KR101321206B1 - 절연 전력 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 비-절연 전선 다발로 이루어진 멀티-스트랜드 케이블; 및 이러한 케이블을 피복하고, 0.0625 내지 0.5 인치(0.16 내지 1.3 센티미터)의 두께를 갖고, 주름가공 전에 0.1 내지 0.5 그램/세제곱센티미터의 밀도를 갖는 50 중량% 이상의 아리미드 물질로 이루어진 복수의 층의 나선형으로 감싸진 주름가공된 테이프를 포함하는 전기적 절연체를 포함하는 절연 전력 케이블에 관한 것이다.

변압기, 절연 케이블, 권선 전선, 아라미드, 주름가공

Description

절연 전력 케이블{INSULATED POWER CABLE}

본 발명은 절연 전력 케이블, 특히 유체-충전된 변압기에서 통상적으로 사용되는 절연 케이블에 관한 것이다.

절연 케이블 및 절연 권선 전선은 둘 다 유체-충전된 변압기에서 사용된다. 절연 권선 전선은 변압기의 권선을 형성하는데 사용된다. 이러한 권선 전선은 변압기의 작동 동안에 일어나는 기계적 응력을 견디기에 충분히 뻣뻣할 필요가 있다. 절연 케이블은, 권선 테이프와 같은 변압기 내의 다양한 부품들을, 무부하 또는 부하 전압조정기, 위상 상호접속기 및 부싱 커넥터에 대한 내부 권선에 연결시킨다. 절연 권선 전선과는 대조적으로, 절연 케이블은 접속점에 용이한 기동성을 부여하기에 충분히 가요성일 필요가 있다. 따라서 케이블은 추가의 강도가 요구되는 경우 기계적으로 지지된다.

변압기 내의 권선 도체는 전형적으로, 하나의 전선이 또다른 전선과 접촉하지 않도록 개별적으로 절연된 수많은 권선 전선으로 이루어진다. 많은 경우에, 이러한 절연 권선 전선은, 변압기 권선의 조밀하고 균일한 패킹을 보장하도록, 횡단면이 직사각형이다. 이와 대조적으로, 변압기에서 사용되는 절연 케이블은 통상적으로 복수의 비-절연 전선 다발로부터 제조되며, 일반적으로 횡단면이 원형이다. 이러한 케이블은 높은 전압 및 높은 전류의 전기를 전달하기 때문에, 가장 중요한 요건은, 케이블이, 오일-충전된 변압기에서 파국적인 고장을 일으킬 수 있는, 하나의 케이블로부터 그 다음 케이블로의 절연 파괴를 방지하기에 충분한 절연체를 갖는다는 것이다. 오일-충전된 변압기 내의 케이블은 전통적으로 나선형으로 권선된, 주름가공된 셀룰로스 종이 테이프로써 절연되는데, 우선 부하시 전선 케이블과 변압기 오일 사이의 요망되는 최대 온도차를 결정하고, 이어서 요구되는 최대 온도차를 초과하지 않고서 요망되는 전류를 취급하기에 충분한 케이블을 사용하여, 변압기에서 사용되는 케이블의 크기 및 개수를 결정하였다. 셀룰로스 종이 테이프의 경우, 최대 온도차는 일반적으로 약 20 ℃인데(문헌[Transformer Engineering, Second Ed., John Wiley and Sons 출판, 321 페이지]을 참고), 왜냐하면 이보다 높은 임의의 온도차는 셀룰로스 절연체의 조기 노화 및 궁극적으로는 케이블 고장을 초래할 수 있기 때문이다. 그러나, 케이블이 보다 높은 온도에서 작동되면, 즉 최대 온도차가 약 60 ℃으로 증가되면, 변압기에 필요한 케이블의 크기 및/또는 케이블의 개수가 감소될 수 있다. 따라서, 절연체의 조기 노화 없이 보다 높은 온도를 견딜 수 있는 케이블이 필요하다.

