KR20180081724A - 송전 케이블 - Google Patents
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Abstract
송전 케이블이 제공되며, 송전 케이블은 제1 인장 강도를 갖는 복수의 제1 외장 와이어가 제공되는 적어도 제1 부분으로서, 상기 복수의 제1 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제1 금속 보호 코팅이 코팅된 제1 금속 재료로 제조되고, 상기 제1 금속 재료는 제1 투자율(μ1)을 갖는, 적어도 제1 부분; 및 제2 인장 강도를 갖는 복수의 제2 외장 와이어가 제공되는 적어도 제2 부분으로서, 상기 복수의 제2 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제2 금속 보호 코팅이 코팅된 제2 금속 재료로 제조되고, 상기 제2 금속 재료는 제2 투자율(μ2, 및 μ2≠μ1)을 갖는, 적어도 제2 부분을 포함하고, 상기 복수의 제1 외장 와이어의 각각은 조인트 부분에서 상기 복수의 제2 외장 와이어 중 하나에 길이방향으로 접합되고, 상기 조인트 부분은 제3 인장 강도를 갖고, 제3 인장 강도는 제1 인장 강도 및 제2 인장 강도 중 더 낮은 인장 강도의 적어도 80%를 초과한다.
Description
본 발명은 일반적으로 전기 케이블, 즉 송전, 특히, 교류 전류(AC) 송전을 위한 케이블의 분야에, 더 구체적으로 실질적으로 수중에 전개되도록 의도되는 해저 송전 케이블에 관한 것이다.
전기는 현대 생활의 필수 부분이다. 송전은 발전소로부터 수요 중심지 근처에 위치되는 변전소로의, 전기 에너지의 대량 전달이다. 전송선은 대개 고-전압 3상 교류 전류(AC)를 사용한다. 전기는 높은 전압(110 kV 이상)으로 전송되어 장거리 전송 시에 손실되는 에너지를 감소시킨다. 전력은 대개 가공 전력선을 통해 전송된다. 지중 송전선은 상당히 더 높은 비용 및 더 큰 동작 제한을 갖지만 종종 도시 지역 또는 민감한 장소에 사용된다. 가장 최근에, 해저 전력 케이블은 전력을 자체의 전기 생산시설을 갖지 않는 작은 섬 또는 해상 생산 플랫폼으로 공급할 수 있는 가능성을 제공한다. 반면에, 해저 전력 케이블은 또한 해상에서 (풍력, 파도, 해류 등으로) 생산된 전기를 해안을 거쳐 본토로 가져올 수 있는 가능성을 제공한다.
이들 전력 케이블은 보통 강철 와이어로 외장된(armoured) 케이블이다. 전형적인 구성의 강철 와이어로 외장된 케이블(10)이 도 1에 도시된다. 도체(12)는 플레인 스트랜드형(plain stranded) 구리로 제조된다. 가교된 폴리에틸렌(XLPE)으로 제조되는 것과 같은, 절연체(14)는 양호한 내수성 및 우수한 절연성을 갖는다. 케이블 내의 절연체(14)는 도체 및 다른 금속 물질이 서로와 접촉하지 않는 것을 보증한다. 폴리비닐 클로라이드(PVC)로 제조되는 것과 같은, 베딩(bedding)(16)이 케이블의 내부 및 외부 층 사이의 보호 경계를 제공하는 데 사용된다. 강철 와이어로 제조되는 것과 같은, 외장체(18)는 기계적인 보호를 제공하고, 특히 외부 충격에 대항하는 보호를 제공한다. 또한, 외장 와이어(18)는 설치 중에 장력을 완화하고, 그에 따라 구리 도체가 신장하는 것을 방지할 수 있다. 흑색 PVC로 제조되는 것과 같은, 있을 수 있는 시스(sheath)(19)가 케이블의 모든 구성요소를 함께 보유하여 외부 응력으로부터의 추가적인 보호를 제공한다.
사용 시에, 해저 케이블은 일반적으로 수중에 설치되고, 전형적으로 바닥 지면 또는 해저면 아래에 매설되지만, 그 일부는 상이한 환경에 놓일 수 있고, 이것은, 예를 들어, 해저 링크의 해안 단부, 중간의 섬 횡단부, 육지 인접 부분, 수로의 모서리, 심해로부터 항구로의 전이부 그리고 유사한 위치의 경우이다. 이들 환경과 관련되는 것은 종종 해양 또는 해안 주요 경로에 있는 위치와 관련되는 더 나쁜 열 특성 및/또는 더 높은 온도이다.
