KR101549660B1 - 초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선에 관한 것으로, 다수의 강선이 연선되고, 상기 각 강선은 중량 %로 C 0.88~1.0%, Si 1.1~1.5%, Mn 0.3~0.7%, P 0.001~0.025%, S 0.001~0.025%, Cu 0.001~0.3%, Cr 0.2~0.95%를 함유하고 잔부가 Fe로 이루어진 합금 조성을 가지는 초고강도 도금 강선으로 구성되는 강심과; 상기 강심을 감싸고 있는 알루미늄 선재;를 포함하여 구성되는 초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 강심소재로 인장강도가 높은 초고강도 강선을 적용함으로써, 낮은 응력 천이온도를 가지며, 이로 인해 이도(Sag)가 감소하고, 이도의 감소에 의해 송전용량이 증대되는 이점이 있다.

Description

초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선{Overhead Conductor using Ultra High Strength Steel Wire}

본 발명은 초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 강심소재로 인장강도가 높은 초고강도 강선을 적용함으로써, 낮은 응력 천이온도를 가지며, 이로 인해 이도(Sag)가 감소하고, 이도의 감소에 의해 송전용량이 증대되는 초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선에 관한 것이다.

한전 표준 구매시방서(ES 121-113～160)에 규정에 따르면, 종래의 가공송전선(ACSR : Aluminum stranded conductors steel reinforced)은 송전선의 지지선 역할을 담당하는 강심소재로 연선한 7가닥의 고탄소 강선이 사용되고 있다.

강선의 직경은 가공송전선 종류에 따라 다르며, 상세한 것은 상기의 한전 표준 구매시방서에 규정되어 있다. 그리고 이때, 고탄소 강선의 인장강도는 약 125～135kgf/mm²의 특성치가 요구되고 있으며, 알루미늄 선재의 경우는 인장강도가 16.2~16.5 kgf/mm²의 것이 사용되고 있다.

한편, 가공송전선을 구성하는 핵심소재는 전선의 강도를 유지시켜 주는 강심과 전류수송을 담당하는 알루미늄 선재로 이루어져 있다.

가공송전선의 경우, 전류의 수송은 주로 알루미늄 선재가 담당하며, 강선으로 구성된 강심은 철탑이나 전주에서 전선을 잡아당겨주는 지지선 역할을 각각 담당한다. 즉, 가공송전선의 경우, 강선 등의 구성소재의 여러 특성에 따라 철탑이나 전신주에 전선을 설치했을 때, 처짐이 상이하게 되며 상기의 처짐을 수치화시켜 놓은 것이 이도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 철탑 양 지지점의 고저차가 없을 경우, 전선의 이도를 간단하게 식으로 표현하면, 아래와 같다.

여기서, D : 이도, S : 경간, T : 전선에 인가되는 수평장력, W : 전선에 가해지는 합성하중을 의미한다.

상기의 식으로부터 알 수 있듯이, T, 즉 전선에 인가되는 수평장력이 크면 D는 감소하는 것을 알 수 있다. 즉 전선의 수평장력을 크게 할 수 있는 것은 전선에 인가되는 수평장력을 크게 하면 할수록 이도는 작아지게 된다.

가공송전선은 기본적으로 금속소재로 구성되어 있기 때문에 온도의 변화에 따라 선팽창계수에 의한 길이 변화가 발생한다. 즉, 여름에는 송전선이 늘어나 길어지고, 겨울에는 송전선의 길이가 감소하게 된다. 따라서, 이 길이 변화에 대해 송전선을 보호하기 위해 일정 이도는 반드시 필요하다.

상기에서 설명한 바와 같이, 가공송전선은 기본적으로 일정 직경의 알루미늄 선재(Aluminum wire)와 일정 직경의 강선(steel wire)으로 구성된다. 그리고 전류의 수송은 주로 알루미늄 선재가 담당하며, 강선은 철탑에 전선을 고정시키기 위한 지지선 역할을 담당한다.

그리고 가공송전선의 경우, 상이한 특성(인장강도, 선팽창계수)을 가지는 두 종류의 선재가 복합 연선 되어있다. 즉, 가공송전선에 일정한 장력이 인가되면, 상온에서는 알루미늄 선재와 강선이 동시에 일정 장력을 분담하고 있다가 전선 온도가 어느 온도 이상 상승하게 되면, 알루미늄 선재의 선팽창계수가 강선의 선팽창계수에 비해 월등히 크기 때문에, 알루미늄이 분담하고 있는 장력이 모두 강선으로 이동하게 되는데, 이때의 온도를 천이온도(Knee point)라고 한다. 즉, 천이온도 이상의 온도영역에서의 이도는 순전히 강심의 선팽창계수 및 탄성계수의 영향을 받게 되고, 천이온도 이하 온도영역에서의 이도는 알루미늄과 강선의 복합연선에서의 합성특성에 의해 지배를 받게 된다.

