KR101074847B1 - 증용량 저이도 가공송전선의 제조 방법 및 이에 의한 증용량 저이도 가공송전선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송전선로를 건설하지 않은 상태에서 허용전류용량을 증가시킨 가공송전선에 관한 것으로서,

그 제조공정이 1가닥의 지지선을 중심선으로 하고 그 외측부에 6가닥의 지지선을 맞대고 연선기에 투입하여 강심부(110)를 제조하는 제1단계; 및 상기 강심부(110)의 둘레면에 각 규격에 따라 층별로 9가닥 내지 24가닥의 도체선을 맞댄 상태에서 110∼125％ 범위의 형부율을 주면서 연선기에 투입하여 상기 도체선들의 사이에 저항열을 방출하는 갭을 갖는 도체부(120)를 제조하는 제2단계로 이루어져;

상기 가공송전선은 기존 강심 알루미늄 연선에 방열구조를 갖게 하여 저항열의 방출이 용이하여 전선의 송전 용량 증대 효과와 도체에서 지지선에 전달되는 저항열 자체를 저감시키며 지지선에 적용되는 강심에 고강도 특성을 갖는 선재를 사용함으로써 고온에서도 기존 제품의 규정 이도 이하의 특성을 갖도록 한 것이다.

강심, 알루미늄선, 전처리, 연선기, 강심부, 도체부, 이도, 형부율

Description

증용량 저이도 가공송전선의 제조 방법 및 이에 의한 증용량 저이도 가공송전선{Manufacturing Method for the Low-Sag Increased-capacity overhead power transmission cable, and its Low-Sag Increased-capacity overhead power transmission cable}

본 발명은 송전선로를 건설하지 않은 상태에서 허용전류용량을 증가시킨 가공송전선에 관한 것으로, 특히 송전 허용전류용량을 증가시키면서도 이도(처짐)현상을 유지시킬 수 있도록 한 증용량 저이도 가공송전선의 제조 방법 및 이에 의한 증용량 저이도 가공송전선에 관한 것이다.

일반적으로, 가공송전선은 송전선로를 건설하지 않은 상태에서 허용전류용량을 증가시킨 송전선의 한 종류로서, 이 가공송전선의 지지수단으로 현재 전 세계적으로 널리 사용되고 있는 강심 알루미늄 연선(ACSR)은 오랫동안 사용되어 왔으나 산업이 점차 발전함에 따라 증가하는 전력수요에 부응하여 새로운 송전선로를 확보하거나 송전전압의 격상이 필요하였다.

그러나, 상기한 송전용량을 확보하기 위한 수단으로서 새로운 부지확보가 요구되지만 민원 등에 의한 어려움에 직면하여 기존의 송전선로와 철탑을 그대로 사용하여 송전선만을 바꿈으로써 단기간에 전력을 두 배 가까이 증대시키는 방법을 개발하게 되었다.

특히, 가공송전선의 허용전류용량을 증가시키기 위해선 일단 송전선의 사용온도를 증가시켜야 함은 물론 사용온도의 증가에 의해 늘어나는 이도(처짐)를 최소화하기 위해 저열팽창(저이도) 강심의 적용등의 소재개발이나 송전 저항열의 방출이 용이한 구조를 갖는 연선구조에 대한 고안이 중요하다.

따라서, 알루미늄 연선의 외경 및 중량과 동일하면서도, 증가된 송전용량의 운전온도가 90℃ 이상의 고온에서도 90℃정도의 이도(처짐)를 갖는 가공송전선을 개발하게 되었으며, 이러한 가공송전선을 증용량 저이도 가공송전선(이하, 가공송전선이라 통칭함)이라고 한다.

예컨대, 도 1에서와 같이, 가공송전선(100)은, 송전선의 전체하중을 지지하는 강심부(110), 및 상기 강심부(110)의 둘레면에 구성되어 전기가 통과하는 도체부(120)로 구성된다.

