WO2020251296A1 - 증용량 가공 절연전선 - Google Patents

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WO2020251296A1
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한광현
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나노팀테크 주식회사
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    • H01B9/027—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients composed of semi-conducting layers

Definitions

  • the present invention relates to an overhead insulated wire in which the surface of a conductor is insulated using an insulator.
  • the covering layer of the overhead insulating wire into a heat conductive layer and a weather resistant covering layer, the continuous use temperature and allowable current capacity of the overhead insulating wire It relates to an increased capacity overhead insulated wire that can increase the
  • electricity produced in a power plant is boosted at a boosting substation and then supplied to each usage site through transmission lines composed of a steel tower and overhead transmission lines.
  • a transmission line As the transmission line, an aluminum conductor or an ACSR wire having a steel core (Aluminium Conductor Steel Reinforced) is used.
  • Transmission lines in the Korean power system are operated at 765kv, 345kv and 154kv.
  • Step-down work is performed from a step-down substation to a distribution line consisting of a power pole and an insulated wire from the transmission line.
  • a step-down operation from a 154kV transmission line to a 22kv distribution line.
  • the transmission line of Korea is about 33,000 c-km and the distribution line is about 436,000 c-km.
  • the heat resistance of the conductor is improved so that the temperature is raised from 90°C to 150 ⁇ 230°C, and the use temperature by using an invar wire with a low coefficient of thermal expansion.
  • conventional insulated wires used for overhead distribution lines are reinforcing wires, electrical conductor layers, semi-electrical conductive layers, and It has a concentric structure of an insulating layer and a covering layer, and is used at a continuous operating temperature of 90°C, but it is difficult to increase the allowable current capacity.
  • Korean Patent Publication No. 10-2011-0020126 improves the resin composition of the insulating layer to provide a continuous use temperature of 120°C or higher, and an allowable current capacity that is 33% higher than that of the conventional overhead insulated wire.
  • Korean Patent Publication No. 10-2011-0098548 adopts a heat-resistant aluminum alloy containing zirconium as a conductor layer and improves the crosslinked polyethylene resin composition of the insulating layer to achieve a continuous use temperature of 125°C or higher, and compared to conventional overhead insulated wires. Although a 37% improved allowable current capacity is presented, there is a problem that a solution to the problem of increasing the ear degree of the steel wire due to thermal expansion has not been presented.
  • the continuous allowable temperature of the overhead insulated wire is limited to 120 to 125°C, and the continuous allowable current increases by 33 to 37% or more compared to the conventional overhead insulated wire.
  • the effect of increasing the continuous allowable current of 50% or more of the overhead insulated wire which can effectively cope with the increase in the demand capacity of the furnace, as well as provide superior economic efficiency compared to the new facility, is not obtained.
  • Patent Document 1 KR No. 10-2011-0020126 (A) (Published: 2011.03.02.)
  • Patent Document 2 KR No. 10-2011-0098548(A) (Publication date: 2011.09.01)
  • Patent Document 3 KR No. 10-2019-0000063(A) (Published: 2019.01.02.)
  • Patent Document 4 KR No. 10-0747932(B1) (Registration date: 2007.08.02)
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and by dividing the covering layer of the overhead insulating wire into a heat conductive layer and a weather resistant covering layer, it is possible to increase the continuous use temperature and allowable current capacity of the overhead insulating wire. Its purpose is to provide increased capacity overhead insulated wires.
  • the present invention for achieving the above object, and steel wire;
  • a weather-resistant coating layer containing carbon-based nanoparticles and inorganic nanoparticles surrounding the heat conductive layer.
  • the present invention includes at least the following effects.
  • the continuous use temperature of the overhead insulated wire is increased to 150°C and the allowable current capacity is conventionally Compared to that, it can be improved by 50%, and thus, it is possible to cope with an increase in the demand for transmission capacity without excessive investment cost of the overhead insulated wire, as well as to solve the problem caused by the increase in tooth degree.
  • FIG. 1 is an exemplary view showing a cross section of an overhead insulated wire according to the present invention.
  • the present invention as in Figure 1, and a steel wire (1); A conductor layer (10) including an aluminum wire (2) surrounding the steel wire (1); A semiconducting layer 20 containing carbon-based nanoparticles surrounding the conductor layer 10; An insulating layer 30 containing carbon-based nanoparticles and inorganic nanoparticles surrounding the semiconducting layer 20; A thermally conductive layer 40 containing carbon-based nanoparticles and inorganic nanoparticles surrounding the insulating layer 30; And a weather-resistant coating layer 50 containing carbon-based nanoparticles and inorganic nanoparticles surrounding the heat conductive layer 40.
