KR100357667B1 - 차폐된고전압가공선로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 가공선로, 특히 100kV이상의 전압을 위한 선로로서 지주구조물에 지지되는 상(相)도선을 갖는다. 본 발명에 따른 고전압 가공(架空)선로에서는 도선이 절연되고 지주의 지지점에서의 도선간의 간격은 도선간의 접촉을 피하기 위해 필요한 최소한의 간격보다도 더 좁으며 적어도 2개의 도선은 가상수직상의 상이한 높이에 위치한다.

Description

차폐된 고전압 가공(架空) 선로{SHELDED HIGH-VOLTAGE OVERHEAD LINE}

도 1은 본 발명에 채택된 차폐된 도선(shield conductor)을 도시한 실시예의 도면이다.

도 2는 서로 다른 도선들 사이의 표면 장 세기(surface field strength)의 비율이 상 간격(phase spacing)의 함수로서 코로나 유발 장(corona inception field)의 세기와 비교된 그래프를 도시한 것이다.

도 3도는 상이한 도선의 배치에 따른 지표면에서(at earth) 전기장의 세기를 나타낸 그래프이다.

도 4는 상이한 도선의 배치에 따른 지표면에서의 자속밀도(the density of the magnetic flux)를 나타낸 그래프이다.

도 5 내지 도 8은 가공선로를 위한 지주 구조물의 실시예를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 도선외피 2 : 절연층

3 : 연선(經線) 4 : 지지점

[발명의 상세한 설명]

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 40kV이상의 전압을 위한 차폐된 고전압 가공(high-voltage overhead line)선로에 관한 것으로서, 특히 지주 구조물(pole construction)에 의해 지지되는 공중 이음 상(相) 도선(aerially drawn phase conductors)을 갖는 차폐된 100kV이상의 전압을 위한 가공선로에 관한 것이다.

차폐된 고전압 가공선로, 즉 PAS선로는 종래의 피복되지 않은 도선대신에 플라스틱이 피복된 도선을 사용하고 있다. 상기 플라스틱 절연체는 종종 교차결합된 폴리에틸렌(cross-linked polyethylene), XLPE(PEX)이다. 상기 얇은 플라스틱 절연체는 도선들의 부딪힘으로 발생하는 중간 전압이상의 전압 스트레스( stress )와 나무등과의 접촉을 견딜수 있는 치수를 가진다.

20kV전압을 위한 PAS선로는 1980년대 초에 핀란드에 구축되어 왔으며, 종종 휠씬 고가(高價)의 지중(地中)선로의 대체선로를 제공한다. 게다가, 20kV의 전압을 위한 PAS선로는 보통 선로들간의 부딪힘에 의해서도 파열되거나 또는 도선에 손상을 주지 않기 때문에 종래의 가공선로보다도 그 사용에 있어서 보다 더 신뢰성을 제공한다.

핀란드의 『Elcctrical Inspectorate』(SETI) 회보 제 T 68-91호에는 20kV전압을 위한 금속피복이 전혀 없는 플래스틱 피복 가공선로의 규격이 규정되어 있다. 상기 회보에 의하면, 도선의 피복이 접촉으로 부터의 차폐를 위한 요건을 만족하지못하기 때문에, 일반적으로 피복되지 않은 가공선로에 대해 PAS선로의 도선에는 동일간격을 유지하도록 요구되고 있다. 아직도 몇 곳에서는 PAS선로가 사용될 때 상기 규정에 벗어나는 경우가 있다. 이러한 예외의 가장 중요한 부분은 현행 법규에서 규정된 간격의 1/3이 될 수도 있는 도전들의 지지점(fixlng point of conductors)사이의 최소한의 간격이다. 또한, 나무로부터의 거리는 도선의 절연체가 심지어 수개월동안 낙목(落木)이 기대는 것을 견딜 수 있기 때문에, 종래의 선로에 비해서 50%를 다소 상회하는 정도로 짧을 수도 있다. 이것은 선로 가로(conductor streets)의 필요폭을 감축시키며, 이에 따라 필요한 토지의 취득 가격을 줄일 수 있다. 110kV이상(예를 들어 220kV, 400kV )을 위한 절연된 가공선로는 전혀 사용되고 있지 않기 때문에, 110kV이상의 고전압선로를 위한 상기와 같은 법규는 없다. 현재 사용되고 있는 지주 구조물(pole constructions), 절연체 그리고 절연 및 도선 기구는 주로 피복되지 않은 도선을 위해 설계되어 있다. 비록 110kV PAS도선이 수시간동안 나무가 기대는 것을 견딜 수 있더라도 도선과 나무의 접촉은 높은 누설전류와 혼신(radio interfrerence)때문에 허용되어서는 안된다. 고전압선로의 절연은 기껏해야 도선들이 이전보다 서로 더 근접되거나 주위의 나무에 가까와지면 도선의 접촉에 이해 생기는 단락문제 이외의 다른 문제는 깊이 있게 고려되어 있지 않기 때문에, 상기 전압과 도선에 대해서는 낙뢰(a lightening stroke)에 의한 섬락(a flash-over) 또는 코로나(corona)현상이 아직까지 전혀 연구가 되어 있지 않다.

