KR102658102B1 - 수트리 특성이 향상된 해상풍력용 해저케이블 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수트리 특성이 향상된 해상풍력용 해저케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 케이블의 코어 내부로 침투한 수분이 절연층 내에서 확산되어 수트리를 형성하는 것을 효과적으로 억제함으로써 절연내력이 향상되고 결과적으로 장기 수명확보가 가능한 해상풍력용 해저케이블에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수트리 특성이 향상된 해상풍력용 해저케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 케이블의 코어 내부로 침투한 수분이 절연층 내에서 확산되어 수트리를 형성하는 것을 효과적으로 억제함으로써 절연내력이 향상되고 결과적으로 장기 수명확보가 가능한 해상풍력용 해저케이블에 관한 것이다.
해저케이블은 도서지역의 전력 송전 및 대륙간의 통신 연결을 위해 오래전부터 설치되어 왔고, 최근 해상에 풍력발전기를 설치하는 해상풍력은 풍황 조건, 부지 확보, 소음 문제 등에서 육상풍력보다 이점이 많아 해상풍력 단지의 건설이 계속 증가하고 있으며, 이에 따라 해상풍력용 해저케이블에 대한 관심이 증가하고 있다.
해상풍력 단지에서 해상풍력용 해저케이블은 해상에 구비된 풍력터빈 또는 해상변전소에서 육양부까지 연결하게 되는데, 구간별로 해저의 지면에 고정되어 포설되거나 해저의 지면으로부터 분리되어 해상의 풍력터빈 또는 해상변전소까지 연결하게 된다.
해상풍력용 해저케이블은 해저 환경에 포설되기 때문에 수분이 케이블 내부로 침투 및 확산하는 것을 억제하는 차수 성능이 보장되어야 하고, 해저의 지면에 고정되는 구간에 포설되는 해상풍력용 해저케이블은 소위 Export Type이라고 하여 연피에 의한 금속시스층이 구비되어 수분 침투를 억제할 수 있다.
다만, 해저의 지면으로부터 분리되어 해상의 풍력터빈 또는 해상변전소까지 연결하는 해상풍력용 해저케이블은 해류나 파랑에 의한 이동이나 굴곡이 보장되어야 하는 이유로 상기 이동이나 굴곡을 방해하는 연피 금속시스층을 적용하기 어렵고 이러한 해상풍력용 해저케이블은 소위 Inter-array Type이라고 한다.
상기 Inter-array Type의 해상풍력용 해저케이블은 시스의 여부에 따라 Dry type과 semi-wet type 및 wet type 으로 나눌수 있다. Dry type의 경우 납으로 금속시스층이 존재하며 Semi-wet은 polymer 시스 존재, wet type은 시스가 없는 상태이다. 연피에 의한 금속시스층의 부재는 케이블 내부에 수분이 침투할 수 있으며 침투한 수분은 코어의 절연층 내에 확산하여 수트리를 형성함으로써 절연내력을 저하시키고 결과적으로 케이블의 수명이 감소하게 된다. 종래 해상풍력용 해저케이블은 수분 침투 및 확산을 억제하기 위해 연피 금속시스층을 대체하여 금속 와이어로 이루어진 쉴드층을 적용한 바 있으나 절연층 내부로 수분이 침투하는 것을 억제하는 것이 어려웠다.
