KR101023561B1 - 비틀림 내구성이 우수한 풍력 발전기용 전력 케이블 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전기로부터 발생되는 전력을 전송하기 위한 풍력 발전기용 전력 케이블에 관한 것이다. 이 전력 케이블은, 5kgf/㎟ ~ 120kgf/㎟의 인장 강도를 갖고, 길이 방향으로 연장되는 절연성의 중심 보강재; 상기 중심 보강재의 외주에 배치되어 전력을 길이 방향으로 전달하기 위한 복합 연선 도체층; 및 상기 복합 연선 도체층의 외주에 압출 성형되는 시스층을 포함하여 구성된다.

풍력 터빈, 전력 케이블, 중심 보강재

Description

비틀림 내구성이 우수한 풍력 발전기용 전력 케이블 및 그 제조 방법{An Electric Power Cable For Windturbine Having High Torsional Endurance Property And Method For Producing The Same}

본 발명은 전력 케이블에 관한 것으로서, 특히 풍력 발전기로부터 발생되는 전력을 전송하기 위한 풍력 발전기용 전력 케이블에 관한 것이다.

최근 풍력 발전이 화석 연료에 대한 대체 에너지로 부각되며 고성장세를 지속, 2005년 이후 신규 발전용량은 연평균 36%로 고성장하고 있다.

이에 따라, 풍력 발전기의 발전 용량 역시 1,000Kw급에서 2,000Kw급 까지 대형화되고 있는 추세이다.

도 1은 통상적인 풍력 발전기의 개략 구성도이다. 도 1을 참조하면, 풍력 발전기(10)는 타워(11)의 정상에 풍차(12)와 더불어 회전력 전달기구, 발전기 등을 구비한 발전 유닛이 타워를 중심으로 회전 가능하게 설치되어 있다. 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 케이블은 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 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.

이러한 종래의 전력 케이블에 있어서는, 발전 유닛이 타워에 대해 회전함에 따라 발전 유닛내에 포설된 전력 케이블에 반복적인 비틀림 거동이 가해진다. 이러한 비틀림 거동에 의해 중심 도체를 형성하는 금속 소선들이 서로 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 시스의 기계적 강도를 높여야 한다. 그러나, 기계적 강도의 강화를 위해서는 시스층(절연층과 외부 시스)의 두께를 두껍게 하거나 시스층의 재질 강도를 높이는 방법 밖에 없다.

그러나, 시스층의 두께를 두껍게 하는 것은 케이블의 소형화 추세에 반하고, 시스층의 재질 강도를 높이는 것은 시스층의 유연성을 희생하게 되어 큰 외부 충격에 의해 시스층이 파괴될 우려가 있다.

따라서, 케이블의 외경을 크게 증대시키지 않으면서 비틀림 변형에 대해 강한 내구성을 가지는 새로운 전력 케이블의 개발이 요구된다.

본 발명의 목적은 비틀림 변형에 대해 강인성을 갖는 풍력발전기용 전력 케이블을 제시하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 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.

본 발명의 일 양태에 따른 전력 케이블은, 적어도 5kgf/㎟ 이상의 인장 강도를 갖고, 길이 방향으로 연장되는 절연성의 중심 보강재; 상기 중심 보강재의 외주에 배치되어 전력을 길이 방향으로 전달하기 위한 복합 연선 도체층; 및 상기 복합 연선 도체층의 외주에 압출 성형되는 시스층을 포함한다.

상기 중심 보강재는 여러 가닥의 고강도사를 꼬아 만든 것으로서, 그 인강 강도가 최대 120 kgf/㎟ 이하인 것이 바람직하다.

상기 복합 연선 도체는, 상기 중심 보강재의 주변을 여러 가닥의 금속 소선을 꼬아서 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 전력 케이블은, 상기 복합 연선 도체와 시스층 사이에 바인딩 테이프를 더 포함하고, 상기 시스층은 다시 바인딩 테이프의 외주에 압출, 성형되는 절연층과, 상기 절연층의 외주에 압출, 성형되는 외부 시스로 이루어진다.

본 발명에 따른 전력 케이블은 반복적인 비틀림 변형에 대해 강한 내구성을 가진다. 따라서, 본 발명의 전력 케이블은 잦은 비틀림 변형이 가해지는 가혹한 환경에 적합하다. 특히, 본 발명의 전력 케이블은 풍력 발전기용으로 사용될 경우 매우 우수한 특성을 발현한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 각 도면중에서 동일 부호는 동일 또는 동등한 구성요소를 나타내고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전기용 전력 케이블의 종단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 전력 케이블(200)은 케이블의 중심에 중심보강재(205)를 두고, 이 중심보강재(205)의 외주를 다수의 금속 소선이 둘러싸고 있다. 이 금속 소선들은 상기 중심보강재(205)를 중심으로 일정한 피치로 꼬여 하나의 복합 연선 도체(201)를 형성한다. 이 복합 연선 도체(201)는 중심보강재(205)를 중심으로 여러 가닥(예를 들어, 1830가닥)의 금속 소선들이 꼬여서 다중의 층을 형성하고 있다.

