KR20180093807A - 유연성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유연성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블에 관한 것이다. 일 실시예에서 상기 전력케이블은 하나 이상의 도체; 상기 도체를 둘러싸는 내부 반도전층; 상기 내부 반도전층을 둘러싸는 절연층; 상기 절연층을 둘러싸는 외부 반도전층; 상기 외부 반도전층을 둘러싸는 중성선 수밀층; 및 상기 중성선 수밀층을 둘러싸는 외피층;을 포함하고, 상기 절연층은 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 포함한다.

Description

유연성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블 {POWER CABLE WITH INSULATION LAYER HAVING EXCELLENT FLEXIBILITY}
본 발명은 전력케이블에 관한 것이다. 보다 상세하게는 고온에서 장시간 운전이 가능하면서 유연성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블에 관한 것이다.
통상, 전력케이블의 절연소재로서 주류로 사용되는 가교 폴리에틸렌 수지(XLPE)는 열경화성 수지이므로 내열성 및 내약품성 등이 우수하고, 전기적 특성 또한 우수한 편이다. 가교 폴리에틸렌 수지를 제조하는 방법은 유기 과산화물 혹은 실란을(미국등록특허 제6284178호(2011.09.04)) 매개체로 하는 화학적 반응에 의한 가교 및 전자선 가교(미국등록특허 제4426497호(1984.01.17)) 등이 있으며, 대형 전선업계에서는 유기 과산화물에 의한 가교 타입을 가장 널리 사용하고 있다.
최근에는 재활용이 가능하고, 높은 송전용량 전달능을 갖는 전력케이블 특성이 요구되며 이를 만족시키기 위해서는 상시 최고 허용온도 110℃로 운영 가능한 가교되지 않은 고분자 수지로 이루어진 절연층을 포함한 전선이 요구되고 있다.
반면, 가교 폴리에틸렌 수지는 폴리에틸렌을 가교시켜 제조한 열경화성(thermoset) 수지이므로 재생이(recycle) 불가능하여 폐기처분에 어려움이 많아 환경오염의 원인이 되고 있다. 또한, 가교 폴리에틸렌의 용융점이 90℃ 내지 115℃이므로 110℃의 고온에서의 운영이 어려우므로 전력케이블의 절연층의 재료로서 적당하지 못하다.
즉, 환경 친화적인 비가교 타입의 열가소성(thermoplastic) 수지의 사용 요구가 있으나, 현재 주로 사용되는 가교 폴리에틸렌은 내열성이 현격히 부족하여 전력케이블 절연재료의 용도로 사용하기에 적절하지 않아 문제가 된다.
이러한 배경으로 전력케이블의 절연소재로서 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0106871호(2010.10.04 공개)에 비가교 폴리에틸렌 수지에 대한 선행 기술이 있으나 실제 가공 시에는 수지의 낮은 전단담화(Shear thinning)로 인해 가공성이 불량하여 가공불량이 발생하는 문제가 있다. 또한 내트래킹성이 불량하여 옥외케이블의 절연층으로써 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 높은 용융점을 가지고 가교되지 않은 고분자 복합수지로 이루어진 절연층을 포함하여 상시 최고 허용온도 110℃로 운영이 가능한 전력케이블의 개발이 필요하게 되었다.
본 발명의 하나의 목적은 고온에서의 안정성 및 유연성이 우수한 친환경 절연층을 구비한 전력케이블을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 내열성, 저온충격성, 유연성, 기계적, 전기적 특성이 우수한 전력케이블을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 신규한 수지를 절연층으로 이용하여 재활용이 가능하여 친환경적이며, 용융점이 높아 고온에서 장시간 운영이 가능한 전력케이블을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 유연성이 향상된 절연층을 구비한 전력케이블에 관한 것이다. 일 실시예에서 상기 전력케이블은 하나 이상의 도체; 상기 도체를 둘러싸는 내부 반도전층; 상기 내부 반도전층을 둘러싸는 절연층; 상기 절연층을 둘러싸는 외부 반도전층; 상기 외부 반도전층을 둘러싸는 중성선 수밀층; 및 상기 중성선 수밀층을 둘러싸는 외피층;을 포함하고, 상기 절연층은 반응형 폴리프로필렌(reactor based polypropylene) 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 포함하고, 상기 절연층은 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여, 반응형 폴리프로필렌 30 중량부 내지 80 중량부 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머 20 중량부 내지 70 중량부를 포함하며, 상기 절연층은 굴곡탄성율이 2000kg/cm2 내지 4000kg/cm2 이다. 상기 굴곡탄성율은 ASTM D790 규격에 의거하여 측정될 수 있다.