문헌[Research Disclosure RD10833, 1973년 4월]은 노멕스(Nomex, 등록상표)의 좁은 테이프를 전선에 평행하게 적용시키고 전선 주위에 절첩하고 밀봉하는 "종방향-감싸기(longitudinal-wrapping)" 기술을 사용하여 전선 도체를 감쌀 수 있음을 개시한다. 절연을 위해 요망되는 두께를 유지하도록 주름가공된 후 가볍게 캘린더링된 테이프를 사용하는 것이 바람직하다.

문헌[Research Disclosure RD10947, 1973년 5월]은, 오일-충전된 변압기를 위한 절연체와 같이 높은 기공률이 요망되는 특정 용도에서는, 특수한 저밀도 종이, 예를 들면 노멕스 411이 특히 바람직함을 개시한다.

WO200191135(Rolling 등)은, 하나의 도체; 및 이러한 도체의 적어도 일부를 둘러싸는, 목재 펄프 섬유, 아라미드 섬유일 수 있는 합성 섬유(2 내지 25 중량%로 존재함) 및 결합제 물질을 포함하는 절연 종이를 포함하는 전기적 장치를 개시한다. 절연 종이는 주름가공되고 도체 주위를 나선형으로 감쌀 수 있다.

발명의 요약

본 발명은 복수의 비-절연 전선으로 이루어진 멀티-스트랜드 케이블; 및 이러한 케이블을 피복하며, 0.0625 내지 0.5 인치(0.16 내지 1.3 센티미터)의 두께를 갖고, 주름가공 전에 0.1 내지 0.5 그램/세제곱센티미터의 밀도를 갖는 50 중량% 이상의 아리미드 물질로 이루어진 복수의 층의 나선형으로 감싸진 주름가공된 테이프를 포함하는 전기적 절연체를 포함하는 절연 전력 케이블에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시양태를 도시한다.

본 발명은 절연 전력 케이블, 특히는 유체-충전된 변압기에서 통상적으로 사용되는 절연 케이블에 관한 것이다. 본 발명의 절연 케이블은 복수의 비-절연 전선 다발을 포함하는 멀티-스트랜드 케이블 및 이러한 케이블을 피복하는 전기적 절연체를 포함한다. 본 발명의 케이블의 한 실시양태가 도 1에 도시되어 있다. 절연 케이블(1)은 멀티-스트랜드 케이블(3) 상에 피복된 절연체(2)의 층을 갖는 것으로 도시되어 있다. 멀티-스트랜드 케이블(3)은 바람직하게는 복수의 다발(5)로서 존재하는 복수의 비-절연 전선(4)으로 이루어진다. 명확하게 하기 위해, 도 1에 도시된 절연 케이블은 다발들 사이에 과장된 양의 빈 공간(6)을 갖지만, 바람직하게는 일반적으로는 실제로 다발들 사이에는 매우 제한된 빈 공간이 존재한다.