따라서, 케이블의 코어 내부로 침투한 수분이 절연층 내에서 확산하여 수트리를 형성하는 것을 효과적으로 억제함으로써 절연내력이 향상되고 결과적으로 장기 수명확보가 가능한 해상풍력용 해저케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 케이블의 코어 내부로 침투한 수분이 절연층 내에서 확산하여 수트리를 형성하는 것을 효과적으로 억제함으로써 절연내력이 향상되고 결과적으로 장기 수명확보가 가능한 해상풍력용 해저케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
해상풍력용 해저케이블로서, 도체 및 상기 도체를 감싸는 절연층을 포함하는 하나 이상의 코어를 포함하고, 상기 절연층은 규격 ASTM D6097에 준하여 측정한 내부의 수트리 사이즈가 850 ㎛ 이하인, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
여기서, 상기 절연층의 가교도가 77% 이상이고, 결정화도가 35% 이상인 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
또한, 상기 절연층은 가교 폴리에틸렌(XLPE)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
나아가, 상기 절연층은 절연파괴전압(BDV)이 80 kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
한편, 상기 코어는 도체, 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 와이어 실드층, 및 상기 와이어 실드층을 감싸는 코어 자켓을 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
또한, 상기 외부 반도전층과 상기 와이어 실드층 사이에 상기 외부 반도전층을 감싸는 내부 차수 테이프층, 상기 와이어 실드층을 감싸는 외부 차수 테이프층, 상기 외부 차수 테이프층을 감싸는 금속 시스층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
여기서, 상기 외부 차수 테이핑층은 고흡수성 수지(super absorbent polymer; SAP)를 포함하는 분말, 테이프, 코팅층 및 필름으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
또한, 복수의 코어를 포함하고, 코어 사이의 중심부와 코어 외측 영역에 충진부재가 구비되는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
여기서, 상기 충진부재는 폴리프로필렌 재질의 얀(Yarn)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
그리고, 복수의 코어와 충진부재를 원형으로 마감하기 위한 바인딩 테이핑층이 구비되고, 상기 바인딩 테이핑층 외측에는 폴리프로필렌 얀과 비투맨(bitumen)이 혼합된 아머 베딩층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
여기서, 상기 아머 베딩층 외측에 금속 아머층이 구비되고, 상기 금속 아머층 외측에는 폴리프로필렌 얀과 비투맨(bitumen)이 혼합된 방식층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 해상풍력용 해저케이블은 절연층의 가교도 및 결정화도의 정밀한 제어를 통해 수트리 사이즈를 특정 사이즈 이하로 조절함으로써 절연내력을 향상시키고 결과적으로 장기 수명확보가 가능한 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 해상풍력용 해저케이블의 하나의 실시예에 관한 단면 구조를 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 해상풍력용 해저케이블에서 하나의 코어의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 해상풍력용 해저케이블에서 하나의 코어의 종단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 해상풍력용 해저케이블의 하나의 실시예에 관한 단면 구조를 개략적으로 도시한 횡단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 해상풍력용 해저케이블에서 하나의 코어의 종단면도이다.
본 발명에 따른 해상풍력용 해저케이블(1000) 도 1에 도시된 바와 같이 3개의 코어(300a, 300b, 300c)가 삼각형 형태로 배치된 3상 교류 전력 케이블일 수 있다. 상기 3개의 코어(300a, 300b, 300c)를 원형 형태로 구성하기 위하여 중심부와 코어 외측 영역에 섬유 재질의 충진부재(400)가 구비될 수 있다. 상기 충진부재(400) 내에는 복수 개의 광섬유를 구비한 적어도 하나의 광유닛(100)이 수용되어 장착될 수 있다.
여기서, 상기 광유닛(100)은 적어도 하나의 광섬유(110)와, 상기 광섬유(110)를 수용하는 튜브(120)를 구비할 수 있다. 상기 각 광유닛(100)은 튜브(120) 내에 충진재와 함께 실장시킨 소정 갯수의 광섬유(110)를 구비하며, 상기 튜브는 스테인레스 스틸과 같은 강성이 있는 재질을 사용할 수 있다. 상기 광유닛(100)은 상기 튜브(120)를 감싸는 시스(130)를 더 구비할 수 있다.
