KR102386728B1 - 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 구조적으로 전계가 집중되는 부분의 전계를 완화시킴으로써 국부적인 전계집중에 의한 케이블의 중간접속함 절연파괴를 효과적으로 방지할 수 있는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 구조적으로 전계가 집중되는 부분의 전계를 완화시킴으로써 국부적인 전계집중에 의한 케이블의 중간접속함 절연파괴를 효과적으로 방지할 수 있는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템에 관한 것이다.
초고압 전력 케이블은 내부의 도체를 이용하여 전력을 전송하는 장치로서 초고압 직류(Direct Current; DC) 전력케이블과 초고압 교류(Alternating Current; AC) 전력케이블로 구분할 수 있다.
상기 초고압 직류 전력케이블을 이용하는 직류 송전 방식은 전력손실이 적어 장거리 송전에 유리한 장점이 있으므로, 중간접속함을 이용하여 상기 전력케이블을 서로 연결한 초고압 직류 전력케이블 중간접속 시스템을 형성함으로써 장거리 송전선로를 구성한다.
도 1는 종래 초고압 직류 전력 케이블용 중간접속시스템의 단면구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 중간접속 시스템은 중간접속함(300')을 이용하여 도체(미도시), 내부반도전층(미도시), 절연층(214) 및 외부반도전층(216)을 구비하며 상기 도체, 내부반도전층, 절연층 및 외부반도전층이 순차적으로 노출된 단부가 서로 대향하도록 구비된 한 쌍의 전력케이블을 서로 연결하여 구성된다.
구체적으로, 상기 전력케이블의 단부에서 노출된 한 쌍의 도체를 전기적, 기계적으로 서로 연결시키는 도체 접속부(310') 내지 상기 전력케이블의 단부에서 노출된 절연층 내지 외부반도전층의 외측을 감싸며 상온에서 수축 가능한 탄성 재질로 이루어진 조인트 슬리브(320')를 구비할 수 있고, 상기 조인트 슬리브(320')는 도체와 전기적으로 연결되는 제1 전극(321'), 서로 대향하도록 한 쌍으로 구비되는 제2 전극(322'), 상기 제1 전극(321') 및 상기 제2 전극(322')을 감싸도록 구비되는 접속함 절연층(323'), 상기 접속함 절연층(323')의 외측에 구비되는 접속함 차폐층(324') 등을 포함할 수 있다.
다만, 상기 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 이용한 초고압 직류 전력케이블용 중간접속시스템은 그 내부에서의 전계분포가 체적저항률에 의존하는 저항성 전계분포 특성을 가진다. 구체적으로 종래의 상기 초고압 직류 전력케이블 내지 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함은 서로 다른 체적저항률을 갖는 소재로 이루어진 구조물이 서로 만나게 되는 상기 조인트 슬리브(320')와 상기 전력케이블 간의 계면, 상기 제2 전극(322'), 전력케이블의 절연층(214) 및 접속함 절연층(323')이 만나는 부분으로서 도 1에 파선으로 구획된 A 부분, 또는 제1 전극(321'), 전력케이블의 절연층(214) 및 접속함 절연층(323')이 만나는 부분으로서 도 2에 파선으로 구획된 B 부분 등 이종의 재료가 서로 접하는 부위는 온도 변화에 따른 각 재질의 체적저항 변화, 접속함 제조상의 공극발생, 이물질 침입 등의 문제가 있어 절연취약부로 작용하며, 특히 구조적으로 전계가 집중되어 접속함 절연파괴가 일어날 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 선행기술 1(KR10-2013-0105523 A)은 폴리아닐린을 전도성 필러로 포함하는 재료로 형성된 전기장 완화층을 구비하여, 케이블과 접속함 사이의 계면에 인가되는 전계를 완화한다.
또한, 선행기술 2(WO2008/054308 A1) 내지 선행기술 3(EP1975949 B1)은 절연 수지에 전압에 따라 저항값이 변화하여 선택적으로 전도성 입자로 작용할 수 있는 배리스터(varistor) 입자인 ZnO를 포함하거나 상기 ZnO 입자간 브릿지 역할을 하는 SiO2를 더 포함하여 전계를 제어한다.
하지만, 상기 선행기술 1 내지 선행기술 3은 접속함에서의 발열 현상 및 직류 전압 인가시 절연취약부에 작용하는 전계값 등을 고려한 상기 전기장 완화층의 체적저항률 및 상기 전기장 완화층과 상기 접속함 절연층 내지 케이블 절연층의 체적저항률 간의 관계 등에 대하여 개시하고 있지 않다.
