KR20190000272A

KR20190000272A - 직류 전력 케이블

Info

Publication number: KR20190000272A
Application number: KR1020170151398A
Authority: KR
Inventors: 정현정; 남진호; 남기준; 조영은
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2019-01-02
Anticipated expiration: 2037-11-14
Also published as: CN110709948B; JP2020518971A; CN110709948A; JP2022037067A; US20200143960A1; KR102272724B1; EP3644327A4; EP3644327A1

Abstract

본 발명은 직류 전력 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 공간전하(space charge) 축적에 의한 직류 절연내력의 저하 및 임펄스 파괴강도의 저하를 동시에 방지할 수 있고, 절연층 등의 압출성이 저하되지 않고 제조비용이 절감될 수 있는 직류 전력 케이블에 관한 것이다.

Description

직류 전력 케이블{Direct current power cable}

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.

그런데, 고압 직류 송전 케이블을 이용하여 송전이 진행되는 경우 케이블 절연체의 온도가 상승할 때나 부극성 임펄스 또는 극성 반전이 이루어진 경우에 상기 절연체의 절연 특성이 현저하게 저하되는 현상을 보이는 문제점이 있고, 이는 절연체 내에 일단의 전하가 포획되거나 방전되지 않으면서 수명이 긴 공간전하(space charge)가 축적되기 때문인 것으로 알려져 있다.

상술한 공간전하는 고압 직류 송전 케이블 절연체 내의 전기장을 왜곡시켜 최초 설계된 절연 파괴전압보다 낮은 전압에서 절연 파괴를 일으킬 수 있다.

상기 공간전하 축적에 의한 케이블의 직류 절연내력 및 파괴전압 저하 문제를 해결하기 위해, 케이블의 절연층을 구성하는 절연 기재수지에 규산알루미늄, 규산칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘 등의 무기 입자를 첨가하는 기술이 사용되고 있다.

그러나, 상기 공간전하 축적은 케이블의 도체로부터 상기 절연층 내로 주입되는 전하, 상기 절연층의 가교에 의해 불가피하게 생성되는 가교 부산물, 상기 절연층과 접하는 반도전층의 가교에 의해 불가피하게 생성되어 상기 절연층 내로 이행되는 가교 부산물, 상기 반도전층을 형성하는 베이스 수지에 포함되고 상기 절연층 내로 이행되는 극성 단량체 등 다양한 원인에 의해 발생하기 때문에, 단순히 상기 절연층에 상기 무기 입자를 첨가함으로써 상기 공간전하 축적 및 이에 의한 직류 절연내력 및 파괴전압 저하 문제를 충분히 해결할 수는 없었다.

또한, 상기 문제를 해결하기 위해 상기 절연층에 첨가되는 무기 입자의 함량을 증가시키는 경우, 상기 무기 입자는 불순물로서 작용하여 절연층의 압출성을 저하시킬 뿐만 아니라, 전력 케이블에서 요구되는 또 하나의 중요 특성인 임펄스 강도를 저하시키는 문제가 있다. 이러한 문제 때문에, 직류 전력 케이블에 있어서 절연층의 두께는 케이블의 절연 파괴전압보다는 임펄스 강도에 따라 결정되고, 이로써 케이블의 외경이 증가하여 제조 및 경제적인 관점에서 문제가 되고 있다. 뿐만 아니라, 직류 전력 케이블의 절연층 두께는 케이블의 절연 파괴전압 및 임펄스 강도에 따라 결정되며, 이로써 케이블의 외경이 증가하여 제조 및 경제적인 관점에서 문제가 되고 있다.

따라서, 공간전하(space charge) 축적에 의한 직류 절연내력의 저하 및 임펄스 파괴강도의 저하를 동시에 방지할 수 있고, 절연층 등의 압출성이 저하되지 않고 제조비용이 절감될 수 있는 직류 전력 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 공간전하(space charge) 축적에 의한 직류 절연내력의 저하 및 임펄스 파괴강도의 저하를 동시에 방지할 수 있는 직류 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 절연층 등의 압출성이 저하되지 않고 제조비용이 절감될 수 있는 직류 전력 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,

직류 전력 케이블로서, 도체; 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층; 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층; 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층; 및 상기 외부 반도전층을 감싸는 외피를 포함하고, 상기 내부 반도전층 또는 상기 외부 반도전층은 베이스 수지로서 올레핀과 극성 단량체의 공중합 수지 및 상기 수지 내에 분산된 전도성 입자를 포함하는 반도전 조성물로부터 형성되며, 상기 극성 단량체의 함량은 상기 공중합 수지의 총 중량을 기준으로 18 중량% 이하이고, 상기 절연층은 베이스 수지로서 폴리올레핀 수지 및 상기 수지 내에 분산되고 규산알루미늄, 규산칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 카본나노튜브 및 그라파이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 무기입자를 포함하는 절연 조성물로부터 형성되며, 상기 무기입자의 함량은 상기 절연층의 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부이고, 아래 수학식 2로 정의되는 상기 절연층의 전계왜곡도(Field Enhancement Factor; FEF)가 100 내지 140%인 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 제공한다.

