KR20170139696A - 전압 안정화 열가소성 전기 절연층을 가진 에너지 케이블 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 케이블은 적어도 하나의 전기 도체 및 전기 도체를 둘러싸는 적어도 하나의 전기 절연층을 포함하는 케이블에 관한 것이며, 적어도 하나의 전기 절연층은 다음을 포함한다: (a) 다음으로부터 선택된 열가소성 폴리머 재료: 에틸렌 및 프로필렌 이외의 α-올레핀으로부터 선택된 적어도 하나의 올레핀 코모노머와 프로필렌의 적어도 하나의 코폴리머(i), 이 코폴리머는 130℃ 이상의 용융점 및 20J/g 내지 90J/g의 용융 엔탈피를 가진다; 적어도 하나의 코폴리머(i) 및 적어도 하나의 α-올레핀과 에틸렌의 적어도 하나의 코폴리머(ii)의 혼합물, 이 코폴리머(ii)는 0J/g 내지 70J/g의 용융 엔탈피를 가진다; 적어도 하나의 프로필렌 호모폴리머 및 적어도 하나의 코폴리머(i) 또는 코폴리머(ii)의 혼합물; 코폴리머(i) 및 코폴리머(ii)의 적어도 하나는 다른 상 코폴리머이다; (b) 열가소성 폴리머 재료와 친밀하게 혼합된 적어도 하나의 유전 유체, 이 유전 유체는 0.3 이상의 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 전체 수의 비를 가지는 방향족 유전 유체이다; (c) 치환된 벤조페논 및 힌더드 아민으로부터 선택된 적어도 하나의 전압 안정제.
Description
본 발명은 에너지 케이블에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기 에너지, 특히 중 또는 고 전압 전기 에너지를 수송 또는 분배하기 위한 케이블에 관한 것이며, 상기 케이블은 적어도 하나의 열가소성 전기 절연층을 가진다.
전기 에너지를 수송하기 위한 케이블은 일반적으로 적어도 하나의 케이블 코어를 포함한다. 케이블 코어는 반도체 특성을 가진 내부 폴리머 층, 전기 절연 특성을 가진 중간 폴리머 층, 반도체 특성을 가진 외부 폴리머 층에 의해 연속적으로 덮인 적어도 하나의 도체에 의해 주로 형성된다. 중 또는 고 전압 전기 에너지를 수송하기 위한 케이블은 일반적으로, 통상적으로 금속 또는 금속 및 폴리머 재료로 제조된 적어도 하나의 스크린 층에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 케이블 코어를 포함한다. 스크린 층은 케이블 코어 주위를 나선형으로 감은 테이프 또는 케이블 코어를 세로방향으로 둘러싸는 시트의 와이어(브레이드) 형태로 제조될 수 있다. 적어도 하나의 도체를 둘러싸는 폴리머 층들은 폴리올레핀-계 가교 폴리머, 특히, 예를 들어, WO 98/52197에 개시된 대로, 가교된 폴리에틸렌(XLPE) 또는 엘라스토머 에틸렌/프로필렌(EPR) 또는 에틸렌/프로필렌/다이엔(EPDM) 코폴리머로 통상적으로 제조된다. 폴리머 재료를 도체 상에 압출한 후 실행된 가교 단계는 연속적 사용 동안 및 전류 과부하에 의한 고온하에서도 재료에 만족할만한 기계적 및 전기적 특성을 제공한다.
생산과 사용 동안 환경에 해롭지 않아야 하고 케이블 수명의 종료시에 재생가능해야 하는 재료들에 대한 필요조건들을 다루기 위해서, 열가소성 재료, 즉 가교되지 않아서 케이블 수명의 종료시에 재생될 수 있는 폴리머 재료로 제조된 케이블 코어를 가진 에너지 케이블이 최근에 개발되었다.
이런 관점에서, 적어도 하나의 코팅층, 예를 들어 유전 유체와 친밀하게 혼합된 폴리프로필렌 기질을 기초로 한 절연층을 포함하는 전기 케이블이 공지되어 있고 WO 02/03398, WO 02/27731, WO 04/066317, WO 04/066318, WO 07/048422, 및 WO 08/058572에 개시되어 있다. 이런 종류의 케이블에 유용한 폴리프로필렌 기질은 폴리프로필렌 호모폴리머 또는 코폴리머 또는 둘 다를 포함하며, 비교적 낮은 결정도를 특징으로 하여 케이블에 적절한 유연성을 제공하나 케이블 작동 및 과부하 온도에서 기계적 특성과 열압력 저항을 손상시키지 않는다. 케이블 코팅, 특히 케이블 절연층의 성능은 상기 폴리프로필렌 기질과 친밀하게 혼합된 유전 유체의 존재에 의해 영향을 받는다. 유전 유체는 상기한 기계적 특성과 열압력 저항력에 영향을 주지 않아야 하며 폴리머 기질과 친밀하고 균일하게 혼합돼야 한다.
절연층으로서 가교 폴리에틸렌(XLPE) 또는 가교 엘라스토머 에틸렌/프로필렌(EPR) 또는 에틸렌/프로필렌/다이엔(EPDM) 코폴리머와 같은 가교 폴리올레핀 조성물을 가진 에너지 케이블의 분야에서, 전기 성능, 특히 유전 강도를 개선하기 위해서, "전압 안정제"로 일반적으로 알려진 소량의 첨가제를 절연층을 형성하는 재료에 첨가하는 것이 공지되어 있고, 전압 안정제는 압출 동안 절연층에 주로 형성되는 공간, 돌출부 및 오염물질과 같은 결함에 의해 유발된 유전 강도에 대한 악영향을 감소시킬 수 있어야 한다.
