KR101372771B1 - 가공 송전 선로 - Google Patents

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허브 이. 드베
더글라스 이. 존슨
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

복합재(예를 들어, 알루미늄 매트릭스 복합재) 코어 가공 송전 도체 장력 서브섹션과 또 하나의 상이한 코어 가공 송전 도체 장력 서브섹션을 갖는 데드-엔드 간 가공 송전 선로.
복합재, 알루미늄, 코어, 가공 송전, 도체, 장력, 데드-엔드, 타원

Description

가공 송전 선로{OVERHEAD ELECTRICAL POWER TRANSMISSION LINE}
예를 들어, 강철 와이어 또는 알루미늄 매트릭스 복합재 와이어(예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금(예를 들어, 최대 2 중량% 구리) 내의 알파 알루미나 섬유)를 포함하는 코어 둘레에 꼬여있는 와이어(예를 들어, 알루미늄 와이어, 구리 와이어, 알루미늄 합금 와이어 및 구리 합금 와이어)를 갖는 것들을 포함한 다양한 가공 (전기) 송전 도체의 사용이 당업계에 공지되어 있다.
전형적으로, 동일한 가공 송전 도체 구조물이 데드-엔드 타워들(dead-end towers) 간의 단일 장력 섹션(single tension section)에서 사용되지만, 장력 섹션이 수리될 때 구조물들의 조합을 만날 수 있다.
종래의 강철-코어 가공 송전 도체에 대한 대안인 많은 가공 송전 도체의 단가가 비교적 높거나 더 높기 때문에, 더 높은 단가의 가공 송전 도체를 데드-엔드 타워들 간의 장력 섹션 중 선택된 영역들에 사용할 수 있는 것이 바람직하다. 다른 태양에서, 데드-엔드 타워들 간의 장력 섹션에 적어도 2개의 상이한 가공 송전 도체를 사용하기 위해 구조 유연성을 가질 수 있는 것이 바람직하다.
발명의 개요
일 태양에서, 본 발명은
제1 및 제2 데드-엔드 타워와,
제1 데드-엔드 타워에 부착된 제1 단부 및 제2 데드-엔드 타워에 부착된 제2 단부를 가지며 적어도 제1 및 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션으로 이루어진 가공 송전 도체 장력 섹션을 포함하며, 적어도 제1 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 복합재(예를 들어, 알루미늄(알루미늄 합금을 포함함) 및 중합체 매트릭스 복합재) 코어 또는 인바(Invar)(즉, 철, 니켈, 그리고 선택적으로 크롬, 티타늄 및 탄소와 같은 다른 원소를 포함하는 철 합금으로, 철 합금은 그의 성분들의 선형 조합보다 작은 열 팽창 계수를 가짐) 코어 중 적어도 하나를 가지며, 제1 및 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션 각각은 처짐 값(sag value)을 갖고, 제1 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 제1 열 팽창 계수 및 제1 밀도를 가지며, 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 제2 열 팽창 계수 및 제2 밀도를 가지며, 제1 및 제2 열 팽창 계수 또는 제1 및 제2 밀도 중 적어도 하나가, 20℃ 내지 75℃ 범위의 (일부 실시 형태에서, 25℃ 내지 75℃, 20℃ 내지 100℃, 25℃ 내지 100℃, 20℃ 내지 125℃, 25℃ 내지 125℃, 20℃ 내지 150℃, 25℃ 내지 150℃, 20℃ 내지 175℃, 25℃ 내지 175℃, 20℃ 내지 200℃, 25℃ 내지 200℃, 20℃ 내지 225℃, 25℃ 내지 225℃, 20℃ 내지 240℃, 25℃ 내지 240℃, 0℃ 내지 75℃, 0℃ 내지 100℃, 0℃ 내지 200℃, 0℃ 내지 300℃, -40℃ 내지 100℃, -40℃ 내지 200℃, 또는 심지어 -40℃ 내지 300℃ 범위의) 온도에서 상이하며(즉, 제1 및 제2 열 팽창 계수, 제1 및 제2 밀도, 또는 제1 및 제2 열 팽창 계수와 제1 및 제2 밀도 모두가 적어도 2 퍼센트(일부 실시 형태에서, 적어도 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25 또는 심지어 적어도 30 퍼센트)의 처짐 차이(sag difference)(즉, 주어진 장력에 대한 가 공 송전 도체 장력 섹션의 주 경간(ruling span)에 대해 각각의 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 처짐이 계산될 때 각각의 처짐이 상이함)를 제공하기 위해 특정 온도 범위에 걸쳐 충분히 상이함), 제1 및 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 각각 단면적을 갖고, 단면적들은 동일하며(즉, 서로의 면적에 대해 ±2 퍼센트 이내에 있음), 제1 및 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 각각 독립적으로, 동일한(즉, ±5 % 내에 있는(일부 실시 형태에서, ±4, ±3 내에 있는, 또는 심지어 ±2 내에 있는)) 20℃ 내지 75℃의 범위에 걸쳐 계산된 장력(즉, 각각의 가공 송전 도체 장력 서브섹션에 대한 장력이 가공 송전 도체 장력 섹션의 주 경간에 대해 계산될 때의 장력)을 갖는, 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션(dead-end-to-dead-end overhead electrical power transmission line tension section)을 제공한다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 동일한 길이를 갖지만, 다른 실시 형태에서, 길이는 상이하다.
가공 송전 선로 장력 섹션에 대한 "주 경간(ruling span)"은 이하의 식으로 정의된다.
