KR20130105523A - 전기장 완화 재료 - Google Patents

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KR20130105523A
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제롬 마딸라나
아르노 알래
크누트 마그네 프루하임
뤼도빅 부와에
자비에 퍼스따즈
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넥쌍
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Abstract

본 발명은 폴리머 매트릭스 및 하나 이상의 전기 전도성 필러를 포함하고, 상기 전기 전도성 필러는 폴리아닐린인 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1)에 관한 것이다.

Description

전기장 완화 재료{FIELD GRADING MATERIAL}
본 발명은 폴리머 매트릭스 및 전기 전도성 유기 필러를 포함하는 전기장 완화(전기장 그레이딩) 재료에 관한 것이며, 상기 전기장 완화 재료를 포함하는 전기장 완화 장치에 관한 것이다.
더욱 자세히, 상기 전기장 완화 재료는 교류 또는 직류 전압을 가지는 중전압 장치(특히, 6kV 내지 45-60kV) 또는 고전압 장치(특히, 60kV 이상 및 최대 800kV)의 전기장을 제어할 수 있도록 조정된다.
WO 2004/038735는 무기 필러와 함께 제공되는 폴리머 매트릭스로 구성되는 전기장 완화 재료를 기재하고 있다. 무기 필러는 최소한 한 차원에서 100nm보다 작은 입자가 전기장 완화에 유효한 양으로 포함한다.
그러나, 폴리머 매트릭스에서 무기 필러의 사용은 특히 고온에서 시간 경과 후 전기장의 제어를 최적화할 수 없으며, 배합에 있어 문제점이 야기할 수 있다.
본 발명은 상기 기재된 종래발명의 문제점을 해결하기 위하여, 특히 중전압(MV) 및 고전압(HV) 장치에 있어서 가공성과 전기적 성질이 용이하게 최적화될 수 있는 전기장 완화 재료를 제안한다.
이를 위해, 본 발명의 목적은 폴리머 매트릭스 및 적어도 하나의 전기 전도성 필러를 가지며, 상기 전기 전도성 필러는 폴리아닐린인 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료를 제공하는 데 있다.
본 발명은 중전압 또는 고전압 케이블의 작동온도에서 전하 축적에 따를 전기장 증대를 방지함으로써 전기장을 제어할 수 있게 한다. 특히, 본 발명의 상기 전기장 완화 재료는 고온(예를 들어, 90℃ 이상)에서 시간 경과 후에도 열적으로 안정적이다.
본 발명은 더 간단한 배합을 제공하며, 이는 전기장 완화 재료에 높은 전기 전도성 필러 함량을 쉽게 달성할 수 있게 한다.
폴리아닐린은 전기성 완화재료의 전기저항에 비선형성(즉, 전기장의 증가에 따라 감소하는 전기저항)을 제공하여, 상기 전기장 완화 재료는 비선형 전기 저항을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 전기장 완화 재료는 바람직하게 비선형 전기장 완화 재료이다.
더욱이, 유기 폴리머인 폴리아닐린의 사용은 상기 폴리머의 체인 길이를 다양하게 할 수 있기 때문에 상기 전기장 완화재료의 전도성을 조절함에 있어 유연성을 향상시킬 수 있게 한다. 종래 발명에 사용되는 상기 무기 필러는 전기적 성질 조절의 유연성이 얻어질 수 있는 범위를 제한한다.
다른 장점은 종래 발명의 무기 필러를 배합하는 것보다 본 발명의 상기 유기 폴리머(즉, 폴리아닐린)를 포함하는 전기장 완화 재료를 준비하는 것이 더욱 간편하고 손실이 적은 공정이라는 것이다.
일 구현예에서, 상기 폴리아닐린은 실질적으로 도핑되지 않는다. 예를 들어, 폴리아닐린의 에메랄딘(emeraldine) 형태는 산에 의해 도핑되지 않는다. 다시 말해, 폴리아닐린의 에메랄딘 형태는 중성이며, 따라서 폴리아닐린의 에메랄딘 형태는 에메랄딘 염이 아니다.
따라서, 도핑되지 않은 폴리아닐린을 사용함에 있어서, 전기장 완화 재료의 비선형성은 작동 조건에 있어서 안정적이며, 특히 약 90℃ 이상의 고온에서 그러하다.