예를 들어, 국제특허출원 WO 01/08166은 알킬, 아릴알킬 및 알킬아릴로부터 선택된 적어도 하나의 그룹으로 치환된 벤조페논인 적어도 하나의 전압 안정제를 포함하는 특히 XLPE로 제조된 적어도 하나의 폴리올레핀-계 절연 덮개층을 가진 전기 케이블에 관한 것이며, 상기 그룹은: a) 직접 또는 산소 다리(-O-)를 통해 벤조페논의 페닐 고리에 연결되며; b) 선택적으로 하나 이상의 산소 다리(-O-)를 함유하며; 및 c) 적어도 하나의 다른 벤조페논 그룹의 페닐 고리에 선택적으로 연결되며, 상기 적어도 하나의 그룹이 선택적으로 치환된 알킬일 때, 상기 벤조페논의 페닐 고리에 직접 연결되는 상기 알킬의 탄소 원자는 제3차이다. 상기 벤조페논 유도체들은 유기 과산화물과 같은 통상적으로 사용된 가교제에 대해 실질적으로 불활성이어서, 가교 반응의 억제 및/또는 가교 과정 동안 첨가제 자체의 변화 또는 파괴의 억제 현상을 피하게 한다.
미국특허 No.4,870,121은 고-전압(HV) 응용분야에 사용된 물품 또는 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 햇빛에 정상적으로 노출되지 않은 폴리머 유전 재료를 포함한다. 유전 재료는 상기 장치에 있는 전기장에 의해 생산된 UV 복사에너지로부터 발생하는 폴리머 재료의 열화를 방해하여 유전 재료에서 전기 트리잉(electrical treeing)의 개시 시간을 연장하는데 충분한 양으로 존재하는 자외(UV)선 안정제를 포함한다. 트리잉에 대한 저항력은 재료에서 산소의 농도를 감소시킴으로써 향상되고 강화된다. 상기 장치는 지하 케이블, 심해 케이블, HV 스위치, 변압기, 콘덴서 및 다른 장비로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나일 수 있으며, 이의 절연체는 일반적으로 햇빛에 노출되지 않는다. 상기 장치에 포함된 폴리머 유전 재료는 바람직하게는 저밀도 폴리에틸렌 또는 에틸렌-프로필렌-다이엔 터폴리머(EPDM), 에틸렌 프로필렌 고무 및 에폭시 수지와 같은 폴리올레핀을 포함하는 그룹으로부터 선택된 것이다. 자외선 안정제는 벤조트라이아졸, 힌더드 아민 광 안정제, 니켈 킬레이트화제 및 치환된 벤조페논을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
출원인은 전기 절연층으로서, 유전 유체와 친밀하게 혼합된 폴리프로필렌을 기초로 한 열가소성 코팅을 갖는, 특히 고 전압(HV) 전력 전송 응용분야의 경우, 특히 유전 파괴 강도의 면에서, 에너지 케이블의 전기 성능을 개선하는 문제를 직면하였다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 출원인은 절연 재료의 다른 특성들에 영향을 미치지 않고 특히 유전 유체와 열가소성 폴리머의 조합에 의해 성취한 특성들의 미세한 균형에 부정적인 영향을 미치지 않고, 전기 절연층에 전압 안정제로서 작용하는 첨가제를 보충하는 가능성을 고려하였다.
출원인은 유전 유체와 친밀하게 혼합된 열가소성 폴리머 재료를 기초로 한 전기 절연층에 치환된 벤조페논 및 힌더드 아민으로부터 선택된 전압 안정제의 첨가는 유전 유체가 0.3 이상의 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 전체 수의 비를 갖는 방향족 유전 유체일 때 추구한 목적 및 다른 목적을 성취할 수 있다.
본 발명을 설명하기 위한 임의의 이론에 제한되지 않고, 상기 화합물들은 폴리프로필렌계 전기 절연 재료들에 대한 전압 안정제들로서 특히 효과적인 것으로 생각되는데 이는 상기 화합물들은 위에서 정의한 대로 방향족 유전 유체에 매우 가용성이기 때문이며, 따라서 상기 화합물들은 매질로서 유전 유체의 이점을 사용함으로써 절연 재료를 통해 이동할 수 있고, 너무 이른 전기 파괴에 책임이 있는 미세한 결함들에 도달하여 채운다.
따라서, 제 1 양태에 따라, 본 발명은 적어도 하나의 전기 도체 및 전기 도체를 둘러싸는 적어도 하나의 전기 절연층을 포함하는 케이블에 관한 것이며, 적어도 하나의 전기 절연층은 다음을 포함한다:
(a) 다음으로부터 선택된 열가소성 폴리머 재료:
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에틸렌 및 프로필렌 이외의 α-올레핀으로부터 선택된 적어도 하나의 올레핀 코모노머와 프로필렌의 적어도 하나의 코폴리머(i), 이 코폴리머는 130℃ 이상의 용융점 및 20J/g 내지 90J/g의 용융 엔탈피를 가진다;
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적어도 하나의 코폴리머(i) 및 적어도 하나의 α-올레핀과 에틸렌의 적어도 하나의 코폴리머(ii)의 혼합물, 이 코폴리머(ii)는 0J/g 내지 70J/g의 용융 엔탈피를 가진다;
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적어도 하나의 프로필렌 호모폴리머 및 적어도 하나의 코폴리머(i) 또는 코폴리머(ii)의 혼합물;
코폴리머(i) 및 코폴리머(ii)의 적어도 하나는 다른 상 코폴리머이다;
(b) 열가소성 폴리머 재료와 친밀하게 혼합된 적어도 하나의 유전 유체, 이 적어도 하나의 유전 유체는 0.3 이상의 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 전체 수의 비를 가지는 방향족 유전 유체이다;
(c) 치환된 벤조페논 및 힌더드 아민으로부터 선택된 적어도 하나의 전압 안정제.
달리 나타낸 곳을 제외하고, 다음의 상세한 설명 및 청구항을 위해서, 양(amount), 양(quantity), 백분율 등을 나타내는 모든 숫자는 "약"이란 용어에 의해 모든 경우에서 변형되는 것으로 이해될 것이다. 또한, 모든 범위는 개시된 최대 및 최소 점들의 임의의 조합을 포함하며 구체적으로 명시하거나 하지 않은 임의의 중간값을 포함한다.
