도면부호로 표시되어 있다. 제2 실시예는, 바람직하게는 제3 반-도전성 외측 스크린(5')에 의해 둘러싸인 제2 절연층(3')이 추가로 제공된다는 점에서 제1 실시예와 다르다. 제2 절연층(3')은 제1 절연층(3)을 둘러싸며, 제2 반-도전성 외측 스크린(5)이 있는 경우에는 이를 둘러싼다.

제2 절연층(3') 내에 하나 이상의 제2 알루미늄 도체(4')가 내장(embedded)되어 있다. 각각의 제2 알루미늄 도체는 단면이 원형일 수 있고, 바람직하게 제1 알루미늄 도체(4)와 제2 알루미늄 도체(4')는 직경이 동일하다.

원형 단면을 갖고 둘 이상의 제2 알루미늄 도체(4')를 갖는 전력 케이블에 있어서, 도체들은 바람직하게 원주방향으로 동일한 간격으로 배치되어 있다. 이것은 세 개의 도체를 갖는 실시예와 관련된 도 2에서 볼 수 있다.

도 2는 세 개의 제1 알루미늄 도체(4)와 세 개의 제2 알루미늄 도체(4')를 포함하는 전력 케이블을 나타내며, 알루미늄 도체들은 각각의 제1 알루미늄 도체(4)의 중심이 전력 케이블의 중심과 정확하게 하나의 제2 알루미늄 도체(4')의 중심을 통과하는 직선 상에 놓여 있도록 구성되어 있다. 도 2의 구조는, 이와 달리, 두 개, 네 개 또는 그 이상의 제1 및 제2 알루미늄 도체들을 포함할 수 있다. 이러한 구조에 의해 전력 케이블은 두 개의 중간-전압 내지 고-전압 애플리케이션을 동시에 작동시키는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 전력 케이블이 AC 애플리케이션에서 이용될 때, 두 개의 해저 펌프가 동시에 작동될 수 있고, 각각의 펌프는 그 자신의 알루미늄 도체(4, 4') 세트에 의해 전력을 공급받는다. 대안으로서, 전력 케이블이 DC 외부전력 케이블로서 사용될 때, 세 개의 제1 알루미늄 도체(4)가 DC 도체 상(phase)으로서 기능할 수 있고, 세 개의 제2 알루미늄 도체(4')는 접지라인(earth lines)으로 기능할 수 있다. 후자의 사용은 해상풍차(sea-based windmills)로부터 전력을 송출하는 것과 특히 관련성이 있다.

인장재(1)는 고-장력 물질, 예를 들어 강철, 바람직하게는 고장력 강, 복합 물질, 또는 아라미드(케블라) 물질을 포함한다. 또한, 인장재(1)는 예를 들어 막대, 와이어 또는 와이어-번들 형태로, 속이 채워진 솔리드 형태 일 수 있다. 이와 달리, 인장재는 중공의, 예를 들어 튜브 형태일 수 있다. 인장재(1)는 중앙에 위치하는 추가 요소, 예를 들어 온도 센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 전력 케이블의 개략적인 단면이 도 3에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 와이어 번들 형태의 인장재(1)는 하나 이상의 와이어 링의 형태로 이루어진 하나 이상의 제1 알루미늄 도체(4)에 의해 둘러싸여 있고, 양자 모두 제1 절연층(3)에 내장되어 있다. 제1 반-전도성 외측 시트(2)에 의해 제1 절연층(3)과 분리된 제2 절연층(5)이 제공된다.

제3 실시예에 따른 하나 이상의 전력 케이블은 번들로 묶여져서 멀티-코어 전력 케이블이 될 수 있고, 그 변형예가 도 4a와 도 4b에 도시되어 있다. 멀티-코어 전력 케이블을 제3 실시예에 따른 하나 이상의 전력 케이블(10)을 포함할 수 있고, 선택적으로 하나 이상의 웨이트 요소(11)와 추가 기능요소(12)를 포함할 수 있다. 기능 요소는 예를 들어 광섬유 케이블 또는 신호 케이블을 포함할 수 있다. 웨이트 요소(11)는 아연이나 납을 포함할 수 있다.

