KR20210091836A - 개선된 열 전도율을 갖는 전기 케이블 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리케이트, 질화 붕소, 카보네이트, 및 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 무기 충전제 및 적어도 하나의 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료를 포함하는 폴리머 조성물로부터 수득된 적어도 하나의 전기 절연층을 포함하는 케이블, 및 상기 케이블을 마련하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

개선된 열 전도율을 갖는 전기 케이블{ELECTRIC CABLE WITH IMPROVED THERMAL CONDUCTIVITY}
본 발명은 실리케이트, 질화 붕소, 카보네이트 및 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 무기 충전제 및 적어도 하나의 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머를 포함하는 폴리머 조성물로부터 수득된 적어도 하나의 전기 절연층을 포함하는 케이블, 및 상기 케이블을 마련하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 독점적으로 그런 것은 아니지만, 전형적으로 육상, 해저 또는 지하 송전 분야 또는 그 밖의 항공 분야에서, 직류이든 교류이든 상관없이, 송전을 위해 의도된 전기 케이블에 적용되며, 특히 중압(특히 6 내지 45~60 kV) 또는 고압(특히 60 kV 초과, 그리고 가능하면 최대 400 kV까지의 범위) 전력 케이블에 적용된다.
본 발명은 특히 개선된 열 전도율을 갖는 전기 케이블에 적용된다.
중압 또는 고압 송전 케이블은 바람직하게는 내부로부터 외부로,
- 특히 구리 또는 알루미늄으로 제조된 신장형 전기 전도성 요소;
- 상기 신장형 전기 전도성 요소를 둘러싸는 내부 반도체 층;
- 상기 내부 반도체 층을 둘러싸는 전기 절연층;
- 상기 절연층을 둘러싸는 외부 반도체 층;
- 선택적으로, 상기 외부 반도체 층을 둘러싸는 전기 차폐물; 및
- 선택적으로, 상기 전기 차폐물을 둘러싸는 전기 절연성 보호용 외장을 포함한다.
특히, 전기 절연층은 가교(crosslinked) 폴리에틸렌(XLPE) 또는 가교 에틸렌/프로필렌 또는 에틸렌/프로필렌/디엔 엘라스토머(EPDM)와 같은, 가교 폴리올레핀을 기재로 하는 폴리머 층일 수 있다. 가교는 대체로 신장형 전기 전도성 요소의 둘레에 폴리머 조성물을 압출하는 단계 동안 수행된다. 가교 폴리올레핀의 사용은 비-가교 LDPE와 비교하여 개선된 전기적 및 기계적 특성을 갖는 층을 제공할 수 있게 하며; 특히, XLPE를 기재로 하는 절연층을 포함하는 케이블은 최대 90℃의 온도까지 사용될 수 있는 반면에, LDPE-기재 절연층을 포함하는 케이블은 70℃를 초과하지 않는 보다 저온에서만 사용될 수 있다. 그러나, XLPE는 일정 수의 단점을 갖고 있다. 첫째로, 이들 폴리머는 쉽게 재활용 가능하지 않다. 둘째로, 균질 층을 제조하기 위한 가교 공정(가황)은 케이블의 제조 속도를 감소시키고 이의 제조 비용을 증가시키는 특정 반응 조건(예를 들어, 시간 및 온도 측면에서)을 필요로 한다. 실제로, 만족스러운 가교도를 달성하기 위해서, 폴리머는 충분히 긴 시간 기간 동안 이의 가교를 달성하기 위해 필요한 온도에 도달될 수 있어야 한다. 따라서, XLPE-기재 전기 절연층을 포함하는 케이블의 제조 속도는 가교 터널에서의 통과 시간이 만족스러운 가교도를 달성하기에 충분히 길도록 조정되어야 하며, 이는 생산 능력 측면에서 무의미하지 않은 제한적 한계를 나타낸다. 마지막으로, 때때로 가교는 압출기(스크류, 칼라) 및/또는 압출기 헤드에서 조기에 시작될 수 있어서, 후속적으로 전기 절연층 내로 또는 케이블의 반도체 층 내로 이동하여 그 내부에서 결함을 초래할 수 있는, 압출기에서의 분해된 XLPE 입자들의 형성("스코치(scorch)"로도 알려짐)을 야기할 수 있다. 그 다음, 분해된 XLPE의 입자의 존재는 이들 입자가 주로 전기 절연층의 재료의 균질성 결여를 유발하거나 그렇지 않으면 전기 절연층과 반도체 층 사이의 계면에서의 균질성 결여를 유발하는 한, 케이블의 최종 특성에 영향을 미친다. 이러한 현상은 "스코치 현상"으로 알려져 있다.
따라서, 케이블의 전기 절연층을 위한 LDPE-기재 재료의 사용은 원칙적으로 XLPE-기재 재료의 사용에 대한 대안이다. 그러나, LDPE-기재 재료는 70℃보다 더 높은 온도에서 사용될 수 없는 단점이 있으며, 이는 또한 70℃보다 더 높은 온도에서 전기 절연층의 임의의 과열을 방지하기 위해 이들의 송전 능력을 감소시키는 결과를 야기한다.
더욱이, 폴리프로필렌-기재 재료는 예를 들어, 변압기 및 케이블에서, 특히 폴리프로필렌 적층 페이퍼를 기재로 하는 전기 절연층을 포함하는 해저 케이블(PPLP 케이블)에서 이용되는 우수한 유전체 특성을 나타낸다.
한편, 중압(MV) 및 고압(HV) 케이블 분야에서, 전기 절연층의 재료로서 폴리프로필렌의 사용은 아직 매우 널리 퍼져 있지 않다.
