KR20110104267A - 가공송전선 - Google Patents

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KR20110104267A
KR20110104267A KR1020100023315A KR20100023315A KR20110104267A KR 20110104267 A KR20110104267 A KR 20110104267A KR 1020100023315 A KR1020100023315 A KR 1020100023315A KR 20100023315 A KR20100023315 A KR 20100023315A KR 20110104267 A KR20110104267 A KR 20110104267A
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Abstract

본 발명에 따른 가공송전선은, 알루미늄과 복수 개의 탄소 나노튜브가 결합되어 형성되되 상기 알루미늄 대비 상기 탄소 나노튜브의 중량비가 0.5 ~ 3wt%인 도체부를 포함한다.
본 발명에 따른 가공송전선은 도전율이 소폭 하락한 대신에 인장강도가 크게 상승되어, 장거리로 설치에 적합할 뿐 아니라 가공송전선 설치 구간에 보다 적은 수의 철탑을 요구하여 전력 인프라의 설치비용을 절약시킨다.

Description

가공송전선{Overhead transmission line}
본 발명은 가공송전선에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계적 강도와 도전율이 향상된 가공송전선에 관한 것이다.
발전소에서 생산된 전력을 멀리 떨어져 있는 수용지 또는 1차 변전소로 송전하기 위한 방법으로 가공 송전식이 널리 이용된다. 상기 가공 송전식은 발전소에서 생산된 전력을 지상의 철탑에 의해 지지되는 가공송전선을 이용하여 수용지까지 송전한다.
이러한 가공송전선은 전력 수송을 담당하고 케이블의 지지하는 도체부를 포함하여 구성된다. 상기 도체부는 통상적으로 순알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 철탑 등과 같은 외부의 지지 건물에 의해 결합 고정되어 가공송전선의 강도를 유지하며, 발전소에서 생산된 전력을 목적지까지 수송하는 역할을 수행한다. 그런데 도체부는 기계적 강도가 약해, 장거리의 전력을 수송하기에는 적합하지 않고 더불어 가공송전선 설치 구간에 많은 철탑이 건설되어야 하는 비용상의 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하고자, 도체부 중심에 기계적 강도가 강한 중심 인장선을 구성시킨 강심알루미늄연선(ACSR: Aluminum Cable Steel Reinforced) 가공송전선이 개시되었다. 상기 강심알루미늄연선에 구비된 도체부는 전력수송을 담당하고 중심 인장선의 외주면에 연선된다. 또한, 가공송전선의 중심부에 위치한 중심 인장선은 주로 기계적 강도가 강한 강심이나 강선이 채택되어 송전선을 지지시키면서 전선의 강도를 유지시켜주는 역할을 수행한다.
그런데 이러한 강선이나 강심으로 형성된 중심 인장선은 송전 가공선 전체의 단면 점유율에 비교하여 송전 용량을 현저히 떨어트리면서, 전체 중량의 30% 이상을 차지한다. 즉, 강심이나 강심으로 형성된 중심 인장선은 가공송전선 전체의 중량을 증가시키고, 더불어 송전 가공선의 단면적을 증가시켜 가공송전선 전체의 송전 용량을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 기계적 강도와 송전용량이 향상된 가공송전선을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 제 1 측면에 따른 가공송전선은, 알루미늄과 복수 개의 탄소 나노튜브가 결합되어 형성되되 상기 알루미늄 대비 상기 탄소 나노튜브의 중량비가 0.5 ~ 3wt%인 도체부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 도체부에 형성된 탄소 나노튜브는 상기 도체부의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다.
바람직하게, 상기 복수의 탄소 나노튜브 중에서 80% 이상은 상기 도체부의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 제 2 측면에 따른, 중심 인장선 및 상기 중심 인장선의 외주면에 연선되는 적어도 하나 이상의 도체부를 포함하는 가공송전선은, 상기 중심 인장선, 상기 도체부 중 적어도 하나 이상이 알루미늄과 복수 개의 탄소 나노튜브가 결합되어 형성되되 상기 알루미늄 대비 상기 탄소 나노튜브의 중량비가 0.5 ~ 3wt%인 것을 특징으로 한다.
상기 중심 인장선에 형성된 상기 탄소 나노튜브는 상기 중심 인장선의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다.
바람직하게, 상기 중심 인장선에 형성된 복수의 탄소 나노튜브 중에서 80% 이상은, 상기 중심 인장선의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다.