하나 이상의 전력 케이블(10), 웨이트 요소(11) 및 기능 요소(12)가 압출성형된 절연층(13) 내에 내장되어 있다. 외측 반-도전성 스크린이 제공되어, 절연층(13)을 둘러싼다. 멀티-코어 전력 케이블은 외측 반-도전성 스크린을 둘라싸는 외피에 의해 주변환경으로부터 보호된다.

도 4a와 도 4b는 3개의 전력 케이블(10)과 다른 추가 기능 요소(12)를 갖는 구조를 보여준다. 도 4a에서, 두 개의 웨이트 요소(11)가 제공되며, 도 4c에서는 다수의 웨이트 요소(11)가 제공된다.

도 4a의 실시예에 따른 예시적인 전력 케이블의 일반적인 기계적인 특성이 표 2에 제시되어 있다; 표 1에 열거된 여러 케이블의 질량, 수중 중량, 비중비율, 강성 값들은 제공된 웨이트 요소의 양과 종류에 따라 당연히 달라질 수 있다.

표 2

본 발명에 따른 전력 케이블을 제조하는 공정은 제1 절연층(3)을 인장재(1)와 하나 이상의 제1 알루미늄 도체(4) 상에 압출성형(extrude)하는 단계를 포함한다. 그 결과, 인장재(1)와 하나 이상의 제1 알루미늄 도체(4)는 제1 절연층(3) 내에 내장된다. 추가적으로, 하나 이상의 제2 알루미늄 도체(4') 모두가 제2 절연층(3')에 내장된다. 제2 실시예에 따른 전력 케이블을 제조하기 위해, 추가 처리 단계에서 제2 절연층(3')이 하나 이상의 제2 알루미늄 도체(4') 상에 압출성형된다. 제1 및 제2 처리 단계들이, 순차적으로 실행되어 이미 성형된 제1 절연층(3) 상에 제2 절연층(3')이 압출성형될 수 있고, 또는 공동압출을 통해서 동시에 압출성형될 수 있다.

본 발명에 따른 공정은, 각각의 도체가 자신의 절연층 내에 우선 내장되고 그 절연층 위에 원하는 수의 절연된 도체들이 번들로 함께 묶여서 별도의 외부층에 의해 고정되는 종래의 전력 케이블의 제조방법과 상반된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 공정은 상당히 비용을 줄일 수 있고 종래의 전력 케이블 제조공정과 비교하여 훨씬 더 간단히 구현할 수 있다.

제1, 제2 및 제3 반-도전성 외측 스크린(2, 5, 5')은 중합체, 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 또는 폴리아미드를 포함한다. 제1 및 제2 절연층(3, 3')은 무가교 중합체, 바람직하게는 에틸렌, 폴리에틸렌, 또는 에틸렌 프로펜 러버를 포함한다. 선택적인 제1 및 제2 금속 스크린(6, 7)은 구리, 바람직하게는 어닐링된 구리 또는 납을 포함한다. 금속 스크린은 바람직하게 테이프 또는 외피의 형태로 제공된다. 반-도전성 테이프 랩핑(8)은 폴리아미드(나일론)을 포함한다. 마지막으로, 외피(9)는 고밀도 폴리에틸렌을 포함하고, 이는 기저층 상에 성형되었거나 아니면 테이프의 형태로 기저층 주위에서 싸여졌을 수 있다.

도 1, 도 2, 도 3의 케이블의 단면이 원형인 것으로 제시되었지만, 이는 단순히 예시적인 것일 뿐 결코 제한하는 것이 아니다; 예를 들어 타원이나 사각형과 같은 다른 단면의 구조도 사용할 수 있다.

본 발명의 전력 케이블은 외피를 둘러싸는 리드 자켓(lead jacket)을 더 구비할 수 있다. 이러한 리드 자켓은 무게를 증가시키지만, 이는 해저 애플리케이션의 경우 바람직할 수 있다. 또한, 리드 자켓은 전력 케이블의 기대 수명을 상당히 늘려, 50년까지 늘린다.

