阅读说明：本技术 超高压直流电力电缆 (Ultra-high voltage direct current power cable ) 是由 郑贤贞 南振镐 柳政锡 梁艺瑟 赵珉祥 许星益 于 2017-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超高压直流电力电缆。具体而言,本发明涉及一种超高压直流电力电缆,所述超高压直流电力电缆能够同时防止或最小化因绝缘体内的空间电荷(space charge)积累而引起的电场畸变和直流介电强度的降低以及脉冲破坏强度的降低。(The invention relates to an ultrahigh voltage direct current power cable. More particularly, the present invention relates to an ultra-high voltage direct current power cable capable of simultaneously preventing or minimizing electric field distortion and a decrease in direct current dielectric strength and a decrease in pulse destruction strength due to space charge (space charge) accumulation in an insulator.)

超高压直流电力电缆

技术领域

本发明涉及一种超高压直流电力电缆。具体而言，本发明涉及一种超高压直流电力电缆，所述超高压直流电力电缆能够同时防止或最小化因绝缘体内的空间电荷(spacecharge)积累而引起的电场畸变和直流介电强度的降低以及脉冲破坏强度的降低。

背景技术

通常，在需要大容量和长距离输电的大型电力系统中，从减少电力损失、建设用地问题、增加输电容量等观点来看，需要提高输电电压的高压输电。

输电方式大致可以划分为交流输电方式和直流输电方式，其中直流输电方式是指以直流方式传输电能。具体而言，所述直流输电方式是，首先将输电侧的交流电力变更为适当的电压并通过整流装置来转换为直流之后，通过输电线路来传输到受电侧，在受电侧通过逆变装置来重新将直流电力转换为交流电力的方式。

尤其，所述直流传输方式不仅具有有利于长距离输送大容量的电力且能够异步电力系统的互连的优点，而且在长距离输电中，直流与交流相比电力损失少且稳定度高，因此其现状为被较多使用。

在所述直流输电方式中使用的(超)高压直流输电电缆的绝缘体可以由浸渍于绝缘油的绝缘纸或以聚烯烃树脂作为基体树脂的绝缘组合物形成，然而近年来较多使用由包含聚烯烃树脂的绝缘组合物形成的绝缘体，所述绝缘体能够在相对高温下运转电缆，从而能够增加输电容量，并且无需担心绝缘油的泄漏。

但是，所述聚烯烃树脂具有直线型分子链结构，从而通过交联过程来提高机械特性和热特性而应用于电缆绝缘层，由于交联剂在所述交联过程中分解而必然产生交联副产物的影响下，存在空间电荷积累于电缆绝缘层的问题，并且所述空间电荷可能会使(超)高压直流输电电缆绝缘体内的电场畸变，导致在低于最初设计的介质击穿电压的电压下引起介质击穿。

在为了转换输电方向而需要极性反转的电流型直流输电(LCC)中使用的电缆的情况下，为了解决上述问题，诸如氧化镁等无机添加剂均匀地分散于电缆绝缘层，并且，所述无机添加剂在直流电场下被极化并捕获(trap)空间电荷，从而能够最小化因空间电荷积累而引起的电场畸变。然而，在电压型直流输电(VSC)的情况下，无需极性反转，使用添加有机添加剂的绝缘组合物以优化电缆绝缘体承受的电应力，因此需要精确地控制绝缘层中的空间电荷含量。

因此，其现状为，迫切地需要一种超高压直流电力电缆，所述超高压直流电力电缆能够同时防止或最小化因绝缘体内的空间电荷(space charge)积累而引起的电场畸变和直流介电强度的降低以及脉冲破坏强度的降低，尤其适合用于电压型直流输电(VSC)。

发明内容

发明所要解决的问题

本发明的目的在于，提供一种超高压直流电力电缆，所述超高压直流电力电缆能够同时防止或最小化因绝缘体内的空间电荷(space charge)积累而引起的电场畸变和直流介电强度的降低以及脉冲破坏强度的降低。