[수학식 2]

FEF=(시편에서 최대로 증가된 전계/시편에 인가된 전계)*100

상기 수학식 2에서,

상기 시편은 두께가 120 ㎛이고 상기 절연층을 형성하는 절연 조성물로부터 형성된 절연 필름 및 상기 절연 필름의 상부면 및 하부면에 각각 접착되고 각각의 두께가 50 ㎛이며 상기 반도전 조성물로부터 형성된 반도전 필름을 포함하는 시편이고,

상기 시편에 인가된 전계는 상기 절연 필름에 1시간 동안 인가된 50kV/mm 직류 전계이고,

상기 시편에서 최대로 증가된 전계는 상기 절연 필름에 직류 전계가 인가되는 1시간 동안 증가된 전계값 중 최대값이다.

여기서, 상기 절연 조성물 또는 상기 반도전 조성물은 가교제를 추가로 포함하고, 상기 가교제의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 제공한다.

또한, 상기 극성 단량체는 아크릴레이트 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 제공한다.

그리고, 상기 무기입자는 산화마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 제공한다.

나아가, 상기 무기입자는 비닐실란, 스테아린산, 올레인산 및 아미노폴리실록산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 표면개질제에 의해 표면개질된 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 제공한다.

한편, 상기 공중합 수지는 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) 및 에틸렌 부틸 메타크릴레이트(EBMA)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 제공한다.

여기서, 상기 전도성 입자의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 35 내지 70 중량부인 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 제공한다.

한편, 상기 가교제는 과산화물계 가교제인 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 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, 직류 전력 케이블을 제공한다.

그리고, 상기 절연층의 베이스 수지로서 폴리올레핀 수지는 폴리에틸렌 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블을 제공한다.

한편, 상기 절연 조성물은 2,4-디페닐-4-메틸-1-펜텐 ((2,4-diphenyl-4-methyl-1-pentene), 1,4-하이드로퀴논(1,4-hydroquinone) 및 하이드로퀴논 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 스코치 억제제를 포함하고, 상기 스코치 억제제의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1.0 중량부인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.

여기서, 상기 스코치 억제제는 2,4-디페닐-4-메틸-1-펜텐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블을 제공한다.

본 발명에 따른 직류 전력 케이블은 반도전층의 베이스 수지 및 가교도를 정밀하게 제어하는 동시에 절연층 내부에 정밀하게 제어된 함량의 무기 입자를 첨가함으로써 절연층 내부의 공간전하 축적 및 이에 의한 직류 절연내력의 저하 및 임펄스 파괴강도의 저하를 동시에 방지할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.

또한, 본 발명은 절연층에 포함되어 공간전하 축적을 억제하는 무기입자의 첨가량을 감축시킴으로써 상기 무기입자에 의한 절연층 등의 압출성 저하를 억제하고, 또한 상기 절연층의 두께 증가를 억제하여 케이블의 제조비용을 절감시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 전력 케이블의 실시예에 관한 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 케이블의 다른 실시예에 관한 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시예에서 절연 시편의 온도에 따른 체적저항률을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예에서 절연+반도전 시편에 대한 FT-IR 평가 결과를 도시한 것이다.
도 5는 실시예에서 절연+반도전 시편에 대한 PEA 평가 결과를 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 직류 전력 케이블의 실시예에 관한 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직류 전력 케이블(100)은 중심 도체(10), 상기 도체(10)를 감싸는 내부 반도전층(12), 상기 내부 반도전층(12)을 감싸는 절연층(14), 상기 절연층(14)을 감싸는 외부 반도전층(16), 상기 외부 반도전층(16)을 감싸고 금속시스 또는 중성선으로 이루어져 전기적 차폐 및 단락전류의 귀로를 위한 차폐층(18), 상기 차폐층(18)을 감싸는 외피(20) 등을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 직류 전력 케이블의 다른 실시예에 관한 단면 구조를 개략적으로 도시한 것으로서, 해저케이블의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직류 전력 케이블(200)은 도체(10), 내부 반도전층(12), 절연층(14) 및 외부 반도전층(16)은 전술한 도 1의 실시예와 유사하므로 반복적인 설명은 생략한다.

상기 외부반도전층(16)의 외부에는 외부의 물과 같은 이물질이 침입하게 되면 절연층(14)의 절연성능이 저하되므로 이를 방지하기 위하여 납(lead)으로 된 금속시스(metal sheath), 소위 '연피시스'(30)를 구비한다.

나아가, 상기 연피시스(30)의 외부에 폴리에틸렌(polyethylene) 등과 같은 수지로 구성된 시스(32)와 물과 직접 접촉이 안되도록 베딩층(34)을 구비한다. 상기 베딩층(34)의 위에는 철선외장(40)을 구비할 수 있다. 상기 철선외장(40)은 상기 케이블의 외곽에 구비되어 해저의 외부환경으로부터 케이블을 보호하도록 기계적 강도를 높이는 역할을 하게 된다.

