KR20130115732A

KR20130115732A - 도체, 이를 포함하는 케이블 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130115732A
Application number: KR1020120038318A
Authority: KR
Inventors: 박지용; 김상겸; 윤석헌
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-22
Also published as: KR101938007B1

Abstract

도체, 이를 포함하는 케이블 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예들에 따른 도체, 이를 포함하는 케이블 및 그 제조방법은 안정적인 전기적, 기계적 특성을 발휘하고, 단자 접속 시, 최적의 고착력을 갖기 위한 각 소선의 인장강도를 확보할 수 있으며, 구리 선재만으로 이루어진 도체보다 무게를 가볍게 하고, 유연성을 좋게 하여 운송 및 설치 작업의 편이성을 달성할 수 있다.

Description

도체, 이를 포함하는 케이블 및 그 제조방법{conductor, cable including the same and manufacturing method thereof}

본 발명은 도체, 이를 포함하는 케이블 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경량화를 통한 운송 및 설치 작업의 편이성을 확보하고 단자 접속 시 이종 금속간의 접촉으로 인한 부식을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 전기적 특성을 발휘하면서도 기계적 특성 또한 향상된 도체, 이를 포함하는 케이블 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 국제 구리 가격 상승 및 원자재 가격 상승으로 케이블 도체의 주요 소재인 구리 매입에 소요되는 비용이 많이 증가함에 따라 구리와 동등한 수준의 전기적 특성을 발휘하면서도 가격과 성능 면에서 구리를 대체할 수 있는 소재에 대한 필요성이 증가하고 있다.

대체 소재의 개발에 있어 가장 큰 문제점은 구리와 동등한 수준의 전기적 특성을 가지면서도 기계적, 물리적 특성이 케이블 도체로 사용하기에 충분한 신뢰성을 가지는 소재를 확보하는 것이 어렵다는 것이다.

케이블 도체의 소재 개발에 있어서는 전기적 특성, 물리적 특성, 접속 관련 특성 등이 제품 설계의 기준이 되며, 이를 만족하는 재료의 개발 및 기존 재료의 케이블 적용을 위한 연구가 진행 중이다.

특히 도체의 재질은 재료의 전기적 특성과 원자재 가격이 일반적으로 비례 관계를 가지는 경우가 많으므로, 대체 가능한 물질은 대부분 가격이 저렴할 경우 구리에 비해 전기적 특성이 떨어지고, 전기적 특성이 뛰어날 경우 구리보다 가격이 높다.

통상적으로 케이블 도체로 사용되는 재료는 도전율이 높은 구리, 알루미늄, 은 또는 그 합금에 한정되어 있으며, 그 이외의 재료는 전기적 특성이 위에 언급한 재료에 비해 현저히 낮고, 전기적 특성이 뛰어나다 해도 원자재 가격이 너무 높아 산업용 케이블 재료로 사용되기엔 적합하지 않다.

기존에 케이블 도체로 가장 많이 사용되어 왔던 구리는 케이블 도체 소재로는 최적의 조건인 높은 전기 전도도와 낮은 가격으로 인해 오랜 기간 주요 소재로 사용되어 왔다.

그러나 원자재 가격의 상승으로 구리의 가격이 기존에 비해 3배 이상 증가함에 따라 이보다 전기적 특성은 낮지만 가격이 저렴한 알루미늄 등을 도체 소재로 사용하기 위한 연구가 지속되고 있다.

그런데 알루미늄을 케이블 도체로 사용하는 경우, 구리에 비해 낮은 전기적 특성을 갖는 문제뿐만 아니라 빠른 반응속도로 인한 전기 전도를 방해하는 산화막 생성 문제, 상대적으로 구리에 비해 발열량이 많아서 발생하는 문제, 낮은 전기적 특성으로 인해 구리에 비해 케이블 도체로 활용시 단면적이 커지는 문제 등에 직면하게 된다.

알루미늄 합금도 이와 유사한 문제가 있기 때문에 이에 대한 대안으로 제안된 것이 구리 스트립(strip)을 알루미늄 로드(rod)에 감싼 형태의 선재인 동복 알루미늄 선재(Copper clad aluminum wire, CCA)이다.

동복 알루미늄 선재의 전기적 특성은 구리와 알루미늄의 특성 사이에 위치하고 알루미늄 적용에 있어 가장 큰 문제 중 하나인 산화막 발생 문제가 없기 때문에 복합재료로서 구리를 대체할 대안으로 연구되고 있다.

특히, 풍력타워에 사용되는 전력용 케이블에 있어서는 구리 도체를 적용하는 경우, 전기적 특성은 우수하나 비중이 높아(ρ=8.9g/㎤) 무겁고 가격이 고가인 문제가 있고, 알루미늄 도체의 경우 가볍고((ρ=2.7g/㎤) 상대적으로 저가이나, 표면에 형성되는 산화피막(Al2O3)에 의해 접촉 저항이 증가하여 단자 접속 시 신뢰성 확보가 어려운 문제점이 있기 때문에, 동복 알루미늄 선재를 적용하는 것이 바람직하다.

그런데, 위와 같은 전력용 케이블은 풍력타워 내 설치 시 작업의 용이성을 위해 유연성이 높아야 하고, 타워 내 거치시 안정적인 기계적 특성을 발휘하여야 하며, 또한 케이블이 단자에 접속하는 경우, 최적의 고착력을 갖기 위한 각 소선의 인장강도가 확보되어야 한다.

