상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가공송전선의 강심으로 채용되는 고강도 비자성 스테인리스강선으로서, 중량 %로 C 0.07-0.12%, Si 0.05-1.00%, Mn 4.5-12.0%, Cr 16.0-19.5%, Ni 2.5-6.0%, Cu 0.10-3.0%, Nb 0.05-0.15%, N 0.20-0.40%, Al 0.01-0.10%를 함유하고 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 송전 중의 전력손실이 작은 고강도 비자성 스테인리스강선을 제공한다.
상기 고강도 비자성 스테인리스강선은 인장강도가 180kg/㎟ 이상이고, 신율은 2.0% 이상이며, 투자율은 1.02㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 고강도 비자성 스테인리스강선에 두께 0.47-0.78mm의 알루미늄이 피복되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 위와 같은 고강도 비자성 스테인리스강선을 강심으로 채용한 것을 특징으로 하는 송전 중의 전력손실이 적은 저손실 가공송전선을 제공한다.
상기 강심은 전술한 고강도 비자성 스테인리스강선을 7 가닥을 연선한 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면은 가공송전선의 강심으로 채용되는 고강도 비자성 스테인리스강선의 제조방법으로서, 전술한 화학성분의 조성범위를 가진 고강도 비자성 스테인리스강선재를 인장강도 180kg/㎟ 이상, 신율 2.0% 이상, 투자율 1.02㎛ 이하로 되도록 인발하는 단계, 및 도전율 20.3-27.0% IACS가 되도록 두께 0.47-0.78mm의 알루미늄을 피복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 송전 중의 전력 손실이 작은 고강도 비자성 스테인리스강선의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 송전선을 지지하는 강심과 그 외주에 전류 수송을 하는 알루미늄 또는 알루미늄합금 도체를 구비한 가공송전선의 제조방법으로서, 전술한 화학성분의 조성범위를 가진 고강도 비자성 스테인리스강선재를 인장강도 180kg/㎟ 이상, 신율 2.0% 이상, 투자율 1.02㎛ 이하로 되도록 인발하는 단계, 상기 인발된 고강도 비자성 스테인리스강선의 도전율이 20.3-27.0% IACS가 되도록 두께 0.47-0.78mm의 알루미늄을 피복하는 단계, 상기 피복된 고강도 비자성 스테인리스강선들을 7 연선한 와이어스트랜드 강심을 제조하는 단계, 및 상기 강심의 외주에 알루미늄 또는 알루미늄합금 도체를 연선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 송전 중의 전력 손실이 작은 가공송전선의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 가공송전선의 강심으로, 종래의 아연도금 또는 알루미늄 피복(도면에는 AW(Aluminium Welded)로 표시함)한 고탄소강선을 여러 가닥 연선한 것 대신에, 알루미늄피복을 하거나, 알루미늄피복을 하지 않은 고강도 비자성 스테인리스강선(도면에는 NM 또는 NM wire로 표시함)을 여러 가닥 연선한 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고강도 비자성 스테인리스강선의 주요 화학성분과 조성범위는 일본 특허공보 제2618151호에 개시된 것으로 표 1과 같다.
표 1
화학성분 |
C |
Si |
Mn |
Cr |
Ni |
Cu |
Nb |
N |
Al |
Fe |
조성범위(중량%) |
0.07-0.12 |
0.05-1.00 |
4.5-12.0 |
16.0-19.5 |
2.5-6.0 |
0.10-3.0 |
0.05-0.15 |
0.20-0.40 |
0.01-0.10 |
bal |
상기 화학성분의 조성범위를 가진 스테인리스강 선재를 여러 번 신선 다이스로 인발하여 최종 선경으로 마무리함으로써 강선의 인장강도를 180kg/㎟ 이상, 신율 2.0% 이상, 투자율 1.02㎛ 이하로 조정한다. 이와 같이 인발된 강선 표면에 존재하는 윤활제 등 이물질을 완전히 탈지 제거한 후 소정의 두께로 알루미늄 피복을한다. 스테인리스강선의 경우 내식성이 양호하므로 내식성 향상을 위해서는 알루미늄피복이 반드시 필요하지 않으나, 알루미늄피복을 할 경우 강선의 도전율을 높이거나, 염소가스 등 부식성 환경에 장시간 노출될 경우의 내부식성을 향상시킬 수 있게 된다. 이와 같이 알루미늄피복 처리를 한 고강도 비자성 스테인리스강선을 한국공업규격 KS D 7007에 따라 7 연선하여 가공송전선의 강심으로 사용한다.
