KR20010033402A - 유전체 겔화 혼합물, 이러한 유전체 겔화 혼합물의 이용,이러한 겔화 혼합물을 포함한 절연 전기 직류 케이블 및이러한 겔화 혼합물을 포함한 절연 전기 직류 케이블을제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

전이 온도 Tt 에서 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내는 유전체 겔화 혼합물로서, 상기 겔은 나노미터(nm) 범위의 입자 크기, 바람직하게는, 0.001 내지 1000 nm 범위내의 입자 크기를 갖는 미세한 유전체 입자들에 더하여 중합체 화합물 분자들을 갖는 결합된 젤라터 시스템 및 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물, 하나 이상의 도체들, 케이싱 또는 덮개 및 상기 유전체 겔화 혼합물을 포함한 절연 시스템을 포함한 전기 장치에서 상기 유전체 겔화 혼합물의 이용이 개시된다. 또한, 상기 유전체 겔화 혼합물로 함침된 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 구조를 갖는 고체부를 포함한 전기 절연체 및 도체를 갖는 전기 DC-케이블 및 상기 결합된 젤라터가 함침 이전에 제조되는 상기 DC-케이블의 제조 방법도 개시된다.

Description

유전체 겔화 혼합물, 이러한 유전체 겔화 혼합물의 이용, 이러한 겔화 혼합물을 포함한 절연 전기 직류 케이블 및 이러한 겔화 혼합물을 포함한 절연 전기 직류케이블을 제조하는 방법{DIELECTRIC GELLING COMPOSITION, THE USE OF SUCH DIELECTRIC GELLING COMPOSITION, AN INSULATED ELECTRIC DC-CABLE COMPRISING SUCH GELLING COMPOSITION AND A METHOD FOR MANUFACTURING AN INSULATED ELECTRIC DC-CABLE COMPRISING SUCH GELLING COMPOSITION}

기술 분야

본 발명은 유전성 유체 및 겔 첨가물을 포함하는 유전체 겔화 혼합물에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 예를 들어, 상기 유전성 유체에 겔 반응을 주는 하나 이상의 겔 첨가물, 젤라터 등이 첨가되는 전기 절연유에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 고온에서의 자유로운 흐름 상태와 저온에서의 매우 높은 점성 및 탄성 상태간의 열-가역성 전이인, 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내는 이러한 겔 혼합물에 관한 것이다.

본 발명의 다른 태양은 전기 장치용 전기 절연체의 부분으로서 이러한 겔 혼합물을 이용하는 것이다.

본 발명의 또 다른 태양은 열-가역성 액체-겔 전이를 갖는 이러한 유전성 겔을 포함한 절연 시스템을 갖는, 전기 직류 케이블, 절연 DC-케이블에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 DC-케이블을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 절연 DC-케이블은 전력을 전송하며 배급하는 데에 적합하게 된다. 상기 절연 시스템은 내부 반도체 실드, 절연체 및 외부 반도체 실드 등의, 복수의 기능층들을 포함하고, 상기 적어도 하나의 절연체는 유전성 유체에 함침된 다공질, 섬유상 및/또는 적층체를 포함한다.

배경 기술

전기 절연유 및 다른 전기 유체들이 변압기, 커패시터, 리액터, 케이블 등의 장치를 위한 전기 절연 시스템에서 이용되고 있다. 통상적으로, 상기 유전성 유체들은 유전성 유체, 전기 절연유로 함침된, 다공질, 섬유상 및/또는 적층 고체부의 화합물로서 이용될뿐만 아니라, 물 침투를 방지하기 위한 캡슐로서 이용된다. 함침된 절연체의 활성부는 고체부이다. 상기 오일은 수분 픽-업에 대항하여 절연체를 보호하며, 모든 구멍들, 공극들 또는 틈새들을 채움으로써, 절연체내의 유전적으로 약한 어떤 공기도 오일에 의해 대체시키게 된다. 통상적으로, 함침 공정은 시간이 걸리며, 절연체의 고체부가 도포된 후 수행되는 복잡한 프로세스는 신중하게 감시되고, 제어될 필요가 있다. 예를 들어, 수 킬로미터의 케이블이 처리되는, 전력의 장거리 전송을 위한 DC-케이블의 함침은 몇 일 또는 몇 주 또는 심지어 몇 달까지도 걸리는 프로세스 주기 시간을 통상적으로 나타낸다. 또한, 상기 시간이 많이 걸리는 함침 공정은, 완전한 함침과 섬유상 절연체의 함침까지도 보장하기 위해, 열처리, 홀딩(holding) 및 냉각도중에 이용되는 함침 용기의 온도 및 압력 조건들의 특정 램핑(ramping)을 갖는 신중하게 발전되며 엄격하게 제어되는 프로세스 주기에 따라 수행된다. 변압기, 커패시터 등의 절연 유체를 포함하는 다른 절연 시스템의 함침 공정은, DC-케이블의 함침 공정처럼 시간이 많이 걸리지는 않지만, 민감한 공정이며, 함침제, 함침되는 매체 및 함침하는 데에 이용되는 공정 변수들 상에 특정 요구 조건들이 존재하게 된다.

양호한 함침 결과를 보장하기 위해, 낮은 점도를 나타내는 유체가 요구되어 진다. 또한, 상기 유체는 다공질 절연체에서 유체의 이동을 방지하기 위해 전기 장치의 동작 조건에서 점성을 갖는 것이 바람직하다. 다아시 법칙(Darcy's law) (1) 은 다공질 또는 모세관 매체를 통한 유체의 흐름을 설명하는 데에 종종 이용된다.

(1) :

상기 법칙에서, v 는 부피 유량을 샘플 면적으로 나눈 것으로 정의된 소위 유체의 다아시 속도이며, k 는 다공질 매체의 투과율이고, △P 는 샘플을 가로지르는 압력차이며, μ는 상기 유체의 역학 점도이고, L 은 상기 샘플의 두께이다. 다공질 매체 내에서 유체의 흐름 속도는 상기 점도에 거의 반비례한다. 동작 온도에서 높은 온도 의존 점도 또는 낮은 점도를 나타내는 유체는, 동작도중에 전기 장치에서 자연히 발생하는 온도 변동의 영향과 동작 중에 도체 절연체를 가로질러 형성되는 온도 기울기 때문에, 이동하려는 경향을 갖게 됨으로써, 절연체내에 채워지지 않은 공극들이 형성되게 된다. 온도 변동 및 온도 기울기가 고전압 DC 케이블에 존재하므로, 유전 액체의 이동과 관련한 어떤 문제들도 신중하게 고려되어야 한다. 전기 고전압 직류 필드 하에서 동작하는 절연체에서 채워지지 않은 공극들 또는 다른 채워지지 않은 틈새 또는 다공질에는 공간 전하들이 축적되는 경향이 있어, 결점을 구성하게 된다. 바람직하지 않은 상태 하에서 축적된 공간 전하는 방전을 통해 유전체의 파괴를 일으킴으로써, 절연체를 저하시키며, 결국에는 절연체의 파괴에 이르게 된다.

