KR20230061041A - 전력 케이블용 친환경 절연 조성물 및 이를 포함하는 전력 케이블 - Google Patents

전력 케이블용 친환경 절연 조성물 및 이를 포함하는 전력 케이블 Download PDF

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Abstract

전력 케이블용 친환경 절연 조성물 및 이를 포함하는 전력 케이블이 개시된다. 이 중, 절연 조성물은 랜덤 또는 블록 폴리프로필렌 40 내지 80 중량부; 반응형 폴리프로필렌 20 내지 60 중량부를 포함할 수 있다.

Description

전력 케이블용 친환경 절연 조성물 및 이를 포함하는 전력 케이블{Eco-friendly insulation composition for power cables and power cables comprising the same}
본 발명은 전력 케이블용 친환경 절연 조성물 및 이를 포함하는 전력 케이블에 관한 것이다.
전력 케이블은 도체와 이를 감싸는 절연층을 포함하고, 고전압 또는 초고전압 케이블의 경우 상기 도체와 절연층 사이에 내부 반도전층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층 또는 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층 등을 추가로 포함할 수 있다.
종래 중압 및 고압용 전력 케이블에는 절연재료로 폴리에틸렌(Polyethylene)에 유기가황제를 혼합하여 폴리에틸렌 구조를 가교시킴으로써 열경화성의 점탄성 성질이 부여된 XLPE(Cross-linked polyethylene)를 많이 사용하였다.
그러나, 상기 가교 폴리에틸렌(XLPE) 등은 가교 형태이기 때문에 상기 XLPE로 수지로 제조된 절연층을 포함하는 케이블 등의 수명이 다하면 상기 절연층을 구성하는 수지의 재활용이 불가능하고 소각에 의해 폐기할 수 밖에 없어 친환경적이지 않다.
최근에는 높은 내열성을 가지면서도 재활용이 용이한 폴리프로필렌 수지를 이용한 친환경 절연재료의 개발이 진행되고 있다. 상기 폴리프로필렌 수지는 XLPE와 비교하여 제조공법이 간편하고 비가교 형태이기 때문에 재활용이 가능하며, 자체 융점이 약 160℃ 수준으로 가교하지 않고도 내열성이 우수하여 기존 XLPE 대비 상시 운전 온도 향상이 가능한 재료로 케이블의 송전용량을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.
또한, 상기 폴리프로필렌 수지는 제조 공정상 메탄가스 등의 유독물질과 각종 부산물이 발생되지 않으며, 제조 공정상 발생하는 CO2 등의 온실가스도 XLPE와 대비하여 30% 가량 저감이 가능하여, 친환경적인 소재로 알려져 있다.
다만, 상기 폴리프로필렌 수지는 높은 강성(rigidity)으로 인한 불충분한 유연성(flexibility)으로 인해, 이로부터 제조되는 절연층을 포함하는 케이블의 포설 작업시 작업성이 떨어지고 그 용도가 제한되는 문제가 있다.
문헌 1 : 특허공개공보 제2018-0016150호(2018.02.09) 문헌 2 : 특허등록공보 제1859852호(2018.05.14)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 우수한 전기적 특성 및 유연성을 가지며 친환경적인 폴리프로필렌 수지에 유연성을 부여할 수 있는 반응형 폴리프로필렌을 혼합하여, 굴곡탄성율을 감소시킴으로써 케이블에 유연성을 부여하고, 절연 특성이 우수한 전력 케이블용 친환경 절연 조성물을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 친환경 절연 조성물을 포함하는 전력 케이블을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는, 폴리프로필렌 40 내지 80 중량부; 반응형 폴리프로필렌 20 내지 60 중량부를 포함하는 전력 케이블용 친환경 절연 조성물이다.
바람직하게, 상기 랜덤 폴리프로필렌의 용융지수(Melt Index)는 0.1 내지 5 g/10min가 될 수 있다.
바람직하게, 상기 블록 폴리프로필렌의 용융지수(Melt Index)는 0.1 내지 5 g/10min가 될 수 있다.
바람직하게, 상기 반응형 폴리프로필렌의 용융지수(Melt Index)는 0.1 내지 8 g/10min이 될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 도체; 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층; 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층; 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층; 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층;을 포함하고, 상기 절연층은 상기한 전력 케이블용 친환경 절연 조성물을 더 포함하는 전력 케이블이다.
바람직하게, 상기 절연층의 최고 허용온도는 110℃가 될 수 있다.