여기서, 가공송전선으로서 바람직한 특성은 높은 전기전도도, 높은 기계적 강도, 낮은 열팽창계수, 내식성, 내열성 및 낮은 밀도 등이 필수적으로 요구되며, 특히 도체의 소선으로는 전기전도도가 우수한 소재를 사용하거나 또는 인장강도나 내열성이 우수한 소재를 사용함이 바람직하다.

따라서, 가공송전선의 구성과정에서, 도체용 소선으로 인장 강도가 낮지만 전기전도도가 높은 순알루미늄계 경화알루미늄 합금선이 사용되고 있고, 상대적으로 전기전도도는 낮지만 인장강도가 높은 Al-Mg-Si계 경화알루미늄합금선 또는 내열특성이 우수한 Al-Zr계 경화알루미늄합금선 등도 특정 가공송전선로에서 요구되는 특성에 따라 사용되고 있다.

또한, 가동송전선의 구성과정에서, 강심용 소선으로서 아연도금 탄소강선 연선이 널리 사용되고 있으나 내식성이 향상된 알루미늄피복 강선, 열팽창계수가 낮은 인바선(Invar Wire), 밀도가 낮은 복합선(Composite Wire) 등이 개발되어 도체와 강심의 조합을 다양하게 구성한 차별화 특성의 가공송전선이 소개되고 있다.

또한, 도체와 강심의 소재를 다양하게 구성하여 가공송전선의 특성을 향상시킴과 동시에 그 형상 구조를 종래의 가공송전선의 형상 구조와 다르게 하여 가공송전선의 특성을 향상시키는 기술도 개발되어 왔다.

예컨대, 가공송전선의 강심으로서 인바선 대신에 일반적인 강선 강심을 사용한 저이도 증용량 목적의 Gap-ACSR이 소개되었으며, 이러한 Gap-ACSR의 경우 강심 최외층으로부터 일정한 간격으로 도체층을 떨어뜨려 도체에서 발생되는 송전 저항열이 강심에 전달되는 양을 저감시키고 열팽창량을 감소시킬 수 있어 현재 저이도 증용량 가공송전선에 널리 사용되고 있다.

그러나, 상기한 Gap-ACSR 가공송전선은 인바선 강심 저이도 증용량 가공송전선보다 경제적 이점은 있지만 포설시에 특별한 기구를 사용하여야 하는 등의 제약이 있어 실제 사용상에 한계가 있다.

한편, 일본특허 JP 특개평2000-353425호는 강심과 도체의 사이에 간격을 두 지 않고 알루미늄합금 소선의 연선의 공간점유율을 종래의 일반적인 가공송전선보다 감소시켜 대기 중에 도체 저항열의 방출을 보다 용이하게 함으로써 결국 강심에의 도체 저항열 전달량을 저감시켜 증용량을 달성시킨 PS-ACSR이라는 새로운 증용량 가공송전선을 소개하고 있다.

상기의 증용량 가공송전선은 일반적인 포설공법을 사용하여 포설하기 때문에 Gap-ACSR보다 우수한 제품이나 그 제조 방법상 강심 장력조절기, 강심 가열기, 또는 도체 냉각기 등의 특별한 제조설비가 요구되고 제조 과정이 복잡하기 때문에 생산의 어려움이 있어 그 공정 비용이 높은 단점이 있다.

