KR102419396B1

KR102419396B1 - 광전복합케이블의 중간접속부

Info

Publication number: KR102419396B1
Application number: KR1020150136685A
Authority: KR
Inventors: 김경수
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2022-07-08
Also published as: KR20170037291A

Abstract

본 발명은 광전복합케이블의 중간접속부에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 광전복합케이블의 중간접속부는 도체를 구비한 단일 코어부와, 상기 코어부의 외곽에 권선되며 하나 이상의 광섬유유닛을 구비하는 광유닛을 구비하는 광전복합케이블의 중간접속부에 있어서, 상기 중간접속부는 슬로프부를 포함하며, 상기 슬로프부의 최소 연장거리(L_min)는

와 같이 정의되며, 여기서 'R_min'은 상기 슬로프부의 최소 대응곡률반경, 'h'는 상기 광유닛이 제거된 상기 광전복합케이블의 외경에서 상기 중간접속부의 상기 슬로프부의 외경까지의 돌출거리로 정의되는 것을 특징으로 한다.

Description

광전복합케이블의 중간접속부 {Joint for optical fiber and power line composite cable}

본 발명은 광전복합케이블의 중간접속부에 관한 것이다.

일반적으로 광전복합케이블은 도체를 구비하여 전력을 전송하는 전력선유닛(이하, '코어부'라 함)과 광섬유를 구비하여 광신호를 전달하는 광유닛을 함께 구비한 케이블이다. 상기 광전복합케이블에서 단일 코어부를 구비한 경우에 상기 광유닛은 상기 코어부의 외곽을 따라 권선되어 배치될 수 있다.

그런데, 상기 광전복합케이블의 길이를 무한대로 제작하는 것은 불가능하므로 중간접속부(FJ)를 필요로 하게 된다. 상기 중간접속부를 형성하는 경우에 상기 광전복합케이블과 상기 중간접속부 사이의 단차로 인해 상기 광유닛에 국부적인 굴곡이 발생할 수 있다.

이 경우, 기존 구리선로와 비교하여 기계적 강도가 약한 광섬유의 기계적 특성으로 인해 상기 슬로프부에 의해 상기 광유닛의 장기간 신뢰성이 떨어지는 문제점이 발생할 수있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 광유닛을 구비한 광전복합케이블에 있어서 중간접속부를 형성하는 경우에 상기 광유닛의 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있는 중간접속부를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 도체를 구비한 단일 코어부와, 상기 코어부의 외곽에 권선되며 하나 이상의 광섬유유닛을 구비하는 광유닛을 구비하는 광전복합케이블의 중간접속부에 있어서, 상기 중간접속부는 슬로프부를 포함하며, 상기 슬로프부의 최소 연장거리(L_min)는

와 같이 정의되며, 여기서 'R_min'은 상기 슬로프부의 최소 대응곡률반경, 'h'는 상기 광유닛이 제거된 상기 광전복합케이블의 외경에서 상기 중간접속부의 상기 슬로프부의 외경까지의 돌출거리로 정의되는 것을 특징으로 하는 광전복합케이블의 중간접속부에 의해 달성된다.

여기서, 상기 슬로프부의 최소 대응곡률반경(R_min)은

와 같이 정의되며, 여기서 'd'는 상기 광섬유유닛의 외경, 'σ'는 장기신뢰성계수로 정의된다. 이 경우, 상기 장기신뢰성계수(σ)는 상기 광유닛의 예상수명에 따라 결정된다.

한편, 상기 슬로프부의 시작점에서 상기 슬로프부의 최고점까지의 최대 경사각도(θ_max)는

와 같이 정의된다.

이때, 상기 광유닛은 상기 최대 경사각도에 따라 상기 슬로프부에 권선된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면 광유닛을 구비한 광전복합케이블에 있어서 중간접속부를 형성하는 경우에 상기 중간접속부의 슬로프부의 연장거리를 결정함으로써 상기 광유닛의 장기 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 광전복합케이블의 구성을 도시한 단면도,
도 2는 도 1에서 광유닛의 확대 단면도,
도 3은 상기 광전복합케이블을 서로 연결한 중간접속부에 광유닛의 권선을 도시한 도면,
도 4는 상기 광전복합케이블을 서로 연결한 중간접속부의 측면도,
도 5는 상기 광유닛의 예상수명에 따른 장기신뢰성계수를 구하기 위한 그래프,
도 6은 상기 중간접속부의 슬로프부의 연장거리를 구하기 위한 개략도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들에 대해서 상세히 살펴보도록 한다.