과제의 해결 수단에 따르면, 본 발명의 전력 케이블용 친환경 절연 조성물은 자체 내열성 및 유연성이 우수하여 가교하지 않고도 절연 재료로 사용할 수 있는 폴리프로필렌을 포함함으로써 재활용이 가능해 친환경적이라는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전력 케이블용 친환경 절연 조성물은 가교 반응을 포함하지 않으므로 가교 부산물이 발생하지 않아 전력 케이블에 적용하였을 때 절연 성능이 저하되는 문제가 발생하지 않으며, 이로 인하여 전기적 특성이 확보되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전력 케이블용 친환경 절연 조성물은 폴리프로필렌의 우수한 내열성으로 최대사용온도가 110℃에 이르게 하므로 전력 케이블에 적용하였을 때 송전효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 전력 케이블용 친환경 절연 조성물은 산화방지제 등의 첨가제를 더 포함함에 의해 케이블의 제조 또는 사용 시에 품질 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 상기 전력 케이블용 친환경 절연 조성물을 포함하는 전력 케이블은 기계적 강도, 유연성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성이 우수할 뿐만 아니라 절연특성이 기존 가교폴리에틸렌(XLPE)과 동등한 수준으로 내구성이 강화되는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 단면도이다.
본 발명의 일 양태는 전력 케이블용 친환경 절연 조성물(이하 '절연 조성물'로 약칭함)이다.
상기 절연 조성물은 랜덤 또는 블록 폴리프로필렌 40 내지 80 중량부; 반응형 폴리프로필렌 20 내지 60 중량부를 포함할 수 있다.
상기 범위를 만족하는 경우, 기계적 강도, 유연성, 내충격성, 내한성, 포설성, 작업성이 우수할 뿐만 아니라 절연특성이 기존 가교폴리에틸렌(XLPE)과 동등한 수준으로 내구성이 강화되는 효과를 얻을 수 있다.
상기 절연 조성물의 일 요소인 폴리프로필렌은 절연 조성물의 기본 원료로서, 적어도 인체에는 해가 없는 친환경적인 소재이고, 열에 강해 우수한 내열성을 가지며, 인장강도를 향상시킨다.
또한, 상기 폴리프로필렌을 기본 원료로 사용하여 절연 전력 케이블을 제조하면 가교 공정이 필요하지 않아 제조과정이 간편하고, 메탄가스 등의 유독물질과 각종 부산물이 발생하지 않으며, CO2 등의 온실가스도 줄어들고, 폐기 후에도 각종 플라스틱 제품으로 재활용할 수 있다. 특히, 가교 공정이 없어지면 케이블의 제조 속도와 효율이 30% 이상 증대될 수 있다.
본 실시예에서 상기 폴리프로필렌은 랜덤 또는 블록 폴리프로필렌 수지와 반응형 폴리프로필렌 수지의 혼합물이 적용될 수 있다.
폴리프로필렌은 가장 저가의 범용 수지로서 대체적으로 충격 강도와 강성이 어느 정도는 우수하나 단독으로 절연재를 제조하는 경우 충격강도와 유연성이 충분치 못하므로 이를 보완하기 위하여 반응형 폴리프로필렌 수지를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
이 중, 랜덤 폴리프로필렌과 블록 폴리프로필렌은 호모 폴리프로필렌에 비하여 높은 유연성을 가지고 있기 때문에 전력 케이블용으로 더 적합하며, 특히 폴리프로필렌 블록 공중합체의 경우 랜덤 폴리프로필렌 공중합체와 비교하여 내열성이 우수한 이점이 있으므로 여건에 따라 취사 선택하여 적용할 수 있다.
바람직하게 상기 랜덤 또는 블록 폴리프로필렌 수지는 폴리프로필렌 전체 100 중량부에 대하여 40 내지 80 중량부가 포함될 수 있으며, 상기 반응형 폴리프로필렌 수지는 폴리프로필렌 전체 100 중량부에 대하여 20 내지 60 중량부가 포함될 수 있다.
상기에서 랜덤 또는 블록 폴리프로필렌 수지가 40 중량부 미만으로 포함되면 인장강도가 저하되며 내열성 확보가 어렵고 80 중량부를 초과하면 유연성이 저하되어 전력 케이블 포설 및 권취 작업성이 저하된다. 반응형 폴리프로필렌은 20 중량부 미만으로 포함되면 유연성과 같은 기계적 물성 확보가 어렵고 60 중량부를 초과하면 인장강도가 저하된다. 따라서, 위의 중량비를 따르는 것이 바람직하다.
또한, 상기 랜덤 폴리프로필렌 또는 블록 폴리프로필렌의 용융지수(Melt Index)는 0.1 내지 5 g/10min로 되는 것이 바람직하다.
상기 랜덤 폴리프로필렌 또는 블록 폴리프로필렌의 용융지수가 0.1 g/10min 미만이라면 전체 절연물의 용융지수가 감소하여 흐름성이 낮아 생산성이 저하되고 다른 혼합물과의 상용성이 저하되어 충분하게 혼합되지 않으므로 기계적 강도 또한 저하될 수 있다.
반대로 상기 랜덤 폴리프로필렌 또는 블록 폴리프로필렌의 용융지수가 5 g/10min을 초과하면 전체 절연물의 용융지수를 상승시켜 전력 케이블 생산에 문제가 있다.
한편, 상기 반응형 폴리프로필렌은 프로필렌 모노머를 포함하여 중합한 고무 특성을 나타내는 고분자로서, 용융지수(Melt Flow Index)는 0.1 내지 5 g/10min인 것이 바람직하다. 상기 반응형 폴리프로필렌의 용융지수가 0.1 g/10min 미만이라면 폴리프로필렌과의 분산성이 저하되는 문제가 있고, 용융지수가 5 g/10min를 초과하면 반대로 전력 케이블 생산에 문제가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전력 케이블(10)은 구리, 알루미늄 등의 전도성 물질로 이루어진 도체(11), 절연재로 이루어진 절연층(13), 상기 도체(11)와 상기 절연층(13) 사이에 위치하여 도체(11)와의 계면에서의 부분방전을 억제하고, 상기 도체(11)와 상기 절연층(13) 사이의 공기층을 없애주며, 국부적인 전계집중 을 완화시켜 주는 등의 역할을 수행하는 내부 반도전층(12), 케이블의 차폐 역할 및 절연체에 균등한 전계가 걸리도록 하는 역할을 수행하는 외부 반도전층(14), 케이블 보호를 위한 쉬스층(15)을 포함할 수 있다.
상기 전력 케이블의 내부 또는 외부 반도전층(12,14)은 통상의 방법으로 제조될 수 있고, 바람직하게는 전력 케이블의 수명 단축을 유발할 수 있는 상기 반도전층(12,14)과 절연층(13)과의 박리를 방지하도록, 상기 절연층(13)과의 우수한 접착력을 확보할 수 있는 상기 절연층(13)을 구성하는 동일한 수지를 포함하는 조성물로부터 제조될 수 있다.
