(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2010년09월10일
(11) 등록번호 10-0981239
(24) 등록일자 2010년09월02일
(51) Int. Cl.

H01B 9/00 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2008-0116366
(22) 출원일자 2008년11월21일
심사청구일자 2008년11월21일
(65) 공개번호 10-2010-0057359
(43) 공개일자 2010년05월31일
(56) 선행기술조사문헌
KR1020020029403 A
JP2001176333 A
JP2001006448 A
KR1020040080165 A
(73) 특허권자
엘에스전선 주식회사
경기 안양시 동안구 호계1동 1026-6
(72) 발명자
양훈철
인천광역시 남구 용현5동 대림아파트 7동 201호
임영석
인천광역시 남동구 구월4동 1315-2 3층
권양미
서울 동작구 흑석1동 241-7
(74) 대리인
특허법인필앤온지
전체 청구항 수 : 총 10 항 심사관 : 이강영
(54) 풍력 발전기용 전력 케이블 및 그 제조 방법
(57) 요 약
본 발명은 풍력 발전기로부터 발생되는 전력을 전송하기 위한 풍력 발전기용 전력 케이블에 관한 것이다. 이 전
력 케이블은, 여러개의 금속 소선이 모여 있는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 외주를 순서대로 둘러싸는 바인딩
테이프, 절연층 및 외부 시스를 포함하되, 상기 절연층은 중심에서 바깥으로 갈수록 인장 강도가 점진적으로 감
소하는 강도구배 특성을 갖는다.
대 표 도 - 도3
등록특허 10-0981239
- 1 -
특허청구의 범위
청구항 1
여러개의 금속 소선이 모여 있는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 외주를 순서대로 둘러싸는 바인딩 테이프, 절
연층 및 외부 시스를 포함하는 전력 케이블에 있어서,
상기 절연층은, 케이블의 중심부에서 바깥으로 갈수록 인장 강도가 점진적으로 감소하는 강도 구배를 갖는 것을
특징으로 하는 전력 케이블.
청구항 2
제 1 항에 있어서,
상기 절연층은, 케이블의 중심부에서 바깥으로 갈수록 탄성 계수가 점진적으로 증가하는 탄성 구배를 갖는 것을
특징으로 하는 전력 케이블.
청구항 3
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 절연층을 구성하는 고분자 수지는, 케이블의 중심부에서 바깥으로 갈수록 가교도가 점진적으로 낮아 지는
것을 특징으로 하는 전력 케이블.
청구항 4
제 3 항에 있어서,
상기 중심 도체는, 여러 가닥의 금속 소선들이 일정한 피치로 꼬여서 형성되는 것을 특징으로 하는 전력
케이블.
청구항 5
제 4 항에 있어서,
상기 절연층은 바인딩 테이프와 접하는 내벽과 외부 시스와 접하는 외벽을 갖고,
상기 내벽은 인장 강도가 1.5kgf/㎟ 이상이고, 탄성 계수가 200kg/㎠ 이하이며,
상기 외벽은 인장 강도가 1.0kgf/㎟ 이하이고, 탄성 계수가 400kg/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
청구항 6
제 5 항에 있어서,
상기 절연층의 신장율이 200% 이상인 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
청구항 7
여러 가닥의 금속 소선들을 의도적으로 꼬아서 중심 도체를 형성하는 단계;
상기 중심 도체의 외주를 바인딩 테이프로 둘러싸는 단계;
상기 바인딩 테이프의 바깥에 절연성 고분자 수지를 압출하여 절연층을 형성하되 중심에서 바깥으로 갈수록 인
장 강도가 점진적으로 낮아지는 강도구배 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층의 바깥에 외부 시스를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블의 제조 방법.

청구항 8
제 7 항에 있어서,
등록특허 10-0981239
- 2 -
상기 강도구배 절연층은 중심에서 바깥으로 갈수록 탄성 계수가 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 전력
케이블의 제조방법.
청구항 9
제 8 항에 있어서,
상기 강도구배 절연층은, 중심에서 바깥으로 갈수록 압출 온도가 낮아지는 압출 성형기를 이용하여 제조되는 것
을 특징으로 하는 전력 케이블의 제조 방법.
