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KR102012603B1 - 초고압 직류 전력케이블 - Google Patents

초고압 직류 전력케이블 Download PDF

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KR102012603B1
KR102012603B1 KR1020180154933A KR20180154933A KR102012603B1 KR 102012603 B1 KR102012603 B1 KR 102012603B1 KR 1020180154933 A KR1020180154933 A KR 1020180154933A KR 20180154933 A KR20180154933 A KR 20180154933A KR 102012603 B1 KR102012603 B1 KR 102012603B1
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남진호
유정석
양이슬
허성익
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엘에스전선 주식회사
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Abstract

본 발명은 초고압 직류 전력케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 절연체 내의 공간전하(space charge) 축적에 의한 전계왜곡과 고온 체적저항 및 직류 절연내력의 저하를 동시에 방지하거나 최소화할 수 있는 초고압 직류 전력케이블에 관한 것이다.

Description

초고압 직류 전력케이블{High Voltage direct current power cable}
본 발명은 초고압 직류 전력케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 절연체 내의 공간전하(space charge) 축적에 의한 전계왜곡과 고온 체적저항 및 직류 절연내력의 저하를 동시에 방지하거나 최소화할 수 있는 초고압 직류 전력케이블에 관한 것이다.
일반적으로 대용량과 장거리 송전이 요망되는 대형 전력계통에서는 전력손실의 감소, 건설용지 문제, 송전용량 증대 등의 관점에서 송전전압을 높이는 고압송전이 필수적이라 할 수 있다.
송전방식은 크게 교류송전방식과 직류송전방식으로 구분될 수 있으며, 이 중 직류송전방식은 직류로 전기 에너지를 보내는 것을 말한다. 구체적으로, 상기 직류송전방식은 먼저 송전 쪽의 교류전력을 적당한 전압으로 바꾸고 순변환장치에 의해 직류로 변환한 뒤 송전선로를 통해 수전 쪽으로 보내면, 수전 쪽에서는 역변환장치에 의해 직류전력을 다시 교류전력으로 변환하는 방식이다.
특히, 상기 직류전송방식은 대용량의 전력을 장거리 수송하는데 유리하고 비동기 전력계통의 상호 연계가 가능하다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 장거리 송전에 있어서 직류가 교류보다 전력 손실이 적고 안정도가 높으므로 많이 이용되고 있는 실정이다.
상기 직류송전방식에 사용되는 (초)고압 직류 송전 케이블의 절연체는 절연유에 함침된 절연지 또는 폴리올레핀 수지를 베이스 수지로 하는 절연 조성물로부터 형성될 수 있는데, 최근에는 상대적으로 고온에서 케이블을 작동시킬 수 있어 송전용량을 증가시킬 수 있고 절연유 누유의 우려가 없는 폴리올레핀 수지를 포함하는 절연 조성물로 형성된 절연체가 많이 사용되고 있다.
그러나, 상기 폴리올레핀 수지는 직선형 분자쇄 구조를 갖고 있어 가교 과정을 통해 기계적, 열적 특성을 향상시켜 케이블 절연층에 적용되며, 상기 가교과정에서 가교제가 분해되며 필연적으로 발생하는 가교 부산물의 영향으로 케이블 절연층에 공간전하가 축적되는 문제가 있고, 상기 공간전하는 (초)고압 직류 송전 케이블 절연체 내의 전기장을 왜곡시켜 최초 설계된 절연 파괴전압보다 낮은 전압에서 절연 파괴를 일으킬 수 있다.