폴리프로필렌은 대체로 폴리에틸렌의 밀도보다 더 낮은 밀도를 특징으로 하며, 이러한 더 낮은 밀도는 폴리에틸렌의 열 전도율 특성에 비해 약간 열등한 열 전도율 특성과 연관된다. 결과적으로, 전력 케이블이 MV 및 HV 케이블인 경우에, 이것이 주울(Joule) 효과에 의해 발생된 열의 방산, 및 이에 따라 신장형 전기 전도성 요소의 최대 허용 온도의 함수인 송전 전력량을 감소시키는 한, 이는 단점을 나타낸다.
또한, 국제 출원 WO 2015/089179 A1은 적어도 약 0.30 W/mK의 열 전도율을 갖는 전기 케이블을 위한 조성물을 기술한다. 조성물은 100 중량부의 폴리올레핀(예를 들어, 에틸렌/부텐 코폴리머), 10 내지 70 중량부의 할로겐화 난연제(에틸렌 비스테트라브로모프탈이미드), 100 내지 200 중량부의 비-할로겐화 난연제(금속 산화물 및/또는 수산화물), 및 5 내지 35 중량부의 상승 난연제(안티몬 삼산화물)를 포함한다. 그러나, 조성물의 전기적 및 기계적 특성은 HV 및 MV 케이블 분야에서의 적용에 최적화되어 있지 않다.
따라서, 우수한 기계적 특성을 보장하는 동시에, 특히 열 전도율 측면에서 가교 XLPE 층에 의해 수득된 것과 비교할 만한 전기적 특성을 갖는 전기 절연층을 포함하는 전기 케이블이 여전히 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래기술의 단점을 극복하고, 70℃보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있으며, 특히 파단 신장률(elongation at break) 및 파단 작용력(force at break) 측면에서 우수한 기계적 특성을 보장하는 동시에, 개선된 열 전도율을 갖는, 재활용 가능 재료를 포함하는 경제적인 특히 중압 또는 고압 케이블을 제공하는 것이다.
그 목적은 이하에서 설명될 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 제1 대상은 전기 케이블로서, 적어도 하나의 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료 및 적어도 하나의 무기 충전제를 포함하는 폴리머 조성물로부터 수득된 적어도 하나의 전기 절연층 및 적어도 하나의 신장형 전기 전도성 요소를 포함하며, 무기 충전제는 실리케이트, 질화 붕소, 카보네이트, 및 이들의 혼합물로부터 선택되고, 바람직하게는 실리케이트, 카보네이트, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
실리케이트, 질화 붕소 및 카보네이트로부터 선택된 무기 충전제와 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료의 조합은 특히 파단 신장률 및 파단 작용력 측면에서 우수한 기계적 특성을 보장하는 동시에, 개선된 열 전도율을 갖는 전기 절연층을 수득할 수 있게 한다.
무기 충전제로서의 실리케이트 중에서, 알루미늄, 칼슘 또는 마그네슘 실리케이트가 언급될 수 있다.
알루미늄 실리케이트가 바람직하다.
알루미늄 실리케이트는 카올린, 및 카올리나이트를 주로 포함하는 임의의 다른 미네랄 또는 점토(clay)로부터 선택될 수 있다.
본 발명에서, "카올리나이트를 주로 포함하는 임의의 다른 미네랄 또는 점토"라는 표현은 미네랄 또는 점토의 총 중량을 기준으로, 적어도 약 50 중량%, 바람직하게는 적어도 약 60 중량%, 그리고 보다 바람직하게는 적어도 약 70 중량%의 카올리나이트를 포함하는 임의의 다른 미네랄 또는 점토를 의미한다.
카올린, 특히 하소 카올린이 바람직하다.
무기 충전제로서의 카보네이트 중에서, 백악(chalk), 칼슘 카보네이트(예를 들어, 아라고나이트, 바테라이트, 방해석, 또는 상기 언급된 화합물 중 적어도 2개의 혼합물), 마그네슘 카보네이트, 석회석, 또는 칼슘 카보네이트 또는 마그네슘 카보네이트를 주로 포함하는 임의의 다른 미네랄이 언급될 수 있다.
본 발명에서, "칼슘 카보네이트 또는 마그네슘 카보네이트를 주로 포함하는 임의의 다른 미네랄"이라는 표현은 미네랄의 총 질량을 기준으로, 적어도 약 50 중량%, 바람직하게는 적어도 약 60 중량%, 그리고 보다 바람직하게는 적어도 약 70 중량%의 칼슘 카보네이트 또는 마그네슘 카보네이트를 포함하는 임의의 다른 미네랄을 의미한다.
백악 및 칼슘 카보네이트가 바람직하다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시형태에 따라, 무기 충전제는 카올린, 백악, 및 이들의 혼합물로부터 선택된다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시형태에 따라, 무기 충전제는 백악이다.
무기 충전제는 폴리머 조성물의 총 중량을 기준으로, 바람직하게는 약 1 중량% 내지 50 중량%, 보다 바람직하게는 약 2 중량% 내지 40 중량%, 그리고 보다 바람직하게는 약 5 중량% 내지 30 중량%를 나타낸다.
폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료는 P1 프로필렌 호모폴리머 또는 코폴리머를 포함할 수 있고, 바람직하게는 P1 프로필렌 코폴리머를 포함할 수 있다.
P1 프로필렌 호모폴리머는 바람직하게는 약 1250 내지 1600 MPa 범위의 탄성률을 갖는다.