DC 케이블 등의 전기 장치에서 다공질, 섬유상 또는 적층된 도체를 함침하는 데에 이용되는 종래 유전유들은, 온도가 증가함에 따라 거의 지수 함수적으로 감소하는 점도를 나타낸다. 따라서, 고온에서 점도의 낮은 온도 의존성으로 인한 점도의 요구된 감소를 얻기 위해 상기 함침 온도는 동작 온도보다 상당히 높아야 한다. 이와 비교하여, 동작 상태중의 대부분의 온도에서 점도의 온도 의존성은 높다. 함침 또는 동작 조건에서의 작은 변화도 절연 유체와 도체 절연체의 성능에 영향을 미치게 된다. 따라서, 동작 온도에서 뿐만 아니라 동작 도중에 전기 장치에서 발생하는 온도 변동 하에서도, 오일들이 충분한 점성을 가짐으로써 절연체내에 거의 완전히 유지되도록 오일들을 선택하게 된다. 또한, 상기 유지 상태는 절연체 상에 생성되는 어떠한 온도 기울기에 의해서도 거의 영향을 받지 않아야 한다. 따라서, 절연체가 거의 완전하게 함침되는 것을 보장하기 위해, 높은 함침 온도를 이용하게 된다. 그러나, 높은 함침 온도가 절연 재료, 도체의 표면 특성에 영향을 미칠 수도 있고, 함침되는 장치내의 존재하는 어떤 재료내부와 재료 사이에서 화학 반응을 촉진할 수도 있기 때문에, 높은 함침 온도는 바람직하지 않다. 또한, 높은 함침 온도는 제조 과정의 에너지 소비와 총 제조 비용에 나쁜 영향을 주게 된다. 고려해야 할 다른 태양으로는, 냉각 과정이 제어되고 서서히 이루어져야 하는 것을 나타내는 절연체의 수축 및 온도 팽창이 있으며, 이미 시간이 많이 걸리고 복잡한 공정에 추가 시간과 복잡성을 더하게 된다. 다른 종류의 오일 함침 케이블들은 낮은 점도의 오일을 이용한다. 그러나, 이들 케이블들은 그 후, 케이블을 따라 또는 케이블과 결합하여 탱크 또는 저장 장소를 구비함으로써, 동작 도중에 경험하는 열 사이클링때에 상기 케이블 절연체가 완전하게 함침된 상태로 유지된다. 이들 케이블이 낮은 점도 오일로 채워지는 경우, 손상된 케이블로부터 오일 유출의 위험이 존재하게 된다. 따라서, 동작 온도에서 높은 점도를 갖는 높은 온도 의존 점도를 나타내는 오일이 바람직하게 된다.

종래 미네랄 오일에 적당하게 증가된 온도 의존성을 주기 위해, 오일에 폴리이소부텐 등의 중합체를 첨가하여 용해하는 것이 공지되어 있다. 이는 높은 방향족 오일에 대해서만 달성할 수 있으며, 이러한 종류의 오일은 더 많은 나프테닉 오일과 비교하여 더 나쁜 전기 특성을 통상적으로 나타낸다. 이들 나프테닉 오일들은 전기 절연에 이용하기 적합한 형태이다. 더 높은 방향족 오일은 허용할 수 있는 전기 특성을 나타내기 위해 블리칭 어스(bleaching earth)로 처리되어야 한다. 이러한 공정은 비용이 비싸며, 상기 처리과정 후에 필터 공정 또는 분리 공정을 철저하게 수행하지 않는 경우, 오일 내에 작은 크기의 점토 입자들이 남아있게 되는 위험이 존재하게 된다. 폴리부텐 등의 3, 4 또는 5 개의 탄소 원자를 갖는 알켄으로부터 얻어진 100-900 범위의 분자량을 갖는 알켄 중합체의 중량에 의해 1 내지 50 % 까지의 첨가물들을 포함하는 US-A-3 668 128 에 개시된 다른 오일은 저온에서 낮은 점도를 갖도록 선택될 수 있다. 상기 오일은 저온에서 낮은 점도를 나타내며, 양호한 산화 저항력을 나타내고, US-A-3 668 128 에 제안된 오일과 같이 낮은 방향족 함유량을 갖는 오일이 전계에 노출되었을 때 특히 발생하는 수소 가스의 방출 등의, 가스화에 대해 양호한 저항력을 나타내게 된다. 그러나, US-A-3 668 128 의 명세서에 따른 오일은, 섬유상 또는 적층 절연체의 함침을 위한 종래 전기 절연 오일보다 상당한 진보를 제공하지만, 통상적으로 상승된 온도에서 동작하는 중에 낮은 점도 오일을 유지할 수 없기 때문에, 동작하는 중에 형성되는 온도 기울기 및/또는 온도 변동에 의한 오일 이동의 위험을 여전히 받게 된다.

앞서 출원되었지만 아직 공개되지 않은 국제 특허 출원 PCT/SE97/01095 는 오일 등의 겔화 유전성 유체로 함침된 DC-케이블을 개시하고 있다. 상기 유전체 케이블은 저온에서의 겔 상태와 고온에서의 거의 뉴턴의 쉬운 흐름 단계(Newtonian easy flowing state)간의 열-가역성 전이를 상기 유체에 주는 겔화 중합체 첨가물을 포함한다. 점도에 있어서 상기와 같은 상당한 전이는 제한 온도 범위를 초과하여 발생한다. 상기 유체와 상기 겔화 첨가물은 서로 정합되어, 액체-겔 전이 범위를 갖는 열-가역성 겔화 반응을 상기 유체에 주게 되고, 함침 공정과 동작중 모두 원하는 특성들을 만족시키게 된다. 고온에서 상기 유체는 액체 상태이며, 쉬운 흐름 뉴턴 유체의 점도를 나타내게 된다. 낮은 온도에서, 상기 유체는 탄성 겔과 같이 높은 점성의 점도를 갖는 겔 상태로 된다. 상기 전이 온도는 유체와 첨가물 및 첨가물의 함량을 선택함으로써 결정된다. 그러한 케이블은 함침을 위해 필요한 시간 주기의 감소에 대한 상당한 가능성을 나타내지만, 함침 공정 중에 엄격하게 제어되는 온도 사이클을 여전히 필요로 하게 된다. 함침 공정과 상기 케이블을 이용하는 도중에 대개 상반되는 요구 조건들을 만족시키기 위해 상기 겔화 중합체 첨가물과 유전성 유체를 정합하거나 또는 최선의 방법으로 최적화시키게 된다. 당해 기술분야에서는 함침 온도를 감소시킴과 동시에 상기 DC-케이블에서의 전류 밀도를 증가시키는 것을 상당히 바라고 있다. 증가된 전류 밀도는, 동일한 도체들과 동일한 도체 치수를 이용하면서도 상기 DC-케이블에서 동작 온도를 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 이들 상반된 요구 조건들을 만족시킴으로써 함침 온도와 동작 온도간의 차이를 감소시키게 된다. 따라서, 복잡한 겔화 시스템으로 특정 요구 조건들을 정합시키는 것이 더욱 어렵게 된다. 상기 케이블 절연체의 거의 모든 공극들과 틈새들이 유체에 의해 채워질 뿐만 아니라, 동작 중에 온도가 변동하여 온도 기울기가 형성될 때 상기 유체가 상기 절연체에 유지되어야 함을 명심해야 한다. 오일 및 중합체를 포함한, 다른 목적을 위한 적절한 겔화 시스템이 유럽 특허 공보 EP-A1-0 231 402 에 개시되어 있다. 상기 공보는, 돌출 중합체와 절연체 등의, 모두 고체인 절연체를 포함하는 케이블에서의 어떤 틈새도 차단하며 양호한 실링을 보장하기 위해 캡슐로써 이용되기 위한 열 가역성 겔화 특성을 가지며 서서히 형성되는 겔-형성 혼합물을 개시하고 있다. 서서히 형성되는 열 가역성 겔화 혼합물은 나프테닉 또는 파라피닉 오일에 중합체의 혼합물을 포함할 뿐만 아니라, 오일에 공-단위체 및/또는 블록 공중합체를 더 혼합한 혼합물을 이용하는 실시예들은, 그들의 하이드로포빅 성질과 캡슐 자신의 최대 동작 온도이하의 온도에서 틈새로 그들을 채워넣을 수 있기 때문에 캡슐로서 적당한 것으로 판단된다. 또한, 예를 들어, 케이블의 길이 방향으로 물이 들어가고 확산되는 것을 방지하기 위한 캡슐로서 이용하는 등의, 동일한 목적을 위한 유사한 겔-형성 혼합물도 유럽 특허 공보 제 EP-A1-0 058 022 호 및 EP-A1-0 586 158 호로부터 알 수 있다.

따라서, 좁은 온도 범위 내에서, 고온에서 열-가역성 액체-겔 전이를 갖는 유전체 겔화 혼합물을 제공하는 것이 바람직하다. 상기 겔화 혼합물은 함침을 강화할 수 있으며 함침 시간을 줄일 수 있는 특성들을 나타내어야 한다. 상기 장치가 동작하도록 설계된 온도 범위 내에서 높은 점도를 나타냄으로써, 열 사이클링시 및/또는 온도 기울기하에서, 공극들이 이동하며 형성되는 위험을 감소시키게 된다. 열 사이클링시의 부피 변화는 감소되어야 한다. 더욱 중요한 것은, 함침 공정후의 냉각시 수축현상 및 이러한 수축 현상과 관련된 어떤 문제도 감소되어야 한다. 또한, 상기 겔화 혼합물은 이러한 열적, 역학적 및 전기적 특성들 및 이들 특성들에서의 안정성을 나타냄으로써, 예를 들어, 상기 장치에 이용된 동작 전압 및 전류 밀도에서의 증가 등의, 부하에서의 증가에 대해 견딜 수 있어야 한다.