(1) 알루미늄 피복층의 두께 변화에 따른 인장강도와 도전율 관계.
알루미늄피복 처리를 한 고강도 비자성 스테인리스강선의 도전율과 인장강도는 알루미늄 피복층 두께의 변화에 따라 서로 상반되는 상관관계를 가지게 된다. 즉, 알루미늄 피복층의 두께가 두꺼워지면 강선의 도전율은 증가하지만, 상대적으로 강선이 차지하는 단면적이 줄어들기 때문에 인장강도는 감소하게 된다.
도 2 및 도 3은 알루미늄피복 처리를 한 고강도 비자성 스테인리스강선에 있어서 알루미늄 피복층의 두께에 따른 강선의 인장강도와 연신율의 변화 및 도전율의 변화 거동을 조사한 결과를 나타낸 그래프이다.
한전과 같은 가공송전선의 제조업체의 규정에 의하면, 가공송전선을 제조하기 위해서는 알루미늄피복 처리를 한 강선의 인장강도를 130kg/㎟ 이상, 강심의 도전율을 20.3% IACS(International Annealed Copper Standard)로 할 필요가 있다. 도 2 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 알루미늄피복 처리를 한 고강도 비자성 스테인리스강선의 인장강도를 130kg/㎟ 이상으로 하려면 알루미늄 피복층의 두께를 0.78mm 이하가 되도록 하여야 하고, 강선의 도전율을 20.3% IACS로 하려면 알루미늄 피복층의 두께를 0.47mm 이상이 되도록 하여야 한다. 도 3에 의하면 알루미늄피복층 두께가 0.78mm일 때 도전율은 27% IACS가 된다.
도 4는 알루미늄 피복층 두께에 따른 강선의 도전율과 인장강도의 변화를 동시에 나타내었다. 도 4에서 알 수 있듯이 도전율과 인장강도 특성은 알루미늄 피복층 두께에 따라 거의 선형적으로 증가하거나 감소하는 경향을 보이고 있다.
이 정도의 도전율 증가는 송전 손실 저감에 대단히 효과적이며, 전력 손실 저감효과가 기대된다.
고강도 비자성 스테인리스강선은 내식성이 우수하므로 별도의 피복처리를 하지 않아도 무방하고, 종래의 고탄소강선보다 인장강도가 높기 때문에 강선의 단면적을 줄일 수 있으므로 강심 외주에 연선되는 알루미늄 도체의 단면적을 증가시킬 수 있어서 도전율을 더 증가시킬 수 있다.
(2) 가열 연화 시험
가공송전선의 경우, 통전에 다른 전기저항 손실에 의한 주울(Joule)열의 발생으로 송전선의 온도가 상승하게 되는데, 이에 대한 영향을 파악하기 위하여 저온(-50℃)에서 고온(300℃)까지의 폭넓은 온도영역에서 강선의 인장강도가 어떻게 변화되는가를 조사하였다.
도 5에서 알 수 있듯이 고강도 비자성 스테인리스강선(NM으로 표시함)이 고탄소강선(HC로 표시함)보다 현저하게 높은 강도 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
그러므로 강심으로 고강도 비자성 스테인리스강선을 사용할 때, 인장강도가 감소되는 것을 방지하면서 동시에 고탄소강선에 비해 상대적으로 알루미늄 피복두께를 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 알루미늄피복 처리를 한 고탄소강선보다 도전율이 높은 알루미늄피복 고강도 비자성 스테인리스강선을 제조할 수 있게 된다.