허용 전류(current rating), 즉 케이블이 지속적으로 또는 주어진 부하에 따라 안전하게 운반할 수 있는 전류의 양은 전력 케이블에서 중요한 파라미터이다. 허용 전류가 긴 시간 동안 초과되면, 발생된 열에 의해 유발되는 온도 상승이 도체 절연을 손상시켜 케이블의 전기적 또는 기계적 성질의 영구적인 저하를 유발할 수 있다. 따라서, 전력 케이블의 구성, 예컨대 코어의 치수는 허용 전류에 의해 결정된다. 케이블의 허용 전류는 케이블 코어 크기, 전력 분배 회로의 동작 시스템 파라미터, 모든 케이블 구성요소에 사용되는 절연체 및 재료의 타입 그리고 주위 환경의 설치 조건 및 열 특성에 의존한다.
AC 전력 케이블에서, 도체 내에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장은 자기 손실을 강자성 재료 내에, 또는 높은 투자율을 갖는 재료 내에, 예컨대 외장 와이어로서 사용되는 탄소강에 유도한다. 자기 손실은 열을 재료 내에 유발한다(또는 재료 내에서 열로 변환된다). 그러한 유도된 열은, 전류 운반으로 인해 도체에 의해 생성되는 열에 추가되어, 특히 전력 케이블이 낮은 또는 불충분한 열 분산 능력을 갖는 환경에 전개될 때에, 전력 케이블의 전체적인 전류 운반 능력을 제한할 수 있다.
케이블 외장체 내에서의 손실에 의해 발생되는 열로 인한 전기 케이블의 전력 운반 능력의 감소를 피하려는 해결책이 연구되었다.
하나의 제안은 케이블, 특히 불충분한 열 분산의 상태에 놓인 그 케이블 섹션의 크기를 증가시킴으로써 행해진다. 그러나, 그러한 해결책은 바람직하지 않은데, 그것이 더 무거운 그리고 더 비싼 케이블을 시사하기 때문이다. 상이한 크기의 별개의 섹션으로 제조되는 케이블을 갖는 것의 단점은 케이블 연속성이 손상되어 케이블의 기계적인 내성에 불리하고 그에 따라 케이블 섹션들 사이의 특별한 전이 조인트를 요구하여 매설 작업 중에 신중한 취급을 요구한다는 것이다. 또한, 송전 케이블의 이들 전이 조인트는 또한 추가적인 전기 손실을 발생시킬 수 있다.
미국 특허 출원 공개 제20120024565호는 이러한 문제점을 해결하는 또 다른 해결책을 개시한다. 그것은 제1 금속 재료로 제조되는 케이블 외장 요소가 제공되는 하나의 제1 섹션, 그리고 제2 금속 재료로 제조되는 케이블 외장 요소가 제공되는 하나의 제2 섹션을 포함하는 송전 케이블을 개시한다. 제2 금속 재료는 실질적으로 강자성을 갖지 않는다. 제1 및 제2 섹션은 서로와 길이방향으로 접촉하고, 방식 보호체(anticorrosion protection)가 제1 섹션 내의 외장 요소와 제2 섹션 내의 외장 요소 사이의 접촉 지점에 대응하여 제공된다. 방식 보호체는 제1 섹션 내의 외장 요소와 제2 섹션 내의 외장 요소 사이 내에 삽입되는 아연 로드(rod) 또는 스트립을 포함한다. 이러한 제안된 해결책에 따르면, 추가적인 아연 로드 또는 스트립이 제1 섹션을 제2 섹션과 접합하는 추가적인 슬리브 또는 벨트 내에 부착되어야 하고 그에 따라 전력 케이블의 제조가 복잡해지고 비싸진다.
본 발명의 주 목적은 종래 기술의 문제점을 극복하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상이한 섹션에서 상이한 열 발생 능력을 갖고 낮은 비용으로 제조될 수 있는 전력 케이블을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전력 케이블을 위한 외장 구조체로서 상이한 와이어로부터 제조되는 복합체 와이어를 제조하는 것이다. 그러한 복합체 와이어는 전력 케이블을 외장하는 요건을 충족시키기에 충분한 인장 강도를 갖는다.