멀티-스트랜드 케이블(3)을 피복하는 전기적 절연체(2)는 0.0625 내지 0.5 인치(0.16 내지 1.3 센티미터)의 방사상 두께를 갖는다. 약 0.0625 인치 미만의 절연체 두께는 충분한 절연 내력을 제공하기에는 너무 적은 양의 절연체 물질을 제공할 것으로 생각된다. 약 0.5 인치 초과의 두께는 합당한 곡률반경을 허용하지 않는 케이블을 제공할 것으로 생각된다. 절연체의 두께는 아라미드 물질의 다층으로 이루어지며, 케이블 상의 전기적 절연체의 피복물의 총 밀도는 약 0.2 내지 0.6 그램/세제곱센티미터, 바람직하게는 약 0.3 내지 0.5 그램/세제곱센티미터이다. 절연체의 방사상 두께 또는 "빌드(build)"가 중요한 척도이기 때문에, 물질층의 실제 개수는 변할 수 있고, 10 내지 100 개 또는 그 이상의 층이 가능하다. 아라미드 물질층은 바람직하게는 약 0.25 내지 2 인치의 너비를 갖는 좁은 테이프이다. 테이프는 바람직하게는 테이프의 너비를 가로질러 불규칙한 봉우리 및 홈, 또는 주름을 갖는다. 봉우리 및 홈은 임의의 이용가능한 수단에 의해 테이프 내에 부여되지만, 일련의 불규칙한 봉우리 및 홈을 부여하는 주름가공 방법이 바람직하고, 국제특허출원 WO2002/076723(Walton 등); 미국특허 제 3,260,778 호(Walton); 미국특허 제 2,624,245 호(Cluett); 미국특허 제 3,426,405 호(Walton); 및 미국특허 제 4,090,385 호(Packard)에 개시된 바와 같은 마이크로-주름가공 또는 건식-주름가공 방법 및 장치가 바람직하다. 시트 및 테이프를 마이크로-주름가공하는 장치는 미국 매사추세츠주 02081 왈폴 소재의 마이크렉스 코포레이션(Micrex Corporation)에서 입수될 수 있다. 이러한 장치는 일반적으로 주름가공될 테이프를 구동롤에 대해 압착시키며, 이러한 구동롤은 끝이 구동롤에 인접하게 고정된 지연날(retarding blade)과 같은 지연 요소를 향해 테이프를 전진시킨다. 지연 요소는 테이프의 반복된 원주상 붕괴에 의해 테이프를 그 자체끼리 성글게 절첩되게 함으로써 바람직한 봉우리 및 홈을 형성한다. 테이프는 바람직하게는, 마이크로-주름가공 공정 동안에, 단위면적당 테이프의 중량 증가분을 기준으로 약 10 내지 200 %, 바람직하게는 25 내지 150 %만큼 기계적으로 선형으로 압축된다.

변압기에서 사용되는 오일은 멀티-스트랜드 케이블 주위의 절연체로 침투하여 이것을 포화시킬 수 있는 것이 중요하다. 따라서, 테이프를 케이블 주위로 나선형으로 감쌈으로써 절연체를 적용함으로써, 오일이 절연체층들 사이에 침투하여 존재하도록 하는 경로를 허용하는 층을 형성한다. 본원에서 사용된 "나선형으로 감싸진"이란 케이블의 외부 원주 주위에 하나 이상의 테이프가 나선형 또는 나사꼴로 감싸짐을 포함한다. 더욱 중요하게는, 테이프에서 사용되는 아라미드 물질은 주름가공 전에 약 0.1 내지 0.5 그램/세제곱센티미터의 밀도를 가져야 하는데, 이러한 밀도는 테이프 물질이 멀티-스트랜드 케이블 주위에 감싸진 후에 오일로 하여금 테이프 물질을 완전히 포화시키기에 충분한 기공률을 갖는 절연체를 제공한다. 테이프가 주름가공되면, 테이프가 케이블 주위로 단단하게 감싸질 수 있게 하는 동시에 뻣뻣한 테이프를 사용할 때 케이블에 부여될 수 있는 임의의 강성을 없앨 수 있도록, 테이프가 다소의 신장성을 갖게 된다. 본 발명의 특정 실시양태에서, 테이프는, 예를 들면 한 세트의 가열된 캘린더롤에 의한 높은 열 및 압력의 추가적인 적용에 의해 약하게 압축되지만 크게 조밀화되지는 않은, 전선 상에서 제조된 "성형된" 종이로부터 제조된다. 이러한 아라미드 물질은, 슬리팅되어 테이프로 만들어질 수 있는 아라미드 섬유를 포함하는 임의의 부직 시트 물질일 수 있고, 다양한 유형의 스펀본디드, 스펀레이스드 또는 종이-유사 시트 또는 라미네이티드 구조물일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 부직 시트 물질은 아라미드 종이이다. 본원에서 사용된 "종이"라는 용어는 통상적인 의미로 사용되며 통상적인 제지 공정 또는 장치 및 절차를 사용하여 제조될 수 있다. 아라미드 부직 시트 또는 종이의 (주름가공 전의) 두께는 중요하지 않지만 전형적으로는 약 0.002 내지 0.015 인치이다.