따라서, 동복 알루미늄 선재의 알루미늄 및 구리의 비율이 최적화 되고, 단자 접속 시 이종 금속 간의 접속으로 인한 부식이나 발열을 최대한 억제하며 최적의 고착력을 발휘할 수 있는 도체와 케이블에 대한 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 실시 예들은 안정적인 전기적, 기계적 특성을 발휘하고, 단자 접속 시, 최적의 고착력을 갖기 위한 각 소선의 인장강도를 확보할 수 있는 도체와 케이블을 제공하고자 한다.

또한, 구리 선재만으로 이루어진 도체보다 재료비를 감소시켜 원가 절감을 통해 전체적인 케이블 제조비용을 낮추고자 한다.

또한, 구리 선재만으로 이루어진 도체보다 무게를 가볍게 하고, 유연성을 좋게 하여 운송 및 설치 작업의 편이성을 달성하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 적어도 하나의 제1 선재 및, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선과 상기 내선을 둘러싸는 구리로 이루어진 외선을 구비하되, 상기 외선의 단면적 비율이 20% 내지 25%로 이루어진 적어도 하나의 제2 선재를 포함하며, 상기 제1 선재와 제2 선재가 연선된 집합체의 최외각층에는 상기 제2 선재가 배치되는 것을 특징으로 하는 도체가 제공될 수 있다.

상기 도체는 풍력타워용 케이블의 중심도체로 사용될 수 있다.

여기서, 상기 제2 선재의 최소 개수는 18일 수 있으며, 상기 제1 선재와 제2 선재를 합한 개수는 34 내지 38일 수 있다.

그리고, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 인장강도는 80MPa 내지 200MPa일 수 있다.

한편, 상기 알루미늄 합금은 AL(알루미늄), Fe(철), Cu(구리), Mg(마그네슘), Si(규소), Zn(아연)의 조성 원소와 불순물을 포함하여 이루어지며,

상기 알루미늄 합금을 구성하는 조성원소의 함량(중량%)은 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족할 수 있다.

[수학식 1]

97.42(중량%)≤AL≤99.8(중량%)

0.05(중량%)≤Fe≤1.0(중량%)

0.05(중량%)≤Cu≤1.0(중량%)

0.04(중량%)≤Mg≤1.0(중량%)

0.001(중량%)≤Si≤0.03(중량%)

0.001(중량%)≤Zn≤0.04(중량%)

0.008(중량%)≤기타(불순물)≤0.03(중량%)

0.15(중량%)≤Fe+Cu≤1.5(중량%)

0.002(중량%)≤Si+Zn≤0.05(중량%)

0.15(중량%)≤Fe+Mg≤1.5(중량%)

[수학식 2]

0.15(중량%)≤Fe+Cu+Mg+Si+Zn+기타(불순물)≤3.1(중량%)

그리고, 상기 제1 선재와 제2 선재가 연선된 집합체는 압축 다이스를 통과하여 압축될 수 있고, 상기 압축 시, 상기 집합체를 이루는 최외각층의 제2 선재만 압축될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 선재와 동복 알루미늄 또는 동복 알루미늄 합금 선재를 연선하여 이루어지고, 단자 접속 시 이종 금속간의 접촉으로 인한 부식을 방지하기 위하여 상기 동복 알루미늄 또는 동복 알루미늄 합금 선재를 최외각층에 배치하는 도체와, 상기 도체를 절연시키는 절연층 및, 상기 절연층 외측에 내부 구성을 보호하기 위한 쉬스층을 포함하는 케이블이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 동복 알루미늄 또는 동복 알루미늄 합금 선재에 포함된 구리의 단면적 비율은 20% 내지 25%일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 제1 선재를 신선하는 단계와, 알루미늄 선재 또는 알루미늄 합금 선재 외주면에 단면적 비율이 20% 내지 25%인 구리 스트립을 둘러싸고 용접하여 제2 선재를 신선하는 단계와, 상기 복수의 제1 선재와 제2 선재를 연선하여 중심도체를 제조하는 단계와, 상기 중심도체를 절연시키는 절연층을 형성하는 단계 및, 상기 절연층 외측에 내부 구성을 보호하기 위한 쉬스층을 형성하는 단계를 포함하는 케이블 제조방법이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 제2 선재는 상기 중심도체의 최외각층에 배치될 수 있다.

그리고, 상기 구리 스트립 용접 시 발생하는 열을 냉각하는 단계가 더 포함될 수 있다.

또한, 상기 중심도체의 유연성을 개선하기 위한 중심도체 열처리 단계가 더 포함될 수 있다.

한편, 상기 중심도체에 포함되는 제2 선재의 최소 개수는 18일 수 있으며, 상기 중심도체에 포함되는 제1 선재와 제2 선재를 합한 개수는 34 내지 38일 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 안정적인 전기적, 기계적 특성을 발휘하고, 단자 접속 시, 최적의 고착력을 갖기 위한 각 소선의 인장강도를 확보할 수 있는 도체와 케이블을 제공할 수 있다.

또한, 구리 선재만으로 이루어진 도체보다 재료비를 감소시켜 원가 절감을 통해 전체적인 케이블 제조비용을 낮출 수 있다.