Figure 112009038470634-pct00001
가공 송전 선로는 다수의 데드-엔드 타워(dead-end tower), 다수의 직선 타워(tangent tower)(현수 타워(suspension tower)) 및 도체 케이블을 포함할 수 있다. 가공 송전 선로 장력 섹션은 하나의 데드-엔드 타워에서 다른 데드-엔드 타워 까지 연장된 송전 선로의 일부분을 말한다. 도 1은 데드-엔드 타워(70, 76), 직선 타워(현수 타워)(72, 74) 및 가공 송전 도체(78, 79)를 갖는 예시적인 가공 송전 선로 장력 섹션(90)을 나타낸 것이다. 가공 송전 도체 장력 섹션은 일 단부가 제1 데드-엔드 타워에 부착되어 있고 타 단부가 가공 송전 선로 장력 섹션의 제2 데드-엔드 타워에 부착되어 있는 도체의 세그먼트를 말한다. 가공 송전 선로 장력 섹션(90)은 경간(94A, 94B, 94C) 및 가공 송전 도체 장력 서브섹션(98, 99)을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 제1 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 복합재 코어는 연속하는 긴 복합재(예를 들어, 와이어) 또는 인바(예를 들어, 와이어)의 적어도 하나(일부 실시 형태에서, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 또는 심지어 적어도 50개)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 복합재 코어는 단면적을 가지며, 코어는 코어 단면적의 적어도 5 퍼센트(일부 실시 형태에서, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 심지어 100 퍼센트)가 복합재(예를 들어, 와이어(들)) 또는 인바(예를 들어, 와이어(들))인 것을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 코어는 또한 강철 와이어, 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 이의 조 합을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 연속하는 긴 복합재(예를 들어, 와이어) 또는 인바(예를 들어, 와이어)의 적어도 하나(일부 실시 형태에서, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49개, 또는 심지어 적어도 50개)를 포함하는 복합재 코어를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 단면적을 갖는 복합재 코어를 포함하며, 코어 단면적의 적어도 5 퍼센트(일부 실시 형태에서, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 심지어 100 퍼센트)가 적어도 하나의 복합재(예를 들어, 와이어(들)) 또는 인바(예를 들어, 와이어(들))이다. 일부 실시 형태에서, 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 코어는 또한 강철 와이어, 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 그의 조합을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 복합재를 갖지 않으며, 강철 와이어, 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 그의 조합을 포함하는 코어를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 코어는 적어 도 하나의 (일부 실시 형태에서, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49개, 또는 심지어 적어도 50개의) 강철 와이어, 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 그의 조합을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 이 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 코어는 단면적을 갖고, 코어 단면적의 적어도 5 퍼센트(일부 실시 형태에서, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 심지어 100 퍼센트)가 강철 와이어, 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 그의 조합이다.
일부 실시 형태에서, 본 발명에 따른 데드-엔드 간 가공 송전 도체는 적어도 하나의 부가의 (일부 실시 형태에서, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100개 또는 심지어 그 이상의) 가공 송전 도체 장력 서브섹션을 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션(들)은 독립적으로 적어도 하나의(일부 실시 형태에서, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 또는 심지어 적어도 50개의) 긴 복합재(예를 들어, 와이어)를 포함하 는 복합재 코어일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션(들)은 독립적으로 코어의 단면적의 적어도 5 퍼센트(일부 실시 형태에서, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 심지어 100 퍼센트)가 복합재(예를 들어, 와이어(들))인 복합재 코어, 또는 복합재를 갖지 않고 강철 와이어, 인바(예를 들어, 와이어(들)), 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 그의 조합을 갖는 코어일 수 있으며, 20℃ 내지 75℃ 범위의 (일부 실시 형태에서, 25℃ 내지 75℃, 20℃ 내지 100℃, 25℃ 내지 100℃, 20℃ 내지 125℃, 25℃ 내지 125℃, 20℃ 내지 150℃, 25℃ 내지 150℃, 20℃ 내지 175℃, 25℃ 내지 175℃, 20℃ 내지 200℃, 25℃ 내지 200℃, 20℃ 내지 225℃, 25℃ 내지 225℃, 20℃ 내지 240℃, 25℃ 내지 240℃, 0℃ 내지 75℃, 0℃ 내지 100℃, 0℃ 내지 200℃, 0℃ 내지 300℃, -40℃ 내지 100℃, -40℃ 내지 200℃, 또는 심지어 -40℃ 내지 300℃ 범위의) 온도에서, 각각의 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 계산된 장력을 나타내며, 각각의 계산된 장력은 본질적으로 동일하다. 일부 실시 형태에서, 코어에 복합재를 포함하는 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 코어(들)는 또한 강철 와이어, 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 그의 조합을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션(들)의 코어(들)는 코어에 복합재를 갖지 않으며 강철 와 이어, 중합체 재료(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 그의 조합 중 적어도 하나(일부 실시 형태에서, 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49개, 또는 심지어 적어도 50개)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 부가의 장력 서브섹션 코어의 단면적의 적어도 5 퍼센트(일부 실시 형태에서, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 또는 심지어 100 퍼센트)가 강철 와이어, 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 섬유, 세라믹 섬유, 붕소 섬유, 흑연 섬유, 탄소 섬유, 티타늄 와이어, 텅스텐 와이어, 형상 기억 합금 와이어 및 그의 조합이다.
알루미늄 매트릭스 복합재 코어로 이루어진 가공 송전 도체는, 예를 들어 전형적으로 가공 송전 선로에 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이들이, 예를 들어 강철 코어 도체로 이루어진 가공 송전 도체보다 더 많은 전류 용량(ampacity)은 물론 강철 코어 도체와 동일한 단면적의 경우 감소된 처짐을 제공하기 때문이다. 그 결과, 알루미늄 매트릭스 복합재 코어로 이루어진 가공 송전 도체가 가공 송전 선로 아래의 틈(clearance)을 증가시키고 그리고/또는 더 높은 온도에서 동작하여 더 많은 전류를 전달하는 데 사용될 수 있다. 그렇지만, 알루미늄 매트릭스 복합재 코어로 이루어진 가공 송전 도체가 전형적으로 강철 코어로 이루어진 가공 송전 도체보다 더 비싸기 때문에, 최소 틈을 유지하기 위해 더 작은 처짐을 요구하는 가공 송전 선로 장력 섹션의 부분에서만 알루미늄 매트릭스 복합재 코어로 이루어진 가공 송전 도체를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 가공 송전 선로 장력 섹션의 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 예시적인 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션의 개략도.
도 4 및 도 5는 복합재 와이어의 코어를 갖는 도체를 구비한 가공 송전 선로의 2개의 예시적인 실시 형태의 개략 단면도.
도 6은 복수의 가닥 주위에 유지 수단을 갖는 연선 도체(stranded conductor)의 예시적인 실시 형태의 단부도.
도 7은 실시예에 기술된 모델링 소프트웨어를 사용한, 2개의 상이한 가공 송전 도체(가공 송전 장력 서브섹션)(즉, ACCR 및 ACSR)에 대한 처짐 및 장력 데이터 대 온도의 그래프.
의외로, 상이한 가공 송전 장력 서브섹션이 설계될 수 있고, 가공 송전 선로 장력 섹션에 설치된 상이한 가공 송전 장력 서브섹션들이 적어도 20℃ 내지 75℃의 온도 범위에 걸쳐 본질적으로 동일한 계산된 장력을 갖도록 복합재(예를 들어, 알루미늄 매트릭스 복합재 및 중합체 복합재) 코어, 강철 코어 등을 갖는 가공 송전 선로 장력 섹션을 제조하는 당업계에 공지된 기술에 따라 제조될 수 있다는 것을 알았다.