따라서, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함에 있어서 구조적으로 전계가 집중되는 부분의 전계를 완화시킴으로써 국부적인 전계집중에 의한 접속함 절연파괴를 효과적으로 방지할 수 있으며, 접속부에서의 발열 현상을 완화할 수 있는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 케이블용 중간접속함으로서 구조적으로 전계가 집중되는 부분의 전계를 완화시킴으로써 국부적인 전계집중에 의한 접속함 절연파괴를 효과적으로 방지할 수 있는, 케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 케이블 접속시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
도체, 상기 도체를 감싸는 내부반도전층, 상기 내부반도전층을 감싸는 절연층, 상기 절연층을 감싸는 외부반도전층을 포함하는 초고압 직류 전력케이블 한 쌍을 서로 접속시키기 위한 중간접속함으로서, 상기 중간접속함은 상온에서 수축가능한 탄성 재질로 이루어지고, 내부에 길이방향으로 관통공이 있는 중공형 슬리브로 형성되며, 상기 중간접속함 외부로 전류가 누설되지 않도록 하는 접속함 절연부를 포함하는 조인트 슬리브를 구비하고, 상기 접속함 절연부는 제1 절연층 및 상기 제1 절연층에 의해 둘러싸이는 제2 절연층을 구비하며, 상기 조인트 슬리브는 최내면의 적어도 일부가 상기 제2 절연층으로 이루어지고, 상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층 보다 체적저항률이 낮으며, 상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 체적저항률이 1×1012 내지 1×1018 Ωcm이며, 상기 제2 절연층의 체적저항률은 상기 제1 절연층의 체적저항률에 비해 10배 이상 낮은 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
여기서, 상기 제2 절연층은 베이스 수지 및 저항률 조절용 첨가제를 포함하는 제2 절연 조성물로 형성되는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
또한, 상기 베이스 수지는 액상 실리콘 고무(LSR), 불소고무(FR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR) 및 에틸렌프로필렌디엔모노머(EPDM) 고무로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
그리고, 상기 저항률 조절용 첨가제는 글리콜 계열의 유기 전도성 필러인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
여기서, 상기 글리콜 계열의 유기 전도성 필러는 폴리글리콜에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
또한, 상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 유기 전도성 필러의 함량이 0.1 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
그리고, 상기 저항률 조절용 첨가제는 무기 전도성 필러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
한편, 상기 조인트 슬리브는 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측 단부가 라운드진 형상의 제1 전극 및 상기 제1 전극으로부터 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측으로 일정거리 이격되어 서로 대향하도록 형성되는 한 쌍의 제2 전극을 구비하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 접속함 절연부에 의해 둘러싸이며, 상기 제2 전극은 상기 조인트 슬리브 최내면으로부터의 수직거리가 상기 제1 전극 방향으로 갈수록 점점 증가하고, 상기 제2 절연층은 상기 제1 전극과 상기 접속함 절연부의 계면 및 상기 제2 전극과 상기 접속함 절연부의 계면으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 면을 적어도 부분적으로 감싸는 것을 특징으로 하는 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
여기서, 상기 조인트 슬리브 외측에 구비되어, 상기 중간접속함 외부로 누설되는 전계를 차폐하는 접속함 차폐층, 상기 조인트 슬리브를 감싸는 금속 케이싱으로 이루어진 하우징, 상기 하우징과 상기 조인트 슬리브 사이의 공간에 배치된 방수재, 또는 이들의 조합을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
한편, 한 쌍의 초고압 직류 전력케이블과 상기 한 쌍의 전력케이블을 서로 연결하는 중간접속함을 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템으로서, 상기 초고압 직류 전력케이블은 도체, 상기 도체를 감싸는 내부반도전층, 상기 내부반도전층을 감싸는 케이블 절연층 및 상기 절연층을 감싸는 외부반도전층을 포함하는 케이블 코어부를 구비하고, 상기 도체, 내부반도전층, 케이블 절연층 및 외부 반도전층이 순차적으로 노출된 각 단부가 서로 대향하도록 구비되며, 상기 전력 케이블의 단부에서 노출된 한 쌍의 도체를 전기적으로 연결하며 서로 고정시키는 도체 접속부를 포함하고, 상기 중간접속함은, 상온에서 수축가능한 탄성 재질로 이루어지고, 내부에 길이방향으로 관통공이 있는 중공형 슬리브로 형성되며, 상기 중간접속함 외부로 전류가 누설되지 않도록 하는 접속함 절연부를 포함하는 조인트 슬리브를 구비하고, 상기 접속함 절연부는 제1 절연층 및 상기 제1 절연층에 의해 둘러싸이는 제2 절연층을 구비하며, 상기 조인트 슬리브는 최내면의 적어도 일부가 상기 제2 절연층으로 이루어지고, 상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층 보다 체적저항률이 낮으며, 상기 제1 절연층과 상기 케이블 절연층은 체적저항률이 1×1014 내지 1×1018 Ωcm이며, 상기 제2 절연층의 체적저항률은 상기 제1 절연층의 체적저항률에 비해 10배 이상 낮은 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
여기서, 상기 제2 절연층은 제2 절연 조성물로 구성되며, 상기 제2 절연 조성물은 70℃에서 아래 수학식 1로 정의되는 최대 체적저항률(Rmax) 이하의 체적저항률을 보유하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
[수학식 1]
Rmax=fmin(aX,bY)
상기 수학식 1에서,
fmin(aX,bY)는 aX와 bY 중 최소값을 의미하고,
X는 상기 케이블 절연층의 70℃에서의 체적저항률이고,
Y는 상기 제1 절연층의 70℃에서의 체적저항률이고,
b는 2a 이상이고,
b는 0.05 내지 0.15이고,
a는 0.025 내지 0.075이다.
그리고, 상기 제2 절연 조성물은 베이스 수지 및 저항률 조절용 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
나아가, 상기 베이스 수지는 액상 실리콘 고무(LSR), 불소고무(FR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR) 및 에틸렌프로필렌디엔모노머(EPDM) 고무로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
또한, 상기 저항률 조절용 첨가제는 글리콜 계열의 유기 전도성 필러인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
여기서, 상기 글리콜 계열의 유기 전도성 필러는 폴리글리콜에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
그리고, 상기 제2 절연 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 유기 전도성 필러의 함량이 0.1 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
또한, 상기 제2 절연 조성물은 무기 전도성 필러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
그리고, 상기 조인트 슬리브는 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측 단부가 라운드진 형상의 제1 전극 및 상기 제1 전극으로부터 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측으로 일정거리 이격되어 서로 대향하도록 형성되는 한 쌍의 제2 전극을 구비하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 접속함 절연부에 의해 둘러싸이며, 상기 제2 전극은 상기 조인트 슬리브 최내면으로부터의 수직거리가 상기 제1 전극 방향으로 갈수록 점점 증가하고, 상기 제2 절연층은 상기 제1 전극과 상기 접속함 절연부의 계면 및 상기 제2 전극과 상기 접속함 절연부의 계면으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 면을 적어도 부분적으로 감싸는 것을 특징으로 하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템을 제공한다.