상기 충진부재(400)는 일반적으로 폴리프로필렌 재질의 얀(Yarn)이 주로 사용된다. 상기 코어(300a, 300b, 300c)들과 광유닛 및 얀들을 연합하여 해상풍력용 해저케이블을 형성하는 경우, 이들을 소정의 피치로 원형으로 연합할 수 있다. 그리고, 섬유 재질의 상기 충진부재(400)는 방수와 원형 형성을 위하여 구비되는 구성으로 상기 충진부재(400) 대신 압출된 수지 재질의 개재부재 형태로 구성될 수도 있다. 이 경우, 상기 광유닛은 개재부재(미도시) 내측에 삽입되어 수용되는 구조로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 3개의 코어(300a, 300b, 300c)와 충진부재(400)를 원형으로 마감하기 위한 바인딩 테이프층(500)이 구비될 수 있다. 상기 바인딩 테이핑층(500) 외측에는 아머 베딩층(600)이 구비될 수 있다. 상기 아머 베딩층(600)은 그 외측에 구비되는 금속 아머층(700)이 장착되는 장착면을 제공하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 아머 베딩층(600)은 폴리프로필렌(PP: Polypropylene) 얀과 비투맨(bitumen)이 혼합되어 구성될 수 있다. 상기 아머 베딩층(600) 외측에는 금속 아머층(700)이 구비될 수 있고, 상기 금속 아머층(700)은 아머 와이어(710)가 배치되어, 거친 해저 환경에서 해상풍력용 해저케이블을 보호하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 금속 아머층(700) 외측에는 상기 아머 베딩층(600)과 마찬가지로 폴리프로필렌(PP: Polypropylene) 얀과 비투맨(bitumen)이 혼합되어 구성되는 방식층(800)이 구비되어 해상풍력용 해저케이블을 완성할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코어(300)는 순차적으로 도체(310), 내부 반도전층(320), 절연층(330), 외부 반도전층(340), 내부 차수 테이프층(350), 와이어 실드층(360), 외부 차수 테이프층(370), 금속 시스층(380) 및 코어 자켓(390) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 도체(310)는 전력을 전송하기 위해 전류가 흐르는 통로 역할을 하며, 전력 손실을 최소화할 수 있도록 도전율이 우수하고 케이블 제조 및 사용에 적절한 강도와 유연성을 가진 소재, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 등으로 이루질 수 있다.
상기 도체(310)는 복수 개의 원형소선을 연선하여 원형으로 압축한 원형 압축도체일 수 있고, 원형의 중심소선과 상기 원형 중심소선을 감싸도록 연선된 평각소선으로 이루어진 평각소선층을 구비하며 전체적으로 원형의 단면을 가지는 평각도체일 수 있으며, 상기 평각도체는 원형 압축도체에 비하여 점적율이 상대적으로 높아 케이블 외경을 축소할 수 있는 장점이 있다.
그러나 상기 도체(310)는 그 표면이 평활하지 않아 전계가 불균일할 수 있으며, 부분적으로 코로나 방전이 일어나기 쉽다. 또한 상기 도체(310) 표면과 후술하는 절연층(330) 사이에 공극이 생기게 되면 상기 공극에 전계가 집중되어 절연 성능이 저하될 수 있다.
따라서, 상기 도체(310) 외부에는 내부 반도전층(320)이 구비될 수 있다. 상기 내부 반도전층(320)은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌 메틸 아크릴레이트(EMA), 에틸렌 메틸 메타크릴레이트(EMMA), 에틸렌 에틸 아크릴레이트(EEA), 에틸렌 에틸 메타크릴레이트(EEMA), 에틸렌 (이소)프로필 아크릴레이트(EPA), 에틸렌 (이소)프로필 메타크릴레이트(EPMA), 에틸렌 부틸 아크릴레이트(EBA), 에틸렌 부틸 메타크릴레이트(EBMA) 등의 베이스 수지에 카본블랙, 카본 나노튜브, 카본나노플레이트, 그라파이트 등의 도전성 입자가 첨가되어 반도전성을 가질 수 있다.
상기 내부 반도전층(320)은 상기 도체(310)와 후술하는 절연층(330) 사이에서 급격한 전계변화가 발생하는 것을 방지하여 절연성능을 안정화하는 기능을 수행한다. 또한 도체면의 불균일한 전하분포를 억제함으로써 전계를 균일하게 하고, 도체(310)와 절연층(330) 간의 공극 형성을 방지하여 코로나 방전, 절연파괴 등을 억제할 수 있다.
또한, 내부 반도전층은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 가교제 0.1 내지 5 중량부를 포함할 수 있다. 상기 내부 반도전층의 가교시 발생하는 가교 부산물이 절연층(330)에 침투하여 결정핵으로 작용할 수 있으므로 내부 반도전층의 가교제 함량을 조절할 필요가 있다.
