KR20050006293A - 내충격성 컴팩트 케이블 - Google Patents

내충격성 컴팩트 케이블 Download PDF

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KR20050006293A
KR20050006293A KR10-2004-7020983A KR20047020983A KR20050006293A KR 20050006293 A KR20050006293 A KR 20050006293A KR 20047020983 A KR20047020983 A KR 20047020983A KR 20050006293 A KR20050006293 A KR 20050006293A
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cable
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predetermined voltage
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벨리세르지오
도나찌파브리지오
바레지알베르토
비슬레리세자레
마린카를로
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피렐리 앤 씨. 에스.피.에이.
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Abstract

본 발명은 도체, 상기 도체를 둘러싸고 케이블이 기 설정된 전압 등급에 포함된 공칭 전압에서 작동될 때 기 설정된 전기 스트레스를 제공하도록 선택된 두께를 갖는 절연층, 및 상기 도체 주위로 기 설정된 내충격력을 제공하도록 선택된 두께와 기계적 성질을 가지며 상기 도체를 둘러싸고 적어도 하나의 팽창 폴리머층을 포함하는 보호요소를 포함하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블에 관한 것이다. 상기 절연층의 두께와 상기 보호요소의 두께는 전체 케이블 무게를 최소화하면서 50J 에너지의 충격시에 파악가능하게 절연층이 손상되지 않도록 조합하여 선택된다. 본 발명은 또한 케이블 설계방법에 관한 것이다.

Description

내충격성 컴팩트 케이블{Impact Resistant Compact Cable}
본 발명은 케이블에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중전압 또는 고전압에서의 전력 송전용 또는 전력 배전용 전기 케이블에 관한 것이다.
보다 더 상세하게, 본 발명은 설계에서 고도의 내충격성 및 콤팩트성(compactness)을 겸비하는 전기 케이블에 관한 것이다.
본 명세서에서, 용어 "중전압"은 일반적으로 약 10 에서 약 60kV까지 전압을 말하는데 사용되고, "고전압"은 60kV 이상의 전압을 말하는데 사용된다(매우 높은 전압도 또한 약 150 또는 220kV에서, 500kV 까지 또는 그 이상의 전압을 정의하기 위해 해당기술분야에 때때로 사용된다); 용어 "저전압"은 10kV 미만, 일반적으로는 100V 이상의 전압을 말하는데 사용된다.
또한, 본 명세서에서 용어 "전압 등급(voltage class)"은 해당하는 전압 범위(예를 들어, 저전압(LV), 중전압(MV) 또는 고전압(HV))에 포함되는 특정한 전압수치(예를 들어, 10kV, 20kV, 30kV 등)를 나타낸다.
중전압 또는 고전압에서 전력 송전 또는 전력 배전용 케이블들은 일반적으로 각각 제 1 내부 반도체층, 절연층 및 외부 반도체층으로 둘러싸인 금속 도체를 갖는다. 다음의 본 명세서에서, 상기 기 설정된 요소들의 순서는 "코어(core)"로 표시된다.
상기 코어의 반경방향 외부 위치에는, 주로 알루미늄, 납 또는 구리로 된 금속 실드(또는 스크린)가 케이블에 제공되고, 상기 금속 실드는 상기 코어의 반경방향 외부에 위치되며, 상기 금속 실드는 일반적으로 튜브형으로 형성되고 밀봉을 보장하기 위해 용접되거나 봉해지는 연속한 튜브 또는 금속 테이프로 구성된다.
상기 금속 실드는, 한편으로는, 반경방향으로 물이 침투하는 것에 대한 장벽을 삽입함으로써 케이블의 외부에 대하여 밀봉을 제공하고, 다른 한편으로는, 케이블 내부에서, 금속 실드와 상기 코어의 외부 반도체 층 사이가 직접 접촉한 결과로서, 반경방향 형태의 균일한 전기장을 만들고, 이와 동시에 상기 케이블의 외부 전기장을 제거하는 전기적 기능을 수행하는 2가지 기능을 갖는다. 또 다른 기능은 단락 전류를 견디는 기능이다.
단극 형태의 구성에서, 상기 케이블은 상술한 금속 실드의 반경방향 외부 위치에 폴리머 압출방식층(polymeric oversheath)을 최종적으로 갖는다.
또한, 전력 송전 또는 배전용 케이블에는 일반적으로 외표면에서 발생할 수 있는 우발적인 충격들로부터 상기 케이블을 보호하는 하나 이상의 층들이 제공된다.
케이블상의 우발적인 충격들로는, 예를 들어, 케이블의 수송 중에 또는 땅을 판 참호에 케이블을 매설하는 단계 중에 발생할 수 있다. 상기 우발적인 충격들은 절연층의 변형과 반도체층들로부터 절연층의 분리, 상기 절연층의 절연능력에 있어서 그에 따른 저하로 상기 절연층의 전압 스트레스에서의 변화를 초래할 수 있는 손상들을 포함하여 케이블에 일련의 구조적 손상을 유발시킬 수 있다.
시장에서 현재 구매가능한 케이블들, 예를 들어 저전압 또는 고전압 송전 또는 배전용 케이블들에 있어서, 상기 충격에 견딜 수 있는 금속 방호층이 주로 우발적인 충격에 의해 유발되는 가능한 손상들로부터 상기 케이블을 보호하도록 제공된다. 일반적으로, 상기 방호층은 (바람직하게는 스틸(steel)로 제조된) 테이프 또는 와이어 형태이거나, 대안으로 (바람직하게는 납 또는 알루미늄으로 제조된) 금속 외장의 형태이다. 이러한 케이블 구조의 예가 미국특허 제5,153,381호에 설명된다.
본 출원인 명의 유럽특허 No 981,821은 우발적인 충격들에 대한 큰 저항을 상기 케이블에 부여하기 위해 팽창 폴리머 재료층이 제공되는 케이블에 관한 것으로, 상기 팽창 폴리머 재료층이 바람직하게는 케이블 코어의 반경방향 외부에 도포되는 것을 개시하고 있다. 상기 제안된 기술적 방안은 종래 금속 방호층의 사용을 피함으로써, 케이블의 무게를 줄일 뿐만 아니라 케이블의 제조공정을 더 용이하게 한다.
유럽특허 No 981,821은 구체적인 케이블 코어의 설계를 개시하지 않고 있다.
실제로, 케이블 코어의 구성요소들은 공지된 표준에 따라(예를 들어, 하기의 명세서에서 언급된 IEC 표준 60502-2에 따라) 선택되고 치수화된다.
본 발명에 따르면, 본 출원인은 특정한 설계의 팽창 보호물의 사용은 다른 보호 타입들을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 더 작은 절연크기를 사용할 수 있게 함으로써, 신뢰도를 저하시키지 않고도 더 컴팩트한 케이블을 얻을 수 있다.
또한, 전력 송전 또는 배전용 케이블들은 일반적으로 케이블의 내부(즉, 코어)를 향하여 물이 침투하는 것을 차단하기 위한 장벽효과를 보장하는 하나 이상의층들이 제공된다.
케이블 내부로 물이 들어오는 것은 특히 바람직하지 못한데, 이는 물을 막도록 설계된 적절한 방안들이 없는 경우에, 물이 침투한 후에, 케이블 내부에서 자유롭게 흐를 수 있기 때문이다. 이는 특히 부식 문제가 케이블 내부에 나타날 수 있고 또한 (특히 케이블이 가교 폴리에틸렌으로 제조된 경우) 절연층의 전기적 특성들의 악화와 함께 가속화된 노화문제가 발생할 수 있듯이 케이블의 무결성에 해롭다.
예를 들어, 주로 인가된 전압에 의해 생성된 전기장의 결합 작용에 의해 브랜치 구조("트리(tree)")에서 미세한 채널의 형성과, 상기 절연층 내에 침투했던 습기의 형성이 있는 "워터 트리잉(Water treeing)" 현상이 알려져 있다. 예를 들어, "워터 트리잉" 현상은 본 출원인 명의 유럽특허 제750,319호 및 제814,485호에 설명되어 있다.
따라서, 이는 케이블 내부에 물이 침투하는 경우 케이블은 교체되어야만 하는 것을 의미한다. 또한, 일단 물이 상기 케이블의 일단에 전기연결된 조인트들, 단자들 또는 임의의 다른 장비에 도달된 후에, 물은 케이블이 제 기능을 수행하지 못하게 할 뿐만 아니라 상기 장비를 손상시켜, 대부분의 경우, 경제적 면에서 뒤집을 수 없는 중대한 손상을 유발한다.
물의 케이블 내부로의 침투는 여러가지 원인들을 통해서, 특히, 상기 케이블이 지하 매설의 일부분일 형성할 때 발생할 수 있다. 이러한 침투는, 예를 들어, 케이블의 폴리머 압출방식층을 통한 물의 단순한 확산 또는 마모, 우발적인 충격또는 설치류의 활동의 결과, 상기 케이블의 압출방식층의 절단 또는 심지어 파열 및 이에 따른 케이블 내부로 물의 침투에 대한 바람직한 경로의 생성을 초래할 수 있는 요인들에 의해 발생할 수 있다.