상기 폴리아닐린은 루코에메랄딘(leucoemeraldine), 에메랄딘 염기, (페르)니그라닐린((per)nigraniline), 또는 이 들의 혼합물에서 선택할 수 있다.
본 발명의 상기 폴리아닐린은, 루코에메랄딘 및 (페르)니그라닐린에 반하여 에메랄딘 형태는 온도에 대한 비선형성과 관련하여 가장 안정한 형태이고, 다른 두 형태의 폴리아닐린에 비하여 높은 전기 전도성을 가지기 때문에, 폴리아닐린의 에메랄딘 형태(즉, 에메랄딘 염기)인 것이 바람직하다.
폴리아닐린이 도핑되지 않는 경우, 에메랄딘 형태의 폴리아닐린이 바람직하다.
바람직한 구현예에서, 상기 폴리머 매트릭스는 하나 이상의 엘라스토머(elastomer) 폴리머를 포함한다. 상기 전기장 완화 재료에의 상기 엘라스토머의 존재는 상기 재료를 접합 및 종단 장치와 같은 케이블 부속품(accessory)에 부속품과 케이블 절연체와의 우수한 접촉을 보장하기 위하여 사용할 수 있게 한다.
상기 엘라스토머 폴리머는 에틸렌프로필렌디엔 모노머(ethylene propylene diene monomer, EPDM) 고무, 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA) 코폴리머(copolymer) 및 실리콘 고무(예를 들어, 액상 실리콘 고무(liquid silicone rubber, LSR) 또는 고온 경화(high temperature vulcanized, HTV) 고무), 또는 이들의 혼합물로부터 선택할 수 있다.
특히, 상기 폴리머 매트릭스는 엘라스토머 매트릭스이고, 따라서 엘라스토머 폴리머의 함량은 상기 폴리머 매트릭스의 50 중량% 이상이며, 바람직하게는 상기 폴리머 매트릭스는 하나 또는 여러 종류의 엘라스토머 폴리머로 구성된다.
본 발명에 따르면, 상기 전기장 완화 재료는 10 내지 60 중량%의 전기 전도성 유기 필러를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 50 중량%의 전기 전도성 유기 필러를 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 40 중량%의 전기 전도성 유기 필러를 포함할 수 있다.
본 발명의 전기장 완화 재료는 하나 이상의 부가적 전기 전도성 유기 필러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 재료에 하나 이상의 부가적 전기 전도성 유기 필러를 사용하는 이점은 상기 폴리아닐린 및 상기 유기 필러 사이에 형성된 응집체의 상승효과에 있다. 이는 상기 재료가 낮게 인가된 전기장에서 전도하게 하여 보통의 폴리아닐린 성질보다 유효 전기장을 유리하게 상승시킨다.
예를 들어, 상기 부가적 전기 전도성 유기 필러는 카본 블랙일 수 있다.
상기 전기장 완화 재료는 3 내지 20 중량%의 상기 부가적 전기 전도성 유기 필러를 포함할 수 있고, 바람직하게는 3 내지 10 중량%의 상기 부가적 전기 전도성 유기 필러를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 전기장 완화 재료는 폴리머 매트릭스 및 전기 전도성 필러만을 포함하며, 상기 전기 전도성 필러는 특히 하기와 같다:
- 오직 전기 전도성 유기 필러, 또는
- 오직 전기 전도성 유기 필러 및 전기 전도성 무기 필러.
본 발명의 다른 목적은 전술한 바와 같이 정의되는 상기 전기장 완화 재료를 포함하는 것으로, 상기 전기장 완화 재료는 절연층, 특히 전력 케이블의 절연층에 물리적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기장 완화 장치이다.
일 구현예에서, 상기 전기장 완화 재료는 전력 케이블의 반도전층의 일부를 치환하는 층이며, 상기 반도전층은 바람직하게는 상기 절연층에 물리적으로 연결된다.
상기 전력 케이블은 전형적으로 절연층으로 둘러싸인 하나 이상의 중앙 전기 도체를 포함할 수 있으며, 상기 절연층은 반도전층으로 둘러싸인다.