상기 절연층(330)은 상기 내부 반도전층(320)의 바깥쪽에 구비되어 상기 도체(310)를 따라 전류가 외부로 누설되지 않도록 외부와 전기적으로 절연시켜 준다. 일반적으로 상기 절연층(330)은 파괴전압이 높고, 절연성능이 장기간 안정적으로 유지될 수 있어야 한다. 나아가 유전손실이 적으며 내열성 등의 열에 대한 저항 성능을 지니고 있어야 한다.
따라서, 상기 절연층(330)은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지가 사용될 수 있으며, 나아가 폴리에틸렌 수지가 바람직하다. 여기서, 상기 폴리에틸렌 수지는 가교제를 포함하여 가교수지인 XLPE로 구성될 수 있고, 상기 가교제는 디큐밀퍼옥사이드, 벤조일퍼옥사이드, 라우릴퍼옥사이드, t-부틸 큐밀퍼옥사이드, 디(t-부틸 퍼옥시 아이소프로필) 벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸 퍼옥시)헥산, 디-t-부틸 퍼옥사이드로 등의 과산화물 가교제를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 절연층은 산화방지제, 압출성 향상제, 트리 억제제, 가교조제 등을 기타 첨가제로 추가로 포함할 수 있다.
상기 절연층(330)의 외부에는 외부 반도전층(340)이 구비될 수 있다. 상기 외부 반도전층(340)은 내부 반도전층(320)과 같이 절연성 물질에 도전성 입자, 예를 들면 카본블랙, 카본나뉴튜브, 카본나노플레이트, 그라파이트 등이 첨가되어 반도전성을 가지는 물질로 형성되어, 상기 절연층(330)과 후술하는 와이어 실드층(360) 사이의 불균일한 전하 분포를 억제하여 절연 성능을 안정화한다. 또한, 상기 외부 반도전층(340)은 케이블에 있어서 절연층(330)의 표면을 평활하게 하여 전계집중을 완화시켜 코로나 방전을 방지하며, 상기 절연층(330)을 물리적으로 보호하는 기능도 수행할 수 있다.
상기 외부 반도전층(340) 외측에는 와이어 실드층(360)이 구비될 수 있다. 상기 와이어 실드층(360)은 케이블 단부에서 접지되어 지락 또는 단락 등의 사고 발생시 사고 전류가 흐르는 통로 역할을 하며, 외부의 충격으로부터 케이블을 보호하고, 전계가 케이블 외부로 방전되지 않도록 차폐하는 기능을 수행할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 와이어 실드층(360)은 구리 또는 동복 알루미늄 등의 재질로 구성되고, 0.2 밀리미터(mm) 내지 2.0 밀리미터(mm)인 실드 와이어(361)가 미리 결정된 간격으로 이격되어 나선형으로 횡권되어 구비될 수 있다.
상기 와이어 실드층(360) 외측에는 금속 테이프를 나선형으로 횡권하는 방식으로 구성된 금속 스크린층(미도시)이 구비되어 각각의 실드 와이어를 통전시켜 사고 전류의 분류 기능을 제공할 수 있다.
그리고, 상기 코어(300)는 상기 외부반도전층(340) 외측에 적어도 하나의 수분 흡수를 위한 차수 테이핑층을 더 구비할 수 있다. 상기 차수 테이핑층은 전술한 와이어 실드층(360)의 내부와 외부 중 적어도 한곳에 구비될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 상기 차수 테이핑층은 상기 와이어 실드층(360)의 내측과 외측에 내부 차수 테이핑층(350) 및 외부 차수 테이핑층(370)이 구비되는 것으로 도시되나, 수분은 주로 외측에서 침투되므로 외부 차수 테이핑층(370)만 구비될 수도 있다.
