KR20230089072A - 쉬스자재 및 이를 포함하는 친환경 전력케이블 - Google Patents

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KR20230089072A
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김동욱
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김민아
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일진전기 주식회사
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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Abstract

본 발명은 베이스 수지에 난연제 및 탄소물질이 첨가되고, 상기 베이스수지는 폴리프로필렌을 포함하는 것인, 쉬스자재를 제공한다. 쉬스자재를 포함하는 전력케이블은 온도 증가에 따른 도전율 증가가 작아서 상온(20℃) 및 고온(110℃)에서 전기적 특성이 매우 우수하며, 첨가제의 균일한 분산 배합이 가능하여 가공 절연 전력케이블로 사용이 가능하다.

Description

쉬스자재 및 이를 포함하는 친환경 전력케이블{SHEATH MATERIAL AND ECO-FRIENDLY POWER CABLE USING THE SAME}
본 발명은 쉬스자재 및 친환경 전력케이블에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 절연 조성물을 이용한 쉬스자재와 이를 포함하는 친환경 전력케이블에 관한 것이다.
전력케이블은 전력을 보내기 위한 선으로 용도에 따라 다양한 형태를 갖는다. 직류 케이블 시스템의 경우, 교류 케이블 시스템과 달리 도전율 차이에 의해 전계 집중이 발생할 수 있다. 이러한 도전율의 경우, 온도에 의존되는 인자로써 작용하여 케이블 절연체 내부 온도 상승에 따라 도전율의 상승 및 전계역전 현상을 야기할 수 있다. 기존에 직류 케이블의 절연층을 구성하는 절연재료로써 주로 사용되는 상용화된 가교폴리에틸렌 (XLPE, Crosslinked Polyethylene)은 직류 시스템 하에서 절연내력이 우수한 반면, 가교공정에 의해 알파메틸스틸렌 및 아세토페논과 같은 가교부산물이 발생한다. 이러한 가교 부산물의 경우, 전력 케이블에 인가된 직류 전압에 의해 절연체 내에 전하 주입 및 공간전하 축적을 야기시키는 문제점이 있다. 이러한 공간전하 축적에 의해 국부적 또는 지역적인 전계 상승 효과를 발생시켜 전계집중이 발생하며, 이로 인해 절연파괴가 발생할 수 있다.
한편 전력케이블의 외피를 형성하는 쉬스자재는 전력케이블의 코어를 보호할 수 있으며, 특히 가공선과 같이 외기에 노출되는 경우 내후성을 가져야 하야 한다.
이에 대한 배경기술로 대한민국 특허등록공보 제10-2190313호에는 직류 전력 케이블용 절연성 수지조성물, 수지 가교체, 직류 전력 케이블, 직류 전력 케이블 접속부의 보강 절연층 형성용 부재 및 직류 전력 케이블 접속부를 개시하나, 직류 가공 절연케이블용 절연자재 및 쉬스자재는 개시되지 않는다.
본 발명의 목적은 폴리프로필렌을 베이스 수지로 하여 난연제 및 탄소물질이 균일하게 혼합되어 내트래킹성과 내후성 가지는 쉬스자재(Sheath material)를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 폴리프로필렌을 베이스 수지로 하는 절연자재를 포함하여 온도 증가에 따른 도전율 상승이 감소되어 고온에서 안정적으로 사용할 수 있으며, 절연자재를 감싸는 쉬스자재가 내후성을 가져서 외기에 노출이 가능한 가공 절연 전력케이블을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
1. 본 발명의 하나의 관점은 직류 가공 절연케이블용 쉬스자재에 관한 것이다.
상기 쉬스자재는 베이스 수지에 난연제 및 탄소물질이 첨가되고, 상기 베이스수지는 폴리프로필렌을 포함한다.
2. 상기 1구체예에서, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌 40wt% 내지 80wt% 및 엘라스토머 20 내지 60wt%를 포함할 수 있다.
3. 상기 1 또는 2구체예서, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌 60wt% 및 엘라스토머 40wt%를 포함할 수 있다.