하나의 예시적인 실시 형태에서, 본 발명의 실시에 이용되는 가공 송전 장력 서브섹션들의 각각은 길이가 적어도 약 400 미터(약 1250 피트)이지만, 다른 길이들도 생각된다. 일부 실시 형태에서, 가공 송전 장력 서브섹션들 각각은 길이가 적어도 약 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300, 600, 900, 1000, 1200, 1500, 1800, 2100, 2400, 2700, 3,000, 5,000, 10,000, 15,000, 20,000 미터, 또는 심지어 적어도 약 25,000 미터이다.
가공 송전 도체 장력 서브섹션에 대한 예시적인 가공 송전 도체는 복합재(예를 들어, 알루미늄 매트릭스 복합재 및 중합체 복합재) 또는 인바 와이어(들) 중 적어도 하나를 포함하는 코어를 갖는 가공 송전 도체를 포함하고, 가공 송전 장력 서브섹션은 강철 와이어(들), 중합체(예를 들어, 아라미드 및 폴리(p-페닐렌-2,6-벤조비스옥사졸)) 재료(예를 들어, 중합체 와이어), 세라믹, 붕소, 흑연, 탄소, 티타늄(예를 들어, 와이어), 텅스텐(예를 들어, 와이어) 및/또는 형상 기억 합금(예를 들어, 와이어) 및 그의 조합을 포함하는 코어를 갖는다. 전형적으로, 알루미늄 와이어, 구리 와이어, 알루미늄 합금 와이어 및/또는 구리 합금 와이어가 코어 둘레에 꼬여 있다. 알루미늄 매트릭스 복합재 코어를 갖는 도체는 때때로 알루미늄 보강 복합재 도체(aluminum conductor composite reinforced, ACCR)라고 한다.
가공 송전 도체 장력 서브섹션에 대한 다른 예시적인 가공 송전 도체로는 강심 알루미늄 도체(aluminum conductor steel reinforced, ACSR), 강심 내열 알루미늄 합금 도체(thermal-resistant aluminum alloy conductor steel reinforced, TACSR), 강심 극내열 알루미늄 합금 도체(ultra thermal-resistant aluminum alloy conductor steel reinforced, ZTACSR), 인바심 극내열 알루미늄 합금 도체(ultra thermal-resistant aluminum alloy conductor Invar reinforced, ZTACIR), 내열 알루미늄 합금(heat resistant aluminum alloy, ZTAL), 강심 초내열 알루미늄 합금 도체(extra thermal-resistant aluminum alloy conductor steel reinforced, XTACSR), 인바심 초내열 알루미늄 합금 도체(extra thermal-resistant aluminum alloy conductor Invar reinforced, XTACIR), 강심 갭 유형 극내열 알루미늄 합금(gap type ultra thermal resistant aluminum alloy steel reinforced, GZTACSR), 강심 고강도 내열 알루미늄 합금 도체(high strength thermal resistant aluminum alloy conductor steel reinforced, KTACSR), 올 알루미늄 도체(all aluminum conductor, AAC), 올 알루미늄 합금 도체(all aluminum alloy conductor, AAAC), 알루미늄 도체 복합재 코어(aluminum conductor composite core, ACCC), 및 강지지 알루미늄 도체(aluminum conductor steel supported, ACSS)가 있다.
본 발명의 실시에 이용되는 도체를 제공하기 위해 코어 둘레에 꼬여 있는 와이어가 당업계에 공지되어 있다. 알루미늄 와이어는, 예를 들어 캐나다 웨이번 소재의 넥산스(Nexans)이나 미국 조지아주 캐럴턴 소재의 사우스와이어 컴퍼니(Southwire Company)로부터 "1350-H19 알루미늄(ALUMINUM)" 및 "1350-H0 알루미늄"이라는 상표명으로 구매가능하다. 전형적으로, 알루미늄 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20×10-6/℃ 내지 약 25×10-6/℃ 범위의 열 팽창 계수를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 와이어(예를 들어, "1350-H19 알루미늄")는 적어도 138 ㎫(20 ksi), 158 ㎫(23 ksi), 172 ㎫(25 ksi), 적어도 186 ㎫(27 ksi), 또는 심지어 적어도 200 ㎫(29 ksi)의 인장 파괴 강도(tensile breaking strength)를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 와이어(예를 들어, "1350-H0 알루미늄")는 41 ㎫(6 ksi) 초과 내지 97 ㎫(14 ksi) 이하, 또는 심지어 83 ㎫(12 ksi) 이하의 인장 파괴 강도를 갖는다. 알루미늄 합금 와이어는, 예를 들어 일본 오사카 소재의 스미또모 일렉트릭 인더스트리즈(Sumitomo Electric Industries)로부터 "ZTAL"이라는 상표명으로, 또는 미국 조지아주 캐럴턴 소재의 사우스와이어 컴퍼니로부터 "6201"이라는 상표명으로 구매가능하다. 일부 실시 형태에서, 알루미늄 합금 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 500℃의 온도 범위에 걸쳐 약 20×106/℃ 내지 약 25×10-6/℃ 범위의 열 팽창 계수를 갖는다. 구리 와이어는, 예를 들어 미국 조지아주 캐럴턴 소재의 사우스와이어 컴퍼니로부터 구매가능하다. 전형적으로, 구리 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 12×10-6/℃ 내지 약 18×10-6/℃ 범위의 열 팽창 계수를 갖는다. 구리 합금 (예를 들어, 구리 청동, 예를 들어 미국 조지아주 캐럴턴 소재의 사우스와이어 컴퍼니로부터 구매가능한 Cu-Si-X, Cu-Al-X, Cu-Sn-X, Cu-Cd, 여기에서 X는 Fe, Mn, Zn, Sn 및/또는 Si, 예를 들어 미국 노스캐롤라이나주 리서치 트라이앵글 파크 소재의 오엠지 아메리카스 코포레이션(OMG Americas Corporation)으로부터 "글리드콥(GLIDCOP)"이라는 상표명으로 입수가능한 산화물 분산 강화 구리) 와이어. 일부 실시 형태에서, 구리 합금 와이어는 적어도 약 20℃ 내지 약 800℃의 온도 범위에 걸쳐 약 10×10-6/℃ 내지 약 25×10-6/℃ 범위의 열 팽창 계수를 갖는다. 와이어는 다양한 형상들(예를 들어, 원형, 타원형 및 사다리꼴) 중 임의의 형상으로 되어 있을 수 있다.