상기 차수 테이핑층을 구성하는 차수 테이프는 케이블에 침투한 수분을 흡수하는 속도가 빠르고, 팽윤된 상태로 흡수 상태를 유지하는 능력이 우수한 고흡수성 수지(super absorbent polymer; SAP)를 포함하는 분말, 테이프, 코팅층 또는 필름 등의 형태로 구성되어 케이블 길이방향으로 수분이 침투하는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 차수 테이핑층은 또한 급격한 전계 변화를 방지하기 위하여 반도전성을 가질 수 있다. 상기 차수 테이핑층은 0.2 밀리미터(mm) 내지 1.4 밀리미터(mm)로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 외부 차수 테이핑층(370) 외측에 금속 시스층 (380)이 더 구비될 수 있다. 상기 금속시스층(380)은 상기 외부 차수 테이핑층(370) 외측에 용융된 금속을 압출하여 이음새가 없는 연속적인 외면을 가지도록 형성함으로써 차수성능을 향상시킬 수 있다. 상기 스크린으로는 납(Lead) 또는 알루미늄을 사용하며, 특히 해상풍력용 해저케이블의 경우에는 해수에 대한 내식성이 우수한 납을 사용하는 것이 바람직하고, 기계적 성질을 보완하기 위해 금속 원소를 첨가한 합금연(Lead alloy)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
해저 등의 환경에 포설되는 해상풍력용 해저케이블의 경우, 상기 금속시스층(380)이 상기 코어(300)를 실링하도록 형성되어 수분과 같은 이물질이 침입하여 절연 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 금속시스층(380)은 와이어 실드층(360)과 차수 테이핑층 등이 구비되는 경우 어느 정도의 차수 기능이 포함되므로 생략될 수 있다.
상기 금속시스층(380) 외측에는 코어 자켓층(390)이 구비될 수 있다. 상기 코어 자켓(390)은 코어의 최외부를 구성하며, 상기 금속시스층(380)과 함께 내식성, 차수성 등을 향상시키고, 케이블의 전력 전송 성능에 영향을 미칠 수 있는 수분침투, 기계적 외상, 부식 등의 다양한 환경요인 및 사고전류로부터 상기 케이블 코어를 보호하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 코어 자켓(390)은 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(polyethylene) 등과 같은 수지로 구성될 수 있다. 그 중 난연성이 요구되는 환경에서는 폴리염화비닐 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명에 따른 해상풍력용 해저케이블의 경우에는 차수성이 우수한 폴리에틸렌 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에 도시된 해상풍력용 해저케이블은 해저에 포설되는 경우, 항상 수압에 노출되고, 케이블이 손상되는 경우, 1차적으로 케이블 자켓, 아머 베딩층 또는 충진부재 등이 수분 침투를 차단할 수 있다. 그러나, 코어(300) 내부로의 수분 침투를 영구적으로 방지하는 것은 불가능하고, 코어(300) 자체의 차수 기능과 함께 불가피한 수분 침투 발생시 수분의 확산을 최소화하는 방법이 요구된다.
전술한 와이어 실드층(360)은 사고 전류가 흐르는 통로 역할을 하며, 외부의 충격으로부터 케이블을 보호하고, 전계가 케이블 외부로 방전되지 못하도록 와이어를 나선형으로 이격되어 배치되는 구조를 가지며, 와이어 실드층의 성능은 와이어의 직경, 개수 및 간격 등에 의하여 결정될 수 있다.
그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 해상풍력용 해저케이블과 코어의 구조를 고려하는 경우, 코어 내부로 침투된 수분은 와이어 실드층을 구성하는 와이어와 차수 테이핑층 사이의 공간 등을 통해 해상풍력용 해저케이블의 길이방향으로 확산될 가능성이 있다.
따라서, 본 발명자들은 규격 ASTM D6097에 준하여 측정한 절연층(330) 내부의 수트리 사이즈가 특정 범위를 만족하는 경우, 바람직하게는 상기 절연층(330)의 가교도 및 결정화도를 특정 범위로 조절함을 전제로 수트리 사이즈가 특정 범위를 만족하는 경우, 해상풍력용 해저케이블의 절연내력이 크게 향상함을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성했다.
구체적으로, 규격 ASTM D6097에 준하여 측정한 절연층(330) 내부의 수트리 사이즈가 850 ㎛ 이하로 조절되는 경우 해상풍력용 해저케이블의 절연내력이 크게 향상될 수 있다. 바람직하게는, 상기 절연층(330)의 가교도가 77% 이상이고, 결정화도가 35% 이상으로 조절됨을 전제로, 수트리 사이즈가 850 ㎛ 이하로 조절되는 경우 해상풍력용 해저케이블의 절연내력이 80 kV/mm 이상으로 구현될 수 있다.