상기 문제들를 착수하는 많은 방안들이 알려져 있다. 예를 들어, 고려되는 케이블의 타입에 따라 케이블 내부의 여러 위치에 배치되는 분말 또는 젤 형태의 소수성(hydrophobic) 및 수팽윤성(water swellable) 화합물이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 화합물들은 금속 실드의 반경방향 내부 위치에, 더 정확하게는 케이블 코어와 상기 케이블 코어의 금속 실드 사이 위치에, 또는 상기 코어의 반경방향 외부위치에, 일반적으로 폴리머 압출방식층 바로 아래 위치에 또는 상술한 위치들 모두에 동시에 배치될 수 있다.
물과 접촉한 결과, 수팽윤성 화합물들은 부피가 팽창하는 능력을 가지므로, 물의 자유로운 흐름에 대한 물리적 장벽을 삽입함으로써 물의 길이방향 및 반경방향 침투를 방지한다.
본 출원인 명의 참조문헌 WO 99/33070은 케이블의 금속 스크린 바로 아래 위치에 케이블의 코어와 직접 접촉하게 배열되고, 도전성 요소와 금속 스크린 사이에 필수적인 전기적 연속성의 보장을 목적으로 기 정의된 반도체 성질을 가지는 팽창 폴리머층의 사용을 개시하고 있다.
참조문헌 WO 99/33070에서 직면되는 기술적 문제는 케이블의 커버링 층들이 케이블이 통상적인 사용중에 받게 되는 많은 열싸이클로 인해 기계적 팽창과 수축을 연속적으로 받는다는 것이었다. 수반되는 전류 세기에서의 낮동안의 변화에 의해 유발되는, 케이블 자체 내부에 해당 온도변화와 관련되는 상기 열 싸이클은 상기 각각의 층들 및 이에 따른 금속 스크린에 영향을 끼치는 케이블 내부의 반경방향 스트레스의 발달을 초래한다. 따라서, 이는 케이블이 스크린과 외부 반도체층 사이의 빈 공간 형성 및 전기장에서의 가능한 불균일성의 발생, 또는 심지어 시간 경과에 따라 스크린 자체가 파열되는 관련된 기계적 변형들을 받을 수 있음을 의미한다. 이 문제는 금속 스크린에 대한 가능한 손상을 방지하기 위해, 금속 스크린 아래에, 케이블을 따라 탄성적으로 균일하게 상술한 팽창/수축의 반경방향 힘들을 흡수할 수 있는 팽창 폴리머층을 삽입함으로써 해결되었다. 또한, 참조문헌 WO 99/33070은, 금속 스크린 아래에 위치된 상기 팽창 폴리머 재료 내부에, 상기 금속 스크린 아래에 균일하게 상기 케이블의 내부에 침투될 수도 있는 습기 및/또는 소량의 물을 차단할 수 있는 수팽윤성 분말재료가 채워지는 것을 개시하고 있다.
하기의 본 명세서에서 더 상세히 환기되는 바와 같이, 케이블, 케이블의 횡단면 및 상기 케이블 절연층의 절연재료에 인가된 동일한 전압조건에서, 케이블 절연층 두께의 감소는 상기 절연층에 걸리는 전압 스트레스(전기 그래디언트)를 증가시키게 한다.
따라서, 일반적으로 주어진 케이블의 절연층은 상기 주어진 케이블의 사용 카테고리에 규정된 전기 스트레스 조건들을 견딜 수 있도록 설계, 즉 치수화된다.
일반적으로, 케이블은 적절한 안전요인이 포함되도록 요구되는 절연층 두께보다 더 큰 절연층 두께를 제공하도록 설계되지만, 케이블의 외표면상에 발생하는 우발적인 충격은 절연층의 영구적인 변형을 유발할 수 있고, 충격 영역에 해당하는절연층의 두께가, 심지어 현저하게, 감소될 수 있어, 이에 의해 케이블에 전압이 인가되면 전기 절연파괴를 유발할 수 있게 된다.
실제로, 대개 케이블 절연층과 압출방식층에 일반적으로 사용되는 재료들은 충격후에 본래의 크기 및 형태의 일부분만을 탄성적으로 회복한다. 따라서, 케이블에 전압이 인가되기 전에 충격이 발생하더라도, 충격 후에, 전기 스트레스를 견디는 절연층 두께가 불가피하게 감소된다.
또한, 금속 실드가 케이블 절연층의 반경방향 외부에 있으면, 상기 실드의 재료는 충격에 의해 영구적으로 변형되고, 이는 변형의 탄성적 복원을 또한 제한하여 상기 절연층이 본래의 형태 및 크기를 탄성적으로 복원되지 않게한다.
결론적으로, 우발적인 충격에 의해 유발된 변형, 또는 적어도 그 상당 부분이 충격후에도, 충격 원인 자체가 제거된 후더라도, 유지되며, 상기 변형은 절연층 두께가 본래의 값에서 감소된 값으로 변하는 감소를 초래한다. 따라서, 케이블에 전압이 인가되면, 충격영역에서 전기적 전압 스트레스(Γ)를 견디는 실제 절연층 두께는 상기 감소된 값이지 시작 값이 아니다.
본 출원인은 우발적인 충격에 대한 기 설정된 저항을 케이블에 수여하는데 적합한 팽창 폴리머층을 포함하는 보호요소를 케이블에 제공함으로써 종래 케이블의 설계보다 더 컴팩트한 케이블 설계를 할 수 있음을 인식하였다.
본 출원인은 상기 보호요소의 팽창 폴리머층이 임의의 종래 보호요소에 대하여 케이블 외표면, 예를 들어 상술한 금속 방호층상에 발생할 수 있는 우발적인 충격을 더 잘 흡수하고, 이에 따라 우발적인 충격으로 인한 케이블 절연층상에 발생하는 변형이 이점적으로 감소될 수 있음을 관찰하였다.
본 출원인은 팽창 폴리머를 포함하는 보호요소를 케이블에 제공함으로써 절연층 재료의 전기 강도에 적합한 전기 스트레스에까지 케이블 절연층 두께를 유리하게 감소시킬 수 있음을 인식하였다. 따라서, 본 발명에 따르면, 전기적 기계적 저항성질을 감소시키지 않고도 케이블 구조를 더 컴팩트하게 할 수 있다.
다르게 말하면, 본 출원인은 케이블 절연층의 변형이 상기 팽창 폴리머가 있음으로 해서 현저하게 감소되므로, 변형된 영역에서도 또한 케이블의 안정적인 기능을 보장하는 상기 절연층의 더 큰 두께를 케이블에 더 이상 제공할 필요가 없다.
본 출원인은 팽창 폴리머층을 포함하는 보호요소를 케이블에 제공함으로써, 케이블의 두께는 전기적 관점으로부터 절연층의 안정적인 기능을 보장할 뿐만 아니라 발생할 수 있는 임의의 우발적인 충격에 대항하여 적절한 기계적 보호를 케이블에 제공하면서, 전체 케이블 무게를 최소화하도록 절연층의 두께와 유리하게 상관될 수 있음을 알았다.
일단 케이블 횡단면 도체, 케이블 작동전압 및 케이블 절연층의 절연재료가 선택되고 상기 절연층 재료의 유전율 강도(dielectric rigidity)에 적합한 전압 스트레스(Γ)에 견디는 절연층 두께가 선택된 후에, 본 출원인은 상기 절연층 두께가 상기 보호요소의 팽창 폴리머층의 두께와 상관될 수 있음을 알았다. 상기 팽창 폴리머층의 두께는 충격시에 케이블 절연층의 변형을 최소화하도록 선택될 수 있어 감소된 절연층 두께가 상기 케이블에 제공될 수 있다.
제 1 태양에서 본 발명은 도체; 상기 도체를 둘러싸는 절연층; 및 기 설정된내충격력을 제공하도록 선택된 두께와 기계적 성질을 가지며 상기 절연층을 둘러싸는, 적어도 하나의 팽창 폴리머층을 포함하는 보호요소를 구비하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블에 있어서, 상기 절연층 두께는 케이블 절연층의 외표면상에 적어도 1.0kV/㎜의 전압 그래디언트를 제공할 수 있고, 상기 보호요소의 두께는 적어도 25J의 에너지 충격시에 절연층이 파악될 수 있을 정도로 손상되는 것을 방지하는데 충분한 기 설정된 전압 등급용의 케이블에 관한 것이다.
바람직하기로, 상기 케이블의 절연층 외표면상에서 전압 그래디언트가 적어도 1.0kV/㎜이고, 충격이 적어도 25J 에너지인 경우에, 상기 기 설정된 전압 등급은 많아야 10kV이다.
바람직하기로, 상기 케이블의 절연층 외표면상에서 전압 그래디언트가 적어도 2.5kV/㎜이고, 충격이 적어도 50J 에너지인 경우에, 상기 기 설정된 전압 등급은 10kV 내지 60kV이다.
바람직하기로, 상기 케이블의 절연층 외표면상에서 전압 그래디언트가 적어도 2.5kV/㎜이고, 충격이 적어도 70J 에너지인 경우에, 상기 기 설정된 전압 등급은 60kV이상이다.