전형적으로는, 피브리드 및 단섬유와 같은 아라미드 섬유상 물질의 슬러리를 형성하고 이어서 이것을 포드리니어 초지기(Fourdrinier machine) 상에서 종이로 만들거나 손을 사용하여 성형 스크린을 함유하는 수초지 성형틀 상에서 종이로 만듬으로써, 본 발명에서 사용되는 바람직한 아라미드 종이를 제조한다. 아라미드 섬유를 종이로 성형시키는 공정에 대해서는 USP 3,756,908(Gross) 및 USP 5,026,456(Hesler 등)을 참고할 수 있다.

본원에서 사용된 "아라미드"라는 용어는, 아라미드 결합(-CONH-)의 85% 이상이 2개의 방향족 고리에 직접 결합된 폴리아미드를 의미한다. 아라미드와 함께 첨가제를 사용할 수 있고, 10 중량% 이하의 기타 중합체성 물질을 아라미드와 블렌딩할 수 있거나, 아라미드의 디아민이 10%의 기타 디아민으로 대체되거나 아라미드의 이산 염화물이 10%의 기타 이산 염화물로 대체된 공중합체를 사용할 수 있다. 본 발명의 실시에서, 가장 흔히 사용되는 아라미드는 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드) 및 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)이며, 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)가 바람직한 아라미드이다.

절연체 물질은 50 중량% 이상의 아라미드 물질로 이루어진다. 사용될 수 있는 기타 물질은 셀룰로스, 폴리아미드, 폴리이미드, 액정 중합체, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리페닐렌 술파이드, 폴리벤족사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 전방향족 코폴리아미드, 예를 들면 테크노라(Technora, 등록상표)라는 상표명으로서 판매되는 것, 플루오르화 탄화수소, 또는 이것들의 임의의 조합을 포함한다. 바람직하게는 이러한 기타 물질은 종이 내에서 섬유 또는 입자의 형태를 갖는다. 이러한 양보다 적은 양의 아라미드 물질을 갖는 절연체 물질은 요망되지 않는데, 왜냐하면 이러한 물질은 일반적으로 130 ℃ 초과의 사용온도를 견딜 수 없기 때문이다. 바람직하게는, 절연체 물질은 아라미드 중합체의 고온 성능의 이점을 취하기 위해 75 내지 100 %의 아라미드 물질을 포함한다.

절연체에 의해 피복된, 도 1에 도시된 멀티-스트랜드 케이블(3)은, 바람직하게는 복수의 다발(5)의 형태로 존재하는 복수의 비-절연 전선(4)으로부터 형성된다. 본 발명의 특정 실시양태에서 멀티-스트랜드 케이블은 8AWG 내지 1000 MCM의 총 크기, 바람직하게는 1/0 내지 750 MCM의 크기를 갖는다. 멀티-스트랜드 케이블은 바람직하게는 스트랜디드 구리 도체의 경우 ASTM B172, ASTM B173 또는 ASTM B8의 ASTM 표준들 중 하나 이상을 충족시킨다. 이러한 멀티-스트랜드 케이블은 미국 아칸소주 오세올라 소재의 리 마그넷 와이어 캄파니 인코포레이티드(Rea Magnet Wire Company, Inc.) 및 미국 조지아주 캐롤톤 소재의 사우쓰와이어 캄파니(Southwire Company)에서 입수가능하다. 본 발명의 2개의 케이블은, 15개 또는 36개 층의 주름가공된 타입(Type) 411 아라미드 종이 테이프에 의해 피복된, 각각 0.924 인치의 공칭 직경을 갖는, 427 개의 구리 전선을 갖는 500 MCM 멀티-스트랜드 케이블로부터 만들어졌다. 타입 411 아라미드 종이는 주름가공 전 0.31 그램/세제곱센티미터의 밀도를 갖는 조밀화되지 않은 100% 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 종이이다. 15-층 케이블은 1.25 인치(3.175 센티미터)의 너비를 갖는 13개의 테이프를 사용하는 반면, 36-층 케이블은 1.3125 인치(3.334 센티미터)의 너비를 갖는 32개의 테이프를 사용하였다. 아라미드 종이 테이프의 각 층은 주름가공 전 0.00834 인치(0.02 센티미터)의 두께를 갖고 주름가공 후 0.0255 인치(0.0648 센티미터)의 두께를 가졌다. 테이프는 멀티-스트랜드 케이블 주위에 나선형으로 감싸지며, 최종 절연 피복물은 15-층 멀티-스트랜드 케이블 상에서 0.125 인치(0.32 센티미터)의 두께 또는 빌드, 및 36-층 멀티-스트랜드 케이블 상에서 0.25 인치(0.64 센티미터)의 두께 또는 빌드를 가졌다. 케이블을 광유에 침지시켰고, 이것은 피복된 절연체에 완전히 침투하였다.