따라서, 현재까지 개발된 상기에 언급한 가공송전선들은 나름대로의 차별화 특성을 보이며 그 특성에 맞는 가공송전 구간에 제한적으로 적용되는 실정이므로 보다 바람직한 특성을 보이면서도 특히 경제성이 우수하여 그 사용의 확대가 기대되는 가공송전선의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 공지의 가공송전선보다 전기 저항열 방출이 용이한 구조를 가져 저이도를 확보함과 동시에 송전용량을 증가시킬 수 있는 증용량 저이도 가공송전선의 제조 방법 및 이에 의한 증용량 저이도 가공송전선을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은; 1가닥의 지지선을 중심선으로 하고 그 외측부에 6가닥의 지지선을 맞대고 연선기에 투입하여 강심부를 제조하는 제1단계; 및 상기 강심부의 둘레면에 각 규격에 따라 층별로 9가닥 내지 24가닥의 도체선을 맞댄 상태에서 110∼125％ 범위의 형부율을 주면서 연선기에 투입하여 상기 도체선들의 사이에 저항열을 방출하는 갭을 갖는 도체부를 제조하는 제2단계로 이루어진다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 증용량 저이도 가공송전선의 제조 방법 및 이에 의한 증용량 저이도 가공송전선에 의하면; 본 발명의 제조방법을 통해서 제조된 가공송전선은 기존 강심 알루미늄 연선에 방열구조를 갖게 하여 저항열의 방출이 용이하여 전선의 송전 용량 증대 효과와 도체에서 지지선에 전달되는 저항열 자체를 저감시키며 지지선에 적용되는 강심에 고강도 특성을 갖는 선재를 사용함으로써 고온에서도 기존 제품의 규정 이도 이하의 특성을 갖는 저이도 효과를 갖게 되는 것이다.

이하, 본 발명에 의한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 가공송전선의 제조방법은, 1가닥의 지지선을 중심선으로 하 고 그 외측부에 6가닥의 지지선을 맞대고 연선기에 투입하여 강심부(110)를 제조하는 제1단계; 및 상기 강심부(110)의 둘레면에 각 규격에 따라 층별로 9가닥 내지 24가닥의 도체선을 맞댄 상태에서 110∼125％ 범위의 형부율을 주면서 연선기에 투입하여 상기 도체선들의 사이에 저항열을 방출하는 갭을 갖는 도체부(120)를 제조하는 제2단계로 이루어진다.

여기서, 본 발명에 따른 가공송전선의 저항열 방출 특성은 Gap-ACSR 전선과 PS-ACSR 전선에서와 같이 가공송전선의 연선 구조에 따라 영향을 받으며, 특히 연선의 특성에 알맞도록 연선하기 직전이나 직후에 연선을 구성하는 소선들에 소성 변형을 부여하여 꼬임 구조를 안정시키게 되는데 이를 형부라 한다.

이하, 식 1에 의해 연선의 형부율이 계산된다.

[식 1] Φ= Ds/Dw x 100(％)

단, Ds: 연선된 완제품으로부터 풀어낸 소선의 파형 외경(mm)

Dw: 연선된 완제품의 외경(mm)

상기 식 1에 의하여 표현되는 일반적인 연선의 형부율은 100％가 이상적이며 종래의 가공송전선의 경우 형부율이 100％보다 다소 낮은 90∼98％ 정도의 값을 갖도록 연선을 제조하는 것이 일반적이다.

기존의 강심 알루미늄 연선(ACSR)을 이용한 가공송전선의 연선 방법을 보면 각각의 케이지에서 공급되는 알루미늄 선이 배열판(케이지로부터 공급되는 선재의 꼬임을 방지하는 장치)을 통해서 규격으로 규정된 제품의 회전방향과 동일하게 프리포머 롤러(소선을 변형시키는 장치)에 선재가 공급되어 규정된 피치로 다이스까지 선재가 공급되어 연선하게 된다.

배열판을 통해서 공급되는 선재는 프리포머 롤러간격을 조절함으로써 적정한 형부율(약 90∼98％)을 주면서 작업을 한다. 형부율이 100％라고 하면 배열판을 통해서 공급되는 선재가 직선으로 다이스에 연선되는 것으로 100％ 형부율을 적용하면 직선형태로 제품의 연선이 진행되기 때문에 실질적으로 사용이 불가능하다.

따라서, 본 발명은 프리포머 간격을 더 크게 함으로써 소선에 프리포밍을 줌과 동시에 소선 사이의 간격을 증가시켜 100% 이상 형부율을 주어 연선하는 방법을 발견하게 되었다.

즉 제품의 연선방향과 동일하게 배열판에서 공급되는 선재를 프리포머 롤러에 기존 제품과 다른 방향으로 롤러에 공급되면서 형부율 100％를 넘는 제품에 대하여 착안하게 된 것이다.