과거 십년동안, 전력선에 의해 발생하는 전기장과 자기장에 대해서 점점 더주의가 기울여져 왔다. 전력선의 자기장과 전기장의 한계는 미국의 몇개 주와 이탈리아에서 이미 규정되어 있다. 가공선로에 의해 발생되는 전기장과 자기장은 도선들의 상대적인 위치에 의해 감소될 수 있다. 가능한 한 도선들을 서로 근접되게, 예를 들면 정삼각형의 각 꼭지점에 배치(델타 배치)하는 것은, 최소한의 전 ·자기장이 발생하는 것을 가능하게 한다. 전기선(electric lines)에 있어서, 피복되지 않은 도선들이 상호 부딪히면 선로가 단락된다(short circuit). 적절하고 내구성이 있는 절연체의 결함뿐만 아니라 부딪힘과 코로나 현상을 방지하기 위해 필요한 최소한의 간격은 도선를 배치하는 종래의 방법이외의 다른 방법의 사용을 사실상 제한시켜 왔다. 핀란드에서 가장 흔히 채택되는 설치방법은 탑위에 수평으로 설치하는 것인데, 상기 방법은 지주 구조물(pole constructions)의 높이를 낮출 수 있도록 한다. 도선간의 최소한의 간격은 110kV에서는 3.5m 정도로, 이에 따라 경간(spans)을 200m로 할 때는 선로의 폭(width of the line clearing)은 적어도 16m가 될 것이다. 그러나, 실제적으로 종래의 도선를 위한 상 간격(phase spacing)은 약 4.5m이고 필요한 선로의 폭은 26m가 된다.

따라서, 상기 요소들 때문에 적어도 중간전압과 고전압의 가공선로에 있어서 도선들을 서로 근접하게 하는 것은 주변적인 이유(전기장과 자기장의 영향을 받는 공간을 축소하는 이유)를 위해서 뿐만이 아니라, 경제적인 이유(예를 들면 선로들이 점유하는 폭을 좁게하는 이유)를 위해서도 매우 바람직하고 또한 유리할 것이지만, 현재의 기술로써 이것을 실현하는 것은 고전압 선로를 위한 구축원리에 배치된다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

본 발명의 목적은 상 도선(phase conductors) 간에 필요한 간격을 실질적으로 줄이고, 보다 더 좁은 선로 가로(narrower conductor streets)에 적합하고 현재의 가공선로에 비해서 보다 적은 전기장과 자기장을 발생하는 차폐된 고전압 가공선로를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 차폐된 고전압 가공선로는 도체가 절연되고 지주에 의해 지지되는 위치(support points of the conductors)에서 도선사이의 간격이, 도선사이의 접촉을 피하기 위해 필요한 최소한의 간격보다도 좁으며, 적어도 도선들중 2개의 선은 수직선상의 서로 다른 높이에 위치한다는 점에 특징이 있다.

본 발명에 따른 가공선로의 상도선의 적당한 선정과 위치 그리고 알맞는 도선의 유형을 찾기 위하여 여러가지 실험들에서 검토한 많은 노력에 의해서, 본 발명의 차폐된 고전압 가공선로가 얻어진 것이다. 상기 선로는 종래 구조의 전력선과 관련된 몇가지 문제점을 해결하고 있다. 예를 들면 110kV의 전력선의 경우에 있어서, 선로 가로를 현재의 최소한의 폭16m에서 10m로 감축될 수 있으며(델타형상의 설치). 또한 도선의 수직설치에 의하면 지주의 높이를 매우 축소할 수 있다. 그리고 이하에서 설명되는 바와 같이 전기장과 자기장의 세기도 현재 선로의 장의 세기보다 상당히 감소된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예들은 청구항에서 설명한 것을 특징으로 한다.