  • the length of the line, the allowable length, and the wire laying tension should be the same, and the connection brackets should be used the same. If the allowable current capacity of the overhead insulated wire is increased under such conditions, the temperature of the conductor is increased by Joule heating. The maximum continuous use temperature of the conventional overhead insulated wire conductors used to date is 90°C. If the maximum allowable current is increased by 50%, the maximum continuous use temperature of the conductor becomes 150°C. At this time, a problem occurs in that the degree of difficulty of the overhead insulated wire increases due to the increase in the amount of thermal expansion of the steel wire and the conductor.
  • the present invention is characterized in that an ultra-high strength steel wire and an aluminum wire subjected to softening heat treatment are used to increase the maximum continuous use temperature of the overhead insulated wire to 150° C. in order to increase the maximum allowable current by 50%.
  • the present invention is characterized in that it includes a thermal conductive layer surrounding the insulating layer in order to minimize the decrease in mechanical properties and dielectric strength due to deterioration of the insulator in order to increase the maximum allowable current by 50%. have.
  • the allowable current of the overhead insulated wire is determined according to the maximum temperature that the insulator can withstand without deterioration. This temperature is usually set at 90°C. Since the highest insulator temperature occurs at the interface between the insulator and the conductor, the allowable current is determined as the temperature of the conductor.
  • the present invention is characterized in increasing the maximum allowable current of the overhead insulated wire by reducing the thermal resistance of the semiconducting layer, the insulating layer, and the covering layer of the conventional overhead insulated wire or by increasing the thermal conductivity.
  • it is characterized in that it includes a thermally conductive layer 40 having significantly higher thermal conductivity than the conventional coating layer.
  • the reason for limiting the range of tensile strength as the steel wire (1) to 200kgf/mm2 or more is that when the tensile strength is less than 200kgf/mm2, the tension share ratio of the steel wire having a linear thermal expansion coefficient lower than that of aluminum is lowered, resulting in 150 This is because it becomes difficult to use the existing electric pole due to the increase in the ear degree at °C.
  • the steel wire 1 an Invar wire having a very low coefficient of linear thermal expansion may also be used, but since the Invar wire is very expensive, an ultra-high-strength steel wire 1 adopted as an example of the present invention is preferred from the viewpoint of economical efficiency.
  • the steel wire 1 is preferably one of zinc plating, zinc-aluminum-misch metal alloy plating or aluminum coating on the outer periphery, and the surface treatment of the steel wire 1 is for improving corrosion resistance.
  • the reason for limiting the range of the tensile strength of the softened heat treated aluminum wire as the conductor layer is that there is a concern about frequent disconnection during stranding under 7kgf/mm2, and decreases in tensile strength due to deterioration when it exceeds 12kgf/mm2. This is because the number of years of use of the conductor decreases.
  • the shape of the cross-sectional area of the aluminum wire is preferably a circular or trapezoidal shape, and in particular, a trapezoidal shape is adopted for a gap-type ear canal suppression processed insulated wire in which a gap is provided between the steel wire and the conductor layer so that the steel wire takes charge of the ear canal retaining tension.
  • the softening heat treatment method and heat treatment conditions of the aluminum wire are not limited and can be used as long as they are commonly used within the scope of the technical idea widely known in the field to which the present invention belongs.
  • low density polyethylene As a basic resin constituting the polymer matrix used as the material of the semiconducting layer 20, low density polyethylene, medium density polyethylene, high density polyethylene, polypropylene, ethylene methyl acrylate, ethylene vinyl acrylate, ethylene ethyl acryl Rate (EEA), ethylene butyl acrylate (EBA), polyacrylate, polyester, polycarbonate, polyurethane, polyimide and polystyrene may be used in combination of one or more selected from the group consisting of.
  • carbon-based nanomaterial groups such as carbon nanotube (CNT) graphene, graphene nano platelet, and nano carbon black It can be used in combination of one or more selected from.
  • CNT carbon nanotube
  • the semiconducting layer is made of a semiconductive polymer matrix containing 2 to 20 parts by weight of carbon nanoparticles based on 100 parts by weight of the resin composition.
  • the carbon-based nanoparticles are included in an amount of less than 2 parts by weight, the effect of improving electrical conductivity is small, and when included in an amount exceeding 20 parts by weight, extrusion processability is deteriorated.
  • Additives such as a crosslinking agent, an antioxidant, and a processing aid are added to the base resin containing the carbon-based nanoparticles to form the semiconductive polymer matrix composition.
  • the type of each additive and the added weight part based on 100 parts by weight of the base resin are not limited as long as they are commonly used within the scope of the technical idea widely known in the field to which the present invention belongs.