전력을 전송하며 배급하기 위한 많은 1차 전기 공급 시스템들은 DC 기술에 기초하고 있다. 그러나, 이들 DC 시스템들은 교류인 AC 를 이용하는 시스템에 의해 대체되고 있다. 상기 AC 시스템들은 생성, 전송 및 배급 전압들간에서 용이하게 변압할 수 있는 바람직한 특징을 가지고 있다. 금세기의 상반기에 있어서 현대 전기 공급 시스템의 발전은 AC 전송 시스템에 거의 기초하고 있다. 1950 년대에는, 장거리 전송 계획에 대한 요구가 점차 증가하였으며, DC 에 기초한 시스템을 채택함으로써 어떤 경우에 있어서는 이득을 얻을 수도 있다는 것이 명백하게 되었다. 상기 예상된 잇점들은 상기 AC 시스템의 안정성과 관련하여 발생되는 문제점들의 감소, 상기 시스템의 전력 인자(power factor)가 항상 일치할 때에 장비의 더 효율적인 이용 및 더 높은 동작 전압에서 소정의 절연 두께 또는 클리어런스(clearance)를 이용하는 능력을 포함하게 된다. 이들 매우 중요한 잇점들에 대항하여, AC 를 DC 로 전환하기 위한 장비 및 DC 를 다시 AC 전환하기 위한 열 장비의 비용을 신중히 고려해야 한다. 그러나, 소정의 전송 전력에 대해, 상기 열 비용은 일정하므로, 원거리 발전소로부터 소비자들에게 전송하기 위한 시스템들 뿐만 아니라, 전송 장비에서 절약되는 비용이 말단 공장(terminal plant)의 비용을 초과하는 전송 거리를 갖는 다른 계획들과 도서 지역에 전송하기 위한 시스템들 등의, 장거리가 개입된 계획들의 경우, DC 전환 시스템은 경제적으로 된다. DC 동작의 중요한 이득은 유전체 손실을 거의 제거함으로써, 효율 면에서의 상당한 이득과 장비 면에서의 비용 절약을 제공하게 된다. 상기 DC 누설 전류는 전류 레이팅 계산에서 무시될 수 있는 작은 크기로 되지만, AC 케이블에서의 유전체 손실은 전류 레이팅에서 상당한 감소를 일으키게 된다. 이는 더욱 높은 시스템 전압에 대해 상당히 중요하게 된다. 이와 유사하게, 높은 정전 용량은 DC 케이블에서는 불이익이 되지 않는다. 통상적인 DC-전송 케이블은, 내부 반도체 실드, 절연체 및 외부 반도체 실드 등의, 복수의 층들을 포함하는 절연 시스템 및 도체를 포함한다. 통상적으로, 제조, 설치 및 이용 중에 물의 침투 및 어떤 역학적 마멸 및 힘들을 견디기 위해 케이싱, 보강물 등으로 상기 케이블을 보강하게 된다. 지금까지 공급된 거의 모든 DC 케이블 시스템들은 해저 횡단 또는 그와 접속된 육지 케이블 등이었다. 장거리 횡단의 경우, 압력 요구 조건으로 인한 길이 상의 제한이 없기 때문에, 대량-함침된 고체 종이 절연형 케이블이 선택되게 된다. 현재까지는 450 kV 의 동작 전압에 대해 공급되었다. 이들 전압들은 가까운 미래에 증가할 것이다. 현재까지는, 전기 절연유로 함침된 거의 모든 종이 절연체가 이용되었지만, 폴리프로필렌 종이 적층물 등의, 적층 재료의 애플리케이션은 철저히 연구되고 있다. AC 전송 케이블의 경우에서와 같이, 과도 전압은 DC 케이블의 절연 두께를 결정할 때에 고려해야 할 인자로 된다. 상기 케이블이 최대 부하를 전송할 때에 동작 전압과 반대 극성의 과도 전압이 상기 시스템에 가해지는 경우에 가장 부담이 되는 상태가 발생하게 되는 것을 발견하게 되었다. 상기 케이블이 고가선 시스템에 접속되는 경우, 이러한 상태는 순간적인 과도 현상의 결과로서 발생하게 된다. 예를 들어, 100 kV 이상의 전압 등의, 고전압에서 동작하도록 설계된 전송 또는 배급 케이블과 같은 상업적으로 이용 가능한 절연 전기 DC-케이블은, 셀룰로오스 또는 종이 섬유에 기초한 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 고체 절연체의 권선 작업 또는 스피닝 및 상기 케이블의 함침 공정을 포함하는 공정에 의해 통상적으로 제조된다. 상기 함침 공정, 소요 시간 및 이와 관련한 제어 공정은 상기 설명에서 이미 설명하였다.

따라서, 함침 온도에 가까운 높은 동작 온도에서 동작할 때 및/또는 동작 중의 절연체가 상기 절연체내의 실제 온도 기울기 및/또는 열 변동과 함께 고전압 직류 전류 필드를 받게 되는 상황하에서, 안정적인 유전체 특성을 보장하는 전기 절연 시스템을 갖는 절연된 DC-케이블을 제공하는 것이 바람직하게 된다. 상기 이용된 유전성 유체는 높은 점도 지수를 나타내므로, 함침 공정 중에는 상기 유전성 유체가 예를 들어, 함침하기에 적합하며 기술적 및 경제적으로 바람직하다고 생각되는 점도와 같은 충분히 낮은 점도를 갖게 되며, 함침 공정 후에는 예를 들어, 상기 DC-케이블이 동작하도록 설계된 온도 범위내의 모든 온도에서 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 절연체에 상기 절연성 유체가 거의 유지되는 것을 보장하는 점도와 같은 높은 점도 및 탄성을 가지게 된다. 따라서, 상기 DC-케이블은 상기 범위 내에서 안정적인 유량 특성과 유량 반응을 보장하기 위해 함침 공정이전과 함침 공정 중에 충분히 낮은 점도를 가지며, 예를 들어, 수 백 오더의 Pas 또는 그 이상의 변화와 같은 함침 공정시의 상당한 변화를 나타내는 유전성 유체를 포함해야 한다. 이러한 높은 점도 지수를 나타내는 유체로 함침된 DC-케이블은 상기 절연 시스템의 함침을 위해 장시간이 소요되는 배치-처리(batch-treatment) 시간을 상당히 감소시킬 수 있는 기회를 제공하게 된다. 따라서, 제조 시간을 상당히 감소시킬 수 있는 가능성을 제공함으로써, 제조 비용을 상당히 줄일 수 있게 된다. 함침된 종이를 기제로 한(paper-based) 절연체를 포함하는 종래 DC-케이블의 신뢰성, 낮은 유지 보수 필요 조건들 및 긴 작업 수명을 유지하거나 또는 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 상기 DC-케이블은 안정적이며 일정한 유전체 특성과 높고 일정한 전기 강도를 가지며, 추가 잇점으로써 전기 강도에서의 증가를 견딜 수 있게 됨으로써, 동작 전압의 증가, 향상된 조작성 및 케이블의 견고성을 제공하게 된다.

발명의 개요

본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은 상술한 바람직한 특징들을 가지며 고온에서 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내는 유전성 겔을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은, 청구항 1 의 전문에 따른 유전체 겔의 경우, 청구항 1 특징부의 특징들에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 유전체 겔의 추가 전개들은 추가 청구항 2 내지 25 의 특징들에 의해 설명된다. 또한, 본 발명의 목적은 전기 장치에서 이러한 겔의 이용을 제공하는 것이다. 이는 청구항 26 내지 28 에 따라 달성된다. 더욱 자세하게는, 본 발명의 목적은 자신의 함침된 절연 시스템에 함침재로서 이러한 유전성 겔을 포함한 절연 전기 장치를 제공하는 것이다. 이는 청구항 29 의 전문에 따른 장치의 경우 청구항 29 의 특징들에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 DC-케이블의 추가 전개들은 추가 청구항 30 - 38 의 특징들에 의해 설명된다. 추가 청구항 39 내지 49 는 본 발명에 따른 전기 정치를 제조하는 방법을 설명한다.