[발명의 구성]

이하, 본 발명의 실시예애 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 차폐된 고전압 가공선로에서 사용할 수 있는 Nokia사의 SAX-355의 도선을 도시한 도면이다. 전류가 흐르는 도선은 원형도선으로서 알루미늄 합금의 연선다발(stranded wired)(3)로 이루어진다. 도선 외피(conductor sheathing)(1)는 전기장을 중화화키고 금속도체의 표면에서 방전장소가 만들어지는 것을 방지하기 위하여 반도체 플라스틱(semi-conductive plastic)으로 이루어진다. 절연층(insulating layer)(2)은 특히 고전압선에 사용되는 교차결합될 수 있는(crosslinkable) XLPE 플라스틱(PEX 플라스틱)으로 제조되며, 약 1.5mm 두께를 가진 최외층은 날씨의 변화에도 견딜 수 있도록 카본 블랙(carbon black)으로 도포되어 있다(doped). 또한, 도선규격은 전천후이고(weatherproof) 자외선 복사에 견디는 구조이며, 외경 39mm, 질량 1730kg/km, 절단부하(breaking load) 108kN 및 부하 정격(load rating)은 660A이다. 110kV SAX도선은 종래의 케이블 도선의 구조에 비해서 훨씬 더 얇은 절연 플라스틱층으로 차폐되어 있다. 절연은 경간(span) 내에서 상 도선(phase conductors) 간의 부딪힘(hitting)을 견딜 수 있는 치수로 되어 있다. 두 도선사이에 120kV의 전압이 인가된 시험에서, 도선들은 불꽃(spark) 방전이 없이 서로 간에 540,000회의 부딪힘이 있었다. 또한, 17일간의 치우침 시험(leaning test)이 동일도선에 행해졌는데, 상기 시험에서 서로에 대해 불꽃 방전이 없었다.

본 발명에 따른 절연된 도선의 최소한의 간격에 의해, 도선은 예를 들면 단락력(short-circuit forces)의 작용 또는 바람에 의해 서로 간에 부딪히는 것이 허용된다. 그러므로 필요한 최소한의 간격은 반드시 단락의 경우에 대한 기준보다는 상황에 적용될 수 있는 다른 근거에 의하여 계산되어져야 한다. 도선의 최소한의 간격(공기 절연)을 분석하기 위한 출발점은 Electrical Inspectorate』, 헬싱키, 1986년의 핀란드 출판물 제A4-86호인 전기 안정규정에 제공되어 있다. 상기 규정에는 견고한 구조의 경우에 대한 최소한 요건을 피복되지 않은 110kV도선에 대해 1.15m로 정하고 있다.

발명에 따른 절연된 상도선을 포함하는 가공선로의 절연작용을 위한 분석은 다음의 두가지 가정으로부터 출발한다.

· 지주의 상부구조(the top constructions of the poles)는 전체 경간(span)을 지탱하고,

· 상으로 부터 지표면으로의 불꽃 방전은 약 10%의 확률로써 발생하고 그 세기의 편차는 3%인 내(耐)전압범위의 서지전압(surge voltage)에서 발생한다.

본 발명의 목적은 상-지표면의 간극에서의 불꽃 방전이 상간(between the phases)의 간극에서의 불꽃 방전보다도 충분히 더 잘 발생하도록 상간의 클리어런스(clearance)의 치수를 정하는 것이다. 상기 가정에 따른 계산은 상과 지표면사이의 방전확률이 상간의 방전의 확률에 비하여 10배가 되도록 하기 위해 상간 클리어런스가 상과 지표면의 클리어런스보다 단지 3%만 크면 된다는 것을 보여준다. 만약, 100배의 확률을 원한다면 반드시 상간의 클리어런스는 각각 6% 더 커야 한다.

본 발명에 의하여 채택한 110kV 절연선의 아크방전의 거리는 87cm이고 상기전압에서의 자유 클리어런스(free clearance)는 90cm이기 때문에, 설계를 위한 시작점은 전기가 흐르는 부분의 상간의 최소한의 간격은 100cm, 즉 상-지표면의 클리어런스에 비해 10%이상 되게 하는 것이었다. 상기와 같은 규격이 만족될 때 낙뢰에 의해 발생되는 과전압은 거의 대부분 2상의 단락회로(2-phasc short circuit) 대신에 단상-지표면간의 장해(a single-phase earth fault)를 초래하게 된다.