청구항 10
제 9 항에 있어서,
상기 강도구배 절연층은 바인딩 테이프와 접하는 내벽과 외부 시스와 접하는 외벽을 갖고,
상기 내벽은 인장 강도가 1.5kgf/㎟ 이상이고, 탄성 계수가 200kg/㎠ 이하이며,
상기 외벽은 인장 강도가 1.0kgf/㎟ 이하이고, 탄성 계수가 400kg/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 전력 케이블의
제조 방법.
명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은 전력 케이블에 관한 것으로서, 특히 풍력 발전기로부터 발생되는 전력을 전송하기 위한 풍력 발전기[0001]
용 전력 케이블에 관한 것이다.
배 경 기 술
최근 풍력 발전이 화석 연료에 대한 대체 에너지로 부각되며 고성장세를 지속, 2005년 이후 신규 발전용량은 연[0002]
평균 36%로 고성장하고 있다.
이에 따라, 풍력 발전기의 발전 용량 역시 1,000Kw급에서 2,000Kw급 까지 대형화되고 있는 추세이다. [0003]
도 1은 통상적인 풍력 발전기의 개략 구성도이다. 도 1을 참조하면, 풍력 발전기(10)는 타워(11)의 정상에 풍차[0004]
(12)와 더불어 회전력 전달기구, 발전기 등을 구비한 발전 유닛이 타워를 중심으로 회전 가능하게 설치되어 있
다. 이 발전 유닛내에는 전력 전송을 위한 전력 케이블이 설치되어 있는데, 발전 유닛이 좌,우로 회전함에 따라
이 전력 케이블 역시 큰 각도로 비틀리게 된다. 일반적으로 그 비틀림각은 최대 ±540°정도에 달한다.
도 2는 이러한 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면 구조를 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 종래의 전력 케이블[0005]
은 중심 도체(100), 바인딩 테이프(101), 절연층(102) 및 외부 시스(103)가 순서대로 배치되는 구성을 갖는다.
상기 중심 도체(100)는 여러개의 구리선이나 구리 합금선이 케이블의 중심축을 중심으로 의도적으로 꼬여 있는[0006]
복합 연선 구조이고, 이 중심 도체(100)의 외주를 바인딩 테이프(101)가 감싸고 있다. 또한, 이 바인딩 테이프
(101)의 외주에는 차례대로 합성 고무 재질의 절연층(102)과 PVC 재질의 외부 시스(103)가 위치된다.
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
이러한 종래의 전력 케이블에 있어서는, 발전 유닛이 타워에 대해 회전함에 따라 발전 유닛내에 포설된 전력 케[0007]
이블에 반복적인 비틀림 거동이 가해진다. 이러한 비틀림 거동에 의해 중심 도체를 형성하는 금속 소선들이 서
로 마찰하거나 크게 굴곡(예를 들어, 굽힘, 꺽임, 좌굴)됨으로써 쉽게 파손되거나 단선될 우려가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 외부의 충격이 중심 도체로 전달되는 것을 최소화하기 위해 절연층이나 외부[0008]
시스의 기계적 강도를 높여야 한다. 그러나, 기계적 강도의 강화를 위해서는 시스층(절연층과 외부 시스)의 두
등록특허 10-0981239
- 3 -
께를 두껍게 하거나 시스층의 재질 강도를 높이는 방법 밖에 없다.
그러나, 시스층의 두께를 두껍게 하는 것은 케이블의 소형화 추세에 반하고, 시스층의 재질 강도를 높이는 것은[0009]
시스층의 유연성을 희생하게 되어 큰 외부 충격에 의해 시스층이 파괴될 우려가 있다.
따라서, 비틀림 변형에 대해 강한 내구성을 가지면서 동시에 큰 굴곡 반경에 대해 유연성을 가질 수 있는 전력[0010]
케이블의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 비틀림 변형에 대해 강인한 특성을 갖는 풍력발전기용 전력 케이블을 제시하는 것이다. [0011]
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분[0012]
명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해
실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
과제 해결수단
본 발명의 일 양태에 따른 전력 케이블은, 여러개의 금속 소선이 모여 있는 중심 도체와, 상기 중심 도체의 외[0013]
주를 순서대로 둘러싸는 바인딩 테이프, 절연층 및 외부 시스를 포함하되, 상기 절연층은 중심에서 바깥으로 갈
수록 인장 강도가 점진적으로 감소하는 강도구배 특성을 갖는다. 또한, 상기 절연층을 구성하는 고분자 수지는,
케이블의 중심에서 바깥으로 갈수록 가교도가 낮아지기 때문에 중심에서 바깥으로 갈수록 탄성 계수가 점진적으
로 증가하는 탄성구배 특성도 갖게 된다.