4. 상기 1 내지 3 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 베이스 수지에 100 중량부에 대하여, 난연제 15 내지 30 중량부 및 탄소물질 0.1 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
5. 상기 4 구체예에서, 상기 난연제는 수산화마그네슘 또는 수산화알루미늄이고, 상기 탄소물질은 카본블랙일 수 있다.
6. 본 발명의 다른 관점은 친환경 가공 절연 전력케이블에 관한 것이다.
상기 전력케이블은 전기 도체;
상기 전기 도체 외주면을 둘러싸는 절연자재; 및
상기 절연자재의 외주면을 둘러싸는 쉬스자재;를 포함하고,
상기 절연자재와 쉬스자재는 폴리프로필렌 수지를 베이스 수지로 포함한다.
7. 상기 6 구체예에서, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌 40wt% 내지 80wt% 및 엘라스토머 20 내지 60wt%를 포함할 수 있다.
8. 상기 6 또는 7 구체예에서, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌 60wt% 및 엘라스토머 40wt%를 포함할 수 있다.
9. 상기 6 내지 8중 어느 하나의 구체예에서, 상기 쉬스자재는 상기 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 난연제 15 내지 30중량부, 탄소물질 0.1 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
10. 상기 9 구체예에서, 상기 난연제는 수산화마그네슘 또는 수산화알루미늄이고, 상기 탄소물질은 카본블랙일 수 있다.
11. 상기 6 내지 10 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 전력케이블은 가공 절연 전력케이블일 수 있다.
12. 상기 6 내지 11 중 어느 하나의 구체예에서, 상기 절연자재는 ASTM D257기준에 따른 도전율이 20℃에서 1×10-17 내지 7×10-17S/m, 65℃에서 2×10-15 내지 4×10-14 S/m, 110℃에서 1×10-14내지 4×10-13 S/m일 수 있다.
본 발명에 따른 쉬스자재는 직류 가공 절연케이블용으로 내열성이 우수하며, 폴리프로필렌을 베이스수지로 하기 때문에 종래 가교폴리에틸렌(XPLE) 기반 절연 조성물 대비 결정화도가 높으나, 엘라스토머와 배합을 통하여 다량의 첨가물을 균일하게 혼합하고 분산할 수 있도록 하였으며, 첨가물의 함량과 상관없이 균일한 분산 및 특성 부여가 가능하도록 하였다. 또한 친환경 전력케이블은 절연자재 및 쉬스자재가 폴리프로필렌을 베이스 수지로 포함하여 가교공정이 포함되지 않기 때문에 가교 부산물 발생되지 않아서 환경 친화적이며 재활용이 가능하고, 고내열특성으로 가교폴리에틴렐을 절연자재로 사용하는 전력케이블과 비교하여 110℃의 고온에서도 안정적으로 사용이 가능하며, 온도 증가에 따라 케이블의 허용전류를 증가시킬 수 있기 때문에 전력전송 용량의 증대가 가능하고, 내트래킹성 및 내후성을 나타내어 가공 절연 전력케이블로 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 전력케이블의 부분 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 전력케이블의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 절연 컴파운드 시트의 파괴전계와 가교폴리에틸렌 절연시트 파괴전계를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 도면은 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 명세서에서, 수치범위를 나타내는 "a 내지 b"는 "≥a이고 ≤b"으로 정의한다.
이하, 본 발명의 한 구체예에 따른 쉬스자재 및 친환경 가공 절연 전력케이블에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 쉬스자재는 베이스 수지에 난연제 및 탄소물질이 첨가된다.
베이스 수지
상기 베이스 수지는 직류 절연 케이블에 절연체로 사용되어 전기적 절연층을 형성하며, 구체적으로 전기도체를 감싸는 절연자재 및 쉬스자재(Sheath material)를 구성할 수 있다.
상기 베이스 수지는 폴리프로필렌과 엘라스토머를 포함하는 것이다.