알루미늄 매트릭스 복합재 와이어(들)를 포함하는 코어를 갖는 가공 송전 도체 장력 서브섹션들에 적합한 가공 송전 도체는 당업계에 공지된 기술들에 의해 제조될 수 있다. ACCR 가공 송전 도체의 코어에 적합한 연속(즉, 평균 섬유 직경과 비교하여 비교적 무한한 길이를 갖는) 세라믹 섬유의 예로는 유리, 실리콘 탄화물 섬유 및 세라믹 산화물 섬유를 포함한다. 전형적으로, 세라믹 섬유는 결정질 세라믹(즉, 식별 가능한 X-레이 분말 회절 패턴을 나타냄) 및/또는 결정질 세라믹과 유리의 혼합물(즉, 섬유가 결정질 세라믹 및 유리 상 둘 모두를 포함할 수 있음)이지만, 이들은 또한 유리일 수도 있다. 일부 실시 형태에서, 섬유는 50 중량% 이상(일부 실시 형태에서는 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99 이상 또는 심지어 100 중량%) 결정질이다. 적합한 결정질 세라믹 산화물 섬유의 예는 내화 섬유, 예컨대 알루미나 섬유, 알루미노실리케이트 섬유, 알루미노보레이트 섬유, 알루미노보로실리케이트 섬유, 지르코니아-실리카 섬유 및 이들의 조합을 포함한다.
ACCR 가공 송전 도체의 코어의 일부 실시 형태에서, 섬유들이 섬유의 총 부피를 기준으로 적어도 40 부피%(일부 실시 형태에서, 적어도 50, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99, 또는 심지어 100 부피%)의 Al2O3를 포함하는 것이 바람직하다. 일부 실시 형태에서, 섬유가 섬유의 총 부피 기준으로 40 내지 70 부피% 범위(일부 실시 형태에서는 55 내지 70, 또는 심지어 55 내지 65 부피% 범위)의 Al2O3를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 예시적인 유리 섬유는, 예를 들어 미국 뉴욕주 코닝 소재의 코닝 글라스(Corning Glass)로부터 입수가능하다. 전형적으로, 연속 유리 섬유는 평균 섬유 직경이 약 3 마이크로미터 내지 약 19 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 유리 섬유는 평균 인장 강도가 적어도 3 ㎬, 4 ㎬ 및/또는 심지어 5 ㎬이다. 일부 실시 형태에서, 유리 섬유는 계수(modulus)가 약 60 ㎬ 내지 95 ㎬, 또는 약 60 ㎬ 내지 약 90 ㎬ 범위이다.
알루미나 섬유는, 예를 들어 미국 특허 제4,954,462호(우드(Wood) 등) 및 제5,185,299호(우드 등)에 설명되어 있다. 일부 실시 형태에서, 알루미나 섬유는 다결정질 알파 알루미나 섬유이며, 이론적 산화물 기준으로, 알루미나 섬유의 총 중량 기준으로 99 중량% 초과의 Al2O3 및 0.2 내지 0.5 중량%의 SiO2를 포함한다. 다른 태양에서, 몇몇 바람직한 다결정질 알파 알루미나 섬유는 평균 그레인(grain) 크기가 1 마이크로미터 미만(또는 일부 실시 형태에서는, 심지어 0.5 마이크로미터 미만)인 알파 알루미나를 포함한다. 다른 측면에서, 일부 실시 형태에서, 다결정질 알파 알루미나 섬유는, 미국 특허 제6,460,597호(맥컬로우(McCullough) 등)에 기술된 인장 강도 시험에 따라 측정된 바와 같이, 적어도 1.6 ㎬ (일부 실시 형태에서, 적어도 2.1 ㎬, 또는 심지어 적어도 2.8 ㎬)의 평균 인장 강도를 갖는다. 예시적인 알파 알루미나 섬유는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)에 의해 "넥스텔(NEXTEL) 610"이라는 상표명으로 시판된다.
알루미노실리케이트 섬유는, 예를 들어 미국 특허 제4,047,965호(칼스트(Karst) 등)에 설명되어 있다. 예시적인 알루미노실리케이트 섬유는 쓰리엠 컴퍼니에 의해 "넥스텔 440", "넥스텔 550" 및 "넥스텔 720"이라는 상표명으로 시판된다.
알루미늄보레이트 및 알루미노보로실리케이트 섬유는, 예를 들어 미국 특허 제3,795,524호(소우맨(Sowman))에 설명되어 있다. 예시적인 알루미노보로실리케이트 섬유는 쓰리엠 컴퍼니에 의해 "넥스텔 312"라는 상표명으로 시판된다.
지르코니아-실리카 섬유는, 예를 들어 미국 특허 제3,709,706호(소우맨(Sowman))에 설명되어 있다.
전형적으로, 연속 세라믹 섬유는 평균 섬유 직경이 적어도 약 5 마이크로미터, 더욱 전형적으로 약 5 마이크로미터 내지 약 20 마이크로미터 범위이며, 일부 실시 형태에서는 약 5 마이크로미터 내지 약 15 마이크로미터 범위이다.
전형적으로, 세라믹 섬유는 단선(tow) 형태이다. 단선은 섬유 분야에서 알려져 있으며, 전형적으로 일반적으로 꼬이지 않은(untwisted) 복수의 (개별) 섬유(전형적으로 100개 이상의 섬유, 더욱 전형적으로는 400개 이상의 섬유)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 단선들은 단선 당 780개 이상의 개별 섬유를, 그리고 몇몇 경우에는 단선 당 2600개 이상의 개별 섬유, 또는 단선 당 5200개 이상의 개별 섬유를 포함한다. 다양한 세라믹 섬유의 단선은 300 미터, 500 미터, 750 미터, 1000 미터, 1500 미터 및 그 이상의 길이를 비롯한 다양한 길이로 입수가능하다. 섬유는 원형, 타원형 또는 도그본형(dogbone)인 단면 형상을 가질 수도 있다.
예시적인 붕소 섬유는, 예를 들어 미국 매사추세츠주 로웰 소재의 텍스트론 스페셜티 파이버즈, 인크.(Textron Specialty Fibers, Inc.)로부터 구매가능하다. 전형적으로, 그러한 섬유는 길이가 50 미터 이상 정도이며, 심지어 길이가 수 킬로미터 또는 그 이상 정도일 수도 있다. 전형적으로, 연속 붕소 섬유는 평균 섬유 직경이 약 80 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터 범위이다. 더욱 전형적으로, 평균 섬유 직경은 150 마이크로미터 이하, 가장 전형적으로 95 마이크로미터 내지 145 마이크로미터 범위이다. 일부 실시 형태에서, 붕소 섬유는 평균 인장 강도가 3 ㎬ 이상 및/또는 심지어 3.5 ㎬ 이상이다. 일부 실시 형태에서, 붕소 섬유는 계수가 약 350 ㎬ 내지 약 450 ㎬ 범위, 또는 심지어 약 350 ㎬ 내지 약 400 ㎬ 범위이다.