상세한 설명 및 이하 청구항에서, "도체"는 막대 또는 스트랜디드 멀티-와이어(stranded multi-wire)로서 금속 재료, 더욱 구체적으로 알루미늄, 구리 또는 이의 합금으로 주로 제조된 전기 도체 요소 또는 반도체 층으로 코팅된 상기와 같은 도체 요소를 의미한다.
본 발명을 위해서 "중 전압"이라는 용어는 일반적으로 1kV 내지 35kV의 전압을 의미하는 반면, "고 전압"은 3kV보다 높은 전압을 의미한다.
"전기 절연층"은 절연 특성을 가지는, 즉 적어도 5kV/mm, 바람직하게는 10kV/mm 보다 큰 유전 강성율(유전 파괴 강도)을 가지는 재료로 제조된 코팅층을 의미한다.
"반도체 층"은 실온에서 500Ω·m 미만, 바람직하게는 20Ω·m 미만의 체적 저항값을 얻도록 하기 위해, 예를 들어, 카본블랙이 첨가된 폴리머 재료와 같은 반도체 특성을 가진 재료로 제조된 코팅층을 의미한다. 통상적으로, 카본블랙의 양은 폴리머의 중량에 대해 1 내지 50중량%, 바람직하게는 3 내지 30중량%일 수 있다.
"다른 상 코폴리머(heterophasic copolymer)"는, 예를 들어 에틸렌-프로필렌 엘라스토머(EPR)의 엘라스토머 도메인들이 프로필렌 호모폴리머 또는 코폴리머 기질에 분산되는 코폴리머를 의미한다.
바람직하게는, 열가소성 폴리머 재료(a)는 ASTM 표준 D1238-00에 따른 21.6N의 부하로 230℃에서 측정된, 0.05dg/min 내지 10.0dg/min, 더욱 바람직하게는 0.4dg/min 내지 5.0dg/min 용융 흐름 지수(MFI)를 가진다.
코폴리머(i)에서 올레핀 코모노머는 에틸렌 또는 식 CH2=CH-R의 α-올레핀일 수 있으며, 여기서 R은, 예를 들어, 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센 또는 이의 혼합물로부터 선택된 선형 또는 가지형 C2-C10 알킬이다. 프로필렌/에틸렌 코폴리머가 특히 바람직하다.
코폴리머(i)에서 올레핀 코모노머는 바람직하게는 15mol% 이하, 더욱 바람직하게는 10mol% 이하의 양으로 존재한다.
코폴리머(ii)에서 올레핀 코모노머는 식 CH2=CH-R의 올레핀일 수 있으며, 여기서 R은 1 내지 12개 탄소 원자를 함유하는 선형 또는 가지형 알킬기를 나타낸다. 바람직하게는, 상기 올레핀은 프로필렌, 1-부텐, 아이소부틸렌, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-도데센 또는 이의 혼합물로부터 선택된다. 프로필렌, 1-헥센 및 1-옥텐이 특히 바람직하다.
한 바람직한 실시태양에 따라, 코폴리머(i) 또는 코폴리머(ii)는 랜덤 코폴리머이다. "랜덤 코폴리머"는 코모노머들이 폴리머 사슬을 따라 랜덤하게 분산되는 코폴리머를 의미한다.
유리하게는, 코폴리머(i) 또는 코폴리머(ii) 또는 둘 다에서, 다른 상일 때, 엘라스토머 상은 코폴리머의 전체 중량에 대해 45중량% 이상의 양으로 존재한다.
특히 바람직한 다른 상 코폴리머(i) 또는 (ii)는 엘라스토머 상이 엘라스토머 상의 중량에 대해 15중량% 내지 50중량%의 에틸렌 및 50중량% 내지 85중량%의 프로필렌을 포함하는 에틸렌 및 프로필렌의 엘라스토머 코폴리머로 이루어진 것들이다.
바람직한 코폴리머들(ii)은 다른 상 프로필렌 코폴리머이며, 특히:
(ii-a) 다음 모노머 조성물을 가진 코폴리머: 35mol%-90mol%의 에틸렌; 10mol%-65mol%의 지방족 α-올레핀, 바람직하게는 프로필렌; 0mol%-10mol%의 폴리엔, 바람직하게는 다이엔, 더욱 바람직하게는 1,4-헥사다이엔 또는 5-에틸렌-2-노르보넨(EPR 및 EPDM 고무가 이런 종류에 속한다);
(ii-b) 다음 모노머 조성물을 가진 코폴리머: 75mol%-97mol%, 바람직하게는 90mol%-95mol%의 에틸렌; 3mol%-25mol%, 바람직하게는 5mol%-10mol%의 지방족 α-올레핀; 0mol%-5mol%, 바람직하게는 0mol%-2mol%의 폴리엔, 바람직하게는 다이엔(예를 들어, 에틸렌/1-옥텐 코폴리머).
다른 상 코폴리머는 1) 가능하게는 에틸렌 및 프로필렌 이외의 α-올레핀으로부터 선택된 소량의 적어도 하나의 올레핀 코모노머를 함유하는 프로필렌; 및 2) 에틸렌과 α-올레핀, 특히 프로필렌, 선택적으로 소량의 폴리엔의 혼합물의 연속 공중합에 의해 얻어질 수 있다.