따라서, 절연체 내의 공간전하(space charge) 축적에 의한 전계왜곡과 고온 체적저항 및 직류 절연내력의 저하를 동시에 방지하거나 최소화할 수 있는 초고압 직류 전력케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 절연체 내의 공간전하(space charge) 축적에 의한 전계왜곡과 고온 체적저항 및 직류 절연내력의 저하를 동시에 방지하거나 최소화할 수 있는 초고압 직류 전력케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
초고압 직류 전력케이블로서, 복수의 소선이 연선되어 형성된 도체; 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층; 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층; 및 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층을 포함하고, 상기 절연층은 폴리올레핀 수지, 무기입자 및 가교제를 포함하는 절연 조성물로부터 형성되며, 상기 절연층은 이의 두께를 3등분하여 내층, 중층 및 외층으로 구분되며, 상기 내층에 포함된 가교 부산물 중 α-쿠밀알코올(α-cumyl alcohol; α-CA), 아세토페논(acetophenone; AP) 및 α-메틸스티렌(α-methyl styrene; α-MS)의 총 함량, 상기 중층에 포함된 가교부산물 중 α-쿠밀알코올(α-cumyl alcohol; α-CA), 아세토페논(acetophenone; AP) 및 α-메틸스티렌(α-methyl styrene; α-MS)의 총 함량 및 상기 외층에 포함된 α-쿠밀알코올(α-cumyl alcohol; α-CA), 아세토페논(acetophenone; AP) 및 α-메틸스티렌(α-methyl styrene; α-MS)의 총 함량의 평균값이 9,300 ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
여기서, 아래 수학식 1로 정의되는 전계상승계수(Field Enhancement Factor; FEF)가 140% 이하인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
[수학식 1]
FEF=(절연 시편에서 최대로 증가된 전계/절연 시편에 인가된 전계)*100
상기 수학식 1에서,
상기 절연 시편은 상기 절연층을 형성하는 절연 조성물의 가교에 의해 제조되고 두께가 100 내지 200 ㎛인 시편이고,
상기 절연 시편에 인가된 전계는 상기 절연 시편에서 서로 마주보는 면에 각각 연결된 전극에 인가된 직류 전계로서 20 내지 50kV/mm이고,
상기 절연 시편에서 최대로 증가된 전계는 상기 절연 시편에 1시간 동안 20 내지 50kV/mm의 직류 전계를 인가하는 과정에서 증가된 전계 중 최대값이다.
평균전계 20 kV/mm일 때, 상기 절연층의 70℃에서의 체적저항이 1.0×1015 Ω·㎝ 이상이고, 상기 절연층의 90℃에서의 체적저항이 1.0×1014 Ω·㎝ 이상이며, 상기 절연층의 70℃에서의 체적저항 대비 90℃에서의 체적저항 감소율이 950% 이하인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
한편, 상기 가교제의 함량은 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상 1 중량% 미만인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
또한, 상기 무기입자의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
그리고, 상기 가교제는 과산화물계 가교제인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
여기서, 상기 과산화물계 가교제는 디큐밀퍼옥사이드, 벤조일퍼옥사이드, 라우릴퍼옥사이드, t-부틸 큐밀퍼옥사이드, 디(t-부틸 퍼옥시 아이소프로필) 벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸 퍼옥시)헥산 및 디-t-부틸 퍼옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
또한, 상기 무기입자는 규산알루미늄, 규산칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 카본나노튜브 및 그라파이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 무기입자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
여기서, 상기 무기입자는 비닐실란, 스테아린산, 올레인산 및 아미노폴리실록산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 표면개질제에 의해 표면개질된 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 초고압 직류 전력케이블은 절연층을 형성하는 절연 조성물에 첨가되는 가교제의 함량과 베이스 수지의 적절한 개질에 의한 가교도 조절을 통해 가교시 생성되는 특정 가교 부산물의 함량을 정밀하게 제어함으로써 절연체 내의 공간전하 축적에 의한 전계왜곡과 고온 체적저항 및 직류 절연내력의 저하를 동시에 방지하거나 최소화할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 초고압 직류 전력케이블의 종단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 초고압 직류 전력케이블의 종단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 전력케이블(200)은 복수의 소선이 연선되어 형성된 도체(210), 상기 도체를 감싸는 내부반도전층(212), 상기 내부반도전층(212)을 감싸는 절연층(214), 상기 절연층(214)을 감싸는 외부반도전층(216)을 포함하여, 상기 도체(210)를 따라 케이블 길이 방향으로만 전력을 전송하고, 케이블 반경 방향으로는 전류가 누설되지 않도록 하는 케이블 코어부를 구비한다.
상기 도체(210)는 전력을 전송하기 위해 전류가 흐르는 통로 역할을 하며, 전력 손실을 최소화할 수 있도록 도전율이 우수하고 케이블 제조 및 사용에 적절한 강도와 유연성을 가진 소재, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 등으로 구성될 수 있다. 상기 도체(210)는 복수개의 원형소선을 연선하여 원형으로 압축한 원형 압축도체일 수 있고, 원형의 중심소선(210A)과 상기 원형 중심소선(210A)을 감싸도록 연선된 평각소선(210B)으로 이루어진 평각소선층(210C)을 구비하며 전체적으로 원형의 단면을 가지는 평각도체일 수 있으며, 상기 평각도체는 원형 압축도체에 비하여 점적율이 상대적으로 높아 케이블 외경을 축소할 수 있는 장점이 있다.