  • LDPE low density polyethylene
  • UHMW-PE ultra high molecular weight polyethylene
  • carbon-based nanomaterial groups such as carbon nanotube (CNT) graphene, graphene nano platelet, and nano carbon black It can be used in combination of one or more selected from.
  • CNT carbon nanotube
  • AlN AlN (Aluminum Nitride), Al2O3 (Aluminum Oxide or Alumina), Al(OH)3 (Aluminum Trihydroxide), ATH (Alumina Trihydrate), BN (Boron Nitride), BeO (Beryllium Oxide), BaTiO3 (Barium Titanate), CaCO3(Calcium Carbonate), LS(Layered Silicate), MgO(Magnesium Oxide), SiC(Silicon Carbide), SiO2(Silicon Dioxide or Silica), TiO2(Titanium Oxide or Titania), ZnO(Zinc Oxide), etc. It can be used in combination of one or more in the group of inorganic nanoparticles.
  • the insulating layer is made of an insulating polymer matrix containing 0.5 to 5.0 parts by weight of each of carbon-based nanoparticles and inorganic nanoparticles based on 100 parts by weight of the resin composition.
  • the above numerical range when it is contained in an amount of less than 0.5 parts by weight, the mechanical property improvement effect cannot be exhibited, and when it is included in an amount exceeding 5.0 parts by weight, the dielectric strength performance is lowered.
  • Additives such as a crosslinking agent, an oxidation stabilizer, an oxidation stabilizer, a UV stabilizer, and a processing aid are added to the base resin containing the carbon-based nanoparticles and the inorganic nanoparticles to constitute the insulating polymer matrix composition.
  • each additive and the added weight part based on 100 parts by weight of the resin composition are not limited and can be used as long as it is commonly used within the scope of the technical idea widely known in the field to which the present invention belongs.
  • Low-density polyethylene LDPE
  • medium-density polyethylene high-density polyethylene
  • ultra-high molecular weight polyethylene UHMW-PE
  • carbon-based nanomaterial groups such as carbon nanotube (CNT) graphene, graphene nano platelet, and nano carbon black It can be used in combination of one or more selected from.
  • CNT carbon nanotube
  • AlN AlN (Aluminum Nitride), Al2O3 (Aluminum Oxide or Alumina), Al(OH)3 (Aluminum Trihydroxide), ATH (Alumina Trihydrate), BN (Boron Nitride), BeO (Beryllium Oxide), BaTiO3 (Barium Titanate), CaCO3(Calcium Carbonate), LS(Layered Silicate), MgO(Magnesium Oxide), SiC(Silicon Carbide), SiO2(Silicon Dioxide or Silica), TiO2(Titanium Oxide or Titania), ZnO(Zinc Oxide), etc. It can be used in combination of one or more in the group of inorganic nanoparticles.
  • the thermally conductive layer is made of a thermally conductive polymer matrix containing 5.0 to 15.0 parts by weight of carbon-based nanoparticles and inorganic nanoparticles based on 100 parts by weight of the resin composition.
  • a thermally conductive polymer matrix containing 5.0 to 15.0 parts by weight of carbon-based nanoparticles and inorganic nanoparticles based on 100 parts by weight of the resin composition.
  • Additives such as a crosslinking agent, an oxidation stabilizer, an oxidation stabilizer, a UV stabilizer, and a processing aid are added to the base resin containing the carbon-based nanoparticles and the inorganic nanoparticles to constitute the insulating polymer matrix composition.
  • the type of each additive and the added weight part based on 100 parts by weight of the base resin are not limited as long as they are commonly used within the scope of the technical idea widely known in the field to which the present invention belongs.
  • Low density polyethylene LDPE
  • medium density polyethylene high density polyethylene
  • ultra high molecular weight polyethylene UHMW-PE
  • carbon-based nanomaterial groups such as carbon nanotube (CNT) graphene, graphene nano platelet, and nano carbon black It can be used in combination of one or more selected from.
  • CNT carbon nanotube
  • AlN AlN (Aluminum Nitride), Al2O3 (Aluminum Oxide or Alumina), Al(OH)3 (Aluminum Trihydroxide), ATH (Alumina Trihydrate), BN (Boron Nitride), BeO (Beryllium Oxide), BaTiO3 (Barium Titanate), CaCO3(Calcium Carbonate), LS(Layered Silicate), MgO(Magnesium Oxide), SiC(Silicon Carbide), SiO2(Silicon Dioxide or Silica), TiO2(Titanium Oxide or Titania), ZnO(Zinc Oxide), etc. It can be used in combination of one or more in the group of inorganic nanoparticles.