먼저, 도체, 내부반도전층, 절연층 및 외부반도전층을 구비한 단일 전력선유닛(이하, '코어부'라 함)과 광섬유를 구비한 광유닛을 구비한 광전복합케이블의 구성에 대해서 살펴보고, 상기 광전복합케이블을 서로 연결시키는 중간접속부의 슬로프부에 대해서 살펴보기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 광전복합케이블의 구성을 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 코어부(300)는 중심에서부터 순차적으로 도체(310), 내부반도전층(330), 절연층(320) 및 외부반도전층(340)을 구비한다.

상기 도체(310)는 구리, 알루미늄 등의 전도성 물질로 이루어지며, 전류가 흐르는 통로 역할을 하게 된다.

그런데, 상기 도체(310)는 그 표면이 평활하지 않아 전계가 불균일할 수 있으며, 부분적으로 코로나 방전이 일어나기 쉽다. 또한 상기 도체(310) 표면과 후술하는 절연층(320) 사이에 공극이 생기게 되면 절연 성능이 저하될 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 도체(310) 외부를 반도전성 카본지 등의 반도전성 물질 등으로 감싸게 되며, 상기 반도전성 물질에 의해 형성된 층을 내부반도전층(330)으로 정의한다. 상기 내부반도전층(330)은 상기 도체(310)의 표면 전하분포를 고르게 하여 전계를 균일하게 하여 후술하는 절연층(320)의 절연내력을 향상시키게 된다. 나아가, 상기 도체(310)와 상기 절연층(320) 사이의 간격형성을 방지하여 코로나 방전 및 이온화를 방지하게 된다.

상기 내부반도전층(330)의 바깥쪽에는 절연층(320)이 구비된다. 상기 절연층(320)은 상기 도체(310)를 외부와 전기적으로 절연시켜준다. 일반적으로 상기 절연층(320)은 파괴전압이 높고, 절연성능이 장기간 안정적으로 유지될 수 있어야 한다. 나아가 유전손실이 적으며 내열성 등의 열에 대한 저항 성능을 지니고 있어야 한다. 따라서, 상기 절연층(320)은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지가 사용될 수 있으며, 나아가 폴리에틸렌 수지가 바람직하다. 여기서, 상기 폴리에틸렌 수지는 가교수지로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 절연층(320)의 외부를 차폐하지 않으면, 전계의 일부는 상기 절연층(320)으로 흡수되지만, 대부분의 전계를 외부로 방전된다. 이 경우, 전계가 소정치 이상으로 커지게 되면 상기 전계에 의해 상기 절연층(320)과 후술하는 시스가 파손될 수 있다. 따라서, 상기 절연층(320)의 바깥쪽에는 다시 반도전층이 구비되며, 전술한 내부반도전층(330)과 구별하기 위하여 외부반도전층(340)으로 정의된다. 결국, 외부반도전층(340)은 접지되어 전술한 내부반도전층(330)과의 사이에 전기력선의 분포를 등전위로 만들어 상기 절연층(320)의 절연내력을 향상시키는 역할을 하게 된다. 또한, 상기 외부반도전층(340)은 상기 광전복합케이블에 있어서 상기 절연층(320)의 표면을 평활하게 하여 전계집중을 완화시켜 코로나 방전을 방지할 수 있다.

또한, 상기 코어부(300)는 상기 외부 반도전층(340)의 외부에 금속시스(350)로 이루어진 차폐층을 구비한다. 상기 금속시스(350)는 알루미늄, 동, 스테인레스, 납 등이 사용될 수 있다. 상기 금속시스(350)는 전기적 차폐 및 단락전류의 귀로를 위해 구비되며, 해저케이블의 경우에 상기 코어부 내부로 수분이 침투하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 코어부(300)의 최외곽에는 고분자 시스(360)가 구비된다. 상기 고분자 시스(360)는 상기 코어부(300)의 최외곽에 구비되어 상기 코어부(300)의 내부 구성을 보호하는 역할을 하며, 일반적으로 PVC(Polyvinyl chloride:폴리염화비닐) 또는 PE(Polyethylene:폴리에틸렌)를 재질로 하여 외피를 제작하게 된다. 상기 고분자 시스(360)는 전술한 상기 금속시스(350)의 위에 압출 등의 방식으로 형성된다.