일 실시예에서 상기 절연층은 상기 절연층은 이온성무기물을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여, 반응형 폴리프로필렌 55 중량부 내지 65 중량부, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 35 중량부 내지 45 중량부, 및 0.04 중량부 이하의 이온성무기물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 반응형 폴리프로필렌은 반응기 내에 에틸렌 및 프로필렌 이외의 α-올레핀으로부터 선택된 적어도 하나의 올레핀 코모노머와 프로필렌 모노머가 중합되어 형성된 폴리프로필렌 코폴리머와, 상기 폴리프로필렌 코폴리머로 이루어진 매트릭스 내에 에틸렌-프로필렌 고무가 화학 또는 물리적으로 결합되어 형성할 수 있다.
일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 프로필렌 호모폴리머 65 중량부 내지 82 중량부, 및 에틸렌-프로필렌 고무 18 중량부 내지 35 중량부를 중합하여 형성되는 에틸렌-프로필렌 블록 코폴리머를 포함하고, 상기 에틸렌-프로필렌 고무 전체중량에 대하여 에틸렌이 25 중량% 내지 50 중량% 포함될 수 있다.
일 실시예에서 상기 반응형 폴리프로필렌의 용융점은 160℃ 이상이고, 용융엔탈피는 20J/g 이상이며, 용융지수는 0.5g/10min 내지 1.5g/10min 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 반응형 폴리프로필렌의 용융점은 160℃ 내지 170℃이고, 용융엔탈피는 20J/g 내지 30J/g 이며, 용융지수는 0.7g/10min 내지 0.9g/10min 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 용융점은 160℃ 이상이고, 용융엔탈피는 50J/g 내지 70J/g이며, 용융지수는 2.5g/10min 내지 3.5g/10min 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 반응형 폴리프로필렌의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 500kg/cm2 내지 1500kg/cm2 이고, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 8500kg/cm2 내지 9500kg/cm2 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 반응형 폴리프로필렌의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 1000kg/cm2 이고, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 9000kg/cm2 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 절연층의 용융점은 160℃ 내지 170℃ 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 외피층과 중성선 수밀층 사이에는 하나 이상의 중성선이 구비될 수 있다.
일 실시예에서 상기 내부 반도전층 및 외부 반도전층은 카본블랙을 각각 20 중량% 내지 40 중량% 포함하는 열가소성 수지 조성물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 외피층은 폴리에틸렌을 포함하며, 용융온도가 110℃ 내지 130℃일 수 있다.
본 발명의 전력케이블은 고온에서의 안정성 및 유연성이 우수하며, 내열성, 저온충격성, 유연성, 기계적, 전기적 특성이 우수하며, 비가교 폴리프로필렌 복합수지로 제조된 절연층을 포함하여, 재활용이 가능하고, 용융점이 높아 고온에서도 장시간 운영이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력케이블을 나타낸 도면이다.
도 2는 상기 도 1의 전력케이블의 단면도이다.
도 3a는 실시예 1에 따른 내한타격시험 결과를 나타낸 도면이고, 도 3b는 실시예 2에 따른 내한타격시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 4a는 비교예 2에 따른 내한타격시험 결과를 나타낸 도면이고, 도 4b는 비교예 3에 따른 내한타격시험 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
하기 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력케이블을 나타낸 도면이며, 하기 도 2는 상기 도 1의 전력케이블의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유연성이 향상된 전력케이블(100)은 하나 이상의 도체(또는 전기 도체)(110); 도체(110)를 둘러싸는 내부 반도전층(120); 내부 반도전층(120)을 둘러싸는 절연층(130); 절연층(130)을 둘러싸는 외부 반도전층(140); 외부 반도전층(140)을 둘러싸는 중성선 수밀층(150); 및 중성선 수밀층(150)을 둘러싸는 외피층(160);을 포함한다.