또한, 예시적인 탄화규소 섬유는, 예를 들어 미국 캘리포니아주 샌 디에고 소재의 씨오아이 세라믹스(COI Ceramics)에 의해 500개 섬유의 단선으로 "니칼론(NICALON)"이라는 상표명으로, 일본 소재의 우베 인더스트리즈(Ube Industries)로부터 "타이라노(TYRANNO)"라는 상표명으로, 그리고 미국 미시건주 미들랜드 소재의 다우 코닝(Dow Corning)으로부터 "실라믹(SYLRAMIC)"이라는 상표명으로 시판된다.
예시적인 탄화규소 모노필라멘트 섬유가, 예를 들어 미국 매사추세츠주 로웰 소재의 스페셜티 머티리얼즈, 인크.(Specialty Materials, Inc.)에 의해 "SCS-9", "SCS-6" 및 "Ultra-SCS"라는 상표명으로 시판되고 있다.
매트릭스를 위한 예시적인 알루미늄 금속은 순도가 높은(예를 들어, 99.95% 초과) 원소 알루미늄 또는 순수 알루미늄과 구리와 같은 다른 원소들의 합금이다. 전형적으로, 알루미늄 매트릭스 재료는, 매트릭스 재료가 예를 들어 섬유 외부 상에 보호 코팅을 제공할 필요성을 제거하기 위해 섬유와 유의하게 화학적으로 반응하지 않도록(즉, 섬유 재료에 대해 비교적 화학적으로 불활성이도록) 선택된다.
일부 실시 형태에서, 알루미늄 매트릭스는 98 중량% 이상의 알루미늄, 99 중량% 이상의 알루미늄, 99.9 중량% 초과의 알루미늄, 또는 심지어 99.95 중량% 초과의 알루미늄을 포함한다. 알루미늄과 구리의 예시적인 알루미늄 합금은 98 중량% 이상의 알루미늄 및 최대 2 중량%의 구리를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 유용한 알루미늄 합금은 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 및/또는 8000 시리즈 알루미늄 합금(알루미늄 협회(Aluminum Association) 명칭)이다. 더 높은 순도의 알루미늄이 더 높은 인장 강도의 와이어를 제조하기에 바람직한 경향이 있지만, 금속의 덜 순수한 형태도 또한 유용하다.
적합한 알루미늄이, 예를 들어 미국 펜실베니아주 피츠버그 소재의 알코아(Alcoa)로부터 "수퍼 퓨어 알루미늄(SUPER PURE ALUMINUM); 99.99% Al"이라는 상표명으로 입수가능하다. 알루미늄 합금(예를 들어, Al-2 중량% Cu(0.03 중량% 불순물))이, 예를 들어 미국 뉴욕주 뉴욕 소재의 벨몬트 메탈즈(Belmont Metals)로부터 입수될 수 있다.
복합재 코어 및 와이어는 전형적으로 섬유와 알루미늄 매트릭스 재료의 총 조합 부피 기준으로, 15 부피% 이상(일부 실시 형태에서는 20, 25, 30, 35, 40, 45 또는 심지어 50 부피% 이상)의 섬유를 포함한다. 더욱 전형적으로, 복합재 코어 및 와이어는 섬유와 알루미늄 매트릭스 재료의 총 조합 부피 기준으로, 40 내지 75 부피%(일부 실시 형태에서는 45 내지 70 부피%) 범위의 섬유를 포함한다.
전형적으로, 코어의 평균 직경은 약 3 ㎜ 내지 약 40 ㎜ 범위이다. 일부 실시 형태에서, 바람직한 코어의 평균 직경은 적어도 10 ㎜, 적어도 15 ㎜, 20 ㎜, 또는 심지어 최대 약 25 ㎜(예를 들어, 10 ㎜ 내지 30 ㎜)이다. 전형적으로, 복합 와이어의 평균 직경은 약 1 ㎜ 내지 12 ㎜, 1 ㎜ 내지 10 ㎜, 1 내지 8 ㎜, 또는 심지어 1 ㎜ 내지 4 ㎜ 범위이다. 일부 실시 형태에서, 바람직한 복합 와이어의 평균 직경은 적어도 1 ㎜, 적어도 1.5 ㎜, 2 ㎜, 3 ㎜, 4 ㎜, 5 ㎜, 6 ㎜, 7 ㎜, 8㎜, 9 ㎜, 10 ㎜, 11 ㎜, 또는 심지어 적어도 12 ㎜이다.
알루미늄 복합재 와이어를 제조하는 기술이 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 연속 금속 매트릭스 복합 와이어는 연속 금속 매트릭스 침윤 공정에 의해 제조될 수 있다. 하나의 적합한 공정이, 예를 들어 미국 특허 제6,485,796호(카펜터(Carpenter) 등)에 설명되어 있다. 연속 섬유 보강 금속 매트릭스 복합재에 대한 다른 가공 절차가, 예를 들어 2001년에 발행된, 문헌[ASM Handbook Vol. 21, Composites, pp. 584-588 (ASM International, Metals Park, OH)]에 논의되어 있다.
강철 와이어(들)를 포함하는 코어를 갖는 가공 송전 도체는, 예를 들어 미국 조지아주 캐럴턴 소재의 사우스와이어로부터 구매가능하다. 전형적으로, 코어의 강철 와이어는 1172 ㎫(170 ksi) 내지 1931 ㎫(280 ksi)의 공칭 인장 강도 범위를 갖는 중간 내지 고강도 강철이며, 보통 우수한 내부식성을 제공하도록 코팅되어 있다. 통상의 코팅 재료는 (아연도금된 것으로도 알려진) 아연 또는 5% 알루미늄-미시메탈(mischmetal)을 갖는 아연 합금을 포함한다. 부가된 유형의 코팅은 알루미늄 또는 알루미늄 클래딩, 예를 들어 알루미늄 클래드강(예를 들어, 미국 사우스캐롤라이나주 던칸 소재의 알루모웰드(Alumoweld)로부터 입수가능한 "알루모웰드"), 예컨대 와이어즈(Wires) AWG #4(공칭 직경이 5.18 ㎜(0.2043 인치), 극한 인장 강도가 793 ㎫(115 ksi(109 ㎏/㎟)), 중량이 139.3 ㎏/㎞(93.63 lb/1000 ft), 저항이 20℃에서 4.009 ohm/㎞(68℉에서 1.222 ohm/1000 ft)), 와이어즈 AWG #8(공칭 직경이 3.264 ㎜(0.1285 인치), 극한 인장 강도가 1344 ㎫(195 ksi(137 ㎏/㎟)), 중량이 55.11 ㎏/㎞(37.03 lb/1000 ft), 저항이 20℃에서 10.13 ohm/㎞(68℉에서 3.089 ohm/1000 ft))이다.