본 출원인은 충격으로 인한 절연 변형을 고려하여 여분의 두께를 더할 필요없이 절연(절연층) 두께가 의도한 사용을 위해 고려되는 가장 엄격한 전기 제한을 선택함으로써 결정될 수 있다.
예를 들어, 케이블 설계에서 도체면상에 (또는 돌출된 내부 반도체층의 외표면상에) 최대 전압 그래디언트와 조인트에서의 그래디언트, 즉, 케이블 절연의 외표면상에서의 그래디언트를 중요한 전기적 한계로 간주하는 것이 일반적이다.
바람직하기로, 절연층 두께는 IEC 표준 60502-2에서 규정되는 해당하는 절연층 두께보다 적어도 20% 더 작다. 더 바람직하기로, 절연층 두께의 감소는 20% 내지 40% 범위로 구성된다. 더 바람직하기로, 절연층 두께는 IEC 표준에서 규정되는 해당 절연층 두께보다 약 60% 더 작다.
바람직하기로, 상기 절연층의 두께는 케이블이 공칭전압에서 작동될 때 절연층내부의 전압 스트레스가 2.5 내지 18kV/㎜로 구성되는 값들중에서 상기 기 설정된 전압 등급 범위에 포함되도록 선택된다.
바람직하기로, 상기 기 설정된 전압 등급이 10kV이면, 상기 절연층 두께는 많아야 2.5㎜이고; 상기 기 설정된 전압 등급이 20kV이면, 상기 절연층 두께는 많아야 4㎜이며; 상기 기 설정된 전압 등급이 30kV이면, 상기 절연층 두께는 많아야 5.5㎜이다.
바람직하기로, 상기 도체는 속이찬 막대이다.
바람직하기로, 케이블은 상기 절연층을 둘러싸는 전기 실드를 더 포함하고, 상기 전기 실드는 튜브형태로 형성된 금속 시트를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 보호요소는 상기 절연층의 반경방향 외부에 위치된다.
바람직하기로, 상기 보호요소의 팽창 폴리머층의 팽창도는 0.35 내지 0.7, 더 바람직하게는 0.4 내지 0.6이다.
바람직하기로, 상기 보호요소의 팽창 폴리머층의 두께는 1㎜ 내지 5㎜로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 태양에서, 상술한 보호요소는 상기 팽창된 폴리머층에 결합되는 적어도 하나의 비팽창 폴리머층을 더 포함한다.
케이블상에 충격이 발생하는 경우, 본 출원인은 상기 팽창 폴리머층의 흡수(즉, 댐핑) 기능이 상기 팽창 폴리머층과 적어도 하나의 비팽창 폴리머층의 결합에 의해 유리하게 증가됨을 알았다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 보호요소는 상기 팽창 폴리머층의 반경방향 외부 위치에 있는 제 1 비팽창 폴리머층을 더 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 보호요소는 상기 팽창 폴리머층의 반경방향 내부 위치에 있는 제 2 비팽창 폴리머층을 더 포함한다.
또한, 본 출원인은 상기 제 1 비팽창 폴리머층의 두께를 증가시킴으로써, 상기 팽창 폴리머층의 두께를 일정하게 유지하면서, 상기 보호요소에 의해 케이블에 제공된 기계적 보호가 유리하게 증가됨을 알았다.
바람직하기로, 상기 적어도 하나의 비팽창 폴리머층은 폴리올레핀 재료로 제조된다.
바람직하기로, 상기 적어도 하나의 비팽창 폴리머층은 열가소성 재료로 제조된다.
바람직하기로, 상기 적어도 하나의 비팽창 폴리머층은 두께가 0.2㎜ 내지 1㎜ 범위이다.
또 다른 태양에서, 본 출원인은, 본 발명의 보호요소가 상기 보호요소의 반경방향 내부 위치에 있는 케이블에 제공된 또 다른 팽창 폴리머층과 결합되면, 케이블상에 발생된 충격으로 인한 케이블 절연층의 변형이 유리하게 감소됨을 알았다.
더욱이, 본 출원인은 상기 보호요소와 결합하여 또 다른 팽창 폴리머층을 제공함으로써 상기 보호요소의 흡수(댐핑)성을 증가시키게 함을 알았다.
상술한 바와 같이, 일단 절연층 두께가 선택된 후에, 상기 보호요소의 팽창 폴리머층과 상기 또 다른 팽창 폴리머층이 결합된 상태는 전반적으로 케이블의 감소된 치수로도 실질적으로 동일한 충격보호를 얻을 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 또 다른 팽창 폴리머층은 상기 보호요소의 반경방향 내부 위치에 있다.
바람직하기로, 상기 또 다른 팽창 폴리머층은 상기 절연층의 반경방향 외부 위치에 있다.
바람직하기로, 상기 또 다른 팽창 폴리머층은 방수층이고 수팽윤성 재료를 포함한다.
바람직하기로, 상기 또 다른 팽창 폴리머층은 반도전성이다.
바람직하기로, 본 발명에 따른 케이블은 중전압 또는 고전압 범위의 전압 등급에 사용된다.
본 발명의 또 다른 태양에서, 본 출원인은 적어도 하나의 팽창 폴리머층을 포함하는 보호요소를 케이블에 제공함으로써, 상기 보호요소의 두께는 도체 횡단면적의 증가에 맞추어 감소된다.
따라서, 본 발명은 또한, 도체; 상기 도체를 둘러싸는 절연층; 및 적어도 하나의 팽창 폴리머층을 포함하는 상기 절연층 주위의 보호요소를 구비하고, 상기 보호요소의 두께는 50㎟이상의 도체 횡단면적에 대해 7.5㎜ 미만의 값을 가지고 50㎟이하의 도체 횡단면적에 대해 8.5㎜ 이상의 값을 가지는 기 설정된 전압 등급용의 케이블에 관한 것이다.
바람직하기로, 상기 기 설정된 전압 등급이 60kV 이상이면, 상기 절연층은 적어도 70J 에너지의 충격시에 파악가능하게 손상되지 않는다.
바람직하기로, 상기 기 설정된 전압 등급이 많아야 60kV이면, 상기 절연층은 적어도 50J 에너지의 충격시에 파악가능하게 손상되지 않는다.
바람직하기로, 상기 기 설정된 전압 등급이 10kV이상이면, 상기 절연층은 적어도 25J 에너지의 충격시에 파악가능하게 손상되지 않는다.
동일한 전압 등급(예를 들어, 10kV, 20kV, 30kV 등)에 적합한 케이블 군(그룹)이 고려되는 경우에, 본 출원인은 케이블 도체 횡단면적이 증가하면, 케이블 보호요소의 두께는 실질적으로 동일한 충격 보호를 유지하면서 유리하게 감소될 수 있음을 알았다. 이는 작은 도체 횡단면적의 케이블이 큰 도체 횡단면적을 갖는 케이블상의 두께보다 더 두꺼운 보호요소가 제공될 수 있음을 의미한다.
따라서, 본 발명은 또한 도체; 상기 도체를 둘러싸는 절연층; 및 적어도 하나의 팽창 폴리머층을 포함하는 상기 절연층 주위의 보호요소를 각각 구비하고, 상기 보호요소의 두께는 도체 횡단면적과 반비례 관계에 있는, 기 설정된 전압 등급에 대해 선택되고 여러 도체 횡단면적들을 갖는 케이블 그룹에 관한 것이다.
바람직하기로, 상기 보호요소는 적어도 하나의 팽창 폴리머층을 둘러싸는 적어도 하나의 비팽창 폴리머층을 더 포함한다.
바람직하기로, 각각의 케이블은 상기 보호요소의 반경방향 내부 위치에 있는 또 다른 팽창 폴리머층을 포함한다.
또 다른 태양에 따르면, 본 발명은 또한 도체, 상기 도체를 둘러싸는 절연층, 및 적어도 하나의 팽창 폴리머층을 포함하며 상기 도체를 둘러싸는 보호요소를 구비하는 케이블을 설계하는 방법에 있어서, 도체 횡단면적을 선택하는 단계; 많은 기 설정된 전기 한계 조건들 중 하나에 맞추어 상기 선택된 도체 횡단면적상에 기 설정된 전압 등급에서의 안전한 동작에 적합한 절연층의 두께를 결정하는 단계; 상기 많은 기설정 전기 한계 조건들에서 결정된 두께들 중에서 최대 절연층 두께를 선택하는 단계; 충격이 케이블상에 적어도 50J 에너지로 유발될 때, 상기 절연층이 파악가능하게 손상되지 않도록 상기 보호요소의 두께를 결정하는 단계; 및 상기 기 설정된 전압 등급과 선택된 횡단면적에 대한 케이블 설계에 있어서 상기 선택된 절연층과 상기 기 설정된 보호요소 두께를 사용하는 단계를 포함하는 케이블 설계방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 0.1㎜ 이하의 케이블 절연층의 변형(즉, 손상)은 파악될 수 없는 것으로 간주된다. 따라서, 케이블 절연층은 0.1㎜ 미만의 변형이 발생하는 경우 손상되지 않는다.
