KR101238333B1 - 고효율 저손실 전력 케이블 - Google Patents

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KR101238333B1
KR101238333B1 KR1020120097116A KR20120097116A KR101238333B1 KR 101238333 B1 KR101238333 B1 KR 101238333B1 KR 1020120097116 A KR1020120097116 A KR 1020120097116A KR 20120097116 A KR20120097116 A KR 20120097116A KR 101238333 B1 KR101238333 B1 KR 101238333B1
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임세희
박영철
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임세희
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Abstract

본 발명은 고효율 저손실 전력 케이블에 관한 것으로서, 상세하게는 케이블의 산화막이 형성된 소선을 통해 접촉 저항을 증대시키고, 전력 손실이 최소가 되는 소선간의 최적의 피치를 제공함으로써 전력 손실을 최소화시킬 수 있고, 소선간 트위스트를 통하여 소선들의 위치 이동으로 소선들이 경험하는 외부자장을 동일하게 하여 근접효과에 의한 소선 내의 전류 편중을 제거하고, 소선간 길이를 동일하게 만들어 소선간의 인덕턴스를 동일하게 함으로써, 도체 단면적에서의 전류분포를 균일하게 만들고, 교류저항이 감소되어 발열량이 줄여 최대온도상승을 낮출 수 있도록 하는 고효율 저손실 전력 케이블에 관한 것이다.

Description

고효율 저손실 전력 케이블{HIGH EFFICIENCY AND LOW-LOSS POWER CABLE}
본 발명은 고효율 저손실 전력 케이블에 관한 것으로서, 상세하게는 케이블의 산화막이 형성된 소선을 통해 접촉 저항을 증대시키고, 전력 손실이 최소가 되는 소선간의 최적의 피치를 제공함으로써 전력 손실을 최소화시킬 수 있고, 소선간 트위스트를 통하여 소선들의 위치 이동으로 소선들이 경험하는 외부자장을 동일하게 하여 근접효과에 의한 소선 내의 전류 편중을 제거하고, 소선간 길이를 동일하게 만들어 소선간의 인덕턴스를 동일하게 함으로써, 도체 단면적에서의 전류분포를 균일하게 만들고, 교류저항이 감소되어 발열량이 줄어서 최대온도상승을 낮출 수 있도록 하는 고효율 저손실 전력 케이블에 관한 것이다.
기술의 발달에 따라 필연적으로 전력수요가 증대하고, 이러한 전력수요 증대에 대응하기 위해 전력케이블의 도체의 외경이 커지고 있다.
전력케이블의 도체의 외경이 커지는 것은 표피 효과(Skin Effect)로 인한 와전류 발생으로 AC(Alternating Current) 손실을 가진다. 즉, 표면 효과로 인해 교류 저항이 증가하게 되고, 결국 발열량이 증가되어 전송 용량의 증가에 제한이 가해진다.
먼저, 와전류는 자장의 변화에 의해 유도된 전류이다. 도체를 관통하는 자속이 변화하던가 또는 자속과 도체가 상대적으로 운동하여, 도체 내의 자속이 시간에 따라 변하면 이 변화를 막기 위하여 도체 내에 국부적으로 형성되는 임의의 폐회로를 따라 전류가 유도되는데 이 전류를 와전류(eddy current)라 한다.
와전류의 크기 및 유선(流線)은 도체의 형상, 크기, 전도도 및 자속의 시간적 변화에 의해 정해지는 매우 복잡한 모양을 갖는다. 와전류가 도체 내에 발생하면 정상 전류분포에 영향을 주며, 동시에 와전류에 의한 와전류 손실(eddy current loss)이 발생한다.