  • the weather-resistant coating layer 50 is made of a polymer matrix containing 2.0 to 9.9 parts by weight of carbon-based nanoparticles and inorganic nanoparticles based on 100 parts by weight of the resin composition. Regarding the above numerical range, when it is included in an amount of less than 2.0 parts by weight, the effect of improving water tee resistance and mechanical properties cannot be exhibited, and when it is included in an amount exceeding 9.9 parts by weight, the dielectric strength performance is deteriorated.
  • Additives such as a crosslinking agent, an oxidation stabilizer, an oxidation stabilizer, a UV stabilizer, a processing aid, and a water repellent are added to the base resin containing the carbon-based nanoparticles and the inorganic nanoparticles to form the weather-resistant coating polymer matrix composition.
  • the type of each additive and the added weight part based on 100 parts by weight of the base resin are not limited as long as they are commonly used within the scope of the technical idea widely known in the field to which the present invention belongs.
  • the overhead insulated wire 100 according to the present invention has a 50% improved allowable current capacity compared to the existing overhead insulated wire by increasing the continuous use temperature to 150°C.

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Abstract

본 발명은 절연체를 이용하여 도체의 표면 또는 도체사이를 절연처리한 가공 절연전선에 관한 것으로서, 강선(1)을 감싸는 알루미늄선(2)을 포함하는 도체층(10)과; 상기 도체층(10)을 감싸는 카본계 나노입자를 함유하는 반도전층(20); 상기 반도전층(20)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 절연층(30); 상기 절연층(30)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 열전도층(40); 및 상기 열전도층(40)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노 입자를 함유하는 내후성 피복층(50)을 포함함으로써, 상기 가공절연전선의 연속사용온도를 150℃까지 증대함은 물론 허용전류용량을 종래대비 50％ 향상할 수 있고, 이로 인해 상기 가공절연전선의 과도한 투자비용 없이 송전용량의 수요 증가에 대처할 수 있음은 물론 이도 증가 문제를 해결할 수 있도록 한 것이다. (대표도) 도 1

Description

증용량 가공 절연전선
본 발명은 절연체를 이용하여 도체의 표면을 절연처리한 가공 절연전선에 관한 것으로, 특히 상기 가공절연전선의 피복층을 열전도층 및 내후성 피복층으로 분할함으로써, 상기 가공절연전선의 연속사용온도 및 허용전류용량을 증가시킬 수 있도록 한 증용량 가공 절연전선에 관한 것이다.
일반적으로, 발전소에서 생산된 전기는 승압 변전소에서 승압된 후 철탑과 가공송전선으로 구성되는 송전선로(transmission lines)를 통하여 각 사용장소로 공급되는데. 상기 송전선로는 알루미늄 도체나 강심을 갖는 ACSR전선(Aluminium Conductor Steel Reinforced)이 사용되고 있다.
우리나라 전력계통에서의 송전선로는 765kv, 345kv, 154kv로 운영되고 있다. 강압 변전소에서 송전선로에서 전주와 절연전선으로 구성되는 배전선로로 보내는 강압작업을 수행한다. 예를 들어, 154kV의 송전선로에서 22kv의 배전선로에로의 강압작업이 있다. 우리나라의 송전선로는 2018년 기준, 약33,000 c-km이고 배전선로는 약436,000 c-km이다.
송배전선로의 건설에는 고압에서 발생되는 전자파의 위해성 우려 및 경관 훼손 등의 이유로 사회적 갈등이 초래되고 있는 실정인데 이를 대처하는 방법으로 송배전선로의 지중화가 바람직하나 그 건설 비용이 가공선로에 비하여 매우 크기 때문에 결국 전기 소비자에게 막대한 비용이 전가되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 타개하는 방법으로서 상기 송전선로에서는 도체의 내열성을 향상시켜 상시 사용온도 90℃에서 상시 사용온도 150∼230℃로 승온시키고, 열팽창계수가 낮은 인바선(invar wire) 등을 사용하여 사용 온도에서의 강선의 열팽창을 억제하여 가공송전선의 허용전류용량을 50∼100％ 증대시키는 증용량 가공송전선을 개발함으로써, 기존 철탑 등의 설비를 사용하여 기 설치된 가공송전선 만을 같은 크기의 증용량 가공송전선으로 교체하여 민원이나 과도한 투자비용 없이 송전용량의 수요 증가에 적절하게 대처할 수 있게 되었다.
그런데, 가공배전선로에 사용하는 종래의 절연전선은 한국전력 표준규격 "ES-6145-0021"에 따르면, 강선(reinforcing wire), 도체층(electrical conductor layer), 반도전층(semi electrical conductive layer), 절연층(insulation layer), 피복층(covering layer)의 동심원 구조를 갖고 연속사용온도 90℃에서 사용되고 있으나 허용전류용량을 증대시키기가 어렵다.