종래 가교폴리에틸렌(Crosslinked Polyethylene; XPLE)을 절연자재(200)로 사용하는 전력케이블은 가교공정에 의하여 가교부산물이 발생되며, 가교부산물을 전력케이블에 인가된 직류 전압에 의해 절연체 내에 전하 주입 및 공간전하 축적을 야기하고, 공간전하 축적은 국부적인 또는 지역적인 전계 상승을 일으켜 전계집중을 발생시키기 때문에 절연파괴가 일어날 수 있다.
상기 베이스 수지가 폴리프로필렌을 포함하는 경우에는 상온 및 고온에서 전기적, 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 가교부산물이 없어서 공간전하에 의해 발생하는 전계집중에 의한 절연파괴가 발생되지 않으며, 직류 시스템 하에서 전력케이블 사용에 따른 절연체 내부의 온도 상승에 따른 도전률 상승 및 전계역전 현상을 방지할 수 있다.
구체적으로 상기 베이스 수지가 상기 폴리프로필렌을 포함하는 경우 상기 폴리프로필렌의 융점이 150 내지 160℃로 증가되어 열적 특성이 향상되기 때문에 이를 절연 조성물로 포함하는 직류 절연 케이블은 최대사용온도를 110℃까지 증가시킬 수 있다.
한 구체예에서, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌 40wt% 내지 80wt% 및 엘라스토머 20 내지 60wt%를 포함할 수 있다. 상기 베이스 수지가 쉬스자재용인 경우에는 폴리프로필렌 60wt% 및 엘라스토머 40wt%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 범위 내로 폴리프로필렌과 엘리스토머를 포함하는 경우에는 상기 폴리프로필렌 수지의 중합 시 결정화도를 낮추며 첨가제가 균일하게 분산될 수 있어서, 첨가제에 따른 특성을 나타낼 수 있다.
상기 폴리프로필렌은 재료 접근성이 높고, 재활용이 가능한 소재이므로 상기 베이스 수지는 가교공정이 포함되지 않은 폴리프로필렌을 사용하여 매우 환경친화적이다.
상기 구체예에서, 상기 폴리프로필렌은 랜덤 코폴리머 또는 블록 코폴리머일 수 있다.
상기 폴리프로필렌은 랜덤 코폴리머 또는 블록 코폴리머인 경우에는 절연 조성물의 내충격성을 향상시킬 수 있으며, 용융 온도가 낮기 때문에 배합이 용이하다.
상기 엘라스토머는 에틸렌 및 1-부텐 랜덤 코폴리머, 에틸렌 폴리프로필렌 디엔 터 폴리머, 에틸렌 프로필렌 등인 것이 바람직하다.
상기 종류의 엘라스토머 이외에는 상기 폴리프로필렌 수지의 결정화도가 증가하여 첨가제를 균일하게 첨가하기 어렵고, 상기 폴리프로필렌 수지와 상용성이 감소되어 별도의 첨가제의 추가없이 배합이 어려운 문제가 있다. 다만 상기 폴리프로필렌 수지의 결정화도를 감소시켜 첨가제의 균일한 분산 배합이 가능한 경우라면 제한되지는 않는다.
상기 종류의 엘라스토머가 포함되는 경우에는 절연재료 형성과정에서 가교공정이 필요하지 않아서 가교 부산물 발생에 따른 공간전하 축적으로 인한 절연파괴를 방지할 수 있으며, 가교공정시 발생하는 온실가스를 저감할 수 있다.
난연제
상기 난연제는 상기 베이스 수지에 더 첨가되어 쉬스자재의 난연성을 확보할 수 있다. 상기 난연제가 금속수산화물계인 경우 제조비용이 감소되고 환경친화적이므로 매우 바람직하다.
구체적으로 수산화마그네슘, 또는 수산화알루미늄일 수 있으며, 수산화마그네슘[Mn(OH)2]인 것이 더욱 바람직하다.