解决问题的技术方案

为了解决上述问题，本发明，

提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，包括：导体，由多条导线绞合而形成；内部半导电层，包覆所述导体；绝缘层，包覆所述内部半导电层；以及外部半导电层，包覆所述绝缘层，所述绝缘层由包含聚烯烃树脂和交联剂的绝缘组合物形成，当将所述绝缘层的厚度三等分而被划分为内层、中间层以及外层时，包含于各层的交联副产物中的α-枯基醇(α-cumyl alcohol；α-CA)、苯乙酮(acetophenone；AP)以及α-甲基苯乙烯(α-methylstyrene；α-MS)这三种特定的交联副产物的总含量的平均值为3890ppm以下。

在此，提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，在所述绝缘层中，包含于所述内层的三种特定的所述交联副产物的总含量为3990ppm以下。

另外，提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，由下述数学式1定义的电场增强系数(Field Enhancement Factor；FEF)为140％以下。

[数学式1]

FEF＝(在绝缘试样增加最大的电场/施加到绝缘试样的电场)×100

在所述数学式1中，

所述绝缘试样是通过形成所述绝缘层的绝缘组合物的交联来制造且厚度为120μm的试样，

所述施加到绝缘试样的电场是施加到分别连接于所述绝缘试样中的面向彼此的表面的电极的直流电场且为50kV/mm，

所述在绝缘试样增加最大的电场是在所述绝缘试样施加50kV/mm的直流电场1小时的过程中增加的电场中的最大值。

此外，提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，所述聚烯烃树脂包含聚乙烯树脂。

并且，提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，所述交联剂为过氧化物系交联剂。

在此，提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，所述过氧化物系交联剂包含选自由过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、叔丁基过氧化异丙苯、二(叔丁基过氧化异丙基)苯、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷以及二叔丁基过氧化物构成的组中的一种以上。

另外，提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，所述绝缘组合物进一步包含选自由抗氧化剂、挤出性改善剂以及交联助剂构成的组中的一种以上的添加剂。

另一方面，提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，在形成所述内部半导电层和所述外部半导电层的半导电组合物中，以所述半导电组合物的基体树脂100重量份为基准，交联剂的含量为0.1重量份至5重量份。

在此，提供一种超高压直流电力电缆，其特征在于，所述基体树脂包含选自由乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯丙烯酸甲酯(EMA)、乙烯甲基丙烯酸甲酯(EMMA)、乙烯丙烯酸乙酯(EEA)、乙烯甲基丙烯酸乙酯(EEMA)、乙烯丙烯酸(异)丙酯(EPA)、乙烯甲基丙烯酸(异)丙酯(EPMA)、乙烯丙烯酸丁酯(EBA)以及乙烯甲基丙烯酸丁酯(EBMA)构成的组中的一种以上。

发明效果

本发明所涉及的超高压直流电力电缆通过调节在形成绝缘层的绝缘组合物中添加的交联剂的含量和基于基体树脂的适当改性的交联度，精确地控制在交联时产生的特定交联副产物的含量，由此表现出能够同时防止或最小化因绝缘体内的空间电荷积累而引起的电场畸变和直流介电强度的降低以及脉冲破坏强度的降低的优异效果。

附图说明

图1示意性地示出高压直流电力电缆的纵向剖视图。

图2是以图表示出在实施例中测定电场增强系数(FEF)的结果的图。

具体实施方式

以下，对本发明的优选实施例进行详细说明。但是，本发明不限于在此说明的实施例，也可以以其他方式实现。相反，在此介绍的实施例是为了能够使公开的内容彻底和完整，并且为了能够充分地将本发明的思想传递给本领域的技术人员而提供的。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的构成要素。

图1示意性地示出本发明所涉及的超高压直流电力电缆的纵向剖视图。

参照图1，电力电缆200包括：导体210，由多条导线绞合而形成；内部半导电层212，包覆所述导体；绝缘层214，包覆所述内部半导电层212；以及外部半导电层216，包覆所述绝缘层214，从而具备电缆芯部，所述电缆芯部沿着所述导体210仅在电缆长度方向上传输电力且防止电流在电缆半径方向上泄漏。