상기 철선외장(40)의 외곽, 즉 케이블의 외곽에는 케이블의 외장으로서 자켓(42)을 구비하게 된다. 자켓(42)은 케이블의 외곽에 구비되어 케이블(200)의 내부 구성을 보호하는 역할을 하게 된다. 특히, 해저케이블의 경우에 자켓(42)은 해수 등과 같은 해저환경에 견딜 수 있는 내후성 및 기계적 강도가 우수한 성질을 갖게 된다. 예를 들어, 상기 자켓(42)은 폴리프로필렌 얀(polypropylene yarn) 등으로 구성될 수 있다.

상기 중심 도체(10)는 구리, 알루미늄, 바람직하게는 구리로 이루어진 단선 또는 복수의 도선이 연합된 연선에 의해 이루어질 수 있고, 상기 중심 도체(10)의 직경, 연선을 구성하는 소선의 직경 등을 포함하는 규격은 이를 포함하는 직류 전력 케이블의 송전압, 용도 등에 따라 상이할 수 있고, 통상의 기술자에 의해 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 직류 전력 케이블이 해저 케이블 같이 포설성, 가요성 등이 요구되는 용도로 사용되는 경우, 상기 중심 도체(10)는 단선보다는 유연성이 우수한 연선에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 내부 반도전층(12)은 상기 중심 도체(10)와 상기 절연층(14) 사이에 배치되어 상기 중심 도체(10)와 상기 절연층(14)의 층간 들뜸을 유발하는 공기층을 없애주며, 국부적인 전계집중을 완화시켜 주는 등의 기능을 수행한다. 한편, 상기 외부 반도전층(16)은 상기 절연층(14)에 균등한 전계가 걸리도록 하는 기능, 국부적인 전계집중 완화 및 외부로부터 케이블 절연층을 보호하는 기능을 수행한다.

통상, 상기 내부 반도전층(12) 및 외부 반도전층(16)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(12,16)과 상기 절연층(14)의 층간 접착력을 위해 상기 절연층(14)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(12,16)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.

상기 내부 반도전층(12) 및 상기 외부 반도전층(16)을 형성하는 반도전 조성물에 포함된 베이스 수지로서 올레핀과 극성 단량체의 공중합 수지 및/또는 극성 단량체가 상기 반도전층(12)과 상기 절연층(14)의 계면을 통해 상기 절연층(14) 내부로 이동함으로써 상기 절연층(14)의 공간전하 축적을 더욱 가중시키고, 또한 상기 반도전층(12,16)의 가교시 생성되는 가교부산물이 상기 반도전층(12)과 상기 절연층(14)의 계면을 통해 상기 절연층(14) 내부로 이동하고, 이로써 상기 절연층(14) 내부에 이종전하(heterocharge)를 축적시켜 전계의 왜곡을 가중시킴으로써 상기 절연층(14)의 절연파괴 전압을 저하시키는 문제를 유발할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 직류 전력 케이블에서, 상기 반도전층(12)을 형성하는 반도전 조성물은 이의 총 중량을 기준으로 올레핀과 극성 단량체의 공중합 수지의 함량이 약 60 내지 70 중량%이고, 상기 공중합 수지의 총 중량을 기준으로 상기 극성 단량체의 함량이 1 내지 18 중량%, 바람직하게는 1 내지 12 중량%로 정밀하게 조절될 수 있다.

여기서, 상기 극성 단량체의 함량이 18 중량% 초과인 경우 상기 절연층(14)의 공간전하 축적이 크게 가속화되는 반면, 상기 극성 단량체의 함량이 1 중량% 미만인 경우 상기 베이스 수지와 상기 전도성 입자와의 상용성이 저하되어 상기 반도전층(12,16)의 압출성이 저하되고 반도전 특성이 구현되지 않을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 직류 전력 케이블에서, 상기 반도전층(12)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(12,16)과 상기 절연층(14) 사이의 계면을 통해 상기 절연층(14) 내부로 이동하여 이종전하(heterocharge)를 축적시킴으로써 전계의 왜곡을 가중시켜 상기 절연층(14)의 절연파괴 전압을 저하시키는 문제를 유발할 수 있는 반면, 0.1 중량부 미만인 경우 가교도가 불충분하여 상기 반도전층(12,16)의 기계적 특성, 내열성 등이 불충분할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 직류 전력 케이블에서, 상기 내부 및 외부 반도전층(12,14)을 형성하는 반도전 조성물은 이의 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 카본블랙 등의 전도성 입자를 35 내지 70 중량부로 포함할 수 있다. 상기 전도성 입자의 함량이 35 중량부 미만인 경우 충분한 반도전 특성이 구현될 수 없는 반면, 70 중량부 초과시 상기 내부 및 외부 반도전층(12,14)의 압출성이 저하되어 표면특성이 저하되거나 케이블의 생산성이 저하되는 문제가 있다.