P1 프로필렌 호모폴리머는 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로, 적어도 10 중량%, 그리고 바람직하게는 15 내지 30 중량%를 나타낼 수 있다.
P1 프로필렌 코폴리머의 실시예로서, 프로필렌 및 올레핀의 코폴리머가 언급될 수 있으며, 올레핀은 특히 에틸렌, 및 프로필렌 이외의 α1 올레핀으로부터 선택된다.
프로필렌 및 올레핀의 코폴리머의 프로필렌 이외의 α1 올레핀 또는 에틸렌은 프로필렌 및 올레핀의 코폴리머의 총 몰수를 기준으로, 바람직하게는 최대 약 15 몰%, 그리고 보다 바람직하게는 최대 약 10 몰%를 나타낸다.
프로필렌 이외의 α1 올레핀은 화학식 CH2=CH-R1에 해당할 수 있으며, 여기서 R1은 2개 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기이고, 특히 이하의 올레핀으로부터 선택된다: 1-부텐, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센, 및 이들의 혼합물.
P1 프로필렌 코폴리머로서 프로필렌 및 에틸렌의 코폴리머가 바람직하다.
P1 프로필렌 코폴리머는 랜덤 프로필렌 코폴리머 또는 이종상(heterophasic) 프로필렌 코폴리머일 수 있고, 바람직하게는 이종상 프로필렌 코폴리머일 수 있다.
폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료는 몇몇 상이한 P1 프로필렌 코폴리머, 특히 2개의 상이한 P1 프로필렌 코폴리머를 포함할 수 있으며, 상기 P1 프로필렌 코폴리머는 위에서 정의된 바와 같다.
특히, 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료는 (제1 P1 프로필렌 코폴리머로서) 랜덤 프로필렌 코폴리머 및 (제2 P1 프로필렌 코폴리머로서) 이종상 프로필렌 코폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 P1 프로필렌 코폴리머들의 조합은 가교 층의 기계적 특성을 개선할 수 있게 한다.
본 발명에서, 랜덤 P1 프로필렌 코폴리머는 바람직하게는 약 600 내지 1200 MPa 범위의 탄성률을 갖는다.
랜덤 프로필렌 코폴리머의 실시예로서, 참조물 Bormed® RB 845 MO로 Borealis 사에 의해 시판되는 것이 언급될 수 있다.
이종상 P1 프로필렌 코폴리머는 바람직하게는 약 50 내지 250 MPa 범위의 탄성률을 갖는다.
이종상 코폴리머는 프로필렌 유형의 열가소성 상(phase), 및 α2 올레핀 유형 및 에틸렌의 코폴리머의 열가소성 엘라스토머 상을 포함할 수 있다.
이종상 코폴리머의 열가소성 엘라스토머 상의 α2 올레핀은 프로필렌일 수 있다.
이종상 코폴리머의 열가소성 엘라스토머 상은 이종상 코폴리머의 총 중량을 기준으로, 적어도 약 20 중량%, 그리고 바람직하게는 적어도 약 45 중량%를 나타낼 수 있다.
이종상 코폴리머의 실시예로서, 참조물 Adflex® Q 200 F로 Basell Polyolefins 사에 의해 시판되는 이종상 코폴리머가 언급될 수 있다.
P1 프로필렌 호모폴리머 또는 코폴리머는 약 130℃ 초과, 바람직하게는 약 140℃ 초과, 그리고 보다 바람직하게는 약 140 내지 170℃ 범위의 융점을 가질 수 있다.
P1 프로필렌 호모폴리머 또는 코폴리머는 약 20 내지 100 J/g 범위의 융합 엔탈피를 가질 수 있다.
특히, P1 프로필렌 호모폴리머는 약 80 내지 90 J/g 범위의 융합 엔탈피를 갖는다.
랜덤 P1 프로필렌 코폴리머는 약 40 내지 80 J/g 범위의 융합 엔탈피를 가질 수 있다.
이종상 P1 프로필렌 코폴리머는 약 20 내지 50 J/g 범위의 융합 엔탈피를 가질 수 있다.
P1 프로필렌 호모폴리머 또는 코폴리머는 표준 ASTM D1238-00에 따라 약 2.16 kg의 하중으로 약 230℃에서 측정된 0.5 내지 3 g/10분 범위의 용융 흐름 지수를 가질 수 있다.
랜덤 P1 프로필렌 코폴리머는 표준 ASTM D1238-00에 따라 약 2.16 kg의 하중으로 약 230℃에서 측정된 1.2 내지 2.5 g/10분 범위의 용융 흐름 지수를 가질 수 있다.
이종상 P1 프로필렌 코폴리머는 표준 ASTM D1238-00에 따라 약 2.16 kg의 하중으로 약 230℃에서 측정된 0.5 내지 1.5 g/10분 범위의 용융 흐름 지수를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라, P1 프로필렌 코폴리머, 또는 P1 프로필렌 코폴리머들은 이들 중 다수가 존재하는 경우, 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로, 적어도 약 50 중량%, 바람직하게는 약 55 중량% 내지 90 중량%, 그리고 보다 바람직하게는 약 60 중량% 내지 90 중량%를 나타낸다.
랜덤 프로필렌 코폴리머는 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로, 적어도 20 중량%, 그리고 바람직하게는 30 중량% 내지 70 중량%를 나타낼 수 있다.
이종상 P1 프로필렌 코폴리머는 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로, 적어도 1 중량%, 그리고 바람직하게는 2 중량% 내지 40 중량%를 나타낼 수 있다.
또한, 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료는 P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머를 포함할 수 있으며, 올레핀은 특히 에틸렌 및 α3 올레핀으로부터 선택된다.