발명의 설명

본 발명의 중요한 목적은, 전이 온도 Tt 에서 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내는, 유전체 겔화 혼합물로 달성되고, 상기 겔은 오일 및 젤라터를 포함하며, 나노미터(nm) 범위의 입자 크기, 바람직하게는, 1000 nm 이하의 입자 크기를 갖는 미세한 유전성 입자들에 더하여 중합체 화합물 분자들을 갖는 결합된 젤라터 시스템을 본 발명에 따라 포함한다. 1 내지 1000 nm 의 입자 크기가 적당하고, 10 내지 100 nm 의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다. 오일 및 젤라터를 포함하는 상기 유전체 겔화 혼합물은 전이 온도 Tt 에서 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내고, Tt 이하의 온도에서의 상기 겔 혼합물은 매우 높은 점탄성 겔 상태로 되며, Tt 이상의 온도에서는 자유롭게 흐르는 거의 뉴턴 상태의 액체로 된다. 상기 중합체와 오일은 서로 반응하여, 상기 전이 온도 Tt 이하의 온도에서 3차원의 물리적 교차 결합된 겔 상태의 네트워크를 성장시키게 된다. 통상적으로, 상기 전이 온도 Tt 는 50 ℃ 이상의 좁은 온도 범위로 되며, 70 ℃ 내지 150 ℃ 의 온도 범위로 되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 결합된 젤라터와 오일간의 겔화 반응을 통해 형성된 오일내의 더 길어진 및/또는 더 분기된 중합체 분자들 또는 교차 결합된 다리들의 겔 상태 네트워크는 성장된 물리적 결합에 의해 특징지어 진다. 상기 네트워크는 상기 오일의 점도 지수를 증가시키므로, 상기 전이 온도 Tt 이하의 온도에서 본 발명에 따른 오일내의 겔 상태 네트워크는 탄성 겔의 특성들을 나타내게 된다.

일 실시예에 따르면, 상기 미세한 입자들은 겔 상태의 중합체 네트워크 내에 포획된다. 상기 입자들은 네트워크에 기계적으로 고정되거나 또는 겔 상태의 중합체 네트워크에 물리적으로 결합되게 된다. 다른 방법으로는, 상기 중합체 분자들이 미세한 입자들 상에 접붙임 되거나, 다른 종류의 물리적 및 화학적 결합을 갖는 블렌드들도 입자, 중합체 분자 및 오일의 성질에 따라 알맞게 될 수 있다. 상기 미세한 입자들은, 겔 상태 네트워크 내에 균일하게 분포되며 상기 겔 상태 네트워크와 절연 시스템의 보강재를 제공하는 것이 바람직하다. 상기 보강재는 전기적이며 기계적이다. 본 발명에 따라 이용된 상기 결합된 젤라터 시스템의 다른 잇점은 자신의 겔화 반응 속도를 변경할 수 있어, 원하는 경우에는 상당히 더 느려진 지연 겔화 반응을 할 수 있는데, 어떤 경우에는 상기 지연이 24 시간을 초과하기도 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 유전체 겔화 혼합물은 실리카를 포함한다. 또한, 상기 겔화 혼합물은, 알루미나, 산화 지르코늄, 칼슘염(calcia) 및 다른 산화물들, 질화 실리콘, 카본의 전기 절연 형태, 제올라이트, 언익스팬디드 및 익스팬디드 운모, 점토, 활석 등의 적합한 전기 및 열 특성들을 갖는 다른 유전체 무기물 입자들을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 입자들은 상술한 재료들 중의 어느 것으로 코팅될 수도 있으며, 상기 코팅이 예를 들어, 실리카로 코팅된 미세한 입자의 티타늄과 같은, 금속 재료들 상에 도포될 수도 있다. 또한, 상기 미세한 입자들은 예를 들어, 셀룰로우스 분말 또는 미정질 셀룰로우스 등의, 셀룰로우스를 기제로 한 재료 등의, 유기물 재료를 포함할 수도 있다. 통상적으로, 상기 유전성 유체로는 여러 겔화 첨가물들이 첨가되는 전기 절연유가 있다. 통상적으로, 대부분의 오일을 위한 적합한 겔화 혼합물로는 다음과 같은 화합물이 있다;

-수소 결합을 성장시키는 경향을 갖는 극성 세그먼트를 포함하는 화합물, 바람직하게는, 극성 세그먼트 및 긴 비극성 탄화수소 사슬을 포함하는 화합물,

-설탕을 기제로 하는 화합물,

-요소 또는 디-우레어(di-urea)를 포함하는 화합물,

-블록 공중합체를 포함하는 화합물.

아직 공개되지 않은 국제 특허 출원 PCT/SE97/01095 의 상술한 중합체 화합물은 적어도 어떤 유전성 유체를 기제로 한 광유에 이용될 수 있는 잇점을 가진다. 폴리알킬실록산을 포함한 겔화 첨가물들은 적어도 유전성 유체를 기제로 한 실리콘 오일과는 잘 어울리며, 셀룰로우스를 기제로 한 화합물을 포함한 겔화 첨가물은 적어도 어떤 유전성 유체를 기제로 한 식물성 오일과는 어울리게 된다. 또한, 일 실시예에 따르면, 상기 겔화 혼합물도 함침을 더욱 향상시키기 위해 추가 계면 활성제를 포함한다.

미세한 유전체 입자들에 더하여 중합체 화합물 분자들을 갖는 결합된 젤라터 시스템 및 오일을 포함하는, 상술한 겔화 유전체 혼합물은, 하나 이상의 도체들을 구비하는 전기 장치에서의 절연 시스템의 일부분으로서 이용하기에 적합하다. 겔화 후에 혼합물의 탄성 겔에 분산된 상기 유전체 입자 때문에, 상기 유전체 입자들의 양과 부피가 충분한 경우, 유전체 겔화 혼합물을 포함한 겔 상태의 형체로 이루어진 절연 시스템을 생각할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 상기 유전체 겔화 혼합물은, 케이블, 변압기 또는 커패시터내의 전극들간의 유전체 등의, 유전체 겔화 혼합물로 함침된 다공질, 섬유상 및/또는 적층 유전체 형체를 포함하는 절연 시스템에서 함짐재로서 포함된다. 여기서, 본 발명에 따라 이용된 상기 결합된 젤라터 시스템은 자신의 겔화 반응 속도를 변경할 수 있어, 원하는 경우에는 상당히 더 느려진 지연 겔화 반응을 할 수 있는데, 어떤 경우에는 상기 지연이 24 시간을 초과하기도 하는 잇점이 있다. 이로 인해, 본 발명에 따른 겔화 혼합물 형태의 겔화 함침재를 포함하는 절연체가 이용되는 경우 수축을 감소시키게 된다. 따라서, 상기 "후충만 공정"(post-filling)이 덜 중요하게 된다.