복합재 섬유 유리/탄소 섬유 코어와 같은 중합체 코어 도체가, 예를 들어 미국 캘리포니아주 어빈 소재의 컴포지트 테크놀로지 코포레이션(Composite Technology Corporation)으로부터 "ACCC/TW 드레이크(DRAKE)"라는 상표명으로 입수가능하다. 탄소 섬유로 강화된 중합체 복합재가, 예를 들어 일본의 도쿄 로프(Tokyo Rope)로부터 입수가능하다. 탄화규소 섬유로 강화된 알루미늄 와이어가, 예를 들어 일본의 니폰 카본(Nippon Carbon)으로부터 입수가능하다. 흑연 섬유로 강화된 알루미늄 와이어가, 예를 들어 일본의 야자키 코포레이션(Yazaki Corp.)으로부터 입수가능하다.
일부 실시 형태에서, 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 열 팽창 계수는 0 내지 25×10-6/℃의 범위에 (일부 실시 형태에서, 8×10-6/℃ 내지 20×10-6/℃, 또는 심지어 14×10-6/℃ 내지 20×10-6/℃의 범위에) 있다. 일부 실시 형태에서, 송전 도체 장력 서브섹션의 밀도는 1.4 g/㎤ 내지 20 g/㎤ 범위에 (일부 실시 형태에서, 16 g/㎤ 내지 19 g/㎤, 2.7 g/㎤ 내지 3.6 g/㎤, 또는 2.2 g/㎤ 내지 4.5 g/㎤의 범위에) 있다.
본 발명에서 이용되는 도체는 전형적으로 꼬여 있다. 연선 도체는 전형적으로 중심 와이어 및 중심 와이어 둘레에 나선형으로 꼬여 있는 와이어의 제1 층을 포함한다. 도체 꼬기(conductor stranding)는 와이어의 개별 가닥들이 나선형 배열로 조합되어 최종 도체를 생성하는 공정이다(예를 들어, 미국 특허 제5,171,942호(파워즈(Powers)) 및 제5,554,826호(젠트리(Gentry)) 참조). 생성된 나선형으로 꼬인 와이어 로프는 동등한 단면적의 중실 로드로부터 이용될 수 있는 것보다 훨씬 큰 가요성을 제공한다. 나선형 배열은 또한 연선 도체가 취급, 설치 및 사용 시에 굽힘을 받을 때 그의 전체적인 둥근 단면 형상을 유지하기 때문에 유리하다. 나선형으로 꼬인 도체는 7개만큼 적은 개별 가닥으로부터 50개 이상의 가닥을 포함하는 더욱 일반적인 구성까지를 포함할 수 있다.
본 발명에 유용한 하나의 예시적인 가공 송전 도체가 도 4에 도시되어 있으며, 여기서 가공 송전 도체(130)는 19개의 개별 와이어(예를 들어, 복합재(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재) 와이어)(134)의 코어(132)가 30개의 개별 금속 와이어(예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 와이어)(138)의 링(136)에 의해 둘러싸여 있는 것일 수 있다. 마찬가지로, 도 5에 도시된 바와 같이, 많은 대안들 중 하나로서, 가공 송전 도체(140)는 37개의 개별 와이어(예를 들어, 복합재(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재) 와이어)(144)의 코어(142)가 21개의 개별 금속 (예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금) 와이어(148)의 재킷(146)으로 둘러싸여 있는 것일 수 있다.
도 6은 연선 도체(80)의 또 다른 예시적인 실시 형태를 도시한다. 본 실시 형태에서, 연선 도체는 중심 와이어(예를 들어, 복합재(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재) 와이어)(81A) 및 코어 중심 복합재 와이어(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재)(81A) 둘레에 나선형으로 꼬여 있는 복합재 와이어(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재)의 제1 층(82A)을 포함한다. 본 실시 형태는 제1 층(82A) 둘레에 나선형으로 꼬여 있는 복합재(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재) 와이어(81)의 제2 층(82B)도 추가로 포함한다. 임의의 적합한 개수의 복합재 와이어(예를 들어, 금속 매트릭스 복합재)(81)가 임의의 층으로 포함될 수 있다. 게다가, 원하는 경우 연선 도체(80) 내에 2개 초과의 층이 포함될 수 있다.
알루미늄 매트릭스 복합재 와이어 및 도체의 제조에 대한 부가적인 상세한 설명은, 예를 들어 미국 특허 제5,501,906호(디브(Deve)), 제6,180,232호(맥컬로우 등), 제6,245,425호(맥컬로우 등), 제6,336,495호(맥컬로우 등), 제6,544,645호(맥컬로우 등), 제6,447,927호(맥컬로우 등), 제6,460,597호(맥컬로우 등), 제6,329,056호(디브 등), 제6,344,270호(맥컬로우 등), 제6,485,796호(카펜터(Carpenter) 등), 제6,559,385호(존슨(Johnson) 등), 제6,796,365호(맥컬로우 등), 제6,723,451호(맥컬로우 등), 제6,692,842호(맥컬로우 등), 제6,913,838호(맥컬로우 등), 제7,093,416호(존슨 등) 및 제7,131,308호(맥컬로우 등), 그리고 미국 특허 출원 공개 제2004/0190733호(네이어(Nayar) 등), 제2005/0181228호(맥컬로우 등), 제2006/0102377호(존슨 등), 제2006/0102378호(존슨 등) 및 제2007/0209203호(맥컬로우 등), 그리고 금속 매트릭스 복합재 와이어 및 이를 포함하는 도체의 제조 및 사용에 관한 교시에 대한 2005년 1월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제60/755,690호에 설명되어 있다. 알루미늄 매트릭스 복합재를 포함하는 도체도 또한, 예를 들어 쓰리엠 컴퍼니로부터 "403 ㎟(795 kcmil) ACCR"이라는 상표명으로 입수가능하다.