여기서, 상기 조인트 슬리브 외측에 구비되어, 상기 중간접속함 외부로 누설되는 전계를 차폐하는 접속함 차폐층, 상기 조인트 슬리브를 감싸는 금속 케이싱으로 이루어진 하우징, 상기 하우징과 상기 조인트 슬리브 사이의 공간에 배치된 방수재, 또는 이들의 조합을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
또한, 상기 제2 절연층은 상기 제1 전극, 상기 접속함 절연부 및 상기 케이블 절연층이 만나는 삼중점; 상기 제2 전극, 상기 접속함 절연부 및 상기 케이블 절연층이 만나는 삼중점; 또는 이들 모두를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
한편, 상기 제2 절연층의 체적저항률은 상기 제1 절연층의 체적저항률과 상기 케이블 절연층의 체적저항률 각각에 비해 10배 이상 낮을 수 있고, 상기 제1 절연층의 체적저항률은 상기 케이블 절연층의 체적저항률에 비해 10배 이상 높을 수 있으며, 상기 케이블 절연층과 상기 제2 절연층의 체적저항률은 아래 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함을 제공한다.
[수학식 2]
(케이블 절연층의 체적저항률 / 제2 절연층의 체적저항률) ≥ 20
본 발명에 따른 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함은 새로운 소재로 이루어지고 정밀하게 제어된 저항을 갖는 전계완화층을 보유함으로써 구조적으로 전계가 집중될 수 있는 영역의 전계를 효과적으로 완화시킴으로써 접속함 절연파괴를 방지할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 종래 케이블용 중간접속시스템의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 초고압 직류 전력케이블 접속시스템의 직류용 전력케이블의 종단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 초고압 직류 전력케이블 접속시스템의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 삼중점에서의 전계 해석 및 줄 손실을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예에서 제1 전극과 제2 전극 사이의 등전위선 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 초고압 직류 전력케이블 접속시스템의 직류용 전력케이블의 종단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 초고압 직류 전력케이블 접속시스템의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 삼중점에서의 전계 해석 및 줄 손실을 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예에서 제1 전극과 제2 전극 사이의 등전위선 분포를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 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 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초고압 직류 전력케이블 접속시스템에서 초고압 직류 전력 케이블의 종단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 전력케이블(200)은 도체(210), 내부반도전층(212), 절연층(214), 외부반도전층(216)을 포함하여, 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 형성된다.
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(320)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 내부반도전층과 같이 절연성 물질에 도전성 입자, 예를 들면 카본블랙, 카본나뉴튜브, 카본나노플레이트, 그라파이트 등이 첨가되어 반도전성을 가지는 물질로 형성되어, 상기 절연층(214)과 후술하는 금속시스(218) 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 코어부는 케이블에 수분이 침투하는 것을 방지하기 위한 수분 흡수부(미도시)를 추가적으로 구비할 수 있다. 상기 수분 흡수부는 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 수분 흡수부는 급격한 전계 변화를 방지하기 위하여 반도전성을 가질 수 있다.
상기 코어부의 외부에는 보호 시스부가 구비되며, 해저와 같이 수분에 노출이 많이 되는 환경에 포설되는 전력케이블은 외장부(미도시)를 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 보호 시스부는 금속시스(218)와 내부 시스(220)를 포함하여, 사고전류, 외력 내지 기타 외부환경 요인으로부터 케이블을 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 시스가 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 금속시스(218)는 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 시스(218)와 상기 코어부 사이에는 동선직입 테이프(미도시) 내지 수분 흡수층(미도시)이 추가적으로 구비될 수 있다. 상기 동선 직입테이프는 동선(Copper wire)과 부직포 테이프 등으로 구성되어 외부반도전층과 금속시스층간의 전기적 접촉을 원활히 하는 작용을 하며, 상기 수분흡수층(미도시)은 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 시스(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 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 보호 시스부는 아연도금 처리된 강철 케이프 등으로 구성되는 금속 보강층(미도시), 상기 금속보강층의 상부 및/또는 하부에 형성되며 반도전성 부직포 테이프 등으로 이루어져 전력케이블에 가해지는 외력을 완충하는 베딩층(미도시), 폴리염화비닐 내지 폴리에틸렌 등의 수지로 구성되는 외부 시스(미도시)를 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 외장부(미도시)가 형성될 수 있다.
상기 외장부는 아머층(미도시) 및 써빙층(미도시)을 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 아머층(34)은 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.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초고압 전력케이블 접속시스템은 한 쌍의 전력케이블과, 상기 한 쌍의 전력케이블의 도체(210)와 절연층(214)의 단부를 둘러싸며 상기 도체(210)를 전기적으로 연결시키는 도체 접속부(310)를 구비하며, 상기 도체 접속부(310) 및 상기 한 쌍의 전력케이블 단부의 외측을 감싸며 상온에서 수축가능한 탄성 재질로 이루어진 조인트 슬리브(320)를 구비하는 중간접속함을 포함할 수 있다. 또한, 상기 조인트 슬리브(320)의 외측에는 상기 한 쌍의 전력케이블의 외부반도전층(216) 내지 금속시스(218)와 전기적으로 연결되어 상기 전력케이블의 외부반도전층과 같은 역할을 하는 접속함 차폐층(324), 상기 조인트 슬리브(320)를 감싸는 금속 케이싱(metal casing)으로 이루어진 하우징(미도시) 및 상기 하우징과 상기 조인트 슬리브(320) 사이의 공간에 배치된 방수재(미도시) 등을 추가로 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 전력케이블은 도 2에 도시된 바와 같이 도체(210), 상기 도체(210)를 감싸는 내부반도전층(212), 상기 내부반도전층(212)을 감싸는 케이블 절연층(214) 및 상기 절연층(214)을 감싸는 외부반도전층(216)을 포함하는 케이블 코어부를 구비하며, 각 단부에서 상기 도체(210), 내부반도전층(212), 케이블 절연층(214) 및 외부 반도전층(216)이 순차적으로 노출되어 서로 대향하도록 구비된다.