그런데, 도체(210)는 복수의 소선을 연선하여 형성되므로 그 표면이 평활하지 않아 전계가 불균일할 수 있으며, 부분적으로 코로나 방전이 일어나기 쉽다. 또한, 도체(210) 표면과 후술하는 절연층(214) 사이에 공극이 생기게 되면 절연성능이 저하될 수 있다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도체(210) 외부에는 내부반도전층(212)이 형성되고, 상기 도체(210)를 구성하는 연선 사이에 수밀컴파운드가 적용되거나 상기 도체(210)와 상기 내부반도전층(212) 사이에 수밀테이프가 적용됨으로써 도체 수밀기능을 추가로 구현할 수 있다.
상기 내부반도전층(212)은 절연성 물질에 카본블랙, 카본 나노튜브, 카본나노플레이트, 그라파이트 등의 도전성 입자가 첨가되어 반도전성을 가지게 되며, 상기 도체(210)와 후술하는 절연층(214) 사이에서 급격한 전계변화가 발생하는 것을 방지하여 절연성능을 안정화하는 기능을 수행한다. 또한, 도체면의 불균일한 전하분포를 억제함으로써 전계를 균일하게 하고, 도체(210)와 절연층(214) 간의 공극 형성을 방지하여 코로나 방전, 절연파괴 등을 억제하는 역할도 하게 된다.
상기 내부반도전층(212)의 바깥쪽에는 절연층(214)이 구비되어 도체(210)를 따라 흐르는 전류가 외부로 누설되지 않도록 외부와 전기적으로 절연시켜 준다. 일반적으로 상기 절연층(214)은 파괴전압이 높고, 절연성능이 장기간 안정적으로 유지될 수 있어야 한다. 나아가 유전손실이 적으며 내열성 등의 열에 대한 저항 성능을 지니고 있어야 한다. 따라서, 상기 절연층(214)은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지가 사용될 수 있으며, 나아가 폴리에틸렌 수지가 바람직하다. 여기서, 상기 폴리에틸렌 수지는 가교수지로 이루어질 수 있다.
상기 절연층(214)의 외부에는 외부반도전층(216)이 구비된다. 상기 외부반도전층(216)은 내부반도전층(212)과 같이 절연성 물질에 도전성 입자, 예를 들면 카본블랙, 카본나뉴튜브, 카본나노플레이트, 그라파이트 등이 첨가되어 반도전성을 가지는 물질로 형성되어, 상기 절연층(214)과 후술하는 금속시스(22) 사이의 불균일한 전하 분포를 억제하여 절연 성능을 안정화한다. 또한, 상기 외부반도전층(216)은 케이블에 있어서 절연층(214)의 표면을 평활하게 하여 전계집중을 완화시켜 코로나 방전을 방지하며, 상기 절연층(214)을 물리적으로 보호하는 기능도 수행한다.
상기 케이블 코어부, 특히 상기 내부반도전층(212), 절연층(214) 내지 외부반도전층(216)은 전술한 공간전하의 생성, 축적 내지 주입에 따른 전계왜곡 및 이로 인한 절연파괴가 가장 우려되는 부분으로서 이에 대한 구체적인 설명은 별도로 후술한다.
상기 코어부는 케이블에 수분이 침투하는 것을 방지하기 위한 수분흡수층을 추가적으로 구비할 수 있다. 상기 수분흡수층은 연선된 소선 사이 및/또는 도체(210)의 외부에 형성될 수 있으며, 케이블에 침투한 수분을 흡수하는 속도가 빠르고, 흡수 상태를 유지하는 능력이 우수한 고흡수성 수지(super absorbent polymer; SAP)를 포함하는 분말, 테이프, 코팅층 또는 필름 등의 형태로 구성되어 케이블 길이방향으로 수분이 침투하는 것을 방지하는 역할을 한다. 또한, 상기 수분흡수층은 급격한 전계 변화를 방지하기 위하여 반도전성을 가질 수 있다.
상기 코어부의 외부에는 보호시스부가 구비되며, 해저와 같이 수분에 노출이 많이 되는 환경에 포설되는 전력케이블은 외장부를 추가적으로 구비한다. 상기 보호시스부 및 외장부는 케이블의 전력 전송 성능에 영향을 미칠 수 있는 수분침투, 기계적 외상, 부식 등의 다양한 환경요인으로부터 상기 케이블 코어부를 보호한다.
상기 보호시스부는 금속 시스층(218)과 내부 시스(220)를 포함하여, 사고전류, 외력 내지 기타 외부환경 요인으로부터 상기 케이블 코어부를 보호한다.