상기 종류의 난연제가 포함되는 경우 난연성뿐만 아니라 베이스 수지의 분해를 방지할 수 있으며, 내트랙킹성 및 내후성을 향상시킬 수 있다.
상기 난연제는 예를 들면, 상기 베이스 수지에 100 중량부에 대하여, 난연제 15 내지 30중량부로 포함될 수 있다.
탄소물질
상기 탄소물질은 상기 베이스 수지에 첨가되어 결정화 온도를 변화시켜 쉬스자재의 기계적 물성을 향상시킨다. 상기 쉬스자재는 상기 탄소물질이 포함되어 내트래킹성 및 내후성이 증가될 수 있다.
상기 탄소물질은 탄소를 공급하는 것이면 제한되지 않으나 나노입자 또는 마이크로의 미세입자인 것이 바람직하며, 카본블랙일 수 있다.
상기 탄소물질은 예를 들면, 베이스 수지에 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.
자외선안정제
상기 자외선안정제는 상기 베이스 수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 3중량부로 포함될 수 있다.
상기 자외선안정제는 태양광의 자외선을 흡수하여 베이스 수지를 안정화시킬 수 있으며, 예를 들면, 폴리(4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸-1-피퍼 리딘에탄올-얼트-1,4-부탄디오닉 액시드, 2-히드록시-4-n-옥토시벤조페논, 2-(2-히드록시-5-t-옥틸페닐)-벤조트 리아졸, 2-(2H-벤조트리아졸-2-일)-4,6-비스 (1-메틸-1-페닐에틸)페놀, 2-(5-클로로-2H-벤조트리아졸-2-일6-(1,1-디메틸에틸)-4-메틸페놀 중 어느 1종 이상이 사용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
전력케이블
본 발명의 다른 관점은 친환경 전력케이블에 관한 것이며, 구체적으로 가공 절연 전력케이블에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 전력케이블의 부분 절개 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 전력케이블의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 전력케이블은 전기 도체(100), 절연자재(200), 및 쉬스자재(300)를 포함한다.
상기 전기 도체(100)는 막대 또는 스트랜디드 멀티-와이어(stranded multi-wire)로 전기적으로 도체인 금속 재료일 수 있다. 구체적으로는 알루미늄 또는 구리를 포함할 수 있다. 상기 전기 도체(100)는 단면이 원형일 수 있다.
상기 절연자재(200) 및 쉬스자재(300)은 절연 조성물을 포함하며, 상기 절연 조성물은, 예를 들면, 비가교성 연속상에 분산상이 균일하게 분산된 구조이며, 비가교성 연속상이 베이스 수지를 포함하고, 상기 분산상이 난연제 및 탄소물질을 포함할 수 있다.
상기 절연자재(200)는 상기 전기 도체(100)의 외주면을 둘러쌀 수 있다.
한 구체예에서, 상기 절연자재(200)는 상기 폴리프로필렌을 베이스 수지로 포함하며, 상기 폴리프로필렌 40wt% 내지 80wt% 및 엘라스토머 20 내지 60wt%를 포함할 수 있다.
상기 절연자재(200)는 폴리프로필렌을 베이스 수지로 포함하여, 온도 증가에 따른 도전율 상승 정도가 낮아서 고온에서도 전력케이블을 안정적으로 사용할 수 있다.
상기 절연자재(200)는 상기 전기 도체(100) 외주면을 둘러싸서 전기 도체(100)를 외부로부터 보호하며, 기계적 물성이 향상되어 전력케이블의 활용성을 증가시킬 수 있다.
한 구체예에서, 상기 절연자재(200)는 상기 산화방지제를 포함할 수 있다.
상기 산화방지제는 상기 베이스 수지의 분해를 방지하여 절연케이블의 노화를 방지할 수 있으며, 외기 노출에 따른 내후성을 부여할 수 있다.
상기 산화방지제는 펜타에리트리톨계가 바람직하게 적용될 수 있으며, 구체적으로 산화방지제는 테트라키스 메틸렌(3,5-디-티-부틸-4-하이드록시하이드록신나메이트)메탄[Tetrakis methylene(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyhydrocinnamate)methane]인 것이 바람직하다.