본 발명에 따른 가공송전선은 도전율이 소폭 하락한 대신에 인장강도가 크게 상승되어, 장거리로 설치에 적합할 뿐 아니라 가공송전선 설치 구간에 보다 적은 수의 철탑을 요구하여 전력 인프라의 설치비용을 절약시키는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 가공송전선은 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성된 도체부 또는 중심 인장선을 구비하기 때문에, 종래의 강심알루미늄연선 가공송전선 비교하여 철탑에 지지되는 지지력이 상승될 뿐만 아니라, 전체 송전용량을 증가되는 장점이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 가공송전선은 강심 또는 강선 보다 무게가 가벼운 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 중심 인장선을 형성하기 때문에, 종래의 강심알루미늄연선 가공송전선에 비하여 무게가 가벼운 장점도 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가공송전선을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도체부의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 알루미늄 대비 탄소 나노튜브의 중량비가 1wt%로 제작된 가공송전선의 도체부와 다양한 알루미늄 합금 소재로 제작된 도체부의 물성을 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 가공송전선의 구성을 나타내는 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 설명에 앞서, 본 발명에 적용된 탄소 나노튜브(CNT: Carbon NanoTube)에 관하여 간략하게 설명한다.
탄소 나노튜브는 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고, 육각형 벌집 무늬를 형성하고 있는 그래파이트면(graphite sheet)이 나노크기의 직경으로 둥글게 말려 그 내부에 중공된 원통형 구조(tube)를 가진다. 상기 탄소나노튜브는 전기전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 높은 물성이 있는 것으로 알려지고 있다.
이하, 이러한 탄소 나노튜브가 적용된 본 발명의 따른 가공송전선을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 가공송전선(10)을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예예 따른 상기 가공송전선(10)은 전력 수송수단과 케이블 지지수단으로서 이용되는 적어도 하나 이상의 도체부(11)를 포함한다. 또한, 가공송전선(10)은 절연체 및 외피를 더 포함할 수도 있다.
상기 도체부(11)는 지상에 가설된 철탑 등에 결합되고 고정되어 전체 가공송전선(10)을 지탱하는 기능을 수행하는 동시에 목적지까지 전력을 제공하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 도체부(11)는 케이블 지지수단과 전력 수송수단의 두 기능을 동시에 수행한다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 도체부(11)는 알루미늄(도 2의 11a)과 복수 개의 탄소 나노튜브(도 2의 11b)가 결합된 복합재료(이하, '알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료'로 지칭함)로 형성되어 인장강도가 향상된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도체부(11)의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 도체부(11)는 알루미늄(11a)과 상기 알루미늄(11a) 내에 분산되어 있는 복수의 탄소 나노튜브(11b)로 형성된다.
상기 탄소 나노튜브(11b)는 가공송전선(10)의 기계적 강도와 도전율을 고려하여, 상기 도체부(11)의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다. 탄소 나노튜브(11b)가 도체부(11)의 길이방향을 따라 30°각도를 초과하여 배향된 경우, 알루미늄 기지와 탄소 나노튜브(11b)의 계면이 전류의 진행을 방해하여 전기전도도가 20% 이상 손실되는 위험이 따르므로, 탄소 나노튜브(11b)는 상기 도체부(11)의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다.
바람직하게, 복수의 탄소 나노튜브(11b) 중에 적어도 80% 이상은 도체부(11)의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다. 구체적으로, 도체부(11)의 길이방향을 따라 30°이내로 형성된 탄소 나노튜브(11b)의 배향 비율이 80% 미만인 경우, 알루미늄 기지와 탄소 나노튜브(11b)의 계면이 부정합을 이루게 되고 상기 부정합된 계면이 초기 인장응력이 걸리는 초기 크랙 발생점으로 작용하여 결과적으로 가공송전선(10)의 전기전도도 및 인장강도의 손실이 커질 위험이 있다. 따라서 복수의 탄소 나노튜브(11b) 중에 적어도 80% 이상은 도체부(11) 의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향되는 것이 바람직하다.
한편, 도체부(11)는 상기 탄소 나노튜브(11b)와 알루미늄(11a)의 중량비에 따라, 전기전도도와 인장강도가 다르다.
아래의 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 시편들과 순알루미늄으로 제작된 시편에 대해서 전기전도도와 인장강도 실험을 실행하여 확인한 결과값을 나타내는 표이다.