또한, 구리 선재만으로 이루어진 도체보다 무게를 가볍게 하고, 유연성을 좋게 하여 운송 및 설치 작업의 편이성을 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체의 단면구조를 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동복 알루미늄 선재가 제조되는 과정을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 알루미늄 선재와 동복 알루미늄 선재를 연선하여 도체를 제조하는 과정을 나타낸 구성도
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블이 풍력타워에 적용되는 예를 도시한 예시구성도
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블의 구성을 나타낸 사시도
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블을 제조하는 과정을 나타낸 순서도
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블 단부에 배선용 압착단자를 결합한 상태를 도시한 사시도
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체의 압축되는 과정을 나타낸 구성도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체의 단면구조를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체(20)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 적어도 하나의 제1 선재(1) 및, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선(12)과 상기 내선을 둘러싸는 구리로 이루어진 외선(14)을 구비하되, 상기 외선(14)의 단면적 비율이 20% 내지 25%로 이루어진 적어도 하나의 제2 선재(10)를 포함하며, 상기 제1 선재(1)와 제2 선재(10)가 연선된 집합체의 최외각층에는 상기 제2 선재(10)가 배치되는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이, 상기 제1 선재(1)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는데, 그 비중이 구리(8.9g/㎤)에 비해 1/3 수준이기(2.7g/㎤) 때문에 경량화 확보에 중요한 역할을 수행하게 된다.

상기 제2 선재(10)는 동복 알루미늄 선재로서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선(12)의 외부를 구리로 이루어진 외선(14)으로 피복하는 형태로 구성되어 있으며, 여기서 구리는 선재 외부에서 도체 저항 감소, 접속 능력 확보와 강도 향상에 영향을 주게 된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 도체(20)는 이러한 제1 선재(1)와 제2 선재(10)가 연선되어 이루어진 집합체로서, 반지름 방향으로 층을 이루도록 연선되어 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 도체(20) 구성 중심부에 피복되지 않은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 제1 선재(1)를 배치하여 최대한의 경량화 효과를 확보하고, 단자 접속 시에 이종 금속간 접촉을 방지하기 위해 제2 선재(10)를 최외각층에 배치하였다.

도 1에 도시된 실시 예에서는 도체(20) 중심부로부터 제1 선재(1)가 반지름 방향으로 1, 6, 12개로 구성되어 층(layer)을 이루고, 제2 선재(10) 18개가 배치되는 구성을 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 각 층을 이루는 선재의 개수는 전체 케이블의 외경, 인장강도, 전기 전도성을 고려하여 각각 변경될 수 있으며, 도체(20)를 이루는 선재의 전체 개수 또한 그에 따라 변경될 수 있다.

한편, 도체(20)의 인장하중을 향상시키고, 구리 도체 대비 경량화율을 확보하며, 도체(20) 및 단자부 온도 상승 저하로 인한 신뢰성 확보를 위해 구리의 피복 비율 즉, 단면적 비율과, 도체(20)에서 동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)가 차지하는 수를 변화시키면서 실험하였다.

먼저, 실험준비를 위하여 구리 피복의 단면적 비율이 다른 동복 알루미늄 선재를 φ3.4mm로 신선하여 준비하고 총 37개 선재를 연선하여(Stranding, 1+6+12+18) 최종 단면적 300㎟의 도체를 제조하였다. 여기서, 동복 알루미늄 선재의 구리 피복 단면적 비율은 0 ~ 30%까지 변경하면서 제조하였고, 동복 알루미늄 선재를 최외층부터 배치하여 연선하였다.

그 구체적인 실시 예 및 비교 예를 [표 1]에 나타내었다.

[표 1]에 나타난 실시 예 1~6, 비교 예 1~9에 대하여 경량화율(%), 인장하중(kN), 도체 및 단자부 온도상승(ΔT, ℃)을 측정하였고, 개발목표로서, 경량화율은 구리 도체(2,986kg/km) 대비 45% 이하, 인장하중은 25kN 이상, 도체 온도상승은 60℃ 미만, 단자부 온도 상승은 50℃ 미만으로 설정하여 그에 대한 평가결과를 [표 2]에 제시하였다.

각 실시 예 와 비교 예에 따른 물성 측정값 및 평가결과를 살펴보면, 구리의 단면적 비율이 20% 내지 25%이고, 동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)가 최소 18개로 이루어지는 경우 경량화율, 인장하중 및 도체와 단자부 온도상승에 있어 만족할 만한 결과값을 보이는 것을 확인할 수 있다.

대체로 동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)의 개수가 적을수록 그리고, 구리 단면적 비율이 낮을수록 인장하중, 도체 및 단자부 온도상승에 있어서 안 좋은 결과를 나타내고 있고, 반대로 동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)의 개수가 많을수록 그리고, 구리 단면적 비율이 높을수록 경량화율에 있어서 좋지 않은 결과값을 보여주고 있다.

따라서, 위 네 가지 물성 측정값에서 모두 만족할만한 결과값을 얻기 위해서는 구리의 단면적 비율이 20% 내지 25%이고, 동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)가 18개 이상 구비되어야 한다.