또한, 상기 중심 도체는, 여러 가닥의 금속 소선들이 일정한 피치로 꼬여 있는 복합 연선 유닛으로 형성된다. [0014]
또한, 본 발명의 다른 일 양태에 따른 전력 케이블의 제조 방법은, 여러 가닥의 금속 소선들을 의도적으로 꼬아[0015]
서 하나의 복합 연선을 구성하는 것에 의해 중심 도체를 형성하는 단계; 상기 중심 도체의 외주를 바인딩 테이
프로 둘러싸는 단계; 상기 바인딩 테이프의 바깥에 절연성 고분자 수지를 압출하여 절연층을 형성하되 중심에서
바깥으로 갈수록 인장 강도가 점진적으로 낮아지는 강도구배 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층의 바깥에
외부 시스를 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 강도구배 절연층은 중심에서 바깥으로 갈수록 탄성 계수가
점진적으로 증가하는 탄성구배 특성도 아울러 가진다.
이러한 강도구배 절연층은, 중심에서 바깥으로 갈수록 압출 온도가 낮아지는 압출 성형기를 이용하여 압출하는[0016]
것에 의해 성형된다.
상기 절연층(또는 강도구배 절연층)은 바인딩 테이프와 접하는 내벽과 외부 시스와 접하는 외벽을 갖고, 상기[0017]
내벽은 인장 강도가 1.5kgf/㎟ 이상이고, 탄성 계수가 200kg/㎠ 이하이며, 상기 외벽은 인장 강도가 1.0kgf/㎟
이하이고, 탄성 계수가 400kg/㎠ 이하인 것을 특징으로 한다.
효 과
본 발명에 따른 전력 케이블은 반복적인 비틀림 변형에 대해 강한 내구성을 가질 뿐만 아니라 큰 굴곡에 대한[0018]
시스층의 유연성이 우수하다. 따라서, 본 발명의 전력 케이블은 잦은 비틀림 변형과 큰 굴곡이 가해지는 가혹한
환경에 적합하다. 특히, 본 발명의 전력 케이블은 풍력 발전기용으로 사용될 경우 매우 우수한 특성을
발현한다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 각 도면중에서 동일 부호는 동일 또는 동등한 구성요소를[0019]
나타내고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전기용 전력 케이블의 종단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 전력 케이블[0020]
(200)은 케이블의 중심에 중심 도체(201)를 두고, 이 중심 도체(201)의 외주에 순서대로 바인딩 테이프(202),
절연층(203) 및 외부 시스(204)가 차례대로 배치된다.
상기 중심 도체(201)는 복수의 금속 소선들을 의도적으로 꼬아 만든 복합 연선 유닛으로서, 상기 금속 소선은[0021]
단일 금속으로 이루어지거나 적어도 2 이상의 금속의 합금으로 이루어진다. 즉, 상기 금속 소선은 구리(Cu), 알
루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni)중에서 선택된 금속으로 이루어지거나 이들 금속들의 합금으로 이루어진다. 상기
중심 도체(201)는 신장율 15% 이상과 인장 강도 27kgf/㎟ 이하를 갖는 것이 바람직하다.
상기 바인딩 테이프(202)는 상기 중심 도체(201)의 외주를 둘러싸서 감싸는 것에 의해 꼬여 있는 금속 소선들을[0022]
등록특허 10-0981239
- 4 -
묶어준다. 이 바인딩 테이프(202)로는 면사로 직조된 테이프, 폴리에스터 테이프(예를 들어, 테트론 테이프)나
폴리스티렌 테이프 등이 사용될 수 있다. 상기 바인딩 테이프(202)는 신장율 50% 이상과 인장 강도 6kgf/㎟ 이
하를 갖는 것이 바람직하다.