케이블 보호요소가 상기 팽창 폴리머층으로 구성되는 경우, 상기 보호요소의 두께를 결정하는 단계는 상기 폴리머층의 두께를 결정하는 단계와 일치한다.
케이블의 보호요소가 상기 팽창 폴리머층과 결합되는 또 다른 비팽창 폴리머층을 포함하는 경우, 상기 보호요소의 두께를 결정하는 단계는 상기 비팽창 폴리머층의 두께를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하기로, 상기 비팽창 폴리머층의 두께를 결정하는 단계는 상기 비팽창 폴리머층의 두께와 도체 횡단면적이 반비례 관계로 상관시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 전력 송전 또는 배전용 전기 케이블 뿐만 아니라 광섬유 코어를 포함하는 혼합된 전력/통신 타입의 케이블에도 이점적으로 적용될 수 있다. 따라서, 이러한 의미에서, 하기의 본 명세서와 특허청구범위에서 용어 "도전성 요소"는 금속 타입 또는 혼합된 전기/광학 타입의 도체를 의미한다.
더 상세한 내용은 첨부 도면을 참조로 하기의 상세한 설명에서 예시된다:
도 1은 본 발명에 따른 전기 케이블의 사시도이다;
도 2는 충격에 의해 손상된 비교 전기케이블의 횡단면도이다;
도 3은, 본 발명에 따른, 충격에 의해 손상된 보호요소의 변형이 있는 전기 케이블의 횡단면도이다.
도 4는 종래 케이블에 있어서 충격시에 절연층 손상을 방지하도록 설계된 것으로 압출방식층의 두께와 도체 횡단면적 사이의 관계를 도시한 도표이다;
도 5는 본 발명에 따른 케이블에 있어서 충격시에 절연층 손상을 방지하도록 설계된 것으로 케이블 보호요소의 두께와 도체 횡단면적 사이의 관계를 도시한 도표이다; 그리고
도 6은 본 발명에 따른 2개의 팽창 폴리머층들이 제공된 케이블에 충격시에절연층 손상을 방지하도록 설계된 것으로 케이블 보호요소의 두께와 도체 횡단면적 사이의 관계를 도시한 도표이다.
도 1은 일반적으로 중전압 또는 고전압 범위용으로 설계된 본 발명에 따른 전기 케이블(1)의 부분적인 횡단면 사시도를 도시한 것이다.
본 명세서에 기술된 타입의 전력 송전 케이블은 일반적으로 50 또는 60Hz의 공칭 주파수에서 작동한다.
케이블(1)은 도체(2), 내부 반도체층(3), 절연층(4), 외부 반도체층(5), 금속 실드(6) 및 보호요소(20)를 구비한다.
바람직하기로, 도체(2)는 바람직하게는 구리 또는 알루미늄으로 제조된 금속 막대(rod)이다. 대안으로, 도체(2)는 적어도 2개의 금속 와이어, 바람직하게는 구리 또는 알루미늄을 포함하고, 상기 금속 와이어는 종래 기술에 따라 함께 꼬여진다.
도체(2)의 횡단면적은 선택된 전압에서 전송되는 전력과 관련하여 결정된다. 본 발명에 따른 케이블에 대한 바람직한 횡단면적은 16 내지 1000㎟ 범위에 이른다.
일반적으로, 절연층(4)은 폴리올레핀(polyolefin), 특히 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(ploypropylene), 에틸렌/프로필렌 코폴리머(copolymers) 등으로 제조된다.
바람직하기로, 상기 절연층(4)은 비가교 계열(non-crosslinked base)의 폴리머 재료로 제조된다; 더 바람직하기로, 상기 폴리머 재료는 폴리프로필렌 화합물을포함한다.
본 명세서에서, 용어 "절연재료"는 적어도 5kV/㎜, 바람직하게는 10kV/㎜ 이상의 유전율 강도(dielectric rigidity)를 갖는 재료를 말하는데 사용된다. 중-고전압 전력 송전 케이블용으로, 절연재료는 40kV/㎜ 이상의 유전율 강도를 갖는다.
바람직하기로, 절연층(4)의 절연재료는 비팽창 폴리머 재료이다. 본 발명에서, 용어 "비팽창" 폴리머 재료는 재료의 구조 내부에 실질적으로 빈 공간이 없는 재료, 즉, 하기의 본 명세서에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 실질적으로 0의 팽창도를 갖는 재료를 뜻하는데 사용된다. 특히, 상기 절연재료는 0.85g/㎤ 이상의 밀도를 갖는다.
일반적으로, 전력 송전 케이블의 절연층은 2 이상의 유전상수(K)를 갖는다.
둘 다 비팽창인, 내부 반도체층(3)과 외부 반도체층(5)은, 공지 기술에 따라, 특히 압출에 의해 얻어지며, 기제 폴리머 재료와 카본 블랙은 하기의 본 명세서에 상술한 폴리머 재료로부터 선택된다(상기 카본 블랙은 상기 층들이 반도체가 되게 하는데 사용된다).
본 발명의 바람직한 실시예에서, 내부 및 외부 반도체층(3 및 5)은 비가교 기재 폴리머 재료, 더 바람직하게는 폴리프로필렌 화합물을 포함한다.
도 1에 도시된 바람직한 실시예에서, 금속 실드(6)는 튜브로 형성되는 연이은 금속 시트, 바람직하게는 알루미늄, 또는 대안으로는, 구리로 제조된다. 일부 경우에서는, 또한 납이 사용될 수 있다.
금속 시트(6)는 내삽되는 밀봉재료를 갖는 중첩 에지들을 가지며 외부 반도체층(5) 주위를 감싸 상기 금속 시트를 방수되게 한다. 대안으로, 상기 금속 시트는 용접된다.
대안으로, 상기 금속 실드(6)는 상기 외부 반도체층(5) 주위로 대어지는 나선형으로 감기는 금속 와이어들 또는 스트립들로 제조된다.
대개, 금속 실드는 가교 또는 비가교 폴리머 재료, 예를 들어, 폴리비닐 클로라이드(PVC) 또는 폴리에틸렌(PE)으로 구성되는 압출방식층(도 1에서 미도시됨)으로 코팅된다.
도 1에 도시된 바람직한 실시예에 따라, 상기 금속 실드(6)의 반경방향 외부 위치에에서, 보호요소(20)가 케이블(1)에 제공된다. 상기 실시예에 따라, 보호요소(20)는 2개의 비팽창 폴리머층들 사이에 포함되는 팽창 폴리머층(22), 외부의 (제 1) 비팽창 폴리머층(23) 및 내부의 (제 2) 비팽창 폴리머층(21)을 각각 포함한다. 보호요소(20)는 케이블상에서 발생하는 임의의 외부 충격으로부터, 적어도 부분적으로 상기 충격을 흡수함으로써, 케이블을 보호하는 기능을 한다.
본 출원인 명의의 유럽특허 제981,821호에 따르면, 팽창된 폴리머 층(22)을구성하는 폴리머 재료는, 예를 들어, 폴리올레핀, 여러 올리펜들의 코폴리머, 에틸렌성 불포화 에스테르를 갖는 올레핀의 코폴리머, 폴리에스테르, 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리술폰(polysulphones), 페놀 수지(phenol resins), 요소 수지(urea resins), 및 그 혼합물들과 같은 임의의 팽창가능한 폴리머 타입일 수 있다. 적절한 폴리머들의 예로는 폴리에틸렌(PE), 특히 저밀도의 PE(LDPE), 중밀도의 PE(MDPE), 고밀도의 PE(HDPE), 선형 저밀도의 PE(LLDPE), 초저밀도의 폴리에틸렌(ULDPE); 폴리프로필렌(PP), 엘라스토머 에틸렌/프로필렌 코폴리머(EPR) 또는 에틸렌/프로필렌/다이엔(diene) 터폴리머(terpolymers)(EPDM), 천연고무; 부틸 고무;에틸렌/비닐 에스테르 코폴리머, 예를 들어, 에틸렌/비닐 아세테이트(EVA): 에틸렌/아크릴레이트(acrylate) 코폴리머, 특히 에틸렌/메틸 아크릴레이트(EMA), 에틸렌/에틸 아크릴레이트(EEA) 및 에틸렌/부틸 아크릴레이트(EBA); 에틸렌/알파-올레핀 열가소성 코폴리머; 폴리스틸렌; 아크릴로니트릴(acrylonitrile)/부타디엔(butadiene)/스틸렌(styrene) 수지(ABS); 할로겐화 폴리머, 특히 폴리비닐 클로라이드(PVC); 폴리우레탄(PUR); 폴리아미드; 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 또는 폴리부틸렌(polybutylene) 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PBT)와 같은 방향족 폴리에스테르; 및 그 코폴리머들 또는 그 기계적 혼합물들이다.