또한, 상기 내부 또는 외부 반도전층(14)은 반도전 특성을 위해 카본 블랙 같은 전도성 충진제를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 케이블의 쉬스층(15) 역시 상기 절연층(13)을 구성하는 동일한 기재 수지를 포함하는 조성물로부터 제조될 수 있다.
여기서, 상기 절연층(13)은 상기에서 설명된 절연 조성물이 포함될 수 있다.
따라서, 상기한 절연 조성물을 포함하는 절연층은 가교 반응을 포함하지 않으므로 가교 부산물이 발생하지 않아 전력 케이블에 적용 시 절연 성능 저하와 같은 문제가 발생하지 않아 전기적 특성이 확보되는 효과를 득할 수 있다.
한편, 상기 절연층이 포함되는 절연 조성물은 이축 압출기를 통해 압출되어 펠렛 형태로 제조될 수 있다. 펠렛 형태로 제조된 절연재는 도체와 동시에 압출기를 통과시켜 도체에 절연물을 입힌다. 이를 건조하면 절연재가 도체에 피복된다. 절연재는 전력케이블에서 내부 반도전층과 외부 반도전층 사이에 배치되어 절연체를 형성한다.
이러한 방법으로 제조된 전력 케이블은 절연재인 폴리프로필렌 수지의 용융온도가 약 160℃로 높기 때문에 전력 케이블의 사용온도를 높일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 절연재는 경도 50 Shore D 이하, 인장강도 25 MPa 이상, 신율 600% 이상, 굴곡탄성율 400 MPa 이하 및 절연파괴강도 50 kV/mm 이상을 만족할 수 있다.
따라서, 실시예의 절연재를 적용한 전력 케이블은 기계적 강도 및 차폐 효과가 우수할 뿐만 아니라 유연성, 내스크래치성 및 작업성을 동시에 만족시킬 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세히 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지는 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 이하에서 함유량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 중량 기준이다.
실시예 및 비교예
아래의 [표 1]에 기재된 각 함량의 단위는 중량부이다.
실시예 1 내지 3과 비교예 1 내지 2에 대하여, 경도, 인장강도, 신율, 굴곡탄성율, 절연파괴강도에 대한 실험결과는 아래의 [표 1]과 같이 도출되었다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
블록 폴리프로필렌 A
(MI : 0.2 g/10min)		 80 85
블록 폴리프로필렌 B
(MI : 5 g/10min)		 40 40 35
랜덤 폴리프로필렌 A
(MI : 0.2 g/10min)		 40 80 35
랜덤 폴리프로필렌 B(MI : 5 g/10min) 80 85
반응형 폴리프로필렌 A(MI : 0.1 g/10min) 60 20 20 60 15 65 65 15
반응형 폴리프로필렌 B
(MI : 5 g/10min)		 60 20
경도(≤50 Shore D) 45 47 47 45 45 47 42 44 47 42
인장강도(≥25 MPa) 26 27.3 26.5 25.5 25.3 26.3 25.1 27.9 28.1 23.1
신율(≥600%) 700 610 640 680 640 620 690 650 640 680
굴곡탄성율(≤400 MPa) 350 395 385 345 330 370 340 340 320 450
절연파괴강도(≥50 kV/mm) 55.0 53.2 53.0 54.9 54.6 52.6 49.3 46.3 48.3 49.1
최종 평가 ○ ○ ○ ○ ○ ○ X X X X
[표 1]의 조성물을 배합하고 압출하여 펠렛으로 제조한 후 물성을 측정하였다. Melt Index는 펠렛을 가지고 측정하였고, 기타 물성은 압축 프레스를 통해 평판 시트를 성형한 후 평가하였다.
본 실시예에 따른 절연재는 경도 50 Shore D 이하, 인장강도 25 MPa 이상, 신율 600% 이상, 굴곡탄성율 400 MPa 이하 및 절연파괴강도 50 kV/mm 이상을 만족할 수 있다.
[표 1]에 의하면, 실시예 1 내지 6은 경도 50 Shore D 이하, 인장강도 25 MPa 이상, 신율 600% 이상, 굴곡탄성율 400 MPa 이하 및 절연파괴강도 50 kV/mm 이상을 만족하여 전력케이블의 절연재료로 사용될 수 있다.
비교예 1의 경우, 블록 폴리프로필렌 A가 과량 첨가되고 반응형 폴리프로필렌 A가 소량 첨가되어 절연파괴강도가 50 kV/mm 이상을 만족하지 못하여 전력 케이블용 절연재로 사용하기 적합하지 않다.
비교예 2의 경우, 반응형 폴리프로필렌이 과량 첨가되어 절연파괴강도가 감소되는 문제가 있었다.
비교예 3의 경우, 용융지수가 0.2 g/10min인 반응형 폴리프로필렌 A가 과량 첨가되어 절연파괴강도가 기준치 이하로 전력 케이블용 절연재로 사용하기에 부적합하다.
비교예 4의 경우, 랜덤 폴리프로필렌이 80 중량부 초과로 첨가되어 굴곡탄성율이 증가하여 유연성이 감소하였으며, 절연파괴강도가 기준치인 50 kV/mm 이상을 만족하지 못해 전력 케이블용 절연재로 사용하기에 부적합하다.
실험 결과를 통해, 절연 조성물은 랜덤 또는 블록 폴리프로필렌 40 내지 80 중량부, 반응형 폴리프로필렌 20 내지 60 중량부를 포함하는 것이 기계적 물성, 전기적 특성 및 케이블 가공성이 우수하였다.
또한, 상기 절연 조성물로 제조한 절연재는 가교 반응을 포함하지 않으므로 가교 부산물이 발생하지 않아 절연 성능 저하와 같은 문제가 발생하지 않고 절연파괴강도도 기존의 가교폴리에틸렌과 유사수준으로 전기적 특성이 확보될 수 있다.
여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 전력 케이블
11 : 도체
12 : 내부 반도전층
13 : 절연층
14 : 외부 반도전층
15 : 쉬스층