절연된 상도선을 포함하는 본 발명의 가공선로에서는 보통보다도 더 작은 상간격(phase spaces)이 허용되기 때문에, 110kV 전압에서의 도선의 코로나 방전에 의해 제기되는 가능한 문제점들이 반드시 처리되어야 한다. 그러므로, 상간격의 함수로써의 코로나 유발 장의 세기에 대한 도선의 표면에서 장의 세기의 비율이 123kV의 전압으로써 계산되었으며 그 결과가 도 2에 도시되어 있다. 본 발명에 의해 채택된 치수 기준에 따르면, 상기 비율은 지주가 세워진 위치에서는 0.72의 최대값을, 그외의 다른 위치에서는 0.77의 최대값을 가질 수 있다.

계산의 결과는 채택되는 도선에 따라 다르다. Duck사의 ACSR 305/39와 Ostrich사의 ACSR 152/25의 두 도선의 시험에 있어서, Duck사의 도선을 사용하는 경우에는 상간격을 60cm로 줄일 수 있으며 어떠한 코로나 방전의 문제도 발생하지 않는다는 것을 발견하였다. 대체로, Nokia의 SAX 355 도선에도 동일 결과가 나타났다. Ostrich사의 도선으로는, 표면장의 세기가 같은 정도로 되기 위해서는 상간격은 130cm로 확장되어야 한다. 또한, 도선이 수직으로 위치(Don)할 때는 수평위치(Port)에 비해서 코로나 현상면에서 보면 보다 유리한 상간격 값을 얻을 수 있다.

따라서, 절연된 상도선 사이의 최소한의 간격은 적어도 110kV 가공선로에 있어서는 견고한 구조로 채택된 최소한의 간격과 동일한 정도로 될 수 있다고 말할 수 있다.

본 발명에 따르면 차폐된 도선은 상당한 상간격(Phase)의 축소와 선로가로(conductor streets)의 절감을 가능하게 하거나 또는 다른 방법으로 지주 구조물의 높이(the height of pole constructions)를 줄일 수 있다는 사실이 입증되었다. 또한, PAS선로의 중요한 잇점은 그에 의해 발생되는 전기장과 자기장의 세기가 더 좁은 상간격 때문에 종래의 선로와 비교하여 작다는 것이다. 도 3은 상이한 유형의 도선들에 대해 가공선로의 지표면에서의 전기장의 세기를 보여주는 그래프이고, 도 4는 그에 상응하는 자속밀도를 보여주고 있다. 표준 3-3.5m의 상간격을 갖는 수평, 수직, 삼각형 및 델타(delta)위치 구조의 종래 절연되지 않은 선로와 1.15m의 상간격을 갖는 수평, 수직, 삼각형 및 델타위치 구조의 PAS선로와의 비교결과가 표1에 표시되어 있다. 도 5에서는 도선이 수직으로 설치되어 있고, 도 6 및 도 7에서는 도선이 델타형상(도선이 정삼각형의 각 꼭지점에 위치하고 있다)으로 되어 있으며, 도 8에서는 종래와 같이 수평으로 설치되어 있다. 상기 구조에 있어서 상도선을 위한 지지점(support points)은 모든 도면에서 부호 4로 표시되어 있다. 상도선을 위한 지주(pole)나 타워(tower) 구조물에 지지하는 지지점(fixing)은 도선의 진동에 따른 문제를 없애기 위해서 탄력이 있어야 한다. 상도선의 절연체는 좀 더 좁은 상간격에 적합한 보통의 절연체를 사용해도 된다.

도 3 및 도 4에서 얻어진 결과를 측정하기 위한 기본적인 데이타는 다음과같다.

· U = 123 kV

· 부하 전류 100A, 전력 = 18 MW

· PAS도선 : SAX 355, σ₀= 40 N/mm2

· 피복되지 않은 도선 : ACSR 305/39, σ₀= 40 N/mm²

· 낙뢰(落雷)도선 : AACSR 106/25, σ₀= 60 N/mm²

· 송전 도선의 온도 : +15℃

· 낙뢰도선의 온도 : +5℃

· 지표면으로 부터 가장 낮은 송전도선의 클리어런스 : 70℃의 온도에서 5.9m(허용된 최소 높이)

· 경간 a_e= a = 200m

자기장의 관점에서, 도 3, 도 4 및 표1을 근거로 다음의 관측결과를 얻을 수 있다.