상기 금속 시스층(218)는 전력케이블 단부에서의 접지되어 지락 또는 단락 등의 사고 발생시 사고 전류가 흐르는 통로 역할을 하며, 외부의 충격으로부터 케이블을 보호하고, 전계가 케이블 외부로 방전되지 못하도록 할 수 있다. 또한, 해저 등의 환경에 부설되는 케이블의 경우, 상기 금속 시스층(218)이 상기 코어부를 실링하도록 형성되어 수분과 같은 이물질이 침입하여 절연 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면, 상기 코어부 외부에 용융된 금속을 압출하여 이음새가 없는 연속적인 외면을 가지도록 형성하여 차수성능이 우수하게 할 수 있다. 상기 금속으로는 납(Lead) 또는 알루미늄을 사용하며, 특히 해저 케이블의 경우에는 해수에 대한 내식성이 우수한 납을 사용하는 것이 바람직하고, 기계적 성질을 보완하기 위해 금속 원소를 첨가한 합금연(Lead alloy)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 금속 시스층(218)은 케이블의 내식성, 차수성 등을 추가로 향상시키고 상기 내부 시스(220)와의 접착력을 향상시키기 위해 표면에 부식 방지 컴파운드, 예를 들어, 블로운 아스팔트 등이 도포될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 금속 시스층(218)과 상기 코어부 사이에는 동선직입 테이프(미도시) 내지 수분 흡수층이 추가적으로 구비될 수 있다. 상기 동선직입 테이프는 동선(Copper wire)과 부직포 테이프 등으로 구성되어 외부반도전층(216)과 금속 시스층(218)간의 전기적 접촉을 원활히 하는 작용을 하며, 상기 수분흡수층은 케이블에 침투한 수분을 흡수하는 속도가 빠르고, 흡수 상태를 유지하는 능력이 우수한 고흡수성 수지(super absorbent polymer; SAP)를 포함하는 분말, 테이프, 코팅층 또는 필름 등의 형태로 구성되어 케이블 길이방향으로 수분이 침투하는 것을 방지하는 역할을 한다. 또한, 상기 수분흡수층에서의 급격한 전계 변화를 방지하기 위해 수분 흡수층에 동선을 포함시켜 구성할 수도 있다.
상기 금속 시스층(218)의 외부에는 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(polyethylene) 등과 같은 수지로 구성된 내부 시스(220)가 형성되어 케이블의 내식성, 차수성 등을 향상시키고, 기계적 외상 및 열, 자외선 등의 기타 외부 환경 요인으로 부터 케이블을 보호하는 기능을 수행할 수 있다. 특히, 해저에 포설되는 전력케이블의 경우에는 차수성이 우수한 폴리에틸렌 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 난연성이 요구되는 환경에서는 폴리염화비닐 수지 또는 난연 폴리올레핀 컴파운드를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 보호 시스부는 반도전성 부직포 테이프 등으로 이루어져 전력케이블에 가해지는 외력을 완충하는 금속보강층, 폴리염화비닐 내지 폴리에틸렌 등의 수지로 구성되는 외부 시스를 더 구비하여 전력케이블의 내식성, 차수성 등을 더욱 향상시키고, 기계적 외상 및 열, 자외선 등의 기타 외부 환경 요인으로 부터 케이블을 추가적으로 보호할 수 있다.
또한, 해저에 포설되는 전력케이블은 선박의 닻 등에 의해 외상을 입기 쉬우며, 해류나 파랑 등에 의한 굽힘력, 해저면과의 마찰력 등에 의해서도 파손될 수 있으므로 이를 막기 위하여 상기 보호 시스부의 외부에는 외장부가 형성될 수 있다.
상기 외장부는 아머층 및 써빙층을 포함할 수 있다. 상기 아머층은 강철, 아연도금강, 구리, 황동, 청동 등으로 이루어지고 단면 형태가 원형, 평각형 등인 와이어를 횡권하여 적어도 1층 이상으로 구성할 수 있다. 상기 아머층은 케이블의 기계적 특성과 성능을 강화하는 기능을 수행할 뿐만 아니라 외력으로부터 케이블을 추가적으로 보호한다. 폴리프로필렌 얀 등으로 구성되는 상기 써빙층은 상기 아머층의 상부 및/또는 하부에 1층 이상으로 형성되어 케이블을 보호하며, 최외곽에 형성되는 써빙층은 색상이 다른 2종 이상의 재료로 구성되어 해저에서 포설된 케이블의 가시성을 확보할 수 있다.
상술한 내부 반도전층(212) 및 외부 반도전층(216)은 베이스 수지에 카본블랙, 카본나뉴튜브, 카본나노플레이트, 그라파이트 등의 전도성 입자가 분산되어 있고, 가교제, 산화방지제, 스코치 억제제 등이 추가로 첨가된 반도전 조성물의 압출에 의해 형성된다.