결과적으로, 단자를 접속할 경우 최적의 고착력을 갖기 위한 각 소선의 인장강도를 확보하고, 발열량과 경량화율에 있어서 만족할 만한 결과를 얻기 위해서는 심재인 알루미늄 및 피복재인 구리의 비율과 소선 개수가 최적화될 필요가 있으며, 그에 따른 최적의 범위는 위 실험데이터에서 제시하는 바와 같다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체와 케이블의 구체적인 제조과정에 관해 살펴보도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동복 알루미늄 선재가 제조되는 과정을 나타낸 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 알루미늄 선재와 동복 알루미늄 선재를 연선하여 도체를 제조하는 과정을 나타낸 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블이 풍력타워에 적용되는 예를 도시한 예시구성도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블을 제조하는 과정을 나타낸 순서도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 상기 제2 선재(10)는 내측이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고 외측이 단면적 비율이 20% 내지 25%를 차지하는 구리로 이루어질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선(12)의 외주면에 구리로 된 외선(14)을 둘러싸고 이를 용접하여 동복 알루미늄 선재(10)를 제조하게 된다.

먼저, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 선재인 제1 선재(1)는 AL(알루미늄), Fe(철), Cu(구리), Mg(마그네슘), Si(규소), Zn(아연)을 조성 원소로 하는 합금 소재를 준비한 후, 냉간 상태에서 목적하는 형상 및 외경으로 신선한 후 열처리하여 완성할 수 있다(S10).

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)의 내선(12)을 둘러싸는 구리로 된 외선(14), 즉 구리 스트립은 동복 알루미늄 선재(10)의 전체 부피에서 20% 내지 25%를 차지하도록 그 두께를 조절하여 적용할 수 있다.

구체적으로, 제2 선재(10)를 제조함에 있어서, 심선(알루미늄, 알루미늄 합금)은 Rod 상태, 도체 표면용 구리는 판재 상태로 준비하고, Rod 상태의 알루미늄 도체 표면에 판재 형태의 구리 소재를 연속 용접 공정으로 감싼 후, 신선 공정을 통해 기계적으로 압착하여 제조한다. 그리고, 이렇게 제조된 제2 선재(10)는 연속 신선을 통해 원하는 사이즈로 가공하며, 가공 시 발생하는 경화는 단계별 열처리를 통해 연화시킬 수 있다.

동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)의 제조과정을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 도 2에 도시한 바와 같이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 된 내선(12)에 구리 스트립으로 된 외선(14)을 둘러싸고 이를 용접기(19)로 용접한다(S20).

여기서, 상기 내선(12)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 제1 선재(1)와 동일한 방법으로 제조될 수 있다.

그리고, 상기 용접기(19)로 외선(14)을 용접할 때 발생하는 열을 냉각장치(30)를 통해 냉각한다(S30). 이는 용접으로 인하여 구리와 알루미늄 접촉 부위가 고온으로 상승하여 부식에 취약한 계면 반응층이 생성되고 박리될 가능성이 커지는 위험성을 방지하기 위함이다. 이러한 냉각장치(30)로는 저온의 불활성 기체를 분사하는 방식의 장치가 사용될 수 있다.

그 후 신선 다이스(40)를 거치면서 구리 부피가 20% 내지 25%인 제2 선재(10)가 신선(wire drawing)되는데(S40), 신선과정을 통해 원하는 형상과 직경의 제2 선재(10)를 얻을 수 있다.

이때, 상기 신선 다이스(40)는 원통체 형상의 다이스 케이스(43)를 구비하며, 상기 다이스 케이스(43) 내측에는 선재입구(47)에서 부터 선재출구(49)까지 경사지게 통공 형성된 다이스팁(45)이 고정 설치될 수 있다.

상기와 같은 구조로 되어 있는 다이스팁(45)의 선재입구(47)를 통하여 굵은 직경의 선재가 들어가면, 상기 선재출구(49)를 통하여 보다 얇은 직경의 선재가 나오게 되며, 이를 통해 제2 선재(10)를 원하는 형상과 직경으로 신선하고 내선(12)과 외선(14)의 결합력을 높일 수 있다.

이와 같이 제조된 제1 선재(1)와 제2 선재(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 연선공정을 거치게 된다(S50). 도 1에 제시한 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체(20)의 연선과정을 예로 들면, 먼저, 하나의 제1 선재(1)를 중심선(3)으로 하여 그 주위에 6개연의 제1 선재(1)를 연선한다.

구체적으로, 6개의 제1 선재(1)들은 중심선(3)을 중심축으로 회전하는 가이드 플레이트(53)의 안내에 따라 동시에 송출기(51, payoff bobin)에서 권출되며, 연선 다이스(55)를 통해 한 곳으로 집중되어 중심선(3) 주위에 일정한 피치(pitch)를 이루도록 꼬인 상태로 연선된다.

상기 연선 다이스(55)를 통과한 후, 연선된 도체는 권취기(58, takeup bobin)에 감기어 취합된다.

그 후, 위와 같이 7개연으로 된 연선을 중심선(3)으로 하여 다시 동일한 연선과정을 거쳐 중심선(3) 주위에 제1 선재(1) 12개연으로 연선하고, 다시 이를 중심선(3)으로하여 중심선(3) 주위에 제2 선재(10) 18개연으로 연선함으로써 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체(20)를 완성한다.

도체(20)가 완성된 후에는 도체(20)의 유연성 개선을 위하여 도체(20)를 열처리하는 공정이 추가로 수행될 수 있다(S60).