상기 도체 접속부(310)는 상기 한 쌍의 전력케이블의 각 단부에서 노출된 한 쌍의 도체(210)를 서로 전기적으로 연결하고 고정시키는 도체 고정부 및 상기 도체 고정부와 상기 한 쌍의 전력케이블의 단부에서 노출된 절연층(214)의 단부를 둘러싸는 접속 슬리브를 포함할 수 있다. 상기 도체 고정부는 상기 한 쌍의 도체에 슬리브를 끼우고 슬리브 외주면을 압착하거나, 슬리브에 삽입되는 한 쌍의 도체를 상기 슬리브를 관통하는 볼트로 고정하거나, 도체 단부를 서로 용접하여 형성할 수 있으며, 상기 도체(210) 또는 도체 고정부는 상기 접속 슬리브와 편조선 등을 통해 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 조인트 슬리브(320)는 상온에서 수축가능한 탄성 재질로 이루어지고, 내부에 길이방향으로 관통공이 있는 중공형 슬리브로 형성되어, 상기 도체 접속부(310)에 의해 서로 전기적으로 연결된 한 쌍의 케이블, 구체적으로는 상기 한 쌍의 케이블의 단부에서 노출된 각 절연층(214), 외부반도전층(216) 내지 상기 도체 접속부(310)에 탄성복원력에 의해 밀착된다. 또한, 상기 중간접속함 외부로 전류가 누설되지 않도록 하는 접속함 절연부를 포함하며, 상기 조인트 슬리브(320)의 최내면의 적어도 일부는 상기 접속함 절연부로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 접속함 절연부가 탄성 복원력에 의해 상기 도체 접속부에 밀착될 수 있다.
또한, 상기 조인트 슬리브(320)는 상기 한 쌍의 전력케이블의 도체 접속부(310)와 전기적으로 연결되는 제1 전극(321) 내지 상기 중간접속함(300)에서 서로 대향하도록 한 쌍으로 구비되고 상기 한 쌍의 전력케이블의 외부반도전층(216) 내지 금속시스(218)와 전기적으로 연결되는 제2 전극(322)을 구비할 수 있고, 상기 제1 전극(321) 및 상기 제2 전극(322)은 상기 접속함 절연부에 의해 둘러싸일 수 있다.
상기 제1 전극(321)과 상기 제2 전극(322)은 그 사이에서 전계가 국부적으로 집중되지 않고 골고루 퍼지도록 하는 역할을 하게 된다.
구체적으로, 상기 제1 전극(321)은 전력케이블 내지 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측 단부가 라운드진 형상을 가지며, 반도전성 물질로 이루어지고, 상기 도체 접속부(310)의 외측에 구비되어 상기 도체 접속부(310) 및 상기 도체(210)와 전기적으로 연결되어, 소위 고압전극(electrode)의 역할을 한다.
상기 제2 전극(322)은 반도전성 물질, 바람직하게는 상기 제1 전극(321)과 동일한 재질로 이루어지며, 상기 제1 전극(321)으로부터 상기 전력케이블 내지 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측으로 일정거리 이격되어 서로 대향하도록 한 쌍이 구비되고, 전력케이블의 외부반도전층(216)과 접촉하여 전기적으로 연결됨으로써 소위 차폐전극(Deflector)의 역할을 하게 된다. 또한, 상기 한 쌍의 제2 전극(322)은 상기 조인트 슬리브(320)의 최내면 또는 상기 케이블 절연층(214)으로부터의 수직거리가 상기 제1 전극(321)을 향하는 방향으로 갈수록 증가하며, 상기 수직거리의 증가율도 제1 전극(321)을 향하는 방향으로 점점 커지는 형상으로 구비되어, 상기 제1 전극(321)을 향하는 면이 곡면으로 구성된다.
따라서, 상기 제1 전극(321)과 상기 제2 전극(322)은 단부가 라운드진 형상 내지 곡면으로 형성되어, 각 전극의 형상에 따라 상기 제1 전극(321)과 제2 전극(322) 사이에서 등전위선이 분포되어, 전계분포를 조절할 수 있다.
상기 접속함 절연부는 상기 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)을 둘러싸도록 구비되어 상기 초고압 케이블 접속시스템에 흐르는 전류가 외부로 누설되는 것을 방지하여 절연성능을 담보하게 된다.
한편, 교류 전력케이블 접속시스템의 경우, 접속시스템의 케이블 절연층 및 접속함 절연부에서의 전계는 상기 케이블 절연층과 상기 접속함 절연부의 유전율에 의존하며, 상기 유전율은 온도에 따라 큰 변화가 없으므로 전계분포의 예측 및 접속함 설계가 용이하다. 반면, 직류 전력케이블 접속시스템의 경우, 케이블 절연층과 접속함 절연부에서의 전계분포가 상기 케이블 절연층과 상기 접속함 절연부의 체적저항률에 의존하는 저항성 전계분포 특성을 가지게 되어 체적저항률이 높은 부분에 고전계가 작용하며, 이러한 체적저항률은 온도 의존성을 갖기 때문에 전계분포를 고려한 접속함 설계가 극히 곤란하다.
특히, 상기 제1 전극(321) 내지 제2 전극(322)이 상기 접속함 절연부 및/또는 케이블 절연층과 서로 접하는 부분은 체적저항률이 상이한 이종의 재질이 서로 접하게 되므로, 상기 전력케이블에 직류 전류가 흘러 온도 변화가 발생하면 체적저항률도 변화할 뿐만 아니라 그 변화율이 재질에 따라 상이하여, 전계분포를 예측하기 곤란하며 전계가 국부적으로 집중되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 접속시스템 제조시 상기 제1 전극(321) 내지 제2 전극(322)이 상기 접속함 절연부 및/또는 케이블 절연층과 서로 접하는 부분에는 공극이 발생하거나 이물질이 침입할 가능성이 있으며, 상기 공극 내지 이물질이 발생한 부분에 고전계가 인가되는 경우 절연 파괴 발생의 우려가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 접속함 절연부는 제1 절연층(323)과 상기 제1 절연층(323)에 의해 둘러싸이며 상기 조인트 슬리브(320)의 최내면의 적어도 일부를 형성하는 제2 절연층(325)을 구비한다.
