KR20090129376A - 고압 전기 케이블 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전기 케이블(1)은 전도체 요소(2)와, 상기 전도체 요소(2)를 감싸는 전기 절연체 층(4)을 포함하고, 상기 전기 절연체 층(4)은 스티렌 혼성 중합체 및 폴리에틸렌을 포함하는 혼합체로부터 얻어지고, 상기 폴리에틸렌은 다중모드 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 전기 케이블과 관련된 것이다.
전기 케이블, 절연체 층, 포획 전하

Description

고압 전기 케이블{A HIGH VOLTAGE ELECTRIC CABLE}
본 발명은 스티렌(styrene) 혼성 중합체(copolymer) 및 폴리에틸렌(polyethylene)으로 이루어진 전기 절연체 층을 가지는 전기 케이블과 관련된 것이다.
본 발명은 고압 또는 초고압의 직류(HVDC)용 전력 케이블과 고압 또는 초고압의 교류(HVAC)용 전력 케이블의 분야에 광범위하게 적용될 수 있다.
전력 케이블은 대게 60kilovolts(kV) 내지 600kilovolts(kV)용 케이블이다.
프랑스특허공보 제2805656호는 고압 또는 초고압의 직류용 전기 케이블을 설명한다.
고압 또는 초고압의 직류(HVDC)용 전기 케이블은 중심 전도체 요소와, 중심 전도체와 동축을 가지면서 연속하는: 내부 반도체 막; 압출된 전기 절연체 층; 외부 반도체 막; 보호용 금속 막; 보호용 외장부를 포함한다.
압출된 전기 절연체 층은 스티렌 혼성 중합체 및 폴리에틸렌을 포함하는 혼 합체로 구성되어 있고, 상기 혼합체의 스티렌 함유량은 11중량% 내지 18중량%이다.
그럼에도 불구하고, 예를 들어 전도체 주위로 상기 혼합체를 압출하면, 전기 절연체 층은 두께가 균일하지 않고, 그러므로 원통형이 아닌 것이 눈에 띄는 표면의 외관을 가진다.
따라서, 전기 절연체 층의 유전체 특성은, 악영향을 받고, 상기 층의 전체 두께에 걸쳐서 동일하지 않게 된다.
본 발명은 스티렌의 혼성 중합체 및 폴리에틸렌으로 이루어진 전기 절연체 층을 포함하는 전기 케이블을 제시하여 종래 기술의 문제점을 해결하고, 본 발명은 케이블의 두께 전체가 균일하고 뛰어난 유전체 특성을 가지도록 한다.
본 발명은 전도체 요소와, 상기 전도체 요소를 감싸는 전기 절연체 층을 포함하고, 상기 전기 절연체 층은 스티렌 혼성 중합체 및 폴리에틸렌을 포함하는 혼합체로부터 얻어지고, 케이블은 폴리에틸렌이 다중모드(plurimodal) 폴리에틸렌인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여, 전기 절연체 층의 유전체 특성은 놀라운 방식으로 최적화될 수 있다. 상기 층의 전하의 양(공간 전하), 특히 상기 층의 "포획" 전하라고 불리는 것의 양은 고압 또는 초고압의 직류에서 눈에 띄게 최소화 된고, 전기 케이블의 고장의 위험을 상당히 낮출 수 있다.
"다중모드" 폴리에틸렌이라는 용어는 다른 중합 반응 조건에서 생성되는 두 개 이상의 폴리에틸렌 성분의 혼합체를 의미하는 것으로 사용되고, 혼합체는 각각의 성분에 따라서 다른 분자량을 가지게 한다.
다중모드 폴리에틸렌이 두 개의 다른 분자량을 가진 폴리에틸렌의 성분으로 구성된다면, 이때 폴리에틸렌은 "이중모드(biomodal)"라고 불린다.
다른 분자량을 가지는 성분의 화학적 성질은 동일할 수 있고, 즉 폴리에틸렌은 예를 들어 에틸렌(ethylene) 혼성 중합체의 성분으로만 오로지 구성되거나 에틸렌 동질 혼성 중합체의 성분으로만 오로지 구성될 수 있다.
성분의 화학적 성질이 다를 수 있다. 따라서, 하나 또는 하나 이상의 성분이 에틸렌 혼성 중합체로 구성될 수 있고, 동시에 하나 또는 하나 이상의 다른 성분은 에틸렌 동질 혼성 중합체로 구성된다.