형부율 100％ 이하의 제품은 프리포머 롤러를 통해서 나온 선재가 다이스를 통과하면서 모이게 되어 연선되나, 형부율을 100% 이상으로 증가시켜 작업을 하면 소선 사이의 간격이 벌어지는 제품을 만들 수 있다.

여기서, 형부율을 100∼110％로 주어 연선하였을 경우 소선 사이의 간격이 너무 좁아 실제 송전선의 방열효과를 기대하기 어려우며 형부율이 130％ 이상이 되면 중력방향으로 도체가 쏠리게 되어 그 형태를 유지하지 못하게 됨에 따라 본 발명에 따른 효과를 기대할 수 없게 된다.

따라서 본 발명에 따른 소선의 형부율은 상기한 문제점들을 감안하여 약 110∼125％를 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제조방법을 사용하면 알루미늄 연선의 증가된 형부율만큼 도체부분인 알루미늄 층의 소선 사이에 갭이 형성되어 이 소선 사이에서 발생되는 저항열 방출이 용이하게 된다.

본 발명에 따른 제조 방법을 통하여 기존 ACSR 제품에 방열구조를 갖게 하여 저항열 방출이 용이하여 전선의 용량증대효과와 도체에서 지지선에 전달되는 저항열 자체를 저감시켜 지지선에 적용되는 강심에 고강도 특성을 갖는 선재를 사용하여 고온에서도 기존 제품의 규정 이도 이하의 특성을 갖는 저이도 효과를 갖게 되는 것이다.

본 발명에 따른 가공송전선의 연선 구조를 가지면서도 가공송전선의 항장력을 높이기 위하여 발명자는 강심용 소선(고강도 강선)으로 고강도 탄소강선 또는 스테인리스 강선, 특히 "듀플렉스 스테인리스 강선"을 채용하여 가공송전선을 제작하였다.

그리고, 고강도 탄소강선은 본 발명의 어떤 구성에서는 아연 또는 알루미늄 층이 피복된 탄소강선이 사용될 수 있으며 이 경우에 피복된 강선의 인장강도는 최소한 1500 MPa 이상이고 열팽창계수는 약 20℃에서 약 300℃까지 12.0×10^-6 이하의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

이때, "듀플렉스 스테인리스 강선"은 오스테나이트(γ) 상과 페라이트(α) 상이 혼합된 조직을 갖는 스테인리스 강선을 일컫는다.

상기 듀플렉스 스테인리스 강선은 기계적 특성이 우수하고 내식성이 뛰어날 뿐만 아니라 열팽창계수가 일반적인 스테인리스 강선보다 낮아서 가공송전선 강심의 소선으로서 뛰어난 특성을 지니고 있다.

본 발명의 어떤 구성에서는 아연도금이나 알루미늄을 피복하지 않고 나선(bare wire) 그대로 사용할 수 있으며 이 경우에 나선의 인장강도는 최소한 1800 MPa 이상이고 열팽창계수는 약 20℃에서 약 300℃ 까지 11.5 X 10^-6 이하의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 듀플렉스 스테인리스 강선이 알루미늄 도체와의 접촉시에 두 금속의 전위차에 의한 갈바닉 부식(galvanic corrosion)이 우려되기 때문에 본 발명의 어떤 구성에서는 아연 또는 알루미늄 층이 피복된 듀플렉스 강선이 사용될 수 있으며 이 경우에 피복된 듀플렉스 스테인리스 강선의 인장강도는 최소한 1500 MPa 이상이고 열팽창계수는 약 20℃에서 약 300℃까지 12.0 X 10^-6 이하의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 도체로서는 전기용 경화알루미늄합금선(EC; Electrical grade), 전기용 연화알루미늄합금선, 고강도 경화알루미늄 합금선 또는 내열 경화알루미늄합금선 등이 사용될 수 있으며 전기전도도와 내열성이 우수한 전기용 연화알루미늄합금선의 채용이 보다 바람직한 가공송전선을 제공한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 비교예와 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

먼저, 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여 종래 가공송전선 제품의 대표적인 제조방법을 비교예 1 및 2에 기재하였다.