일 실시예에서 절연층(130)은 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 포함한다. 일 실시예에서 절연층(130)은 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여, 반응형 폴리프로필렌 30 중량부 내지 80 중량부 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머 20 중량부 내지 70 중량부를 포함하고, 굴곡탄성율이 2000kg/cm2 내지 4000kg/cm2 이다. 상기 굴곡탄성율은 ASTM D790 규격에 의거하여 측정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력케이블(100)은 20kV 이상의 고전압을 송신할 수 있으며, 장시간 안정적으로 사용할 수 있고 전력케이블(100)의 내부 구비되는 도체(110)를 안정적으로 절연시키는 친환경 수지를 절연층(130)으로 포함한다.
도체(110)는 막대 또는 스트랜디드 멀티-와이어(stranded multi-wire)로 전기적으로 도체인 금속 재료일 수 있다. 구체적으로는 알루미늄 또는 구리를 포함할 수 있다. 상기 도체는 단면이 원형일 수 있다. 상기 도체의 외경은 10mm 내지 25mm이고, 상기 절연층의 두께는 6mm 내지 8mm일 수 있다. 구체적으로는, 상기 도체는 단면이 원형이며, 외경은 11.4mm 내지 23.5mm이고, 절연층의 두께는 6mm 내지 7.5mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력케이블(100)은 공칭 단면적에 따라 도체(10)의 외경이 10mm 내지 25mm인 원형으로 구비될 수 있다. 상기 전력케이블(100)의 공칭 단면적이 커질수록 도체(110)의 외경도 커지며 이에 따라 송전할 수 있는 최대허용전류도 증가하게 된다. 예를 들면 22.9kV급 친환경 충실 알루미늄 전력케이블에 있어서 절연층 두께를 6.8mm로 설정할 수 있다.
일반적으로 절연층 두께는 내전압치와 전력케이블의 절연파괴 강도에 의해 구해 질 수 있다. 절연층 두께의 산출 기준은 교류전압으로부터 결정되는 두께와 뇌충격전압으로부터 결정되는 두께 중 큰 값으로 결정될 수 있는데 22.9kV급 전력케이블의 절연층의 두께가 7.5mm를 초과하는 경우 전력케이블의 포설성 및 시공작업성이 저하된다. 구체적으로는, 상기 절연층의 두께는 6.22mm 내지 7.37mm일 수 있다.
도체(110)의 외측에는 내부 반도전층(120)이 구비되고, 내부 반도전층(120)의 외측에는 외부 반도전층(140)이 둘러싸되, 내부 반도전층(120) 및 외부 반도전층(140) 사이에는 절연층(130)이 개재될 수 있다.
내부 반도전층(120) 및 외부 반도전층(140)은 모두 반도전층, 예컨대 반도체층으로 실온에서 500Ω·m 미만, 바람직하게는 20Ω·m 미만의 체적 저항값을 구비할 수 있다. 상기 내부 반도전층과 외부 반도전층은 카본블랙을 각각 20 중량% 내지 40 중량% 포함하는 열가소성 수지 조성물을 포함하여 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 열가소성 수지로서, 폴리프로필렌 중합체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 내부 반도전층(120) 및 외부 반도전층(140)은 카본블랙 20 중량% 내지 40 중량%의 카본블랙이 분산된 폴리프로필렌 중합체를 포함하여 형성될 수 있다.
내부 반도전층(120)은 도체(110)와 절연층(130) 사이에 개재되어 내부 반도전층(120)은 도체 표면의 전계완화와 부분방전을 방지할 수 있다. 외부 반도전층(140)은 전계완화와 더불어 절연층(130)을 보호하는 역할을 한다.
중성선 수밀층(150)은 반도전성 부풀음 테이프를 포함할 수 있고, 상기 반도전성 부풀음 테이프는 수분을 흡수하여 팽창(부풀음)될 수 있다.
중성선 수밀층(150)의 외면은 외피층(160)에 의하여 둘러싸도록 구비될 수 있다. 외피층(160)은 폴리에틸렌을 포함하고, 용융온도가 110℃ 내지 130℃(용융온도는 KS M ISO 11357-3에 따라 승온속도 20℃/분으로 시험)일 수 있다. 구체적으로는, 외피층(160)의 용융온도는 용융온도가 118℃ 내지 128℃일 수 있다.
구체예에서 전력케이블(100)이 기중 또는 전력구에 포설될 때는 난연성이 우수한 폴리염화비닐(PVC) 등을 포함하여 외피층(160)을 형성할 수 있다. 그 외의 경우에는, 내구성이 우수한 폴리에틸렌 수지를 포함하여 외피층(160)을 형성할 수 있다.