적어도 하나의 도체 및 함침된 절연 시스템을 갖는 DC-케이블로서, 상기 절연 시스템은 유전체 겔화 혼합물로 함침된 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조를 갖는 고체상의 전기적으로 절연하는 유전체부를 포함하고, 상기 유전체 겔화 혼합물은 미세한 유전체 입자들에 더하여 중합체 화합물 분자량을 갖는 결합된 젤라터 시스템 및 오일을 포함하여, 절연 DC-케이블과 관련하여 본 발명의 태양에 따라 설정된 상기 목적들을 만족하게 된다. 상기 유전체 겔화 혼합물은 나노미터 범위의 입자 크기를 갖는 유전체 입자들 및 중합체 화합물 분자들을 포함한 결합된 젤라터 시스템 및 광유를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 중합체 분자들이 미세한 입자들 상에 접붙임 되거나, 다른 종류의 물리적 및 화학적 결합을 갖는 블렌드들도 입자, 중합체 분자 및 오일의 성질에 따라 알맞게 될 수 있다. Tt 이하의 온도에서 냉각한 후, 겔 상태 네트워크의 형성시, 상기 겔 상태 네트워크에 상기 입자들이 포획되는 시스템이 바람직하며, 상기 겔 상태 네트워크 및 전체 절연 시스템의 안정성 및 보강을 제공하게 된다. 상기 유전체 겔화 혼합물내의 성분들과 오일이 서로 반응하여, 상기 전이 온도 Tt 이하의 온도에서 3차원의 물리적 교차 결합된 네트워크를 성장시키게 된다. 통상적으로, 상기 전이 온도 Tt 는 30 ℃ 이상의 좁은 온도 범위로 되며, 50 ℃ 내지 120 ℃ 의 범위 내에 존재하는 것이 바람직하다. 일 실시예에 따르면, 상기 유전체 겔화 혼합물은, 상기 유전체 겔화 혼합물이 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조의 표면과 서로 반응하도록 선택되고, 상기 유전체 겔화 혼합물과 상기 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조간의 반응은, 충만 공정 시에 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조 내에 공극들 및 모세관 틈새들에 오일 침투를 증가시키는 조건을 제공하거나 또는 고온, 변동하는 온도 및/또는 상당한 온도 기울기하에서 동작시에 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조 내에 오일 유지를 증가시키는 조건을 제공할 수 있다. 따라서, 자신의 성질에 따라 상기 절연체 고체부와 반응함으로써, 충만 공정시에 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조내의 공극들 및 모세관 틈새들에 오일 침투에서의 증가로 인한 함침 시간 기간을 단축하는 향상된 웨팅(wetting)을 제공하게 된다. 또한, 상기 반응은 다른 상황하에서도 고온, 변동하는 온도 및/또는 상당한 온도 기울기하에서 동작시에 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조 내에 오일 유지를 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따라 이용된 결합된 젤라터 시스템의 다른 잇점은, 그들의 겔화 반응 속도를 변경할 수 있어, 원하는 경우에는 상당히 더 느려진 지연 겔화 반응을 할 수 있는데, 어떤 경우에는 상기 지연이 24 시간을 초과하기도 한다. 이로 인해, 본 발명에 따른 겔화 혼합물을 포함한 DC 케이블의 경우보다 수축현상을 더욱 감소시킬 수 있게 된다. 따라서, 상기 "후충만 공정"이 덜 중요하게 된다.

일 실시예에 따르면, 상기 DC-케이블에 함침재로서 이용된 유전성 겔화 혼합물은 블록 공중합체 및 미세한 유전체 입자들을 포함한 결합된 젤라터 시스템 및 광유를 포함한다. 적절한 전기 및 열 특성들을 갖는 입자들로는, 실리카, 알루미나, 산화 지르코늄, 칼시아(calcia) 및 다른 산화물들, 질화 실리콘, 전기 절연형의 카본, 제올라이트, 언익스팬디드 운모 및 익스팬디드 운모, 점토, 활석 등의 무기물 입자들과, 셀룰로우스 분말 또는 미정질 셀룰로우스 등의 셀룰로우스를 기제로 한 재료들과 같은 유기물 재료 및 실리카로 코팅된 미세한 입자의 티타늄 등의 금속 재료상에 코팅을 도포할 수 있는 상술한 재료들 중에서 어느 한 코팅을 포함하는 코팅된 입자들이 알려져 있다. 상기 중합체로는 폴리스티렌, 스티렌-부타디엔-스티렌 또는 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌의 디- 또는 트리 블록 공중합체가 있다. 상기 케이블은, 적당하다고 판단되는 경우 상기 도체내부와 주위의 어떤 틈새들을 충만하기 위해 물 팽창 분말 또는 보강 및 실링 화합물로 보강될 수 있으며, 다른 금속/중합체 인터페이스는 상기 인터페이스를 따라 물이 확산하는 것을 방지하기 위해 실링되게 된다.

오일 및 젤라터를 포함하며 전이 온도 Tt 에서 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내는 유전체 겔화 혼합물로 함침된 절연 시스템을 갖는 본 발명에 따른 DC-케이블 등의, 절연 전기 장치의 제조 방법으로서, 상기 겔화 혼합물이 Tt 이하의 온도에서 매우 높은 점탄성 겔 상태로 되며, Tt 이상의 온도에서는 자유롭게 흐르는 거의 뉴턴 상태의 액체로 되는 것을 특징으로 하는 방법은;

-도체 및 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조의 서로 결합된 고체상의 전기 절연 재료를 제공하는 단계;

-상기 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조를 유전성 유체로 함침하는 단계;

-상기 장치가 동작하도록 설계된 어떤 조건하에서도, 상기 유체에 겔의 매우 높은 점성 및 탄성을 주는 젤라터의 존재 하에 상기 유전체 겔화 혼합물을 겔화하는 단계를 포함하고, 나노미터 범위의 입자 크기를 갖는 미세한 유전체 입자들과 중합체 분자들을 포함하는 결합된 젤라터 시스템이 제조된다. 상기 결합된 젤라터 시스템이 함침 공정이전에 오일에 첨가되며, 전이 온도 Tt 이상의 온도에서 상기 함침 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 일 실시예에 따르면, 상기 중합체 분자들은 미세한 유전체 입자들 상에 접붙임 된다. 다른 방법에 따르면, 상기 케이블이 함침 공정 후에 Tt 이하의 온도로 냉각되며, 냉각된 후 겔 상태 네트워크가 상기 겔화 유전체 혼합물 내에 형성됨으로써, 상기 입자들이 상기 겔화 네트워크 내에 포획되게 된다. 상기 입자들이 겔 상태 네트워크 내에 균일하게 분포되는 것이 바람직하다.

일 실시예에 따르면, 상기 결합된 젤라터 시스템은 함침 공정이전에 오일에 첨가되며, 상기 함침 공정은 전이 온도 Tt 이상의 온도에서, 통상적으로는 120 ℃ 이하의 온도에서, 바람직하게는 50 ℃ 내지 120 ℃ 의 온도에서 수행된다.

다른 방법에 따르면, 상기 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조는 함침 공정이전에 결합된 젤라터 시스템으로 전처리되며, 상기 함침 공정은 감소된 온도에서, 통상적으로는 0 ℃ 내지 100 ℃ 의 온도에서, 바람직하게는 20 ℃ 내지 70 ℃ 의 온도에서 수행된다. 젤라터를 포함한 용매 내에 상기 권선형 절연체를 담그거나 또는 젤라터를 포함한 용매로 상기 권선형 절연체를 분무하고, 건조한 후 함침 공정을 수행할 수도 있으나, 겔화 첨가물로 미리 전처리된 테이프로 권선형 절연체를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 테이프들은 테이프 제조용 라인에서 미리 전처리될 수 있지만, 상기 처리 공정을 특별 처리 동작 또는 권선 작업에서 수행할 수도 있다. 이는 모든 종이 테이프, 모든 중합체 테이프 또는 종이 및 중합체 필름 또는 다른 중합체 필름 또는 메시, 웨브 또는 네트의 적층 테이프 등의, 어떤 형태의 테이프에도 동일하게 적용된다. 종이 테이프들은 상기 겔화 첨가물을 포함한 용매로 분무하거나 또는 상기 용매에 담그거나 또는 상기 용매와 상기 종이를 접촉함으로써, 코팅될 수 있다. 상기 겔화 혼합물은, 상기 겔화 첨가물을 상기 중합체에 분무하거나 또는 돌출 시킴으로써, 중합체 필름, 테이프 등에 첨가될 수 있다. 또한, 상기 겔화 혼합물을 포함한 코팅도 상기 중합체 테이프 또는 필름으로 돌출될 수 있다. 따라서, 상기 전처리된 절연체를 포함하는 DC-케이블의 경우, 이 실시예는 상기 오일이 함침 공정의 충만 단계 중에서 중요 기간동안에 자유롭게 흐르는 거의 뉴턴 특성들을 유지하는 것을 보장하며, 상기 겔화 혼합물은, 그 후 상기 오일 및 적어도 상기 오일에 의해 용해된 부분과 접촉할 때, 상기 오일에 매우 높은 점탄성 겔의 특성들을 주는 것을 보장하게 된다. 겔화 혼합물과 유전성 유체의 결합에 따라, 상기 자유롭게 흐르는 유전성 유체에서 매우 높은 점성의 겔로의 변환은 즉시 수행되거나 또는 느리게 수행되거나 또는 심지어 지연될 수도 있다. 즉각적인 변환은, 상기 겔화 혼합물이 상기 유전성 유체에 의해 접촉되어 용해된 후에 상기 변환이 바로 일어나며, 상기 변환 반응 속도는 상기 변환 과정이 신속히 개시되는 것을 의미한다. 또한, 통상적으로, 상기 느린 변환이 유체와 겔화 첨가물간의 접촉 직후에 개시되기도 하지만, 용해 및/또는 변환의 반응 속도에 의해 상기 변환이 느려지기도 한다. 통상적으로, 24 시간에 이르는 지연된 변환은 본 발명에 따른 DC-케이블에 이용된 겔화 시스템, 젤라터 및 정합된 오일에 의해 수행될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 함침 공정 중에 웨팅(wetting)을 더욱 향상시키기 위해 계면 활성제의 존재 하에서 상기 함침 공정을 수행함으로써, 함침 시간을 단축할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라 미세 공극들에 향상된 오일 침투를 할 수 있는 기회를 제공하게 된다. 상기 계면 활성제는 함침 공정이전에 전처리에 의해 다공질, 섬유상 및/또는 적층 구조에 첨가되거나 또는 상황에 따라 적당하다고 사료되는 경우에는 함침 공정이전에 상기 겔화 혼합물 내에 용해되게 된다.