"폴리엔"이란 용어는 일반적으로 컨쥬게이트 또는 논-컨쥬게이트 다이엔, 트라이엔 또는 테트라센을 의미한다. 다이엔 코모노머가 존재할 때, 이 코모노머는 일반적으로 4 내지 20개 탄소 원자를 함유하며 바람직하게는, 예를 들어, 1,3-부타다이엔, 1,4-헥사다이엔, 1,6-옥타다이엔 등과 같은 선형 컨쥬게이트 또는 논-컨쥬게이트 다이올레핀; 예를 들어, 1,4-사이클로헥사다이엔, 5-에틸리덴-2-노보넨, 5-메틸렌-2-노보넨, 바이닐노보넨과 같은 모노사이클릭 또는 폴리사이클릭 다이엔 또는 이의 혼합물로부터 선택된다. 트라이엔 또는 테트라엔 코모노머가 존재할 때, 이 코모노머는 일반적으로 9 내지 30개 탄소 원자를 함유하며 바람직하게는 분자에 바이닐기를 함유하는 또는 분자에 5-노보넨-2-일기를 함유하는 트라이엔 또는 테트라엔으로부터 선택된다. 본 발명에 사용될 수 있는 트라이엔 또는 테트라엔 코모노머의 구체적인 예들은 6,10-다이메틸-1,5,9-운데카트라이엔, 5,9-다이메틸-1,4,8-데카트라이엔, 6,9-다이메틸-1,5,8-데카트라이엔, 6,8,9-트라이메틸-1,6,8-데카트라이엔, 6,10,14-트라이메틸-1,5,9,13-펜타데카테트라엔 또는 이의 혼합물이다. 바람직하게는 폴리엔은 다이엔이다.
바람직하게는, 코폴리머(i), 코폴리머(ii) 또는 둘 다는 140℃ 내지 180℃의 용융점을 가진다.
바람직하게는, 코폴리머(i)는 25J/g 내지 80J/g의 용융 엔탈피를 가진다.
바람직하게는, 코폴리머(ii)는 10J/g 내지 30J/g의 용융 엔탈피를 가진다.
유리하게는, 절연층의 열가소성 재료가 코폴리머(i) 및 코폴리머(ii)의 혼합물을 포함할 때 후자는 첫 번째보다 낮은 용융 엔탈피를 가진다.
유리하게는, 절연층의 열가소성 재료가 코폴리머(i) 및 코폴리머(ii)의 혼합물을 포함할 때, 코폴리머(i) 및 코폴리머(ii)의 비는 1:9 내지 8:2, 바람직하게는 2:8 내지 7:3이다.
유리하게는, 절연층의 열가소성 재료가 프로필렌 호모폴리머 및 코폴리머(i) 및 코폴리머(ii)의 적어도 하나의 혼합물을 포함할 때, 프로필렌 호모폴리머 및 코폴리머(i) 또는 코폴리머(ii) 또는 둘 다의 비는 0.5:9.5 내지 5:5, 바람직하게는 1:9 내지 3:7이다.
유전 유체(b)에 관해서는, 유전 유체 및 폴리머 기재 사이의 높은 상용성은 폴리머 기재에서 유전 유체의 미세하게 균일한 분산을 얻는데 필수적이다. 본 발명의 케이블 덮개층을 형성하는데 적합한 유전 유체는 유전 손실의 현저한 증가를 피하기 위해서, 극성 화합물을 포함하지 않거나 이의 단지 제한된 양을 포함해야 한다.
바람직하게는, 상기 열가소성 폴리머 재료에서 상기 적어도 하나의 유전 유체의 농도(중량)는 상기 열가소성 폴리머 재료에서 상기 유전 유체의 포화 농도보다 낮다. 열가소성 폴리머 재료에서 유전 유체의 포화 농도는, 예를 들어 WO 04/066317에 기술된 대로 덤벨 표본에 대한 유체 흡수 방법에 의해 측정될 수 있다.
위에서 정의한 양으로 유전 유체를 사용함으로써, 절연층의 열 기계적 특성들이 유지되며 열가소성 폴리머 재료로부터 유전 유체의 삼출을 피하게 된다.
적어도 하나의 유전 유체는 일반적으로 열가소성 폴리머 재료와 상용할 수 있다. "상용가능한"은 유체 및 열가소성 폴리머 재료의 화학적 조성물이, 가소제와 유사하게, 유체를 폴리머 속에 혼합할 때 유전 유체의 폴리머 재료 속으로의 미세하게 균질한 분산을 일으키는 것을 의미한다.
일반적으로, 적어도 하나의 유전 유체(b)와 열가소성 폴리머 재료(a) 사이의 중량비는 1:99 내지 25:75, 바람직하게는 2:98 내지 15:85일 수 있다.
비교적 낮은 용융점 또는 낮은 유동점(예를 들어, 80℃보다 높지 않은 용융점 또는 유동점)을 가진 유전 유체의 사용은 추가의 복잡한 제조 단계(예를 들어 유전 유체의 용융 단계) 및/또는 폴리머 재료와 액체의 혼합을 위한 장비의 필요 없이 용융될 수 있는 유전 유체의 쉬운 처리를 가능하게 한다는 것이 알려져 있다.
다른 바람직한 실시태양에 따라, 유전 유체는 -130℃ 내지 +80℃의 용융점 또는 유동점을 가진다.
용융점은, 예를 들어, 시차주사열량계(DSC)분석과 같은 공지된 기술들에 의해 측정될 수 있다.
다른 바람직한 실시태양에 따라, 유전 유체는 절연층 내에 액체의 빠른 분산을 예방하고 따라서 이의 외부 이동을 예방할 뿐만 아니라 유전 유체가 열가소성 폴리머 재료 속에 쉽게 공급되어 혼합되게 할 수 있도록 소정의 점도를 가진다. 일반적으로, 본 발명의 유전 유체는 40℃에서, 10cSt 내지 800cSt, 바람직하게는 20 cSt 내지 500cSt(ASTM 표준 D445-03에 따라 측정)의 점도를 가진다.
방향족 탄소 원자들의 수는 방향족 고리의 일부인 탄소 원자들의 수이다.
본 발명에 따른 유전 유체는 0.3 이상의 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 총 수의 비(이하에서 Car/Ctot로 불림)를 가진다. 바람직하게는, Car/Ctot는 1보다 낮다. 예를 들어, Car/Ctot는 0.4 내지 0.9이다.
본 발명에 따른 유전 유체의 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 총 수의 비는 방향성의 표시이다. 이런 양의 방향성을 가진 유전 유체의 존재에서만 본 발명의 전압 안정제들은 이들의 작용을 수행할 수 있으며, 이는 다음 상세한 설명에서 도시될 것이다.