상기 절연층(203)은 상기 바인딩 테이프(202)로 묶여 있는 중심 도체(201)의 외주에 압출 성형되는 절연 고분자[0023]
수지층으로서 외부의 비틀림 변형이 중심 도체로 전달되는 것을 최소화하고, 케이블의 큰 굴곡에도 유연한 물리
적 특성을 가져야 한다. 이를 위해, 상기 절연층(203)은 바인딩 테이프(202)와 근접하는 내부 영역과 외부 시스
(204)와 근접하는 외부 영역의 인장 강도와 탄성 계수가 서로 다른 것이 특징이다. 즉, 비틀림 변형에 강인성을
가져야 하는 상기 내부 영역은 상대적으로 높은 인장 강도와 상대적으로 낮은 탄성 계수를 갖는 반면에, 큰 굴
곡에 대해 유연성을 가져야 하는 상기 외부 영역은 상대적으로 낮은 인장 강도와 상대적으로 높은 탄성 계수를
갖도록 설정된다.
도 3을 참조하면, 바인딩 테이프(202)와 접하는 면의 반경을 ri라 하고, 외부 시스(204)와 접하는 면의 반경을[0024]
rf라 하면, 절연층(203)의 반경 r이 ri에서 rf로 증가함에 따라(즉, 중심에서 바깥으로 갈수록) 인장 강도는 서
서히 감소하고, 탄성 계수는 서서히 증가하는 강도 구배 및 탄성 구배를 갖는다.
상기 절연층(203)은 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리카보네이트, EPR(Ethylene[0025]
Propylene Rubber) 등을 포함하는 그룹으로부터 선택된 고분자수지로 형성된다. 이들 고분자 수지들은 모두 온
도(또는 광조사의 정도)에 따라 가교 정도가 달라지는 물질이다. 따라서, 절연층의 압출 성형시에 반경(r)이 ri
에서 rf로 커짐에 따라 가열되는 온도에 구배를 형성하여 가교 정도를 달리함으로써 인장 강도와 탄성 계수에 대
해 구배를 형성하는 것이 가능하다. 즉, 압출 성형시에 중심에서 바깥으로 갈수록 가열 온도를 낮춰줌으로써 내
부 영역에서 외부 영역으로 갈수록 가교 정도를 낮출 수 있다. 이에 따라, 절연층의 인장강도는 중심에서 바깥
으로 갈수록 낮아지고, 탄성 계수는 중심에서 바깥으로 갈수록 높아지게 된다.
예를 들어, 상기 절연층(203)을 구성하는 고분자 수지층의 신장율은 200% 이상인 것이 바람직하고, 상기 ri 지[0026]
점의 절연층(이하, 내벽)은 인장강도 1.5kgf/㎟ 이상, 탄성 계수 200kg/㎠ 이하를 갖고, 상기 rf 지점의 절연층
(이하, 외벽)은 인장강도 1.0kgf/㎟ 이상, 탄성 계수 400kg/㎠ 이하인 것이 바람직하다.
상기 절연층(203)의 외주에는 PVC 재질의 외부 시스(204)가 일정한 두께로 압출 성형된다. 이 외부 시스(204)는[0027]
신장율 120% 이상과 인장 강도 2.0kgf/㎟ 이하를 갖는 것이 바람직하다.
이러한 구조로 형성된 전력 케이블은 중심 도체와 근접한 시스층은 상대적으로 높은 인장강도와 낮은 탄성 계수[0028]
를 갖고, 중심 도체로부터 멀어질수록 시스층의 인장강도는 낮아지고, 탄성 계수는 높아진다. 이로 인해, 비트
림 변형에 대해 강건하고, 굴곡시에 보다 유연한 탄성을 발휘할 수 있게 된다.