외피층(160)과 중성선 수밀층(150) 사이에는 하나 이상의 중성선(170)이 구비될 수 있다. 중성선(170)은 연동선일 수 있으며, 도체(110)의 외경에 대해서 대략 0.1배 내지 0.15배의 외경을 갖는 단면이 원형으로 복수 개의 와이어로 구비될 수 있다.
통상, 전력케이블에서 절연층으로 가교 폴리에틸렌을 사용하는데, 상기 가교 폴리에틸렌은 유기 과산화물을 이용하여 가교를 진행하기 때문에 상기 가교 폴리에틸렌의 재활용이 불가능하고 용융점이 낮아 110℃ 이상의 고온에서 전력케이블을 운영하는 경우 전력케이블의 변형을 일으키는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기 전력케이블의 절연층으로 폴리프로필렌을 사용하는 경우에는 상기 폴리프로필렌은 용융점이 150℃ 이상으로 가교 폴리에틸렌보다 용융점이 높아 고온에서의 운영이 가능한 반면, 저온 내충격성에 취약하고 높은 강성으로 인하여 유연성이 부족하여 전력케이블을 포설하는 데 부적합한 단점이 있다.
본 발명에 따른 전력케이블(100)은 하나 이상의 신규한 고분자 수지를 블렌딩하여 제조된 절연층(130)을 포함할 수 있다. 상기 절연층(130)은 비가교 열가소성 고분자 수지를 포함할 수 있다.
절연층(130)은 반응형 폴리프로필렌, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 및 이온성무기물을 포함한다. 절연층(130)은 절연내력을 향상시키고 전력케이블(100)의 포설시 굴곡성, 유연성 등을 향상시켜 시공 작업성을 용이하게 하기 위하여 상기 절연층(130)을 구성하는 물질의 함량비를 보다 구체적인 범위 내로 한정할 수 있다.
구체예에서 절연층(130)은 2 이상의 서로 상이한 수지를 블렌딩하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 상기 서로 상이한 수지는 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 비가교성 폴리머일 수 있다.
절연층(130)은 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여, 반응형 폴리프로필렌 30 중량부 내지 80 중량부 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머 20 중량부 내지 70 중량부를 포함한다.
구체예에서 절연층(130)은 이온성 무기물을 더 포함할 수 있다. 예를 들면 절연층(130)은 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여, 반응형 폴리프로필렌 55 중량부 내지 65 중량부, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 35 중량부 내지 45 중량부, 및 0 초과 0.04 중량부(400 ppm) 이하의 이온성무기물을 포함할 수 있다.
상기 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여, 상기 반응형 폴리프로필렌을 80 중량부 초과하여 포함시 상기 절연층의 내열성이 저하되며, 가열변형율이 증가되어 전력케이블이 눌리는 등의 문제가 발생하며, 상기 반응형 폴리프로필렌의 함량을 20 중량부 미만으로 포함시, 유연성 및 저온 내충격성이 저하될 수 있다.
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 30 중량부 미만으로 포함시, 상기 절연층의 내열성이 저하되고, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 70 중량부를 초과하여 포함시, 본 발명의 절연층의 강성이 증가되어 유연성이 저하되고, 백화현상이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
일 실시예에서 상기 반응형 폴리프로필렌은 폴리프로필렌 코폴리머를 포함하는 매트릭스에 결합된 에틸렌-프로필렌 고무를 포함할 수 있다. 일 실시예에서 상기 폴리프로필렌 코폴리머는 에틸렌 및 프로필렌을 제외한 α-올레핀 중 하나 이상의 올레핀 코모노머와, 프로필렌 모노머가 중합되어 형성되는 것일 수 있다.
예를 들면 상기 반응형 폴리프로필렌은 반응기 내에 에틸렌 및 프로필렌 이외의 α-올레핀으로부터 선택된 적어도 하나의 올레핀 코모노머와 프로필렌 모노머가 중합되어 형성된 폴리프로필렌 코폴리머와, 상기 폴리프로필렌 코폴리머로 이루어진 매트릭스 내에 에틸렌-프로필렌 고무가 화학 또는 물리적으로 결합되어 형성될 수 있다.