탄소 원자들의 총 수에 대한 방향족 탄소 원자들의 수의 비는 ASTM 표준 D3238-95(2000)e1에 따라 측정될 수 있다.
본 발명을 실행하기 위해 특히 바람직한 유전 유체들은 50℃ 이하의 아닐린 포인트를 갖는 것들이다. 아닐린 포인트는 현재의 경우에, 아닐린과 샘플 - 유전 유체의 동일 부피의 완전한 혼합에 대한 최소 온도이다. 본 발명에 따른 유전 유체가 -50℃보다 낮지 않은 아닐린 포인트를 갖는 것이 바람직하다.
적절한 유전 유체들의 예들은 모노사이클릭, 폴리사이클릭(축합되거나 되지 않음) 또는 헤테로사이클릭(즉, 산소, 질소 또는 황, 바람직하게는 산소로부터 선택된 적어도 하나의 이형원자를 함유)인 방향족 오일 및 이의 혼합물들이며, 방향족 또는 이형방향족 모이어티는 적어도 하나의 알킬기 C1-C20에 의해 치환된다. 둘 이상의 사이클릭 모이어티가 존재할 때, 이런 모이어티들은 알켄일기 C1-C5에 의해 연결될 수 있다.
예를 들어, 유전 유체는 구조식(I)을 가진 적어도 하나의 알킬아릴 탄화수소를 포함한다:
여기서:
동일하거나 다른 R1, R2, R3 및 R4는 수소 또는 메틸이며;
n1+n2 합이 3 이하인 것을 조건으로 동일하거나 다른 n1 및 n2는 0, 1 또는 2이다.
다른 예에서, 유전 유체는 다음 구조식을 가진 적어도 하나의 다이페닐 에터를 포함한다:
여기서 R5 및 R6는 동일하거나 다르며 수소, 치환되지 않거나 적어도 하나의 알킬기에 의해 치환된 페닐기 또는 치환되지 않거나 적어도 하나의 페닐에 의해 치환된 알킬기를 나타낸다. 알킬기는 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 총 수의 비가 0.3 이상인 것을 조건으로, 선형 또는 가지형 C1-C24, 바람직하게는 C1-C20 탄화수소 라디칼을 의미한다.
본 발명의 케이블에서 사용하기 위해 적절한 유전 유체는, 예를 들어, 모두 출원인의 WO 02/027731 및 WO 02/003398에 기술된다.
본 발명에 따른 전압 안정제들은 치환된 벤조페논 및 힌더드 아민으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 적절한 치환된 벤조페논의 예들은 다음이다: 2,2'-다이하이드록시-4,4'-다이아크릴옥시벤조페논, 2,4-다이하이드록시-벤조페논, 4,4'-다이하이드록시벤조페논, 2,2'-다이하이드록시-4,4'-다이메톡시벤조페논, 2,2'-다이하이드록시-4-메톡시벤조페논, 4,4'-다이메톡시벤조페논, 2,4'-다이메틸벤조페논, 3,4'-다이메틸벤조페논, 3,4-다이메틸벤조페논, 2,5-다이메틸벤조페논, 4,4'-다이메틸벤조페논, 2-하이드록시-4-메톡시벤조페논, 2-하이드록시-4-메톡시페닐-벤조페논, 2-하이드록시-4-아크릴옥시벤조페논, 2-하이드록시-4-옥틸옥시-벤조페논, 2-하이드록시-4-알릴옥시벤조페논, 2,3,4,4'-테트라하이드록시벤조페논, 2,2',4,4'-테트라하이드록시벤조페논, 2,2',4-트라이-하이드록시벤조페논, 2,3,4'-트라이하이드록시-벤조페논, 2,4,4'-트라이하이드록시-벤조페논, 2,4,6-트라이하이드록시벤조페논, 2,3,4-트라이메톡시벤조페논, 2,4,5-트라이-메톡시벤조페논, 2,4,6-트라이메톡시벤조페논 및 이의 혼합물.
치환기의 위치에 관해서, 2-치환 벤조페논들이 특히 바람직하다. 치환기의 성질에 관해서, 하이드록시-벤조페논들이 특히 바람직하다.
특히 바람직한 실시태양에 따라, 적어도 하나의 전압 안정제는 2-하이드록시-벤조페논으로부터 선택된다.
본 발명에 특히 바람직한 힌더드 아민들은, 특히 2,2,6,6-테트라메틸 피페리딘 유도체이다. 적절한 힌더드 아민들의 예들은 다음이다:
비스(2,2,6,6,-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트;
폴리[[6-[(1,1,3,3-테트라-메틸부틸)아미노]-1,3,5-트라이아진-2,4-다이일][(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘일)이미노]-1,6-헥세인다이일[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘일)-이미노]]);
N-부틸-1-부테인아마이드 및 N-부틸-2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘이민의 반응 생성물인 2,4,6-트라이클로로-1,3,5-트라이아진을 가진 1,6-헥세인다이아민,N,N'-비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘일)-폴리머(CAS 192268-64-7);
1,3,5-트라이아진-2,4,6-트라이아민,N,N'''-[1,2-에테인-다이일-비스[[[4,6-비스-[부틸-(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리딘일)아미노]-1,3,5-트라이아진-2-일]이미노]-3,1-프로페인다이-일]]비스-[N',N"-다이부틸-N',N"-비스(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리딘일)-(CAS 106990-43-6);
4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딘 에탄올을 가진 다이메틸 숙시네이트 폴리머;
비스-(1-옥틸옥시-2,2,6,6-테트라-메틸-4-피페리딘일)세바케이트;
및 이의 혼합물.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 전압 안정제는 절연층의 총 중량에 대해 0.05 내지 5중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 20중량%의 양으로 전기 절연층에 존재한다.
항산화제, 처리 보조제, 수트리 억제제 또는 이의 혼합물과 같은 다른 구성요소들은 소량으로 본 발명에 따른 열가소성 폴리머에 첨가될 수 있다.