상기 고분자 시스(360)의 외곽에는 상기 광유닛(100)이 권선되며, 상기 광유닛(100)이 외력에 의해 손상되거나 상기 광유닛(100)에 의해 상기 코어부(300)의 절연층이 파괴되는 것을 방지하기 위하여 적어도 하나 이상의 지지선재(200)를 구비할 수 있다.

상기 광유닛(100)은 상기 코어부(300)와 보호층(710) 사이에 적어도 하나가 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 광유닛(100)은 상기 코어부(300)의 외주에 꼬임각(lay angle)을 가지고 나선상으로 감기면서 길이방향으로 연장되도록 구성된다. 이와 같이, 상기 광유닛(100)을 상기 코어부(300)의 외주에 나선상으로 감싸는 것에 의해 상기 광유닛(100)의 곡률반경을 증가시켜 상기 광유닛(100)의 손상을 방지할 수 있다.

한편, 도 2는 상기 광유닛(100)의 구성을 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 광유닛(100)은 적어도 하나의 광섬유유닛(116)과, 상기 광섬유유닛(116)을 수용하는 튜브(112)를 구비할 수 있다. 상기 각 광유닛(100)은 튜브(112) 내에 충진재(113)와 함께 실장시킨 소정 갯수의 광섬유유닛(116)을 구비한다. 상기 광섬유유닛(116)은 광섬유(114)와, 상기 광섬유(114)의 표면에 레진(resin) 등으로 형성된 코팅층(115)을 구비한다. 상기 튜브(112)는 스테인레스 스틸과 같은 강성이 있는 재질을 사용할 수 있다. 상기 광유닛(100)은 상기 튜브(112)를 감싸는 시스(130)를 더 구비할 수 있다.

한편 도 1을 참조하면, 상기 지지선재(200)는 상기 광유닛(100)의 튜브(112)의 손상을 방지하기 위하여 상기 튜브(112) 보다 낮은 강도의 재질로 이루어진 와이어 형태를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 튜브(112)가 스테인레스 스틸로 이루어질 경우 상기 지지선재(200)는 더 낮은 강도를 가지는 PE 스트링(PE string)으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 광전복합케이블(1000)은 내부 구성요소를 보호하기 위한 각종 보호층(710)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 코어부(300)과 광유닛(100)을 감싸는 폴리프로필렌(PP:Polypropylene) 얀 등으로 구성되는 베딩층(700)과, 쟈켓(720)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 광전복합케이블(1000)은 상기 베딩층(700) 내부의 코어부(300)과 광유닛(100)을 보호하기 위하여 충진재(113)를 구비할 수 있다. 나아가, 상기 광전복합케이블(1000)이 해저를 가로질러 설치되는 해저케이블로 구성되는 경우에 상기 베딩층(700)의 바깥쪽에 기계적 강도를 향상시키는 다수개의 철선외장(730)을 구비할 수 있다.

도 3은 상기 광전복합케이블을 서로 연결한 중간접속부에 광유닛의 권선을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 한 쌍의 광전복합케이블(1000A, 1000B)이 서로 연결되는 경우, 중간접속부(400)에는 광전복합케이블(1000A, 1000B)의 고분자시스(360)에 대응되는 중간접속부 고분자시스(460)가 형성된다. 상기 광유닛(100) 및 지지선재(200)가 광전복합케이블의 고분자 시스(360) 및 중간접속부의 고분자시스(460)의 표면을 따라 상기 광전복합케이블(1000A, 1000B)의 중심축(b-b’)에 대해 일정한 각도를 가지도록 나선형으로 권선된다, 즉, 상기 광유닛(100) 및 지지선재(200)는 광전복합케이블의 고분자시스(360) 및 중간접속부의 고분자시스(460) 외주면에 꼬임각(lay angle)을 가지고 나선상으로 감기면서 길이방향으로 연장되도록 구성된다. 이와 같이, 상기 광유닛(100)을 상기 코어부(300)의 외주에 나선상으로 감싸는 것에 의해 상기 광유닛(100)의 곡률반경을 증가시켜 상기 광유닛(100)의 손상을 방지할 수 있다.

도 4는 상기 광전복합케이블(1000A, 1000B)을 서로 연결한 중간접속부에서 a-a'의 단면을 도시한다.