상기 복합 연선 도체(201)의 외주에는 바인딩 테이프(202), 절연층(203) 및 외부 시스(204)가 차례대로 배치된다.

상기 중심보강재(205)는 폴리올레핀이나 폴리에스터 재질의 고강도 실이나 면사, 불변사 등을 일정한 피치로 꼬아서 형성한다. 이렇게 형성되는 중심보강재(205)는 신장율이 6% 이상이고, 인장 강도가 5~120 kgf/㎟을 갖는다. 중심보강재(205)의 인장 강도가 5 kgf/㎟을 하회하면, 비틀림 변형에 대해 충분한 내구성을 가질 수 없고, 120 kgf/㎟을 상회하면, 케이블의 유연성이 떨어져서 큰 굴곡으로 인해 외부 시스층이 파손될 수 있다.

상기 복합 연선 도체(201)는 상기 중심보강재(205)의 외주를 복수의 금속 소선들로 의도적으로 꼬아 만든 복합 연선 유닛으로서, 이 복합 연선 도체를 통해 전력이 전송된다. 상기 금속 소선은 단일 금속으로 이루어지거나 적어도 2 이상의 금속의 합금으로 이루어진다. 즉, 상기 금속 소선은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe), 니켈(Ni)중에서 선택된 금속으로 이루어지거나 이들 금속들의 합금으로 이 루어진다. 상기 복합 연선 도체(201)는 신장율 15% 이상과 인장 강도 27kgf/㎟ 이하를 갖는 것이 바람직하다.

상기 바인딩 테이프(202)는 상기 복합 연선 도체(201)의 외주를 둘러싸서 감싸는 것에 의해 중심보강재(205)와 복합 연선 도체(201)를 튼튼하게 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/㎟ 이하를 갖는 것이 바람직하다.

상기 절연층(203)은 상기 바인딩 테이프(202)의 외주면에 압출 성형되는 절연 고분자 수지층이다. 절연층(203)을 구성하는 고분자 수지로는 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리카보네이트, EPR(Ethylene Propylene Rubber) 등을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.

상기 절연층(203)은 신장율 100% 이상과 인장 강도 1.1kgf/㎟ 이하를 갖는 것이 바람직하다.

상기 절연층(203)의 외주에는 PVC 재질의 외부 시스(204)가 일정한 두께로 압출 성형된다. 이 외부 시스(204)는 신장율 120% 이상과 인장 강도 2.0kgf/㎟ 이하를 갖는 것이 바람직하다.

이러한 구조로 형성된 전력 케이블은 케이블의 중심부에 중심보강재(205)를 더 포함하고 있기 때문에 케이블에 인가되는 비트림 응력에 의해 복합 연선 도체(201)를 구성하는 금속 소선들이 파손되거나 단선되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 복합 연선 도체(201)를 구성하는 금속 소선들은 중심보강부재(205)를 중심으로 꼬 여 있기 때문에 외부에서 비틀림 응력이 가해지더라도 강인하게 저항하는 것이 가능하다.

이하에서는 상술한 구조의 풍력 발전기용 전력 케이블의 제조 방법을 간략하게 살펴본다.

먼저, 다수 가닥의 고강도사를 서로 꼬아서 중심 보강 부재(205)를 준비한다. 또한, 일정한 직경의 금속 소선을 여러 가닥 준비하고, 이 금속 소선들과 상기 중심 보강 부재(205)를 횡권 장치에 통과시켜 중심 보강 부재(205)를 중심에 두고, 다수의 금속 소선들이 다층으로 꼬인 복합 연선 도체(201)를 제조한다. 이렇게 제조된 복합 연선 도체(201)의 외주에 바인딩 테이프(202)를 감고, 폴리우레탄과 같은 고분자 수지를 압출시켜 절연층(203)을 형성한다. 이 절연층(203) 위에 다시 PVC 재질의 외부 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.