P1 및 P2 폴리머들의 조합은 특히 탄성률 측면에서 우수한 기계적 특성, 및 전기적 특성을 갖는 열가소성 폴리머 재료를 수득할 수 있게 한다.
P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머의 α3 올레핀은 화학식 CH2=CH-R2에 해당할 수 있으며, 여기서 R2는 1개 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬기이고, 특히 이하의 올레핀으로부터 선택된다: 1-부텐, 이소부틸렌, 1-펜텐, 4-메틸-1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐, 1-데센, 1-도데센, 및 이들의 혼합물.
프로필렌, 1-헥센 또는 1-옥텐 α3 올레핀이 특히 바람직하다.
P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머는 폴리에틸렌일 수 있다.
폴리에틸렌은 특히 (23℃의 온도에서) 표준 ISO 1183A에 따라, 저밀도 폴리에틸렌일 수 있고, 바람직하게는 저밀도 선형 폴리에틸렌일 수 있다. 본 발명에서, "저밀도 선형 폴리에틸렌"이라는 표현은 약 0.91 내지 0.925 범위의 밀도를 갖는 선형 폴리에틸렌을 의미하며, 상기 밀도는 (23℃의 온도에서) 표준 ISO 1183A에 따라 측정된다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라, P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머는 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로, 약 10 중량% 내지 50 중량%, 그리고 보다 바람직하게는 약 10 중량% 내지 40 중량%를 나타낸다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시형태에 따라, 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료는 랜덤 프로필렌 코폴리머 및 이종상 프로필렌 코폴리머와 같은 2개의 P1 프로필렌 코폴리머들, 및 폴리에틸렌과 같은 P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머를 포함한다. P1 프로필렌 코폴리머들 및 P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머의 이러한 조합은 우수한 열 전도율을 보장하는 동시에, 가교 층의 기계적 특성을 추가로 개선할 수 있게 한다.
본 발명의 케이블의 전기 절연층의 폴리머 조성물의 열가소성 폴리머 재료는 바람직하게는 이종상이다(즉, 수개의 상을 포함한다). 수개의 상의 존재는 대체로 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 코폴리머의 혼합물과 같은 2개의 상이한 폴리올레핀들의 혼합으로부터 비롯된다.
또한, 본 발명의 폴리머 조성물은 특히 열가소성 폴리머 재료와 밀접하게 결합된 혼합물을 형성하는 유전성 액체를 포함할 수 있다.
유전성 액체의 실시예로서, 미네랄 오일(예를 들어, 나프텐 오일, 파라핀 오일 또는 방향족 오일), 식물성 오일(예를 들어, 대두유, 아마인유, 유채유, 옥수수 오일 또는 피마자유), 또는 방향족 탄화수소(알킬벤젠, 알킬나프탈렌, 알킬비페닐, 알킬디아릴에틸렌 등), 실리콘 오일, 에테르 산화물, 유기 에스테르 또는 지방족 탄화수소와 같은 합성 오일이 언급될 수 있다.
특정한 일 실시형태에 따라, 유전성 액체는 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로, 약 1 중량% 내지 20 중량%, 바람직하게는 약 2 중량% 내지 15 중량%, 그리고 보다 바람직하게는 약 3 중량% 내지 12 중량%를 나타낸다.
유전성 액체는 벤조페논 또는 아세토페논 유형, 또는 이들의 유도체의 적어도 하나의 극성 화합물 및 미네랄 오일을 포함할 수 있다.
이러한 실시형태에서, 유전성 액체는 유전성 액체의 총 중량을 기준으로, 적어도 약 70 중량%의 미네랄 오일을 포함할 수 있고, 바람직하게는 적어도 약 80 중량%의 미네랄 오일을 포함할 수 있다.
미네랄 오일은 대체로 약 20 내지 25℃의 액체이다.
미네랄 오일은 나프텐 오일 및 파라핀 오일로부터 선택될 수 있다.
미네랄 오일은 원유의 정제로부터 수득된다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시형태에 따라, 미네랄 오일은 약 45 내지 65 원자% 범위의 함량의 파라핀 탄소(Cp), 약 35 내지 55 원자% 범위의 함량의 나프텐 탄소(Cn), 및 약 0.5 내지 10 원자% 범위의 함량의 방향족 탄소(Ca)를 포함한다.
특정한 일 실시형태에서, 벤조페논 또는 아세토페논 유형, 또는 이들의 유도체의 극성 화합물은 유전성 액체의 총 중량을 기준으로, 적어도 약 2.5 중량%, 바람직하게는 적어도 약 3.5 중량%, 그리고 보다 더 바람직하게는 적어도 약 4 중량%를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라, 벤조페논 또는 아세토페논 유형, 또는 이들의 유도체의 극성 화합물은 벤조페논, 디벤조수베론(dibenzosuberone), 플루오렌온 및 안트론으로부터 선택된다. 벤조페논이 특히 바람직하다.
또한, 열가소성 폴리머 재료는 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.
첨가제는 당업자에게 잘 알려져 있으며, 산화방지제, UV 안정제, 구리 스캐빈저, 수트리(water-treeing) 억제제, 안료, 및 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
열가소성 폴리머 재료는 전형적으로 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로, 약 0.01 중량% 내지 5 중량%의 첨가제를 포함할 수 있고, 바람직하게는 약 0.1 중량% 내지 2 중량%의 첨가제를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는, 산화방지제는 케이블의 제조 단계 동안 또는 케이블의 작동 동안 발생된 열 응력으로부터 폴리머 조성물을 보호할 수 있게 한다.