바람직하게는, 전기 절연체 층은 교차 연결되어 있지 않아서, 완성품이 공간 전하 밀도를 높이는 교차 연결을 하지 못하도록 한다.
특히 바람직한 실시예로서, 상기 혼합체의 스티렌 함유량은 10중량% 이하이고, 바람직하게는 9중량% 이하이고, 더 바람직하게는 8중량% 이하이다.
바람직하게, 상한값은 절연체 층이 좋은 기계적 특성을 유지하면서 전체 두께에 걸쳐서 현저하게 균일한 유전체 특성을 얻도록 해준다.
최대 한계는 전도체 요소 주위의 전기 절연체 층을 위해 특히 10mm 이상의 최적화된 일정 두께를 보장한다.
다른 실시예에서, 혼합체의 스티렌 함유량은 전기 절연체 층 내에서 만족스러운 전하의 흐름을 위하여 4중량% 이상이다.
본 발명의 혼합체에 사용되는 폴리에틸렌은 바람직하게는 이중모드 폴리에틸렌이다.
게다가, 폴리에틸렌은 중간 밀도 또는 고밀도의 폴리에틸렌일 수 있고, 그로 인하여, 특히 고압 또는 초고압의 직류 전력 케이블인 본 발명의 전기케이블은 80 °C 온도에서 잘 작동한다.
본 발명의 혼합체인 스티렌 혼성 중합체는, 바람직하게는 스티렌과 부타디엔(butadiene)의 혼성 중합체, 또는 스티렌과 이소프렌(isoprene)의 혼성 중합체에서 선택되어 지고, 상기 스티렌 혼성 중합체는 세 번의 시퀀스를 거친 수소첨가된 혼성 중합체(a hydrogenated three-sequence copolymer)이다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 전기 케이블의 절연체 층은 10mm이상의 두께를 가진다.
본 발명은 전기 케이블의 두께 전체가 균일하고 뛰어난 유전체 특성을 가지도록 하고, 전기 절연체 층의 유전체 특성이 최적화될 수 있다. 또한 절연체 층의 전하의 양(공간 전하), 특히 상기 층의 "포획" 전하라고 불리는 양은 고압 또는 초고압의 직류에서 눈에 띄게 최소화 된고, 전기 케이블의 고장의 위험을 상당히 낮출 수 있다.
명확하게 나타내기 위해서, 본 발명을 이해하기 위해 필수적인 요소만 나타나있고, 각각의 요소들이 비례적으로 축소되어 있지는 않다.
도 1에 도시되어 있는 고압 또는 초고압의 전압 직류 전력 케이블(1)은 중심 전도체 요소(2)와, 상기 요소 축 주위로 연속하는; 내부 반도체 막(3), 전기 절연 체 층(4); 외부 반도체 막(5); 보호용 금속 막(6); 그리고 보호용 외장부(7)를 포함한다.
막(3,5,6)과 보호용 외장부(7)의 존재는 바람직하다. 전기 절연체 층(4)은 본 발명에 따라서 제조된다.
이 전기 절연체 층(4)은 일반적으로 전도체 요소(2) 주위로 압출된다.
금속 막(6)과 보호용 외장부(7)를 포함하는 보호용 구조는 예를 들어 물이 있으면 팽창하는, 반도체의 보호용 스트립(strip)(도시되지 않음)의 다른 보호용 요소를 포함할 수 있고, 바람직하게 보호용 스트립은 외부 반도체 막과 보호용 금속 막 사이에 끼어 넣어지고, 강철 와이어로 만들어진 금속 보강재는 바람직하게 보호용 외장부(7)의 주위에 위치되고, 또는 스트링(string)이 바람직하게 보호용 외장부(7)의 주위에 위치된다.
상기와 같은 케이블의 보호용 구조는 알려진 구조이고 본 발명의 범주 밖이다.
도 1에 도시된 것처럼, 전기 케이블(1)의 전기 절연체 층(4)은 교차 연결되어 있지 않고, 다중모드 폴리에틸렌과, 세 번의 시퀀스를 거친 수소첨가된 스티렌 혼성 중합체로 이루어진 혼성체에 의하여 얻어지고, 상기 혼합체의 스티렌 함유량은 10중량% 이하이다.
게다가, 예를 들어 압출기에 의하여 작업되는 동안 상기 혼합체의 붕괴를 제한하기 위하여 항산화제를 포함할 수 있다.
본 발명의 혼합체에 의하여 얻어지는 장점을 나타내기 위하여, 테이블 1에 같은 두께의 다양한 혼합체의 견본을 상세히 나타내었고, 견본은 교차 연결되지 않은 것이다.