이때, 상기 절연전선은 연속 사용온도가 90℃를 초과하면 절연층의 소재로 사용되는 가교폴리에틸렌의 절연 내력과 기계적 성질의 열화(thermal aging)가 가속되어 결국 가공배전선로의 사고가 초래되는 문제점이 있어 종래의 가공송전선 증용량기술로서 가공절연전선에는 적용하기 어렵다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 공개특허공보 제10-2011-0020126호는 상기 절연층의 수지 조성물을 개량하여 연속사용온도 120℃이상, 및 종래의 가공절연전선 대비 33％ 향상된 허용전류용량을 제시하고 있으나 가공 절연전선의 연속 사용허용온도를 120℃이상으로 승온시켰을 때 유발되는 도체층의 열화 문제와 열팽창에 의한 강심의 이도증가 문제 등을 해결하기 어렵다.
한편, 공개특허공보 제10-2011-0098548호는 도체층으로서 지르코늄을 함유하는 내열 알루미늄합금을 채택하고 절연층의 가교 폴리에틸렌 수지 조성물을 개량하여 연속사용온도 125℃이상, 및 종래의 가공절연전선 대비 37％ 향상된 허용전류용량을 제시하고 있으나, 열팽창에 의한 강선의 이도 증가 문제 등에 대한 해결 방안이 제시되지 못한 문제점이 있다.
또한, 상기의 특허들에 의하면 가공절연전선의 연속허용온도는 120∼125℃로 한정되어 있고, 종래의 가공절연전선에 비교해 연속허용전류가 33∼37％ 이상의 증가 효과를 개시하고 있으나, 가공배전선로의 수요용량 증가에 효과적으로 대처할 수 있음은 물론 신설비용에 비하여 월등한 경제성을 제공할 수 있는 가공절연전선의 연속허용전류 50％이상의 증가 효과를 얻지 못하는 문제점이 있다.
(선행기술문헌)
(특허문헌)
(특허문헌 1) KR 제10-2011-0020126호(A)(공개일 : 2011.03.02.)
(특허문헌 2) KR 제10-2011-0098548호(A)(공개일 : 2011.09.01.자)
(특허문헌 3) KR 제10-2019-0000063호(A)(공개일 : 2019.01.02.)
(특허문헌 4) KR 제10-0747932(B1)(등록일 : 2007.08.02.자)
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 상기 가공절연전선의 피복층을 열전도층 및 내후성 피복층으로 분할함으로써, 상기 가공절연전선의 연속사용온도 및 허용전류용량을 증가시킬 수 있도록 한 증용량 가공 절연전선을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 강선과; 상기 강선을 감싸는 알루미늄선을 포함하는 도체층; 상기 도체층을 감싸는 카본계 나노입자를 함유하는 반도전층; 상기 반도전층을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 절연층; 상기 절연층을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 열전도층; 및 상기 열전도층을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노 입자를 함유하는 내후성 피복층을 포함한다.
이상과 같이, 본 발명은 적어도 다음의 효과를 포함한다.
상기 가공절연전선의 피복층을 열전도층 및 내후성 피복층으로 분할함은 물론 상기 가공절연전선에 고분자 매트릭스 조성물을 적용함으로써, 상기 가공절연전선의 연속사용온도를 150℃까지 증대함은 물론 허용전류용량을 종래대비 50％ 향상할 수 있고, 이로 인해 상기 가공절연전선의 과도한 투자비용 없이 송전용량의 수요 증가에 대처할 수 있음은 물론 이도 증가에 따른 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가공절연전선의 단면을 나타낸 예시도이다.
* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 가공절연전선 1 : 강선
2 : 알루미늄선 10 : 도체층
20 : 반도전층 30 : 절연층
40 : 열전도층 50 : 내후성 피복층
이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명한다.
본 발명은, 도 1에서와 같이, 강선(1)과; 상기 강선(1)을 감싸는 알루미늄선(2)을 포함하는 도체층(10)과; 상기 도체층(10)을 감싸는 카본계 나노입자를 함유하는 반도전층(20); 상기 반도전층(20)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 절연층(30); 상기 절연층(30)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 열전도층(40); 및 상기 열전도층(40)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노 입자를 함유하는 내후성 피복층(50)을 포함한다.