본 발명의 목적에 적합한 종래의 항산화제들은, 예를 들어, 다이스테아릴- 또는 다이라우릴-티오프로피오네이트 및 펜타에리트리틸-테트라키스[3-(3,5-다이-t-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오네이트] 또는 이의 혼합물이다.
폴리머 조성물에 첨가될 수 있는 처리 보조제들은, 예를 들어, 칼슘 스테아레이트, 아연 스테아레이트, 스테아르산 또는 이의 혼합물을 포함한다.
한 바람직한 실시태양에 따라, 본 발명에 따른 케이블은 적어도 하나의 반도체 층을 포함한다. 반도체 층은 바람직하게는 위에 개시한 대로 구성요소(a) 및 (b), 및 선택적으로 적어도 하나의 전압 안정제(c), 적어도 하나의 도전성 충전제(d), 바람직하게는 카본블랙 충전제를 포함하는 반도체 재료에 의해 형성된다.
반도체 층의 재료에 대한 본 발명에 따른 전압 안정제의 첨가는 층의 전기 성능을 실질적으로 변경하지 않으나, 특히 이웃하는 계면에서 절연층의 전압 안정화에 추가 기여를 제공할 수 있다.
적어도 하나의 도전성 충전제는 일반적으로 반도체 특성을 가진 재료를 제공하기 위한 양으로, 즉 실온에서 500Ω·m 미만의 체적 저항값, 바람직하게는 20Ω·m 미만을 얻기 위한 양으로 열가소성 폴리머 재료 내에 일반적으로 분산된다. 통상적으로, 카본블랙의 양은 폴리머의 중량에 대해 1 내지 50중량%, 바람직하게는 3 내지 30중량%일 수 있다.
절연층과 반도체 층 모두에 대한 동일한 기본 폴리머 조성물의 사용은 중 또는 고 전압용 케이블을 생산하는데 특히 유리한데, 이는 인접한 층들 사이에 뛰어난 접착을 보증하며 따라서 특히 절연층과 내부 반도체 층 사이의 계면에서 우수한 전기 행동을 보증하기 때문이며, 상기 계면에서 전기장과 부분 방전의 위험이 더 높다.
본 발명에 따른 케이블에 대한 폴리머 조성물들은 당업계에 공지된 방법들을 사용함으로써, 열가소성 폴리머 재료, 유전 유체, 전압 안정제 및 임의의 다른 선택적 첨가제를 함께 혼합함으로써 생산될 수 있다. 혼합은 접선 로터(밴버리) 또는 상호침투 로터(interpenetrating rotors)를 가진 형태의 내부 믹서; 공동- 또는 반대-회전 이중-스크루 형태의 코-니더(ko-kneader)(버스) 형태의 연속 믹서; 또는 단일 스크루 압출기에서 실행될 수 있다.
한 바람직한 실시태양에 따라, 유전 유체는 본 출원인의 국제특허출원 WO 02/47092에 개시된 대로 압출 실린더 속에 직접 주입함으로써 압출 단계 동안 열가소성 폴리머 재료에 첨가될 수 있다.
비록 본 발명은 주로 중 또는 고 전압 에너지를 수송 또는 분배하기 위한 케이블에 초점을 맞추고 있으나, 본 발명의 폴리머 조성물은 일반적으로 전기 장치들 및 특히 다른 형태의 케이블, 예를 들어 저 전압 케이블(즉, 1kV보다 낮은 전압을 전달하는 케이블), 통신 케이블 또는 통합 에너지/통신 케이블 또는 터미널, 조인트, 커넥터 등과 같은 전기선에 사용된 부품을 코팅하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
추가 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 특히 본 발명에 따른 중 또는 고 전압에 적절한 에너지 케이블의 투시도이다.
도 1은 특히 본 발명에 따른 중 또는 고 전압에 적절한 에너지 케이블의 투시도이다.
도 1에서, 케이블(1)은 도체(2), 반도체 특성을 가진 내부층(3), 절연 특성을 가진 중간층(4), 반도체 특성을 가진 외부층(5), 금속 스크린 층(6) 및 덮개(7)를 포함한다.
도체(2)는 일반적으로 통상적인 방법에 의해 함께 꼬인 바람직하게는 구리 또는 알루미늄 또는 이의 합금인 금속 와이어 또는 고체 알루미늄 또는 구리 막대로 이루어진다.
절연층(4)은 본 발명에 따른 조성물의 압출에 의해 도체(2) 주위에 생성될 수 있다.
반도체 층(3) 및 (5)는 또한 주로 폴리올레핀을 기초로 한 폴리머 재료, 바람직하게는 적어도 하나의 도전성 충전제, 주로 카본블랙을 첨가함으로써 반도체로 만들어질 본 발명에 따른 조성물을 압출함으로써 제조된다.
외부 반도체 층(5) 주위에, 케이블 코어 주위에 나선형으로 감긴 전기 전도성 와이어 또는 스트립으로 제조된 또는 하부층 상에 세로방향으로 감겨서 겹쳐진(바람직하게는 접착된) 전기 전도성 테이프로 제조된 금속 스크린 층(6)이 주로 위치된다. 상기 와이어, 스트립 또는 테이프의 전기 전도성 재료는 주로 구리 또는 알루미늄 또는 이의 합금이다.
스크린 층(6)은 폴리올레핀, 주로 폴리에틸렌으로 제조된 덮개(7)에 의해 덮일 수 있다.
또한 케이블에 보호 구조(도 1에 도시되지 않음)가 제공될 수 있고 보호 구조의 주요 목적은 충격 또는 압축에 대해 케이블을 기계적으로 보호하는 것이다. 이런 보호 구조는, 예를 들어, 본 출원인의 WO 98/52197에 기술된 대로 금속 강화재 또는 팽창된 폴리머의 층일 수 있다.