여기서, 상기 베이스 수지는 상기 반도전층(212,216)과 상기 절연층(214)의 층간 접착력을 위해 상기 절연층(214)을 형성하는 절연 조성물의 베이스 수지와 유사한 계열의 올레핀 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 전도성 입자와의 상용성을 고려하여 올레핀과 극성 단량체, 예를 들어 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌 메틸 아크릴레이트(EMA), 에틸렌 메틸 메타크릴레이트(EMMA), 에틸렌 에틸 아크릴레이트(EEA), 에틸렌 에틸 메타크릴레이트(EEMA), 에틸렌 (이소)프로필 아크릴레이트(EPA), 에틸렌 (이소)프로필 메타크릴레이트(EPMA), 에틸렌 부틸 아크릴레이트(EBA), 에틸렌 부틸 메타크릴레이트(EBMA) 등을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가교제는 상기 반도전층(212,216)에 포함된 베이스 수지의 가교방식에 따라 실란계 가교제, 또는 디큐밀퍼옥사이드, 벤조일퍼옥사이드, 라우릴퍼옥사이드, t-부틸 큐밀퍼옥사이드, 디(t-부틸 퍼옥시 아이소프로필) 벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸 퍼옥시)헥산, 디-t-부틸 퍼옥사이드 등의 유기과산화물계 가교제일 수 있다.
그리고, 상기 내부 및 외부 반도전층(212,216)을 형성하는 반도전 조성물은 이의 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 카본블랙 등의 전도성 입자를 45 내지 70 중량부로 포함할 수 있다. 상기 전도성 입자의 함량이 45 중량부 미만인 경우 충분한 반도전 특성이 구현될 수 없는 반면, 70 중량부 초과시 상기 내부 및 외부 반도전층(212,216)의 압출성이 저하되어 표면특성이 저하되거나 케이블의 생산성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 내부 및 외부 반도전층(212,216)을 형성하는 반도전 조성물은 이의 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 상기 가교제의 함량이 0.1 내지 5 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 1.5 중량부로 정밀하게 조절될 수 있다.
여기서, 상기 가교제의 함량이 5 중량부 초과인 경우 상기 반도전 조성물에 포함된 베이스 수지의 가교시 필수적으로 생성되는 가교부산물의 함량이 과다하고, 이러한 가교부산물이 상기 반도전층(212,216)과 상기 절연층(214) 사이의 계면을 통해 상기 절연층(214) 내부로 이동하여 이종전하(heterocharge)를 축적시킴으로써 전계의 왜곡을 가중시켜 상기 절연층(214)의 고온 체적저항 및 절연파괴 전압을 저하시키는 문제를 유발할 수 있는 반면, 0.1 중량부 미만인 경우 가교도가 불충분하여 상기 반도전층(212,216)의 기계적 특성, 내열성 등이 불충분할 수 있다.
상기 절연층(214)은 예를 들어 베이스 수지로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지, 바람직하게는 폴리에틸렌 수지를 포함하고, 무기입자, 가교제 등을 포함하는 절연 조성물의 압출에 의해 형성될 수 있다.
상기 폴리에틸렌 수지는 초저밀도 폴리에틸렌(ULDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 상기 폴리에틸렌 수지는 단독중합체, 에틸렌과 프로필렌, 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐 등의 α-올레핀과의 랜덤 또는 블록 공중합체, 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 상기 절연층(214)을 형성하는 절연 조성물은 가교제를 포함함으로써, 상기 절연층(214)은 압출시 또는 압출 후 별도의 가교 공정에 의해 가교 폴리올레핀(XLPO), 바람직하게는 가교 폴리에틸렌(XLPE)으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 절연 조성물은 산화방지제, 압출성향상제, 가교조제 등의 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 절연 조성물에 포함되는 가교제는 상기 반도전 조성물에 포함되는 가교제와 동일할 수 있고, 예를 들어, 상기 폴리올레핀의 가교방식에 따라 실란계 가교제, 또는 디큐밀퍼옥사이드, 벤조일퍼옥사이드, 라우릴퍼옥사이드, t-부틸 큐밀퍼옥사이드, 디(t-부틸 퍼옥시 아이소프로필) 벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸 퍼옥시)헥산, 디-t-부틸 퍼옥사이드 등의 유기과산화물계 가교제일 수 있다. 여기서, 상기 절연 조성물에 포함되는 가교제는 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 2 중량% 미만, 예를 들어, 0.1 중량% 이상 2 중량% 미만의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 절연 조성물에 포함하는 무기입자는 나노크기의 규산알루미늄, 규산칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 카본나노튜브, 그라파이트 등을 사용할 수 있다. 다만, 상기 절연층(214)의 임펄스 강도 측면에서, 상기 무기입자로서 산화마그네슘이 바람직하다. 상기 산화마그네슘은 천연광석으로부터 얻을 수 있지만, 해수중의 마그네슘 소금을 이용한 인공 합성원료로부터도 제조할 수 있으며, 고순도로 품질이나 물성이 안정된 재료로 공급이 가능하다는 장점도 있다.