상기 절연층(14)은 예를 들어 베이스 수지로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지일 수 있고, 바람직하게는 폴리에틸렌 수지와 무기입자를 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.

상기 무기입자는 나노크기의 규산알루미늄, 규산칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 카본나노튜브, 그라파이트 등을 사용할 수 있다. 다만, 상기 절연층(14)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.

상기 무기입자의 유전율은 일반적으로 상기 베이스 수지의 유전율에 비해 크다. 예를 들어, 상기 무기 나노 입자로서 산화마그네슘의 유전율은 약 10인 반면, 상기 베이스 수지로서 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 유전율은 약 2.2 내지 2.3이다. 따라서, 상기 베이스 수지에 상기 무기 나노 입자를 첨가한 상기 절연 조성물의 유전율은 상기 베이스 수지의 유전율보다 높아야 한다.

그러나, 상기 무기입자의 크기가 나노스케일, 예를 들어, 1 nm 내지 100 ㎛, 바람직하게는 1 내지 100 nm인 경우에는 마이크로스케일의 무기 입자를 첨가한 경우와 달리 오히려 상기 절연 조성물의 유전율이 상기 베이스 수지의 유전율보다 감축되는 현상이 일어나고, 또한 임펄스 절연파괴전압도 상승하는 것을 실험적으로 확인하였다.

상기 무기입자의 크기가 나노스케일인 경우 상기 절연 조성물의 유전율이 상기 베이스 수지의 유전율보다 감축되는 현상의 이유는 확인할 수 없으나, 소위 나노 효과(nano effect)에 의한 결과로 예측되고, 또한 상기 무기입자의 크기가 나노스케일로 조절됨으로써 상기 베이스 수지 내부의 계면 안정화에 의한 것으로 예측된다.

즉, 상기 무기입자의 크기가 나노스케일로 조절됨으로써 이를 포함하는 상기 절연 조성물의 유전율이 감축되고, 상기 절연 조성물로부터 형성되는 절연층의 임펄스 절연파괴전압이 상승하여 상기 절연층을 포함하는 케이블의 수명이 연장되는 효과가 유발될 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 절연 조성물은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 유전율 감소율(%)이 1% 이상, 바람직하게는 2% 이상, 더욱 바람직하게는 5% 이상일 수 있다.

[수학식 1]

유전율 감소율(%)=[(a-b)/a]*100

상기 수학식 1에서,

a는 베이스 수지의 유전율이고,

b는 절연 조성물의 유전율이다.

상기 무기 나노 입자는 예를 들어 테라스(terrace), 큐빅(cubic), 로드(rod), 엣지리스(edge-less) 등의 형상을 가질 수 있고, 상기 베이스 수지 내부의 계면 안정화 관점에서 큐빅(cubic) 형상이 바람직하다.

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, 기재 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.

또한, 상기 절연층(14)을 형성하는 절연 조성물은 가교제를 포함함으로써, 상기 절연층(14)은 압출시 또는 압출 후 별도의 가교 공정에 의해 가교 폴리올레핀(XLPO), 바람직하게는 가교 폴리에틸렌(XLPE)으로 이루어질 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 포하되는 가교제는 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부로 포함될 수 있다.

또한, 상기 절연 조성물은 산화방지제, 내열제, 압출성 향상제, 이온 스캐빈저, 스코치 억제제, 가교조제 등의 기타 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.

특히, 상기 산화방지제로서 아민계 산화방지제; 디알킬에스테르계, 디스테릴 티오디프로피오네이트, 디라우릴티오디프로피오네이트 같은 티오에스테르계 산화방지제; 테트라키스(2,4-디-t-부틸페닐)4,4'-비페닐렌 디포스파이트, 2,2'-티오 디에틸 비스-[3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오네이트], 펜타에리트리틸-테트라키스-[3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오네이트], 4,4'-티오비스(2-메틸-6-t-부틸페놀), 2,2'-티오비스(6-t-부틸-4-메틸페놀), 트리에틸렌 글리콜-비스-[3-(3-t-부틸-4-하이드록시-5-메틸페닐)프로피오네이트]) 같은 페닐계 산화방지제, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 산화방지제를 사용할 수 있고, 여기서, 상기 산화방지제는 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부로 사용될 수 있다.

그리고, 상기 내열제로서 디페닐아민과 아세톤의 반응물, 징크 2-머캅토벤지미다조레이트, 4,4'-비스(α,α-디메틸벤질)디페닐아민, 펜타에리스리톨-테트라키스[3-(3,5-디-tert-부틸-4-하이드록시-페닐)-프로피오네이트], 펜타에리스리톨-테트라키스-(β-라우릴-시오프로피오네이트, 2,2'-시오디에틸렌비스-[3-(3,5-디터트, 부틸-4-하이드록시페닐)-프로피오네이트], β,β'-시오디프로피오닉엑시드의 디스테아릴-에스터, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 내열제를 사용할 수 있고, 여기서, 상기 내열제는 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부로 사용될 수 있다.