도 1에 도시된 도체(20)는 총 37개의 소선이 연선된 구조로 이루어져 있지만, 위 개수에 한정되는 것은 아니며, 외경, 인장강도, 전기 전도성을 고려하여 변경(예를 들어 34개 내지 38개)될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 제1 선재(1)와 제2 선재(10)를 이루는 내선(12)은 알루미늄만으로 이루어지거나 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있는데, 알루미늄 합금의 경우 AL(알루미늄), Fe(철), Cu(구리), Mg(마그네슘), Si(규소), Zn(아연)의 조성 원소와 그 외 기타 불순물을 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 상기 알루미늄 합금을 구성하는 조성원소의 함량(중량%)은 아래의 수학식 1 및 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

97.42(중량%)≤AL≤99.8(중량%)

0.05(중량%)≤Fe≤1.0(중량%)

0.05(중량%)≤Cu≤1.0(중량%)

0.04(중량%)≤Mg≤1.0(중량%)

0.001(중량%)≤Si≤0.03(중량%)

0.001(중량%)≤Zn≤0.04(중량%)

0.008(중량%)≤기타(불순물)≤0.03(중량%)

0.15(중량%)≤Fe+Cu≤1.5(중량%)

0.002(중량%)≤Si+Zn≤0.05(중량%)

0.15(중량%)≤Fe+Mg≤1.5(중량%)

[수학식 2]

0.15(중량%)≤Fe+Cu+Mg+Si+Zn+기타(불순물)≤3.1(중량%)

이러한 수학식이 도출된 근거를 실험데이터를 참조해 살펴보면 다음과 같다.

[표1]

실험데이터인 위의 [표1]을 통해 알 수 있듯이 Fe(철) + Cu(구리)의 첨가 함량(중량%)이 0.15(중량%)으로 조성되는 경우, Fe(철)의 첨가 함량(중량%)이 0.05(중량%) 이상 0.10(중량%) 이하로 조성되고, Cu(구리)의 첨가 함량(중량%)이 0.10(중량%) 이하 0.05(중량%) 이상으로 조성될 때 전기 전도도 및 인장 강도(기계적 강도)가 우수한 만족스런 결과를 얻을 수 있다.

또한, Fe(철) + Cu(구리)의 첨가 함량(중량%)이 1.00(중량%)으로 조성되는 경우, Fe(철)의 첨가 함량(중량%)이 0.05(중량%) 이상 0.95(중량%) 이하로 조성되고, Cu(구리)의 첨가 함량(중량%)이 0.95(중량%) 이하 0.05(중량%) 이상으로 조성될 때 전기 전도도 및 인장 강도(기계적 강도)가 우수한 만족스런 결과를 얻을 수 있다.

또한, Fe(철) + Cu(구리)의 첨가 함량(중량%)이 1.50(중량%)으로 조성되는 경우, Fe(철)의 첨가 함량(중량%)이 1.00(중량%) 이하 0.50(중량%) 이상으로 조성되고, Cu(구리)의 첨가 함량(중량%)이 0.50(중량%) 이상 1.00(중량%) 이하로 조성될 때 전기 전도도 및 인장 강도(기계적 강도)가 우수한 만족스런 결과를 얻을 수 있다.

따라서, 인장 강도(기계적 강도)와 전기 전도도를 모두 안정적으로 확보하기 위해서는 Fe, Cu의 첨가 함량(중량%)과 Fe + Cu의 첨가 함량(중량%)이 상기 수학식 1, 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다 할 수 있다.

[표2]

한편, 실험데이터인 위의 [표2]를 통해 알 수 있듯이 Fe(철) + Mg(마그네슘)의 첨가 함량(중량%)이 0.15(중량%)으로 조성되는 경우, Fe(철)의 첨가 함량(중량 %)이 0.05(중량%) 이상 0.11(중량%) 이하로 조성되고, Mg(마그네슘)의 첨가 함량(중량%)이 0.10(중량%) 이하 0.04(중량%) 이상으로 조성될 때 전기 전도도 및 인장 강도(기계적 강도)가 우수한 만족스런 결과를 얻을 수 있다.

또한, Fe(철) + Mg(마그네슘)의 첨가 함량(중량%)이 1.00(중량%)으로 조성되는 경우, Fe(철)의 첨가 함량(중량 %)이 0.05(중량%) 이상 0.96(중량%) 이하로 조성되고, Mg(마그네슘)의 첨가 함량(중량%)이 0.95(중량%) 이하 0.04(중량%) 이상으로 조성될 때 전기 전도도 및 인장 강도(기계적 강도)가 우수한 만족스런 결과를 얻을 수 있다.

또한, Fe(철) + Mg(마그네슘)의 첨가 함량(중량%)이 1.50(중량%)으로 조성되는 경우, Fe(철)의 첨가 함량(중량 %)이 1.00(중량%) 이하 0.50(중량%) 이상으로 조성되고, Mg(마그네슘)의 첨가 함량(중량%)이 0.50(중량%) 이상 1.00(중량%) 이하로 조성될 때 전기 전도도 및 인장 강도(기계적 강도)가 우수한 만족스런 결과를 얻을 수 있다.

따라서, 인장 강도(기계적 강도)와 전기 전도도를 모두 안정적으로 만족하기 위해서는 Fe, Mg의 첨가 함량(중량%)과 Fe + Mg의 첨가 함량(중량%)이 상기 수학식 1, 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다 할 수 있다.

[표3]

[그래프1]

[그래프2]

[그래프3]

그리고, 실험데이터인 위의 [표3]과 [그래프1] 내지 [그래프3]을 통해 알 수 있듯이 Si(규소)의 첨가 함량(중량%)이 0.001(중량%) 미만으로 조성되거나, Zn(아연)의 첨가 함량(중량%)이 0.001(중량%) 미만으로 조성되는 경우에 우수한 전기 전도도를 얻을 수 있으나 인장 강도(기계적 강도)는 좋지 못하다.