절연층(130)은 상기 이온성무기물을 더 포함할 수 있다. 상기 이온성무기물은 상기 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록코폴리머를 사용하여 절연층 제조시 사용되는 촉매 성분의 잔사와, 산화방지제 등의 첨가제로부터 기인된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 이온성무기물은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 인(P), 실리콘(Si), 칼슘(Ca) 및 아연(Zn) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 이온성무기물은 상기 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여 0.04 중량부 이하로 포함될 수 있다. 예를 들면 0 내지 0.04 중량부로 포함될 수 있다. 상기 함량에서 상기 절연층의 백화현상을 방지하면서, 내충격성 등의 기계적 강도 및 유연성이 우수할 수 있다.
본 발명에서 에틸렌-프로필렌 고무(ethylene-propylene rubber)는 헤테로상 코폴리머(heterophasic copolymer) 형태일 수 있다. 상기 헤테로상 코폴리머는 에틸렌-프로필렌 고무(ethylene-propylene rubber)의 고무 도메인 (elastomeric domains)이, 폴리프로필렌 호모폴리머 또는 폴리프로필렌 코폴리머로 이루어진 매트릭스에 분산된 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에서 호모폴리머(homopolymer)는 반복 단위가 한 종류로 이루어진 폴리머를 의미하고, 코폴리머(copolymer)는 서로 다른 두 종류 이상의 반복 단위를 가진 폴리머를 의미한다.
예컨대, 상기 반응형 폴리프로필렌은 헤테로상 코폴리머일 수 있으며, 폴리프로필렌 코폴리머로 이루어진 매트릭스 내에 에틸렌-프로필렌 고무가 화학 또는 물리적으로 결합되어 형성될 수 있다. 상기 프로필렌을 제외한 α-올레핀 코모노머는 구조식 CH2=CH-R을 포함하는 올레핀 화합물일 수 있다. 여기서 상기 R은 수소(H) 및 선형 또는 가지형의 C2-C10 알킬일 수 있다. 예를 들면, 상기 α-올레핀은 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-테센, 1-도데센 및 이들의 혼합물 중 하나를 포함할 수 있다.
예를 들면 α-올레핀 코모노머는 에틸렌을 포함하고, 상기 폴리프로필렌 코폴리머는 에틸렌-프로필렌 코폴리머이며, 상기 에틸렌-프로필렌 고무가 폴리프로필렌 코폴리머에 브랜치 결합된(branched) 구조일 수 있다. 또한, 상기 에틸렌-프로필렌 코폴리머는 코모노머들이 폴리머 사슬에 따라 랜덤하게 분산되는 랜덤 코폴리머(random copolymer)일 수 있다.
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 프로필렌 호모폴리머 65 중량부 내지 82 중량부, 및 에틸렌-프로필렌 고무 18 중량부 내지 35 중량부를 중합하여 형성되는 에틸렌-프로필렌 블록 코폴리머를 포함할 수 있다. 상기 함량범위로 포함시 본 발명의 성형성, 치수 안정성 및 내충격성 등의 기계적 물성이 우수할 수 있다.
상기 에틸렌-프로필렌 고무는 전체중량에 대하여 에틸렌이 25 중량% 내지 50 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량범위로 포함시 본 발명의 성형성이 우수하면서, 내충격성 등의 기계적 물성이 우수할 수 있다.
상기 반응형 폴리프로필렌의 용융점은 160℃ 이상이고, 용융엔탈피는 20J/g 이상이며, ASTM D1238 규격에 따라 230℃에서 2.16kg 하중을 가하여 측정된 용융지수는 0.5g/10min 내지 1.5g/10min일 수 있다. 구체적으로 상기 반응형 폴리프로필렌의 용융점은 160℃ 내지 170℃이고, 용융엔탈피는 20J/g 내지 30J/g이며, 용융지수는 0.7g/10min 내지 0.9g/10min일 수 있다. 상기 범위의 용융점, 용융엔탈피 및 용융지수 조건에서 본 발명의 상용성, 성형성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다.
상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 용융점은 160℃ 이상이고, 용융엔탈피는 50J/g 내지 70J/g이며, ASTM D1238 규격에 따라 230℃에서 2.16kg 하중을 가하여 측정된 용융지수는 2.5g/10min 내지 3.5g/10min일 수 있다. 상기 범위의 용융점, 용융엔탈피 및 용융지수 조건에서 본 발명의 상용성, 성형성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다.