상기 제1 절연층(323)은 상기 중간접속함의 절연성능을 담보하기 위하여 절연성능이 우수한 액상 실리콘 고무(LSR), 불소고무(FR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR), 에틸렌프로필렌디엔모노머(EPDM) 고무 또는 이들의 배합물을 포함하는 제1 절연 조성물 이루어질 수 있고, 바람직하게는 상기 조성물은 인열강도 및 영구 변화율과 같은 장기신뢰성이 우수하며, 빠른 생산공정으로 생산성이 향상되는 장점을 가지는 액상 실리콘 고무를 포함할 수 있다. 또한, 상기 실리콘 고무는 다양한 디자인 제품의 성형이 가능하여 성형성이 향상되며, 2차 가류가 불필요하며, 이중사출에 의한 성형이 가능한 다양한 장점을 가진다.
상기 제2 절연층(325)은 튜브, 코팅, 필름 등의 다양한 형태로 상기 제1 절연층(323)과 케이블 절연층(214) 사이에 형성되며, 특히 상기 조인트 슬리브 최내면, 상기 제1 전극(321)과 상기 접속함 절연부 사이의 계면 및 상기 제2 전극(322)과 상기 접속함 절연부 사이의 계면으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 면을 적어도 부분적으로 감싸고, 바람직하게는, 상기 제1 전극(321) 또는 상기 제2 전극(322), 상기 접속함 절연부 및 상기 케이블 절연층(214)이 만나는 삼중점을 감싸, 온도에 따른 체적저항률의 변화에 따라 전계가 집중될 우려가 있거나, 공극발생 내지 이물질 침입 등의 우려가 있어 절연성능이 불안정한 부분의 전계를 완화시킴으로써 중간접속함 절연파괴를 억제하는 기능을 수행한다.
상기 제2 절연층(325)은 상기 케이블 절연층(214) 보다 낮은 체적저항률을 가지는 제2 절연 조성물로 형성되어, 절연파괴의 우려가 있는 부분에 인가되는 전계를 절연성능이 상대적으로 안정적인 부분으로 분산시킬 수 있다.
상기 제2 절연 조성물은 베이스 수지 및 저항률 조절용 첨가제를 포함할 수 있다. 상기 베이스 수지는 1015 Ωcm 이하의 체적저항률, 10 kV/mm 이상의 절연강도를 보유할 수 있고, 바람직하게는 10 N/mm 이상의 파단강도, 200% 이상의 신율을 보유할 수 있다. 상기 베이스 수지는 예를 들어 액상 실리콘 고무(LSR), 불소고무(FR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR), 에틸렌프로필렌디엔모노머(EPDM) 고무 또는 이들의 배합물을 포함하여 이루어질 수 있고, 인열강도 및 영구 변화율과 같은 장기신뢰성이 우수하며, 빠른 생산공정으로 생산성이 향상되는 장점을 가지는 액상 실리콘 고무를 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 제1 절연층(323)과의 긴밀한 밀착을 위해 이와 동일한 계열의 수지로 이루어질 수 있다.
상기 저항률 조절용 첨가제로는 유기 전도성 필러를 단독으로 포함하거나, 유기 전도성 필러와 무기 전도성 필러의 배합물을 포함할 수 있다. 상기 유기 전도성 필러는 상기 베이스 수지와의 상용성 및 상기 제2 절연층(325)의 전기적 특성 및 기계적 특성을 고려하여 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등의 글리콜 계열의 필러, 바람직하게는 폴리글리콜에테르(polyglycolether; PGE)를 포함할 수 있고, 상기 유기 전도성 필러는 상기 베이스 수지와 화학 가교결합을 형성함으로써 상기 제2 절연층(325)의 전기적 특성과 기계적 특성을 추가로 향상시킬 수 있다. 또한 무기 전도성 필러에 비해 베이스 수지에 분산을 용이하게 할 수 있어 체적저항률 조절을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.
상기 제2 절연 조성물 및 이로부터 구성된 상기 제2 절연층(325)은 상기 제2 절연층(325)과 접하는 케이블의 절연층(214) 및 제1 절연층(323) 각각의 체적저항률에 따라 정밀하게 제어된 체적저항률을 보유함으로써 상기 중간접속함(300) 내부에서 전계가 집중될 수 있는 영역의 전계를 효과적으로 분산시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 절연 조성물은 70℃에서 아래 수학식 1로 정의되는 최대 체적저항(Rmax) 이하의 체적저항률을 보유할 수 있다. 이로써, 상기 제2 절연 조성물로부터 형성되는 제2 절연층(325)은 접속되는 케이블이 직류 전력케이블인 경우 케이블 통전 상태에 의한 온도변화, 이에 따른 케이블 절연층, 제1 절연층, 제2 절연층 등 내의 전계분포 변화에 따른 최적의 체적저항률을 보유하여 구조적으로 전계가 집중될 수 있는 영역에 대한 전계완화 효과를 극대화할 수 있다.
[수학식 1]
Rmax=fmin(aX,bY)
상기 수학식 1에서,
fmin(aX,bY)는 aX와 bY 중 최소값을 의미하고,
X는 케이블 절연층의 70℃에서의 체적저항률이고,
Y는 제1 절연층의 70℃에서의 체적저항률이고,
b는 2a 이상이고,
b는 0.05 내지 0.15이고,
a는 0.025 내지 0.075이다.
상기 제2 절연 조성물이 70℃에서 상기 수학식 1로 정의되는 최대 체적저항률(Rmax)을 초과한 체적저항률을 보유하는 경우 상기 제2 절연 조성물로부터 형성된 제2 절연층(325)에 의한 전계 분산 효과가 충분하지 않아 전계집중에 의해 접속함 절연파괴가 유발될 수 있다.
상기 제2 절연 조성물은 70℃에서 상기 수학식 1로 정의되는 최대 체적저항률(Rmax)을 보유하기 위해, 예를 들어, 상기 제2 절연 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 저항률 조절용 첨가제의 함량이 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%일 수 있다.
