KR19990032709A - 고분자 복합소재 보강 전선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전선 내부에 구비되는 보강재로서 종래의 탄소강 대신 고분자 복합소재를 사용한 고분자 복합소재 보강 전선에 관한 것으로서, 인장력을 향상시키기 위해 전선 중심에 내장된 보강물(10); 및 상기 보강물(10)의 외주에 권취된 알루미늄 도선(20);을 포함하여 구성되어 있되, 상기 보강물(10)은 기존의 강선 보강재 대신 우수한 특성을 나타낼 수 있는 소재로 된 비도전 및 비자성의 고분자 복합소재를 사용하여, 와전류에 의한 전력손실이 감소되고, 송전용량이 증가하며, 철탑, 암 및 금구 등에 작용하는 기계적 응력이 저감되는 것은 물론, 운반 및 작업이 편리하고 경제적인 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

고분자 복합소재 보강 전선

본 발명은 교류 초고압 가공송전선로에 사용되는 전선에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전선 내부에 구비되는 보강재로서 종래의 탄소강 대신 고분자 복합소재를 사용함으로써, 기존의 전선에 비해 전력손실이 적으며, 운반 등의 작업이 보다 편리하도록 개선한 고분자 복합소재 보강 전선에 관한 것이다.

각 수용가에 공급되는 전력의 대부분은 도시와 교외 등 거의 모든 지역에 걸쳐 포설되어 있는 배전선로를 통하여 이루어지고 있는데, 이러한 배전선로의 종류에는 땅속에 직접 전력선을 매설하는 지중선로와, 콘크리트 장주 및 절연애자를 이용하여 지상에서 소정 높이 위의 공중에 전력선을 지지설치하는 가공선로 두가지가 있다.

지중선로는 부가적인 보조장치들이 필요치 않아서 설치가 간단하다는 장점은 있지만, 별도의 절연 매개물 없이 땅속에 매설되어 대지와 직접 접촉되므로, 매설되는 전력선 자체적으로 써어지 전압 및 상용주파수 전압에 대한 절연이 가능하도록 제조해야 하기 때문에 고가의 비용이 든다는 문제점이 있다. 따라서 상기와 같은 비용상의 문제점으로 인해 현재는 가공선로가 송전선로의 주류를 이루고 있으며, 앞으로도 가공선로의 건설이 지속적으로 높아질 것으로 예상된다.

현재 우리나라의 가공송전계통에는 거의 전적으로 교류방식이 쓰이고 있으며, 송전전압 345kV 및 154를 합하여 전선 연장으로 10만 Km를 훨씬 상회하고 있다. 또한, 교류 765kV의 가공송전선도 건설중에 있으며, 앞으로도 계속 시설이 증가될 전망이다.

종래에는 상기 가공송전선에 강심알루미늄전선(ACSR : Aluminium Conductor Steel Reinforced, 이하 "ACSR"라 함)이 세계적으로 널리 사용되고 있었는데, 이 ACSR는 인장강도를 보강하기 위해 전선 중심에 내장되는 탄소강 소재의 강선(11); 및 상기 강선(11)의 외주에 다수의 층을 이루도록 겹겹이 권취된 알루미늄도선(20);을 포함하여 구성되어 있었다.

그러나, 기존의 ACSR은 보강재로 사용된 상기 강선(11)의 물리적 특성으로 인해 다음과 같은 여러 문제점을 가지고 있었다.

첫째, 상기 탄소강은 투자율이 커서 특히 홀수의 알루미늄 도체층을 갖는 전선의 경우에는 교류방식에 대하여 전력손실이 크며 열발생도 많다. 그런데, 제작 및 공사 등의 제약으로 인해 강선 및 알류미늄의 소선(素線)굵기에는 직경 약 1.5mm~4.5mm라는 제한이 있으므로, 어쩔 수 없이 홀수의 알루미늄층으로 제작해야 하는 경우가 많으며, 실제로 대부분의 나라에서 많이 쓰이는 전선의 상당량은 홀수의 알루미늄 도체층으로 구성되어 있다.

