KR20180000953A - 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 및 그 제조방법 - Google Patents

양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 및 그 제조방법에 있어서, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄합금(Al alloy) 소재로 이루어진 접속금구류본체의 표면을 세척하는 단계와; 상기 접속금구류본체를 양극산화하여 표면에 균일한 요철을 포함하는 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 산화피막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 접속금구류를 제조시 표면에 도입되는 미세한 요철, 흠, 스크래치 또는 결함 등을 양극산화 처리를 통해 표면을 깨끗하고 평활하게 하며, 균일한 요철이 형성된 접속금구류 표면을 통해 국부적인 전계집중 현상을 억제하여 코로나 저항성을 증가시킬 수 있다.

Description

양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 및 그 제조방법 {Connecting structure for overhead transmission line and a method of manufacturing the same, including the anodized suface}
본 발명은 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 접속금구류를 제조시 표면에 도입되는 미세한 요철, 흠, 스크래치 또는 결함 등을 양극산화 처리를 통해 표면을 깨끗하고 평활하게 하며, 균일한 요철이 형성된 접속금구류 표면을 통해 국부적인 전계집중 현상을 억제하여 코로나 저항성을 증가시킨 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 및 그 제조방법에 관한 것이다.
가공 송전선로(transmission line) 중 송전선에는 나선(bare wire), 지지물에는 철탑 및 애자(insulator)를 사용하고 있으며, 송전선의 절연은 애자 및 그 주위의 공기에 의존하고 있다. 송전선에 있어서 공기는 절연물로 볼 수 있는데 그 절연내력에는 한계가 있어 기온, 기압의 표준상태(20℃, 760mmHg)에서 직류 송전에 약 30kV/cm, 정현파 교류 실효치로 약 21kV/cm 이상의 전위차가 발생하게 되면 그 절연은 파괴된다. 송전전압이 높아져 송전선 표면의 전위경도(potential gradient)가 상기와 같이 파열극한 전위경도를 초과하게 되면 공기의 절연성이 부분적으로 파괴되어 소리 또는 빛을 수반한 코로나 방전(corona discharge)이 발생하게 된다.
코로나 방전은 송전선 또는 애자 부근 중 전계가 집중되어 임계 전압 이상의 전압이 가해지면, 공기의 절연이 부분적으로 파괴되어 낮은 소리나 엷은 빛을 내면서 방전되는 현상을 말한다. 이와 같은 코로나 방전이 일어나는 코로나 임계전압은 송전선로의 기하학적 배치 즉, 송전선의 반경, 선간 거리 등으로부터 이론적으로 구해지는 값에 표면상태, 날씨, 상대 공기밀도 등의 요인을 계수로 보정되는 식으로 표시된다. 송전선로의 설계는 당연히 코로나 임계전압이 통상 운전전압보다 높도록 설계된다. 그러나 전력계통의 확대와 함께 초고압의 도입, 굵은 송전선의 사용에 의해 송전선 및 접속금구류 표면에 부착되는 먼지 등의 오염물, 송전선 또는 접속금구류 표면의 손상, 미소돌기 부분으로 인하여 이 영역에 전계가 국부적으로 증가하게 된다. 이로 인해 코로나 임계전압 이하에서도 코로나 방전이 발생하게 된다.