그리고, 표피효과는 원형 도선에 직류전류가 균일하게 흐를 때 자속선은 도선축을 중심으로 동심원을 그리게 되며, 이 경우 중심부의 전류는 외측 전류 보다 쇄교하는 자속 루프가 많다. 교류전류가 흐르면 자속선이 변하므로, 유도기전력이 전송전류와는 반대방향으로 발생한다. 그런데 이 역기전력은 표면보다 중심부가 크므로 중심부의 큰 와전류가 발생하고, 발생된 와전류는 전송전류를 상쇄시켜 전체적으로 전류는 표면에 집중된다. 이러한 현상을 표피효과(skin effect)라 하며, 고주파일수록, 도체의 도전율 및 투자율이 클수록 심해진다. 따라서, 도체에 교류가 흐르면 표면에서 중심으로 갈수록 전류밀도가 작아진다. 이 결과 도체 내부는 전류의 전송에 기여하지 않으므로 외관상으로 유효면적 감소로 전기저항이 증가한다.
또한, 근접효과는 상호 반대 방향으로 전류가 흐르고 있는 두 도체가 인접한 경우, 각 도체의 전류는 상호 마주보는 면에 집중되는 현상을 말한다. 즉, 오른쪽(또는 왼쪽) 전류에 의해 자장 발생하면, 이 자장에 의해 왼쪽(또는 오른쪽) 도체 내에 외부자장을 상쇄시키는 방향으로 와전류 발생하고, 이웃 도체와 마주보는 면 쪽에서는 전송전류와 와전류으로 더해져서 전류밀도가 증가하고, 반대면 쪽에서는 전송전류와 와전류가 감해져서 전류밀도가 감소한다.
이러한 교류 저항에 따른 손실을 줄이기 위해, 전력케이블용 도체의 연선구조가 개발되었다.
상기 전력케이블용 도체의 연선구조는 국내 공개특허공보 10-2012-0084930에 상세히 설명되어 있다.
도 1은 상기 전력케이블용 도체의 연선구조에 전력케이블의 구조를 보인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 전력케이블은 중심 도체(11)와, 중심 도체(11)의 외주에 권취되는 내부 반도전층(Inner Semi-conductive Layer, 12), 내부 반도전층(12)의 외주에 형성되는 XLPE(Cross Linking-Polyethylene)가 가압 성형되는 절연층(Insulation Layer, 13), 절연층(13)의 외주에 권취되는 외부 반도전층(Outer Semi-conductive Layer, 14), 외부 반도전층(14)의 외주에 형성되는 금속시스(15)와, 금속시스(15) 위에 피복되는 방식층(16)으로 이루어진다.
중심 도체(11)는 변전소로부터 공급되는 전류가 전력기기 등에 공급될 수 있도록 안내하다.
중심 도체(11)는 표피 효과에 의한 전력 손실을 최소화하기 위해 분할 도체의 밀리켄 타입(Milliken Type)의 다중 세그먼트 구조를 갖는다.
내부 및 외부 반도전층(12, 14)은 중심 도체(11)에 전류가 공급되는 과정에서 발생되는 열이 외부로 전달되는 것을 차단하는 동시에 절연기능을 갖으며, 도체 표면 평활성을 확보하고 절연체와의 밀착효과를 통하여 계면에서의 부분방전을 억제하고 국부적인 전기 스트레스의 집중을 완화하는 역할을 하며, 반도전성 폴리에킬렌 등과 같은 반도전 컴파운드로 이루어지고 가교 폴리에틸렌 재질의 절연층(13)과 함께 동시 압출되어 형성된다.
절연층(13)은 과전류에 의해 발생되는 절연파괴 현상을 방지하는 동시에 내부 반도전층(12)을 통과한 열이 외부로 전달되는 것을 차단한다.
금속시스(15)는 알루미늄재로 이루어지며 굴곡특성(Bending)을 향상시키기 위해 파부형(Sine wave, Corrugated Aluminum) 즉 일정한 파형을 가진 상태로 형성될 수 있다.
방식층(16)은 폴리에틸렌과 같은 합성수지재를 금속시스(15) 외주에 압출하는 것에 의해 형성된다.
그리고, 중심 도체(11)는 표피 효과에 의한 전력 손실을 최소화하기 위해 분할 도체의 밀리켄 타입(Milliken Type)의 다중 세그먼트 구조를 갖는다.