산화방지제는 바람직하게는 간섭 페놀, 티오에스테르, 황-기재 산화방지제, 인-기재 산화방지제, 아민형 산화방지제, 및 이들의 혼합물로부터 선택된다.
간섭 페놀의 실시예로서, 펜타에리트리톨 테트라키스(3-(3,5-디-테르트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트)(Irganox® 1010), 옥타데실 3-(3,5-디-테르트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트(Irganox® 1076), 1,3,5-트리메틸-2,4,6-트리스(3,5-디-테르트-부틸-4-하이드록시벤질)벤젠(Irganox® 1330), 4,6-비스(옥틸티오메틸)-오-크레졸(Irgastab® KV10), 2,2'-티오비스(6-테르트-부틸-4-메틸페놀)(Irganox® 1081), 2,2'-티오디에틸렌 비스[3-(3,5-디-테르트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트](Irganox® 1035), 2,2'-메틸렌비스(6-테르트-부틸-4-메틸페놀), 1,2-비스(3,5-디-테르트-부틸-4-하이드록시하이드로신나모일)하이드라진(Irganox® MD 1024), 또는 2,2'-옥사미도비스(에틸 3-(3,5-디-테르트-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트)가 언급될 수 있다.
티오에스테르의 실시예로서, 디도데실 3,3'-티오디프로피오네이트(Irganox® PS800), 디스테아릴 티오디프로피오네이트(Irganox® PS802) 또는 4,6-비스(옥틸티오메틸)-오-크레졸(Irganox® 1520)이 언급될 수 있다.
황-기재 산화방지제의 실시예로서, 디옥타데실 3,3'-티오디프로피오네이트 또는 디도데실 3,3'-티오디프로피오네이트가 언급될 수 있다.
인-기재 산화방지제의 실시예로서, 트리스(2,4-디-테르트-부틸페닐)포스파이트(Irgafos® 168) 또는 비스(2,4-디-테르트-부틸페닐)펜타에리트리톨 디포스파이트(Ultranox® 626)가 언급될 수 있다.
아민형 산화방지제의 실시예로서, 페닐렌디아민(예를 들어, 1PPD 또는 6PPD), 디페닐아민 스티렌, 디페닐아민, 메르캅토벤지미다졸 및 중합 2,2,4-트리메틸-1,2-디하이드로퀴놀린(TMQ)이 언급될 수 있다.
본 발명에 따라 사용될 수 있는 산화방지제의 혼합물의 실시예로서, 위에서 설명된 바와 같은 Irgafos 168 및 Irganox 1010의 등몰 혼합물을 포함하는 Irganox B 225가 언급될 수 있다.
본 발명의 전기 절연층의 폴리머 조성물은 열가소성 폴리머 조성물이다. 따라서, 이는 가교 가능하지 않다.
특히, 폴리머 조성물은 가교제, 실란 유형의 커플링제, 과산화물 및/또는 가교를 가능하게 하는 첨가제를 포함하지 않는다. 이것은 그러한 작용제가 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료를 분해하기 때문이다.
폴리머 조성물은 바람직하게는 재활용 가능하다.
폴리머 조성물은 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료를 본 발명에서 정의된 바와 같은 적어도 하나의 무기 충전제, 선택적으로 유전성 액체 및 선택적으로 하나 이상의 첨가제와 혼합함으로써 마련될 수 있다.
본 발명의 케이블의 전기 절연층은 비-가교 층이거나, 달리 말하면, 열가소성 층이다.
본 발명에서, "비-가교 층" 또는 "열가소성 층"이라는 표현은 표준 ASTM D2765-01(크실렌으로 추출)에 따라 그 겔 함량이 최대 20%, 바람직하게는 최대 10%, 바람직하게는 최대 5%, 그리고 특히 바람직하게는 0%인 층을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 전기 절연층, 바람직하게는 비-가교 층은 40℃에서 적어도 0.235 W/m.K, 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.240 W/m.K, 보다 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.250 W/m.K, 보다 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.280 W/m.K, 보다 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.300 W/m.K, 그리고 보다 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.320 W/m.K의 열 전도율을 갖는다.
열 전도율은 바람직하게는 "전이 평면 소스" 또는 TPS라는 이름으로 잘 알려진 방법에 따라 측정된다. 유리하게는, 열 전도율은 Thermoconcept 사에 의해 참조물 Hot Disk TPS 2500S로 시판되는 기기를 사용하여 측정된다.
특정한 일 실시형태에서, 전기 절연층, 바람직하게는 비-가교 층은 (표준 CEI 20-86에 따라) 특히 노화(ageing) 전 또는 후에 적어도 8.5 MPa의 인장 강도(TS)를 갖는다.
특정한 일 실시형태에서, 전기 절연층, 바람직하게는 비-가교 층은 (표준 CEI 20-86에 따라) 특히 노화 전 또는 후에 적어도 350%의 파단 신장률(EB)을 갖는다.
(노화 전 또는 후의) 인장 강도(TS) 및 파단 신장률(EB)은 특히 Instron 사에 의해 참조물 3345로 시판되는 기구를 사용하여, 표준 NF EN 60811 1-1에 따라 수행될 수 있다.
본 발명의 케이블의 전기 절연층은 바람직하게는 재활용 가능한 층이다.
본 발명의 전기 절연층은 압출 층일 수 있으며, 특히 당업자에게 잘 알려진 공정에 의해 압출될 수 있다.