다수의 부속물들이 당업계에 공지되어 있으며 도체 섹션들을 연결하는 것과 도체를 타워에 부착하는 것을 용이하게 하도록 사용되고 있다. 예를 들어, 종단부(termination)("데드-엔드"라고도 함) 및 이음부(joint)("중간 지점 스플라이스(mid-span splice)" 또는 최대-장력 스플라이스/이음부(full-tension splice/joint))가, 예를 들어 미국 사우스캐롤라이나주 스파르탄버그 소재의 알코아 컨덕터 액세서리즈(Alcoa Conductor Accessories, ACA) 및 미국 오하이오주 클리브랜드 소재의 프리폼드 라인 프로덕츠(Preformed Line Products, PLP)로부터 구매가능하다. 도체의 특정의 구조가 가공 송전 선로 장력 섹션 전체의 원하는 특성에 좌우될 것이지만, 전형적으로 데드-엔드 부속물은 도체를 타워에 연결시킨다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 예시적인 데드-엔드 간 가공 송전 도체(101)는 데드-엔드 타워(102, 104)와, 데드-엔드 타워(102, 104)들 사이에 고정되어 있는 가공 송전 도체(103)를 포함하며, 직선(현수) 타워(111, 112, 113, 114, 115)에 의해 부가적으로 지지되고 있다. 가공 송전 도체(103)는 가공 송전 도체 장력 서브섹션을 강철 코어(116, 118)로 함께 고정시키고 가공 송전 도체 장력 서브섹션을 알루미늄 매트릭스 복합재 코어(117)로 함께 고정시킨다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다른 예시적인 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션(201)은 데드-엔드 타워(202, 204)와, 데드-엔드 타워(202, 204)들 사이에 고정된 가공 송전 도체(203)를 포함하며, 직선(현수) 타워(211, 212, 213, 214, 215)에 의해 부가적으로 지지되고 있다. 가공 송전 도체(203)는 가공 송전 도체 장력 서브섹션을 알루미늄 매트릭스 복합재 코어(216, 218)로 함께 고정시키고 가공 송전 도체 장력 서브섹션을 강철 코어(217)로 함께 고정시킨다.
데드-엔드 타워(구조물)는 일반적으로 도체의 길이방향 이동을 허용하지 않는다. 데드-엔드 구조물들 사이에서, 현수 구조물은 도체를 수직으로 지지한다. 이 도체는 애자련(insulator string)(전형적으로 서로 묶인 절연 세라믹 디스크들)을 통해 현수 타워에 연결된다. 애자련의 일 단부는 현수 타워에 부착되어 있고 애자련의 타 단부는 도체에 부착되어 있다. 이러한 후자의 부착을 도체 부착점이라고 한다. 도체에서 장력의 변화가 일어남에 따라, 현수 타워 부착 지점을 중심으로 선회하는 애자련은 도체를 잡아당길 것이고 그에 따른 힘의 평형을 잡기 위해 도체 부착점을 길이방향으로 이동시킬 것이다. 이러한 이동을 애자 스윙(insulator swing)이라고 한다. 현수 타워의 경간(span)들 사이의 도체 장력의 변화는 통상적으로 애자 스윙에 의해 같게 된다. 경간들 사이의 장력을 같게 하기 위해 애자가 장력이 낮은 경간에서 장력이 높은 경간으로 스윙한다. 이는 장력이 높은 경간에서 장력을 떨어뜨리고 그 경간에서의 처짐을 증가시킨다.
가공 송전 선로 장력 섹션은 또한 원하는 또는 요구되는 틈을 항상 유지하도록 설계되어 있다. 모든 기상 및 전기 부하에서 적절한 틈을 보장하기 위해, 도체의 처짐 거동이 선로 설계에 포함된다. 처짐 장력 계산은 변하는 조건 하에서의 도체의 처짐 거동을 예측하는 데 사용된다. 이들 처짐 장력 계산은 보통 선로의 여러 부하 조건 및 특성을 사용하여 수치적으로 행해진다. 한 가지 중요한 부하 조건은 여러 동작 온도에서 도체의 처짐 및 장력이다. 도체를 통해 더 많은 전류가 전송될 때, "I2R" 저항 손실로 인해 도체의 온도가 올라가고 물질의 열 팽창으로 인해 도체가 늘어난다. 도체가 늘어남에 따라, 경간에서의 장력이 감소되고 도체의 처짐이 증가한다.
현수 타워의 양측에 동일 길이의 경간 상에 동일한 도체가 설치되는 종래의 설계에서, 장력의 변화가 양 도체에 동일할 것이며 도체 부착점은 이동하지 않을 것이다. 하나의 경간이 다른 경간보다 긴 경우, 짧은 경간에서 장력이 더 빨리 감소할 것이다. 그러면, 도체 부착점은 긴 경간 쪽으로 이동할 것이다.
상이한 열 팽창 거동을 갖는 도체를 갖는 동일 길이 장력 서브섹션의 경우에, 도체가 상이한 속도로 늘어날 것이며 도체 장력은 상이한 속도로 변할 것이다. 전형적으로, 장력은 더 큰 열 신장을 갖는 도체에서 더 빨리 변할 것이다. 따라서, 도체 부착점이 최소로 팽창하는 도체(즉, 더 높은 장력을 갖는 가공 송전 도체 장력 서브섹션) 쪽으로 이동할 것이다. 저팽창 도체가 일 경간에 설치되고 고팽창 도체가 인접 경간에 설치되는 경우, 당업자라면 애자련의 이동이 저팽창을 갖는 도체에 틈을 초과할 정도로 과도한 처짐을 야기할 것임을 예상할 것이다. 게다가, 당업자라면 틈의 침범 없이 동일한 가공 송전 선로 장력 섹션에 상이한 도체를 설치할 수 없다는 것을 예상할 것이다. 따라서, 본 발명의 의외의 특성이 있다.
도체의 유형, 도체에 사용되는 물질의 유형, 장력 서브섹션을 제조하는 방법, 장력 서브섹션을 연결시키는 방법, 가공 송전 선로의 유형 및 다른 관련 예들의 선택에 관한 부가의 상세한 설명은 2006년 12월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/617,480호 및 제11/617,494호에서 찾아볼 수 있다.
결과를 예측하기 위한 소프트웨어를 사용하여 실시예를 수행하였다. 제1 도체는 알루미늄 보강 복합재 도체(ACCR)(미국 미네소타주 세인트폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 "ACCR 795-T16"이라는 상표명으로 입수가능함)였다. 제2 도체는 강심 알루미늄 도체(ACSR)(미국 조지아주 캐럴턴 소재의 사우스와이어로부터 "795 드레이크 ACSR"이라는 상표명으로 입수가능함)였다. 본 실시예에서, 양 장력 서브섹션 둘 모두는 동일한 길이이고 경간과 같다.
도체의 처짐 및 장력 대 온도 거동을 예측하는 데 사용된 소프트웨어(및 모 델)를 "SAG10"(버전 3.0 업데이트 3.9.7)이라는 상표명으로 미국 사우스캐롤라이나주 스파르탄버그 소재의 ACA 컨덕터 액세서리즈로부터 입수하였다. 응력 파라미터는 "빌트인 알루미늄 응력(built-in aluminum stress)"이라고 하는 소프트웨어에서의 조정 파라미터(fitting parameter)였으며, 이는 알루미늄 이외의 물질(예를 들어, 알루미늄 합금)이 사용되는 경우 다른 파라미터들을 조정하기 위해 변경될 수 있으며, 예측된 그래프 상에서의 굴곡점(knee-point)의 위치와 또한 고온 굴곡점 이후 영역에서의 처짐의 양을 조절한다. 응력 파라미터 이론에 대한 설명은 문헌[Alcoa Sag10 Users Manual (Version 2.0): Theory of Compressive Stress in Aluminum of ACSR]에 제공되어 있다.