所述导体210起着为了传输电力而流通电流的通路作用，可以由导电率优异且具有适合于电缆的制造和使用的强度和柔韧性的材料、例如铜或铝等构成，以能够使电力损失最小化。

所述导体210可以是绞合多个圆形导线并压缩为圆形的圆形压缩导体，也可以是具备由圆形的中心导线210A和以包覆所述圆形中心导线210A的方式绞合的扁平导线210B构成的扁平导线层210C且整体上具有圆形剖面的扁平导体，与圆形压缩导体相比，所述扁平导体的占空比相对较高，从而具有能够缩小电缆外径的优点。

但是，导体210通过绞合多条导线来形成，因此其表面不平滑，从而电场可能会不均匀，局部容易产生电晕放电。另外，如果在导体210表面与后述的绝缘层214之间产生空隙，则绝缘性能可能会降低。为了解决如上所述的问题，在导体210外部形成内部半导电层212。

所述内部半导电层212在绝缘物质中添加炭黑、碳纳米管、碳纳米板、石墨等导电粒子而具有半导电性，通过防止在所述导体210与后述的绝缘层214之间发生急剧的电场变化来发挥使绝缘性能稳定的功能。另外，通过抑制导体面的不均匀的电荷分布，使电场均匀，防止导体210与绝缘层214之间形成空隙，也起着抑制电晕放电、介电击穿等的作用。

在所述内部半导电层212的外侧设置有绝缘层214，从而与外部电绝缘，以防止沿着导体210流通的电流泄漏到外部。通常，所述绝缘层214需要击穿电压较高且能够长期稳定地保持绝缘性能。此外，需要介电损耗较少且具备耐热性等阻热特性。因此，所述绝缘层214可以使用聚乙烯和聚丙烯等聚烯烃树脂，进一步优选为聚乙烯树脂。在此，所述聚乙烯树脂可以由交联树脂构成。

在所述绝缘层214的外部设置有外部半导电层216。与内部半导电层212相同地，所述外部半导电层216由在绝缘性物质中添加导电粒子、例如炭黑、碳纳米管、碳纳米板、石墨等而具有半导电性的物质来形成，从而通过抑制所述绝缘层214与后述的金属护套层218之间的不均匀的电荷分布来使绝缘性能稳定。另外，在电缆中，所述外部半导电层216使绝缘层214的表面平滑，从而缓和电场集中，防止电晕放电，还发挥以物理方式保护所述绝缘层214的功能。

所述电缆芯部、尤其所述内部半导电层212、绝缘层214以及外部半导电层216是最有可能引发因上述空间电荷的产生、积累或注入而引起的电场畸变以及由此引发介电击穿的部分，对此具体说明，将另行说明。

所述芯部可以进一步设置有用于防止水分渗透到电缆中的水分吸收层。所述水分吸收层可以形成于绞合的导线之间和/或导体210的外部，以包含吸收渗透到电缆的水分的速度快且保持吸水状态的能力优异的高吸水性树脂(super absorbent polymer；SAP)的粉末、胶带、涂层或膜等形态构成，从而起着防止水分在电缆长度方向渗透的作用。另外，所述水分吸收层可以具有半导电性，以防止急剧的电场变化。

在所述芯部的外部设置有保护套部，铺设于像海底较多暴露在水分的环境的电力电缆进一步设置有外部包装部。所述保护套部和外部包装部从可能影响电缆的电力传输性能的水分渗透、机械性外部损伤、腐蚀等多种环境因素中保护所述电缆芯部。