먼저, 기존에 설치되어 있는 가공배전선로을 이용하여 허용전류 용량을 증가시키려면 선로의 길이, 허용 이도, 전선 포설 장력 등을 같게 하여야 하고 또한, 접속 금구류를 동일하게 사용하여야 한다. 이와 같은 조건하에서 가공절연전선의 허용전류용량을 증가시키면 주울 가열(Joule heating)에 의하여 도체의 온도가 상승하게 된다. 현재까지 사용되고 있는 종래의 가공절연 전선 도체의 최대연속사용온도는 90℃이다. 최대허용전류를 50% 증가하면 도체의 최대연속 사용온도는 150℃가 된다. 이때 강선과 도체의 열팽창량 증가에 의해서 가공절연전선의 이도가 증가하게 되는 문제점이 발생한다.
또한, 상기 연속사용온도 150℃에서 열에 의한 도체의 열화(thermal aging)가 90℃에서의 열화보다 가속되기 때문에 종래의 가공절연전선에서 도체층의 소선으로 사용되는 경알루미늄선(hard drawn aluminium wire)과 강선으로 사용되는 인장강도 200kgf/mm2 이하의 강선은 50％ 증용량 가공절연전선에 사용될 수 없다.
따라서, 본 발명은 최대허용전류를 50％ 증대하기 위하여 상기 가공절연전선의 최대연속사용온도를 150℃까지 향상시키고자 초고강도 강선과 연화 열처리된 알루미늄선을 사용하는 데에 특징이 있다.
한편, 가공절연전선의 허용전류 증대시에 해결해야 될 또하나의 기술적 문제점은 절연층(insulation layer)의 고분자 소재의 열화(thermal aging)에 의한 기계적 물성 및 절연내력(insulation breakdown voltage)의 저하이다.
따라서, 본 발명은 최대허용전류를 50％ 증대하기 위하여 상기 절연체의 열화에 의한 기계적 물성 및 절연내력의 저하를 최소화시키고자 상기 절연층을 감싸는 열전도층(thermal conductive layer)을 포함하는 데에 특징이 있다.
이때, 상기 가공절연전선의 허용전류는 절연체가 열화없이 견딜 수 있는 최대온도에 따라 결정된다. 이 온도는 일반적으로 90℃로 정해진다. 가장 높은 절연체의 온도는 절연체와 도체 사이의 경계면에서 발생되기 때문에 도체의 온도로서 허용전류가 결정된다.
본 발명은 종래의 가공절연전선의 반도전층과 절연층 및 피복층의 열저항도를 감소시켜 또는 열전도도를 증가시켜 가공절연전선의 최대허용전류를 증대시키는데 특징이 있으며, 본 발명은 상기 최대허용전류를 더욱 증대시키기 위하여 절연층(30)과 내후성 피복층(50) 사이에 열전도도가 기존의 피복층 보다 월등히 높은 열전도층(40)을 포함하는 데에 특징이 있다.
이하, 상기 가공절연전선(100)의 구성요소를 설명한다.
① 강선(1)
상기 강선(1)으로서의 인장강도의 범위를 200kgf/㎟ 이상으로 한정하는 이유는 200kgf/㎟미만에서는 알루미늄의 선열팽창계수 보다 낮은 선열팽창계수를 갖는 강선의 장력 분담율이 낮게 되어 결국 가공절연전선의 150℃에서의 이도 증가로 인하여 기존 전주를 이용하기 어렵게 되기 때문이다.
상기 강선(1)으로서 선열팽창계수가 매우 낮은 인바선도 사용할 수 있으나 상기 인바선의 가격이 매우 비싸 경제적인 면에서 본 발명의 일예로서 채용한 초고강도 강선(1)이 바람직하다. 상기 강선(1)은 외주에 아연도금 또는 아연-알루미늄-미쉬메탈 합금도금 또는 알루미늄 피복 중 하나의 표면처리가 바람직하고, 상기 강선(1)의 표면처리는 내부식성의 향상을 위한 것이다.
② 도체층(10)
상기 도체층의 소선으로서 연화 열처리된 알루미늄선의 인장강도의 범위를 한정하는 이유는 7kgf/㎟ 미만에서는 연선(stranding) 시에 빈번한 단선이 우려되기 때문이고 12kgf/㎟ 초과에서는 열화에 의한 인장강도 저하로 도체 사용 년수가 감소하기 때문이다.
상기 알루미늄선의 단면적 형상은 원형 또는 사다리꼴형이 바람직하고, 특히 강선과 도체층 사이에 간극을 두어 강선이 이도 유지장력을 전담케 하는 간극 방식 이도 억제 가공절연전선에는 사다리꼴형이 채택된다. 알루미늄선의 연화 열처리 방법 및 열처리 조건은 본 발명이 속하는 분야에서 널리 알려진 기술적 사상의 범위에서 통상적으로 사용하는 것이라면 제한되지 않고 사용 가능하다.