또한, 상기 이온 스캐빈저로서, 아릴계 실란 등을 사용할 수 있고, 여기서, 상기 이온 스캐빈저는 상기 기재 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부로 사용될 수 있으며, 공간전하 축적 저감 효과를 촉진할 수 있다.

그리고, 상기 스코치 억제제는 상기 가교제의 가교효율을 증가시키고 스코치 내성을 향상시키는 기능을 수행하며, 예를 들어 2,4-디페닐-4-메틸-1-펜텐 ((2,4-diphenyl-4-methyl-1-pentene), 1,4-하이드로퀴논(1,4-hydroquinone) 및 하이드로퀴논 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하며, 이에 국한되는 것은 아니며, 구체적으로는 2,4-디페닐-4-메틸-1-펜텐을 사용할 수 있다. 상기 스코치 억제제의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1.0 중량부, 바람직하게는 0.2 내지 0.8 중량부일 수 있다. 상기 스코치 억제제의 함량이 0.1 중량부 미만인 경우에는 가교 촉진 효과가 적고, 1.0 중량부를 초과하는 경우에는 가교 효율 감소를 가져오게 된다.

본 발명자들은 본 발명에 따른 직류 전력 케이블에서 상기 절연층(14) 내의 공간전하 축적에 의해 상기 절연층(14)에 인가되는 전계가 왜곡되어 직류 절연내력이 저하될 수 있음을 전제로, 아래 수학식 2로 정의되는 상기 절연층(14)의 전계왜곡도(Field Enhancement Factor; FEF)가 100 내지 140%인 경우 상기 케이블의 설계된 직류 절연내력 및 절연파괴전압이 동일한 수준으로 유지될 수 있음을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

[수학식 2]

FEF=(시편에서 최대로 증가된 전계/시편에 인가된 전계)*100

상기 수학식 2에서,

즉, 본 발명자들은 상기 절연층(14)의 전계왜곡도(FEF)가 140%를 초과하는 경우 상기 절연층(14) 내에 공간전하 축적이 과도하여 전계가 크게 왜곡되고, 결과적으로 직류 절연내력 및 절연파괴전압이 급격히 저하되는 것을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

또한, 앞서 기술한 절연층(14) 내에 포함되는 무기입자의 함량 및 상기 반도전층(12,16)에 포함되는 극성 단량체 및 가교제의 함량을 정밀하게 조절함으로써 상기 절연층(14)의 전계왜곡도(FEF)가 정밀하게 제어될 수 있다.

상기 자켓층(20)은 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리우레탄 등을 포함할 수 있고, 예를 들어, 폴리에틸렌 수지로 이루어지는 것이 바람직하고, 케이블의 최외곽에 배치되는 층이므로 기계적 강도를 고려할 때, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 수지로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 자켓층(20)은 상기 직류 전력 케이블의 색상을 구현하기 위해 카본 블랙 등의 첨가제를 소량, 예를 들어, 2 내지 3 중량% 포함할 수 있고, 예를 들어 0.1 내지 8 mm의 두께를 가질 수 있다.

[실시예]

1. 제조예

1) PEA 및 FT-IR 평가용 절연+반도전 시편의 제조예

PEA(pulsed electro acoustic) 평가를 위해, 아래 그림에 나타난 바와 같은 절연 박막 필름 및 절연+반도전 박막 필름을 이용하여 시편을 각각 제조했다.

상기 절연 박막 필름은 폴리에틸렌 수지, 무기입자로서 비닐실란으로 표면처리된 산화마그네슘, 과산화물 가교제, 기타 첨가제를 포함하는 절연 조성물을 120℃에서 5분 동안 가열 압축함으로써 박막 필름을 제조하고, 180℃에서 8분 동안 가교한 후 120℃로 냉각하고, 다시 실온에서 냉각했다. 제조된 절연 박막 필름의 두께는 약 120 ㎛였다.

한편, 절연+반도전 박막 필름은 폴리에틸렌 수지, 무기입자로서 비닐실란으로 표면처리된 산화마그네슘, 과산화물 가교제, 기타 첨가제를 포함하는 절연 조성물을 120℃에서 5분 동안 가열 압축함으로써 절연 필름을 제조하고, 부틸아크릴레이트(BA)를 포함하는 수지, 가교제, 기타 첨가제를 포함하는 반도전 조성물을 120℃에서 5분 동안 가열 압축함으로써 반도전 필름을 제조하고, 상기 반도전 필름을 상기 절연 필름의 전면 및 후면에 부착시키고 120℃에서 5분 동안 다시 용융시켜 서로 열적으로 결합시킨 후, 180℃에서 8분 동안 가교한 후 120℃로 냉각하고, 다시 실온에서 냉각했다. 제조된 절연 필름 및 반도전 필름의 두께는 각각 약 120 ㎛ 및 약 50 ㎛였다.