중심 도체(11)는 중심 연선부(211)와 다수개의 외곽 연선부(212)로 이루어지며, 다시 중심 연선부(211) 및 외곽 연선부(212)는 다수개의 소선들이 일정한 규칙에 의해 배치된다.
중심 연선부(211)는 1+6구조로 하나의 중심 소선(221)을 중심으로 외주에 6개의 중심 외곽소선(222)이 결합된 형상의 원형 단면 구조를 갖는다.
중심 연선부(211) 외주로는 6개의 외곽 연선부(212)가 위치되며, 외곽 연선부(212)는 단면이 부채꼴 형상을 가지도록 하여 외곽 연선부(212)간 인접되어 형성되며, 중심 연선부(211)와 외곽 연선부(212)의 결합 구조에 의해 중심 도체(11)는 단면이 원형 형상을 갖도록 이루어진다.
이렇게 형성되는 중심 도체(11)는 중심 소선(221)을 중심점으로 하여 즉, 1 레이어층(231)으로 하여 그 외주에는 6개의 중심 외곽소선(222)이 2 레이어층(232)을 이룬다.
2 레이어층(232)의 외주로는 6×(n+1)(n은 양의 정수)개의 소선들이 전(前) 레이어층의 외주에 배치된다.
그러나, 이러한 종래의 케이블은 트위스트 피치가 길고, 이로 인해 케이블 축방향에 수직하게 인가되는 외부자장에 의해 소선 내부에 와전류가 크게 발생하여서 전력손실이 증가되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 케이블은 소선에 절연체를 코팅하여 소선간 접촉저항을 증가시켜 발열량을 감소시키나 절연에 따른 제조 원가가 상승되는 문제점이 있다.
또, 종래의 케이블은 전력손실을 줄이기 위해 각 층별로 S-Z-S 방향으로 회전만 하는 구조이므로 내부 소선은 최외각 층으로 나오지 못하고, 이로 인해 내부 소선과 최외각 소선이 경험하는 자장이 달라서 소선간의 인덕턴스가 달라 교류 손실이 증가되는 문제점이 있다.
국내 공개특허공보 10-2012-0084930
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산화막이 형성된 소선을 적용하여 소선간 전압차이가 거의 없고, 산화막의 두께를 10㎛ 정도 제조할 수 있기 때문에 제조 원가 절감이 기대되고, 에나멜의 열전도도에 비해 산화막의 열전도도가 100배이상 크기 때문에 케이블의 최대온도를 낮출 수 있어서 전기저항이 감소하여 전력손실을 감소할 수 있도록 하는 고효율 저손실 전력 케이블을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 케이블의 전력 손실이 최소가 되는 최적의 피치를 제공함으로써 전력 손실을 최소화시킬 수 있도록 하는 고효율 저손실 전력 케이블을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 소선간 트위스트를 통하여 소선들의 위치 이동으로 소선들이 경험하는 외부자장을 동일하게 하여 근접효과에 의한 소선 내의 전류 편중을 제거하고, 소선간 길이를 동일하게 만들어 소선간의 인덕턴스를 동일하게 함으로써, 도체 단면적에서의 전류분포를 균일하게 만들고, 교류저항이 감소되어 발열량이 줄여 최대온도상승을 낮출 수 있도록 하는 고효율 저손실 전력 케이블을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
복수의 소선에 의해 이루어지는 중심 도체를 포함하는 전력 케이블에 있어서, 상기 중심 도체의 각 소선은 표면에 접촉 저항을 증가시키도록 산화막을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 소선은 구리, 알루미늄, CCA(copper clad aluminum)중 적어도 하나의 재질로 이루어진다.
여기에서 또, 상기 각 소선의 피치(Pitch)는 아래의 수학식을 만족한다.
Figure 112012070918710-pat00001
여기에서 또, 상기 소선은 복수개가 트위스트로 꼬여 있다.