상기 종류 이외에는 베이스 수지와 상용성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
한 구체예에서, 상기 절연자재(200)는 도전율이 20℃에서 1×10-17 내지 7×10-17S/m, 65℃에서 2×10-15 내지 4×10-14 S/m, 110℃에서 1×10-14내지 4×10-13 S/m일 수 있다.
상기 범위의 도전율을 범위에서 직류 특성을 나타내어 직류 가공 절연 전력케이블로 사용이 가능하다.
상기 쉬스자재(300)는 상기 절연자재(200)를 둘러싸며, 절연케이블의 외피를 형성할 수 있다.
상기 쉬스자재(300)는 폴리프로필렌 수지를 베이스 수지로 포함하며, 예를 들면, 폴리프로필렌 40wt% 내지 80wt% 및 엘라스토머 20 내지 60wt%;를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리프로필렌 60wt% 및 엘라스토머 40wt%를 포함할 수 있다.
상기 쉬스자재(300)는 폴리프로필렌 수지를 포함하여 내열성이 우수하며, 가교폴리에틸렌을 절연자재(200)로 사용하는 것과 대비하여 결정화도가 높아서 분산성이 떨어지나, 엘라스토머와 배합으로 결정화도를 조절하는 경우에는 다량의 첨가제를 균일하게 혼합할 수 있으며, 첨가제의 함유량과 관계없이 균일하게 분산시킬 수 있기 때문에 첨가제에 따른 특성 부여가 가능하다.
상기 쉬스자재(300)는 가교폴리에틸렌을 포함하는 절연자재와 비교하여 기계적 특성 및 전기적 특성이 우수하고, 전력케이블의 최대 사용온도를 110℃까지 증가시켜 사용할 수 있다.
특히 상기 쉬자자재(300)가 내트래킹성을 나타내는 경우에는 탄화 도전로가 발생되지 않아서 표면절연이 파괴되지 않는다.
상기 쉬스자재(300)가 베이스 수지로 폴리프로필렌을 포함하고, 난연제와 탄소물질이 균일하게 혼합되어 내후성 및 내트래킹성을 나타낼 수 있기 때문에 상기 쉬스자재(300)를 포함하는 전력케이블은 가공 절연 전력케이블로 사용될 수 있다.
종래 가교폴리에틸렌이 절연자재(200)로 사용되는 절연 케이블의 경우 지중선로에 사용될 수 있으나, 외기에 영향을 받는 가공선으로 사용되면 내트래킹성 및 내후성이 낮아서 외기 중 장시간 운영에 따라 파손 등의 문제가 발생될 수 있다.
상기 전력케이블은 폴리프로필렌을 베이스 수지로 하는 절연자재(200)와 쉬스자재(300)를 포함하여, 온도 증가에 따라 상기 범위 내로 도전율 증가 정도가 제한되어 고온에서도 안정적인 전력 전송이 가능하며, 사용 온도가 증가하기 때문에 허용 전력 용량이 증가된다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제조예 1
베이스 수지와 엘라스토머를 선별하고 배합하여 절연자재를 제조하고, 절연 케이블용으로 사용되는 가교폴리에틸렌과 절연자재와 온도에 따른 도전율 및 직류파괴 전계값을 비교하였다.
재료(wt%) 실시예1 실시예2 비교예 1
가교폴리에틸렌 - - 100
폴리프로필렌 1 40 - -
폴리프로필렌 2 - 60 -
엘라스토머 1 60 - -
엘라스토머 2 - 40 -
산화방지제 0.3 0.3 -
상기 표 1은 베이스 수지의 배합비를 나타낸 것이다.
베이스 수지에 배합되는 폴리프로필렌 수지는 폴리프로필렌 1(랜덤 폴리프로필렌; 폴리미래사, Grade: Hostalen PP H5416K) 및 폴리프로필렌 2(블록 폴리프로필렌; 폴리미래사, Grade: Moplen EP440G)를 사용하였다.