도 4를 참조하면, 한 쌍의 광전복합케이블(1000A, 1000B)을 서로 접속하는 경우에 상기 중간접속부(400)에는 상기 광전복합케이블(1000A, 1000B)의 고분자 시스(360)에 대응되도록 중간접속부(400)에도 고분자시스(460)가 형성된다. 이때, 접속과정에서 광전복합케이블의 고분자시스(360)와 중간접속부의 고분자 시스(460)는 외경 차이가 생기게 되어 돌출거리(h)가 발생하며, 상기 돌출거리(h)에 의하여 중간접속부(400)의 양단부와 광전복합케이블의 고분자시스(360)사이에는 슬로프부(500-1)가 발생하게 된다.

한편, 상기 광전복합케이블의 고분자시스(360), 상기 중간접속부의 고분자 시스(460) 및 상기 슬로프부(500-1)를 따라 상기 광유닛(100)을 권선하게 되면 상기 슬로프부(500-1)의 단부에서는 슬로프 각도에 대응되도록 상기 광유닛(100)에 굽힘이 발생하게 된다. 이 경우, 상기 슬로프부(500-1)의 단부에서 발생하는 광유닛의 굴곡은 'R₁'과 같이 상대적으로 매우 작은 곡률반경(이하, '대응곡률반경' 이라 함)을 가지게 되어 상기 광유닛(100)에 작용하는 굽힘력이 높아져서 상기 광유닛(100)의 장기 신뢰성을 떨어뜨리어 광유닛의 파손 또는 손상을 유발할 수 있다.

본 발명에 따른 광전복합케이블의 중간접속부에서는 상기 중간접속부를 지나는 상기 광유닛의 장기 신뢰성을 높이기 위하여 상기 대응곡률반경을 늘리게 된다. 즉, 상기 중간접속부의 슬로프부의 대응곡률반경을 늘리게 되면 상기 중간접속부에 권선되는 상기 광유닛에 작용하는 굽힘력이 낮아지게 되어 상기 광유닛의 장기 신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이하에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 광전복합케이블의 중간접속부에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 5는 상기 광유닛의 예상수명에 따른 장기신뢰성계수를 구하기 위한 그래프이다. 도 5의 그래프에서 세로축은 광유닛의 예상수명을 도시하며, 가로축은 장기신뢰성계수(σ)를 로그 스케일로 도시한다.

도 5를 참조하면, 상기 광유닛(100)의 예상수명이 정해지면 상기 정해진 예상수명에 대응하는 장기신뢰성계수(σ)를 구할 수 있다. 즉, 상기 장기신뢰성계수(σ)는 상기 광유닛(100)의 예상수명에 따라 결정된다.

예를 들어, 상기 광유닛(100)의 예상수명을 40년으로 설정하면, 도 4의 그래프의 세로축의 40년에 대응하는 가로축의 장기신뢰성계수(σ)를 대략 0.23으로 구할 수 있다.

이 경우, 상기 장기신뢰성계수(σ)를 만족하기 위한 대응곡률반경(R₁)의 최소값인 최소 대응곡률반경(R_min)은 하기 [수학식 1]로 정해진다.

여기서 'd'는 상기 광섬유유닛(116)의 외경, 'σ'는 장기신뢰성계수로 정의된다. 즉, 상기 광유닛(100)의 원하는 예상수명이 정해지면 그에 따라 장기신뢰성계수(σ)가 결정되며, 상기 정해진 장기신뢰성계수(σ)에 따라 상기 광유닛(100)의 최소 대응곡률반경(R_min)이 정해지며, 상기 최소 대응곡률반경(R_min)에 따라 상기 광유닛(100)에 작용하는 굽힘력이 결정된다.

예를 들어, 상기 예상수명이 길어진다면 상기 장기신뢰성계수는 작아지고, 이에 따라 상기 최소 대응곡률반경(R_min)은 상대적으로 커지게 된다. 즉, 상기 최소 대응곡률반경(R_min)이 커지게 되면 상기 슬로프부(500-1)에 의해 상기 광유닛(100)에 작용하는 굽힘력이 작아지므로, 상기 광유닛(100)의 장기신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

도 6은 상기 광유닛(100)이 상기 최소 대응곡률반경(R_min)을 가질 수 있도록 한 쌍의 광전복합케이블(1000A, 1000B)을 도 3과 같이 연결한 경우에 있어서의 a-a’의 단면도이다. 상기 정해진 최소 대응곡률반경(R_min)을 확보하기 위한 슬로프부(500-2)의 연장거리를 이하에서와 같이 구할 수 있다.