일 실시예에 따르면, 예를 들어, 미세 입자들 및 중합체 화합물 등의 상기 결합된 젤라터 시스템의 다른 구성 요소들이 함침 공정이전에 다른 매체에 첨가되게 된다. 즉, 상기 입자들이 고체부에 첨가되고 상기 중합체가 오일에 첨가되거나 또는 상기 입자들이 오일에 첨가되고 상기 중합체가 고체부에 첨가되는데, 상기 어느 것도 적당하다. 물론, 자연스런 방법은 상기 결합된 젤라터 시스템을 고체부 또는 오일에 첨가하는 방법이다.

다른 실시예에 따르면, 상기 겔화 혼합물이 상기 절연체내에 불균일하게 분포되어, 상기 겔화 혼합물은 도체 내부로 들어갈수록 증가되는 겔화 첨가물의 농도 기울기를 나타내게 된다. 상기 절연체내에 상기 방법으로 겔화 혼합물을 분포시킴으로써, 몇 가지 중요한 태양들을 향상시킬 수 있다;

-거의 즉각적으로 겔화하는 겔화 시스템에 대해서도 겔화 개시 전에 더욱 완전한 충만 작업을 보장하게 된다.

-예를 들어, 상기 절연체의 손상부가 다른 부분에서 공급된 유체로 함침되는 등의, 자가 치유 능력이 달성된다.

-과부하로 인해 도체 주위의 온도가 상승하는 경우에도 자신의 매우 높은 점탄성 겔 상태를 유지하는 겔로 된 유체를 얻게 된다.

상기 향상된 전기적인 특성들과 기계적인 특성들의 장기간 안정성을 보장하기 위해, 가스 흡수 첨가물이 상기 절연 시스템에 포함된다. 적당한 가스 흡수 첨가물로는, 1000 g/mole 이하의 분자량을 갖는 저분자 폴리이소부텐이 있다.

본 발명에 따른 DC-케이블은, 함침된 다공질, 섬유상 및/또는 적층체를 포함한 어떤 종래 DC-케이블보다도 같거나 향상된, 장기간 안정성과 일정한 유전체 특성과 높고 일정한 전기 강도를 보장하게 된다. 이는, 상기 장치의 통상적인 설계 목적인 긴 수명 및 상기 장치를 유지하는 데에 있어서의 제한된 액세스 때문에, 특히 중요하게 된다. 상기 결합된 젤라터 시스템에서의 구성 요소들, 다른 첨가물 및 오일, 함침재의 특정 선택과 정합은, 상승한 온도, 과도한 온도 변동 및/또는 온도 기울기하에서 이용될 때에도 상기 절연 시스템의 장기간 안정한 특성들을 보장하게 된다. 따라서, 증가된 전압 및 전류 밀도와 모두 관련된 동작 부하에서의 증가를 허용할 수 있게 된다. 본 발명에 따른 DC-케이블의 추가 잇점은, 본 발명에 따른 DC-케이블에 이용된 젤라터의 계면 활성제적인 성질 때문에, 향상된 웨팅에 의해 제조 시간을 감소시킬 수 있고, 함침 공정 주기를 단축할 수 있게 된다. 또한, 제조 공정중의 온도 민감도는, 상기 결합된 젤라터 시스템의 구성 요소들과 오일의 적절한 선택 및 정합에 의해 상당히 감소될 수 있고, 지연된 겔화를 허용할 수 있게 됨으로써, 후충만 공정의 민감도를 감소시키게 된다.

도면의 간단한 설명

본 발명은 도면들과 예들을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 도 1 은 본 발명에 따른 권선형의 함침된 절연체를 포함하는 전력 전송용 통상의 DC-케이블의 단면도를 도시한다.

바람직한 실시예들, 예들의 설명

도 1 에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 DC-케이블은 중심에서 외부로 향하면서;

-꼬아 만든 다중-배선 도체 (10);

-상기 도체 (10) 주위와 외부 및 도체 절연체 (12) 내부에 배치된 제 1 반도체 실드 (11);

-상술한 바와 같이 겔화 첨가물을 포함하는 권선형의 함침된 도체 절연체 (12);

-상기 도체 절연체 (12) 외부에 배치된 제 2 반도체 실드 (13);

-금속 스크린 (14); 및

-상기 금속 스크린 (14) 외부에 배치된 보호 피복 (15) 을 포함한다. 상기 케이블은 상기 외부 돌출 실드 (13) 외부에 금속 배선 형태의 보강재, 바람직하게는 강철 배선 형태의 보강재로 더 강화되며, 실링용 화합물 또는 물 팽창 분말이 상기 도체 (10) 내부와 주위의 어떤 틈새에도 주입된다.

본 발명의 유전성 겔화 혼합물은 유전성 유체 또는 매스로 함침된 고체상의 다공질 또는 적층부를 포함하는 절연 시스템을 갖는 어떤 임의의 DC-케이블에 대해서도 적용 가능하다. 본 발명의 상기 애플리케이션은 도체 형상과는 관계가 없다. 또한, 어떤 임의의 기능층(들)을 포함한 상기 형태의 절연 시스템을 갖는 DC-케이블의 경우에서도, 상기 층들이 형성된 방법과 관계 없이 본 발명의 애플리케이션을 이용할 수 있다. 또한, 상기 형태의 DC-케이블에 대한 본 발명의 애플리케이션도 상기 케이블을 포함하는 전력 전송용 시스템의 구성에 관계가 없다.

본 발명에 따른 DC-케이블로는 도 1 에 도시된 단일 다중-배선 도체 DC-케이블, 또는 2개 이상의 도체들을 갖는 DC-케이블 등이 있다. 2개 이상의 도체들을 포함한 DC-케이블은, 편평한 케이블 배치에서 나란히 놓인 도체들로 이루어진 어떤 공지된 형태이거나 또는 동심으로 배치된 제 2 외부 도체에 의해 둘러싸인 하나의 제 1 중심 도체를 갖는 2개의 도체 배치로 존재하게 된다. 통상적으로, 상기 외부 도체는 전기 도체 피복, 스크린 또는 실드의 형태로 배치되고, 통상적으로 금속 스크린은 상기 케이블의 유연성을 제한하지 않는다.

본 발명에 따른 DC-케이블은 전력 전송용 바이폴라 및 모노폴라 DC-시스템 또는 장치에서 이용하기에 적합하다. 통상적으로, 바이폴라 시스템은 2개 이상의 결합된 단일 도체 케이블 또는 적어도 하나의 다중 도체 케이블을 포함하지만, 모노폴라 장치는 적어도 하나의 케이블 및 적절한 전류 복귀 경로 배치를 갖게 된다.