전기 절연층은 구상된 케이블의 유형에 따른 가변 두께를 갖는다. 특히, 본 발명에 따른 케이블이 중압 케이블인 경우, 절연층의 두께는 전형적으로 약 4 내지 5.5 mm이고, 보다 구체적으로는 약 4.5 mm이다. 본 발명에 따른 케이블이 고압 케이블인 경우, 절연층의 두께는 전형적으로 (약 150 kV에 가까운 전압에 대해) 17 내지 18 mm의 범위이고, 150 kV 초과의 전압(초고압 케이블)에 대해 약 20 내지 25 mm 범위의 두께까지 증가한다. 상기 언급된 두께는 신장형 전기 전도성 요소의 크기에 따라 좌우된다.
본 발명에서, "전기 절연층"이라는 용어는 (약 25℃에서) 그 전기 전도율이 최대 1x10-9 S/m(미터당 지멘스)일 수 있고, 바람직하게는 최대 1x10-10 S/m일 수 있는 층을 의미하는 것으로 의도된다.
본 발명의 케이블은 보다 구체적으로는 직류(DC) 또는 교류(AC)로 작동하는 전기 케이블 분야에 관한 것이다.
본 발명의 전기 절연층은 신장형 전기 전도성 요소를 둘러쌀 수 있다.
신장형 전기 전도성 요소는 예를 들어, 금속 와이어와 같은 단일부분 도체일 수 있거나, 복수의 연선 또는 비-연선(non-twisted) 금속 와이어와 같은 다중부분 도체일 수 있다.
신장형 전기 전도성 요소는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 또는 이들의 조합물로 제조될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라, 전기 케이블은,
- 신장형 전기 전도성 요소를 둘러싸는 제1 반도체 층;
- 제1 반도체 층을 둘러싸는 본 발명에서 정의된 바와 같은 전기 절연층; 및
- 전기 절연층을 둘러싸는 제2 반도체 층을 포함할 수 있다.
본 발명에서, "반도체 층"이라는 용어는 (25℃에서) 그 전기 전도율이 적어도 1x10-9 S/m(미터당 지멘스)일 수 있고, 바람직하게는 적어도 1x10-3 S/m, 그리고 바람직하게는 1x103 S/m 미만일 수 있는 층을 의미하는 것으로 의도된다.
특정한 일 실시형태에서, 제1 반도체 층, 전기 절연층 및 제2 반도체 층은 삼층 절연부를 구성한다. 즉, 전기 절연층은 제1 반도체 층과 직접 물리적 접촉하고, 제2 반도체 층은 전기 절연층과 직접 물리적 접촉한다.
제1 및 제2 반도체 층은 바람직하게는 열가소성 폴리머 재료로 제조된다.
또한, 케이블은 제2 반도체 층을 둘러싸는 전기 절연성 외장을 포함할 수 있고, 이와 직접 물리적 접촉할 수 있다.
또한, 전기 케이블은 제2 반도체 층을 둘러싸는 전기(예를 들어, 금속) 차폐물을 포함할 수 있다. 이 경우, 전기 절연성 외장은 상기 전기 차폐물을 둘러싸고, 전기 차폐물은 전기 절연성 외장과 제2 반도체 층 사이에 있다.
이러한 금속 차폐물은, 제2 반도체 층을 따라 제2 반도체 층의 둘레에 배치된 구리 또는 알루미늄으로 제조된 도체들의 조립체로 구성된 "와이어" 차폐물; 선택적으로 제2 반도체 층의 둘레에 나선형으로 위치된 구리 또는 알루미늄으로 제조된 하나 이상의 전도성 금속 스트립, 또는 제2 반도체 층의 둘레에 종방향으로 위치되어 상기 스트립의 중첩 영역 또는 부분에서 접착제에 의해 누설 밀봉되게 제공된 알루미늄으로 제조된 전도성 금속 스트립으로 구성된 "스트립" 차폐물; 또는 납 또는 납 합금으로 선택적으로 구성되고 제2 반도체 층을 둘러싸는 금속 튜브 유형의 "누설 밀봉" 차폐물일 수 있다. 마지막 유형의 이러한 차폐물은 특히 전기 케이블 내로 방사상으로 침투하는 경향이 있는 수분에 대한 장벽을 형성할 수 있게 한다.
본 발명의 전기 케이블의 금속 차폐물은 "와이어" 차폐물 및 "누설 밀봉" 차폐물, 또는 "와이어" 차폐물 및 "스트립" 차폐물을 포함할 수 있다.
모든 유형의 금속 차폐물은 전기 케이블을 접지하는 역할을 수행할 수 있으므로, 예를 들어 관련된 망에서 단락의 발생 시에, 고장 전류를 전달할 수 있다.
수분의 존재 시에 팽창하는 층과 같은 다른 층이 제2 반도체 층과 금속 차폐물 사이에 추가될 수 있으며, 이러한 층은 전기 케이블의 종방향 수밀성을 제공할 수 있게 한다.
본 발명의 제2 대상은 전기 케이블로서, 적어도 하나의 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료 및 적어도 하나의 무기 충전제를 포함하는 폴리머 조성물로부터 수득된 적어도 하나의 비-가교 전기 절연층 및 적어도 하나의 신장형 전기 전도성 요소를 포함하며, 비-가교 전기 절연층은, 40℃에서 적어도 0.235 W/m.K, 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.240 W/m.K, 보다 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.250 W/m.K, 보다 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.280 W/m.K, 보다 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.300 W/m.K, 그리고 보다 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.320 W/m.K의 열 전도율을 갖는 것을 특징으로 한다.
열 전도율은 바람직하게는 "전이 평면 소스" 또는 TPS라는 이름으로 잘 알려진 방법에 따라 측정된다. 유리하게는, 열 전도율은 Thermoconcept 사에 의해 참조물 Hot Disk TPS 2500S로 시판되는 기기를 사용하여 측정된다.