상술한 실시예와 예시들은 결코 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 정해진다.

Claims

해저용 전력 케이블로서,
상기 전력 케이블의 중앙에 위치하는 인장재(1);
상기 인장재(1)를 내장하는 제1 절연층(3); 및
외측 보호 외피(9);를 포함하고,
상기 전력 케이블은 상기 제1 절연층(3)에 내장된 하나 이상의 제1 알루미늄 도체(4)를 더 포함하고, 상기 제1 절연층(3)은 솔리드 형태의 무가교 에틸렌, 솔리드 형태의 무가교 폴리에틸렌, 또는 솔리드 형태의 무가교 에틸렌 프로펜 러버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제1항에 있어서,
상기 인장재(1)와 상기 절연층(3) 사이에 위치하는 제1 반-도전성 외측 스크린(2)과, 상기 절연층(3)을 둘러싸는 제2 반-도전성 외측 스크린(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제2항에 있어서,
제3 반-도전성 외측 스크린(5')에 의해 둘러싸인 제2 절연층(3')을 포함하고, 상기 제2 절연층(3')은 상기 제2 반-도전성 외측 스크린(5)을 둘러싸고, 하나 이상의 제2 알루미늄 도체(4')가 상기 제2 절연층(3')에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제3항에 있어서,
단면이 원형이고, 원주를 따라 동일한 간격으로 배치된 두 개 이상의 제1 알루미늄 도체(4)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제4항에 있어서,
각각의 제1 알루미늄 도체(4)의 중심점이 상기 전력 케이블의 중심점을 통과하면서 딱 하나의 제2 알루미늄 도체(4')의 중심점을 통과하는 직선 상에 놓여 있도록, 원주를 따라 동일한 간격으로 배치된 두 개 이상의 제2 알루미늄 도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제1항에 있어서,
상기 인장재(1)는 와이어 번들을 포함하고, 상기 제1 알루미늄 도체(4)는 하나 이상의 알루미늄 와이어의 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제6항에 있어서,
상기 절연층(3)을 둘러싸는 제2 반-도전성 외측 스크린(5)과, 상기 제2 반-도전성 외측 스크린(5)을 둘러싸는 제2 절연층(3') 및, 상기 제2 절연층(3')을 둘러싸는 제3 반-도전성 외측 스크린(5')을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제7항에 있어서,
상기 제2 절연층(3')은 솔리드 형태의 무가교 중합체를 포함하고, 상기 솔리드 형태의 무가교 중합체는 에틸렌, 폴리에틸렌 또는 에틸렌 프로펜 러버인 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제6항에 있어서,
상기 전력 케이블(10)을 하나 이상 포함하고,
하나 이상의 상기 전력 케이블(10)과 하나 이상의 웨이트 요소(11)와 적어도 하나의 기능 요소(12)가, 압출성형된 절연층(13)에 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제1항에 있어서,
반-도전성 테이프 랩핑(8)으로 둘러싸여 있고 상기 외피(9) 내부에 밀착하여 위치하는 제1 금속 스크린(6) 및 제2 금속 스크린(7) 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제10항에 있어서,
상기 제1 금속 스크린(6)과 제2 금속 스크린(7) 중 하나 이상은 구리, 어닐닝된 구리 또는 납을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제1항에 있어서,
상기 외피(9)를 둘러싸는 리드 자켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전력 케이블을 제조하는 방법으로서, 단일 단계로 인장재(1)와 하나 이상의 도체(4) 상에 제1 중합체 절연층(3)을 압출성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블 제조방법.
제13항에 있어서,
제2 절연층(3')이 상기 제1 절연층(3)과 하나 이상의 제2 알루미늄 도체(4') 상에 압출성형되는 것을 특징으로 하는 전력 케이블 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 제2 절연층(3')이 상기 제1 절연층(3)과 함께 압출성형되는 것을 특징으로 하는 전력 케이블 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 제1 절연층(3)과 상기 제2 절연층(3')이 순차적으로 압출성형되는 것을 특징으로 하는 전력 케이블 제조방법.
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