이러한 전력손실이 일어나는 과정을 도2 및 도3에 도시된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도2는 전선 보강재로 사용된 강선 및 외주 알루미늄 도선이 전선의 길이 방향을 따라 나선형으로 권취되어 있는 전선의 부분절개도이고, 도3은 도2의 A-A선 단면도로서, 설명의 편의를 위해 다수의 강선(11)중 임의의 한 강선(11)만을 특정하여 도시하고, 외부 알루미늄 도선(20)도 각 층별로 서로 마주보는 위치에 있는 한쌍의 도선만을 특정하여 도시하되, 상기 강선(11)의 외주에 두개의 두체층이 형성되어 있는 것으로 가정하여, 상기 강선(11)의 외주 첫번째 도체층을 형성하는 알루미늄 도선(20)은 a로 나타내고, 두번째 도체층을 형성하는 알루미늄 도선(20)은 b로 나타내며, 또한 상기 강선(11)을 기준으로 상부에 있는 알루미늄 도선(20)에 대해서는 위첨자 " "를 병기하였다.

상기 알루미늄 도선(20)에 전류가 흐르게 되면 상기 강선(11)의 소정 지점에는 플레밍의 오른손 법칙에 따른 방향을 갖는 자계가 형성되고, 이렇게 형성된 자게에 의해 상기 소정 지점에는 아래와 같은 공식에 의거, 그 지점에서의 상기 강선(11)의 비(比)투자율에 비례하는 크기를 갖고, 상기 자계의 방향과 동일한 방향을 갖는 자속이 형성된다.

B=μH=μ₀μ_rH

(B : 자속밀도, μ₀: 진공의 투자율, μ_r: 비투자율, H : 자계의 세기)

그런데, 상기 알루미늄 도선(20)은 상기 강선(11)의 원주면을 따라 상기 강선(11)의 길이방향의 가상축에 대하여 소정 각도 경사져 있기 때문에, 동일 단면상에서 상호 마주보는 알루미늄 도선 a와 a', 그리고 b와 b'은 각각 서로 다른 방향을 향하고 있게 되고, 이에 따라 상기 알루미늄 도선(20)에 흐르는 전류 I_a, I_a', I_b, I_b' 도 서로 다른 방향을 향하는 것은 물론, 이에 의해 형성되는 자속도 플레밍의 오른손 법칙에 따라 각각 서로 다른 방향을 향하게 된다.

즉, 도4에 도시된 바와 같이 알루미늄 도체에 흐르는 전류 I_a및 I_b'에 의해 형성된 자속 B_a및 B_b'와, 전류 I_a' 및 I_b에 의해 형성된 자속 B_a' 및 B_b는 상기 강선(11)의 소정 지점에 대하여 서로 다른 방향으로 향하게 되고, 상기 서로 다른 방향을 향하고 있는 자속을 강선의 길이방향 성분으로 분해하여 살펴보면, 길이방향으로 각각의 성분이 서로 상쇄하여 사기 강선(11) 내부에의 잔류자속이 거의 없게 된다.

그러나, 만일 알루미늄 도체층이 상기와 같은 짝수층으로 형성되어 있는 것이 아니라, 현재 사용되고 있는 많은 경우처럼 홀수층으로 형성되어 있을 경우에는, 상호 상쇄되는 짝수층을 제외한 나머지 하나의 도체층을 구성하는 알루미늄 도선(20)에 흐르는 전류에 의해 형성된 자속이 상기 강선(11) 내에 길이방향으로 잔류하게 된다.

상기 잔류 자속이 존재하게 되면, 이를 감쇄하기 위한 방향으로 자속을 형성하기 위한 기전력이 생기고 이에 의해 상기 강선(11)내에 소용돌이 모양의 전류 즉, 와전류가 흐르게 되고, 이러한 와전류에 의해 전력손실이 발생하게 된다는 문제점이 있었다. 지금까지의 여러 실험데이타 등의 자료에 의하면 이러한 와류에 의한 전력손실은 총 손실전력의 약 2~3%인 것으로 알려져 있다.