테이블 1
혼합체 M M-A M-B M-C M-1
단일모드 HDPE 100 50 / /
다중모드 HDPE / / 100 75
스티렌 혼성 중합체 / 50 / 25
혼합체 M에 대한 스티렌 중량비 퍼센트 0 15 0 7.5
혼합체 M-A, M-B, 그리고 M-C는 "비교"혼합체라 불리는 것에 대응되고, 혼합체 M-1은 본 발명의 혼합체 대응된다.
비교 혼합체 M-A와 M-B의 단일모드(monomodal) 폴리에틸렌은 폴리에틸렌의 분자량 분배가 단일모드인 폴리에틸렌이고, 상기 폴리에틸렌은 폴리에틸렌 성분의 어느 하나의 유형을 가질 뿐이다.
테이블 1의 다양한 성분의 발생은 아래에 따른 것이다:
·단일모드 HDPE는 참조번호 35057E로 다우 케미켈(Dow Chemical)에 의하여 판매되는 단일모드 고밀도 폴리에틸렌이다.
·다중모드 HDPE는 참조번호 XZ89204로 다우 케미켈로 판매되는 이중모드 고밀도 폴리에틸렌이다.
·스티렌 혼성 중합체는 스티렌 30중량%를 가진 스티렌-부타디엔-스티렌 혼성 중합체(SEBS)이고, 참조번호 G1652로 크라톤 폴리머(Kraton Polymer)에 의하여 판매된다.
M-A, M-B, M-C, 그리고 M-1의 각각의 성분은 압출기에 의하여 하중을 받고 평면 견본 M-A, M-B, M-C, 그리고 M-1을 얻기 위하여 스트립으로 압출된다.
M-A, M-B, M-C, 그리고 M-1 견본의 압출된 층의 유전체 특성의 조사는 지름 40mm, 두께 0.7mm의 디스크로 수행되고, 전기적 응력 또는 열응력을 받는 소재의 유전체 거동을 평가하기 위하여 다양한 적합한 방법이 실시된다.
1. 포획 전하 밀도
전기 절연체 층의 포획 전하 밀도를 측정하기 위해 사용되는 방법은 숙련된 동종업자에게 잘 알려진 "미러(mirror)"라는 방법이다.
이 방법은 견본 M-A, M-B, M-C, 그리고 M-1의 압출된 층 내부에 스캐닝 전자 현미경을 이용하여 약 11.6피코쿨롱(picocoulombs)(pC)의 점 전하를 주입하는 것으로 구성된다. 이 방법은 2003년에 S.　Ouren. Jicabl에서 출판된 H.　Janah, J.　Matallana, J.F.　Brame과 P.　Mirebeau 공저의 "HDVC 압출 케이블용 소재(Materials for HDVC extruded cables)"에 상술되어 있다.
전하 밀도가 무한할 수는 없기 때문에, 전기 전하는 자연적으로 전기 절연체 층에 퍼진다.
전하 밀도가 낮을수록 직류 전압에서 동작하는 전기 절연체 층의 유전체 거동은 더 좋아진다.
아래 테이블 2에 결과가 자세히 나타나 있다. 포획 전하 밀도는 단위 m3당의 단위 쿨롱(C/m3)으로 표현되었다.
테이블 2
견본 M M-A M-B M-C M-1
포획된 전하 밀도 (C/m3) 250 120 180 100
M-A, M-B, M-C, 그리고 M-1 견본의 전기 절연체 층에 포획되는 포획 전하로 효율이 정해질 수 있다.
전기 절연체 층에 전하를 주입할 때, 상기 절연체 층 체적 내에 분산되는 전하 성분중에서 남는 전하가 포획될 수 있다.
따라서 효율은 주입된 전체 전하 양에 대한 포획된 전하 양이다.
따라서, 효율이 낮을수록, 전하가 적게 포획되고, 따라서 직류 전압에서 동작하는 전기 절연체 층의 유전체 거동이 좋아진다.
아래 테이블 3에 결과가 자세히 나타나 있다. 효율은 퍼센트로 표현된다.
테이블 3
견본 M M-A M-B M-C M-1
효율(%) 86 86 85 51
테이블 2와 테이블 3의 결과는 놀랍게도 본 발명에 따른 혼합체 M-1이 혼합체 M-A, M-B, 또는 M-C보다 좋은 것을 나타내는 것을 보여준다. 따라서 혼합체 M-1은 직류 전압 동작하에서 포획된 전하의 양과 밀도를 최소화시키고, 이로 인한, 고장의 위험을 상당히 낮춘다.