본 발명에 따른 케이블은 공지된 방법들에 따라, 예를 들어 중앙 도체 주위에 다양한 층들의 압출에 의해 제조될 수 있다. 둘 이상의 층의 압출은, 예를 들어 개별 압출기들이 연속으로 배열된 탠덤 방법(tandem method) 또는 다중 압출 헤드에 의한 공동 압출에 의해 단일 시도에 의해 실행되는 것이 유리하다. 그런 후에 스크린 층이 이렇게 생산된 케이블 코어 주위에 가해진다. 마지막으로, 본 발명에 따른 덮개가, 주로 추가 압출 단계에 의해 가해진다.
본 발명의 케이블은 바람직하게는 교류(AC) 동력 전달에 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 케이블의 단지 한 실시태양을 도시한다. 특정한 기술적 필요 및 응용분야 필요조건에 따라 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 이 실시태양에 적절한 변형이 이루어질 수 있다.
다음 실시예들은 본 발명을 추가로 설명하기 위해 제공된다.
실시예 1-5.
다음 조성물들을 표 1에 보고된 (조성물의 총 중량에 대해 중량%로 표현된) 양으로 제조하였다.
모든 실시예들에서, 프로필렌 코폴리머를 압출기 호퍼에 직접 공급하였다. 이후에, 항산화제 및 전압 안정제(만약 있는 경우)와 미리 혼합된 유전 유체를 고압으로 압출기 속에 주입하였다. 80mm의 직경 및 25의 L/D 비를 가진 압출기를 사용하였다. 서로로부터 120°동일한 단면상의 3개의 주입 포인트에 의해 압출기 스크루의 처음으로부터 약 20D에서 압출 동안 주입하였다. 유전 유체를 70℃의 온도와 250bar의 압력에서 주입하였다.
실시예 |
1 (*) | 2 | 3 | 4 (*) | 5 (*) |
폴리프로필렌 혼합물 | 94.0 | 93.5 | 93.5 | 94.0 | 93.5 |
말로썸(Marlotherm)TM SH | 5.7 | 5.7 | 5.7 | -- | -- |
나이플렉스(Nyflex)TM 210B | -- | -- | -- | 5.7 | 5.7 |
키마소브(Chimassorb)TM 944 | -- | 0.5 | -- | -- | 0.5 |
키마소브(Chimassorb)TM 81 | -- | -- | 0.5 | -- | -- |
항산화제 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
(*) 비교예
프로필렌 혼합물: 프로필렌-에틸렌 랜덤 코폴리머(용융 엔탈피 65.1J/g) 및 프로필렌 다른 상 코폴리머(용융 엔탈피 30J/g)의 25/75 혼합물;
말로썸(Marlotherm)TM SH: 다이벤질톨루엔(DBT), 방향족 탄소 원자들/총 탄소 원자들 비 = 0.86(Sasol Olefins & Surfactants GmbH)
나이플렉스(Nyflex)TM 210B: 나프텐 오일(3중량% 방향족 탄소 원자, 41중량% 나프텐 탄소 원자, 56중량% 파라핀 탄소 원자), 방향족 탄소 원자들/총 탄소 원자들 비 = 0.03(Nynas AB);
키마소브(Chimassorb)TM 944: 폴리[[6-[1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트라이아진-2,4-다이일]-[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘일)이미노]-1,6-헥세인다이일[2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘일)이미노]])(Mn = 2000 - 3100):
키마소브(Chimassorb)TM 81: 2-하이드록시-4-(옥틸옥시)-벤조페논:
항산화제: 4,6-비스(옥틸티오메틸)-O-크레졸.
실시예 1-5의 조성물을 기초로 한 절연층을 가진 샘플 케이블들(20m 길이)의 유전 파괴 강도(DS)를 교류 조건에서 평가하였다. 이런 샘플 케이블에 50kV의 전압으로 시작하여 검사-조각의 천공이 일어날 때까지 매 10분마다 10kV의 단계로 증가시킴으로써 50Hz에서 교류 전류를 인가함으로써 DS 측정을 하였다. 각 측정을 3개의 검사-조각에 대해 반복하였다. 표 2에 제공된 값은 개개의 측정된 값들의 산술 평균이다.
실시예 | 유전 강도 (kV/mm) |
1 (*) | 50 |
2 | 58 |
3 | 58 |
4 (*) | 50 |
5 (*) | 40 |
(*) 비교예
실시예 1 및 4의 케이블들은 어떠한 전압 안정제를 함유하지 않는 절연체를 가졌다. 케이블의 1의 절연체는 본 발명에 따른, 0.3보다 큰 Car/Ctot 비를 가진 유전 유체를 포함하는 반면, 케이블 4의 절연체는 0.3보다 작은 Car/Ctot 비를 가진 유전 유체를 포함하였고, 그럼에도 불구하고 이런 케이블들은 유전 유체의 Car/Ctot 비에 의해 분명히 영향을 받지 않는 실질적으로 유사한 유전 강도를 가졌다. 실시예 2 및 3의 케이블은 본 발명에 따른, 0.3보다 큰 Car/Ctot 비를 가진 유전 유체 및 본 발명에 따른 전압 안정제(케이블 3의 경우에 치환된 벤조페논 및 케이블 2의 경우에 힌더드 아민)를 함유하는 절연체를 가졌다. 케이블 2 및 3의 유전 강도는 (동일한 유전 유체를 함유하나 전압 안정제를 함유하지 않는 절연체를 가진) 케이블 1에 비해 실질적으로 향상되었다. 실시예 5의 케이블은 0.3보다 낮은 Car/Ctot 비를 가진 유전 유체 및 전압 안정제로서 힌더드 아민을 함유하는 절연체를 가졌다. 케이블 5의 유전 강도는 (동일한 유전 유체를 함유하나 전압 안정제를 함유하지 않는 절연체를 가진) 케이블 4에 비해 놀랄 만큼 더 낮았다.
본 발명에 따른 전압 안정제들은 단지 유전 유체가 0.3보다 큰 Car/Ctot 비를 가질 때 본 발명으로부터의 유전 유체와 혼합된 열가소성 재료를 기초로 한 절연층을 가진 케이블의 유전 강도를 향상시킬 수 있다.
