케이블의 구조는 단순해 보이지만, 실제로는 각 구성 요소마다 중요한 역할을 하므로 케이블 제조 시 각 구성 요소의 재료를 신중하게 선택해야 합니다. 그래야만 해당 재료로 만든 케이블이 작동 중에 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
1. 도체 재질
역사적으로 전력 케이블 도체에 사용된 재료는 구리와 알루미늄이었습니다. 나트륨도 잠시 사용되기도 했습니다. 구리와 알루미늄은 전기 전도성이 우수하고, 동일한 전류를 전송할 때 구리의 양이 상대적으로 적기 때문에 구리 도체의 외경이 알루미늄 도체보다 작습니다. 또한 알루미늄의 가격은 구리보다 훨씬 저렴합니다. 게다가 구리의 밀도가 알루미늄보다 크기 때문에 동일한 전류 용량일지라도 알루미늄 도체의 단면적이 구리 도체보다 크지만, 알루미늄 도체 케이블은 여전히 구리 도체 케이블보다 가볍습니다.
2. 절연 재료
중전압 전력 케이블에 사용할 수 있는 절연 재료는 매우 다양하며, 100년 이상 성공적으로 사용되어 온 기술적으로 성숙한 함침지 절연 재료도 포함됩니다. 오늘날에는 압출 폴리머 절연 재료가 널리 사용되고 있습니다. 압출 폴리머 절연 재료에는 PE(LDPE 및 HDPE), XLPE, WTR-XLPE 및 EPR이 있습니다. 이러한 재료는 열가소성 및 열경화성 특성을 모두 가지고 있습니다. 열가소성 재료는 가열되면 변형되는 반면, 열경화성 재료는 작동 온도에서 형태를 유지합니다.
2.1. 종이 절연
종이 절연 케이블은 초기에는 부하가 적어 비교적 양호한 상태를 유지합니다. 그러나 전력 사용자들이 케이블에 점점 더 높은 부하를 가하게 되면서, 초기 사용 조건은 더 이상 현재의 케이블 요구 사항에 적합하지 않게 되었습니다. 따라서 과거의 양호한 경험이 미래의 케이블 작동을 보장할 수는 없습니다. 최근 들어 종이 절연 케이블의 사용은 점차 줄어들고 있습니다.
2.2.PVC
PVC는 여전히 1kV 저전압 케이블의 절연재 및 외피재로 사용되고 있습니다. 그러나 케이블 절연재로서의 PVC 사용은 XLPE로 빠르게 대체되고 있으며, 외피재로서의 PVC 사용 또한 LLDPE, MDPE 또는 HDPE와 같은 선형 저밀도 폴리에틸렌으로 빠르게 대체되고 있습니다. 또한, PVC를 사용하지 않는 케이블은 수명 주기 비용이 더 낮습니다.
2.3. 폴리에틸렌(PE)
저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 1930년대에 개발되었으며, 현재는 가교 폴리에틸렌(XLPE) 및 내수성 트리 가교 폴리에틸렌(WTR-XLPE) 소재의 기본 수지로 사용되고 있습니다. 열가소성 상태에서 폴리에틸렌의 최대 작동 온도는 75°C로, 종이 절연 케이블의 작동 온도(80~90°C)보다 낮습니다. 이러한 문제는 가교 폴리에틸렌(XLPE)의 등장으로 해결되었으며, XLPE는 종이 절연 케이블의 사용 온도와 같거나 그 이상을 견딜 수 있습니다.
2.4.가교 폴리에틸렌(XLPE)
XLPE는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)에 가교제(예: 과산화물)를 혼합하여 만든 열경화성 소재입니다.
XLPE 절연 케이블의 최대 도체 작동 온도는 90°C이며, 과부하 시험은 최대 140°C까지, 단락 온도는 250°C까지 견딜 수 있습니다. XLPE는 우수한 절연 특성을 가지고 있으며 600V~500kV의 전압 범위에서 사용할 수 있습니다.
2.5. 방수 트리 가교 폴리에틸렌(WTR-XLPE)
수분수 현상은 XLPE 케이블의 수명을 단축시킵니다. 수분수 발생을 줄이는 방법은 여러 가지가 있지만, 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나는 수분수 발생을 억제하도록 특별히 설계된 절연 재료인 내수성 가교 폴리에틸렌(WTR-XLPE)을 사용하는 것입니다.
2.6. 에틸렌 프로필렌 고무(EPR)
EPR은 에틸렌, 프로필렌(때로는 세 번째 단량체)으로 구성된 열경화성 소재이며, 이 세 단량체의 공중합체는 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM)라고 합니다. EPR은 넓은 온도 범위에서 항상 부드러운 상태를 유지하며 코로나 저항성이 우수합니다. 그러나 EPR 소재의 유전 손실은 XLPE 및 WTR-XLPE보다 상당히 높습니다.
3. 절연체 가황 공정
가교 결합 과정은 사용되는 고분자에 따라 다릅니다. 가교 고분자 제조는 기본 고분자를 출발 물질로 하고, 여기에 안정제와 가교제를 첨가하여 혼합물을 만듭니다. 가교 결합 과정은 분자 구조에 더 많은 연결점을 추가합니다. 가교 결합이 이루어진 고분자 분자 사슬은 탄성을 유지하지만, 완전히 끊어져 유동적인 용융 상태가 되지는 않습니다.
4. 도체 차폐 및 절연 차폐 재료
반도체 차폐층은 도체와 절연체의 외표면에 압출 성형되어 전기장을 균일하게 하고 케이블 절연 코어 내부에 전기장을 가두는 역할을 합니다. 이 소재는 엔지니어링 등급의 카본 블랙을 함유하여 케이블 차폐층이 요구되는 범위 내에서 안정적인 전도도를 유지할 수 있도록 합니다.
게시 시간: 2024년 4월 12일