2. 케이블 작동 온도의 함수로서의 고유 저항
고유 저항을 측정하기 위해 사용되는 방법은 2005년 가을의 제118회 절연된 전도체 위원회 회의(Insulated Conductor Committee Meeting)에서 발표된 P.　Mirebeau, H.　Janah, J.　Metallana (Nexans, France), J.C.　Filippini (IRLAB, Grenoble, France)와 R.　Coelho 공저의 "절연 폴리머의 고유저항 측정: 고전압 동작하에서 전도 전류의 문제점(Resistivity measurements on insulating polymers: the problem of conduction currents under high voltage)"에 설명되어 있다.
온도 함수인 고유 저항의 변화를 크게 할수록 케이블의 작동 중에 전기 절연체 층에 발생하는 온도 기울기를 크게 하여 공간 전하를 발생시킨다.
따라서, 온도 함수의 고유 저항 변화를 가능한 작게 하는 것이 중요하다.
아래 테이블 4에 결과가 상세히 나타나있다.
테이블 4
견본 M M-A M-B M-C M-1
80°C에서의 고유저항(W.m)에 대한 40°C에서의 고유저항(W.m)의 비율 67 19 21 10
견본 M-1에 스티렌 7.5%를 추가하는 것은 견본 M-B에 스티렌 15%를 추가하는 것에 비하여 온도 함수의 고유 저항 변화를 상당히 제한한다.
3. 전하가 포획된 전위 우물의 깊이
전위 우물의 깊이를 측정하기 위해 사용되는 방법은 1970년의 R.A.　Cresswell, M.M.　Perlman 공저의 어플라이드 피직스 저널(J.　Appl. Phys.)의 제41권 제3호 페이지 2365-2375에 보고된, "코로나-대전 마일러에 의한 열전류(Thermal currents from corona-charged mylar)"에서 상세히 설명된 "열에 의해 발생하는 전류(thermo-stimulated currents)"라고 불리는 방법이다.
상기 방법은 견본 M-A, M-B, M-C, 그리고 M-1을 70°C의 40킬로볼트/밀리미터(kV/mm)의 전기장에 넣는다. 그리고 나서, 전위계로 단락되고, 온도는 1분에 2°도의 비율로 점진적으로 25°C에서 130°C까지 오른다.
전류는 온도의 함수로 관찰되어 지고, 전하가 포획된 전위 우물의 깊이로부터 유추될 수 있다.
전위 우물의 깊이를 작게 할수록, 직류 전압 하에서의 전기 절연체 층의 유전체의 거동이 좋아진다.
아래 테이블 5에 결과가 상세히 나타나있다. 전위 우물은 전자 볼트(eV)로 표현되어 있다.
테이블 5
견본 M M-A M-B M-C M-1
전위 우물 (eV) 1.18 1.14 1.18 1.06
스티렌 7.5%를 견본 M-1에 추가하는 것은 견본 M-A, M-B, 그리고 M-C, 특히 M-B에 대하여 아주 작은 전위 우물을 나타내는 것을 보여준다.
도 1은 본 발명의 전기 케이블의 광범위한 설명에 의하여 특성과 장점을 나타내는데 참고되는, 본 발명에 따른 전기 케이블의 바람직한 실시예를 도시하는 개략적인 사시도이다.

Claims (7)

  1. 전도체 요소(2)와, 상기 전도체 요소(2)를 감싸는 전기 절연체 층(4)을 포함하고, 상기 전기 절연체 층(4)은 스티렌의 혼성 중합체 및 폴리에틸렌을 포함하는 혼합체로부터 얻어지고,
    상기 폴리에틸렌은 다중모드 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 전기 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합체의 스티렌 함유량은 10중량% 이하이고, 바람직하게는 9중량% 이하인 것을 특징으로 하는 전기 케이블.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌은 이중모드 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 전기 케이블.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌은 중간 밀도 폴리에틸렌 또는 고 밀도 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 전기 케이블.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스티렌 혼성 중합체는, 스티렌과 부타디엔의 혼성 중합체와, 스티렌과 이소프렌의 혼성 중합체로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 케이블.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스티렌 혼성 중합체는 세 번의 시퀀스를 거친 수소첨가된 혼성 중합체인 것을 특징으로 하는 전기 케이블.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체 층은 10mm 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 케이블.
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