가공송전선에 있어서 적정 전류 용량에 따른 최대 허용온도를 정하여 운영하고 있는데, 통상적으로 가공송전선(ACSR)의 경우 최대 연속 허용온도를 90℃로 제한하고 있고, 이 이상의 온도에서는 사용을 금지하고 있다. 따라서 가공송전선의 지지선으로 사용되는 강심의 경우 일정 온도에서 연속 사용시 기계적 특성 변화를 파악하는 것이 필수적이다. 즉 강도의 감소가 있어서는 사용할 수가 없다. 가공송전선은 한번 설치되면 거의 20-30년 동안 사용되는데, 20-30년간의 기계적 특성 변화 데이터를 만들 수 없어 실제 사용 온도보다 높은 영역, 즉 150℃에서 장시간 유지한 후 시간별로 시험편을 채취하여 유지시간에 따른 인장강도의 변화를 조사하여 장기간의 기계적 특성 변화를 예측할 수 있다.
도 6은 고강도 비자성 스테인리스강선과 고탄소강선의 시간에 따른 인장강도의 변화를 비교하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 고강도 비자성 스테인리스강선(NM으로 표시함)의 경우 시간의 경과와 함께 인장강도가 증가하여 5,000시간 후에는 약 107%까지 강도가 증가하고, 그 후에는 동일한 강도를 유지하고 있다. 반면에, 고탄소강선(HC로 표시함)의 경우 5,000시간까지 100%를 유지하다가 약간 저하되는 경향을 보여주고 있다.
따라서, 고강도 비자성 스테인리스강선의 경우 종래의 고탄소강선에 비하여 고온에서 장시간 사용할 수 있는 매우 우수한 내열 특성을 보여주고 있음을 알 수 있다.
(3) 염수 분무 시험
해안지역이나, 오염지역에 설치된 가공송전선은 부식에 의한 사고를 방지하기 위하여 내식성이 우수한 강심 재료를 사용하여야 한다.
본 발명의 고강도 비자성 스테인리스강선과 아연도금한 고탄소강선에 대한 부식성 평가를 하기 위하여 염수 분무 시험을 하였다. 시험 방법은 한국공업규격 KS D 9502에 규정된 방식으로 하였으며 염수 분무 시간에 따른 중량변화를 측정하여 도 7에 나타내었다. 도 7에 도시된 바와 같이 고강도 비자성 스테인리스강선(NM wire로 표시함)의 경우 부식에 의한 무게 감소가 전혀 관찰되지 않는 반면에, 아연도금한 고탄소강선(HC wire로 표시함)의 경우 부식에 의한 무게 감소가 급격하게 이루어지는 것을 알 수 있다.
따라서, 고강도 비자성 스테인리스강선은 아연도금한 고탄소강선보다 대단히 우수한 염수 내부식 특성을 보유하고 있음을 알 수 있다. 이 특성은 가공송전선의 안정성을 평가하는데 매우 중요한 척도로 사용되고 있다.
(4) 강심의 피로 특성
가공송전선은 철탑과 연결되는 애자류에 장착되어 항상 일정 하중이 인장 상태로 인가되어 있어, 강심은 송전선의 자중과 바람에 의해 야기되는 인장 하중, 굽힘 하중, 비틀림 하중과 같은 복합 다중 하중에 노출되어 있어, 이러한 복합 다중 하중 조건에 장시간 견딜 수 있는 내피로 특성의 확보가 필수적이다.
본 발명의 고강도 비자성 스테인리스강선 3.0mm와 아연도금 고탄소강선 3.0mm의 인장-인장 피로 특성을 조사하여 도 8에 나타내었다. 인장-인장 피로시험은 인스트론 10톤 유압 시험기를 사용하여 수행하였으며, 신율계를 사용하여 변형율을 측정하였다. 도 8에서 알 수 있듯이 고강도 비자성 스테인리스강선(NM으로 표시함)은 아연도금 고탄소강선(HC로 표시함)에 비하여 우수한 피로수명이 얻어지는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 고강도 비자성 스테인리스강선의 경우 종래의 가공송전선에서 일어나는 복합 다중 하중으로 인한 단선사고를 대폭 감소시킬 수 있어 안정성과 신뢰성이 뛰어난 강심 소재임을 알 수 있다.