순알루미늄
CNT 0.2wt%
CNT 0.5wt%
CNT 1wt%
CNT 3wt%
CNT 8wt%

전기전도도
(%IACS)
60
57
56
55
47
40

인장강도
(kgf/mm2)
18
19
29
45
48
47
표 1을 참조하면, 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비가 0.5wt% ~ 3wt%인 도체부(11)는 순알루미늄 소재로 형성된 종래의 도체부와 비교하여 전기전도도가 크게 하락하지 않으면서, 인장강도가 향상함을 알 수 있다. 그러나 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비가 0.2wt% 이하인 도체부(11)는 인장강도가 19kgf/mm2 이하로 확인되어, 순알루미늄과 대비하여 인장강도의 개선수준이 미약하다. 또한, 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비가 0.8wt% 이상인 경우에 도체부(11)는 전기전도도가 40% IACS(International Annealed Copper Standard) 이하로 급격하게 떨어질 뿐만 아니라 취성의 급격한 상승으로 인하여 인장강도가 오히려 감소된다.
따라서, 도체부(11)에 형성된 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비는 0.5wt% ~ 3wt%인 것이 바람직하다.
도 3은 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비가 1wt%로 제작된 가공송전선의 도체부(11)와 다양한 알루미늄 합금 소재로 제작된 도체부의 물성을 비교한 그래프이다.
도 3을 통해, 본 발명에 따라 제작된 도체부(11)는 여타의 알루미늄 합금 소재와 비교하여, 도전율은 하락하지만 인장강도가 크게 향상됨을 알 수 있다. 즉, 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비가 1wt%인 도체부(11)는 고강도AL합금선을 제외한 각각의 알루미늄 합금 소재의 도체부와 비교하여, 도전율이 대략 3% ~ 12% 정도로 하락하지만, 인장강도가 대략 70% ~ 150% 정도로 크게 향상됨을 알 수 있다. 또한, 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비가 1wt%인 도체부(11)는 종래의 고강도AL합금선과 비교하여, 도전율이 대략 6% 향상되고 인장강도가 40% 향상됨을 도 3을 통하여 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공송전선(10)은 종래와 가공송전과 비교하여 3% ~ 12% 정도로 도전율이 하락된 대신 인장강도가 대략 70% ~ 150% 정도로 크게 향상된다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공송전선(10)은 종래의 가공송전선과 비교하여, 장거리 설치에 적합할 뿐만 아니라 가공송전선 설치 구간에 보다 적은 수의 철탑을 요구하여 전력 인프라의 초기 설치비용을 절약시키는 이점이 있다.
한편, 본 발명은 중심 인장선을 구비한 가공송전선에 적용되어, 상기 가공송전선의 기계적강도와 도전율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 가공송전선(40)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가공송전선(40)은 적어도 하나 이상의 도체부(41) 및 중심 인장선(43)을 포함한다.
상기 중심 인장선(43)은 철탑 등에 의해 결합 고정되어, 가공송전선(40) 전체를 지지하는 기능을 수행한다. 상기 중심 인장선(43)은 강심이나 강선으로 형성될 수 있고, 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성될 수도 있다. 상기 중심 인장선(43)이 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성된 경우, 상기 중심 인장선(43)은 가공송전선(40) 전체를 지지하는 기능 이외에 추가적으로 전력을 수송하는 기능을 수행한다. 이 경우, 중심 인장선(43)은 도전율과 인장강도의 향상을 고려하여, 본 발명의 일 실시예와 같이 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비가 0.5wt% ~ 3wt%로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 도체부(43)는 알루미늄 소재로 형성되어 전력을 수송하는 기능을 수행한다. 상기 도체부(43)는 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성될 수도 있으며, 이 경우 도체부(43)는 전력 수송 기능 이외에 철탑 등에 결합 고정되어 가공송전선(40) 전체를 지지하는 기능을 수행한다. 마찬가지로, 도체부(43)가 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성된 경우, 인장강도와 도전율을 고려하여 본 발명의 일 실시예에서와 같이 알루미늄(11a) 대비 탄소 나노튜브(11b)의 중량비가 0.5wt% ~ 3wt%로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 도체부(41) 또는 중심 인장선(43)에 형성된 상기 탄소 나노튜브(11b)는 가공송전선(40)의 기계적 강도와 도전율을 고려하여, 도 2에서와 같이 상기 도체부(41) 또는 중심 인장선(43)의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다. 구체적으로, 상기 탄소 나노튜브(11b)가 도체부(41) 또는 중심 인장선(43)의 길이방향을 기준으로 30°각도를 초과하여 배향된 경우, 알루미늄 기지와 탄소 나노튜브(11b)의 계면이 전류의 진행을 방해하여 전기전도도가 20% 이상 손실되는 위험이 따르므로, 탄소 나노튜브(11b)는 상기 도체부(41) 또는 중심 인장선(43)의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향된다.
한편, 도체부(41) 또는 중심 인장선(43)의 길이방향을 따라 30°이내로 형성된 탄소 나노튜브(11b)의 배향 비율이 80% 미만인 경우, 알루미늄 기지와 탄소 나노튜브(11b)의 계면이 부정합을 이루게 되고 더불어 상기 부정합된 계면이 초기 인장응력이 걸리는 초기 크랙 발생점으로 작용하여 결과적으로 가공송전선(40) 전체의 전기전도도와 인장강도를 저하시킬 위험이 있다. 따라서, 복수의 탄소 나노튜브(11b) 중에 적어도 80% 이상은 도체부(41) 또는 중심 인장선(43)의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향되는 것이 바람직하다.
종래에는 강선이나 강심으로 이루어진 중심 인장선과, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 도체부를 구비한 강심알루미늄연선(ACSR: Aluminum Conductor Steel Reinforced cable) 가공송전선이 일반적인 형태였는데, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가공송전선(40)은 중심 인장선(43), 도체부(41) 중 적어도 어느 하나가 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성된다. 이에 따라, 상기 가공송전선(400)은 종래의 강심알루미늄연선 가공송전선과 비교하여 송전용량이 증가되고, 인장강도도 향상된다.
구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가공송전선(40)은 강심 또는 강선으로 이루어진 종래의 강심알루미늄연선 가공송전선의 중심 인장선을 탄소 나노튜브-알루미늄 복합재료로 형성된 중심 인장선(43)으로 대체함으로써, 도체부(41) 뿐만 아니라 중심 인장선(43)을 통하여 전력을 수송하고 이에 따라 전체 가공송전선(40)의 송전용량을 증가시킨다. 즉, 본 발명은 도체부(41)와 중심 인장선(43) 모두를 전력 수송 수단으로 이용함으로써, 가공송전선(40)의 전체 송전용량을 증가시키는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가공송전선(40)은 알루미늄 합금재료 형성된 종래의 강심알루미늄연선 가공송전선의 도체부를 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성된 도체부(41)로 대체함으로써, 중심 인장선(43) 뿐만 아니라 도체부(41)에 의해서도 철탑에 결합 고정되어 전체 지지력이 상승되는 효과도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 가공송전선(40)은 도체부(41) 또는 중심인장선(43)이 탄소 나노튜브-알루미늄 복합재료로 형성될 수 있으나, 도체부(41)와 중심 인장선(43) 모두가 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성될 수도 있다. 이렇게 도체부(41)와 중심 인장선(43) 모두가 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성된 경우, 상기 가공송전선(40)은 도체부(41) 및 중심 인장선(43) 모두에 의해 지지되어 지지력이 상승할 뿐만 아니라, 상기 도체부(41) 및 중심 인장선(43) 모두가 전력수송을 담당하게 되므로, 전체 송전용량이 증가된다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가공송전선(40)은 강심 또는 강선 보다 무게가 가벼운 알루미늄-탄소 나노튜브 복합재료로 형성된 중심 인장선(43)을 구비되기 때문에, 종래의 강심알루미늄연선 가공송전선에 비하여 무게가 가벼운 장점도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10, 40 : 가공송전선 11, 41 : 도체부
11a : 알루미늄 11b : 탄소 나노튜브
43 : 중심 인장선