여기서, 상기 반도전 조성물은 수지의 총 중량을 기준으로 부틸아크릴레이트(BA)의 함량이 17 중량%인 반도전 조성물(SC-a)로 형성된 반도전 필름 및 부틸아크릴레이트(BA)의 함량이 3 중량%인 반도전 조성물(SC-b)로 이루어진 반도전 필름이 각각 적용된 절연+반도전 박막 필름을 제조했다.

또한, FT-IR 평가를 위해서는, 더 두꺼운 필름을 제조했고, 절연 필름 내지 절연 박막 필름의 두께는 20 mm, 반도전 필름의 두께는 1 mm로 제조했다. 그리고 절연+반도전 박막 필름은 반도전 필름이 절연 필름의 하나의 면에만 결합되고, 1 mm 두께의 마이크로톰(microtome)으로 단면을 절단했다. 그리고, 상기 절연 박막 필름, 상기 절연+반도전(SC-a) 박막 필름 및 상기 절연+반도전(SC-b) 박막 필름 각각을 진공 및 70℃에서 5일 동안 탈가스화를 통해 가교부산물을 제거한 필름도 추가로 제조했다.

2) 임펄스 파괴 시험용 모델 케이블의 제조예

임펄스 파괴 시험을 위한 모델 케이블 제조를 위하여, 아래 표 1의 절연 조성물 A 및 B를 각각 제조하였다. 아래 표 1에 기재된 함량의 단위는 중량부이다.

	절연 조성물 A	절연 조성물 B
기재 수지	100	100
무기입자	1	0
가교제	2	2
산화방지제	0.4	0.4

- 기재 수지 : 저밀도 폴리에틸렌 수지(LG화학, LE2030; 밀도 : 085~0.95 kg/㎡; 용융지수(MI) : 1~2)

- 무기입자 : 비닐실란으로 표면개질된 산화마그네슘(평균입경 : 200nm)

- 가교제 : 디큐밀퍼옥사이드

- 산화방지제 : 테트라키스(2,4-디-t-부틸페닐)4,4'-비페닐렌 디포스페이트

또한, 상기 절연 조성물 A 또는 B로 이루어진 절연층을 구비하고, 상기 반도전 조성물(SC-a) 내지 상기 반도전 조성물(SC-b)로 이루어진 내부 반도전층과 외부 반도전층을 구비하여, 절연두께가 4mm이며 도체 단면적이 400sq인 모델 케이블 A 내지 D를 각각 제조했다. 상기 모델 케이블 A 내지 D의 내부 반도전층, 절연층 및 외부 반도전층의 구체적인 구성은 아래 표 2에 기재된 바와 같다.

	내부 반도전층	절연층	외부 반도전층
모델 케이블 A	반도전 조성물(SC-a)	절연 조성물 A	반도전 조성물(SC-a)
모델 케이블 B	반도전 조성물(SC-b)	절연 조성물 A	반도전 조성물(SC-b)
모델 케이블 C	반도전 조성물(SC-a)	절연 조성물 B	반도전 조성물(SC-a)
모델 케이블 D	반도전 조성물(SC-b)	절연 조성물 B	반도전 조성물(SC-b)

2. 물성 평가

1) 절연+반도전 시편에 대한 FT-IR 평가

절연 필름과 반도전 필름 사이에 아크릴레이트 및 가교부산물의 이행 여부를 판단하기 위해 4 cm^-1 해상도에서 64 스캔에 걸쳐 4000 내지 650 cm^-1의 spectral data를 수집했다. FT-IR 평가는 마이크로스코프 및 MCT 검출기가 구비된 Varian 7000e 장비로 수행했다. 평가 결과는 도 4에 도시된 바와 같다.

도 4에 도시된 바와 같이, 탈가스화에 의해 가교부산물이 제거되지 않은 필름으로서 절연 박막 필름(a), 절연+반도전(SC-a) 박막 필름(c) 및 절연+반도전(SC-b) 박막 필름(e)은 가교부산물 중 하나인 아세토페논을 나타내는 1694.3 cm^-1의 피크가 관찰된 반면, 탈가스화에 의해 가교부산물이 제거된 필름으로서 절연 박막 필름(b), 절연+반도전(SC-a) 박막 필름(d) 및 절연+반도전(SC-b) 박막 필름(f)은 가교부산물 중 하나인 아세토페논을 나타내는 1694.3 cm^-1의 피크가 관찰되지 않았다.