그리고, Si(규소) + Zn(아연)의 첨가 함량(중량%)이 0.002(중량%) 미만으로 조성되는 경우에는 우수한 전기 전도도를 얻을 수 있으나 인장 강도(기계적 강도)는 좋지 못하다.

이와 반대로 Si(규소) 첨가 함량(중량%)이 0.03(중량%) 초과하여 조성되거나, Zn(아연) 첨가 함량(중량%)이 0.04(중량%) 초과하여 조성되는 경우에 높은 인장 강도(기계적 강도)를 얻을 수 있으나 전기 전도도는 좋지 못하다.

그리고, Si(규소)+ Zn(아연)의 첨가 함량(중량%)이 0.05(중량%) 초과하여 조성되는 경우에는 전기 전도도가 좋지 못하다.

따라서, 인장 강도(기계적 강도)와 전기 전도도를 모두 안정적으로 만족하기 위해서는 Si(규소), Zn(아연)의 첨가 함량(중량%)이 상기 수학식 1, 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다 할 수 있다.

[표4]

[그래프4]

[그래프5]

마지막으로, 실험데이터인 위의 [표4]와 [그래프4] 및 [그래프5]를 통해 알 수 있듯이 인장 강도, 연신율, 전기 전도도를 모두 만족하는 1차 영역으로는 수학식 2와 같이 Fe(철) + Cu(구리) + Mg(마그네슘) + Si(규소) + Zn(아연) + 기타(불순물) 함량(중량%)이 0.15(중량%) 이상 3.1(중량%) 이하로 조성되는 것이 바람직함을 알 수 있다.

예컨대, Fe(철) + Cu(구리) + Mg(마그네슘) + Si(규소) + Zn(아연) + 기타(불순물)의 함량(중량%)이 0.15(중량%) 미만으로 조성되는 경우에는 인장 강도(기계적 강도)가 좋지 못하며, 이와 반대로 Fe(철) + Cu(구리) + Mg(마그네슘) + Si(규소) + Zn(아연) + 기타(불순물) 함량(중량%)이 3.1(중량%) 초과하여 조성되는 경우에는 전기 전도도와 연신율이 좋지 못한 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기 1차 영역 내에서 더 바람직한 2차 영역으로 표시된 바와 같이 Fe(철) + Cu(구리) + Mg(마그네슘) + Si(규소) + Zn(아연) + 기타(불순물) 함량(중량%)을 0.15(중량%) 이상 2(중량%) 이하가 되도록 조절하는 것도 가능하다.

상술한 바와 같이 위 수학식은 [표1] 내지 [표4] 및 [그래프1] 내지 [그래프5]에 나타난 데이터에 근거하여 알루미늄 합금 선재가 바람직한 전기전도도와 인장강도를 발휘하는 각 조성원소의 함량(중량%)의 값을 구하여 그 공통분모를 수식으로 정리한 것이다.

따라서, 알루미늄 합금이 포함하는 조성원소의 함량이 위 수학식 1과 2를 만족하는 조건 내에서 제1 선재(1)와 제2 선재(10)에 포함된 알루미늄 합금 내선(12)은 가장 바람직한 전기적 특성과 기계적 특성을 발휘하게 된다.

그리고, 이러한 알루미늄 합금 적용 시 기존 구리 도체와의 물성차이로 인해 케이블과 단자 접속 시, 최적 고착력에 대한 차이가 있으므로 이에 대해 하나의 소선에서 구리가 차지하는 단면적 비율을 20 ~ 25%로 설정하였으며, 최적의 고착력 및 도체 인장 하중을 확보하기 위해 심선인 알루미늄 합금의 인장강도를 80 ~ 200MPa로 규정하였다.

한편, 이와 같이 제조된 도체(20)는 전력, 제어, 신호, 통신, 센서 케이블에 사용되는 모든 중심도체로서 적용될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체(20)를 포함하는 케이블(100)은 크게 알루미늄 또는 알루미늄 합금 선재와 동복 알루미늄 또는 동복 알루미늄 합금 선재를 연선하여 이루어지고, 단자 접속 시 이종 금속간의 접촉으로 인한 부식을 방지하기 위하여 상기 동복 알루미늄 또는 동복 알루미늄 합금 선재를 최외각층에 배치하는 도체(20)와, 상기 도체를 절연시키는 절연층(22) 및, 상기 절연층(22) 외측에 내부 구성을 보호하기 위한 쉬스층(24)을 포함하여 이루어질 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블(100)은 예를 들어 풍력타워의 전력용 케이블로 활용될 수 있다.

이러한 풍력타워의 구조를 살펴보면, 바람의 힘으로 회전하는 블레이드(61)가 구비되는데, 상기 블레이드(61)의 재질은 경량이고 내구성이 높은 유리섬유강화 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 도 4와 같은 3매 블레이드(61)는 진동이 적고 안정성이 높아서 최근의 대형 풍차의 주류를 이루고 있다.

한편, 이러한 블레이드(61)의 회전을 발전기에 필요한 회전수로 증속하는 기어장치인 증속기(64)와 블레이드(61)의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(62) 및 태풍이나 점검 시 블레이드를 정지시키는 브레이크(63)가 나셀(65) 내에 수납된다. 상기 나셀(65) 상부에는 풍향 및 풍속계(미도시)가 적재될 수 있다.