상기 반응형 폴리프로필렌 중에 포함되는 에틸렌-프로필렌 고무는 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머 중에 포함되는 에틸렌-프로필렌 고무와 동일할 수 있다. 상기 절연층은 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 블렌딩하여 제조될 수 있다. 이때 상기 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머 중에 포함되는 에틸렌-프로필렌 고무를 동일한 물질로 이용하여 상용성을 높여서 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 동일한 에틸렌-프로필렌 고무를 이용함으로써 상기 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머가 균일하게 혼합되고, 이에 의하여 절연층의 계면에서 우수한 전기적 특성을 구현할 수 있다.
예를 들면 상기 반응형 폴리프로필렌의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 500 kg/cm2 내지 1500kg/cm2이고, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 8500 kg/cm2내지 9500kg/cm2 일 수 있다. 본 실시예에서 상기 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 굴곡탄성율이 전술한 범위 내인 경우, 상기 절연층(130)의 굴곡탄성율을 2000kg/cm2 내지 4000kg/cm2의 범위 내로 제어할 수 있고, 이에 의하여 전력케이블(100)의 기계적 강도, 유연성 등의 소정의 물성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 반응형 폴리프로필렌의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 1000kg/cm2 이고, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 9000kg/cm2 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전력케이블(100)의 유연성은 절연층(130)에 의하여 영향받을 수 있고, 전력케이블(100)의 유연성은 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 절연층(130)의 굴곡탄성율이 2000kg/cm2 내지 4000kg/cm2인 것이 바람직하다. 상기 절연층(130)은 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 혼합에 의하여 형성될 수 있으며, 이들 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머 각각의 굴곡탄성율과 함께, 혼합 비율, 혼합 방법 등에 의하여 절연층(130)의 굴곡탄성율이 제어될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전력케이블(100)에서 내부 반도전층(120), 절연층(130), 외부 반도전층(140) 및 중성선 수밀층(150)은 내부에 구비되는 도체(110)의 절연 및 전기적 특성을 향상시키기 위하여 구비되고, 외피층(160)은 전력케이블(100)의 기계적 강도, 예컨대 내환경성, 내부식성, 저온 및 고온환경에서의 내충격성 등을 유지하기 위하여 구비될 수 있다. 이 중 상기 내부 반도전층(120), 절연층(130) 및 외부 반도전층(140)은 상기 전력케이블(100)의 유연성에 영향을 미치는데, 이들 중 가장 두꺼운 두께를 차지하는 절연층(130)은 상기 전력케이블(100)의 유연성에 가장 큰 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 상기 절연층(130)의 굴곡탄성율을 소정의 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 구체예에서 절연층(130)은 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율이 2000kg/cm2 내지 4000kg/cm2 이다. 절연층(130)의 굴곡탄성율이 2000kg/cm2 미만인 경우 가열변형율이 커서 상기 절연층을 이용한 전력케이블이 가압되어 눌려 전기 흐름을 방해하고, 4000kg/cm2 초과인 경우 강성이 높아 유연성이 저하되어 전력케이블을 굴곡이 어려워 케이블 시공 작업시 문제될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 절연층(130)의 용융점은 160℃ 내지 170℃일 수 있다. 구체적으로 절연층(130)의 용융점은 160℃ 이상이고, 보다 구체적으로는 160℃ 내지 170℃일 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 전력케이블(100)은 가교되지 않은 고분자 복합수지로 이루어진 절연층을 이용함으로써, 재활용이 가능하여 친환경적이고, 또한 용융점이 상승되어 송전용량이 증가되는 경우에도 안정적으로 운영이 가능할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예 및 비교예
실시예 1
하기 표 1에 기재된 바와 같이, 반응형 폴리프로필렌(제품명: Hifax CA 7441A, Lyondellbasell社) 60 중량부, 폴리프로필렌 블록 코폴리머(제품명: CF335, 한화토탈社)를 40 중량부 및 이온성무기물 0.04 중량부 이하를 포함하는 전력케이블용 절연층을 제조하였다.