본 발명의 케이블의 중요한 이점은 이것이 종래 기술의 케이블보다 더 높은 온도에서 변압기에서 작동될 수 있다는 것이다. 변압기 내 오일과 케이블 사이의 최대 온도차를 약 60 ℃로 증가시킴으로써, 절연체의 조기 노화 없이 변압기에 필요한 케이블의 숫자를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 0.125 인치의 빌드를 갖는 셀룰로스 절연체를 갖는 3개의 350 MCM 케이블을 사용하는 50MVA, 12470V 변압기를, 본 발명에서 기술된 바와 같은 0.125 인치의 빌드를 갖는 주름가공된 아라미드 시트로써 절연된 사용하는 동일한 크기의 케이블 단 2개를 사용하여 작동시킬 수 있다.

한 실시양태에서, 본 발명의 케이블은 변압기 내 케이블로서 유용하다. 본 발명의 또다른 실시양태는 본원에서 기술된 바와 같은 절연 멀티-스트랜드 케이블을 포함하는 변압기이다.

Claims (13)

1. (a) 복수의 비-절연 전선을 포함하는 멀티-스트랜드 케이블; 및

   (b) 이러한 케이블을 피복하고, 0.0625 내지 0.5 인치(0.16 내지 1.3 센티미터)의 두께를 갖고, 복수의 층의 나선형으로 감싸진 주름가공된 테이프를 포함하는 전기적 절연체로서, 상기 테이프가 50 중량% 이상의 아라미드 물질을 포함하고, 주름가공 전에 0.1 내지 0.5 그램/세제곱센티미터의 밀도를 갖는 것인 전기적 절연체

   를 포함하는 절연 전력 케이블을 포함하는 변압기로서,

   상기 변압기는 절연체로 오일을 사용하고, 변압기 사용시 변압기 내의 오일과 케이블 내의 도체 사이의 온도차 60℃가 유지될 수 있는 것인 변압기.
2. 제 1 항에 있어서, 케이블 상에 피복된 전기적 절연체의 밀도가 0.2 내지 0.6 그램/세제곱센티미터인 변압기.
3. 제 2 항에 있어서, 케이블 상에 피복된 전기적 절연체의 밀도가 0.3 내지 0.5 그램/세제곱센티미터인 변압기.
4. 제 1 항에 있어서, 아라미드 물질이 아라미드 섬유를 포함하는 부직 시트인 변압기.
5. 제 4 항에 있어서, 부직 시트가 아라미드 종이인 변압기.
6. 제 1 항에 있어서, 아라미드 물질이 메타-아라미드 중합체인 변압기.
7. 제 6 항에 있어서, 메타-아라미드 중합체가 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)인 변압기.
8. 제 1 항에 있어서, 아라미드 물질이 파라-아라미드 중합체인 변압기.
9. 제 8 항에 있어서, 파라-아라미드 중합체가 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드)인 변압기.
10. 제 1 항에 있어서, 복수의 비-절연 전선이 복수의 다발의 형태로서 존재하는 변압기.
11. 제 1 항에 있어서, 멀티-스트랜드 케이블이 8AWG 내지 1000 MCM의 크기를 갖는 변압기.
12. 삭제
13. 삭제

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