대체적으로 가공송전선의 경우, 천이온도를 경계로 이하 또는 이상의 온도영역에서의 길이변화를 비교해 보면, 천이온도 이하에서의 길이변화가 천이온도 이상의 길이변화에 비해 상당히 크다. 즉 천이온도 이하에서의 알루미늄 선재와 강선의 합성 선팽창계수가 천이온도 이상에서의 강선의 단일 선팽창계수보다 크다.

이와 같은 현상은 가공송전선과 같은 합성연선의 경우, 천이온도를 낮게 유도할 경우, 온도 상승에 따른 송전선의 실장변화를 줄일 수 있다는 것을 의미하며, 이는 즉 이도를 감소시킬 수 있다는 것을 의미한다. 이도가 감소하면 그 감소분만큼 송전용량을 더 증가시킬 수 있게 된다.

따라서, 가공송전선의 천이온도를 적절히 제어함으로서 송전용량의 증감을 꾀할 수 있다. 그러므로, 천이온도에 영향을 미치는 인자들에 대한 이해가 요구된다. 천이온도는 매우 다양한 요인들에 의해 변화된다.

일반적으로 천이온도는 철탑의 경간, 가선장력, 알루미늄과 강선 각각의 선팽창특성의 차이 그리고 두 구성소재의 단면적비 등과 같은 요소인자들에 좌우된다. 가공송전선과 같은 복합연선의 경우, 가공송전선의 이도에 미치는 외생 인자들을 제외하고, 전선 자체의 관점에서 볼 때, 초기 알루미늄 선재에 얼마만큼의 초기 장력이 분담되는 가가 천이온도의 결정에 대단히 중요한 요인이라고 할 수 있다. 즉, 가능한 알루미늄 선재에 장력이 인가되지 않도록 설계하는 것이 천이온도를 낮게 유지하는 핵심요소기술이라고 할 수 있다. 이와 같은 목적을 달성하기 위해서는 알루미늄 선재에 인가되는 장력분담율을 최소화하는 것이 요구되며, 이는 강선의 인장강도를 높이는 것이 중요한 방책이다. 그러므로 강선으로 형성된 강심소재의 인장강도를 최대화, 즉 강심의 장력분담율을 극대화하면 천이온도를 낮출 수 있게 된다.

대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0064765호(공개일자;2004년 07월 21일) 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 제10-2002-0029539호(공개일자;2002년 4월 19일)

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 강심소재로 인장강도가 높은 초고강도 강선을 적용함으로써, 낮은 응력 천이온도를 가지며, 이로 인해 이도(Sag)가 감소하고, 이도의 감소에 의해 송전용량이 증대되는 초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 강선이 연선되고, 상기 각 강선은 중량 %로 C 0.88~1.0%, Si 1.1~1.5%, Mn 0.3~0.7%, P 0.001~0.025%, S 0.001~0.025%, Cu 0.001~0.3%, Cr 0.2~0.95%를 함유하고 잔부가 Fe로 이루어진 합금 조성을 가지는 초고강도 도금 강선으로 구성되는 강심과; 상기 강심을 감싸고 있는 알루미늄 선재;를 포함하여 구성되는 초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선을 기술적 요지로 한다.

상기 도금 강선은 아연도금 또는 아연-알루미늄-미쉬메탈 합금 도금 또는 알루미늄 피복 강선인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 선재는 열처리 된 알루미늄 소선인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 선재는 단면상 사다리꼴형의 알루미늄 소선으로 형성되어 강심을 다층으로 감싸고 있는 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 선재는 단면상 원형의 알루미늄 소선으로 형성되어 강심을 다층으로 감싸고 있는 것이 바람직하다.

이에 따라, 강심소재로 인장강도가 높은 초고강도 강선을 적용함으로써, 낮은 응력 천이온도를 가지며, 이로 인해 이도(Sag)가 감소하고, 이도의 감소에 의해 송전용량이 증대되는 이점이 있다.