도 6을 참조하면, 상기 [수학식1]에 따라 최소 대응곡률반경(R_min)이 정해지면, 상기 슬로프부(500-2)의 최고점(A)에서 상기 광전복합케이블(1000)의 반경 방향으로 수직하게 최소 대응곡률반경(R_min) 만큼 거리의 하단부가 중심점(C)이 되며, 상기 중심점(C)을 기준으로 상기 최소 대응곡률반경(R_min)만큼의 거리를 가지는 반경으로 원호를 그리게 된다. 이 때 상기 슬로프부(500-2)의 최고점(A)에서 반경 방향 수직으로 돌출거리(h) 만큼 아래 지점에서부터 상기 원호가 상기 고분자 시스(360)가 노출된 광전복합케이블(1000)의 외주와 만나는 지점(B)까지의 거리가 상기 슬로프부(500-2)의 연장거리에 해당한다.

즉, 상기 중간접속부의 슬로프부(500-2)의 연장거리를 일정 거리 이상으로 연장시키게 되면, 상기 슬로프부(500-2)로 인해 상기 광유닛(100)에 작용하는 굽힘력이 약해지며, 구체적으로 상기 슬로프부(500-2)의 최소 대응곡률반경(R_min)에 대응하는 굽힘력이 작용하게 된다. 따라서, 도 3에서 살펴본 상기 슬로프부(500)의 대응곡률반경(R₁)에 비해 상기 광유닛(100)에 상대적으로 약해진 굽힘력이 가해지게 되어 상기 광유닛(100)의 장기신뢰성을 향상시키게 되며, 도 5의 그래프에서 결정된 예상수명까지의 장기신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

이 경우, 상기 슬로프부의 최소 연장거리(L_min)는 하기 [수학식 2]로 정해진다.

여기서 'R_min'은 상기 슬로프부(500)의 최소 대응곡률반경, 'h'는 상기 광유닛(100)이 제거된 상기 광전복합케이블(1000)의 외경에서 상기 중간접속부(400)의 상기 슬로프부(500-2)의 외경까지의 돌출거리로 정의된다.

한편, 전술한 원호가 상기 고분자 시스(360)가 노출된 광전복합케이블(1000)의 외주와 만나는 지점(B)을 상기 슬로프부(500-2)의 시작점이라고 정의하면, 상기 슬로프부(500-2)의 시작점(B)에서 상기 슬로프부(500-2)의 최고점(A)까지의 최대 경사각도(θ_max)는 하기 [수학식 3]으로 결정된다.

따라서, 상기 최대 경사각도(θ_max) 이하의 경사각도를 가지도록 하여 상기 광유닛(100)에 작용하는 굽힘력을 줄여 상기 광유닛(100)의 장기신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

100..광유닛
300...코어부
400...중간접속부
500...슬로프부
1000...광전복합케이블

Claims

도체를 구비한 단일 코어부와, 상기 코어부의 외곽에 권선되며 하나 이상의 광섬유유닛을 구비하는 광유닛을 구비하는 광전복합케이블의 중간접속부에 있어서,
상기 중간접속부는 슬로프부를 포함하며, 상기 슬로프부의 최소 연장거리(L_min)는

와 같이 정의되며, 여기서 'R_min'은 상기 슬로프부의 최소 대응곡률반경, 'h'는 상기 광유닛이 제거된 상기 광전복합케이블의 외경에서 상기 중간접속부의 상기 슬로프부의 외경까지의 일정한 돌출거리로 정의되고,
상기 광유닛은 상기 슬로프부의 시작점에서 상기 슬로프부의 최고점까지의 최대 경사각도(θ_max)에 따라 상기 슬로프부에 권선되는 것을 특징으로 하는 광전복합케이블의 중간접속부.
제1항에 있어서,
상기 슬로프부의 최소 대응곡률반경(R_min)은

와 같이 정의되며, 여기서 'd'는 상기 광섬유유닛의 외경, 'σ'는 장기신뢰성계수로 정의되는 것을 특징으로 하는 광전복합케이블의 중간접속부.
제2항에 있어서,
상기 장기신뢰성계수(σ)는 상기 광유닛의 예상수명에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 광전복합케이블의 중간접속부.
제2항에 있어서,
상기 최대 경사각도(θ_max)는

와 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 광전복합케이블의 중간접속부.
삭제