코로나 방전은 크게 전력계통에 미치는 영향과 주위 환경에 미치는 영향으로 구분할 수 있다. 전력계통에 미치는 영향의 경우 코로나에 의한 전력손실의 발생, 코로나 잡음에 의한 전력선 반송장치의 기능저하, 송전선의 부식 촉진, 송전선의 코로나 진동, 진행파 파형의 변형, 고조파 전압전류의 발생, 소호 리액터 접지계통의 소호능력 저하 등이 있다. 그리고 주위 환경에 미치는 영향으로는 코로나 잡음으로 인한 전파장애, 가청 코로나 잡음, 통신선 유도장애 등을 일으키게 된다. 이와 같이 코로나 방전은 송전선로 계통에 다양한 악영향을 미치게 되고, 나아가 안정적인 전력수급을 위협하는 문제가 있어 코로나 방전을 줄이는 것은 송전선로 설계의 개선하는 데 매우 중요한 요인으로 작용한다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1424235호 대한민국특허청 등록특허 제10-1031061호 대한민국특허청 등록특허 제10-0945224호
따라서 본 발명의 목적은, 접속금구류를 제조시 표면에 도입되는 미세한 요철, 흠, 스크래치 또는 결함 등을 양극산화 처리를 통해 표면을 깨끗하고 평활하게 하며, 균일한 요철이 형성된 접속금구류 표면을 통해 국부적인 전계집중 현상을 억제하여 코로나 저항성을 증가시킨 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄합금(Al alloy) 소재로 이루어진 접속금구류본체의 표면을 세척하는 단계와; 상기 접속금구류본체를 양극산화하여 표면에 균일한 요철을 포함하는 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 산화피막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 알루미늄합금은 전체 100중량부 중 알루미늄이 90중량부 이상이며, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si), 망간(Mn) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접속금구류본체의 표면을 세척하는 단계는, 탈지제를 이용하여 상기 접속금구류본체 표면에 부착된 유기오염물을 제거하는 탈지 단계와; 상기 탈지제를 상기 접속금구본체로부터 제거하기 위해 수세하는 단계와; 세척된 상기 접속금구류본체에 산화된 표면 및 스멋트를 제거하는 단계와; 상기 접속금구류본체를 재수세하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 목적은 또한, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄합금(Al alloy) 소재로 이루어진 접속금구류본체와; 상기 접속금구류본체를 양극산화하여 표면에 균일한 요철을 포함하는 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 산화피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류에 의해서도 달성된다.
여기서, 상기 산화피막은 5 내지 50㎛의 두께로 이루어지며, 상기 접속금구류본체는 초고압직류송전(high-voltage direct current, HVDC) 또는 초고압교류송전(high-voltage alternating current, HVAC)용인 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 접속금구류를 제조시 표면에 도입되는 미세한 요철, 흠, 스크래치 또는 결함 등을 양극산화 처리를 통해 표면을 깨끗하고 평활하게 하며, 균일한 요철이 형성된 접속금구류 표면을 통해 국부적인 전계집중 현상을 억제하여 코로나 저항성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 제조방법의 순서도이고,
도 2는 종래에 제조된 접속금구류의 사진이고,
도 3은 종래의 접속금구류에 존재하는 각종 결함을 나타낸 사진이고,
도 4는 도 3을 확대한 사진이고,
도 5는 본 발명에 따른 접속금구류의 표면 사진이고,
도 6은 양극산화된 표면의 SEM 사진이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.
가공송전선로에 사용되는 접속금구류는 설치되는 위치에 맞춰 다양한 종류가 있으며, 대표적으로 각종 클램프류(clamps), 스페이서(spacer), 뎀퍼(damper) 등이 사용된다. 이러한 접속금구류는 송전선 중 초고압직류송전(high-voltage direct current, HVDC) 또는 초고압교류송전(high-voltage alternating current, HVAC)에 있어서는 특히 중요한 기술이다.
본 발명에 따른 접속금구류의 경우 알루미늄(Al) 또는 알루미늄합금(Al alloy) 소재를 이용하여 제조되며, 이를 제조하는 데에는 기본적으로 용해 주조, 기계 가공 및 용접 등 다양한 공정을 통해 제조된다. 일반적인 접속금구류는 알루미늄 또는 알루미늄합금 이외에도 다양한 금속소재를 적용 가능하나 본 발명의 경우 외표면을 양극산화하는 과정을 거쳐야 하기 때문에 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어진 접속금구류가 가장 바람직하다. 여기서 알루미늄합금은 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si), 망간(Mn) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것과 알루미늄이 혼합된 합금을 말한다. 알루미늄합금의 경우 전체 100중량부 중 알루미늄이 90중량부 이상 함유되어 알루미늄합금이 양극산화가 가능하도록 하는 것이 바람직하다. 알루미늄합금 중 알루미늄이 90중량부 미만일 경우 알루미늄의 양극산화가 원활히 이루어지지 않아 균일한 양극산화 표면을 얻기 어렵다는 단점이 있다.