여기에서 또, 상기 중심 도체는 상기 소선 3가닥을 상호 교차시켜 꼬아 1차 소선묶음을 형성하고, 다시 상기 1차 소선묶음 3개를 상호 교차시켜 꼬아 2차 소선묶음을 형성한 후 상기 2차 소선묶음 n개(n은 정수)를 케이블의 원주 방향에 따라 배열한 다음 압축하여 형성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 고효율 저손실 전력 케이블에 따르면, 산화막이 형성된 소선을 적용하여 소선간 전압차이가 거의 없고, 산화막의 두께를 10㎛ 정도 제조할 수 있기 때문에 제조 원가 절감이 기대되고, 에나멜의 열전도도에 비해 산화막의 열전도도가 100배이상 크기 때문에 케이블의 최대온도를 낮출 수 있어서 전기저항이 감소하여 전력손실을 감소할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 케이블의 전력 손실이 최소가 되는 최적의 피치를 제공함으로써 전력 손실을 최소화시킬 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 소선간 트위스트를 통하여 소선들의 위치 이동으로 소선들이 경험하는 외부자장을 동일하게 하여 근접효과에 의한 소선 내의 전류 편중을 제거하고, 소선간 길이를 동일하게 만들어 소선간의 인덕턴스를 동일하게 함으로써, 도체 단면적에서의 전류분포를 균일하게 만들고, 교류저항이 감소되어 발열량이 줄여 최대온도상승을 낮출 수 있다.
도 1은 종래의 전력케이블용 도체의 연선구조에 전력케이블의 구조를 보인 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 소선의 꼬는 과정을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 2차 소선묶음이 배열된 상태를 나타낸 설명도이다.
도 5는 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 2차 소선묶음이 압착된 상태를 나타낸 설명도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 구성을 나타낸 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 소선의 꼬는 과정을 설명하기 위한 설명도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 2차 소선묶음이 배열된 상태를 나타낸 설명도이며, 도 5는 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 2차 소선묶음이 압착된 상태를 나타낸 설명도이고, 도 6은 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블(100)은 중심 도체(110)와, 중심 도체(110)의 외주에 권취되는 내부 반도전층(Inner Semi-conductive Layer, 12), 내부 반도전층(12)의 외주에 형성되는 XLPE(Cross Linking-Polyethylene)가 가압 성형되는 절연층(Insulation Layer, 13), 절연층(13)의 외주에 권취되는 외부 반도전층(Outer Semi-conductive Layer, 14), 외부 반도전층(14)의 외주에 형성되는 금속시스(15)와, 금속시스(15) 위에 피복되는 방식층(16)으로 이루어진다.
한편, 중심 도체(110)를 제외한 나머지 구성요소는 종래와 동일 구성 요소로 동일 부호를 부여하고, 그 중복 설명은 생략한다.
그리고, 중심 도체(110)의 각 소선(111)은 접촉 저항을 증가시키도록 표면에 산화막(111a)을 형성시킨다. 이때, 소선은 구리, 알루미늄, CCA(copper clad aluminum)중 적어도 하나의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 산화막(111a)은 소선(111)의 재질이 구리 및 CCA인 경우 질산이나 증류수에 넣고 수초~수분 정도 기다리면 푸른색의 녹이 생기고, 공기가 통하는 전기로 중에서 고온으로 가열을 하면 공기 중의 산소와 구리가 반응하여 검은색의 녹(염기성 탄산구리), 즉 산화막이 생성된다.
또, 소선(111)의 재질이 알루미늄인 경우 화학약품을 바르고 시료의 온도를 60~150℃ 정도 가열한후에 전기를 인가하여 Al2O3 산화피막(경질)을 형성하는 아노다이징(Anodiging) 기법에 의해 형성된다. 따라서, 중심 도체(110) 내의 소선(111)간 전압차이가 거의 없기 때문에 아노다이징에 의해 생성된 Al2O3 산화피막 두께를 10㎛ 정도로 얇게 제조가 가능하기 때문에 제조 원가 절감이 기대되고, 에나멜의 열전도도(0.378 W/mK)에 비해 Al2O3 산화피막의 열전도도(46 W/mK)가 100배이상 크기 때문에 케이블의 최대온도를 낮출 수 있어서 전기저항이 감소하여 전력손실을 감소할 수 있다.