상기 엘라스토머는 열가소성 엘라스토머로, 엘라스토머 1은 에틸렌 및 1-부텐 랜덤 코폴리머(Ethylene and 1-butene random copolymer, Mitsuichemicals사, Grade: TAFMER DF&A), 엘라스토머 2는 에틸렌 폴리프로필렌 디엔 터 폴리머(Ethylene Propylene Diene Terpolymer, DOW사, Grade: Nordel IP 4570)를 선택하여 사용하였다.
산화방지제는 테트라키스 메틸렌(3,5-디-티-부틸-4-하이드록시하이드록신나메이트)메탄[Tetrakismethylene(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyhydrocinnamate)methane, BASF사, Grade: IRGANOX 1010]를 사용하였다.
비교예 1의 가교폴리에틸렌은 DC XLPE로(Borealis 사 LS-4258DCE)를 사용하였다.
상기 표 1의 배합비에 따른 재료를 이축압출기 (Twin extruder, 19mm)에 투입, 200 내지 230℃로 연속 컴파운딩하고, 스트랜드 타입 다이(Strand type dies)를 통과하여 나온 컴파운드를 냉각수조에 통과시켜 식힌 후 펠렛타이저로 절단 (cutting)하여 펠렛으로 제조하였다. 열간 프레스를 사용하여 최종적으로 절연 컴파운드 시트(Sheet)를 제작하였다.
실험예 1. 도전율 및 파괴전계 확인
제조예에 따라 제조된 절연 컴파운드 시트의 도전율을 측정하여 절연자재의 성능을 확인하였다.
도전율은 ASTM D257, IEC 60093 기준에 따라 제조된 컴파운드 시트를 두께 1mm, 직경 100mm원반형으로 제작하여 측정 셀의 전극 사이에 샘플 접촉 가능하도록 삽입하였다. 온도조건에 따라 도전율이 안정화되는 시간 이후에 측정하였으며, 온도는 상온 20℃, 고온은 케이블 최대사용온도인 110℃로 결정하고, 중온은 상온과 케이블 최대사용온도 중간값인 65℃으로 설정하였다.
측정온도 실시예 1(S/m) 실시예 2(S/m) 비교예 1(S/m)
상온(20℃) 3×10-17 ~
7×10-17 		1×10-17~
2×10-17 		5×10-16~
3×10-15
중온(65℃) 1×10-14~
4×10-14 		8×10-16~
2×10-15 		8×10-14~
2×10-13
고온(110℃) 2×10-13~
4×10-13 		1×10-14~
2×10-14 		4×10-13~
6×10-13
상기 표 2는 실시예 및 비교예에 따른 절연 컴파운드 시트의 도전율 측정 결과를 나타낸 것이다.
실시예 1 및 실시예 2에서 도전율은 고온 조건에서 비교예 1보다 10배 이상 낮은 도전율을 나타내어 고온에서 도전율 증가가 현저하게 억제되는 것을 확인하였다.
따라서 폴리프로필렌 수지와 열가소성 엘리스토머의 선택에 따라 온도별 도전율 증가 정도가 상이하며, 실시예 2의 배합의 경우 고온 조건에서도 1×10-14 ~ 2×10-14 S/m까지 도전율 증가를 효과적으로 억제할 수 있는 것을 확인하였다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 절연 컴파운드 시트의 파괴전계와 가교폴리에틸렌 절연시트 파괴전계를 비교한 그래프이다.
파괴전계는 ASTM D149에 따라 절연 컴파운드 시트를 1mm두께로 제조하여 시험하였다. 파괴전압값(kV)을 시료 두께로 나누어 전계값을 산출하였다.
도 3을 참조하면, 실시예 1 및 2에 따른 절연 컴파운드 시트의 경우 20℃ 상온에서 파괴전계가 210 내지 230 kV/mm를 나타내어 가교폴리에틸렌 절연시트인 비교예 1보다 높은 파괴전계를 나타내어 고전압 조건하에서도 절연파괴를 방지할 수 있으며, 특히 최대사용온도인 110℃의 고온에서 파괴전계가 가교폴리에틸렌 절연시트 보다 높아서 전력전송 능력이 향상되면서도 전기적으로 매우 안정적인 것을 확인하였다.