둘째, 상기 와전류에 의한 전력손실분은 대부분 열에너지의 형태로 외부로 방출되게 되는데, 상기 강선(11)은 또한 열팽창율이 상대적으로 크기 때문에 방출되는 열로 인한 상기 강선(11)의 온도상승시 길이가 늘어나게 되고, 송전 선로의 자체 하중에 의한 이도(deep)가 보다 더 커지게 된다. 실제로, 전선의 길이가 약간만 늘어나더라도 이도는 상당히 커지게 된다. 이에 따라, 안전이나 전기환경 등의 관점에서 요구하고 있는, 송전선이 대지로부터 항상 일정 거리 이상 높이에 이격되어 있어야 한다는 규정에 위반되게 되므로, 철탑의 높이를 미리 크게 설계하여야 한다는 문제점이 있었다.

또한, 겨울철 혹한기와 같은 낮은 온도 환경에서는 상기 강선(11)이 수축되어 전체 길이가 짧아지므로 이도(deep) 측면에서는 이득을 보게 되지만, 반면에 전선 양단에서의 장력(tension)이 증가하게 되므로, 이를 지지하기 위해 철탑 및 금구류가 충분한 여유치를 갖도록 사전설계 되어야 한다는 문제점이 있었다.

세째, 가공송전선은 지지점인 양철탑 사이에서 전선의 자체 하중의 의해 이도(deep)가 생기게 되는데, 상기에서 언급한 바와 같이 안전이나 전기환경 등의 관점에서 송전선이 대지로부터 항상 일정 거리 이상 높이에 이격되어 있어야 한다는 제약이 있다.

이때, 이도(D)는 전선의 단위길이당 무게(w), 장력(T), 경간길이(S) 등에 의해 다음과 같은 식에 의해 그 값이 결정된다.

D=wS²/8T

그런데, 상기 강선(11)은 무게가 상대적으로 무거워서, 이를 보강재로 사용한 상기 ACSR의 이도를 일정 한계내로 유지하도록 하기 위해서는 상당히 큰 장력이 요구되고, 이에 따라 가선공사 등에 쓰이는 공구의 강도와 규모가 커야 하는 것은 물론, 관련 금구나 철탑 등의 강도와 규모도 동시에 커져야 한다는 문제점이 있었다.

네째, 상기 강선(11)의 유연성 또한 나뻐서 최소 곡률반경이 크므로, 제작, 운반, 공사시 보다 많은 공간을 차지하게 된다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 투자율이 작고, 무게가 가벼우며, 유연성이 좋은 고분자 복합소재를 보강재로 사용한 고분자 복합소재 보강 전선을 제공하는 것에 그 목적이 있는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 고분자 복합소재 보강 전선의 일실시예를 도시한 것이고,

도2는 도1의 고분자 복합소재 내에서의 자속분포를 도시한 것이고,

도3은 홀수층의 알루미늄 도체층으로 된 종래의 ACSR(Aluminium Conductor Steel Reinforced)을 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고분자 복합소재 보강물 11 : 강선

20 : 알루미늄 도선 B : 자속밀도

I : 전류

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고분자 복합소재 보강 전선은, 인장력을 향상시키기 위해 전선 중심에 내장되는 전선 보강물; 및 상기 전선 보강물의 외주에, 상기 전선 보강물의 길이방향을 따라 나선형으로 권취된 도체;를 포함하여 구성되되, 상기 전선보강물은 비도전 및 비자성의 고분자 복합소재인 것과, 상기 고분자 복합소재가 탄소섬유류인 것에 그 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 고분자 복합소재 보강 전선에서는, 상기 전선 보강물로 사용된 고분자 복합소재가, 종래에 보강물로 사용된 탄소강에 비해 향상된 물리적 특성을 갖고 있는 바, 비자성체이어서 와전류에 의한 전력손실이 적고, 인장강도는 큰 반면 비중이 작기 때문에 구조물, 금구 등에 작용하는 기계적 응력이 작아서 이도 등에 장점으로 작용하며, 균일하고 매우 작은 열팽창율을 갖고 있어서 선로설계사 보다 여유치를 작게 설정할 수 있게 되며, 유연성이 좋아 운반 작업상 보다 편리해진다.

이하, 본 발명에 다른 고분자 복합소재 보강 전선의 일실시예의 구성 및 작용에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 고분자 복합소재 보강 전선의 일실시예를 도시한 것으로서, 본 발명에 따른 고분자 복합소재 보강 전선은, 인장력을 향상시키기 위해 전선 중심에 내장된 보강물(10); 상기 보강물(10)의 외주에, 길이방향을 따라 나선형으로 권취된 알루미늄 도선(20);을 포함하여 구성되어 있되, 상기 보강물(10)은 기존의 강선 보강재 대신, 우수한 물리적 특성을 나타낼 수 있는 소재로 된 비도전 및 비자성의 고분자 복합소재를 사용한다.