또한, 본 발명의 가공송전선(100)의 구성요소 중 강심부(110)와 도체부(120)의 제조방법에 관하여 설명한다.

[비교예 1]

본 실시예에서 사용된 강심용 소선으로서 만호제강사로부터 한국전력공사 표준구매 시방서 ES-6145-0005 규격을 만족시키는 직경 3.1 mm의 아연도금강선 구입하여 사용하였다.

본 실시예에서 사용된 알루미늄 도체로서는 연속 주조압연 생산된 직경 9.5 mm의 황인선을 신선하여 제조된 한국전력공사 표준구매 시방서 ES-6145-0005 규격을 만족시키는 직경 4.0 mm의 알루미늄 선이 사용되었다.

3.1 mm의 아연도금강선 1가닥을 중심선으로 하고 6가닥을 외층에 쌓이도록 7가닥을 연선기에 투입하여 7개연의 가공송전선용 강심을 제작하였다.

제작된 강심을 중심선으로 하여 1차 외층에 10 가닥의 알루미늄 선과 2차 외층에 16 가닥의 알루미늄 선이 쌓이도록 연선기에 투입하여 최종적으로 한국전력공사 표준구매 시방서 ES-6145-0005 규격을 만족시키는 330㎟ 의 단면적을 갖는 강심알루미늄연선(Aluminium stranded Conductors Steel reinforced)의 가공송전선을 제조하였다.

[비교예 2]

본 실시예에서 사용된 강심용 소선으로서 일본 스미토모사로부터 한국전력공사 표준구매 시방서 ES-6145-0010 규격을 만족시키는 직경 3.1 mm의 아연도금인바선을 구입하여 사용하였다.

본 실시예에서 사용된 알루미늄 도체로서는 전기용 알루미늄 지금을 용해시킨 용탕에 지르코늄을 합금처리하여 연속 주조압연 생산된 직경 9.5mm의 황인선을 신선하여 제조된 한국전력공사 표준구매 시방서 ES-6145-0010 규격을 만족시키는 직경 4.0mm의 초내열 알루미늄 합금선이 사용되었다.

3.1 mm의 아연도금인바선 1가닥을 중심선으로 하고 6 가닥을 외층에 쌓이도록 7가닥을 연선기에 투입하여 7개연의 가공송전선용 강심을 제작하였다.

제작된 강심을 중심선으로 하여 1차 외층에 10 가닥의 알루미늄 선과 2차 외층에 16 가닥의 알루미늄 선이 쌓이도록 연선기에 투입하여 최종적으로 한국전력공사 표준구매 시방서 ES-6145-0010 규격을 만족시키는 330㎟의 단면적을 갖는 초내 열인바심알루미늄합금연선(Super Thermal-resistant Aluminum-alloy Conductors, Invar-Reinforced)의 가공송전선을 제조하였다.

본 종래 기술의 비교예에 적용된 가공송전선의 형부율은 90.5~91.7％ 범위에서 표 1과 같은 측정값을 보였다.

[표 1] 종래 제조방법에 의해 가공송전선의 특성

구 분	비교예 1	비교예 2
전선의 종류	ACSR/AW	HSTACIR/AW
연속사용온도	90℃	210℃
구조(330㎟)	경AL선 : 26/4.0 원형 23AW : 7/3.1 원형	STAL : 26/4.0 원형 H-INVAR(도전율14%) : 7/3.1원형
외경(㎜)	25.3	25.3
중량(kg/m)	1.255	1.285
전기저항 (Ω/km)	0.0842	0.0869
인장하중(kgf)	10,950	10,500
이도(m)	9.77	10.3
허용전류(A)	751	1352

표 1에 따르면 증용량 저이도 전선인 HSTACIR/AW는 ACSR/AW와 비교하여 전류용량이 약 1.8배 증가하며 고온(210℃ 연속사용온도)에서도 저이도의 특성을 보여주고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에서는 지지선을 일반 탄소강 대신에 고강도 강선(인장강도 160kgf/㎟이상)을 사용하였으며, 도체로 사용되는 알루미늄의 연선작업시 프리포머 롤러에 간격에 변화를 주어 형부율에 변화를 주었으며 그 특성을 표 2에 나타내었다.