실시예 1 및 2에 따른 절연자재는 직류 가공 절연케이블용 절연자재로 사용이 적합하며, 특히 기존 가교폴리에틸렌 절연체보다 고온에서 도전율 증가 억제 효과가 높고 파괴전계가 높아서 고전압에서 직류 가공 절연케이블의 절연 조성물로 사용하기에 매우 적합한 것을 확인하였다.
제조예 2
제조예 1에 따라 제조된 절연자재에 난연제와 탄소물질을 더 첨가하고 혼합하여 쉬스자재를 제조하였다.
실시예 3은 실시예 1에 따른 베이스 수지 100 중량부에 수산화마그네슘 23 중량부 및 카본블랙 2 중량부를 더 첨가하여 제조하였고, 실시예 4는 실시예 2에 따른 베이스 수지 100 중량부에 수산화마그네슘 23 중량부 및 카본블랙 2 중량부를 더 첨가하여 제조하였다.
비교예 2는 비교예 1에 따른 가교폴리에틸렌을 포함하는 절연자재 100 중량부에 수산화마그네슘 23 중량부 및 카본블랙 2 중량부를 첨가하여 제조하였으며, 상기 실시예 3 및 4와 비교하여 내트래킹성 및 내후성을 나타낼 수 있는지 확인하였다.
직류 지중케이블에 적용된 절연자재의 경우 내후성이 요구되지 않으나, 가공 절연 케이블에 직접적인 사용을 위해서는 내후성 및 내트래킹성을 가져야 하며, 이를 위해 난연제 및 탄소물질을 첨가제로 배합하여 쉬스자재를 구성하였다.
내트래킹 특성은 IEC 60587(ES-6145-0021)의 기준에 따라 외피 쉬스자재용으로 두께 6mm인 컴파운드 시트를 제작하여 4.5kV 전압을 인가하였다. 이때 전극간격 50mm이고 경사각 45도로 측정 시료를 설치하였으며, 측정 시료에 0.6ml/min 오손액을 흘리면서 100분 동안 인가하였다.
100분 이후 60mA 이상의 전류가 2초 이상 흐르거나 불이 발생하는 경우 내트래킹 특성이 낮아서 불합격인 것으로 판정하였다.
내후성은 ASTM G154 (QUV-B)(ES-6145-0021)의 기준에 따라 외피 쉬스자재용으로 두께 1.7mm인 컴파운드 시트를 제작하고, 내후성 시험장치내 시료 넣은 후 1000시간 동안 촉진노출시험을 수행하였다. 수행 1000시간의 촉진노출시험 완료 후, 인장시험 수행하여 촉진노출 전과 후 인장시험 수행에 따른 인장잔율 및 신율잔율값 산출하였다.
이때 인장잔율이 80% 이상, 신율잔율이 70% 이상인 경우 내후성을 나타내어 합격으로 판정하였다.
구분 비교예 2 실시예 3 실시예 4
수산화마그네슘 (중량부) 23 23 23
카본블랙 (중량부) 2 2 2
내트래킹성 (4.5kV, 100min) 합격 불합격 합격
내후성(ASTM G154 QUV-B) 합격 합격 합격
상기 표 3을 참조하면, 실시예 3 및 4에서 베이스 수지에서 난연제인 수산화마그네슘을 첨가하여 쉬스자재를 제조할 수 있는 것을 확인하였으며, 특히 실시예 4에서 폴리프로필렌 60wt% 및 엘라스토머 40wt%를 포함하는 경우에는 폴리프로필렌의 결정화도를 효과적으로 낮추어 수산화마그네슘 및 카본블랙이 균일하게 분산 배합되기 때문에 내트래킹성이 있는 것으로 확인되었으며, 내후성 시험에서 인장잔률 85%, 신율잔율 76%로 향상이 확인되어 내후성 또한 확보할 수 있어서 가공 전력 전력케이블에 사용되기에 매우 바람직한 것으로 확인되었다.