본 발명의 또 다른 목적은 상이한 열 발생을 갖는 섹션을 포함하는 알려져 있는 케이블보다 신뢰가능한 부식 성능을 갖는 외장된 송전 케이블을 제조하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 제1 인장 강도를 갖는 복수의 제1 외장 와이어가 제공되는 적어도 제1 부분으로서, 상기 복수의 제1 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께(thickness)를 갖는 제1 금속 보호 코팅이 코팅된 제1 금속 재료로 제조되고, 상기 제1 금속 재료는 제1 투자율(μ1)을 갖는, 적어도 제1 부분; 및
제2 인장 강도를 갖는 복수의 제2 외장 와이어가 제공되는 적어도 제2 부분으로서, 상기 복수의 제2 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제2 금속 보호 코팅이 코팅된 제2 금속 재료로 제조되고, 상기 제2 금속 재료는 제2 투자율(μ2, 및 μ2≠μ1)을 갖는, 적어도 제2 부분
을 포함하고,
상기 제1 외장 와이어의 각각은 조인트 부분에서 상기 복수의 제2 외장 와이어 중 하나에 길이방향으로 접합되고, 상기 조인트 부분은 제3 인장 강도를 갖고,
제3 인장 강도는 제1 인장 강도 및 제2 인장 강도 중 더 낮은 인장 강도의 적어도 80%를 초과하는,
송전 케이블이 제공된다.
본 발명에 따른 송전 케이블은 3상 해저 송전 케이블일 수 있다. 본 명세서에서, 전력 케이블은 고-전압, 중간-전압 그리고 또한 저-전압 케이블을 포함한다. 예컨대 해상 풍력 발전단지의 내부 케이블을 위해, 현재 중간 내지 높은 전압에 사용되는 통상적인 전압 수준은 내부 케이블에 대해 33 kV이고, 외부 케이블에 대해 150 kV이다. 이것은 각각, 66 및 220 kV를 향해 진전될 수 있다. 고-전압 전력 케이블은 또한 절연 기술이 그 구성을 허용하면 280, 320 또는 380 kV까지 확장될 수 있다. 반면에, 본 발명에 따른 전력 케이블은 상이한 주파수를 갖는 전력을 전송할 수 있다. 예를 들어, 그것은 유럽에서 50 Hz이고 남북 아메리카에서 60 Hz인, 표준 AC 송전 주파수를 전송할 수 있다. 또한, 전력 케이블은 또한, 예컨대 독일 철도의, 17 Hz, 또는 또 다른 주파수를 사용하는 전송 시스템에 적용될 수 있다.
제1 외장 와이어의 제1 금속 재료의 투자율(μ1)은 제2 금속 재료의 투자율(μ2)과 상이하다. 예를 들어, μ1 < μ2이면, 그것은 금속 재료가 동일한 AC 전력 케이블을 외장할 때에 제1 외장 와이어의 자기 손실이 제2 외장 와이어의 자기 손실보다 작다는 것을 지시한다. 따라서, 더 작은 자기 손실 또는 열을 발생시키는 제1 외장 와이어는 불충분한 열 분산 영역에 사용되는 것이 더 바람직하다. 제1 외장 와이어 중 하나가 제2 외장 와이어 중 하나와 길이방향으로 접합된다. 복수의 제1 및 제2 외장 와이어가 개별적으로 그리고 길이방향으로 접합되어 복수의 복합체 와이어를 형성한다. 그러한 복합체 와이어에 의해 외장되는 전력 케이블은 상이한 부분에서 상이한 열 발생을 갖는다. 바꿔 말하면, 그러한 전력 케이블은 불리한 열 분산 환경에서 그 섹션을 제1 외장 와이어로 외장하고, 유리한 열 분산 환경에서 그 섹션을 제2 외장 와이어로 외장함으로써 상이한 열 분산 환경에서 거의 일정한 온도를 유지할 수 있다. 따라서, 다른 구성을 변화시키지 않아도 전송 시에 전력 케이블 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 허용 전류를 갖는다.