바람직하기로, 폴리머 재료는 에틸렌 및/또는 프로필렌에 기초한 폴리올레핀 폴리머 또는 코폴리머이며, 특별한 형태로 선택된다:
(a) 에틸렌과 에틸렌성 불포화 에스테르, 예를 들어, 비닐 아세테이트 또는 부틸 아세테이트의 코폴리머; 상기 코폴리머에서 불포화 에스테르의 양은 일반적으로 5 내지 80 중량%, 바람직하게는 10 내지 50 중량% 이다;
(b) 에틸렌과 적어도 하나의 C3-C12알파-올레핀, 및 선택적으로 다이엔, 바람직하게는 에틸렌/프로필렌(EPR) 또는 에틸렌/프로필렌/다이엔(EPDM) 코폴리머의 엘라스토머 코폴리머; 상기 엘라스토머 코폴리머는 일반적으로 35-90 몰%의 에틸렌, 10-65 몰%의 알파-올레핀, 0-10 몰%의 다이엔(예를 들어, 1,4-헥사다이엔(hexadiene) 또는 5-에틸리덴-2-노르보넨(5-ethylidene-2-norbornene))의 조성물을 갖는다;
(c) 에틸렌과 적어도 하나의 C3-C12알파-올레핀, 바람직하게는 1-헥센, 1-옥텐 등 및 선택적으로 다이엔을 갖는 코폴리머; 일반적으로 상기 코폴리머는 0.86 내지 0.90 g/㎤의 밀도와 75-97 몰%의 에틸렌; 3-25 몰%의 알파-올레핀; 0-5 몰%의 다이엔의 조성물을 갖는다; 그리고
(d) 에틸렌/C3-C12알파-올레핀 코폴리머로 변형된 폴리프로필렌; 폴리프로필렌과 에틸렌/C3-C12알파-올레핀 코폴리머 사이의 질량비는 90/10 내지 10/90, 바람직하게는 80/20 내지 20/80이다.
예를 들어, 상업용 제품들 Elvax®(듀퐁(Du Pont)), Levanpren®(바이엘(Bayer)) 및 Lotryl®(엘프-아토켐(Elf-Atochem))이 (a)부류에 속하고, 제품들 Dutral®(에니켐(Enichem)) 또는 Nordel®(다우-듀퐁(Dow-Du Pont))이 (b)부류에 속하며, (c)부류에 속하는 제품들로는 Engage®(다우-듀퐁(Dow-Du Pont)) 또는 Exact®(엑손(Exxon))이지만, 에틸렌/알파-올레핀 코폴리머들로 변형된 폴리프로필렌은 상표명 Moplen® 또는 Hifax®(몬텔(Montell)), 또는 Fina-Pro®(피나(Fina)) 등으로 상용으로 구매가능하다.
(d)부류내에서는, 열가소성 폴리머, 예를 들어, 폴리프로필렌의 연속한 매트릭스와, 열가소성 매트릭스에 분산된 경화 엘라스토머 폴리머, 예를 들어 가교 EPR또는 EPDM의 (일반적으로 1-10㎛ 정도의 직경을 갖는) 미세 입자들을 포함하는 열가소성 엘라스토머들이 특히 바람직하다. 엘라스토머 폴리머는 비경화 상태의 열가소성 매트릭스에 합체될 수 있고 그런 후 적절한 양의 가교제를 첨가함으로써 공정동안 동적으로 가교된다. 대안으로, 엘라스토머 폴리머는 각각 경화될 수 있으며 그런 후 미세 입자 형태로 열가소성 매트릭스에 분산된다. 이런 타입의 열가소성 엘라스토머들은 예를 들어 US 4,104,210 또는 EP 324,430에 기술되어 있다. 이들 열가소성 엘라스토머들이 바람직한데, 이는 상기 열가소성 엘라스토머들이 전체 작동 온도범위에서 케이블의 열 싸이클동안 반경방향의 힘들(radial forces)을 탄성적으로 흡수하는데 특히 효과적인 것으로 증명되었기 때문이다.
본 명세서에서, 용어 "팽창" 폴리머는 "빈"공간(즉, 폴리머가 아니라 가스나 공기에 의해 차지된 공간)의 퍼센트가 일반적으로 상기 폴리머의 총 공간의 10%이상인 구조내에의 폴리머를 말하는 것으로 이해된다.
일반적으로, 팽창 폴리머에서 빈 공간의 퍼센트는 팽창도(G)로 표현된다. 본 명세서에서, 용어 "폴리머의 팽창도"는 하기 방식으로 결정된 폴리머의 팽창을 말하는 것으로 이해된다:
G(팽창도)=(do/de-1)·100
여기서, do는 비팽창 폴리머(즉, 본질적으로 빈 공간이 없는 구조를 가진 폴리머)의 밀도를 나타내고, de는 팽창 폴리머에 대해 측정된 외형 밀도를 나타낸다.
바람직하기로, 상기 팽창 폴리머층(22)의 팽창도는 0.35 에서 0.7, 더 바람직하게는 0.4 내지 0.6의 범위에서 선택된다.
바람직하기로, 상기 보호요소(20)의 2개의 비팽창 폴리머층들(21,23)은 폴리올레핀 재료로 제조된다.
바람직하기로, 제 1 폴리머 비팽창층(23)은 열가소성 재료, 바람직하게는 비가교 폴리에틸렌(PE)과 같은 폴리올레핀으로 제조된다; 대안으로 폴리비닐 클로라이드(PVC)가 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 케이블(1)에는 외부 반도체층(5)과 금속 실드(6)사이에 배치된 방수층(water-blocking layer)(8)이 더 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 방수층(8)은 본 출원인 명의 WO 01/46965에 기술한 바와 같은 팽창된, 수팽윤성(water-swellable), 반도체층들이다.
바람직하기로, 상기 방수층(8)은 수팽윤성 재료가 가득채워지거나 분산되어 있는 팽창 폴리머 재료로 제조된다.
바람직하기로, 상기 수팽윤성층(8)의 팽창가능한 폴리머는 상술한 폴리머 재료로부터 선택된다.
상기 방수층(8)은 길이방향으로 물이 케이블의 내부에 침투하는 것에 대한 효과적인 장벽을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원인에 의해 실행된 테스트에 의해 도시된 바와 같이, 상기 팽창 폴리머층은 많은 양의 수팽윤성 재료를 합체할 수 있고, 상기 합체된 폴리머층이 습기나 물과 접촉하게 되면 합체된 수팽윤성 재료가 팽창할 수 있어, 이에 따라 방수기능을 효율적으로 수행한다.
수팽윤성 재료는 일반적으로 세분된 형태, 특히 분말형태이다. 수팽윤성 분말을 구성하는 입자들은 바람직하기로 직경이 커야 250㎛이고 평균직경은 10 내지 100㎛이다. 더 바람직하기로, 직경이 10 내지 50㎛인 입자들의 양은 분말의 총 무게에 대해 적어도 50 중량%이다.
수팽윤성 재료는 일반적으로 폴리머 체인을 따라 친수성기를 갖는 호모폴리머(homopolymer)나 코폴리머, 예를 들어, 가교되고 적어도 부분적으로 함염된 폴리아크릴산(예를 들어, C.F. Stockhausen GmbH의 제품 Cabloc® 또는 Grain Processing Co.의 제품 Waterlock®); 아크릴아미드와 소듐 아크릴레이트 사이의 코폴리머들(예를 들어, Henkel Ag의 제품 SGP Absorbent Polymer®)로 혼합되는 녹말 또는 그 유도체들; 소듐 카르복실메틸셀룰로오스(예를 들어, Hercules Inc.의 제품 Blanose®)로 구성된다.
효과적인 방수작용을 얻기위해, 팽창 폴리머층에 포함되는 수팽윤성 재료의 양은 일반적으로 5 에서 120 phr, 바람직하게는 15 에서 80 phr(phr = 기재 폴리머의 100 중량부에 대한 중량부)이다.
또한, 방수층(8)의 팽창 폴리머 재료는 반전도성이도록 변경될 수 있다.
반도체 폴리머(semiconductive polymer) 조성물의 제조를 위한 해당기술분야에 알려진 제품들은 상기 폴리머 재료에 반도체 성질을 제공하는데 사용될 수 있다. 특히, 전기전도성 카본 블랙, 예를 들어, 전기전도성 퍼니스(furnace) 블랙 또는 아세틸렌 블랙(acetylene black) 등이 사용될 수 있다. 카본 블랙의 표면적은일반적으로 20㎡/g 이상, 대개 40 내지 500㎡/g 이상이다. 이점적으로, 예를 들어, 상표명 Ketjenblack®EC(Akzo Chemie NV)의 상용으로 공지된 퍼니스 카본 블랙과 같이, 적어도 900㎡/g의 표면적을 갖는 고 전도성 카본 블랙이 사용될 수 있다.
폴리머 매트릭스에 첨가되는 카본 블랙의 양은 사용되는 폴리머와 카본 블랙의 타입, 달성하려고 의도한 팽창도, 팽창제 등에 따라 변할 수 있다. 따라서, 카본 블랙의 양은 팽창 재료에 충분한 반도체 성질을 제공하도록, 특히, 실온에서, 500Ω·m 미만, 바람직하게는 20Ω·m 미만의 팽창 재료에 대한 용적 저항값을 얻도록 되어야 한다. 일반적으로, 카본 블랙의 양은 폴리머의 중량에 대해 1 내지 50 중량%, 바람직하게는 3 내지 30 중량%에 이를 수 있다.