상기 블레이드(61)와 나셀(65)은 주로 강철로 이루어진 타워(66)에 의해 지지되며, 상기 타워(66)는 지반에 배치된 베이스(67) 상부에 고정 설치된다.

상기 발전기(62)에서 변환된 전기에너지는 발전기(62)에 연결된 풍력타워용 케이블(100)을 통해 변압기(68)로 전달되며 변압기(68)를 거쳐 전력계통(69) 즉, 송전탑과 송전선로를 포함하는 송전시설을 통해 일반 가정이나 공장 등에 공급될 수 있다.

여기서, 상기 케이블(100)은 상기 타워(66) 내에 수직방향으로 거치되기 때문에, 자체 하중을 견딜 수 있는 인장강도를 가져야 하며, 포설 작업 시 작업의 용이성을 위해 적절한 유연성을 발휘하여야 한다.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블(100)은 도 5에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 구조의 도체(20)를 중심도체로 사용하고, 도체(20) 외측을 절연층(22)으로 둘러싸며(S70), 절연층(22) 외측을 쉬스층(24)으로 둘러싸도록 하여(S80) 제조된다.

상기 절연층(22)은 절연성 및 내충격성 특성을 갖는 물질로 이루어지며, 상기 도체(20)를 피복하여 보호하고 절연시키는 역할을 수행한다. 여기서 상기 절연층(22)은 실리콘(Silicone), 가교 폴리에틸렌(Cross-linked polyethylene; XLPE), 가교 풀리올레핀(Cross Linked Polyollefin; XLPO), 에틸렌프로필렌고무(ethylene-propylene rubber; EPR), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC) 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.

상기 쉬스층(24)은 케이블(100)의 최외곽에 구비되어 외부 충격이나 부식 작용으로부터 케이블을 보호한다. 상기 쉬스층(24)은 내충격성이 크면서 비할로겐계(halogen free)인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리클로프렌고무(polychloroprene rubber; CR), 크로로설폰화 폴리에틸렌(Chloro Sulfonated Polyethylene; CSPE), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene; CPE), 에틸렌초산비닐수지(ethylene vinyl acetate; EVA) 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.

이하에서 동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)가 도체(20)의 최외각층에 배치되는 경우의 장점을 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블 단부에 배선용 압착단자를 결합한 상태를 도시한 사시도이다.

도 7을 참조하면, 일반적으로 고압의 3상 전원을 사용하는 곳의 전원 연결은 배선용 압착단자(70)를 이용하게 된다. 상기 압착단자(70)는 납작한 평판형으로 형성되며 전원공급라인과 전기적으로 접속되는 터미널(72)과 터미널(72)의 후단부에 일체로 형성되며 원통 형태로 이루어져 케이블(100)의 도체(20)가 내측으로 삽입 접속되는 케이블 접속부(74) 및 상기 터미널(72)에 상하로 관통 형성되는 접속공(76)을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 배선용 압착단자(70)에 접속되는 케이블(100)은 절연층(22)과 쉬스층(24)의 선단 일정 부분이 벗겨져 도체(20)가 노출된 상태로 배선용 압착단자(70)의 케이블 접속부(74) 내측에 삽입된다.

이처럼 케이블 접속부(74) 내측에 케이블(100)의 노출된 도체(20)가 삽입된 상태에서 압착공구(도시하지 않음)를 통해 케이블 접속부(74)의 외측을 압착하게 되면 압착 고정홈(74a)이 형성되면서 케이블(100)의 노출된 도체(20) 선단이 배선용 압착단자(70)의 케이블 접속부(74) 내측에 결합 접속된다.

이와 같이 케이블 접속부(74)를 통해 케이블(100)과 결합된 배선용 압착단자(70)는 터미널(72)에 상하로 관통 성형된 접속공(76)을 통해 발전기 등의 전원 공급 라인 상에 볼트 체결될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 케이블(100)은 동복 알루미늄 선재인 제2 선재(10)가 도체(20)의 최외각층에 배치되어 있고, 내층에 알루미늄 선재인 제1 선재(1)가 배치되어 있으므로, A-A단면도에서 보는 바와 같이, 구리로 이루어진 배선용 압착단자(70)와 제2 선재(10)의 외선(14)을 이루는 구리 부분이 서로 접촉하게 된다.

따라서, 배선용 압축단자(70)와 도체(20)의 접촉 시 서로 동종의 금속이 접촉하게 되며, 결과적으로 이종 금속간의 단자 접속을 방지하게 되어 이종 금속간 부식 및 저항에 의한 발열을 최대한 억제할 수 있는 장점이 있다.

또한, 알루미늄 선재로만 이루어진 도체를 사용할 경우에 발생할 수 있는, 표면에 산화피막(Al2O3)이 형성되어 접촉 저항이 증가하게 됨으로써 단자 접속 시 신뢰성 확보가 어려운 문제점을 해결할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도체의 압축되는 과정을 나타낸 구성도이다.

도 8을 참조하면, 상기 연선된 도체(20)는 압축 다이스(80)를 거치면서 압축될 수 있다. 압축된 압축도체(20a)는 압축 전후의 도체 단면적이 동일하며, 최외각층의 제2 선재(10)가 변형되어 변형된 제2 선재(10) 사이의 공극이 작아짐으로써 외경이 줄어들게 된다.