이외의 방법으로 소금, 베이킹파우더와 같은 전해질이 녹아있는 용액에 투입하여 표면을 산화시켜 산화막(111a)을 형성할 수도 있다.
또한, 복수의 소선(111)이 일정한 피치(Pitch)를 갖는다.
여기에서, 상기 피치(Pitch)가 아래의 수학식1을 만족한다.
Figure 112012070918710-pat00002
또한, 중심 도체(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 각 소선(111)이 트위스트로 꼬여 있는 데, 소선(111) 3가닥을 상호 교차시켜 꼬아 1차 소선묶음(113)을 형성하고, 다시 도 3에 도시된 바와 같이 1차 소선묶음(113) 3개를 상호 교차시켜 꼬아 2차 소선묶음(115)을 형성한 후 도 4에 도시된 바와 같이 2차 소선묶음(115) n개(n은 정수)를 케이블의 원주 방향에 따라 배열한다. 예를 들어, 2차 소선묶음(115) 6개를 배열하면 총 소선(111)은 54가닥이 사용된다.
이러한 상태에서 프레스 등을 이용하여 중심 도체(110)를 압축하여 도 5에 도시된 바와 같이 부피를 최소화시킨다.
이하, 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 작용을 실험예를 통해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
《실험예》
기존 케이블과 본 발명에 따라 피치가 최적화된 고효율 저손실 전력 케이블의 전력손실 비교하면, 22.9kV, 33kV 가교 폴리에틸렌 절연 비닐 시스 케이블 3상을 나란히 배열하여 실험한 결과 아래의 표 1과 같다. 이때, 케이블 중심간 거리(S)와 케이블 직경(D)은 동일하다.
Figure 112012070918710-pat00003
또한, 기존 케이블과 본 발명에 따라 소선이 산처리된 고효율 저손실 전력 케이블의 전력손실 비교하면, 22.9kV, 33kV 가교 폴리에틸렌 절연 비닐 시스 케이블 3상을 나란히 배열하여 실험한 결과 아래의 표 2와 같다. 이때, 케이블 중심간 거리(S)와 케이블 직경(D)은 동일하다.
Figure 112012070918710-pat00004
따라서, 공칭단면적이 증가할수록 본 발명에 따른 고효율 저손실 전력 케이블의 전력 손실 감소율이 증가되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
11, 110 : 중심 도체 111 : 소선
113 : 1차 소선묶음 115 : 2차 소선묶음
12 : 내부 반도전층 13 : 절연층
14 : 외부 반도전층 15 : 금속시스
16 : 방식층

Claims (5)

  1. 복수의 소선에 의해 이루어지는 중심 도체를 포함하는 전력 케이블에 있어서,
    상기 중심 도체의 각 소선은,
    구리, 알루미늄, CCA(copper clad aluminum)중 적어도 하나의 재질로 이루어지고, 표면에 접촉 저항을 증가시키도록 산화막을 형성시키며, 복수개가 트위스트로 꼬여 형성하고,
    상기 중심 도체는,
    상기 소선 3가닥을 상호 교차시켜 꼬아 1차 소선묶음을 형성하고, 다시 상기 1차 소선묶음 3개를 상호 교차시켜 꼬아 2차 소선묶음을 형성한 후 상기 2차 소선묶음 n개(n은 정수)를 케이블의 원주 방향에 따라 배열한 다음 압축하여 상기 중심 도체를 형성하는 것을 특징으로 하는 고효율 저손실 전력 케이블.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 소선의 피치(Pitch)는,
    아래의 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 고효율 저손실 전력 케이블.
    Figure 112012070918710-pat00005
  4. 삭제
  5. 삭제
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