상기 알루미늄 도선(20)은 상기 보강물(10)의 둘레에 홀수 또는 짝수에 관계없이 적절한 용량이 되도록 동일한 단면적의 알루미늄 도체를 꼬아 감아, 외관에 있어서는 기존의 ACSR과 같은 형태를 취하며, 이 경우 인장강도는 보강재가 거의 전적으로 부담하고 전류는 알류미늄 도체에 모두 흐르게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 고분자 복합소재 보강 전선의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 고분자 복합소재 보강 전선은, 상기 보강물(10)이 비자성의 고분자 복합소재이므로, 상기 알루미늄 도선(20)에 흐르는 전류에 의해 형성되는 상기 보강물(10) 내에서의 자속이 기존의 ACSR에 비해 1/수십~1/수백 정도로 줄어들게 되어, 이에 의한 역기전력도 같은 비율로 작아지며, 반면 와전류 회로의 전기저항은 수백배 이상으로 높아지게 된다. 와전류에 의한 전력손실이 역기전력의 제곱에 비례하고, 저항에 반비례한다는 점을 고려할 때, 본 발명에서 와전류에 의한 전력손실은 알루미늄 도체층이 짝수개인지 홀수개인지의 여부와, 각층을 형성하는 상기 알루미늄 도선(20)의 굵기차 등에 관계없이, 기존의 것에 비해 수천만분의 일로 줄어들게 되는 것이다. 기존의 홀수 도체층의 ACSR에서 와전류에 의한 전력손실이 전선 전체손실의 2~3%인 것을 고려하면, 전선의 손실을 이 만큼 줄일 수 있게 되며, 더불어 손실되는 전력에 의한 열발생도 감소된다.

또한, 고분자 복합소재 중에는 단위 단면적당의 인장강도가 기존의 강선에 비해 월등히 큰 반면에, 비중은 강선의 약 1/4정도로 작은 크기를 갖는 소재가 많으므로, 전선 전체 면적에 대한 상기 보강물(10)의 점유 면적(기존의 것은 약 6~7%)과 비중, 상기 알루미늄 도선(20)의 점유면적과 비중 등을 고려하면, 종래 ACSR과 상기 보강물(10)의 점유면적을 동일하게 하는 경우 단위 길이당 전선의 무게가 감소하게 되는 것은 물론, 이에 따라 가공송전선의 자체 하중에 의한 이도(deep)도 작아지게 된다.

또한, 고분자 복합소재의 경우 열팽창률이 작고 온도계수가 비교적 일정하여, 혹한기의 수축에 의한 장력 증가 현상이나, 고온시의 신장에 의한 이도의 증대 현상 등이 강선에 비하여 훨씬 적어지게 되므로, 선로 설계시 여유치를 작게 설정하여도 된다.

아울러, 상기 고분자 복합소재 보강물(10)은 인장에 따른 장력만을 분담하도록 제작되며, 기존의 강선에 비해 유연성이 좋도록 제작하는 것이 가능하므로, 초소 곡률반경을 작게할 수 있어, 수송 저장 등의 작업에 유리하다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 고분자 복합소재 보강 전선은, 와전류에 의한 전력손실이 감소되고, 송전용량이 증가하며, 철탑, 암 및 금구 등에 작용하는 기계적 응력이 저감되는 것은 물론, 운반 및 작업이 편리하고 경제적인 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 인장력을 향상시키기 위해 전선 중심에 내장되는 전선 보강물; 및 상기 전선 보강물의 외주에, 상기 전선 보강물의 길이방향을 따라 나선형으로 권취된 도체;를 포함하여 구성되되, 상기 전선보강물은 비도전 및 비자성의 고분자 복합소재인 것을 특징으로 하는 고분자 복합소재 보강 전선.
2. 제1항에 있어서, 상기 고분자 복합소재는 탄소섬유류인 것을 특징으로 하는 고분자 복합소재 보강 전선.