이하에서는 상술한 구조의 풍력 발전기용 전력 케이블의 제조 방법을 간략하게 살펴본다. [0029]
먼저, 일정한 직경의 금속 소선을 여러 가닥 준비하고, 이 금속 소선들을 횡권 장치에 통과시켜 일정한 피치의[0030]
꼬임을 형성하는 것에 의해 중심 도체(201)를 제조한다. 이렇게 제조된 중심 도체(201)의 외주에 바인딩 테이프
(202)를 감고, 일정한 온도 구배를 갖는 압출 성형기를 통과시켜 반경이 증가함에 따라 인장 강도가 서서히 감
소하고, 탄성 계수가 서서히 증가하는 절연층(203)을 압출 성형한다. 이 절연층(203) 위에 다시 PVC 재질의 외
부 시스(204)를 압출 성형하는 것에 의해 본 발명에 따른 풍력 발전기용 전력 케이블을 완성한다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 전력 케이블을 비교예와 대비하여 설명한다. [0031]
실시예 [0032]
0.012mmφ의 동선 1830개를 꼬아 직경이 22mm, 신장율 20%, 인장 강도 25kgf/㎟을 갖는 중심 도체를 제작하고,[0033]
이 중심 도체의 외주에 두께 0.03mm, 신장율 55%, 인장 강도 5kgf/㎟인 테트론 테이프(Tetron Tape)를 감고, 내
벽의 인장 강도가 1.9kgf/㎟, 탄성 계수가 380kg/㎠ 이고, 외벽의 인장강도가 1.2kgf/㎟, 탄성 계수가 195kg/㎠
가 되도록 반경 방향으로 일정하게 인장 강도는 감소하고, 탄성 계수는 증가하는 두께 2.8mm, 신장율 205%의 폴
리우레탄 재질의 절연층을 압출한다. 절연층의 외주에 다시 두께 3.2mm, 신장율 125%, 인장 강도 1.8kgf/㎟을
갖는 PVC 재질의 외부 시스를 압출하여 전력 케이블 시편을 제작하였다.
비교예 [0034]
0.012mmφ의 동선 1830개를 꼬아 직경이 22mm, 신장율 20%, 인장 강도 25kgf/㎟을 갖는 중심 도체를 제작하고,[0035]
등록특허 10-0981239
- 5 -
이 중심 도체의 외주에 두께 0.03mm, 신장율 55%, 인장 강도 5kgf/㎟인 테트론 테이프(Tetron Tape)를 감고, 두
께 2.8mm, 신장율 205%, 인장 강도 1.1kgf/㎟, 탄성 계수 240kg/㎠인 폴리우레탄 재질의 절연층을 압출한다. 이
때, 이 절연층의 인장 강도와 탄성 계수는 반경 방향에 대해 균일한 값을 갖는다. 절연층의 외주에 다시 두께
3.2mm, 신장율 125%, 인장 강도 1.8kgf/㎟을 갖는 PVC 재질의 외부 시스를 압출하여 전력 케이블 시편을 제작하
였다.
<비틀림 피로 강도 테스트>[0036]
상기 실시예의 시편과 비교예의 시편을 각각 MTS axial torsional 테스트기에 설치하고, 144 degree/m로[0037]
15,000회 반복한 후, 중심 도체를 구성하는 금속 소선의 파손 가닥수를 측정하고, 그 결과를 표 1에
나타내었다. 이때, 테스트의 정확성을 높이기 위해 동일한 시험을 3차에 걸쳐 실시하였다.
표 1
[0038] 실시예 비교예
파손 가닥수 파손율[%] 파손 가닥수[개] 파손율[%]
1차 61 가닥 3% 233 가닥 13%
2차 29 가닥 1.6% 353 가닥 19%
3차 23 가닥 1.3 245 가닥 13%
여기서, 파손율[%]은 총 가닥수(1,830 가닥)에 대한 파손 가닥수의 백분율을 나타낸다.[0039]
상기 표 1로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예는 10% 이상의 파손율을 나타내는 반면에 실시예는 3% 이[0040]
하의 파손율을 나타내었다. 따라서, 비교예에 비해 실시예의 전력 케이블이 반복적인 비틀림 변형에 대해 높은
내구성을 나타냄을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다. 하지만, 본 발명[0041]
의 실시예들은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이
가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
도면의 간단한 설명
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술하는 발명의 상세한[0042]
설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사
항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 풍력 발전기의 측면도. [0043]
도 2는 종래의 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면도.[0044]
도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면도. [0045]
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>[0046]
201 : 중심 도체 202 : 바인딩 테이프[0047]
203 : 절연층 204 : 외부 시스[0048]
등록특허 10-0981239
- 6 -
도면
도면1
도면2
도면3
등록특허 10-0981239
- 7 -

+ Recent posts

티스토리툴바