실시예 4에 따른 쉬스자재는 종래 가교폴리에틸렌을 포함하는 절연자재 대비 동등하거나 동등 이상의 내후성과 내트래킹성을 나타낼 수 있는 것을 확인하였다.
따라서 본 발명에 따른 절연자재는 폴리프로필렌과 엘라스토머의 선택에 따라 고온에서 도전율의 증가를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한 폴리프로필렌은 종래 가교폴리에틸렌 절연재료 보다 결정화도가 높으나, 엘라스토머와 배합에 따라 결정화도가 낮아져서, 난연제와 같은 첨가물을 균일하게 혼합하여 분산하기 용이하지 않으나, 본 발명에 따른 쉬스재료는 폴리프로필렌 및 엘라스토머를 베이스 수지를 배합하여 결정화도를 낮춤으로써 난연제뿐만 아니라 탄소물질까지 균일하게 혼합하여 내트래킹성 및 내후성을 확보할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 절연자재 및 시스자재를 포함하는 가공 절연 전력케이블은 환경친화적이며, 직류 전압 하에서 공간전하 축적을 효과적으로 억제할 수 있는 직류 특성을 나타내어 직류 가공 절연 절력케이블로 사용이 가능하다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 전기 도체
200 : 절연자재
300 : 쉬스자재

Claims (12)

  1. 베이스 수지에 난연제 및 탄소물질이 첨가되고, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌을 포함하는 것인, 쉬스자재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌 40wt% 내지 80wt% 및 엘라스토머 20 내지 60wt%를 포함하는 것인, 쉬스자재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌 60wt% 및 엘라스토머 40wt%를 포함하는 것인, 쉬스자재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 베이스 수지에 100 중량부에 대하여, 난연제 15 내지 30중량부 및 탄소물질 0.1 내지 5 중량부를 더 포함하는 것인, 쉬스자재.
  5. 제4항에 있어서, 상기 난연제는 수산화마그네슘 또는 수산화알루미늄이고, 상기 탄소물질은 카본블랙인 것을 특징으로 하는, 쉬스자재.
  6. 전기 도체;
    상기 전기 도체 외주면을 둘러싸는 절연자재; 및
    상기 절연자재의 외주면을 둘러싸는 쉬스자재;를 포함하고,
    상기 절연자재와 쉬스자재는 폴리프로필렌 수지를 베이스 수지로 포함하는 것인, 전력케이블.
  7. 제6항에 있어서, 상기 베이스 수지는 폴리프로필렌 40wt% 내지 80wt% 및 엘라스토머 20 내지 60wt%를 포함하는 것인, 전력케이블.
  8. 제6항에 있어서, 상기 쉬스자재는 폴리프로필렌 60wt% 및 엘라스토머 40wt%;를 포함하는 것인, 전력케이블.
  9. 제6항에 있어서, 상기 쉬스자재는 상기 베이스 수지 100중량부에 대하여, 난연제 15 내지 30중량부, 탄소물질 0.1 내지 5 중량부를 더 포함하는 것인, 전력케이블.
  10. 제9항에 있어서, 상기 난연제는 수산화마그네슘 또는 수산화알루미늄이고, 상기 탄소물질은 카본블랙인 것을 특징으로 하는, 전력케이블.
  11. 제6항에 있어서, 상기 전력케이블은 가공 절연 전력케이블인 것을 특징으로 하는, 전력케이블.
  12. 제6항에 있어서, 상기 절연자재는 ASTM D257기준에 따른 도전율이20℃에서 1×10-17 내지 7×10-17S/m, 65℃에서 2×10-15 내지 4×10-14 S/m, 110℃에서 1×10-14 내지 4×10-13 S/m인 것을 특징으로 하는, 전력케이블.
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