所述保护套部包括金属护套层218和内部护套220，从而从故障电流、外力或其他外部环境因素中保护所述电缆芯部。

所述金属护套层218在电力电缆端部接地，从而起着在发生接地或短路等故障时使故障电流流通的通路作用，从外部的冲击中保护电缆，能够使电场不向电缆外部放电。另外，在铺设于海底等环境的电缆的情况下，所述金属护套层218形成为密封所述芯部，从而能够防止诸如水分的杂质侵入而降低绝缘性能。例如，通过将熔融的金属挤出到所述芯部外部来形成具有无接缝的连续的外表面，能够使遮水性能优异。作为所述金属，使用铅(Lead)或铝，尤其在海底电缆的情况下，优选使用对海水的耐腐蚀性优异的铅，为了加强机械性能，更优选使用添加有金属元素的铅合金(Lead alloy)。

另外，为了进一步提高电缆的耐腐蚀性、遮水性等且为了提高与所述内部护套220的粘附力，可以在所述金属护套层218的表面涂抹防腐蚀化合物，例如吹制沥青等。不仅如此，在所述金属护套层218与所述芯部之间可以进一步设置有铜线织入胶带(未图示)或水分吸收层。所述铜线织入胶带由铜线(Copper wire)和无纺布胶带等构成，从而起着使外部半导电层216与金属护套层218之间的电接触顺畅的作用，所述水分吸收层以包含吸收渗透到电缆的水分的速度快且保持吸水状态的能力优异的高吸水性树脂(super absorbentpolymer；SAP)的粉末、胶带、涂层或膜等形态构成，从而起着防止水分在电缆长度方向渗透的作用。另外，为了防止在所述水分吸收层中的急剧的电场变化，可以在水分吸收层中包含铜线而构成。

在所述金属护套层218的外部形成有由诸如聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(polyethylene)等树脂构成的内部护套220，从而提高电缆的耐腐蚀性、遮水性等，能够发挥从机械性外部损伤和热、紫外线等其他外部环境因素中保护电缆的功能。尤其，在铺设于海底的电力电缆的情况下，优选使用遮水性优异的聚乙烯树脂，在要求阻燃性的环境中，优选使用聚氯乙烯树脂。

所述保护套部还具备：金属加强层，由半导电性无纺布胶带等构成，从而缓冲施加到电力电缆的外力；以及外部护套，由聚氯乙烯或聚乙烯等树脂构成，从而更加提高电力电缆的耐腐蚀性、遮水性等，能够从机械性外部损伤以及热、紫外线等其他外部环境因素中进一步保护电缆。

另外，铺设于海底的电力电缆因船舶的锚等而容易受到外部损伤，也因海流或波浪等而产生的弯曲力、与海底面的摩擦力等而破损，因此为了防止这种情况，可以在所述保护套部的外部形成有外部包装部。

所述外部包装部可以包括铠装层和胶层。所述铠装层可以交叉缠绕由钢铁、镀锌钢、铜、黄铜、青铜等构成且剖面形态为圆形、扁平形等的电线而构成为至少一层以上。所述铠装层不仅发挥加强电缆的机械特性和性能的功能，而且进一步从外力中保护电缆。由聚丙烯纱线等构成的所述胶层在所述铠装层的上部和/或下部形成一层以上而保护电缆，形成于最***的胶层由不同颜色的两种以上的材料构成，从而能够确保铺设于海底的电缆的可视性。

通过半导电组合物的挤出来形成所述内部半导电层212和外部半导电层216，所述半导电组合物在基体树脂中分散有炭黑、碳纳米管、碳纳米板、石墨等导电粒子且进一步添加有交联剂、抗氧化剂、抑焦剂等。

在此，为了所述半导电层212、216与所述绝缘层214的层间粘附力，所述基体树脂优选使用与形成所述绝缘层214的绝缘组合物的基体树脂类似系列的烯烃树脂，更优选的是，考虑到与所述导电粒子的相容性，优选使用烯烃和极性单体，例如乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯丙烯酸甲酯(EMA)、乙烯甲基丙烯酸甲酯(EMMA)、乙烯丙烯酸乙酯(EEA)、乙烯甲基丙烯酸乙酯(EEMA)、乙烯丙烯酸(异)丙酯(EPA)、乙烯甲基丙烯酸(异)丙酯(EPMA)、乙烯丙烯酸丁酯(EBA)、乙烯甲基丙烯酸丁酯(EBMA)等。