Claims (6)

  1. 랜덤 또는 블록 폴리프로필렌 40 내지 80 중량부;
    반응형 폴리프로필렌 20 내지 60 중량부를 더 포함하는 전력 케이블용 친환경 절연 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 랜덤 폴리프로필렌의 용융지수(Melt Index)는 0.1 내지 5 g/10min인 것을 특징으로 하는 전력 케이블용 친환경 절연 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 블록 폴리프로필렌의 용융지수(Melt Index)는 0.1 내지 5 g/10min인 것을 특징으로 하는 전력 케이블용 친환경 절연 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응형 폴리프로필렌의 용융지수(Melt Index)는 0.1 내지 5 g/10min인 전력 케이블용 친환경 절연 조성물.
  5. 도체;
    상기 도체를 감싸는 내부 반도전층;
    상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층;
    상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층; 및
    상기 외부 반도전층을 감싸는 쉬스층;을 포함하고,
    상기 절연층은 상기 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 전력 케이블용 친환경 절연 조성물을 더 포함하는 전력 케이블.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 절연층의 최고 허용온도는 110℃ 인 전력 케이블.
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KR1020210145883A KR20230061041A (ko) 2021-10-28 2021-10-28 전력 케이블용 친환경 절연 조성물 및 이를 포함하는 전력 케이블

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180016150A (ko) 2016-08-05 2018-02-14 주식회사 제이몬 스피팅 방지 구조체를 구비한 증착장치용 증발원
KR101859852B1 (ko) 2016-12-27 2018-05-18 한화토탈 주식회사 폴리프로필렌 수지 및 이를 절연층에 포함하는 전력 케이블

Patent Citations (2)

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