여기서, 상기 수트리 사이즈는 절연층(330) 내부에 존재하는 수트리 중 사이즈가 가장 큰 최대 수트리 사이즈이고, 수트리 사이즈는 하나의 수트리에서 최장폭의 길이를 의미한다.
여기서, 상기 절연층(330)의 가교도는 첨가되는 가교제의 함량과 가교반응의 공정조건의 조절에 의해 조절 가능하고, 상기 절연층(330)의 결정화도는 상기 절연층(330) 내부의 가교부산물이나 다른 이물질의 함량 및 압출/냉각 공정조건에 의해 조절 가능하다.
상기 절연층(330)의 가교도 측정은 ASTM D 2765에 나오는 방법대로 진행을 하였으며, 절연층이 가교 폴리에틸렌으로 이루어질 경우 필러를 포함하지 않으므로, 가교도는 아래 수학식 1에 의해 확인할 수 있다.
즉, 상기 절연층(330)을 가로, 세로 및 두께가 각각 약 2mm, 2mm 및 1mm로 얇게 잘라 조각을 만들고, 이러한 조각 여러 개를 약 0.3 g이 되도록 하여 절연시편을 제작한 후, "절연시편 총 무게"를 정확히 측정한다. 그리고, 상기 절연시편을 메쉬망으로 감싼 후, 끓는 자일렌에 넣고 12시간 동안 환류 냉각기를 이용하여 환류시킨 후, 80℃에서 충분히 건조하여 남은 절연시편을 추출하여 "자일렌 환류 및 건조 후 절연시편" 무게를 측정함으로써 아래 수학식 1에 의해 계산할 수 있다.
[수학식 1]
가교도(%)=("자일렌 환류 및 건조 후 절연시편 무게" / "절연시편 총 무게")×100
또한, 상기 절연층(330)의 결정화도는 시차주사열량계(DSC)를 통해 측정할 수 있고 질소 분위기 하에서 -20℃부터 150℃까지 승온속도 10℃/min으로 측정하여 20℃부터 120℃까지의 베이스 라인으로부터 계산한 용융열 △H 값을 아래 수학식 2에 의해 계산할 수 있다. 아래 수학식 2에서 △HPE는 폴리에틸렌의 용융열로 293.6J/g이다.
[수학식 2]
나아가, 규격 ASTM D6097에 준하여 수트리 사이즈를 측정하는 방법은 크리스탈바이올렛(Crystal Violet) 0.1% 염색 시약을 70℃로 세팅된 핫 플레이트(hot plate)에서 1시간 동안 교반하면서 승온시키거나 메틸렌 블루(methylene blue) 6g과 Na2CO3 0.5 g을 증류수 200 ㎖에 넣고 70℃로 세팅된 핫 플레이트(hot plate)에서 4시간 동안 교반하면서 승온시켜 제조하고 하루 후에 70℃로 유지시켜 절연층 시편을 투입함으로써 70℃에서 80분 동안 절연층 시편을 염색한 다음 절연층 시편을 꺼내어 증류수에서 세척하고 에탄올을 이용해 닦아준 후 현미경으로 절연층 시편 내부의 수트리 사이즈를 관찰하는 것이다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표 1에 기재된 가교도, 결정화도 및 최대 수트리 사이즈를 갖는 절연층 시편(두께 : 150 ㎛) 및 케이블 시편을 제조했다.
실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
가교도(%) | 80.1 | 77.4 | 71.5 | 69.4 |
결정화도(%) | 36.0 | 35.1 | 34.5 | 33.1 |
최대 수트리 사이즈(㎛) | 830 | 850 | 920 | 1070 |
2. 물성 평가
1) 절연파괴전압(BDC) 평가
실시예 및 비교예 각각 20개의 절연층 시편을 5cm×5cm 크기로 잘라 0.5 inch 구대구 전극을 이용해 Ramp-up 방식으로 0.5 kV/s로 승압하면서 절연파괴전압을 측정하고, 두께로 환산하여 파괴전계(kV/mm)를 구하였으며, Weibull 분포를 이용해 63.2% 파괴 전계를 산출했다.