실시예 2
하기 표 1에 기재된 바와 같이 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 함량을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
비교예 1
하기 표 1과 같이 반응형 폴리프로필렌 만을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
비교예 2
하기 표 1과 같이 폴리프로필렌 블록 코폴리머 만을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
비교예 3
하기 표 1에 기재된 바와 같이 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 함량을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
비교예 4
가교 폴리에틸렌(XLPE, borealis社)을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~4의 절연층에 대하여, 하기 표 2와 같은 조건으로 전력케이블을 각각 제조하였으며, 상기 절연층 및 전력케이블의 기계적 물성을 하기 기준에 따라 측정하여 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.
물성측정방법
(1) 상온 및 가열 후 기계적 물성 평가: 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 전력케이블 시편에 대하여 IEC-60811-501 규격에 따라 상온에서 인장속도 25mm/분으로 파단점의 인장강도와 신율을 측정하였다. 가열은 135℃에서 240 시간 가열하며 인장속도 25mm/분으로 파단점의 인장강도와 신율을 측정하였다.
한편, 전력케이블의 경우에는 상온 및 가열 후 인장강도의 규격은 1.27kg/㎟ 이상이며 신율은 350% 이상이어야 한다.
(2) 가열변형: 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 절연층 시편에 대하여 IEC-60811-508 규격에 따라 가열온도 130℃, 6시간의 조건으로 일정한 하중을 가하여 시험하였을 때 두께 감소율이 50% 이하임을 만족하여야 한다.
(3) 내한타격시험: 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 절연층 시편에 대하여 KS C 3004 규격에 따라 -40℃에서 5개의 내한타격시험을 수행하였고, 5개의 시편 중 파괴현상을 관찰하였으며 파괴가 일어나지 않을수록 내한성이 우수한 것을 의미한다.
(4) 굴곡탄성율시험: 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 각각의 절연층 시편에 대하여 ASTM D790 규격에 따라 굴곡탄성율을 측정하였으며 2000kg/㎠ 내지 4000kg/㎠의 굴곡탄성율을 나타내는 경우 저온내충격성, 유연성, 굴곡성이 우수한 것으로 판단된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
도 3a는 실시예 1에 따른 내한타격시험 결과를 나타낸 도면이고, 도 3b는 실시예 2에 따른 내한타격시험 결과를 나타낸 도면이다. 도 4a는 비교예 2에 따른 내한타격시험 결과를 나타낸 도면이고, 도 4b는 비교예 3에 다른 내한타격시험 결과를 나타낸 도면이다.
표 1 내지 표 4와 함께 도 3a 내지 도 4b를 참조하면, 비교예 1의 경우에는 내한성, 굴곡탄성율 수치는 우수하나 너무 유연하여 가열변형 특성이 부적합함을 확인할 수 있었고, 비교예 2는 전기적 특성은 우수하나 저온에서의 내충격성이 부적합하고 강성이 너무 높아 유연성, 케이블 굴곡성이 부적합함을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 3은 비교예 2에 비해 굴곡탄성율 수치는 개선되어 유연성이 향상 되었으나 저온에서의 내충격성이 부적합함을 확인할 수 있었다.
절연층으로 비교예 1과 같이 반응형 폴리프로필렌을 단독으로 사용하는 경우에는 가열변형특성이 저하되어 전력케이블의 절연층이 눌려 부적합함을 확인 할 수 있었고, 비교예 2와 같이 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 단독으로 사용하는 경우에는 전기적 특성은 우수한 반면 저온에서의 내충격성 등이 저하되고 유연성이 낮아 문제됨을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 3과 같이 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 본 발명의 범위를 벗어난 함량으로 포함하는 경우에는 저온에서의 내충격성이 저하됨을 확인할 수 있었다.