또한, 반도전 필름이 결합되지 않은 절연 박막 필름(a,b)은 아크릴레이트 수지를 나타내는 1735.6 cm^-1의 피크가 관찰되지 않은 반면, 반도전 필름이 결합된 절연+반도전 박막 필름(c,d,e,f)은 아크릴레이트 수지를 나타내는 1735.6 cm^-1의 피크가 관찰되었고, 특히 반도전 필름에 아크릴레이트 함량이 상대적으로 낮은 절연+반도전(SC-b) 박막 필름에 비해 반도전 필름에 아크릴레이트 함량이 상대적으로 높은 절연+반도전(SC-a) 박막 필름에서 아크릴레이트 수지를 나타내는 1735.6 cm^-1의 피크가 큰 것으로 확인되어 반도전 필름으로부터 절연 필름으로의 아크릴레이트 수지의 이행이 큰 것으로 확인되었다.

2) 절연+반도전 시편에 대한 이종전하와 공간전하 거동 및 전계왜곡도 평가

상기 PEA 평가용 시편 제조예에 따라 제조된 절연 박막 필름으로 이루어진 시편(a), 절연+반도전(SC-a) 박막 필름으로 이루어진 시편(b) 및 절연+반도전(SC-b) 박막 필름으로 이루어진 시편(c)에 대해 PEA(pulsed electro acoustic) 평가를 수행했다. 구체적으로, 상기 필름의 양면에 전극을 형성하고, 실온에서 50kV/mm의 DC 전계를 1시간 동안 인가한 후 전계 인가를 중단하고 1시간 동안 단락시키는데, DC 전계를 인가한 경우와 단락시킨 경우 LabView 프로그램을 이용하여 전하 밀도를 측정했다. 측정 결과는 도 5에 도시된 바와 같다.

또한, 시간별 전하 밀도를 나타내는 도 5의 그래프에서 전계(Electric field)를 나타내는 적분값을 계산하고 적분값 중 최대값을 선별해 상기 수학식 2의 전계왜곡도(FEF)를 계산했다. 시편 (a), (b) 및 (c)에 대한 시간별 증가된 전계 측정 결과 및 전계왜곡도(FEF) 계산 결과는 아래 표 3에 나타난 바와 같다. 아래 표 3에 기재된 수치는 특별히 표시된 경우를 제외하고 전계값을 나타내는 kV/mm이다.

	시편(a)	시편(c)	시편(e)
5초	102	112	104
30초	102	118	106
1분	102	116	106
2분	102	118	110
3분	104	122	114
5분	106	122	118
10분	108	126	96
15분	106	128	120
20분	106	128	116
25분	106	128	122
30분	108	126	126
40분	106	132	126
50분	110	132	124
60분	112	134	124
전계왜곡도(%)	112	134	126

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 시편(a)는 이에 포함된 무기입자가 전극으로부터 상기 필름 내부에 이동하는 전하를 트랩(trap)하고, 또한 반도전 필름과 결합되어 있지 않기 때문에, 상기 반도전 필름의 가교시 발생한 가교부산물이 절연 박막 필름쪽으로 이동하지 않아 이종전하(heterocharge)가 형성되지 않고, 반도전 필름의 부틸아크릴레이트(BA)가 절연 박막 필름쪽으로 이동하지 않으므로, DC 전계가 인가된 (a) 및 DC 전계 인가가 중단된 (b)에서 공간전하의 축적이 미미한 것으로 확인되었고, 이에 따라 전계왜곡도(FEF)도 낮은 것으로 확인되었다.

반면, 시편(b) 및 시편(c)는 상기 반도전 박막 필름의 가교부산물 내지 부틸아크릴레이트(BA)가 상기 절연 박막 필름쪽으로 이동하여 절연 박막 필름과 반도전 박막 필름의 계면 부근에 이종전하가 형성되고, 절연 박막 필름과 반도전 박막 필름의 계면 부근에 공간전하가 상대적으로 많이 축적되며, 이에 따라 전계왜곡도(FEF)도 상대적으로 높은 것으로 확인되었고, 특히 부틸아크릴레이트(BA) 함량이 높은 시편(b)는 부틸아크릴레이트(BA) 함량이 상대적으로 낮은 시편(c)에 비해 공간전하가 상대적으로 더욱 많이 축적된 것으로 확인되었으며, 이에 따라 전계왜곡도(FEF)도 상대적으로 더욱 큰 것으로 확인되었다.

3) 임펄스 파괴전압 및 온도에 따른 체적저항률 변화 평가

상기 모델 케이블 A 내지 D의 임펄스 파괴전압을 측정하기 위하여, 임펄스 전압발생기를 이용하여 300kV의 임펄스 전압을 인가함으로써 임펄스 파괴전압을 측정했고, 구체적으로 초기 인가전압 300kV에서 20kV씩 승압시키면서 3회 시편에 인가하여 파괴(breakdown)가 일어날 때의 전압을 측정했고, 측정결과(파괴확률 0%)는 아래 표 4에 나타난 바와 같다.

그리고, 상기 모델 케이블 A와 모델 케이블 C의 절연층에서 시편을 채취하여 25℃, 50℃, 70℃ 및 90℃에서 각각 체적저항률(resistivity)을 측정했고, 측정결과는 도 3에 나타난 바와 같다.