③ 반도전층(20)
상기 반도전층(20)의 소재로 사용되는 고분자 매트릭스를 구성하는 기본 수지로서 저밀도 폴리에틸렌, 중밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌 메틸 아크릴레이트(ethylene methyl acrylate), 에틸렌 비닐 아크릴레이트, 에틸렌 에틸아크릴레이트(EEA), 에틸렌 부틸아크릴레이트(EBA), 폴리아크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리이미드 및 폴리스티렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 카본계 나노입자로서 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 그래핀(Graphene), 그래핀 나노플라트렛(Graphene nano platelet), 나노 카본블랙(nano carbon black) 등의 여러 가지 탄소계 나노 물질 그룹에서 선택되는 1종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 반도전층은 카본계 나노입자를 상기 수지조성물 100 중량부에 대하여 2 내지 20 중량부를 함유하는 반도전성 고분자 매트릭스로 이루어진다. 상기 카본계 나노입자를 2 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 전기 전도성 향상 효과가 적고 20 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 압출 가공성을 저하시킨다.
상기 카본계 나노입자를 함유하는 상기 기본 수지에 가교제, 산화방지제, 가공조제 등의 첨가제 등이 첨가되어 상기 반도전성 고분자 매트릭스 조성물이 구성된다. 기본 수지 100 중량부에 대하여 각 첨가제의 종류 및 첨가 중량부는 본 발명이 속하는 분야에서 널리 알려진 기술적 사상의 범위에서 통상적으로 사용하는 것이라면 제한되지 않고 사용 가능하다.
④ 절연층(30)
상기 절연층(30)의 소재로 사용되는 고분자 매트릭스를 구성하는 기본 수지로서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 중밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW-PE)을 단독으로 사용하거나 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 카본계 나노입자로서 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 그래핀(Graphene), 그래핀 나노플라트렛(Graphene nano platelet), 나노 카본블랙(nano carbon black) 등의 여러 가지 탄소계 나노 물질 그룹에서 선택되는 1종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 무기 나노입자로서 AlN(Aluminum Nitride), Al2O3(Aluminum Oxide or Alumina), Al(OH)3(Aluminum Trihydroxide), ATH(Alumina Trihydrate), BN(Boron Nitride), BeO(Beryllium Oxide), BaTiO3(Barium Titanate), CaCO3(Calcium Carbonate), LS(Layered Silicate), MgO(Magnesium Oxide), SiC(Silicon Carbide), SiO2(Silicon Dioxide or Silica), TiO2(Titanium Oxide or Titania), ZnO(Zinc Oxide) 등의 무기 물질의 나노 입자 군에서 1종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 절연층은 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 각각 상기 수지조성물 100 중량부에 대하여 0.5 내지 5.0 중량부를 함유하는 절연성 고분자 매트릭스로 이루어진다. 상기 수치 범위와 관련하여, 0.5 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 기계적 특성 향상 효과를 발휘할 수 없고 5.0 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 절연 내력 성능을 저하시킨다.
상기 카본계 나노입자와 상기 무기 나노입자를 함유하는 상기 기본 수지에 가교제, 산화안정제, 산화안정조제, UV안정제, 가공조제 등의 첨가제가 첨가되어 상기 절연성 고분자 매트릭스 조성물이 구성된다.
상기 수지조성물 100 중량부에 대하여 각 첨가제의 종류 및 첨가 중량부는 본 발명이 속하는 분야에서 널리 알려진 기술적 사상의 범위에서 통상적으로 사용하는 것이라면 제한되지 않고 사용 가능하다.
⑤ 열전도층(40)
상기 열전도층의 소재로 사용되는 고분자 매트릭스를 구성하는 기본 수지로서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 중밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW-PE)을 단독으로 사용하거나 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 카본계 나노입자로서 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 그래핀(Graphene), 그래핀 나노플라트렛(Graphene nano platelet), 나노 카본블랙(nano carbon black) 등의 여러 가지 탄소계 나노 물질 그룹에서 선택되는 1종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 무기 나노입자로서 AlN(Aluminum Nitride), Al2O3(Aluminum Oxide or Alumina), Al(OH)3 (Aluminum Trihydroxide), ATH(Alumina Trihydrate), BN(Boron Nitride), BeO(Beryllium Oxide), BaTiO3(Barium Titanate), CaCO3(Calcium Carbonate), LS(Layered Silicate), MgO(Magnesium Oxide), SiC(Silicon Carbide), SiO2(Silicon Dioxide or Silica), TiO2(Titanium Oxide or Titania), ZnO(Zinc Oxide) 등의 무기 물질의 나노 입자 군에서 1종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 열전도층은 카본계 나노 입자 및 무기 나노 입자를 상기 수지조성물 100 중량부에 대하여 5.0 내지 15.0 중량부를 함유하는 열전도성 고분자 매트릭스로 이루어진다. 상기의 수치 범위와 관련하여, 5.0 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 열전도성 특성 향상 효과를 발휘할 수 없고 15.0 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 절연 내력 성능을 저하시킨다.