또한, 상기 제1 절연층(323), 상기 제2 절연층(325) 내지 상기 케이블 절연층(214)은 체적저항률이 1×1012 내지 1×1018 Ωcm이며, 상기 제2 절연층(325)의 체적저항률은 상기 제1 절연층(323)의 체적저항률과 상기 케이블 절연층(214)의 체적저항률 각각에 비해 10배 이상 낮을 수 있고, 상기 제1 절연층(323)의 체적저항률은 상기 케이블 절연층(214)의 체적저항률에 비해 10배 이상 높지 않을 수 있다. 특히, 상기 케이블 절연층(214)의 체적저항률은 1014 내지 1018 Ωcm이고, 상기 제1 절연층(323)의 체적저항률은 1014 내지 1018 Ωcm일 수 있다. 상기 케이블 절연층(214)과 상기 제2 절연층(325)의 체적저항률 비는 아래 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하며, 상기 제2 절연층(325)의 체적고유저항 하한치는 1012 Ωcm 일 수 있다.
[수학식 2]
(케이블 절연층의 체적저항률/제2 절연층의 체적저항률)≥20
상기 제2 절연층(325)의 체적저항률이 상기 제1 절연층(323)의 체적저항률과 상기 케이블 절연층(214)의 체적저항률 각각에 비해 10배 이상 낮지 않은 경우, 제2 절연층의 전계 분산 효과가 현저히 저하될 수 있고, 상기 제1 절연층(323)의 체적저항률이 상기 케이블 절연층(214)의 체적저항률에 비해 10배 이상 높은 경우, 제1 절연층에 과도하게 많은 전계가 분담될 수 있으며, 상기 케이블 절연층(214)과 상기 제1 절연층(323)의 체적저항률이 상기 범위를 벗어나는 경우, 초고압 직류 전력 송전시 요구되는 절연 특성을 만족시키지 못할 수 있다.
또한, 상기 케이블 절연층(214)과 상기 제2 절연층(325)의 체적저항률 비(케이블 절연층의 체적저항률/제2 절연층의 체적저항률)가 20 미만인 경우, 도 4(a)에서와 같이 상기 제2 전극(322), 제2 절연층(324) 및 케이블 절연층(214)이 서로 접하는 삼중점(Triple Point)에서의 전계가 급격히 상승하며, 상기 제2 절연층(325)의 체적고유저항이 하한치 미만인 경우, 도 4(b)에서와 같이 줄(Joule) 손실에 의해 제2 절연층(325)에 과도하게 많은 열이 발생한다.
상술한 바와 같이 제1 절연층(323)과 제2 절연층(325)을 포함하는 접속함 절연부를 구비한 본 발명의 일실시예에 따른 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함 및 이를 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템은 상기 제1 절연층(323)과 제2 절연층(325) 사이의 계면이 상기 제1 전극(321) 및 상기 제2 전극(322)과 서로 접하지 않는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)은 상기 제1 절연층(323)과 접하지 않고 상기 제2 절연층(325)에 의해 둘러싸이며, 상기 조인트 슬리브(320)는 상기 제1 전극(321), 상기 제2 절연층(325) 및 상기 케이블 절연층(214)이 서로 접하는 제1 삼중점, 상기 제2 전극(322), 상기 제2 절연층(325) 및 상기 케이블 절연층(214)이 서로 접하는 제2 삼중점, 상기 접속함 차폐층(324), 상기 제1 절연층(323) 및 상기 제2 절연층(325)이 서로 접하는 제3 삼중점을 구비할 수 있다.
이 경우, 직류 송전시의 저항성 전계분포 특성에 따라 상기 제1 삼중점 및 상기 제2 삼중점에 작용하는 전계는 상기 제2 절연층(325)과 제1 절연층(323)의 체적저항률 차이에 의해 제1 절연층(323)으로 쉬프트(shift)되며, 상기 중간접속시스템이 직류 전기장 하에 놓이는 경우에 상기 제2 절연층(325)에 발생하는 등전위선의 간격이 상기 제2 절연층(325)에 골고루 분산되어 있는 상기 무기 전도성 필러에 의해 넓어지고 비교적 일정하게 되므로 상기 제2 절연층(325) 내에서의 국부적인 전계 집중, 특히, 제1 삼중점 및 제2 삼중점에 전계가 집중되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 상기 제1 삼중점 및 상기 제1 전극(321)을 둘러싸고 있는 제2 절연층(325)과 상기 제1 절연층(323) 사이의 계면 상에서 상기 제1 절연층(323)은 다음과 같은 수학식 3를 만족하는 두께를 가질 수 있다.
[수학식 3]
여기서, UO는 상기 조인트 슬리브(320)를 갖는 중간접속함의 정격전압이고, 1.85UO는 뇌(雷) 임펄스 시험 전압(BIL;Basic impuls insulation level)이고, DPMJ는 상기 제1 삼중점 및 상기 제1 전극(321)을 둘러싸고 있는 제2 절연층(325)과 상기 제1 절연층(323) 사이의 계면 상에 형성된 상기 제1 절연층(323)의 두께이며, BDVPMJ는 제1 절연층(323)의 절연 파괴 전압(breakdown voltage)이다.
즉, 중간접속함의 뇌임펄스 시험 전압을 상기 제1 절연층(323)의 두께로 나눈 값이 상기 제1 절연층(323)의 절연 파괴 전압값 보다 작게 되도록 상기 제1 절연층(323)이 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 절연층(323)의 두께는 중간접속함의 뇌임펄스 시험 전압(1.85UO)을 상기 제1 절연층(323)의 절연 파괴 전압값(BDVPMJ)으로 나눈 값보다 더 크게 형성할 수 있다.