예 1

광유 및 결합된 젤라터 시스템을 포함하는 겔화 유전체 혼합물이 개시되었다. 상기 젤라터 시스템은 나노미터 범위의 입자 크기를 갖는 실리카 입자들 상에 접붙임 되거나 흡수된 폴리스티렌 분자들을 포함하였다. 따라서, 상기 젤라터 시스템의 폴리스티렌 분자들은 50 내지 80 ℃ 의 전이 온도 Tt 이하의 온도에서 3차원의 물리적 교차 결합 네트워크를 성장시키기 위해 서로 반응하게 된다. 상기 네트워크내의 결합들은 충분히 강하므로, Tt 50 ℃ 이하의 온도에서 상기 혼합물은 탄성 또는 점탄성 겔과 같이 반응하게 된다. 묶음으로 된 다공질, 섬유상 종이의 블록은, 50 ℃ 이르는 온도에서 다공질, 섬유상 절연체 내부와 종이 층들 사이에서 완전하게 유지되는 상기 겔화 혼합물로 함침되었다.

예 2

예 1 에 개시된 것과 동일한 겔화 혼합물이 한 묶음의 폴리프로펜 필름을 함침하는 데에 이용되었고, 상기 필름들은 고체 형태로 되었다. 상기 겔화 혼합물은 상기 적층 절연체내의 필름 층들 사이에 완전하게 유지되었다.

예 3

예 1 에 개시된 것과 동일한 겔화 혼합물이 한 묶음의 적층 폴리프로펜-종이 시트를 함침하는 데에 이용되었고, 각 시트는 종이 필름으로 적층된 고체 형태의 폴리프로펜 필름을 포함한다. 상기 겔화 혼합물은 상기 절연체의 종이부 내부와 상기 적층 층들 사이에 완전하게 유지되었다.

예 4

광유 및 결합된 젤라터 시스템을 포함하는 겔화 유전체 혼합물이 개시되었다. 상기 겔화 시스템은 나노미터 범위의 입자 크기를 갖는 실리카 입자들 상에 접붙임 되거나 또는 흡수된 스티렌-부타디엔-스티렌 2중 블록 공중합체를 포함하였다. 따라서, 상기 젤라터 시스템의 폴리스티렌 분자들은 50 ℃ 의 상기 전이 온도 Tt 이하의 온도에서 3차원의 물리적 교차 결합된 네트워크를 성장시키기 위해 서로 반응하게 된다. 상기 네트워크내의 결합은 충분히 강하므로, Tt 50 ℃ 이하의 온도에서 상기 혼합물은 탄성 겔 또는 점탄성 겔과 같이 반응하게 된다. 묶음으로 된 다공질, 섬유상 종이의 블록은, 50 ℃ 에 이르는 온도에서 상기 다공질, 섬유상 절연체 내부와 상기 종이 층들 사이에서 완전하게 유지되는 상기 겔화 혼합물로 함침되었다.

예 5

예 4 에 개시된 것과 동일한 겔화 혼합물이 한 묶음의 폴리프로펜 필름을 함침하는 데에 이용되었고, 상기 필름들은 고체 형태로 되었다. 상기 겔화 혼합물은 상기 적층 절연체내의 필름 층들 사이에 완전하게 유지되었다.

예 6

예 4 에 개시된 것과 동일한 겔화 혼합물이 한 묶음의 적층 폴리프로펜-종이 시트를 함침하는 데에 이용되었고, 각 시트는 종이 필름으로 적층된 고체 형태의 폴리프로펜 필름을 포함한다. 상기 겔화 혼합물은 상기 절연체의 종이부 내부와 상기 적층 층들 사이에서 완전하게 유지되었다.

예 7

광유 및 결합된 젤라터 시스템을 포함하는 겔화 유전체 혼합물이 개시되었다. 상기 젤라터 시스템은 나노미터 범위의 입자 크기를 갖는 실리카 입자들 상에 접붙임 되거나 또는 흡수된 스티렌-부타디엔-스티렌 2중 블록 공중합체를 포함하였다. 따라서, 상기 젤라터 시스템의 폴리스티렌 분자들은 50 내지 80 ℃ 의 전이 온도 Tt 이하의 온도에서 3차원의 물리적 교차 결합 네트워크를 성장시키기 위해 서로 반응하게 된다. 상기 네트워크내의 결합들은 충분히 강하므로, Tt 50 ℃ 이하의 온도에서 상기 혼합물은 탄성 또는 점탄성 겔과 같이 반응하게 된다. 묶음으로 된 다공질, 섬유상 종이의 블록은, 50 ℃ 이르는 온도에서 다공질, 섬유상 절연체 내부와 종이 층들 사이에서 완전하게 유지되는 상기 겔화 혼합물로 함침되었다.

예 8

예 7 에 개시된 것과 동일한 겔화 혼합물이 한 묶음의 폴리프로펜 필름을 함침하는 데에 이용되었고, 상기 필름은 고체 형태로 되었다. 상기 겔화 혼합물은 상기 적층 절연체 내의 필름 층들 사이에서 완전하게 유지되었다.

예 9

예 7 에 개시된 것과 동일한 겔화 혼합물이 한 묶음의 적층 폴리프로펜-종이 시트들을 함침하는 데에 이용되었고, 각 시트는 종이 필름으로 적층된 고체 형태의 폴리프로펜 필름을 포함한다. 상기 겔화 혼합물은 상기 절연체의 종이부 내부와 상기 적층 층들 사이에서 완전하게 유지되었다.

예 10

실리카 입자들과 실리카 코팅된 티타늄 입자들을 대신하여 제올라이트 입자들을 이용하는 것을 제외하면, 유사하게 좋은 결과들로 예 1 내지 예 9 를 반복하게 된다. 상기 전이 온도는 50 내지 80 ℃ 범위로 되었다.

상기 언급된 예들의 블렌드들은 안정적인 네트워크의 성장과 고온 액체-겔 전이를 나타낸다. 상기 예들의 결과들은, 본 발명에 따른 DC-케이블에서의 도체 절연체의 함침을 위해 이용된 오일에 상기 젤라터가 첨가되는 경우에는, 종래에 이용된 겔화 함침재와 비교하여 더욱 빨라진 함침 속도와 더욱 낮아진 함침 온도를 이용할 수 있게 된다. 또한, 상기 예들에서 설명된 상기 유지 검사는, Tt 이하의 온도에서 겔화 혼합물이 탄성체로 반응하며, 상기 온도에서 오일은 다공질, 섬유상 내부와 적층 층들 사이에서 완전하게 유지됨을 나타낸다. 종래에 이용된 절연유에 대해 오일 유지에 관한 상기 마지막 검사를 반복하는 것은 상기 묶음 블록으로부터 누설되는 오일의 흐름을 나타낸다. 따라서, 동작 중에 나타나는 공극들의 위험을 상당히 감소시킬 수 있으며, 본 발명에 따른 장치에서의 도체 절연체의 전기적인 특성들이 향상되게 된다. 상기와 관련된 향상점들로 인해, 예를 들어, 상기 절연체가 거의 완전하게 함침되는 것과 같이, 절연체내의 거의 모든 공극들이 유전체 함침재에 의해 충만되는 상술한 유전체 시스템으로 함침된 권선형 종이-절연체를 포함하는 케이블로 된다. 또한, 상기 케이블은, 상승된 온도와 높은 거의 정전 필드에서 이용된 후에도, 채워지지 않은 공극들의 갯수가 적어짐으로써 유전체의 절연 파괴에 덜 민감하게 된다.