더욱이, 상기 전력케이블은 첫째 반도전층(즉, 내측 반도전층), (전기적) 절연층, 둘째 반도전층(즉, 외측 반도전층)에 의해 연속적으로 둘러싸인 하나 이상의 중앙 전기 도체를 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 절연층은 상기 내측 반도전층 및 외측 반도전층에 물리적으로 연결될 수 있다. 전형적으로, 상기 전력 케이블의 층들은 압출층(extruded layer)일 수 있다.
상기 전기장 완화 재료는 유리하게 상기 전력 케이블이 연결된 전력 케이블 부속품의 반도전성 소자 및 절연 소자로부터 상기 전력 케이블의 절연층을 구분한다. 다시 말해, 최소한 상기 부속품 내부에서는, 상기 반도전성 소자 및 상기 절연성 소자는 상기 전기장 완화 재료의 도움으로 물리적으로 상기 전력 케이블의 절연층과 접촉하지 않는다.
바람직하게는 상기 전기장 완화 재료는 상기 중앙 전기 도체와 같은 전력 케이블의 고전압 전위에 전기적으로 연결된다.
첫 번째 구현예에서, 본 발명에 따른 상기 장치는 전력 케이블의 종단 장치(termiantion)를 포함할 수 있다.
이 구현예에서, 상기 전력 케이블의 말단이 상기 종단 장치에 위치하고, 본 발명에 따른 전기장 완화 재료는 상기 전력 케이블의 외측 반도전층의 일부를 치환하는 층(layer)이다. 따라서, 상기 층은 중앙 전기 도체를 둘러싸며, 특히 상기 전력 케이블의 절연층을 둘러싼다.
상기 종단 장치는 전형적으로 스트레스 콘(stress cone) 몸체와 전향기(deflector)를 포함한다. 상기 전향기는 전기장을 기하학적으로 배분하는 반도전성 콘일 수 있다. 전기장 증대는 방지하여야 하며, 특히 벼락이 치는 것과 같이, 전력 케이블에 충격 전압(impulse voltage)이 가해지는 경우에 그러하다.
상기 전향기의 일부는 바람직하게는 한 쪽에서 외측 반도전층과 다른 쪽에서 전기장 완화 재료와 물리적으로 접촉한다. 상기 전기장 완화 재료는 외측 반도전층에서 전향기로의 전이시 전기장을 감소시키는 것을 유리하게 돕는다.
두 번째 구현예에서, 본 발명에 따른 장치는 두 개의 전력케이블을 함께 연결하는(즉, 연결할 수 있는) 접합 장치를 포함한다.
이 구현예에서, 상기 접합 장치에 위치한 하나 이상의 전력 케이블의 말단에서, 본 발명에 따른 전기장 완화 재료는 상기 전력 케이블의 외측 반도전층의 일부를 치환하는 층이다. 따라서, 상기 층은 중앙 전기 도체를 둘러싸고, 특히 전력 케이블의 절연층을 둘러싼다.
상기 접합 장치는 전형적으로 절연체, 외측 반도전 차폐층(outer semi-conducting screen) 및 두 개의 전력 케이블(특히, 상기 케이블의 중앙 전기 도체)을 전기적으로 연결하는(즉, 연결할 수 있는) 커넥터(connector)를 포함한다.
상기 절연체는 상기 케이블의 전기장 완화 재료의 모든 층을 둘러싼다.
상기 외측 반도전 차폐층은 상기 전력 케이블의 외측 반도전층의 일부 및 전기장 완화 재료 층의 일부를 둘러싼다.
상기 외측 반도전 차폐층은 물리적으로 상기 전력 케이블의 외측 반도전층과 물리적으로 접촉하며, 전기장 완화 재료 층과 물리적으로 접촉한다.
상기 전기장 완화 재료는 해당 분야에 잘 알려진 방법에 따라 전력 케이블 부속품(예를 들어, 접합 장치 및 종단 장치) 또는 전력 케이블에 활용될 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 다른 목적은 본 발명에서 정의된 전기장 완화 재료를 포함하는 전력 케이블 부속품 및/또는 전력 케이블이다.
그와 같은 전력 케이블 부속품 및 전력 케이블에서, 전기장은 작동 온도에서 전하 축적에 의한 전기장 증대를 방지함으로써 쉽게 제어할 수 있다.
또한, 상기 전력 케이블 부속품 및/또는 전력 케이블 시간 경과 후 열적 안정성(특히 시간 경과 후 비선형 성질을 열적 안정성)은 특히 고온(예를 들어, 90℃ 이상)에서 향상된다.