	모델 케이블 A	모델 케이블 B	모델 케이블 C	모델 케이블 D
임펄스 파괴전압 (kV/mm)	100	104.5	78	82

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 무기입자를 포함하는 모델 케이블 A 및 모델 케이블 B의 경우, 직류 전기장 하에서 상기 무기입자가 분극화되고, 분극화된 무기입자가 공간전하를 트랩(trap)할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 무기입자는 상기 절연층에 고르게 분산되어 있으므로, 공간전하 축적 및 이로 인한 국부적인 전계왜곡을 방지하여, 높은 임펄스 파괴전압이 구현되었다. 반면, 무기입자를 포함하지 않는 모델 케이블 C 및 모델 케이블 D의 경우, 절연체 내부에 공간전하 축적에 의한 전계왜곡이 유발되어, 결과적으로 임펄스 파괴전압이 크게 저하된 것으로 확인되었다.

뿐만 아니라, 도 3에서와 같이 절연층에 무기입자를 포함하는 모델 케이블 A는 공간전하의 축적이 효과적으로 억제되어 온도가 증가함에 따라 체적저항률이 최대한 유지되어 온도에 대한 의존도가 낮은 것으로 확인된 반면, 무기입자를 포함하지 않은 모델 케이블 C는 공간전하의 축적에 의해 70 및 90℃에서 체적저항률이 급격히 감소되어 온도에 대한 의존도가 높은 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.

10 : 도체 12 : 내부 반도전층
14 : 절연층 16 : 외부 반도전층
18 : 차폐층 20 : 외피
30 : 연피시스 32 : 시스
34 : 베딩층 40 : 철선외장
42 : 자켓

Claims

직류 전력 케이블로서,
도체;
상기 도체를 감싸는 내부 반도전층;
상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층;
상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층; 및
상기 외부 반도전층을 감싸는 외피를 포함하고,
상기 내부 반도전층 또는 상기 외부 반도전층은 베이스 수지로서 올레핀과 극성 단량체의 공중합 수지 및 상기 수지 내에 분산된 전도성 입자를 포함하는 반도전 조성물로부터 형성되며,
상기 극성 단량체의 함량은 상기 공중합 수지의 총 중량을 기준으로 18 중량% 이하이고,
상기 절연층은 베이스 수지로서 폴리올레핀 수지 및 상기 수지 내에 분산되고 규산알루미늄, 규산칼슘, 탄산칼슘, 산화마그네슘, 카본나노튜브 및 그라파이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 무기입자를 포함하는 절연 조성물로부터 형성되며,
상기 무기입자의 함량은 상기 절연층의 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부이고,
아래 수학식 2로 정의되는 상기 절연층의 전계왜곡도(Field Enhancement Factor; FEF)가 100 내지 140%인 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
[수학식 2]
FEF=(시편에서 최대로 증가된 전계/시편에 인가된 전계)*100
상기 수학식 2에서,
상기 시편은 두께가 120 ㎛이고 상기 절연층을 형성하는 절연 조성물로부터 형성된 절연 필름 및 상기 절연 필름의 상부면 및 하부면에 각각 접착되고 각각의 두께가 50 ㎛이며 상기 반도전 조성물로부터 형성된 반도전 필름을 포함하는 시편이고,
상기 시편에 인가된 전계는 상기 절연 필름에 1시간 동안 인가된 50kV/mm 직류 전계이고,
상기 시편에서 최대로 증가된 전계는 상기 절연 필름에 직류 전계가 인가되는 1시간 동안 증가된 전계값 중 최대값이다.
제1항에 있어서,
상기 절연 조성물 또는 상기 반도전 조성물은 가교제를 추가로 포함하고,
상기 가교제의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부인 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 극성 단량체는 아크릴레이트 단량체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 무기입자는 산화마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 무기입자는 비닐실란, 스테아린산, 올레인산 및 아미노폴리실록산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 표면개질제에 의해 표면개질된 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 공중합 수지는 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) 및 에틸렌 부틸 메타크릴레이트(EBMA)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
제6항에 있어서,
상기 입자의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 35 내지 70 중량부인 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
제2항에 있어서,
상기 가교제는 과산화물계 가교제인 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
제8항에 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, 직류 전력 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 절연층의 베이스 수지로서 폴리올레핀 수지는 폴리에틸렌 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직류 전력 케이블.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 절연 조성물은 2,4-디페닐-4-메틸-1-펜텐 ((2,4-diphenyl-4-methyl-1-pentene), 1,4-하이드로퀴논(1,4-hydroquinone) 및 하이드로퀴논 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 스코치 억제제를 포함하고, 상기 스코치 억제제의 함량은 상기 베이스 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1.0 중량부인 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.
제11항에 있어서,
상기 스코치 억제제는 2,4-디페닐-4-메틸-1-펜텐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력 케이블.