초록
송전 시스템의 안전 보호 시스템에서 절연 재료는 중요한 '수호자' 역할을 합니다. 이 기사에서는 폴리염화비닐(PVC), 가교 폴리에틸렌(XLPE), 폴리에틸렌(PE), 아크릴레이트 고무(EPR), 실리콘 고무(SIR), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등 6가지 주요 절연 재료의 성능 특성을 심층적으로 분석합니다. 국제전기기술위원회(IEC) 표준 및 UL(Underwriters Laboratories)의 인증 데이터와 결합하여 온도 저항, 기계적 강도 및 환경 보호 성능과 같은 주요 지표를 비교 분석함으로써 엔지니어링 선택에 대한 과학적 근거를 제공합니다. 연구에 따르면 90°C의 장기 작동 온도에서 XLPE의 파괴 강도는 30kV/mm(데이터 출처: IEEE Std 404)에 이르는 반면, PTFE는 -200°C~260°C의 극한 환경에서도 안정적인 유전체 특성을 유지할 수 있는 것으로 나타났습니다.
1. 폴리염화비닐(PVC): 경제적인 단열재 모델
전 세계적으로 38%(데이터 출처: 그랜드 뷰 리서치 2023)가 사용되는 절연 재료인 PVC는 뛰어난 비용 효율성으로 저전압 전기 시스템의 안전 방어선을 구축합니다. 체적 저항은 1×10¹²Ω-m에 달하며 정격 전압 범위는 0.6-1kV로 건물 배선의 요구 사항에 완벽하게 부합합니다. 그러나 70°C의 온도 상한은 고온 환경에서 난연제와 함께 사용해야 한다는 점에 유의해야 합니다. 다우케미칼의 새로운 친환경 PVC 포뮬러는 납 안정제 함량을 0.01% 미만으로 줄여 RoHS 인증을 통과했습니다.
2. 가교 폴리에틸렌(XLPE): 중전압 및 고전압 시스템의 수호신
방사선 조사 또는 화학적 가교 기술을 통해 XLPE의 결정 구조는 3차원 네트워크 시스템을 형성합니다. 열 연신율이 일반 PE의 400%에서 50% 이하로 감소하고(테스트 표준: IEC 60811), 90°C의 장기 작동 조건에서 노화 수명이 40년에 달할 수 있습니다. 특히 35kV 이상의 고압 케이블 분야에서 XLPE의 유전체 손실 탄젠트(tanδ)는 오일 함침 종이 절연보다 50% 낮아 송전 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 일본 스미토모 전기의 500kV XLPE 해저 케이블은 북해 풍력 발전 프로젝트에 성공적으로 사용되었습니다.
3. 폴리에틸렌(PE): 저온 환경에 선호되는 솔루션
HDPE 소재는 -50℃에서도 우수한 유연성을 유지하며 밀도 1.0g/cm³, 흡수율 0.02%(ASTM D570)로 추운 지역에 깔기에 특히 적합합니다. 하지만 산소 지수가 17%에 불과하다는 태생적 결함을 주의해야 합니다. 독일의 BASF는 나노 몽모릴로나이트 개질 기술을 통해 난연 등급을 UL94 V-0으로 높여 태양광 케이블의 적용 시나리오를 성공적으로 확장했습니다.
4. 생산자책임재활용제도(EPR): 유연한 단열재의 획기적인 발전
EPR 소재의 독특한 '소프트 세그먼트-하드 세그먼트' 구조는 파단 연신율 200%(ISO 37)로 진동이 잦은 철도 운송 분야에서 우수한 성능을 발휘합니다. 내유성은 ASTM D471 테스트를 통과했으며 IRM903 오일에 168시간 동안 담근 후 부피 변화는 10% 미만입니다. 프리즈미안의 EPR 절연 기관차 케이블은 50% 미만의 연기 밀도로 EN 45545-2 내화 인증을 통과했습니다.
5. 실리콘 고무(SIR): 고온 단열을 위한 최고의 솔루션
실리콘 메인 체인 구조로 인해 SIR 소재는 180°C의 고온에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있으며, CTI 값(비교 추적 지수)은 600V(IEC 60112)에 달합니다. 제철소의 고온 영역에서 신에츠화학의 실리콘 고무 케이블은 순간적인 1000°C 화염 충격을 견딜 수 있으며 세라믹 특성은 화재 시 절연 보호 층을 형성할 수 있습니다.
6. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE): 특수 단열재의 왕
PTFE의 F-C 결합 에너지는 485kJ/mol에 달해 불활성이 뛰어납니다. 강산 및 알칼리 환경에서 표면 저항은 1×10¹⁶Ω(ASTM D257)을 유지합니다. Gore가 확장 PTFE 기술을 사용하여 개발한 동축 케이블은 5G 밀리미터파 주파수 대역에서 유전율이 1.3으로 낮아 신호 감쇠를 40%까지 줄였습니다.
재료 선택 결정 매트릭스
| 색인 | PVC | XLPE | HDPE | EPR | SIR | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 온도 범위(℃) | -15~70 | -50~90 | -50~75 | -35~130 | -60~180 | -200~260 |
| 파괴 강도(kV/mm) | 20 | 30 | 25 | 22 | 18 | 40 |
| 비용 지수 | 1.0 | 2.5 | 1.2 | 3.0 | 4.5 | 8.0 |
| 환경 보호 수준 | B | A | A | B | A | C |
요약
PVC의 경제적 보편성에서 PTFE의 극한 성능에 이르기까지 6 가지 유형의 절연 재료가 전력 전송을위한 다차원 보호 시스템을 구축했습니다. 선택할 때는 "GB/T 12706-2020" 표준과 특정 작업 조건을 종합적으로 고려해야 합니다: 저전압 배전에는 PVC / PE가 선호되고, 중압 및 고전압 송전에는 XLPE를 선택해야하며, EPR은 동적 장면에 적합하고, SIR은 고온 환경에 표준이며, PTFE는 특수 요구 사항에 대해 잠겨 있습니다. EU REACH 규정의 가소제에 대한 제한이 강화됨에 따라 할로겐 프리 난연성 XLPE(데이터 출처: 유럽 케이블 2023 연례 보고서)가 연간 7%의 성장률로 기존 재료를 대체하고 있으며, 이는 절연 재료가 고성능 및 환경 보호를 향해 계속 진화하고 있음을 나타냅니다.
(권위 있는 참고 자료:
- IEC 60502 전원 케이블 표준 https://www.iec.ch
- UL 44 고무 절연 케이블 표준 https://www.ul.com
- 다우케미칼 PVC 기술 백서 https://www.dow.com
- 스미토모 전기 XLPE 적용 사례 https://global-sei.com
- 신에츠 실리콘 고무 화재 테스트 보고서 https://www.shinetsu.co.jp )