상기의 구성에 의한 본 발명은, 종래의 인장강도의 130∼135 kgf/mm²의 범위의 강선을 사용할 때와 달리 인장강도 180∼250 kgf/mm² 범위의 초고강도 강선을 강심소재로 사용할 경우, 알루미늄 선재의 인장강도 차이에 관계없이, 알루미늄 선재의 장력분담율이 크게 감소되어, 낮은 응력 천이온도를 가지며, 이로 인해 이도(Sag)가 감소하고, 이도의 감소에 의해 송전용량이 증대되는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이도를 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 강심소재로 초고강도 합금 도금 강선과 열처리된 사다리꼴형 알루미늄 선재를 채용한 가공송전선의 단면을 나타낸 도이고,
도 3은 본 발명에 따른 강심소재로 초고강도 합금 도금 강선과 원형의 알루미늄 선재를 채용한 가공송전선의 단면을 나타낸 도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
1 : 강선 2 : 사다리꼴형 알루미늄 선재
3 : 원형 알루미늄 선재 10 : 강심
20, 30 : 알루미늄 선재

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 강심소재로 초고강도 합금 도금 강선과 열처리된 사다리꼴형 알루미늄 선재를 채용한 가공송전선의 단면을 나타낸 도이고, 도 3은 본 발명에 따른 강심소재로 초고강도 합금 도금 강선과 원형의 알루미늄 선재를 채용한 가공송전선의 단면을 나타낸 도이다.

< 제1실시예 >

도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예의 가공송전선은, 초고강도 도금 강선으로 된 다수의 강선(1)이 연선되어 있는 강심(10); 및 상기 강심(10)을 외부에서 감싸고 있는 알루미늄 선재(20)로 구성된다.

상기 각 강선(1)은 외주에 아연도금 또는 아연-알루미늄-미쉬메탈 합금 도금 그리고 알루미늄 피복 중 하나의 도금처리가 되어야 한다. 상기 각 강선(1)에 대한 도금 또는 피복처리는 내부식성의 향상을 위한 것이다.

본 발명의 제1실시예에서 상기 알루미늄 선재(20)는 일정 두께로 된 다수의 사다리꼴형 알루미늄 선재(2)가 상기 강심(10)을 원통형태로 감싸는 형태로 구성되고 있는데, 상기 강심(10)을 다층으로 겹겹이 감싸고 있다.

이때 사다리꼴형 알루미늄 선재(2)의 재질은 열처리하여 인장강도를 감소시킨 소재와 열처리하지 않고 높은 인장강도를 가지는 두 종류 모두 채용할 수 있으며, 알루미늄 선재에서의 장력분담율을 감소시키기 위해서는 열처리한 저강도 알루미늄 선재를 채용하는 것이 훨씬 효과적이다.

도 2의 가공송전선은 알루미늄 선재(20)의 형상을 사다리꼴형으로 하여 알루미늄 선재(20)의 단면적을 크게 증가시켰다. 이렇게 함으로써 전기저항손이 극소화되는 효과가 기대된다.

이하 본 발명의 핵심이 되는 강선에 대해 구체적으로 설명한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 강선의 인장강도를 높이는 것이 중요한 부분으로, 이는 강선으로 형성된 강심소재의 인장강도를 최대화, 즉 강심의 장력분담율을 극대화하면 천이온도를 낮출 수 있게 되어 본 발명의 핵심이 되는 부분이다.

본 발명은 핵심은 가공송전선의 강심으로 채용되는 초고강도 도금 강선으로서, 먼저, 중량%로 C 0.88~1.0%, Si 1.1~1.5%, Mn 0.3~0.7%, P 0.001~0.025%, S 0.001~0.025%, Cu 0.001~0.3%, Cr 0.2~0.95%를 함유하고 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 합금 조성을 가지는 초고강도 강선의 와이어 로드(Wire Rod)를 제조한다.

그런 다음, 표면처리, 열처리, 신선가공, 오일템퍼링 그리고 아연도금 코팅한 후, 직경이 3.5mm일 때, 인장강도가 200 kgf/mm² 이상이고, 신율은 4.5% 이상이며, 비틀림은 16회 이상인 특성을 가진 아연-알루미늄-미쉬메탈 합금 도금 초고강도 강선을 제조한다.

본 발명에서 사용할 수 있는 초고강도 강선의 인장강도 범위는 180~250 kgf/mm² 정도이면 충분하며, 아연도금 또는 아연-알루미늄-미쉬메탈 합금 도금 그리고 알루미늄피복 중 하나가 실시되어야 한다.