제1 및 제2 외장 와이어는 개별적으로 접합된다. 따라서, 접합된 외장 와이어 또는 복합체 와이어는 제조 시에 연속 와이어로서 간주될 수 있다. 연속 와이어는 보통 동일한 재료로부터 그리고 연결 수단과 같은 중단부 없이 제조되는 균일한 와이어를 의미한다. 미국 특허 출원 공개 제20120024565호에 개시된 것과 같은 공정과 대조적으로, 본 발명에 따른 전력 케이블의 제조 공정, 특히 케이블 형성 및 결속(cabling and bunching) 공정은 조인트로 인해 중단되지 않을 것이다. 이것은 별도의 조인트 슬리브 또는 벨트 그리고 아연 로드와 같은 추가적인 방식 요소의 도입과 관련되는 복잡성을 피한다. 반면에, 두꺼운 보호 코팅 덕분에, 본 발명에 따른 외장 와이어는 부식으로부터 양호하게 보호된다.
본 발명에 따라 제조되는 복합체 와이어 또는 조인트 부분은 전력 케이블을 외장하는 요건을 충족시키기에 충분히 높은 인장 강도를 갖는다는 점에서 중요하다.
예로서, 제1 금속 재료는 탄소강일 수 있고, 제2 금속 재료는 오스테나이트강, 구리, 청동, 황동, 복합재료 및 합금으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 오스테나이트강은 비자성인 오스테나이트 스테인리스강이다.
본 발명에 따르면, 상기 복수의 제1 외장 와이어 중 적어도 하나가 저항 맞대기 용접 조인트, 플래시 맞대기 용접 조인트 및 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 조인트를 포함하는 맞대기 용접된 조인트에 의해 상기 복수의 제2 외장 와이어 중 하나에 길이방향으로 접합된다. 바람직하게는, 상기 복수의 제1 외장 와이어의 직경은 상기 복수의 제2 외장 와이어의 직경과 동일하다. 이처럼 형성된 복합체 와이어는 동일한 직경을 갖는 연속 와이어인 것처럼 보이거나 연속 와이어로서 간주될 수 있고, 그것들은 외장 층으로서 함께 케이블로서 형성되기 쉽다.
예로서, 제1 및 제2 금속 보호 코팅은 아연, 알루미늄, 아연 합금 또는 알루미늄 합금으로부터 선택된다. 아연 알루미늄 코팅은 아연보다 전체적으로 양호한 내식성을 갖는다. 아연과 대조적으로, 아연 알루미늄 코팅은 더 내온도성이다. 또한, 아연과 대조적으로, 고온에 노출될 때에 아연 알루미늄 합금과 관련되는 플레이킹(flaking)이 없다. 아연 알루미늄 코팅은 2 중량% 내지 23 중량%의 범위, 예컨대 2 중량% 내지 12 중량%의 범위, 또는 예컨대 5 중량% 내지 10 중량%의 범위 내의 알루미늄 함량을 가질 수 있다. 바람직한 조성은 대략 공석 위치(eutectoid position) 즉 약 5 중량%의 알루미늄에 있다. 아연 합금 코팅은 란탄 또는 세륨과 같은 습윤제를 아연 합금의 0.1 중량% 미만의 양만큼 추가로 가질 수 있다. 코팅의 잔량은 아연 및 불가피한 불순물이다. 또 다른 바람직한 조성은 약 10 중량% 알루미늄을 함유한다. 이러한 증가된 양의 알루미늄은 약 5 중량%의 알루미늄과 관련된 공석 조성보다 양호한 부식 보호를 제공한다. 실리콘 및 마그네슘과 같은 다른 원소가 아연 알루미늄 코팅에 첨가될 수 있다. 더 바람직하게는, 내식성을 최적화하기 위해, 특정의 양호한 합금은 2 중량% 내지 10 중량% 알루미늄, 0.2 중량% 내지 3.0 중량% 마그네슘, 및 잔량의 아연을 포함한다.