방수층(8)의 팽창도에 대한 바람직한 범위는 0.4 에서 0.9이다.
또한, 케이블(1)에 반도체 방수층(8)을 제공함으로써, 외부 반도체층(5)의 두께는 상기 외부 반도체층(5)의 전기적 성질이 상기 방수층 반도체층에 의해 부분적으로 수행되기 때문에 이점적으로 줄어들 수 있다. 따라서, 상기 태양은 외부 반도체층 두께의 감소와 이에 따른 전체 케이블 중량 감소에 이점적으로 기여한다.
절연층의 전기적 설계
일반적으로, 케이블의 절연층은 상기 케이블의 사용 카테고리에 대해 규정된 전기 스트레스 조건들을 견디는 치수로 된다.
특히, 케이블 작동시에, 도체(2)는 상기 케이블의 공칭 작동전압에 유지되고, 실드(6)는 땅에 연결된다(즉 0볼트이다).
공칭적으로, 내부 반도체층(3)은 도체와 전압이 동일하고, 외부 반도체층(5)과 방수층(8)은 금속 실드(6)와 전압이 동일하다.
절연층의 두께에 따라, (적절한 안전요인을 포함하여) 절연층의 재료의 유전율 강도에 적합해야만 하는 절연층에 걸리는 전압 스트레스를 결정한다.
원통형 도체 주위의 전압 스트레스 Γ는 하기 식으로 정의된다:
(1)
여기서;
Uo는 접지전압에 대한 위상이다;
ri는 절연층 표면에서의 반경이다; 그리고
rc는 도체표면에서(또는 있다면, 내부 반도체층의 표면에서)의 반경이다.
식(1)은 AC 전압 영역을 언급한 것이다. 다른 그리고 더 복잡한 표현도 CC 전압영역에 대해 이용가능하다.
예를 들어, 가교 폴리에틸렌(XPLE)으로 제조된 절연층의 경우, 국제표준 CEI IEC 60502-2(Edition 1.1-1998-11, 페이지 18-19)는 20KV 중 어느 한 전압 V와 35 에서 1000㎟ 범위의 도체 횡단면에 맞추어서 절연층에 5.5㎜의 공칭 두께 값을 제공한다. 또 다른 예로서, 10KV 중 어느 한 전압과 16 에서 1000㎟ 범위의 도체 횡단면이 선택된 경우, 상기 표준에 따르면, 케이블 절연층은 3.4㎜의 공칭 두께값이 제공되어야 한다.
충격보호
본 발명에 따르면, 보호요소(20)는 수송 또는 매설작업 동안 케이블상에, 예를 들어, 돌, 도구 등에 의한 가능한 충격들에 의해 절연층(4)이 손상되지 않게 한다.
예를 들어, 통상적인 실무는 기 설정된 깊이로 땅을 판 참호에 케이블을 매설하고, 이어서 상기 참호를 이전에 파내어진 물질들로 채우는 것이다.
파내어진 물질들이 돌, 벽돌 등을 포함하는 경우, 수 킬로그램 무게의 피스가 (수십 센티미터에서 1미터 이상까지의) 상당한 높이에서 케이블상에 떨어지는 것이 드물지 않으므로, 충격은 상당히 큰 에너지를 수반한다.
매설작업동안 다른 가능한 충격 소스들은 작업장비들로서, 상기 장비들은 과속 등의 가능한 실수가 있는 경우에 케이블을 타격할 수 있다.
비교 케이블상에 충격 F의 효과가 도 2에 개략적으로 도시되어 있고, 도 1에 대하여 이미 설명된 해당하는 요소들을 식별하기 위해 동일한 참조번호들이 사용되었다.
도 2의 케이블에는 금속 실드(6) 외부에 위치된 압출방식층(oversheath)(7)이 제공된다. 일반적으로 압출방식층(7)은 폴리에틸렌 또는 PVC와 같은 폴리머 재료로 제조된다.
도 2의 케이블에는 케이블의 내부에 임의의 길이방향으로 물이 침투하는 것을 피하기 위해 수팽윤성 테이프(9)가 더 제공된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 충격 F의 결과, 케이블은 국소적으로 변형된다.
일반적으로, 케이블의 절연층과 압출방식층용으로 사용되는 재료들은 충격후에 본래의 크기와 형태의 일부분만을 탄성적으로 복원하므로, 케이블에 전압이 가해지기 전에 충격이 발생하였더라도, 충격 후에, 전기 스트레스를 견디는 절연층의 두께가 감소된다.
그러나, 본 출원인은, 금속 실드가 케이블 절연층 외부에 사용될 때, 이러한 실드의 재료는 충격에 의해 영구적으로 변형되고, 또한 변형의 탄성적 복원을 제한하므로, 절연층이 원래 형태와 크기로 탄성적으로 복원되는데 제지된다.
따라서, 충격에 의해 유발된 변형, 또는 적어도 상당한 부분은, 충격 원인 자체가 제거되었다 하더라도, 충격 후에 유지된다. 상기 변형으로 절연층 두께는 초기값 t0에서 "손상된" 값 td로 변하게 된다(도 2 참조).
따라서, 케이블에 전압이 가해지면, 충격영역에서 전압 스트레스(Γ)를 견디는 실제 절연층 두께는 더 이상 t0가 아니라 td이다.
값 t0가 케이블의 작동전압에 대해, 예를 들어 앞서 인용된 표준에 규정된 바와 같이, 충분히 초과하여 선택된 경우, 이는 여전히 케이블이 충격 영역에서도 또한 안전하게 동작하게 하는데 충분할 수 있다.
그러나, 손상된 영역에서도 또한 안전한 동작을 할 필요로 인해 전체 케이블은 필요로 하는 두께보다 상당히 더 큰 절연층 두께로 제조되게 한다.
또한, 충격 영역이 실질적으로 어떤 추가적인 작동들에 포함되면, 예를 들어, 조인트(joint)가 이러한 영역에서 이루어지면, 수용가능한 전기 스트레스 이상으로 전기 스트레스가 증가되는 곳에(설계되었던 직경과는 다른 직경상에서 작동될수 있는, 케이블이나 관련된 악세서리에 대해) 상황들이 발생할 수 있다.
내충격성 평가
충격 에너지는 충격에 대하여 밝혀진 여러가지 파라미터들과 다른 케이블 부류에 대한 관련 가능성을 고려하여 평가되었다.
예를 들어, 케이블상에 떨어진 물체에 의해 충격이 유발된 경우, 충격 에너지는 케이블상에 충격을 주는 물체의 질량과 상기 물체가 떨어진 높이에 따른다.
따라서, 케이블이 참호 등에 매설된 경우, 충격 에너지는 다른 요인들 중에서 케이블이 매설된 깊이에 따르고 상기 충격 에너지는 깊이에 따라 증가한다. 따라서, 충격 에너지는 각각의 매설 깊이에 따라 다른 케이블 부류들에 대해 달라짐을 알았다. 또한, 참호 등에 매설된 케이블에 대해, 매설 작업동안 일반적으로 수반되는 굴착 잔해들의 존재로 케이블에 대한 우발적인 충격 가능성에 영향을 끼치게 되고, 잔해들의 크기는 가능한 충격 에너지를 결정하는데 기여한다. 케이블의 고유 무게 및 매설작업에 사용된 작업기기의 크기와 같은 다른 요인들도 또한 고려되었다.
상기 분석에 비추어, 각각의 케이블 부류(예를 들어, LV, MV, HV)에 대해, 기준 충격 에너지들이 상당한 발생 확률을 가지는 것으로 입증되었다; 이들 충격에 대응하여, 특정한 케이블 구조가 이러한 충격들을 지탱할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
특히, MV 케이블에 대해 50J의 에너지 충격은 케이블 사용과 매설에서 중요한 사건을 나타내는 것으로 확인되었다.
이러한 충격 에너지는, 예를 들어, 무게가 27kg인 원추형 물체가 19㎝ 높이에서 케이블 상에 떨어지게 함으로써 달성될 수 있다. 특히, 테스트 물체는 90°의 콘 각도를 가지며, 에지는 약 1㎜의 반경으로 만곡된다.
본 명세서에서, 용어 "충격"은 케이블 구조에 대한 상당한 손상을 야기할 수 있는 소정 에너지의 모든 동역학적 하중을 포함하는 것으로 의도된다.
저전압(LV) 및 고전압(HV) 적용을 위한 케이블에 대해, 각각 25J과 70J의 충격 에너지가 확인되었다.
본 발명을 위해, 동일한 위치에서 4번의 연속적인 충격 후에 (측정의 정밀도 한계인) 0.1㎜ 보다 더 작은 영구적인 변형이 발생하면 케이블이 만족스럽게 보호되는 것으로 간주하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 충격이 본 발명에 따른 케이블에 대하여 유발되면, 보호요소(20)가, 단독으로 또는 바람직하게는 팽창 방수층(8)과 조합하여, 절연층(4)의 변형을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, "감소된" 값 tr에서 선택된 절연층 두께와 조합되는, 두께 tp를 갖는 보호요소(20)로 선택된 전압 등급에서 안전하게 동작하는 능력을 여전히 유지하면서 앞서 표시된 내충격성 테스트를 만족스럽게 통과할 수 있는 케이블이 될 수 있음을 알았다.