상기 산화마그네슘은 기본적으로 면심입방구조의 결정 구조를 갖지만 합성 방법에 따라 다양한 형태, 순도, 결정화도, 물성 등을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 산화마그네슘은 정육면체형(cubic), 적층형(terrace), 막대형(rod), 다공성(porous), 구형(spherical)으로 구분되며, 각각의 특이한 물성에 따라 다양하게 이용될 수 있으며, 기재 수지와 무기입자의 경계에 퍼텐셜 우물(potential well)을 형성함으로써 전하의 이동 및 공간전하 축적을 억제하는 효과를 발휘한다.
또한, 상기 그라파이트를 포함하는 나노탄소입자나 카본나노튜브도 다양한 형태를 가질 수 있으며, 절연 성능을 유지하면서 초고압 직류 송전 케이블 내에서 발생하는 공간전하를 제거할 수 있으며, 공간전하를 제거함으로써 고압 직류 송전 케이블 절연체에서 최초 설계된 절연 파괴 전압보다 낮은 전압에서 절연파괴를 일으키는 절연 전압 하강 현상을 최소화할 수 있다. 특히, 부분적으로 탄화된 그래파이트 나노 파이버는 남아 있는 PAN 구조에 의해 전기적으로 연결되어 있지 않으므로 절연성을 지니면서도, 일부 그래파이트 구조에 의해 외부 전기장에 의해 충분히 분극이 이루어져 공간전하를 제거할 수 있는 트랩 사이트의 역할을 수행할 수 있다.
이러한 산화마그네슘을 비롯한 무기입자는 케이블에 전계 인가시 기재 수지와 무기입자의 경계에 퍼텐셜 우물(potential well)을 형성함으로써 전하의 이동 및 공간전하 축적을 억제하는 효과를 발휘한다.
바람직하게는, 상기 산화마그네슘를 비롯한 무기입자는 비닐실란, 스테아린산, 올레인산, 아미노폴리실록산 등으로 표면개질할 수 있다. 일반적으로, 산화마그네슘 등의 무기입자는 고표면 에너지를 갖는 친수성인 반면, 폴리에틸렌 등의 기재 수지는 저표면 에너지를 갖는 소수성이기 때문에, 산화마그네슘 등의 무기입자가 폴리에틸렌 등의 기재 수지에 대한 분산성이 좋지 않고, 전기적 특성에도 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 산화마그네슘 등의 무기입자를 표면개질하는 것이 바람직하다.
상기 산화마그네슘 등의 무기입자를 표면개질하지 않을 경우, 무기입자와 폴리에틸렌 등의 기재 수지 사이에 갭(gap)이 생겨 기계적 물성을 저하시킴은 물론 절연파괴강도 등의 전기절연특성의 저하를 유발할 수 있다. 반면, 산화마그네슘 등의 무기입자는 비닐실란 등으로 표면개질됨으로써 폴리에틸렌 등의 기재 수지에 대해 더욱 우수한 분산성을 보이며 개선된 전기적 특성을 나타낸다. 비닐실란 등의 가수분해기가 축합반응에 의해 산화마그네슘 등의 표면에 화학 결합을 하여 표면개질된 무기입자가 형성된다. 이로써, 상기 비닐실란 등으로 표면개질된 무기입자의 실란기가 폴리에틸렌 등의 기재 수지와 반응하여 우수한 분산성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 상기 산화마그네슘 등의 무기입자는 단결정 또는 다결정의 결정 형태를 모두 가질 수 있고, 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부의 함량으로 절연 조성물에 포함될 수 있다. 상기 무기입자의 함량이 0.01 중량부 미만인 경우 공간전하 축적 저감 효과가 불충분할 수 있고, 10 중량부를 초과하는 경우 임펄스 강도, 기계적 특성, 연속 압출성 등이 저하될 수 있다.