(5) 와이어 스트랜드 시험
알루미늄피복 처리를 한 고강도 비자성 스테인리스 강선 3.5mm로 7연선된 와이어 스트랜드(wire strand)와 알루미늄피복 처리를 한 고탄소강선 3.5mm로 7연선된 와이어 스트랜드(wire strand)의 3점 굽힘 피로 특성을 조사한 결과를 도 9에 나타내었다.
도면을 참조하면, 바람에 의해 영향을 미치는 15mm 진폭 이하에서는 고강도 비자성 스테인리스강선의 경우가 고탄소강선의 경우에 비하여 월등히 우수한 피로 특성을 보여주고 있고, 진폭 20mm 이상에서는 거의 동일한 피로강도를 나타내고 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 고강도 비자성 스테인리스강선은 종래의 고탄소강선에 비하여 전력 손실 저감 효과이외에도 현저히 우수한 피로 특성을 갖고 있어 가공송전선의 안정성과 신뢰성도 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
<실시예>
먼저, Fe-C 0.090% - Si 0.53% - Mn 9.76% - Ni 5.55% - Cr 17.59% - Cu 0.18% - Nb 0.12% - N 0.294% 의 성분을 가진 고강도 비자성 스테인리스강 선재 6.50mm를 고용화 열처리 후 산세하고, 피막처리를 한 뒤 연속 신선기에서 6개 다이스를 통과시켜 단면 감소율 75.8%로 3.2mm까지 신선하였다. 이 때 3.20mm의 인장강도는 190.5kg/㎟, 신율은 2.2% 였다.
신선된 3.2mm wire 표면의 피막제, 윤활제를 깨끗이 탈지한 후 0.70mm두께로 알루미늄 피복을 하여 3.90mm로 압출하였다. 압출된 3.90mm 알루미늄 피복선을 다시 신선하여 3.50mm의 알루미늄피복 처리된 고강도 비자성 스테인리스강선으로 마무리하였고, 알루미늄 두께는 0.62mm 였다.
알루미늄 피복선 3.50mm의 인장강도는 140kg/㎟, 신율은 3.0%, 도전율은 24%IACS로 한전규격의 인장강도 130kg/㎟이상, 신율 1.5% 이상, 도전율 20.3%IACS의 조건을 모두 만족시키고 있다.
알루미늄피복 처리된 고강도 비자성 스테인리스강선 3.50mm 7가닥을 한국공업규격 KS D7007 규격에 따라 연선하여 가공송전선 강심으로 만들었다. 이 고강도 비자성 스테인리스강 강심과 종래의 알루미늄피복 탄소강 강심을 가지고 동일한 규격의 가공송전선 410㎟ 시료를 제조하였다.
상기 두 종류의 가공송전선으로 온도 변화에 따른 교류저항 특성을 조사하여 고강도 비자성 스테인리스강 강심의 송전 손실 저감 효과를 조사하였다. 그 결과는 도 10과 같다. 도 10에서 알 수 있듯이 송전선의 온도가 올라감에 따라 교류저항은 직선적으로 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 고강도 비자성 스테인리스강심을 적용한 가공송전선( LL-ACNR/AW )의 교류 저항이 종래의 탄소강심을 적용한 가공송전선( ACSR/AW )에 비하여 매우 감소한 것을 보여주고 있다.
도 11은 온도 변화에 따라 고탄소강심을 적용한 가공송전선( ACSR/AW )의 교류 저항치를 기준으로 고강도 비자성 스테인리스강심을 적용한 가공송전선( LL-ACNR/AW )의 교류 저항치 감소율 경향을 나타내고 있다. 도 11에서 알 수 있듯이 고강도 비자성 스테인리스강심으로 제조된 가공송전선은 고탄소강심으로 제조된 가공송전선에 비하여 약 20%의 교류저항 개선효과가 있음을 알 수 있다.