신장형 전기 전도성 요소, 비-가교 전기 절연층, 폴리머 조성물, 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료 및 무기 충전제는 본 발명의 제1 대상에서 정의된 바와 같을 수 있다.
본 발명의 제3 대상은 본 발명의 제1 대상 또는 제2 대상에 따른 전기 케이블의 제조를 위한 방법으로서, 신장형 전기 전도성 요소의 둘레에 본 발명의 제1 대상에서 정의된 바와 같은 폴리머 조성물을 압출함으로써, 상기 신장형 전기 전도성 요소를 둘러싸는 (압출된) 전기 절연층을 수득하는 적어도 하나의 단계 1)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
단계 1)은 당업자에게 잘 알려진 기술에 의해, 예를 들어 압출기를 사용하여 수행될 수 있다.
단계 1) 동안, 압출기의 토출구에서의 조성물은 "비-가교"로 지칭되고, 압출기 내에서의 가공을 위한 온도 및 시간이 또한 결과적으로 최적화된다.
따라서, 압출기의 토출구에서, 상기 전기 전도성 요소의 둘레에 압출된 층이 수득되며, 층은 상기 신장형 전기 전도성 요소와 직접 물리적 접촉할 수 있거나 접촉하지 않을 수 있다.
방법은 바람직하게는 단계 1)에서 수득된 층을 가교시키는 단계를 포함하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 일 실시형태에 따른 전기 케이블의 개략도를 나타낸다.
명확성을 위해, 본 발명을 이해하기 위해 필수적인 요소들만을 개략적으로 나타내며, 이는 일정한 비율이 아니다.
도 1에 도시된 본 발명의 제1 대상에 따른 중압 또는 고압 전기 케이블(1)은 특히 구리 또는 알루미늄으로 제조된 중앙 신장형 전기 전도성 요소(2)를 포함한다. 또한, 전기 케이블(1)은 이러한 중앙 신장형 전기 전도성 요소(2)의 둘레에 연속적으로 그리고 동축으로 배치된 다수의 층을 포함하며, 즉 "내부 반도체 층"으로 지칭되는 제1 반도체 층(3), 전기 절연층(4), "외부 반도체 층"으로 지칭되는 제2 반도체 층(5), 접지 및/또는 보호를 위한 금속 차폐물(6), 및 외부 보호용 외장(7)을 포함한다.
전기 절연층(4)은 본 발명에서 정의된 바와 같은 폴리머 조성물로부터 수득된 비-가교 압출된 층이다.
반도체 층(3 및 5)은 열가소성(즉, 비-가교) 압출된 층이다.
금속 차폐물(6) 및 외부 보호용 외장(7)의 존재는 바람직하지만 필수적인 것은 아니며, 이에 따라 이러한 케이블 구조는 당업자에게 잘 알려져 있다.
실시예
1. 폴리머 조성물
적어도 하나의 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료 및 무기 충전제로서 적어도 백악을 포함하는 본 발명에 따른 조성물(I1, I2 및 I3)이 비교 조성물(C1 및 C2)과 비교되었고, 조성물(C2)은 XLPE의 층을 형성하기 위한 조성물에 해당하며, 조성물(C1)은 본 발명의 조성물(I1, I2 및 I3)에 사용된 것과 동일한 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료를 포함하는 조성물에 해당한다(따라서, C1은 본 발명에서 정의된 바와 같은 무기 충전제를 포함하지 않음).
아래의 표 1은 화합물의 양이 폴리머 조성물의 총 중량을 기준으로, 중량 백분율로 표현되는 폴리머 조성물들을 대조한다.
Figure pat00001
(*) 본 발명의 일부가 아닌 비교 조성물
표 1의 화합물들의 출처는 다음과 같다:
- 참조물 BPD2000으로 Ineos 사에 의해 시판되는 저밀도 선형 폴리에틸렌;
- 참조물 Adflex® Q 200F로 Basell Polyolefins 사에 의해 시판되는 이종상 코폴리머;
- 참조물 Nytex 810으로 Nynas 사에 의해 시판되는 약 5.7 중량%의 미네랄 오일을 포함하는 유전성 액체; 및 참조물 B9300으로 Sigma-Aldrich 사에 의해 시판되는 약 0.3 중량%의 벤조페논;
- (C1, I1 및 I2의 경우) Irgafos 168 및 Irganox 1010의 등몰 혼합물을 포함하는 참조물 Irganox B 225로 Ciba 사에 의해 시판되거나, 또는 (C2의 경우) 참조물 Irgastab kV10으로 BASF 사에서 시판되는 산화방지제; 및
- 백악에 대한 참조물 Omya EXH1로 시판되는 무기 충전제(백악).
2. 비-가교 층의 마련
표 1에서 대조된 조성물들은 다음과 같이 사용된다. 조성물(C1, I1, I2 및 I3)의 경우, 유전성 액체를 형성하기 위해, 유전성 액체 및 산화방지제를 약 75℃에서 교반하면서 혼합하였다. 그 다음, 유전성 액체를 용기에서 이종상 코폴리머와 혼합한 다음, 결과적인 혼합물 및 무기 충전제를 약 145 내지 180℃의 온도에서 이축 압출기(Berstorff 이축 압출기)를 사용하여 혼합한 다음, 약 200℃에서 용융시켰다(스크류 속도: 80 회전/분). 그 다음, 결과적인 균질화된 용융 혼합물을 냉각시키고 과립제로 형성하였다. 그 다음, 과립제를 가열 압착하여 플레이트 형태의 층을 형성하였다.