여기서, 원하는 외경을 얻기 위하여 최외각층 뿐만 아니라, 최외각층과 인접하는 그 내층까지 압축되도록 구성하는 것도 가능하다.

이와 같이 압축도체(20a)를 이용하여 케이블(100)을 제조하게 되면, 전체 케이블(100)의 외경이 줄어들게 되므로, 피복 관련 재료가 적게 소요되고 케이블(100) 포설작업 시 작업의 용이성이 증대되는 효과가 있다.

지금까지 설명한 본 발명의 실시 예들에 의한 도체(20)와 케이블(100)에 따르면, 안정적인 전기적, 기계적 특성을 발휘하고, 단자 접속 시, 최적의 고착력을 갖기 위한 각 소선의 인장강도를 확보할 수 있다.

또한, 구리 선재만으로 이루어진 도체보다 재료비를 감소시켜 원가 절감을 통해 전체적인 케이블 제조비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 무게를 가볍게 하고, 유연성을 좋게 하여 운송 및 설치 작업의 편이성을 달성할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 일 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

1 : 제1 선재 10 : 동복 알루미늄 선재
12 : 내선 14 : 외선
20 : 도체 100 : 케이블

Claims

알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 적어도 하나의 제1 선재; 및
알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선과 상기 내선을 둘러싸는 구리로 이루어진 외선을 구비하되, 상기 외선의 단면적 비율이 20% 내지 25%로 이루어진 적어도 하나의 제2 선재를 포함하며,
상기 제1 선재와 제2 선재가 연선된 집합체의 최외각층에는 상기 제2 선재가 배치되는 것을 특징으로 하는 도체.
제1항에 있어서,
상기 도체는 풍력타워용 케이블의 중심도체로 사용되는 것을 특징으로 하는 도체.
제1항에 있어서,
상기 제2 선재의 최소 개수는 18인 것을 특징으로 하는 도체.
제3항에 있어서,
상기 제1 선재와 제2 선재를 합한 개수는 34 내지 38인 것을 특징으로 하는 도체.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 인장강도는 80MPa 내지 200MPa 인 것을 특징으로 하는 도체.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 AL(알루미늄), Fe(철), Cu(구리), Mg(마그네슘), Si(규소), Zn(아연)의 조성 원소와 불순물을 포함하여 이루어지며,
상기 알루미늄 합금을 구성하는 조성원소의 함량(중량%)은 아래의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족하는 것을 특징으로 하는 도체.
[수학식 1]
97.42(중량%)≤AL≤99.8(중량%)
0.05(중량%)≤Fe≤1.0(중량%)
0.05(중량%)≤Cu≤1.0(중량%)
0.04(중량%)≤Mg≤1.0(중량%)
0.001(중량%)≤Si≤0.03(중량%)
0.001(중량%)≤Zn≤0.04(중량%)
0.008(중량%)≤기타(불순물)≤0.03(중량%)
0.15(중량%)≤Fe+Cu≤1.5(중량%)
0.002(중량%)≤Si+Zn≤0.05(중량%)
0.15(중량%)≤Fe+Mg≤1.5(중량%)
[수학식 2]
0.15(중량%)≤Fe+Cu+Mg+Si+Zn+기타(불순물)≤3.1(중량%)
제1항에 있어서,
상기 제1 선재와 제2 선재가 연선된 집합체는 압축 다이스를 통과하여 압축되는 것을 특징으로 하는 도체.
제7항에 있어서,
상기 압축 시, 상기 집합체를 이루는 최외각층의 제2 선재만 압축되는 것을 특징으로 하는 도체.
알루미늄 또는 알루미늄 합금 선재와 동복 알루미늄 또는 동복 알루미늄 합금 선재를 연선하여 이루어지고, 단자 접속 시 이종 금속간의 접촉으로 인한 부식을 방지하기 위하여 상기 동복 알루미늄 또는 동복 알루미늄 합금 선재를 최외각층에 배치하는 도체;
상기 도체를 절연시키는 절연층; 및
상기 절연층 외측에 내부 구성을 보호하기 위한 쉬스층;을 포함하는 케이블.
제9항에 있어서,
상기 동복 알루미늄 또는 동복 알루미늄 합금 선재에 포함된 구리의 단면적 비율은 20% 내지 25%인 것을 특징으로 하는 케이블.
알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 제1 선재를 신선하는 단계;
알루미늄 선재 또는 알루미늄 합금 선재 외주면에 구리 스트립을 용접하는 단계;
구리의 단면적 비율이 20% 내지 25%인 제2 선재를 신선하는 단계;
상기 복수의 제1 선재와 제2 선재를 연선하여 중심도체를 제조하는 단계;
상기 중심도체를 절연시키는 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층 외측에 내부 구성을 보호하기 위한 쉬스층을 형성하는 단계;를 포함하는 케이블 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 제2 선재는 상기 중심도체의 최외각층에 배치되는 것을 특징으로 하는 케이블 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 구리 스트립 용접 시 발생하는 열을 냉각하는 단계를 더 포함하는 케이블 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 중심도체의 유연성을 개선하기 위한 중심도체 열처리 단계를 더 포함하는 케이블 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 중심도체에 포함되는 제2 선재의 최소 개수는 18인 것을 특징으로 하는 케이블 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 중심도체에 포함되는 제1 선재와 제2 선재를 합한 개수는 34 내지 38인 것을 특징으로 하는 케이블 제조방법.