바람직하게는, 제1 및 제2 금속 보호 코팅의 두께는 200 g/㎡ 내지 600 g/㎡의 범위 내에 있다. 더 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 금속 보호 코팅은 고온 침지 용융 아연 및/또는 아연 합금 코팅이다. 전기도금된 니켈, 아연 또는 아연 합금의 중간 층이 제1 금속 재료와 고온 침지 용융 아연 및/또는 아연 합금 코팅 사이에, 그리고 제2 금속 재료와 고온 침지 용융 아연 및/또는 아연 합금 코팅 사이에 존재할 수 있다. 대안으로서, 표면 활성화 후의 와이어는 아르곤, 질소 및/또는 수소의 가스 혼합물 또는 가열된 환원 가스로 충전된 튜브의 보호 하에서 아연도금 조로 이송될 수 있다. 이들 있을 수 있는 전처리는 활성화된 표면을 공기 또는 산소 오염으로부터 차단하고, 그에 따라 활성화된 표면 상에서의 산화물의 발생을 피하는 것을 목표로 한다. 따라서, 이들 전처리는 금속 재료의 표면이 후속적으로 형성될 보호 또는 내식성 코팅과 양호한 부착부를 형성하는 것을 돕는다.
조인트 부분을 부식 환경으로부터 완전히 격리하기 위해, 조인트 부분은 바람직하게는 제1 또는 제2 금속 보호 코팅에 사용된 것과 동일한 원소를 포함하는 화합물로 도장된다. 도장은 조인트 부분으로부터 제1 및 제2 외장 와이어를 따라 20 cm 미만의 길이만큼, 예컨대 10 cm 또는 5 cm만큼 연장될 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 제1 인장 강도를 갖는 제1 와이어가 제공되는 적어도 제1 부분으로서, 상기 제1 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제1 금속 보호 코팅이 코팅된 제1 금속 재료로 제조되고, 상기 제1 금속 재료는 제1 투자율(μ1)을 갖는, 적어도 제1 부분; 및
제2 인장 강도를 갖는 제2 와이어가 제공되는 적어도 제2 부분으로서, 상기 제2 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제2 금속 보호 코팅이 코팅된 제2 금속 재료로 제조되고, 상기 제2 금속 재료는 제2 투자율(μ2, 및 μ2≠μ1)을 갖는, 적어도 제2 부분
을 포함하고,
상기 제1 와이어 및 상기 제2 와이어는 조인트 부분에서 서로에 길이방향으로 접합되고, 상기 조인트 부분은 제3 인장 강도를 갖고,
제3 인장 강도는 제1 인장 강도 및 제2 인장 강도 중 더 낮은 인장 강도의 적어도 80%를 초과하는,
복합체 와이어가 제공된다.
복수의 복합체 와이어가 전력 케이블의 적어도 일부 주위에 권취될 수 있다. 바람직하게는, 전력 케이블은 상기 복합체 와이어로 제조되는 환형 외장 층을 적어도 갖는다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 송전 케이블을 제조하는 방법으로서,
(a) 2개의 단부 및 제1 인장 강도를 갖는 제1 외장 와이어를 제공하는 단계로서, 상기 제1 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제1 금속 보호 코팅이 코팅된 제1 금속 재료로 제조되고, 상기 제1 금속 재료는 제1 투자율(μ1)을 갖는, 단계;
(b) 2개의 단부 및 제2 인장 강도를 갖는 제2 외장 와이어를 제공하는 단계로서, 상기 제2 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제2 금속 보호 코팅이 코팅된 제2 금속 재료로 제조되고, 상기 제2 금속 재료는 제2 투자율(μ2, 및 μ2≠μ1)을 갖는, 단계;
(c) 상기 제1 금속 보호 코팅을 상기 제1 외장 와이어의 일 단부로부터 제거하여 상기 제1 금속 재료를 갖는 제1 단부를 형성하는 단계;
(d) 상기 제2 금속 보호 코팅을 상기 제2 외장 와이어의 일 단부로부터 제거하여 상기 제2 금속 재료를 갖는 제2 단부를 형성하는 단계;
(e) 상기 제1 단부 및 제2 단부를 접합하여 복합체 외장 와이어를 형성하고 그에 따라 상기 제1 외장 와이어 및 상기 제2 외장 와이어는 조인트 부분에서 서로에 길이방향으로 접합되고, 상기 조인트 부분은 제3 인장 강도를 갖고, 제3 인장 강도는 제1 인장 강도 및 제2 인장 강도의 적어도 80%를 초과하는, 단계;
(f) 상기 조인트 부분, 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부를 상기 제1 또는 상기 제2 금속 보호 코팅에 사용된 것과 동일한 원소를 포함하는 화합물로 도장하는 단계;
(g) 복수의 상기 복합체 외장 와이어를 케이블로서 형성하여 복수의 상기 제1 외장 와이어를 갖는 송전 케이블을 위한 적어도 제1 부분 그리고 복수의 상기 제2 외장 와이어를 갖는 상기 송전 케이블을 위한 적어도 제2 부분을 제공하는, 단계
를 포함하는, 방법이 제공된다.