상기의 강선을 한국공업규격 KS D7007 규격에 따라 7가닥 연선하여 송전선 강심으로 만들었다. 이 초고강도 합금 도금 강선과 열처리하여 인장강도를 6~7 kgf/mm² 까지 감소시킨 사다리꼴형 알루미늄 선재(1350-O tempering)를 연선하여, 410mm²의 시료를 제작하였다.

여기서 상기 강선의 합금 조성을 제외한 강심의 형성과 알루미늄 선재의 형성 방법은 공지의 기술이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이, 초고강도 합금도금 강선과 열처리한 사다리꼴형 알루미늄 선재를 채용한 410mm² 송전선과 종래의 동일 단면적의 ACSR에 대해 장력분담율을 비교하면 표 1과 같다.

ACSR 410mm2	강선의 인장강도 (kgf/mm2)	Al선재의 인장강도 (kgf/mm2)	알루미늄 선재 영역 하중(kgf)	강선 영역 하중 (kgf)	Al 선재 장력분담율(%)
기존 송전선	130	16.2	6,697	8,755	43.3
발명 송전선	200	7	2,893	13,470	17.6
	250	7	2,893	16,837	14.6

상기 표1에서도 알 수 있듯이, 기존 송전선에 사용되고 있는 강선 및 알루미늄 선재를 사용할 경우, 알루미늄 선재의 장력분담율이 43.3%에 달하나, 본 발명의 송전선에 초고강도 강선(각각 200, 250 kgf/mm²)과 열처리된 알루미늄 선재(7 kgf/mm²)를 사용하면, 장력분담율이 각각 17.6%, 14.6%로 60~66% 정도 크게 감소하게 된다. 이는 곧 천이온도의 감소로 이어지고, 그 감소분만큼 송전용량의 증대가 가능하다는 것을 의미한다.

< 제2실시예 >

본 발명의 제2실시예의 가공송전선은, 초고강도 도금 강선으로 된 다수의 강선(1)이 연선되어 있는 강심(10); 및 상기 강심(10)을 외부에서 감싸고 있는 알루미늄 선재(30)로 구성된다.

상기 각 강선(1)은 외주에 아연도금 또는 아연-알루미늄-미쉬메탈 합금 도금 그리고 알루미늄 피복 중 하나의 도금처리가 되어야 한다. 상기 각 강선(1)에 대한 도금 또는 피복처리는 내부식성의 향상을 위한 것으로, 이는 상기 제1실시예와 동일하다.

본 발명의 제2실시예에서 상기 알루미늄 선재(30)는 일정 두께로 된 다수의 원형 알루미늄 선재(3)가 상기 강심(10)을 원통 형태로 감싸는 형태로 구성되고 있는데, 상기 강심(10)을 다층으로 겹겹이 감싸고 있다.

그리고, 본 발명의 제2실시예가 제1실시예와 다른 점은 상기 알루미늄 선재가 원형의 알루미늄 선재로 구성된 점을 제외하고는 상기 제1실시예와 전적으로 동일하다.

본 발명의 제2실시예에 따라 형성된 가공 송전선의 경우도 알루미늄 선재의 단면 형상만이 원형으로 상기 제1실시예와 달라질 뿐, 알루미늄 선재의 장력분담율이 크게 감소하였다.

이는 곧 천이온도의 감소로 이어지고, 그 감소분만큼 송전용량의 증대가 가능하다는 것을 의미한다.

Claims (5)

1. 다수의 강선이 연선되고, 상기 각 강선은 중량 %로 C 0.88~1.0%, Si 1.1~1.5%, Mn 0.3~0.7%, P 0.001~0.025%, S 0.001~0.025%, Cu 0.001~0.3%, Cr 0.2~0.95%를 함유하고 잔부가 Fe로 이루어진 합금 조성을 가지고 인장강도는 180~250 kgf/mm² 범위를 가지는 초고강도 도금 강선으로 구성되는 강심과; 상기 강심을 감싸고 인장강도는 6~7 kgf/mm² 범위를 가지는 알루미늄 선재;를 포함하여 구성되되,
   상기 도금 강선은 아연도금 또는 아연-알루미늄-미쉬메탈 합금 도금 또는 알루미늄 피복 강선이고,
   상기 알루미늄 선재는 열처리 된 알루미늄 소선이며,
   상기 알루미늄 선재는 단면상 사다리꼴형의 알루미늄 소선 또는 단면상 원형의 알루미늄 소선으로 형성되어 강심을 다층으로 감싸고 있는 것을 특징으로 하는 초고강도 강선을 강심으로 이용한 가공송전선.
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