Claims (8)

  1. 전력 수송과 케이블 지지 기능을 수행하는 적어도 하나 이상의 도체부를 포함하는 가공송전선에 있어서,
    상기 도체부는 알루미늄과 복수 개의 탄소 나노튜브가 결합되어 형성되되, 상기 알루미늄 대비 상기 탄소 나노튜브의 중량비가 0.5 ~ 3wt%인 것을 특징으로 하는 가공송전선.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체부에 형성된 탄소 나노튜브는 상기 도체부의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 가공송전선.
  3. 제 2 항에 있어서,
    복수의 탄소 나노튜브 중에서 80% 이상은 상기 도체부의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 가공송전선.
  4. 중심 인장선 및 상기 중심 인장선의 외주면에 연선되는 적어도 하나 이상의 도체부를 포함하는 가공송전선에 있어서,
    상기 중심 인장선, 상기 도체부 중 적어도 하나 이상은 알루미늄과 복수 개의 탄소 나노튜브가 결합되어 형성되되, 상기 알루미늄 대비 상기 탄소 나노튜브의 중량비가 0.5 ~ 3wt%인 것을 특징으로 하는 가공송전선.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중심 인장선에 형성된 탄소 나노튜브는 상기 중심 인장선의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향되는 형성되는 것을 특징으로 하는 가공송전선.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 중심 인장선에 형성된 복수의 탄소 나노튜브 중에서 80% 이상은, 상기 중심 인장선의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 가공송전선.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 도체부에 형성된 탄소 나노튜브는 상기 도체부의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 가공송전선.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 도체부에 형성된 복수의 탄소 나노튜브 중에서 80% 이상은, 상기 도체부의 길이방향을 따라 30°이내의 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 가공송전선.
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