2) 장기 수트리 평가 시험
규격 CIGRE TB722에 따른 Regime B test에 준하여 3.5% NaCl 용액에 케이블 시편을 담궈서 물을 머금게 한 후, 규격에서 정한 주파수와 전압을 일정 기간 동안 인가하는 열화(aging) 작업을 수행하며, 그 후 케이블을 72시간 안에 교류 절연파괴전압 테스트를 진행하여 pass/fail을 확인한다.
물성 평가 결과는 아래 표 2에 기재된 바와 같다.
실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
절연파괴전압(63.2%) | 90 | 84 | 75 | 60 |
장기 수트리 평가 | pass | pass | fail | fail |
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 절연층의 가교도가 77% 이상, 결정화도가 35% 이상으로 조절됨을 전제로 내부 최대 수트리 사이즈가 850 ㎛ 이하인 실시예 1 및 2의 절연층 시편은 절연파괴전압 및 Regime B test 결과가 우수한 반면, 절연층의 가교도, 결정화도 및 최대 수트리 사이즈가 모두 기준 미달인 비교예 1 및 2의 절연층 시편은 Regime B test 결과가 크게 저하된 것으로 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 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.
1000 : 해상풍력용 해저케이블
100 : 광유닛
300 : 코어
400 : 충진부재
500 : 바인딩 테이핑층
600 : 아머 베딩층
700 : 금속 아머층
800 : 방식층
100 : 광유닛
300 : 코어
400 : 충진부재
500 : 바인딩 테이핑층
600 : 아머 베딩층
700 : 금속 아머층
800 : 방식층
Claims (11)
- 해상풍력용 해저케이블로서,
도체, 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 와이어 실드층, 및 상기 와이어 실드층을 감싸는 코어 자켓을 포함하는 하나 이상의 코어를 포함하고,
상기 절연층은 가교 폴리에틸렌(XLPE)을 포함하고 규격 ASTM D6097에 준하여 측정한 내부의 수트리 사이즈가 850 ㎛ 이하이고,
상기 절연층은 가교도가 77% 이상이고, 결정화도가 35% 이상이며, 절연파괴전압(BDV)이 80 kV/mm 이상인 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 외부 반도전층과 상기 와이어 실드층 사이에 상기 외부 반도전층을 감싸는 내부 차수 테이프층, 상기 와이어 실드층을 감싸는 외부 차수 테이프층, 상기 외부 차수 테이프층을 감싸는 금속 시스층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블. - 제6항에 있어서,
상기 외부 차수 테이핑층은 고흡수성 수지(super absorbent polymer; SAP)를 포함하는 분말, 테이프, 코팅층 및 필름으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블. - 제1항에 있어서,
복수의 코어를 포함하고,
코어 사이의 중심부와 코어 외측 영역에 충진부재가 구비되는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블. - 제8항에 있어서,
상기 충진부재는 폴리프로필렌 재질의 얀(Yarn)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블. - 제8항에 있어서,
복수의 코어와 충진부재를 원형으로 마감하기 위한 바인딩 테이핑층이 구비되고,
상기 바인딩 테이핑층 외측에는 폴리프로필렌 얀과 비투맨(bitumen)이 혼합된 아머 베딩층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블. - 제10항에 있어서,
상기 아머 베딩층 외측에 금속 아머층이 구비되고,
상기 금속 아머층 외측에는 폴리프로필렌 얀과 비투맨(bitumen)이 혼합된 방식층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 해상풍력용 해저케이블.
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2021075621A (ja) * | 2019-11-08 | 2021-05-20 | 住友電気工業株式会社 | 樹脂組成物、樹脂組成物成形体および電力ケーブル |
KR20210081956A (ko) * | 2019-12-24 | 2021-07-02 | 엘에스전선 주식회사 | 해저 케이블 |
JP2022015542A (ja) * | 2020-07-09 | 2022-01-21 | 住友電気工業株式会社 | 樹脂組成物、樹脂組成物成形体、電力ケーブル、および電力ケーブルの製造方法 |
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2022
- 2022-12-02 KR KR1020220166186A patent/KR102658102B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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