절연층 두께는, 충격으로 인한 변형을 고려하여 여분의 두께를 추가할 필요없이, 가장 엄격한 전기적 제한이 의도한 사용을 위해 고려되도록 선택함으로써 결정될 수 있다.
예를 들어, 케이블 설계에서 도체면상의 최대 그래디언트(또는 돌출된 내부 반도체층의 외표면)와 조인트에서의 그래디언트, 즉, 케이블 절연체의 외표면 상의 그래디언트를 중대한 전기적 제한으로 간주하는 것이 일반적이다.
도체면상의 그래디언트는 절연체로 사용되는 재료의 최대 허용가능한 그래디언트(예를 들어, 폴리올레핀 화합물의 경우에 약 18kV/㎜)에 상당하고, 조인트에서의 그래디언트는 상기 케이블과 함께 사용하도록 고려된 조인트 장치의 최대 허용가능한 그래디언트에 상당한다.
예를 들어, 케이블 조인트는 도체 연결영역상의 절연체를 탄성(또는 열수축) 슬리브(sleeve)로 대치함으로써 제조될 수 있고, 상기 슬리브는 노출된 케이블 절연층에 소정길이로 겹쳐진다.
이러한 조인트 타입이 (MV 케이블에 대해) 약 2.5kV/㎜의 그래디언트로 안전하게 동작할 수 있는 경우, 이는 가장 제한적인 조건이 될 수 있고 절연 두께는 이러한 조건을 견디도록 정해진다. 또 다른 조건이 더 제한적인 것으로 판명될 수 있는 경우에, 이러한 조건은 절연 두께 설계를 고려해야한다.
그러나, 본 발명에 따르면, 어떠한 여분의 두께도 충격에 의해 야기된 절연 변형을 고려하도록 제공되지 않아야 한다.
보호요소(20)가 "감소된" 값 tr로 선택된 절연층 두께와 조합하여 사용되면, 전체 케이블 무게는 충격 보호가 없고(즉, 팽창된 폴리머층을 포함하는 충격 보호요소가 없고), (설령, 절연층의 변형을 허용함으로써) 동일한 충격 에너지에 저항할 수 있는 종래 절연층 두께 t0(즉, 도 2의 케이블)를 갖는 케이블의 해당 무게 미만임을 또한 알았다.
팽창 방수층(8)의 존재로 내충격성에 더 기여하여, 절연층(4)의 변형을 더 감소하게 함을 또한 알았다.
본 발명에 따른 두 케이블 뿐만 아니라 비교 케이블에 대한 절연층 두께와 전체 케이블 무게(설계가 상술한 내충격성 테스트를 통하여 얻은)가 20kV 부류의 전압 케이블과 50㎟ 도체 횡단면에 대하여 표 1에 나타나 있다.
케이블 타입 두께(㎜) 케이블 무게(㎏/m) 전체 직경(㎜)
압출방식층 보호요소 방수팽창층 수팽윤성 테이프 알루미늄금속 스크린 절연층
제2(내측) 비팽창층 팽창층 제1(외측) 비팽창층
1 - 1 1.5 4.4 - 0.15 0.3 4 0.74 30.7
2 - 1 1.5 0.85 0.5 - 0.3 4 0.51 24.9
3 8.25 - - - - 0.2 0.3 4 0.90 33.9
상세하게;
a) 케이블 1은 수팽윤성 테이프로 제조된 비팽창 방수층(8)을 포함하는 본 발명의 케이블로서, 상기 케이블은 제 1 비팽창 폴리머층(23), 팽창 폴리머층(20) 및 제 2 비팽창 폴리머층(21)을 포함하는 보호요소(20)를 더 포함한다;
b) 케이블 2는 팽창 방수층(8)을 포함하는 본 발명의 케이블로서, 상기 케이블은 제 1 비팽창 폴리머층(23), 팽창 폴리머층(22) 및 제 2 비팽창 폴리머층(21)을 포함하는 보호요소(20)를 더 포함한다; 그리고
c) 케이블 3은 도 2에 도시된 타입의 비교 케이블로서 압출방식층과 수팽윤성 테이프로 제조된 수팽윤성 방수층을 포함한다.
또한, 표 1은 팽창 방수층(8)이 제공되는 경우, 보호요소(20)의 두께가 동일한 절연층 두께를 유지하면서 이점적으로 줄어드는(그리고 전체 케이블 무게도 줄어드는) 것을 나타낸다.
더욱이, 표 1은 상기 비교 케이블이 본 발명의 케이블들에 비하여 동일한 충격조건에서 동작가능성을 유지하기 위해 상당한 무게(즉, 약 0.90kg/m)를 필요로 함을 나타낸다.
표 2는, 가교 폴리에틸렌(XLPE) 절연층에 대해 상기 인용한 국제표준 CEI IEC 60502-2에 규정된 해당 절연층 두께와 비교되는, MV 범위에서의 여러 동작전압 등급에 대한 본 발명에 따른 케이블들의 절연층 치수들의 예를 포함한다.
10kV 20kV 30kV
본발명의 케이블의 절연층 두께(㎜) 2.5 4 5.5
국제표준 CEI IEC 60502-2에 따른 절연층 두께(㎜) 3.4 5.5 8
표 2에 보고된 값들에 따르면, 본 발명의 케이블에 제공된 절연층 두께는 상기 표준에 따른 해당 절연층 두께보다 각각 26%, 27% 및 56% 더 작다.
충격 보호요소의 치수
보호요소의 치수가 여러 도체 단면들에 대한 절연층에 무변형을 제공하기 위해 여러 케이블 단면들에 대하여 평가되었다.
이를 위해, 50J 에너지의 충격시에 절연층 변형이 0.1㎜ 이하에 해당하는 보호요소의 두께가, 팽창 방수층이 있는 경우와 비팽창 방수층이 있는 경우 모두, 여러 도체 횡단면적에 따라 결정되었다.
보호요소 두께는 제 2 비팽창층(21)과 팽창 폴리머층(22)의 두께를 일정하게 유지시키는 반면에 제 1 비팽창층(23)의 두께를 증가시킴으로써 변경될 수 있다.
해당하는 비팽창 압출방식층(7)의 두께도 또한 상기 보호요소(20)가 제공되지 않은 케이블에 대해 선택될 수 있다(도 4).
상기 보호요소의 두께는 도체 횡단면적의 증가에 따라 감소됨을 알게 되었다(도 5).
팽창 방수층(8)이 있음으로 해서 상당히 더 얇은 보호요소(20)를 사용하게 함을 알게 되었다(도 5와 비교하여 도 6 참조).
결과들이 압출방식층(7)을 갖는 비교 케이블, 보호요소(20)를 갖는 케이블 및 상기 보호요소(20)와 상기 팽창 방수층(8) 둘 다를 갖는 케이블에 대해 도 4, 도 5 및 도 6에 각각 도시된다.
상기 도면들에서, 도 4를 참조로 압출방식층 두께 ts, 도 5를 참조로 보호요소 두께 tp및 도 6을 참조로 상기 보호요소 두께 tp와 방수층 두께 tw의 합이 20kV 전압 등급에 대한 도체 횡단면적 S의 함수로 도표로 나타내진다.
본 출원인은 또한 충격에 대한 기계적 보호의 증가가 제 1 비팽창층 두께를증가시키는 반면에, 팽창층 두께를 일정하게 함으로써 얻어짐을 알았다.
본 발명의 케이블은, 이들 분야에 직면되는 전기적 및 기계적 스트레스 조건을 고려하여, 중전압장 및 고전압장에 사용하는데 특히 적합하다.
그러나, 상황(예를 들어, 심한 전기적 및 기계적 스트레스, 안전성 또는 신뢰요건등)이 요구될 때마다 저전압 적용에서도 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 케이블에 팽창 폴리머층을 제공함으로써 전체 케이블 무게를 이점적으로 줄일 수 있다.
상기 태양은 수송을 더 용이하게 하고, 따라서 소송비용이 감소되며 또한 매설단계동안 케이블을 다루기가 더 용이하게 하기 때문에 매우 중요하다. 이에 대해, (예를 들어, 땅을 판 참호에 또는 매장된 관에 직접적으로)설치되는 케이블의 전체 무게가 더 줄어들수록, 케이블을 설치하기 위해 케이블에 필수적으로 적용되는 미는 힘도 줄어들게 됨을 강조하는 것이 가치있다.
또한, 본 발명에 따르면, 케이블의 소정의 기계적 전기적 성질을 유지하면서더 컴팩트한 케이블을 얻을 수 있다. 상기 태양에 의해, 케이블의 더 긴 길이들이 릴에 저장될 수 있으므로, 이에 따라 케이블 매설동안 수행되는 수송비용과 스플라이싱(splicing) 작업을 절감하게 된다.