另外，根据包含于所述半导电层212、216的基体树脂的交联方式，所述交联剂可以是硅烷系交联剂；或过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、叔丁基过氧化异丙苯、二(叔丁基过氧化异丙基)苯、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷、二叔丁基过氧化物等有机过氧化物系交联剂。

并且，形成所述内部半导电层212和所述外部半导电层216的半导电组合物，以其基体树脂100重量份为基准，可以包含45重量份至70重量份的炭黑等导电粒子。在所述导电粒子的含量小于45重量份的情况下，无法实现充分的半导电特性，相反，当超过70重量份时，存在所述内部半导电层212和所述外部半导电层216的挤出性降低而表面特性降低或电缆的生产率降低的问题。

另外，在形成所述内部半导电层212和外部半导电层216的半导电组合物中，以其基体树脂100重量份为基准，所述交联剂的含量可以被精确地调节为0.1重量份至5重量份，优选为0.1重量份至1.5重量份。

在此，在所述交联剂的含量超过5重量份的情况下，在包含于所述半导电组合物的基体树脂交联时必然产生的交联副产物的含量会过多，这种交联副产物通过所述半导电层212、216与所述绝缘层214之间的界面移动到所述绝缘层214内部而积累异种电荷(heterocharge)，由此增加电场的畸变，可能会引发降低所述绝缘层214的介电击穿电压的问题，相反，当小于0.1重量份时，交联度不充分，从而所述半导电层212、216的机械特性、耐热性等可能会不充分。

例如，作为所述绝缘层214的基体树脂，可以是聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃树脂，所述绝缘层214可以优选通过包含聚乙烯树脂的绝缘组合物的挤出来形成。

所述聚乙烯树脂可以是超低密度聚乙烯(ULDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线型低密度聚乙烯(LLDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)或者它们的组合。另外，所述聚乙烯树脂可以是均聚物、乙烯与丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯等α-烯烃的无规或嵌段共聚物或它们的组合。

另外，形成所述绝缘层214的绝缘组合物包含交联剂，由此所述绝缘层214在挤出时或挤出之后可以通过单独的交联工程来构成为交联聚烯烃(XLPO)，优选为交联聚乙烯(XLPE)。另外，所述绝缘组合物可以进一步包含抗氧化剂、挤出性改善剂、交联助剂等其他添加剂。

包含于所述绝缘组合物的交联剂可以与包含于所述半导电组合物的交联剂相同，例如，根据所述聚烯烃的交联方式，可以是硅烷系交联剂；或者过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、叔丁基过氧化异丙苯、二(叔丁基过氧化异丙基)苯、2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧化)己烷、二叔丁基过氧化物等有机过氧化物系交联剂。在此，包含于所述绝缘组合物的交联剂可以以所述绝缘组合物的总重量为基准，以小于1重量％，例如0.1重量％以上且小于1重量％的含量包含。

本发明人们通过实验确认到在所述绝缘层214的交联时不可避免地产生的交联副产物中引发空间电荷产生的特定交联副产物为α-枯基醇(α-cumyl alcohol；α-CA)、苯乙酮(acetophenone；AP)以及α-甲基苯乙烯(α-methyl styrene；α-MS)，并且通过实验确认到如下内容，从而完成了本发明：将包含于形成所述绝缘层214的绝缘组合物的交联剂含量限制为小于1重量％，在所述绝缘层214的交联之后，能够通过脱气(degasing)来限制所述特定交联副产物的含量，尤其能够在绝缘层的厚度上按照位置限制所述特定交联副产物的含量，通过限制这种特定交联副产物的含量来能够显著地减少空间电荷产生和电场畸变，其结果能够同时防止或最小化所述绝缘层214的直流介电强度和脉冲破坏强度的降低。