본 발명자들은 상기 절연층(214)의 가교시 불가피하게 생성되는 가교 부산물 중 공간전하 생성을 유발하는 특정한 가교 부산물이 α-쿠밀알코올(α-cumyl alcohol; α-CA), 아세토페논(acetophenone; AP) 및 α-메틸스티렌(α-methyl styrene; α-MS)임을 실험적으로 확인했고, 상기 절연층(214)을 형성하는 절연 조성물에 포함되는 가교제의 함량을 2 중량% 미만 및 무기입자의 함량을 10 중량부 미만으로 제한하고, 상기 베이스 수지 내의 상기 무기입자의 분산성을 극대화하며, 상기 절연층(214)의 가교 후 탈가스화(degasing)를 통해, 상기 특정한 가교 부산물의 함량을 제한할 수 있고, 특히 절연층의 두께에서 위치별로 상기 특정한 가교 부산물의 함량을 제한할 수 있으며, 이러한 특정한 가교 부산물의 함량의 제한에 의해 공간전하 생성과 전계왜곡을 현저히 저감시킬 수 있고, 결과적으로 상기 절연층(214)의 고온 체적저항 및 직류 절연내력를 동시에 방지하거나 최소화할 수 있음을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 상기 절연층(214)은 이의 두께를 3등분하여 도체(10) 직상에 배치되는 하층인 내층, 상기 내층 위에 배치되는 중층 및 상기 중층 위에 배치되는 외층으로 구분할 때, 각 층에 포함된 상기 3종의 특정한 가교 부산물의 총 함량들의 층별 평균값이 9,300 ppm 이하로 조절되어 상기 절연층(214) 내의 공간전하 생성이 억제됨으로써, 상기 절연층(214) 내에서의 전계왜곡의 정도를 나타내는 아래 수학식 1의 전계상승계수(Field Enhancement Factor; FEF)가 약 140% 이하, 예를 들어 100 내지 140%로 조절되고, 결과적으로 상기 절연층(214)의 고온 체적저항 및 직류 절연내력의 저하를 동시에 방지하거나 최소화할 수 있다.
[수학식 1]
FEF=(절연 시편에서 최대로 증가된 전계/절연 시편에 인가된 전계)*100
상기 수학식 1에서,
상기 절연 시편은 상기 절연층(214)을 형성하는 절연 조성물의 가교에 의해 제조되고 두께가 100 내지 200 ㎛인 시편이고,
상기 절연 시편에 인가된 전계는 상기 절연 시편에서 서로 마주보는 면에 각각 연결된 전극에 인가된 직류 전계로서 20 내지 50kV/mm이고,
상기 절연 시편에서 최대로 증가된 전계는 상기 절연 시편에 1시간 동안 20 내지 50kV/mm의 직류 전계를 인가하는 과정에서 증가된 전계 중 최대값이다.
이로써, 상기 절연층(214)은 평균전계 20 kV/mm일 때 고온, 예를 들어 70℃에서의 체적저항이 1.0×1015 Ω·㎝ 이상이고, 90℃에서의 체적저항이 1.0×1014 Ω·㎝ 이상이며, 특히 70℃에서의 체적저항 대비 90℃에서의 체적저항 감소율, 즉 {(70℃에서의 체적저항-90℃에서의 체적저항)/70℃에서의 체적저항}×100이 100% 이하, 바람직하게는 95% 이하로 고온 체적저항 저하가 최소화되고, 이로써 직류 절연내력의 저하가 방지되거나 최소화될 수 있다.
[실시예]
1. 케이블의 제조예
내부반도전층, 절연층 및 외부반도전층을 포함하는 케이블로서, 상기 절연층에 첨가된 가교제의 함량과 무기입자의 함량을 조절하고 가교 및 탈가스화를 통해 가교부산물의 함량을 조절함으로써, 상기 절연층의 두께를 3등분하여 구분되는 내층, 중층 및 외층의 가교 부산물 종류별 가교 부산물의 함량의 층별 평균값이 아래 표 1에 나타난 바와 같이 조절된 실시예 내지 비교예의 케이블을 각각 제조했다. 상기 가교 부산물 함량은 상기 각 층별 중간 임의의 지점에서 시편을 채취하여 측정했다.