상기 제1 절연층(323)은 상기 제2 절연층(325)에 비해 체적저항률이 높아 특히 상기 제1 전극(321) 상에서 상기 제2 절연층(325)보다 더 높은 전계를 분담하게 된다. 이와 같이 전계 분담이 높은 상기 제1 절연층(323)의 두께가 상술한 바와 같이 중간접속함의 뇌 임펄스 시험 전압(1.85UO)을 상기 제1 절연층(323)의 절연 파괴 전압값(BDVPMJ)으로 나눈 값보다 작은 경우에는 상기 제1 절연층(323)에서의 전기력선 밀도가 높아지게 되어 상기 제1 절연층(323)에서 절연파괴가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 절연층(323)의 두께가 중간접속함의 뇌 임펄스 시험 전압(1.85UO)을 상기 제1 절연층(323)의 절연 파괴 전압값(BDVPMJ)으로 나눈 값보다 크게 되도록 하여 상기 제1 절연층(323)에서 절연파괴가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 일 예로서 상기 제1 절연층(323)은 상기 제1 전극(321) 상에서 그 두께가 상기 제2 절연층(325)의 두께의 3배 이상이 되도록 형성될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 제3 삼중점은 상기 제1 전극(321)을 향하는 상기 제2 전극(322)의 단부로부터 상기 제1 전극(321)과 반대방향으로 일정거리 이격되어 형성되며, 상기 접속함 차폐층(324), 상기 제1 절연층(323) 및 상기 제2 절연층(325)이 서로 접하는 영역에 형성된다. 따라서, 상기 제3 삼중점은 상기 제2 전극(322)의 기하학적인 형상에 의해 등전위선이 분포되지 않아 전계가 인가되지 않으므로 상기 중간접속함의 절연성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 케이블용 중간접속함 중 조인트 슬리브(320)는 예를 들어 성형 몰드에 금형을 삽입하고 상기 금형에 반도전성 물질을 주입하여 상기 제1 전극(321) 및 제2 전극(322)을 성형하고, 이어서 상기 성형 몰드에 전기 전도도 조절용 조성물과 절연 조성물을 주입한 후 경화시켜 제2 절연층 및 제1 절연층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2 절연층은 제1 전극(321) 내지 제2 전극(322)이 상기 접속함 절연부 및/또는 케이블 절연층과 서로 접하여 형성되는 계면 내지 지점의 적어도 일부를 둘러싸도록 상기 제2 절연 조성물을 도포하여 경화시켜 제조될 수도 있다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표 1에 나타난 바와 같은 체적저항률을 보유하고, 도 3에 도시된 제2 절연층(325)을 보유하는 접속함 절연부를 구비한 실시예의 중간접속함과 제2 절연층을 보유하지 않은 것을 제외하고 동일한 구조를 갖는 접속함 절연부를 구비한 비교예의 중간접속함을 각각 제조했다.
| 체적저항률(Ωm) | ||||
| 실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 1 | 비교예 2 | |
| 케이블 절연층 체적저항률(70℃) | 8.70E+14 | 4.64E+14 | 8.70E+14 | 4.64E+14 |
| 제1 절연층 체적저항률(70℃) | 1.69E+15 | 2.10E+15 | 1.69E+15 | 2.10E+15 |
| 제2 절연층 체적저항률(70℃) | 9.14E+12 | 1.21E+13 | - | - |
2. 등전위선 분포 및 전계값 평가
실시예 및 비교예 각각의 중간접속함에 592 kV의 전압을 인가하고 70℃에서 측정한 제1 전극과 제2 전극 사이의 공간에서의 등전위선 분포는 도 5에 도시된 바와 같고, 영역별 전계값은 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
| 전계값[kV/mm] | |||
| 계면 1 | 삼중점 | 계면 2 | |
| 실시예 1 | 1.1 | 2.5 | 8.5 |
| 실시예 2 | 0.1 | 0.2 | 9.4 |
| 비교예 1 | 26.6 | 61.1 | 17.1 |
| 비교예 2 | 23.4 | 53.6 | 16.5 |
- 계면 1 : 케이블 절연층 - 제1 절연층 계면
- 삼중점 : 케이블 절연층 - 제1 절연층 - 제2 전극
- 계면 2 : 제1 절연층 - 제1 전극
도 5에 나타난 바와 같이, 제2 절연층을 보유한 본 발명에 따른 실시예의 중간접속함은 제1 전극과 제2 전극 사이에 등전위선 사이의 간격이 좁지 않아 국부적으로 전계가 집중되지 않은 반면, 제2 절연층을 보유하지 않는 비교예의 중간접속함은 등전위선 사이의 간격이 좁아 국부적으로 전계가 집중되는 영역이 존재했고, 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예의 중간접속함은 구조적으로 전계가 집중될 수 있는 영역의 전계가 충분히 완화된 반면, 비교예의 중간접속함은 구조적으로 전계가 집중될 수 있는 영역에 전계가 집중된 것으로 확인되었다.
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.