이와 같은 본 발명의 가공송전선용 접속금구류는 배치 타입(batch-type)의 양극산화 처리 기술을 적용하여 접속금구류 표면의 평탄도를 개선하고자 하는 것으로, 완벽한 양극산화 처리를 위해서 알루미늄 접속금구류의 표면에 오염물이나 산화물이 남아있으면 안된다. 또한 공정 간의 이동 시간이 길어지면 다시 오염되거나 산화될 수 있어 공정관리가 대단히 중요하다. 접속금구류를 양극산화하는 공정은 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이 먼저, 접속금구류본체의 표면을 세척한다.
미리 제조된 접속금구류본체는 접속금구류본체를 가공하는 과정에서 표면에 기름과 같은 유기오염물이 부착된 상태이며, 이를 제거하기 위해 탈지(grease removing) 과정을 거치게 된다. 통상의 탈지 방법으로는 유기오염물을 탈지제를 사용하여 세정하는 방법으로 탈지제를 적신 천으로 닦거나 탈지제가 든 용기 속에 접속금구류본체를 통째로 담근 후 이를 꺼내는 방법이 있다. 본 발명에서는 세척과정의 원활함 및 미세한 영역까지 유기오염물을 완전히 제거할 수 있도록 탈지제에 접속금구류본체를 담근 후 이를 꺼내는 방법을 사용한다. 가장 바람직한 탈지제는 세정성이 우수하고 건조가 빠르며 발화에 영향을 미치지 않는 용제 형태인 트리클로로에틸렌(trichloroethylene)이 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 탈지제를 통해 유기오염물을 제거하는 과정 중 일부 표면이 산화될 우려가 있으나 이후의 에칭 과정에서 산화 알루미늄을 모두 제거하기 때문에 큰 문제는 발생하지 않는다. 경우에 따라서 접속금구류본체 표면의 유기오염물을 완벽하게 제거하기 위하여 탈지 과정을 여러 번 반복 수행할 수도 있다.
탈지 과정을 거친 후 탈지된 접속금구류본체를 수세한다. 여기서 수세 과정은 접속금구류본체를 물 또는 증류수로 세척하는 과정을 의미하며, 접속금구류본체가 탈지된 후 부품의 표면에 탈지제가 흡착되어 탈지제층을 형성하고 있을 수 있기 때문에 이를 제거하기 위해 수세하는 과정을 거친다. 탈지제층이 접속금구류본체에 형성될 경우 후에 양극산화를 실시하는 데 있어 방해가 되기 때문에 접속금구류본체의 표면으로부터 탈지제층을 제거할 수 있도록 한다. 이러한 수세 단계는 탈지제층을 효과적으로 제거하기 위해 적어도 2회 이상이 수행될 수 있다.
수세된 상태의 접속금구류본체로부터 산화된 표면을 제거한다. 산화 표면을 제거하는 공정의 경우 알칼리수용액을 사용하기 때문에 수세 과정이 끝난 접속금구류본체를 따로 건조하지 않아도 무방하다. 양극산화가 일어나기 전에 접속금구류본체의 표면에 일부 산화된 표면이 존재할 경우 추후에 수행하는 양극산화가 균일하지 않게 발생하기 때문에 양극산화 전 접속금구류본체의 표면에 잔존하는 산화된 표면을 제거하는 과정을 거치게 된다. 산화된 표면을 제거하는 과정은 접속금구류본체를 초음파 세척기 하에서 알칼리수용액 내에 침지시킨 후 일정 시간이 지나면 이를 꺼내는 방식을 이용한다. 여기서 알칼리수용액은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화칼륨(KOH), 과산화수소(H2O2) 및 이의 혼합으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
산화된 표면을 제거하는 과정을 거친 접속금구류본체는 다음으로 스멋트 제거(desmutting) 과정을 거치게 된다. 스멋트 제거 과정은 산세나 알칼리 침지로 말미암아 표면에 생긴 스멋(smut)을 제거하는 과정을 의미하며, 본 발명에서의 스멋트는 산화된 표면으로부터 떨어져나온 산화알루미늄(Al2O3) 조각을 의미한다. 스멋트를 제거하는 공정은 양극산화 전 표면에 양극산화가 용이하게 일어나게 하기 위함이 목적으로 미리 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO4) 또는 인산(H3PO4)으로 표면을 세정하는 것을 의미한다. 이를 통해 표면의 작은 조각(scale), 녹(rust), 혼재물 등과 같은 오염물이 세척된다.