Claims (16)
- 적어도 하나의 전기 도체 및 전기 도체를 둘러싸는 적어도 하나의 전기 절연층을 포함하는 케이블로서, 적어도 하나의 전기 절연층은 다음:
(a) 다음으로부터 선택된 열가소성 폴리머 재료:
- 에틸렌 및 프로필렌 이외의 α-올레핀으로부터 선택된 적어도 하나의 올레핀 코모노머와 프로필렌의 적어도 하나의 코폴리머(i), 이 코폴리머는 130℃ 이상의 용융점 및 20J/g 내지 90J/g의 용융 엔탈피를 가진다;
- 적어도 하나의 코폴리머(i) 및 적어도 하나의 α-올레핀과 에틸렌의 적어도 하나의 코폴리머(ii)의 혼합물, 이 코폴리머(ii)는 0J/g 내지 70J/g의 용융 엔탈피를 가진다;
- 적어도 하나의 프로필렌 호모폴리머 및 적어도 하나의 코폴리머(i) 또는 코폴리머(ii)의 혼합물;
코폴리머(i) 및 코폴리머(ii)의 적어도 하나는 다른 상 코폴리머이다;
(b) 열가소성 폴리머 재료와 친밀하게 혼합된 적어도 하나의 유전 유체, 이 적어도 하나의 유전 유체는 0.3 이상의 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 전체 수의 비를 가지는 방향족 유전 유체이다;
(c) 하이드록시-벤조페논 및 힌더드 아민으로부터 선택된 적어도 하나의 전압 안정제, 여기서 힌더드 아민은 비스(2,2,6,6,-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트; 폴리[[6-[(1,1,3,3-테트라-메틸부틸)아미노]-1,3,5-트라이아진-2,4-다이일][(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘일)이미노]-1,6-헥세인다이일[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘일)-이미노]]); N-부틸-1-부테인아마이드 및 N-부틸-2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘이민의 반응 생성물인 2,4,6-트라이클로로-1,3,5-트라이아진을 가진 1,6-헥세인다이아민,N,N'-비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘일)-폴리머(CAS 192268-64-7); 1,3,5-트라이아진-2,4,6-트라이아민,N,N'''-[1,2-에테인-다이일-비스[[[4,6-비스-[부틸-(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리딘일)아미노]-1,3,5-트라이아진-2-일]이미노]-3,1-프로페인다이-일]]비스-[N',N"-다이부틸-N',N"-비스(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리딘일)-(CAS 106990-43-6); 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딘 에탄올을 가진 다이메틸 숙시네이트 폴리머; 비스-(1-옥틸옥시-2,2,6,6-테트라-메틸-4-피페리딘일)세바케이트; 및 이의 혼합물로부터 선택된다;
를 포함하며,
상기 전압 안정제는 방향족 유전 유체에 용해되어, 유전 유체를 거쳐 절연층을 통해 이동할 수 있어 절연층의 미시적인 결함들에 도달하여 이들을 채울 수 있는 것인 케이블. - 제 1 항에 있어서,
코폴리머(i)는 프로필렌/에틸렌 코폴리머인 케이블. - 제 1 항에 있어서,
코폴리머(i) 또는 코폴리머(ii) 또는 둘 다에서, 다른 상일 때, 엘라스토머 상은 코폴리머의 총 중량에 대해 45중량% 이상의 양으로 존재하는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
코폴리머(i)는 25J/g 내지 80J/g의 용융 엔탈피를 가지는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
코폴리머(ii)는 10J/g 내지 30J/g의 용융 엔탈피를 가지는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 유전 유체(b)는 1보다 낮은 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 총 수의 비를 가지는 케이블. - 제 6 항에 있어서,
적어도 하나의 유전 유체(b)는 0.4 내지 0.9의 방향족 탄소 원자들의 수 대 탄소 원자들의 총 수의 비를 가지는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 유전 유체는 50℃ 이하의 아닐린 포인트를 가지는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 유전 유체는 모노사이클릭 방향족 오일; 축합되거나 축합되지 않은 폴리사이클릭 방향족 오일; 산소, 질소 또는 황으로부터 선택된 적어도 하나의 이형원자를 함유하는 헤테로사이클릭 방향족 오일 및 이의 혼합물들로부터 선택되며; 상기 모노, 폴리 또는 헤테로사이클릭 방향족 모이어티는 적어도 하나의 알킬기 C1-C20에 의해 치환되는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 전압 안정제(c)는 2,2'-다이하이드록시-4,4'-다이아크릴옥시벤조페논, 2,4-다이하이드록시-벤조페논, 4,4'-다이하이드록시벤조페논, 2,2'-다이하이드록시-4,4'-다이메톡시벤조페논, 2,2'-다이하이드록시-4-메톡시벤조페논, 2-하이드록시-4-메톡시벤조페논, 2-하이드록시-4-메톡시페닐-벤조페논, 2-하이드록시-4-아크릴옥시벤조페논, 2-하이드록시-4-옥틸옥시-벤조페논, 2-하이드록시-4-알릴옥시벤조페논, 2,3,4,4'-테트라하이드록시벤조페논, 2,2',4,4'-테트라하이드록시벤조페논, 2,2',4-트라이-하이드록시벤조페논, 2,3,4'-트라이하이드록시-벤조페논, 2,4,4'-트라이하이드록시-벤조페논, 2,4,6-트라이하이드록시벤조페논 및 이의 혼합물로부터 선택되는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 전압 안정제는 2-하이드록시-벤조페논으로부터 선택되는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 전압 안정제(c)는 절연층의 총 중량에 대해 0.05 내지 5중량%의 양으로 존재하는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 전압 안정제(c)는 절연층의 총 중량에 대해 0.1 내지 2중량%의 양으로 존재하는 케이블. - 제 1 항에 있어서,
치환된 벤조페논 및 힌더드 아민으로부터 선택된 적어도 하나의 전압 안정제를 포함하는 적어도 하나의 반도체 층을 가지는 케이블.
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