첫 번째 변형예에서, 상기 전기장 완화 소재는 전력 케이블 부속품에 몰딩될 수 있다. 그 다음, 상기와 같이 얻어진 전력 케이블 부속품은 전력 케이블에 장착된다.
두 번째 변형예에서, 상기 전기장 완화 재료는 열적으로 또는 물리적으로 압출되거나 팽창되고, 각각 전력 케이블에 장착될 수 있다. 그 다음, 전력 케이블 부속품이 상기와 같이 얻어진 전력 케이블에 가열 수축(heat shrinkage) 또는 탄성 냉각 수축(elastic cold shrinkage)에 의해 장착된다.
도 1은 본 발명에 따른 종단 장치를 포함하는 전기장 완화 장치의 종횡단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 접합 장치를 포함하는 전기장 완화 장치의 종횡단면도를 나타낸다.
본 발명은 그림만으로 이루어진 도면을 수반한 아래에 기재된 자세한 설명에 의하여 더욱 완전히 이해될 수 있다. 다만, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
명확하게 하기 위하여, 같은 장치는 같은 도면부호(reference)로 표시한다. 유사하게, 발명을 이해하는 데 필수적인 요소만 도식적으로 나타나며, 축척은 준수하지 않는다.
도 1은 종단 장치(30)에 위치한 전력 케이블(20a)의 한 말단(21a)을 포함하며, 상기 종단 장치는 전력 케이블(20a)을 둘러싸는 전기장 완화 장치(101)를 나타낸다.
상기 전력 케이블(20a)은 내측 반도전층(10a), 절연층(11a) 및 외측 반도전층(12a)에 의하여 연속적으로 둘러싸인 중앙 전기 도체(9a)를 포함한다.
전력 케이블(20a)의 말단(21a)에서, 본 발명에 따른 전기장 완화 재료가 층(1a)으로 전력 케이블의 반도전층(12a)의 일부를 치환하고, 그에 따라 상기 층(1a)은 외측 반도전층에서 상기 말단(21a)으로 연결되어 길이방향으로 연장된다.
따라서, 상기 층(1a)은 전력 케이블의 절연층(11a)을 둘러싸고 물리적으로 접촉한다.
또한, 상기 전기장 완화 재료의 층(1a)은 전도성 연결부(13)에 의해 중앙 전기 도체(9a)에 전기적으로 연결된다.
상기 종단 장치(30)는 하기를 포함한다:
- 스트레스 콘 몸체(31), 및
- 전향기(32).
상기 스트레스 콘 몸체(31)는 상기 전기장 완화 재료의 층(1a)의 일부를 둘러싸고, 상기 스트레스 콘 몸체는 전기적으로 절연된 몸체이다. 상기 전향기(32)는 외측 반도전층(12a)의 일부 및 상기 전기장 완화 재료의 층(1a)의 일부를 둘러싸는 반도전성 콘이다. 상기 전향기(32)는 상기 전력 케이블의 외측 반도전층(12a)에 물리적으로 접촉하고, 상기 전기장 완화 재료의 층(1a)에 물리적으로 접촉한다. 따라서, 최소한 상기 말단 장치(30)의 내부에서, 상기 전기장 완화 재료의 층(1a)은 절연층(11a)을 반도전성 소자(32)로부터 분리한다.
도 2는 전력 케이블(20b,20c)을 둘러싸는 접합 장치(40)에 위치하는 첫 번째 전력 케이블의 한 말단(21b) 및 두 번째 케이블의 한 말단(21c)을 포함하는 전기장 완화 장치(102)를 나타낸다.
전력 케이블(20b,20c)은 내측 반도전층(10b,10c), 절연층(11b,11c) 및 외측 반도전층(12b,12c)으로 연속적으로 둘러싸인 중앙 전기 도체(9b,9c)를 포함한다.
전력 케이블(20b,20c)의 말단(21b,21c)에서, 본 발명에 따른 전기장 완화 재료는 층(1b,1c)으로 전력 케이블의 외측 반도전층(12b,12c)의 일부를 치환하여, 상기 층(1b)은 반도전층(12b)에서 전력 케이블(20b)의 말단(21b)으로 길이방향으로 연장되며, 상기 층(1c)은 반도전층(12c)에서 전력 케이블(20c)의 말단(21c)으로 길이방향으로 연장된다.