이하의 도체 파라미터들, 즉 면적, 직경, 단위 길이 당 중량 및 정격 파괴 강도(rated breaking strength, RBS)를 소프트웨어("SAG10")에 입력할 필요가 있었다. 이하의 선로 부하 조건들, 즉 경간 길이 및 설치 온도에서의 초기 장력을 소프트웨어에 입력할 필요가 있었다. 압축 응력 계산을 수행하기 위해 이하의 파라미터들, 즉 빌트인 와이어 응력, 와이어 면적(총 면적에 대한 비율), 도체에서의 와이어 층의 개수, 도체에서의 와이어 가닥의 개수, 코어 가닥의 개수 및 각 와이어 층의 꼬임률(stranding lay ratio)을 소프트웨어에 입력할 필요가 있었다. 응력-변형 계수를 표(이하의 표 4 및 표 8 참조)로서 소프트웨어에 입력할 필요가 있었다. 또한, 계수들이 참조되는 온도인 파라미터 TREF를 지정하였다. 소프트웨어를 사용하여 처짐 및 장력 대 온도 곡선을 생성하였다. (이하의) 표 1 내지 표 8에 나타낸 도체 파라미터들을 소프트웨어("SAG10")에 입력하였다.
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도 7은 소프트웨어("SAG10")를 사용하여 발생된 데이터를 나타낸 것으로, ACCR 및 ACSR 도체의 처짐 및 장력을 도체 온도에 대해 그려져 있다. 라인(60)은 ACCR 복합재 도체의 장력을 나타내고, 라인(64)은 ACCR 도체의 처짐을 나타낸다. 라인(62)은 ACSR 도체의 장력을 나타내고, 라인(66)은 ACSR 도체의 처짐을 나타낸다. 도 7은 -30℃내지 240℃의 온도 범위에 걸쳐 ACCR 장력이 거의 완벽하게 ACSR 장력과 일치함을 보여준다. 양 도체 경간 둘 모두에서 장력이 동등하지만, 그 동일한 온도 범위에 걸쳐 ACCR 경간에서 처짐이 더 낮다. 본 실시예는 현수 타워의 양 측에서 장력 서브섹션 길이가 동등하고 고도의 차이가 없는 것에 대한 것이다. 본 실시예에 대한 압축 응력 파라미터의 값은 17.2 ㎫(2500 psi)이었다.
더 강조하기 위하여, 본 실시예에서, 15℃에서 양 도체 둘 모두가 동일한 장력을 가졌지만, ACCR 도체가 ACSR 도체보다 더 적은 처짐(2 미터(6.5 피트))을 가졌다. 이는 ACCR 도체가 더 적은 처짐이 요구되는 경간에 설치될 수 있게 해줄 것이다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명은 본 명세서에 나타낸 예시적인 실시 형태들로 부당하게 제한되지 않음을 이해하여야 한다.

Claims (17)

  1. 제1 및 제2 데드-엔드 타워와,
    제1 데드-엔드 타워에 부착된 제1 단부 및 제2 데드-엔드 타워에 부착된 제2 단부를 가지며 적어도 제1 및 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션으로 이루어진 가공 송전 도체 장력 섹션을 포함하며, 적어도 제1 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 복합재 코어 또는 인바(Invar) 코어 중 적어도 하나를 가지며, 제1 및 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션 각각은 처짐 값(sag value)을 갖고, 제1 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 제1 열 팽창 계수 및 제1 밀도를 가지며, 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 제2 열 팽창 계수 및 제2 밀도를 갖고, 제1 및 제2 열 팽창 계수 또는 제1 및 제2 밀도 중 적어도 하나가 20℃ 내지 75℃ 범위의 온도에서 상이하며, 제1 및 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션 각각은 단면적을 갖고, 단면적들은 동일하며, 제1 및 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 각각 독립적으로 20℃ 내지 75℃의 범위에 걸쳐 동일한 계산된 장력을 갖는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  2. 제1항에 있어서, 제1 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 복합재 코어를 포함하고, 선택적으로, 복합재 코어는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 매트릭스 복합재 중 적어도 하나를 포함하거나, 중합체 매트릭스 복합재를 포함하는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  3. 제2항에 있어서, 제1 및 제2 열 팽창 계수는 0 내지 25×10-6/℃의 범위에 있고, 선택적으로, 제1 및 제2 밀도는 1.4 g/㎤ 내지 20 g/㎤의 범위에 있는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  4. 제2항에 있어서, 제1 및 제2 밀도는 2.7 g/㎤ 내지 3.6 g/㎤의 범위에 있거나, 제1 및 제2 밀도는 2.2 g/㎤ 내지 4.5 g/㎤의 범위에 있는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  5. 제2항에 있어서, 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 강철 코어를 갖는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  6. 제2항에 있어서, 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 단면적을 갖는 코어를 갖고, 코어의 단면적의 적어도 50 퍼센트가 알루미늄 매트릭스 복합재 와이어인 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  7. 제2항에 있어서, 제2 순차 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 알루미늄 매트릭스 복합재 코어를 갖는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  8. 제2항에 있어서, 복합재 코어를 갖는 적어도 하나의 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션을 추가로 포함하며, 20℃ 내지 75℃ 범위의 온도에서, 제1 가공 송전 도체 장력 서브섹션, 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션 및 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 각각은 독립적으로 20℃ 내지 75℃ 범위에 걸쳐 동일한 계산된 장력을 갖고, 선택적으로, 제1 데드-엔드 타워와 제2 데드-엔드 타워 사이에 위치된 적어도 3개의 직선 타워(tangent tower)를 추가로 포함하는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  9. 제2항에 있어서, 알루미늄 매트릭스 복합재 코어를 갖는 적어도 하나의 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션을 추가로 포함하며, 20℃ 내지 75℃ 범위의 온도에서, 제1 가공 송전 도체 장력 서브섹션, 제2 가공 송전 도체 장력 서브섹션 및 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션의 각각은 독립적으로 20℃ 내지 75℃ 범위에 걸쳐 동일한 계산된 장력을 갖고, 선택적으로, 제1 데드-엔드 타워와 제2 데드-엔드 타워 사이에 위치된 적어도 3개의 직선 타워를 추가로 포함하는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
  10. 제9항에 있어서, 부가의 가공 송전 도체 장력 서브섹션은 알루미늄 매트릭스 복합재 코어를 갖는 데드-엔드 간 가공 송전 선로 장력 섹션.
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