Claims (50)

1. 전이 온도 Tt 에서 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내며, 오일 및 젤라터를 포함한 유전체 겔화 혼합물로서, 상기 겔화 혼합물은 Tt 이하의 온도에서 매우 높은 점탄성 겔 상태로 되고, Tt 이상의 온도에서는 자유롭게 흐르는 거의 뉴턴 상태의 액체로 되며,

   상기 젤라터는, 나노미터(nm) 범위의 입자 크기, 바람직하게는 1000 nm 이하의 입자 크기를 갖는 미세한 유전체 입자들에 더하여 중합체 화합물의 분자들을 갖는 결합된 젤라터 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미세한 유전체 입자들은 1 내지 1000 nm 범위내의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 미세한 유전체 입자들은 10 내지 1000 nm 범위내의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 중합체와 오일이 서로 반응하여, 상기 전이 온도 Tt 이하의 온도에서 3차원의 물리적 교차 결합된 겔 상태의 네트워크를 성장시키는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 미세한 입자들은 상기 겔 상태 중합체 네트워크 내에 포획되는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 미세한 입자들은 상기 겔 상태 중합체 네트워크와 물리적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
7. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 중합체 분자들은 상기 미세한 입자들 상에 접붙임 되는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
8. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 미세한 입자들은 상기 겔 상태 중합체 네트워크 내에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
9. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 겔 상태 네트워크는 상기 미세한 입자들에 의해 보강되는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
10. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 전이 온도 Tt 는 30 ℃ 이상의, 바람직하게는 50 ℃ 내지 120 ℃ 의 좁은 온도 범위인 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
11. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 미세한 입자들은 셀룰로우스를 기제로 한 입자들로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 미세한 입자들은 미정질 셀룰로우스로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
13. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 미세한 입자들은 전기 절연 무기물 입자들로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 미세한 입자들은 금속 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 미세한 입자들은 실리카로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
16. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 미세한 입자들은 제올라이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
17. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 미세한 입자들은 점토로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
18. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 중합체 화합물은 수소 결합을 형성할 수 있는 극성 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
19. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 중합체 화합물은 극성 세그먼트들 및 상기 유전성 유체에 용해될 수 있는 선형 비극성 탄화 수소 사슬들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
20. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 중합체 화합물은 설탕을 기제로 한 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
21. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 중합체 화합물은 요소 또는 2중-요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
22. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 중합체 화합물은 블록 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
23. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 중합체 화합물은 폴리알킬실록산을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
24. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 중합체 화합물은 셀룰로우스를 기제로 한 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
25. 선행한 항들 중의 어느 한 항에 있어서,

    계면 활성제인 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.
26. 적어도 하나의 도체를 포함한 전기 장치에서 절연 시스템의 일부로서 선행한 항들 중의 어느 한 항에 따른 유전체 겔화 혼합물의 이용.
27. 제 26 항에 있어서,

    상기 절연 시스템은, 유전성의 견고한 고체부를 제공하는 미세한 입자들을 갖는 유전체 겔화 혼합물을 포함하는 겔 상태 형체로 이루어진 것을 특징으로 하는 절연 시스템의 일부로서 선행한 항들 중의 어느 한 항에 따른 유전체 겔화 혼합물의 이용.
28. 제 26 항에 있어서,

    상기 절연 시스템은 상기 유전체 겔화 혼합물로 함침된 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 유전성 형체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물의 이용.
29. 적어도 하나의 도체 및 함침된 절연 시스템을 갖는 절연 전기 장치로서, 상기 절연 시스템은 오일 및 젤라터를 포함하며 전이 온도 Tt 에서 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내는, 유전체 겔화 혼합물로 함침된 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 구조를 갖는 고체상의 전기 절연 유전체부를 포함하고, 상기 겔화 혼합물은 Tt 이하의 온도에서 매우 높은 점탄성 겔 상태로 되고, Tt 이상의 온도에서는 자유롭게 흐르는 거의 뉴턴 상태의 액체로 되는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 24 항의 어느 한 항에 따른 절연 전기 장치로서,

    상기 유전체 겔화 혼합물은 미세한 유전체 입자들에 더하여 중합체 화합물 분자들을 갖는 결합된 젤라터 시스템 및 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
30. 제 29 항에 있어서,

    상기 유전체 겔화 혼합물은 나노미터 범위의 입자 크기를 갖는 유전체 입자들 및 중합체 화합물 분자들을 포함하는 결합된 젤라터 시스템 및 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
31. 제 29 항 또는 제 30 항에 있어서,

    상기 중합체 분자들은 상기 유전체 입자들 상에 접붙임되는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
32. 제 29 항 또는 제 30 항에 있어서,

    상기 입자들은 Tt 이하의 온도에서 상기 겔 상태 네트워크 내에 포획되는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
33. 제 29 항 내지 제 32 항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 유전체 겔화 혼합물은 상기 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 구조의 표면과 서로 반응하는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
34. 제 29 내지 제 33 항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 유전체 겔화 혼합물은 블록 공중합체 및 미세한 유전체 입자들을 포함하는 결합된 젤라터 시스템 및 광유를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
35. 제 29 항 내지 제 34 항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 유전체 겔화 혼합물은 자신의 백본 구조내에 방향족 고리들을 갖는 하나의 블록 및 올레핀을 기제로 한 블록을 포함하는 블록 공중합체를 포함하는 젤라터 시스템 및 광유를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
36. 제 29 항 내지 제 35 항에 있어서,

    상기 유전체 겔화 혼합물은 폴리스티렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
37. 제 29 항 내지 제 36 항에 있어서,

    상기 유전체 겔화 혼합물은 스티렌-에틸렌/부틸렌-스티렌 3중 블록 공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
38. 제 29 항 내지 제 37 항에 있어서,

    상기 유전체 겔화 혼합물은 스티렌-부타디엔-스티렌 3중 블록 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전기 장치.
39. 오일 및 젤라터를 포함하며 전이 온도 Tt 에서 열-가역성 액체-겔 전이를 나타내는 유전체 겔화 혼합물을 포함하는 제 29 항 내지 제 38 항의 어느 한 항에 따른 절연 전기 장치의 제조 방법으로서, 제 1 항 내지 제 24 항의 어느 한 항에 따라서, 상기 겔화 혼합물은 Tt 이하의 온도에서 매우 높은 점탄성 겔 상태로 되며, Tt 이상의 온도에서는 자유롭게 흐르는 거의 뉴턴 상태로 되는 것을 특징으로 하는 방법으로서,

    상기 방법은,

    -도체 및 서로 결합된 고체상의 전기 절연 재료의 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 구조를 제공하는 단계;

    -상기 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 구조를 유전성 유체로 함침하는 단계; 및

    -상기 장치가 동작하도록 설계된 어떤 조건에서도 상기 유체에 겔의 높은 점성 및 탄성을 주기 위해 젤라터의 존재하에 상기 유전체 겔화 혼합물을 겔화하는 단계를 포함하고,

    나노미터 범위의 입자 크기를 갖는 미세한 유전체 입자들 및 중합체 분자들을 포함하는 결합된 젤라터 시스템이 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
40. 제 39 항에 있어서,

    상기 결합된 젤라터 시스템은 함침 이전에 상기 오일에 첨가되며, 상기 함침 공정은 상기 전이 온도 Tt 이상의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
41. 제 39 항 또는 제 40 항에 있어서,

    상기 중합체 분자들은 상기 미세한 유전체 입자들 상에 접붙임되는 것을 특징으로 하는 방법.
42. 제 39 항에 있어서,

    상기 함침 후에, 상기 케이블이 Tt 이하의 온도로 냉각되고, 상기 냉각 후에, 상기 겔화 유전체 혼합물 내에 겔 상태 네트워크가 형성됨으로써, 상기 입자들이 상기 겔 상태 네트워크에 포획되는 것을 특징으로 하는 방법.
43. 제 42 항에 있어서,

    상기 입자들이 상기 겔 상태 네트워크에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 방법.
44. 제 39 항 내지 제 43 에 있어서,

    상기 함침은 120 ℃ 이하의 온도에서, 바람직하게는 50 ℃ 내지 120 ℃ 의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
45. 제 39 항 내지 제 44 항에 있어서,

    상기 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 구조는 함침 이전에 상기 결합된 젤라터 시스템으로 전처리되며, 상기 함침은 감소된 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
46. 제 45 항에 있어서,

    상기 전처리된 구조의 함침은 0 ℃ 내지 100 ℃ 의 온도에서, 바람직하게는, 20 ℃ 내지 70 ℃ 의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
47. 제 39 항 내지 제 46 항에 있어서,

    상기 함침은 계면 활성제의 존재하에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
48. 제 47 항에 있어서,

    상기 다공질, 섬유상 및/또는 적층된 구조는 함침 이전에 상기 계면 활성제로 전처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
49. 제 47 항에 있어서,

    상기 계면 활성제는 함침 이전에 상기 겔화 혼합물에 용해되는 것을 특징으로 하는 방법.
50. 제 1 항 내지 제 25 항에 있어서,

    저분자 폴리이소부텐 등의, 가스 흡수 첨가물인 것을 특징으로 하는 유전체 겔화 혼합물.