따라서, 상기 층(1b,1c)은 전력 케이블(20b,20c)의 절연층(11b,11c)을 둘러싸고 물리적으로 접촉한다.
상기 접합 장치(102)는 하기를 포함한다:
- 프리몰딩된 연결부의 절연체(41),
- 외측 반도전 차폐층(42), 및
- 케이블(20b,20c)을 접합 장치(102) 내에서 전기적으로 연결하기 위한 전도성 차폐층(44)로 둘러싸인 커넥터(43).
상기 절연체(41)는 전기장 완화 재료 층(1b) 및 층(1c)을 모두 둘러싸며, 상기 프리몰딩된 연결부는 전기 절연성 연결부이다.
도전성 외측 차폐층(42)은 상기 전력 케이블(20b,20c)의 외측 반도전층(12b,12c)의 일부 및 전기장 완화 재료 층(1b,1c)의 일부를 둘러싼다. 상기 도전성 외측 차폐층(42)은 전력 케이블의 외측 반도전층(12b,12c)과 물리적으로 접촉하고, 전기장 완화 재료 층(1b,1c)과 물리적으로 접촉한다. 따라서, 최소한 접합 장치(40) 내에서, 전기장 완화 재료 층(1b)은 절연층(11b)을 반도전성 소자(42)로부터 분리하고, 전기장 완화 재료 층(1c)은 절연층(11c)을 반도전성 소자(42)로부터 분리한다.
상기 커넥터(43)는 전력 케이블(20b)의 중앙 전기 도체(9b)를 전력 케이블(20c)의 중앙 전기 도체(9c)와 전기적으로 연결할 수 있게 한다.
또한, 전기장 완화 재료 층(1b,1c)은 전도성 차폐층(44)으로 둘러싸인 커넥터(43)를 통해서 중앙 전기 도체(9b,9c)에 전기적으로 연결된다.
본 발명 및 구현예에 따르면, 도 1 및 2에서 사용된 전기장 완화 재료의 층(1a,1b,1c)은 60 중량%의 EPDM 고무(폴리머 매트릭스, LANXESS가 참고번호 Keltan　2340A로 시판)와 혼합된 40 중량%의 도핑되지 않은 에메랄딘 형태의 폴리아닐린의 폴리머(Eeonyx Corporation이 참고번호 Emeraldine Base(미도핑 폴리아닐린)로 시판)를 포함하는 압출층이다.

Claims (14)

  1. 폴리머 매트릭스 및 하나 이상의 전기 전도성 필러를 포함하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c)로서, 상기 전기 전도성 필러는 폴리아닐린인 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리아닐린의 에메랄딘 형태는 실질적으로 도핑되지 않은 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리아닐린은 폴리아닐린의 에메랄딘 형태인 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 하나 이상의 엘라스토머 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 엘라스토머 폴리머는 에틸렌프로필렌디엔 모노머(EPDM) 고무, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 코폴리머, 실리콘 고무 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기장 완화 재료(1a,1b,1c)는 10 내지 60 중량%의 전도성 유기 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    40 중량%의 전도성 유기 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기장 완화 재료(1a,1b,1c)는 하나 이상의 부가적 전기 전도성 유기 필러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 부가적 전기 전도성 유기 필러는 카본 블랙인 것을 특징으로 하는 전기장 완화 재료(1a,1b,1c).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전기장 완화 재료(1a,1b,1c)를 포함하는 전기장 완화 장치(101,102)로서,
    상기 전기장 완화 재료(1a,1b,1c)는 절연층(11a,11b,11c)과 물리적으로 접촉된 것을 특징으로 하는 전기장 완화 장치(101,102).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전기장 완화 재료(1a,1b,1c)는 전력 케이블(20a,20b,20c)의 반도전층(12a,12b,12c)의 일부를 치환하는 층(1a,1b,1c)인 것을 특징으로 하는 전기장 완화 장치(101,102).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 전기장 완화 장치는 전력 케이블(20a)에 대한 종단 장치(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기장 완화 장치(101).
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 장치는 두 개의 전력 케이블(20b,20c)을 함께 연결할 수 있는 접합 장치(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기장 완화 장치(102).
  14. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전기장 완화 재료를 포함하는 전력 케이블 부속품 및/또는 전력 케이블.
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