스멋트 제거 공정의 경우 염산, 황산, 질산 또는 인산과 같이 산을 이용하여 수행하였으며, 양극산화 전 접속금구류의 표면에 산을 모두 제거하기 위해 접속금구류본체 재수세 과정을 진행한다. 이 수세 과정은 이전 수세 과정과 마찬가지로 물 또는 증류수를 이용하여 여러 번 세척하는 공정으로 이루어진다.
접속금구류본체 표면을 양극산화하여 산화피막을 형성한다.
세척 과정을 통해 표면에 불순물을 모두 제거한 접속금구류본체의 표면을 양극산화하여 균일한 표면을 형성한다. 양극산화된 접속금구류본체의 내부는 기존 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 되어있으며 그 표면은 산화알루미늄으로 이루어지게 된다. 양극산화하는 공정으로는 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어진 접속금구류본체를 양극으로 하고, 불용성 백금(Pt)을 음극으로 하여 전해액 내에 담근 후 양단에 직류전압을 인가하면 접속금구류본체의 표면이 산화알루미늄으로 양극산화된다. 양극 및 음극이 담긴 전해액으로부터 산소이온과 수산이온이 알루미늄 표면으로 전진하여 알루미늄 내의 알루미늄 이온과 결합하며, 알루미늄과 산화층 계면 부근에서 알루미늄 산화피막을 형성한다. 산화피막은 양극산화 처리 중에 계속적으로 금속 방향으로 진행하여 성장하게 된다.
이때 직류전압은 10 내지 60분 동안 10 내지 100V의 전압을 정전압으로 인가하며, 양극산화된 산화피막은 5 내지 50㎛의 두께를 가지는 나노튜브 구조체인 양극산화막으로 형성된다. 전압이 10V 미만일 경우 너무 무른 상태의 산화알루미늄 산화피막이 형성되며, 100V를 초과할 경우 높은 양의 전류가 흐르기 때문에 균일하지 못한 산화피막이 형성될 수 있다. 산화피막이 5㎛ 미만일 경우 두께가 너무 얇아 미세한 스크레치가 발생할 경우 산화피막 내부의 알루미늄이 노출될 우려가 있으며, 50㎛를 초과할 경우 산화피막의 강성이 증가하여 박리가 될 수 있다.
양극산화로 인해 형성된 산화알루미늄 산화피막은 튜브 형상이 균일하게 분포되어 있는 상태로 이루어지며, 이와 같은 형상을 통해 접속금구류의 표면이 균일한 요철을 포함하게 된다. 즉 접속금구류가 양극산화를 수행하지 않을 때보다 그 표면이 깨끗하고 평활해지며, 균일한 요철로 인해 국부적으로 전계가 집중되는 것을 방지하며, 이로 인해 코로나 발생을 억제하여 안정적인 전력 공급이 가능해진다.
도 2는 종래의 접속금구류의 사진, 도 3은 접속금구류 표면에 결함을 나타낸 사진, 도 4는 도 3의 표면 결함을 확대한 현미경 사진이다. 또한 도 5는 본 발명과 같이 양극산화를 통해 표면에 균일한 요철이 형성된 접속금구류에 대한 현미경 사진이다. 이러한 양극산화 요철은 도 6a 및 도 6b와 같이 나노튜브 형상의 균일한 요철 모양을 나타낸다. 도 4의 경우 균일하지 못한 표면에 의해 전계가 집중될 가능성이 높은 반면, 도 5의 경우 튜브 형상의 균일한 요철이 형성됨에 의해 전계가 균일하게 분포될 수 있다.