[표 2] 본 발명의 제조방법에 의한 가공송전선의 특성

평균형부율	105	110	115	120	125	130
연속사용온도 (℃)	210	210	210	210	210	210
구조(330㎟) (소선수/소선경)	연AL선 (26/4.0)	연AL선 (26/4.0)	연AL선 (26/4.0)	연AL선 (26/4.0)	연AL선 (26/4.0)	연AL선 (26/4.0)
	고강도강선 (7/3.1)	고강도강선 (7/3.1)	고강도강선 (7/3.1)	고강도강선 (7/3.1)	고강도강선 (7/3.1)	고강도강선 (7/3.1)
외경(㎜)	25.3	25.6	25.8	26.1	26.3	-
중량(kg/m)	1,330	1,330	1,330	1,330	1,330	-
전기저항 (Ω/km)	0.086	0.086	0.086	0.086	0.086	-
인장하중(kgf)	11,000	11,000	11,000	11,000	11,000	-
이도(m)	10.3	10.3	10.1	10.0	9.8	-
허용전류(A)	1,370	1,370	1,370	1,370	1,370	-

표 2에서 보는 것과 같이, 완제품 연선 공정시, 알루미늄 연선의 형부율을 105％로 적용하였을 경우 알루미늄층의 소선 사이에 갭이 형성되어 소선에서 발생하는 저항열의 방출이 용이하게 된다.

이를 비교예 2의 HSTACIR/AW전선과 비교해보면 증용량 특성을 보이나 이도의 변화가 없기 때문에 저이도 특성이 나타나지 않았다.

완제품 연선 공정시, 알루미늄 연선의 형부율을 110∼125％로 각각 5％의 형부율 증가를 적용할 때 알루미늄층의 소선 사이에 갭이 인위적으로 형성되어 소선에서 발생하는 저항열 방출이 용이하게 된다.

그 결과 알루미늄층에서 지지선으로 전달되는 열전이량이 현저히 감소하게 되면서 지지선으로 쓰이는 고강도강연선의 기계적 특성인 인장하중에 변화가 없게 되면서 전선의 이도가 비교예 2인 HSTACIR/AW전선의 이도 10.3m 보다 각각 0.1m 씩 즉, 10.2∼9.8m로 감소되는 저이도 특성을 보인다.

반면에, 본 실시예에서 형부율을 130％로 적용하였을 경우에는 외경이 현저히 증가하여 전선의 금구류인 압축 클램프에 최대 허용 전선외경인 26.3mm 초과하므로 실제 적용이 불가능하였다.

도 1은 일반적인 기술에 따른 가공송전선을 도시한 개략도이다.

* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 가공송전선 110 : 강심부

120 : 도체부

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 1가닥의 지지선을 중심선으로 하고 그 외측부에 6가닥의 지지선을 맞대고 연선기에 투입하여 강심부(110)를 제조하는 제1단계; 및

   상기 강심부(110)의 둘레면에 각 규격에 따라 층별로 9가닥 내지 24가닥의 도체선을 맞댄 상태에서 110∼125％ 범위의 형부율을 주고 연선기에 투입하여 상기 도체선들의 사이에 저항열을 방출하는 갭을 갖는 도체부(120)를 제조하는 제2단계;

   를 포함하며,

   상기 지지선은,

   그 소재가 고강도탄소강선 또는 스테인리스강선 또는 듀플렉스 스테인리스강선 중 어느 하나 또는 이들의 조합이고,

   상기 도체선은,

   그 소재가 전기용 경화알루미늄합금선, 전기용 연화알루미늄합금선, 고강도 경화알루미늄합금선, 내열 경화알루미늄합금선 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 증용량 저이도 가공송전선의 제조방법.
4. 제 3항에 기재된 상기 증용량 저이도 가공송전선의 제조방법에 의해 제조된 증용량 저이도 가공송전선.

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