200 : 전력케이블 300 : 전력케이블용 중간접속시스템
Claims (21)
- 도체, 상기 도체를 감싸는 내부반도전층, 상기 내부반도전층을 감싸는 절연층, 상기 절연층을 감싸는 외부반도전층을 포함하는 초고압 직류 전력케이블 한 쌍을 서로 접속시키기 위한 중간접속함으로서,
상기 중간접속함은 상온에서 수축가능한 탄성 재질로 이루어지고, 내부에 길이방향으로 관통공이 있는 중공형 슬리브로 형성되며, 상기 중간접속함 외부로 전류가 누설되지 않도록 하는 접속함 절연부를 포함하는 조인트 슬리브를 구비하고,
상기 접속함 절연부는 제1 절연층 및 상기 제1 절연층에 의해 둘러싸이는 제2 절연층을 구비하며,
상기 조인트 슬리브는 최내면의 적어도 일부가 상기 제2 절연층으로 이루어지고,
상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층 보다 체적저항률이 낮으며,
상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층은 체적저항률이 1×1012 내지 1×1018 Ωcm이며, 상기 제2 절연층의 체적저항률은 상기 제1 절연층의 체적저항률에 비해 10배 이상 낮고,
상기 제2 절연층은 베이스 수지 및 저항률 조절용 첨가제를 포함하는 제2 절연 조성물로 형성되며, 상기 저항률 조절용 첨가제는 글리콜 계열의 유기 전도성 필러인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 베이스 수지는 액상 실리콘 고무(LSR), 불소고무(FR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR) 및 에틸렌프로필렌디엔모노머(EPDM) 고무로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 글리콜 계열의 유기 전도성 필러는 폴리글리콜에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함. - 제1항에 있어서,
상기 절연 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 유기 전도성 필러의 함량이 0.1 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함. - 제1항에 있어서,
상기 저항률 조절용 첨가제는 무기 전도성 필러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함. - 제1항에 있어서,
상기 조인트 슬리브는 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측 단부가 라운드진 형상의 제1 전극 및 상기 제1 전극으로부터 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측으로 일정거리 이격되어 서로 대향하도록 형성되는 한 쌍의 제2 전극을 구비하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 접속함 절연부에 의해 둘러싸이며,
상기 제2 전극은 상기 조인트 슬리브 최내면으로부터의 수직거리가 상기 제1 전극 방향으로 갈수록 점점 증가하고,
상기 제2 절연층은 상기 제1 전극과 상기 접속함 절연부의 계면 및 상기 제2 전극과 상기 접속함 절연부의 계면으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 면을 적어도 부분적으로 감싸는 것을 특징으로 하는 초고압 직류 전력케이블용 중간접속함. - 삭제
- 한 쌍의 초고압 직류 전력케이블과 상기 한 쌍의 전력케이블을 서로 연결하는 중간접속함을 포함하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템으로서,
상기 초고압 직류 전력케이블은 도체, 상기 도체를 감싸는 내부반도전층, 상기 내부반도전층을 감싸는 케이블 절연층 및 상기 절연층을 감싸는 외부반도전층을 포함하는 케이블 코어부를 구비하고, 상기 도체, 내부반도전층, 케이블 절연층 및 외부 반도전층이 순차적으로 노출된 각 단부가 서로 대향하도록 구비되며,
상기 전력 케이블의 단부에서 노출된 한 쌍의 도체를 전기적으로 연결하며 서로 고정시키는 도체 접속부를 포함하고,
상기 중간접속함은,
상온에서 수축가능한 탄성 재질로 이루어지고, 내부에 길이방향으로 관통공이 있는 중공형 슬리브로 형성되며, 상기 중간접속함 외부로 전류가 누설되지 않도록 하는 접속함 절연부를 포함하는 조인트 슬리브를 구비하고,
상기 접속함 절연부는 제1 절연층 및 상기 제1 절연층에 의해 둘러싸이는 제2 절연층을 구비하며,
상기 조인트 슬리브는 최내면의 적어도 일부가 상기 제2 절연층으로 이루어지고,
상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층 보다 체적저항률이 낮으며,
상기 제1 절연층과 상기 케이블 절연층은 체적저항률이 1×1014 내지 1×1018 Ωcm이며, 상기 제2 절연층의 체적저항률은 상기 제1 절연층의 체적저항률에 비해 10배 이상 낮고,
상기 제2 절연층은 제2 절연 조성물로 구성되며, 상기 제2 절연 조성물은 70℃에서 아래 수학식 1로 정의되는 최대 체적저항률(Rmax) 이하의 체적저항률을 보유하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템.
[수학식 1]
Rmax=fmin(aX,bY)
상기 수학식 1에서,
fmin(aX,bY)는 aX와 bY 중 최소값을 의미하고,
X는 상기 케이블 절연층의 70℃에서의 체적저항률이고,
Y는 상기 제1 절연층의 70℃에서의 체적저항률이고,
b는 2a 이상이고,
b는 0.05 내지 0.15이고,
a는 0.025 내지 0.075이다. - 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 제2 절연 조성물은 베이스 수지 및 저항률 조절용 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템. - 제12항에 있어서,
상기 베이스 수지는 액상 실리콘 고무(LSR), 불소고무(FR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴-부타디엔 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR) 및 에틸렌프로필렌디엔모노머(EPDM) 고무로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템. - 제12항에 있어서,
상기 저항률 조절용 첨가제는 글리콜 계열의 유기 전도성 필러인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템. - 제14항에 있어서,
상기 글리콜 계열의 유기 전도성 필러는 폴리글리콜에테르를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템. - 제15항에 있어서,
상기 제2 절연 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 유기 전도성 필러의 함량이 0.1 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템. - 제14항에 있어서,
상기 제2 절연 조성물은 무기 전도성 필러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템. - 제10항에 있어서,
상기 조인트 슬리브는 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측 단부가 라운드진 형상의 제1 전극 및 상기 제1 전극으로부터 상기 중간접속함의 길이방향으로 좌측 및 우측으로 일정거리 이격되어 서로 대향하도록 형성되는 한 쌍의 제2 전극을 구비하고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 접속함 절연부에 의해 둘러싸이며,
상기 제2 전극은 상기 조인트 슬리브 최내면으로부터의 수직거리가 상기 제1 전극 방향으로 갈수록 점점 증가하고,
상기 제2 절연층은 상기 제1 전극과 상기 접속함 절연부의 계면 및 상기 제2 전극과 상기 접속함 절연부의 계면으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 면을 적어도 부분적으로 감싸는 것을 특징으로 하는 초고압 직류 전력케이블 접속시스템. - 삭제
- 제18항에 있어서,
상기 제2 절연층은 상기 제1 전극, 상기 접속함 절연부 및 상기 케이블 절연층이 만나는 삼중점; 상기 제2 전극, 상기 접속함 절연부 및 상기 케이블 절연층이 만나는 삼중점; 또는 이들 모두를 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템. - 제10항에 있어서,
상기 제2 절연층의 체적저항률은 상기 제1 절연층의 체적저항률과 상기 케이블 절연층의 체적저항률 각각에 비해 10배 이상 낮을 수 있고, 상기 제1 절연층의 체적저항률은 상기 케이블 절연층의 체적저항률에 비해 10배 이상 높을 수 있으며, 상기 케이블 절연층과 상기 제2 절연층의 체적저항률은 아래 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는, 초고압 직류 전력케이블 접속시스템.
[수학식 2]
(케이블 절연층의 체적저항률 / 제2 절연층의 체적저항률) ≥ 20
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20211125 Patent event code: PE09021S01D |
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