실시예

직경이 2.2mm, 신장율 8%, 인장 강도가 50kgf/㎟인 중심보강부재의 주위에 0.11mmφ의 동선 1830개를 꼬아 두께가 20mm, 신장율 20%, 인장 강도 25kgf/㎟를 갖는 복합 연선 도체를 제작한다. 이 복합 연선 도체의 외주에 두께 0.03mm, 신장율 55%, 인장 강도 5kgf/㎟인 테트론 테이프(Tetron Tape)를 감고, 두께 2.8mm, 신장율 205%, 인장 강도 0.98kgf/㎟인의 폴리우레탄 재질의 절연층을 압출한다. 절연 층의 외주에 다시 두께 3.2mm, 신장율 125%, 인장 강도 1.8kgf/㎟을 갖는 PVC 재질의 외부 시스를 압출하여 전력 케이블 시편을 제작하였다.

비교예 1

0.012mmφ의 동선 1830개를 꼬아 직경이 22mm, 신장율 20%, 인장 강도 25kgf/㎟을 갖는 중심 도체를 제작하고, 이 중심 도체의 외주에 두께 0.03mm, 신장율 55%, 인장 강도 5kgf/㎟인 테트론 테이프(Tetron Tape)를 감고, 두께 2.8mm, 신장율 205%, 인장 강도 1.1kgf/㎟, 탄성 계수 240kg/㎠인 폴리우레탄 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 2

직경이 2.2mm, 신장율 8%, 인장 강도가 4kgf/㎟인 중심보강부재의 주위에 0.11mmφ의 동선 1830개를 꼬아 두께가 20mm, 신장율 20%, 인장 강도 25kgf/㎟를 갖는 복합 연선 도체를 제작한다. 이 복합 연선 도체의 외주에 두께 0.03mm, 신장율 55%, 인장 강도 5kgf/㎟인 테트론 테이프(Tetron Tape)를 감고, 두께 2.8mm, 신장율 205%, 인장 강도 0.98kgf/㎟인의 폴리우레탄 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 3

직경이 2.2mm, 신장율 8%, 인장 강도가 130kgf/㎟인 중심보강부재의 주위에 0.11mmφ의 동선 1830개를 꼬아 두께가 20mm, 신장율 20%, 인장 강도 25kgf/㎟를 갖는 복합 연선 도체를 제작한다. 이 복합 연선 도체의 외주에 두께 0.03mm, 신장율 55%, 인장 강도 5kgf/㎟인 테트론 테이프(Tetron Tape)를 감고, 두께 2.8mm, 신장율 205%, 인장 강도 0.98kgf/㎟인의 폴리우레탄 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.

<비틀림 피로 강도 테스트>

상기 실시예의 시편과 비교예들의 시편을 각각 MTS axial torsional 테스트기에 설치하고, 144 degree/m로 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.

<시스층 파손 테스트>

상기 실시예의 시편과 비교예의 시편들을 케이블 외경의 5배의(5*36 mm) 곡률 반경으로 1,000 회에 걸쳐 구부린 후 시편의 표면에 파손이 발생하였는지 여부를 관찰하고, 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

	실시예		비교예 1		비교예 2		비교예 3
	파손 가닥수	파손율	파손 가닥수	파손율	파손 가닥수	파손율	파손 가닥수	파손율
1차	27	1.4%	988	54%	622	34%	695	38%
2차	20	1.1%	826	45%	787	43%	826	45%
3차	37	2.0%	1190	65%	826	45%	1025	56%
	○		○		○		×

(여기서, 파손율[%]은 총 가닥수(1,830 가닥)에 대한 파손 가닥수의 백분율을 나타내고, ○ : 시스층에 파손이 발생하지 않은 상태, × : 시스층에 파손이 발생한 상태를 나타낸다.)

상기 표 1로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 비교예 1 및 비교예 2는 모두 10% 이상의 파손율을 나타내는 반면에 실시예는 3% 이하의 파손율을 나타내었다. 따라서, 비교예들에 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 발명의 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.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 풍력 발전기의 측면도.

도 2는 종래의 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전기용 전력 케이블의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

201 : 복합 연선 도체 202 : 바인딩 테이프

203 : 절연층 204 : 외부 시스

205 : 중심 보강재

Claims (6)

1. 5kgf/㎟ 이상, 120 kgf/㎟ 이하의 인장 강도를 갖고, 길이 방향으로 연장되는 절연성의 중심 보강재;

   상기 중심 보강재의 외주에 배치되어 전력을 길이 방향으로 전달하기 위한 복합 연선 도체층;

   상기 복합 연선 도체층의 외주에 압출 성형되는 시스층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 중심 보강재는 여러 가닥의 고강도사를 꼬아 만든 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 복합 연선 도체는, 상기 중심 보강재의 주변을 여러 가닥의 금속 소선을 꼬아서 형성한 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 복합 연선 도체와 시스층 사이에 바인딩 테이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 시스층은,

   바인딩 테이프의 외주에 압출, 성형되는 절연층과,

   상기 절연층의 외주에 압출, 성형되는 외부 시스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 케이블.

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