 가교부산물 함량(ppm)
α-CA AP α-MS 총합
실시예1 평균 6567 2582 74 9224
실시예2 평균 6418 2642 75 9135
실시예3 평균 6026 2419 12 8456
비교예1 평균 6782 2928 72 9782
비교예2 평균 6665 3157 89 9911
비교예3 평균 6565 2969 79 9613
2. 체적저항 평가
상기 비교예 및 실시예 각각의 케이블의 절연층에서 두께가 약 170 ㎛인 절연 시편을 채취한 후 규격 ASTM D 257을 참고로 제적한 전극을 통해 상기 절연 시편에 직류 전계 20 kV/mm를 인가하면서 24시간 동안 온도별 체적저항을 측정했다. 측정 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
온도별 체적저항(Ω·㎝)
25℃ 50℃ 70℃ 90℃
실시예1 1.4548E+18 3.6285E+17 9.1698E+16 3.0254E+16
실시예2 1.0793E+17 4.4218E+16 1.1481E+15 2.4650E+14
실시예3 1.7669E+17 5.8699E+15 9.3909E+15 2.6614E+15
비교예1 3.5186E+17 2.6595E+16 1.0000E+14 7.5039E+13
비교예2 1.5955E+17 1.4241E+16 1.0482E+15 1.2053E+14
비교예3 5.6266E+17 4.6806E+15 4.1431E+14 1.6171E+13
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 3종의 특정 가교 부산물의 함량이 조절되지 않은 비교예 1 내지 3의 절연 시편은 공간전하 생성에 의한 전계왜곡에 따른 고온 체적저항이 크게 저하되었고, 이로써 절연내력이 크게 저하될 것으로 예측되었다.
반면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 절연 시편은 3종의 특정 가교 부산물의 함량이 정밀하게 제어됨으로써 공간전하 생성이 억제되고 이로써 전계왜곡을 나타내는 고온 체적저항 저하가 최소화되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
210 : 도체 212 : 내부 반도전층
214 : 절연층 216 : 외부 반도전층
218 : 금속시스층 220 : 내부 시스

Claims (9)

  1. 초고압 직류 전력케이블로서,
    복수의 소선이 연선되어 형성된 도체;
    상기 도체를 감싸는 내부 반도전층;
    상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층; 및
    상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층을 포함하고,
    상기 절연층은 폴리올레핀 수지, 무기입자 및 가교제를 포함하는 절연 조성물로부터 형성되며,
    상기 절연층은 이의 두께를 3등분하여 내층, 중층 및 외층으로 구분되며, 상기 내층에 포함된 가교 부산물 중 α-쿠밀알코올(α-cumyl alcohol; α-CA), 아세토페논(acetophenone; AP) 및 α-메틸스티렌(α-methyl styrene; α-MS)의 총 함량, 상기 중층에 포함된 가교부산물 중 α-쿠밀알코올(α-cumyl alcohol; α-CA), 아세토페논(acetophenone; AP) 및 α-메틸스티렌(α-methyl styrene; α-MS)의 총 함량 및 상기 외층에 포함된 α-쿠밀알코올(α-cumyl alcohol; α-CA), 아세토페논(acetophenone; AP) 및 α-메틸스티렌(α-methyl styrene; α-MS)의 총 함량의 평균값이 9,300 ppm 이하이고,
    아래 수학식 1로 정의되는 전계상승계수(Field Enhancement Factor; FEF)가 140% 이하인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블.
    [수학식 1]
    FEF=(절연 시편에서 최대로 증가된 전계/절연 시편에 인가된 전계)*100
    상기 수학식 1에서,
    상기 절연 시편은 상기 절연층을 형성하는 절연 조성물의 가교에 의해 제조되고 두께가 100 내지 200 ㎛인 시편이고,
    상기 절연 시편에 인가된 전계는 상기 절연 시편에서 서로 마주보는 면에 각각 연결된 전극에 인가된 직류 전계로서 20 내지 50kV/mm이고,
    상기 절연 시편에서 최대로 증가된 전계는 상기 절연 시편에 1시간 동안 20 내지 50kV/mm의 직류 전계를 인가하는 과정에서 증가된 전계 중 최대값이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    평균전계 20 kV/mm일 때, 상기 절연층의 70℃에서의 체적저항이 1.0×1015 Ω·㎝ 이상이고, 상기 절연층의 90℃에서의 체적저항이 1.0×1014 Ω·㎝ 이상이며, 상기 절연층의 70℃에서의 체적저항 대비 90℃에서의 체적저항 감소율이 95% 이하인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 가교제의 함량은 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상 2 중량% 미만인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 무기입자의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 가교제는 과산화물계 가교제인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 과산화물계 가교제는 디큐밀퍼옥사이드, 벤조일퍼옥사이드, 라우릴퍼옥사이드, t-부틸 큐밀퍼옥사이드, 디(t-부틸 퍼옥시 아이소프로필) 벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸 퍼옥시)헥산 및 디-t-부틸 퍼옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 무기입자는 규산알루미늄, 규산칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 카본나노튜브 및 그라파이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 무기입자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무기입자는 비닐실란, 스테아린산, 올레인산 및 아미노폴리실록산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 표면개질제에 의해 표면개질된 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블.
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