此外，本发明人们通过实验确认到如下内容，从而完成了本发明：交联剂的含量被限制为小于1重量％，由此绝缘层214的交联度降低，其结果能够通过增加包含于形成所述绝缘层214的绝缘组合物的基体树脂的乙烯基含量而达到60％以上、例如60％至70％的交联度来解决所述绝缘层214的机械特性、热特性可能会降低的问题。

具体而言，当将所述绝缘层214的厚度三等分而被划分为配置于导体210正上方的底层、即内层、配置于所述内层上的中间层以及配置于所述中间层上的外层时，将包含于各层的所述三种特定交联副产物的总含量的平均值调节为3890ppm以下，从而抑制所述绝缘层214内的空间电荷产生，由此表示在所述绝缘层214内的电场畸变程度的下述数学式1的电场增强系数(Field Enhancement Factor；FEF)被调节为约140％以下，其结果能够同时防止或最小化所述绝缘层214的直流介电强度的降低和脉冲破坏强度的降低。

[数学式1]

FEF＝(在绝缘试样增加最大的电场/施加到绝缘试样的电场)×100

在所述数学式1中，

所述绝缘试样是通过形成所述绝缘层214的绝缘组合物的交联来制造且厚度为120μm的试样，

所述施加到绝缘试样的电场是施加到分别连接于所述绝缘试样中的面向彼此的表面的电极的直流电场且为50kV/mm，

所述在绝缘试样增加最大的电场为在所述绝缘试样施加50kV/mm的直流电场1小时的过程中增加的电场中的最大值。

此外，在所述绝缘层214中，所述内层配置于导体210的正上方而形成与内部半导电层212的异质界面，并且为被施加相对较高的电场而绝缘薄弱的部分，因此更加优选将包含于所述内层的所述三种特定交联副产物的总含量调节为3990ppm以下。

[实施例]

1.模型电缆的制造例

作为包括内部半导电层、绝缘层以及外部半导电层、绝缘厚度为约4mm且导体截面积为约400SQ的模型电缆，分别制造实施例和比较例的模型电缆，所述实施例和比较例的模型电缆通过调节添加于所述绝缘层的交联剂的含量，并且通过交联和脱气来调节交联副产物的含量，由此如下述表1所示调节将所述绝缘层的厚度三等分而被划分的内层、中间层以及外层的各层/交联副产物的各种交联副产物的含量。所述交联副产物含量是在所述各层中间任意部位采集试样并对其进行测定的。

[表1]

2.电场增强系数(FEF)的测定

从所述比较例和实施例的各自模型电缆的绝缘层中采集厚度为约120μm的绝缘试样之后，基于PEA(pulsed electro acoustic)系统，对所述绝缘试样施加50kV/mm的直流电场1小时，测定数学式1的电场增强系数(FEF)。测定结果如下述表2和图2所示，为了确认交联副产物含量和电场增强系数之间的相关关系，在与测定交联副产物含量的时间相同的时间点对电场增强系数(FEF)进行测定。

[表2]

	FEF(％)
		比较例1	159
比较例2	157
		比较例3	165
实施例1	137
		实施例2	135
实施例3	132

如上述表2和图2所示，在三种特定交联副产物的含量没有被调节的比较例1至3的绝缘试样中，表示因空间电荷产生而引起的电场畸变的电场增强系数(FEF)较高地表现为接近160％，由此预测到介电强度可能会显著降低。

相反，在本发明所涉及的实施例1至3的绝缘试样中，三种特定交联副产物的含量被精确地控制，从而抑制空间电荷产生，由此表示电场畸变的电场增强系数(FEF)较低地调节为140％以下，其结果预测到能够最小化介电强度的降低。

本说明书参照本发明的优选实施例进行了说明，但是本技术领域的技术人员可以在不脱离所附的权利要求书中记载的本发明的思想和技术领域的范围内，对本发明进行各种修改和变更。因此，只要变形的实施方式基本上包含本发明的权利要求书的构成要素，则应当视为均包含于本发明的技术范畴。