상기 카본계 나노입자와 상기 무기 나노입자를 함유하는 상기 기본 수지에 가교제, 산화안정제, 산화안정조제, UV안정제, 가공조제 등의 첨가제가 첨가되어 상기 절연성 고분자 매트릭스 조성물이 구성된다. 기본 수지 100 중량부에 대하여 각 첨가제의 종류 및 첨가 중량부는 본 발명이 속하는 분야에서 널리 알려진 기술적 사상의 범위에서 통상적으로 사용하는 것이라면 제한되지 않고 사용 가능하다.
⑥ 내후성 피복층(50)
상기 내후성 피복층(50)의 소재로 사용되는 고분자 매트릭스를 구성하는 기본 수지로서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 중밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW-PE)을 단독으로 사용하거나 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 카본계 나노입자로서 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 그래핀(Graphene), 그래핀 나노플라트렛(Graphene nano platelet), 나노 카본블랙(nano carbon black) 등의 여러 가지 탄소계 나노 물질 그룹에서 선택되는 1종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 무기 나노입자로서 AlN(Aluminum Nitride), Al2O3(Aluminum Oxide or Alumina), Al(OH)3(Aluminum Trihydroxide), ATH(Alumina Trihydrate), BN(Boron Nitride), BeO(Beryllium Oxide), BaTiO3(Barium Titanate), CaCO3(Calcium Carbonate), LS(Layered Silicate), MgO(Magnesium Oxide), SiC(Silicon Carbide), SiO2(Silicon Dioxide or Silica), TiO2(Titanium Oxide or Titania), ZnO(Zinc Oxide) 등의 무기 물질의 나노 입자 군에서 1종 이상 조합하여 사용할 수 있다.
상기 내후성 피복층(50)은 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 상기 수지조성물 100 중량부에 대하여 2.0 내지 9.9 중량부를 함유하는 고분자 매트릭스로 이루어진다. 상기의 수치 범위와 관련하여, 2.0 중량부 미만으로 포함되는 경우에는 내트래킹(water tee resistance) 및 기계적 특성 향상 효과를 발휘할 수 없고 9.9 중량부를 초과하여 포함되는 경우에는 절연 내력 성능을 저하시킨다.
상기 카본계 나노 입자와 상기 무기 나노 입자를 함유하는 상기 기본 수지에 가교제, 산화안정제, 산화안정조제, UV안정제, 가공조제, 발수제 등의 첨가제가 첨가되어 상기 내후성 피복 고분자 매트릭스 조성물이 구성된다. 기본 수지 100 중량부에 대하여 각 첨가제의 종류 및 첨가 중량부는 본 발명이 속하는 분야에서 널리 알려진 기술적 사상의 범위에서 통상적으로 사용하는 것이라면 제한되지 않고 사용 가능하다. 본 발명에 따른 가공절연전선(100)은 연속사용온도가 150℃까지 향상되어 기존의 가공절연전선 대비 50％ 향상된 허용전류용량을 갖는다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 강선(1)과;
    상기 강선(1)을 감싸는 알루미늄선(2)을 포함하는 도체층(10);
    상기 도체층(10)을 감싸는 카본계 나노입자를 함유하는 반도전층(20);
    상기 반도전층(20)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 절연층(30);
    상기 절연층(30)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 열전도층(40); 및
    상기 열전도층(40)을 감싸는 카본계 나노입자 및 무기 나노 입자를 함유하는 내후성 피복층(50);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 증용량 가공 절연전선.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 강선(1)은 200kgf/㎟ 이상의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 증용량 가공 절연전선.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄선(2)은 7∼12 kgf/㎟의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 증용량 가공 절연전선.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반전도층(20)은,
    전체 수지조성물 100 중량부에 대해, 2 내지 20 중량부의 카본계 나노입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 증용량 가공 절연전선.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 절연층(30)은,
    전체 수지조성물 100 중량부에 대해, 0.5 내지 5.0 중량부의 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 증용량 가공 절연전선.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 열전도층(40)은,
    전체 수지조성물 100 중량부에 대해, 5.0 내지 15.0의 카본계 나노입자 및 무기 나노입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 증용량 가공 절연전선.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 내후성 피복층(50)은,
    전체 수지조성물 100 중량부에 대해, 2.0 내지 9.9 중량부의 카본계 나노 입자 및 무기 나노입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 증용량 가공 절연전선.
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