따라서, 각각의 폴리머 조성물(C1, C2, I1, I2 및 I3)은 이들의 기계적 특성을 평가하기 위해 1 mm 두께의 층 형태로 마련되었고, 열 전도율 측정을 수행하기 위해 8 mm 두께의 층 형태로도 마련되었다.
그 다음, 이들 조성물(C1, C2, I1, I2 및 I3)을 이들의 기계적 특성(240시간 동안 135℃에서 노화 전 및 후의 인장 강도/파단 신장률) 및 이들의 열 전도율의 관점에서 비교하였다.
인장 강도(TS) 및 파단 신장률(EB) 테스트를 Instron 사에 의해 참조물 3345로 시판되는 기기를 사용하여, 표준 NF EN 60811-1-1에 따라 재료들에 대해 수행하였다.
각각의 이러한 테스트에 해당하는 결과는 아래의 표 2(기계적 특성)에서 보고된다:
Figure pat00002
(*) 본 발명의 일부가 아닌 비교 조성물
이러한 모든 결과는 본 발명에 정의된 바와 같은 무기 충전제를 폴리프로필렌 매트릭스 내로 혼입하는 것이 본 발명에 따라 중압 또는 고압 전력 케이블의 전기 절연층으로서 사용될 수 있는 열가소성 폴리머 재료의 기계적 특성을 저해하지 않으며, 상기 케이블은 노화 후(표 2)를 포함하여, 인장 강도 및 파단 신장률 측면에서 매우 우수한 기계적 특성을 유지한다는 것을 보여준다.
열 전도율 테스트를 "전이 평면 소스" 또는 TPS라는 용어로 잘 알려진 방법에 따라 Thermoconcept 사에 의해 참조물 Hot Disk TPS 2500S로 시판되는 기기를 사용하여 재료들에 대해 수행하였다.
이러한 테스트에 해당하는 결과는 아래의 표 3(열 전도율)에서 보고된다:
Figure pat00003
(*) 본 발명의 일부가 아닌 비교 조성물
열 전도율 결과는 본 발명에서 정의된 바와 같은 무기 충전제가 폴리프로필렌 매트릭스에 존재하면, 무기 충전제가 없는 전기 절연층의 열 전도율보다 더 높은 열 전도율을 갖는 전기 절연층이 야기된다는 것을 보여준다.

Claims (18)

  1. 전기 케이블로서,
    적어도 하나의 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료 및 적어도 하나의 무기 충전제를 포함하는 폴리머 조성물로부터 수득된 적어도 하나의 전기 절연층 및 적어도 하나의 신장형 전기 전도성 요소를 포함하며,
    상기 무기 충전제는 실리케이트, 질화 붕소, 카보네이트, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는,
    전기 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리케이트는 카올린, 및 카올리나이트를 주로 포함하는 임의의 다른 미네랄 또는 점토로부터 선택된 알루미늄 실리케이트인 것을 특징으로 하는, 케이블.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 카보네이트는 백악, 칼슘 카보네이트, 마그네슘 카보네이트, 석회석, 및 칼슘 카보네이트 또는 마그네슘 카보네이트를 주로 포함하는 임의의 다른 재료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 충전제는 상기 폴리머 조성물의 총 중량을 기준으로 2 중량% 내지 40 중량%를 나타내는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 무기 충전제는 카올린, 백악, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료는 P1 프로필렌 호모폴리머 또는 코폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 P1 프로필렌 코폴리머는 랜덤 프로필렌 코폴리머 또는 이종상 프로필렌 코폴리머인 것을 특징으로 하는, 케이블.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이종상 코폴리머는 프로필렌 유형의 열가소성 상, 및 에틸렌 및 α2 올레핀의 유형 코폴리머의 열가소성 엘라스토머 상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료는 랜덤 프로필렌 코폴리머 및 이종상 프로필렌 코폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 P1 프로필렌 코폴리머(들)는 상기 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로 적어도 50 중량%를 나타내는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료는 P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머를 더 포함하며, 상기 올레핀은 에틸렌 및 α3 올레핀으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머는 저밀도 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는, 케이블.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 P2 올레핀 호모폴리머 또는 코폴리머는 상기 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료의 총 중량을 기준으로 10 중량% 내지 50 중량%를 나타내는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머 조성물은 유전성 액체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유전성 액체는 벤조페논 또는 아세토페논 유형, 또는 이들의 유도체의 적어도 하나의 극성 화합물 및 미네랄 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 절연층은 비-가교 층인 것을 특징으로 하는, 케이블.
  17. 전기 케이블로서,
    적어도 하나의 폴리프로필렌-기재 열가소성 폴리머 재료 및 적어도 하나의 무기 충전제를 포함하는 폴리머 조성물로부터 수득된 적어도 하나의 비-가교 전기 절연층 및 적어도 하나의 신장형 전기 전도성 요소를 포함하며,
    상기 비-가교 전기 절연층은 40℃에서 적어도 0.235 W/m.K의 열 전도율을 갖고, 바람직하게는 40℃에서 적어도 0.240 W/m.K의 열 전도율을 갖는 것을 특징으로 하는,
    전기 케이블.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 전기 케이블의 제조를 위한 방법으로서,
    신장형 전기 전도성 요소의 둘레에 상기 폴리머 조성물을 압출함으로써, 상기 신장형 전기 전도성 요소를 둘러싸는 전기 절연층을 수득하는 적어도 하나의 단계 1)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 전기 케이블의 제조를 위한 방법.
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