Claims (44)

  1. 도체(2);
    상기 도체(2)를 둘러싸는 절연층(4); 및
    기 설정된 내충격력을 제공하도록 선택된 두께와 기계적 성질을 가지며 상기 절연층(4)을 둘러싸는, 적어도 하나의 팽창 폴리머층(22)을 포함하는 보호요소(20)를 구비하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블(1)에 있어서,
    상기 절연층 두께는 케이블 절연층의 외표면상에 적어도 1.0kV/㎜의 전압 그래디언트를 제공할 수 있고,
    상기 보호요소의 두께는 적어도 25J의 에너지 충격시에 절연층이 파악될 수 있을 정도로 손상되는 것을 방지하는데 충분한 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급은 높아야 10kV인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 그래디언트는 적어도 2.5kV/㎜이고, 상기 충격은 적어도 50J의 에너지인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급이 10kV 내지 60kV로 구성되는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 그래디언트는 적어도 2.5kV/㎜이고, 상기 충격은 적어도 70J의 에너지인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급은 60kV이상인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층 두께는 해당하는 전압 등급에 대해 IEC 표준 60502-2에 규정된 절연층 두께보다 적어도 20% 더 작은 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급이 10kV이고, 상기 절연층 두께가 커야 2.5㎜인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급이 20kV이고, 상기 절연층 두께가 커야 4㎜인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급이 30kV이고, 상기 절연층 두께가 커야 5.5㎜인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체는 속이찬 막대인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(4)을 둘러싸는 전기 실드(6)를 더 포함하고, 상기 전기 실드는 튜브형태로 형성된 금속 시트를 포함하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층 두께는 케이블이 상기 기 설정된 전압 등급에 해당하는 공칭 전압에서 작동될 때 절연층 내부의 전기 스트레스가 2.5 내지 18kV/㎜로 구성되는 값들 사이의 범위에 있도록 선택되는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호요소(20)는 상기 절연층(4)의 반경방향 외부 위치에 배치되는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창 폴리머층(22)의 팽창도는 0.35 내지 0.7인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 팽창도는 0.4 내지 0.6인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창 폴리머층(22)은 두께가 1 내지 5㎜인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 상기 팽창 폴리머층(22)의 팽창 폴리머 재료는 에틸렌 및/또는 프로필렌에 기초한 폴리올레핀 폴리머들 또는 코폴리머들로부터 선택되는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 팽창가능한 폴리머 재료는
    a) 불포화 에스테르의 양이 5 중량% 내지 80 중량%인 에틸렌성 불포화 에스테르를 갖는 에틸렌 코폴리머들;
    b) 에틸렌과 적어도 하나의 C3-C12알파-올레핀, 및 선택적으로 다이엔(diene)을 가지며, 35 몰% - 90 몰%의 에틸렌, 10 몰% - 65 몰%의 알파-올레핀 및 0 몰% - 10 몰%의 다이엔의 조성물을 갖는 엘라스토머 코폴리머들;
    c) 에틸렌과 적어도 하나의 C4-C12알파-올레핀 및 선택적으로 다이엔을 가지며, 0.86 내지 0.90 g/㎤의 밀도를 갖는 코폴리머들; 및
    (d) 폴리프로필렌과 에틸렌/C3-C12알파-올레핀 코폴리머 사이의 중량비가 90/10 내지 30/70로 구성되는 에틸렌/C3-C12알파-올레핀 코폴리머들로 변형된 폴리프로필렌으로부터 선택되는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호요소(20)는 상기 팽창 폴리머층(22)과 결합되는 적어도 하나의 비팽창 폴리머층(21,23)를 더 포함하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비팽창 폴리머층(21,23)은 두께가 0.2 내지 1㎜의 범위를 갖는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비팽창 폴리머층(21,23)은 폴리올레핀 재료로 제조되는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 보호요소(20)는 상기 팽창된 폴리머층(22)의 반경방향 외부 위치에 제 1 비팽창 폴리머층(23)을 포함하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 보호요소(20)는 상기 팽창된 폴리머층(22)의 반경방향 내부 위치에 제 2 비팽창 폴리머층(21)을 포함하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창된 폴리머층(22)의 반경방향 내부 위치에 또 다른 폴리머층(8)을 포함하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 또 다른 팽창 폴리머층(8)은 상기 절연층(4)의 반경방향 외부 위치에 있는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 또 다른 팽창 폴리머층(8)은 반도전성인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 또 다른 팽창 폴리머층(8)은 수팽윤성인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체(2)는 금속막대인 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층(4)은 비가교 계열의 폴리머 재료로 제조되는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급은 중전압 또는 고전압 범위에 속하는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  32. 도체(2);
    상기 도체(2)를 둘러싸는 절연층(4); 및
    적어도 하나의 팽창 폴리머층(22)을 포함하는 상기 절연층(4) 주위의 보호요소(20)를 구비하고,
    상기 보호요소의 두께는 50㎟이상의 도체 횡단면적에 대해 7.5㎜ 미만의 값을 가지고 50㎟이하의 도체 횡단면적에 대해 8.5㎜ 이상의 값을 가지는 기 설정된 전압 등급용의 케이블(1).
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급은 60kV 이상이고, 상기 절연층은 적어도 70J의 에너지 충격시에 파악가능하게 손상되지 않는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  34. 제 32 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급은 많아야 60kV이고, 상기 절연층은 적어도 50J의 에너지 충격시에 파악가능하게 손상되지 않는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전압 등급은 많아야 10kV이고, 상기 절연층은 적어도 25J의 에너지 충격시에 파악가능하게 손상되지 않는 기 설정된 전압 등급용의 케이블.
  36. 도체(2);
    상기 도체(2)를 둘러싸는 절연층(4); 및
    적어도 하나의 팽창 폴리머층(22)을 포함하는 상기 절연층(4) 주위의 보호요소(20)를 각각 구비하고,
    상기 보호요소(20)의 두께는 도체 횡단면적과 반비례 관계에 있는, 기 설정된 전압 등급에 대해 선택되고 여러 도체 횡단면적들을 갖는 케이블 그룹.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 보호요소(20)는 상기 적어도 하나의 팽창 폴리머층(22)과 결합되는 적어도 하나의 비팽창 폴리머층(21,23)을 더 포함하는, 기 설정된 전압 등급에 대해 선택되고 여러 도체 횡단면적들을 갖는 케이블 그룹.
  38. 제 36 항에 있어서,
    각각의 케이블은 상기 보호요소(20)의 반경방향 내부 위치에 또 다른 팽창 폴리머층(8)을 포함하는, 기 설정된 전압 등급에 대해 선택되고 여러 도체 횡단면적들을 갖는 케이블 그룹.
  39. 제 37 항에 있어서,
    상기 팽창 폴리머층(22)은 일정한 두께를 가지고, 상기 비팽창 폴리머층(21,23) 중 한 비팽창 폴리머층(23)은 도체 횡단면적에 반비례하는 두께로 증가되는, 기 설정된 전압 등급에 대해 선택되고 여러 도체 횡단면적들을 갖는 케이블 그룹.
  40. 도체(2), 상기 도체(2)를 둘러싸는 절연층(4), 및 적어도 하나의 팽창 폴리머층(22)을 포함하며 상기 도체(2)를 둘러싸는 보호요소(20)를 구비하는 케이블(1)을 설계하는 방법에 있어서,
    도체 횡단면적을 선택하는 단계;
    많은 기 설정된 전기 한계 조건들 중 하나에 맞추어 상기 선택된 도체 횡단면적상에 기 설정된 전압 등급에서의 안전한 동작에 적합한 절연층의 두께를 결정하는 단계;
    상기 많은 기설정 전기 한계 조건들에서 결정된 두께들 중에서 최대 절연층 두께를 선택하는 단계;
    충격이 케이블상에 적어도 50J 에너지로 유발될 때, 상기 절연층이 파악가능하게 손상되지 않도록 상기 보호요소의 두께를 결정하는 단계; 및
    상기 기 설정된 전압 등급와 선택된 횡단면적에 대한 케이블 설계에 있어서 상기 선택된 절연층과 상기 기 설정된 보호요소 두께를 사용하는 단계를 포함하는 케이블 설계방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 보호요소(20)의 두께를 결정하는 단계는 상기 팽창 폴리머층(22)의 두께를 결정하는 단계를 포함하는 케이블 설계방법.
  42. 제 40 항에 있어서,
    상기 보호요소(20)의 두계를 결정하는 단계는 상기 팽창 폴리머층(22)의 두께를 선택하는 단계와 상기 팽창 폴리머층(22)과 결합되는 적어도 하나의 비팽창 폴리머층(21,23)의 두께를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 보호요소(20)는 적어도 하나의 비팽창 폴리머층(21,23)을 포함하는 케이블 설계방법.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비팽창 폴리머의 두께를 결정하는 단계는 상기 적어도 하나의 비팽창 폴리머의 두께가 상기 도체 횡단면적과 반비례 관계로 상관하는 단계를 포함하는 케이블 설계방법.
  44. 제 42 항에 있어서,
    상기 기 설정된 전기 한계 조건들은 절연층의 외표면에 전기 그래디언트를 포함하는 케이블 설계방법.
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