종류 비양극산화처리 접속금구류 양극산화처리한 접속금구류
평탄도(mm) ±0.5~1.5 ±0.01~0.05
표 1은 알루미늄 접속금구류의 양극산화처리 이전 및 이후 표면 평탄도 특성을 측정한 수치를 나타낸 것이다. 도 4 및 5의 정량화를 위해 평탄도 측정기(휴대용 multi-points 직진도/평탄도 측정기, AlignCheck ACF-30M)를 사용하여 측정한 결과 도 2의 종래 접속금구류의 경우 표 1과 같이 표면 평탄도가 ±0.5 내지 1.5mm 범위의 값이 얻어지는 것을 확인했으며, 도 3의 본 발명에 따른 접속금구류의 경우 표면 평탄도가 ±0.01 내지 0.05mm 범위의 값이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 양극산화 처리 이전에 비해 약 100배 가까이 평탄도가 개선된 것을 알 수 있다.
종류 비양극산화처리 접속금구류 양극산화처리한 접속금구류
표면경도(Hv) 30~40 450~500
표 2는 알루미늄 접속금구류의 양극산화처리 이전 및 이후 표면 경도 특성을 측정한 수치를 나타낸 것이다. 표면결합 프리(free) 상태가 얻어진 이유는 높아진 표면 경도의 영향으로 판단되기 때문에, 접속금구류 표면 경도를 마이크로비커스를 이용하여 측정하였다. 그 결과 도 2의 종래 접속금구류는 30 내지 40Hv 경도를 얻었으며, 도 3의 본 발명에 따른 접속금구류는 450 내지 500Hv의 경도 값을 얻었다. 이는 양극산화처리 전에 비해 10배 이상 향상된 것을 알 수 있다.
이를 통해 접속금구류본체의 표면을 양극산화할 경우 표면에 치밀하고 안정된 산화알루미늄 피막이 형성되는 것을 알 수 있다. 즉 SEM 사진 및 평탄도 측정을 통해 종래 접속금구류는 코로나 발생을 촉진시키게 되며, 균일한 요철의 산화피막을 포함하는 접속금구류의 경우 코로나 발생을 억제할 수 있다.
종래의 접속금구류는 표면에 미세한 요철, 돌기, 흠, 스크래치 등의 결함이 존재함에도 불구하고 그대로 송전선로에 설치되었으며, 이로 인해 코로나 방전이 발생하는 것을 억제하지 못하였다. 하지만 본 발명의 경우 양극산화를 통해 균일한 요철을 형성하였으며, 균일한 요철로 인해 국부적으로 전계가 집중되지 않고 전계가 일정하게 분산되는 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해 송전선로에서 자주 발생하는 코로나 방전 현상을 최대한 억제하여 안정적인 전력 계통을 유지하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있다. 또한 코로나 발생에 의한 유지 관리 비용 역시 크게 절감할 수 있다.

Claims (7)

  1. 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 제조방법에 있어서,
    알루미늄(Al) 또는 알루미늄합금(Al alloy) 소재로 이루어진 접속금구류본체의 표면을 세척하는 단계와;
    상기 접속금구류본체를 양극산화하여 표면에 균일한 요철을 포함하는 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 산화피막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄합금은 전체 100중량부 중 알루미늄이 90중량부 이상인 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 구리(Cu), 규소(Si), 망간(Mn) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 접속금구류본체의 표면을 세척하는 단계는,
    탈지제를 이용하여 상기 접속금구류본체 표면에 부착된 유기오염물을 제거하는 탈지 단계와;
    상기 탈지제를 상기 접속금구본체로부터 제거하기 위해 수세하는 단계와;
    세척된 상기 접속금구류본체에 산화된 표면 및 스멋트를 제거하는 단계와;
    상기 접속금구류본체를 재수세하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류 제조방법.
  5. 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류에 있어서,
    알루미늄(Al) 또는 알루미늄합금(Al alloy) 소재로 이루어진 접속금구류본체와;
    상기 접속금구류본체를 양극산화하여 표면에 균일한 요철을 포함하는 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 산화피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 산화피막은 5 내지 50㎛의 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 접속금구류본체는 초고압직류송전(high-voltage direct current, HVDC) 또는 초고압교류송전(high-voltage alternating current, HVAC)용인 것을 특징으로 하는 양극산화 표면을 포함하는 가공송전선용 접속금구류.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200050520A (ko) * 2018-11-01 2020-05-12 (주)티티에스 양극 산화 피막 제조 방법

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