즉, 전력케이블의 절연층으로는 실시예 1 및 실시예 2와 같이 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 이때 상기 반응형 폴리프로필렌과 폴리프로필렌 블록 코폴리머를 소정의 제어된 범위로 혼합하는 것이 전기적 특성 및 기계적 강도, 유연성을 모두 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 실시예에 따른 고분자 수지를 전력케이블의 절연층으로 적용하는 경우, 도체의 상시 최고 허용온도 110℃에서 운영이 가능하고 -40℃의 저온에서 우수한 내충격성을 확보할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 절연층의 구성인 반응성 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 비가교성 폴리머로, 전력케이블의 절연층으로 이용되는 경우 유연성, 기계적 및 전기적 특성이 향상됨과 동시에 비가교성이므로 친환경인 전력케이블을 제공할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전력케이블 110 : 도체
120 : 내부 반도전층 130 : 절연층
140 : 외부 반도전층 150 : 중성선 수밀층
160 : 외피층 170 : 중성선

Claims (14)

  1. 하나 이상의 도체;
    상기 도체를 둘러싸는 내부 반도전층;
    상기 내부 반도전층을 둘러싸는 절연층;
    상기 절연층을 둘러싸는 외부 반도전층;
    상기 외부 반도전층을 둘러싸는 중성선 수밀층; 및
    상기 중성선 수밀층을 둘러싸는 외피층;을 포함하고,
    상기 절연층은 반응형 폴리프로필렌(reactor based polypropylene) 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여, 반응형 폴리프로필렌 30 중량부 내지 80 중량부 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머 20 중량부 내지 70 중량부를 포함하며,
    상기 절연층은 굴곡탄성율이 2000kg/cm2 내지 4000kg/cm2 인 것을 특징으로 하는 전력케이블.
  2. 제1항에 있어서, 상기 굴곡탄성율은 ASTM D790 규격에 의거하여 측정되는 것을 특징으로 하는 전력케이블.
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연층은 이온성무기물을 더 포함하며,
    상기 반응형 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 합 100 중량부에 대하여,
    반응형 폴리프로필렌 55 중량부 내지 65 중량부, 폴리프로필렌 블록 코폴리머 35 중량부 내지 45 중량부, 및 0.04 중량부 이하의 이온성무기물을 포함하는 전력케이블.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응형 폴리프로필렌은 반응기 내에 에틸렌 및 프로필렌 이외의 α-올레핀으로부터 선택된 적어도 하나의 올레핀 코모노머와 프로필렌 모노머가 중합되어 형성된 폴리프로필렌 코폴리머와, 상기 폴리프로필렌 코폴리머로 이루어진 매트릭스 내에 에틸렌-프로필렌 고무가 화학 또는 물리적으로 결합되어 형성되는 전력케이블.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머는 프로필렌 호모폴리머 65 중량부 내지 82 중량부, 및 에틸렌-프로필렌 고무 18 중량부 내지 35 중량부를 중합하여 형성되는 에틸렌-프로필렌 블록 코폴리머를 포함하고,
    상기 에틸렌-프로필렌 고무 전체중량에 대하여 에틸렌이 25 중량% 내지 50 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 전력케이블.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응형 폴리프로필렌의 용융점은 160℃ 이상이고, 용융엔탈피는 20J/g 이상이며, 용융지수는 0.5g/10min 내지 1.5g/10min인 전력케이블.
  7. 제6항에 있어서, 상기 반응형 폴리프로필렌의 용융점은 160℃ 내지 170℃이고, 용융엔탈피는 20J/g 내지 30J/g 이며, 용융지수는 0.7g/10min 내지 0.9g/10min인 전력케이블.
  8. 제1항에 있어서, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 용융점은 160℃ 이상이고, 용융엔탈피는 50J/g 내지 70J/g이며, 용융지수는 2.5g/10min 내지 3.5g/10min인 전력케이블.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반응형 폴리프로필렌의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 500kg/cm2 내지 1500kg/cm2 이고, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 8500kg/cm2 내지 9500kg/cm2인 전력케이블.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반응형 폴리프로필렌의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 1000kg/cm2이고, 상기 폴리프로필렌 블록 코폴리머의 ASTM D790 규격에 의거하여 측정된 굴곡탄성율은 9000kg/cm2인 전력케이블.
  11. 제1항에 있어서, 상기 절연층의 용융점은 160℃ 내지 170℃인 전력케이블.
  12. 제1항에 있어서, 상기 외피층과 중성선 수밀층 사이에는 하나 이상의 중성선이 구비되는 전력케이블.
  13. 제1항에 있어서, 상기 내부 반도전층 및 외부 반도전층은 카본블랙을 각각 20 중량% 내지 40 중량% 포함하는 열가소성 수지 조성물을 포함하는 전력케이블.
  14. 제1항에 있어서, 상기 외피층은 폴리에틸렌을 포함하며, 용융온도가 110℃ 내지 130℃인 전력케이블.
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WO2023011515A1 (zh) 2021-08-04 2023-02-09 中国石油化工股份有限公司 一种柔性聚丙烯改性绝缘材料及其制备方法与应用

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