<표 1>에서 자기장의 관측결과(B_max는 자기장의 자속밀도의 상대적인 최대값이고 0.1μ T(0.2μ T)는 선로의 중앙으로부터 표에 나타낸 거리에서 이 값으로 감소한다).

표 1

[발명의 효과]

· PAS도선을사용한 선로의 수평설치(도 8)의 경우에는, 자속밀도의 최대값이 절연되지 않은 도선을 사용했을 때에 비해 약 1/3로 감소한다. 선로의 중앙에서 16m(PAS)와 33m(일반)의 클리어런스(clearing)를 갖도록 하면 자속밀도는 배경방사(background radiation)의 수준(=0.1μ T)으로 감소된다(곡선1 및 곡선6).

·선로를 수직설치(도 5)할 경우에는, PAS선로 하나의 자속밀도의 최대값(B_max)은 일반선에 비하여 약 1/2로 감소된다. 선로의 중앙에서 18m(PAS 도선)와 33m(일반 도선)의 클리어런스를 갖도록 하면 자속밀도는 배경방사의 수준으로 감소된다(곡선2 및 곡선7).

· 선로를 삼각형 설치할 경우에는, 선로의 자속밀도의 최대값이 일반 선로의 값으로 부터 감지될 수 있을 정도로 달라지지는 않는다(곡선3 및 곡선4). 그러나, PAS도선의 경우에 선로의 중앙에서 21m의 클리어런스(clearing)를 갖도록 하면 자속밀도는 배경방사의 수준으로 감소하는 반면, 절연되지 않은 선로를 사용하는 경우에는 클리어런스를 25m로 하여야 한다. 상기와 같은 미세한 차이는 도선의 간격 이외의 다른 요소, 예를 들면 자유 클리어런스가 도선의 위치를 결정한다는 사실 때문이다. 따라서, 상기 구조는 양 선로에 있어서 대략적으로 동일하다. 그러나, PAS도선은 전기장의 세기의 피크값을 반으로 축소할 수 있다(도 3).

·PAS도선을 델타형상(도 6 및 도 7)으로 설치할 경우에 발생되는 전자기장의 관점에서 보면 명백하게 최적의 해결방안이다. 절연되지 않은 일반 가공선로와 비교해 보면, 자속밀도의 최대값은 단지 1/5밖에 되지 않으며, 자속밀도는 선로로부터 13m거리에서 배경방사의 수준으로 감소된다(곡선8).

본 발명의 다른 실시예들은 본 명세서에 제시된 것에 제한되지 않는다는 것은 당업계의 숙련가에게는 명백하며 청구항의 범위내에서 여러가지로 변경할 수도 있는 것은 물론이다.

Claims (4)

1. 절연된 공중 이음(aerially drawn)의 상 도선들(insulated phase conductors)이 폴 구조(pole construction) 위에서 지지되고(support), 상기 폴들의 지지점(support points)(4)에서 상기 도선들 사이의 간격은 상기 도선들 간의 접촉을 피하기 위하여 필요한 최소한의 간격보다 더 작고, 각각의 도체 절연체는 기상 조건을 견딜 수 있는(weatherproof) 물질의 외피(outer layer)(2)를 포함하여 이루어지되, 100 kV 이상의 전압을 위한 사용에 적합하며 상기 절연체는 반도체(semi-conductive material)로 이루어진 적어도 하나의 내피(an inner layer)(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 공중선(a high-voltage overhead line).
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 외피(outer layer)(2)는 카본 블랙(carbon black)의 도포 도료로 칠해지는(doped) 교차 결합된 폴리에틸린 물질(cross-linked polyethylene material)을 포함하는 고전압 공중선.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 상 도선들은 상기 공중선의 가로지르는 평면 위에서(in the traverse plane) 겹쳐지도록(superposed relationship) 배열되는 것을 포함하는 고전압 공중선.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 상 도선들은 상기 공중선의 가로지르는 평면 위에서 삼각형 형태로(apiece of a triangle) 배열되는 것을 포함하는 고전압 공중선.