금속 보호 코팅은 제1 및 제2 외장 와이어가 접합되기 전에 제거된다. 이러한 단계는 조인트 부분의 높은 인장 강도에 기여한다. 보호 코팅, 예컨대 아연이 제거되지 않으면, 예컨대 용접에 의한, 조인트 작업 중에, 제1 또는 제2 재료의 결정 입계에서의 아연의 편석(segregation)이 인장 강도 및 연성의 손실을 유발할 것이다. 금속 보호 코팅의 사전적인 제거는 양호한 기계적 성질을 보증한다.
해저 케이블을 위한 외장 와이어로서의 본 발명의 와이어 조립체의 적용은 전력 케이블의 수명을 상당히 연장시키는데, 전력 케이블의 자기 손실로 인한 열 발생이 상이한 타입의 와이어를 외장함으로써 조정될 수 있기 때문이다. 동시에, 본 발명에 따른, 특히 외장을 위한, 전력 케이블의 제조는 여전히 연속 와이어를 외장하는 것과 동일한 공정을 따를 수 있다. 또한, 전력 케이블의 치수는 복합체 와이어로 인해 변화되지 않을 것이다. 따라서, 전력 케이블의 기계적 성질은 악영향을 받지 않을 것이다. 또한, 본 발명에 따른 전체적인 케이블 제조 비용은 상이한 열 발생을 갖는 섹션을 포함하는 다른 통상적으로 알려져 있는 송전 케이블의 제조 비용보다 낮다.
본 발명은 상세한 설명을 참조할 때에 비제한적인 예 및 첨부 도면을 연계하여 고려하면 더 양호하게 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 고전압 전력 케이블을 도시한다.
도 2는 외장 와이어를 갖는 3상 전력 케이블의 단면을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 용접된 외장 와이어의 길이 방향을 따라 취해진 단면을 도시한다.
도 1은 종래 기술에 따른 고전압 전력 케이블을 도시한다.
도 2는 외장 와이어를 갖는 3상 전력 케이블의 단면을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 용접된 외장 와이어의 길이 방향을 따라 취해진 단면을 도시한다.
도 2는 본 발명의 강철 와이어로 외장된 3상 해저 전력 케이블의 단면을 도시한다. 그것은 치밀한 스트랜드형, 기본적인 구리 도체(21), 그리고 이어서 도체 실드(shield)(22)를 포함한다. 절연 실드(23)가 가해져 도체가 서로와 접촉하지 않는 것을 보증한다. 절연된 도체는 충전체(24)와 함께 바인더 테이프에 의해, 이어서 납-합금 시스(25)에 의해, 케이블로서 형성된다. 납-합금 시스(25)는 종종 해저 케이블에 놓인 가혹한 환경 요구로 인해 필요하다. 시스(25)는 대개 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리비닐 클로라이드(PVC) 재킷을 포함하는 외부 층(26)에 의해 덮인다. 이러한 구성은 강철 와이어 외장 층(28)에 의해 외장된다. 본 발명에 따르면, 사용된 강철 와이어(28)는 강력한 부식 보호를 위한 부착성 아연도금 층을 갖는 용접된 강철 와이어일 수 있다. PVC 또는 가교된 폴리에틸렌(XLPE) 또는 PVC 및 XLPE 층의 조합으로 제조되는 것과 같은, 외부 시스(29)가 바람직하게는 외장 층(28) 외측에 가해진다.
도 3은 용접된 외장 와이어(30)의 길이 방향을 따라 취해진 단면이다. 예에서, 용접된 외장 와이어(30)는 2개의 타입의 와이어, 즉 저탄소강 와이어(31), 예컨대 EN10257-2에 따른 저탄소강 강종(grade) 65, 및 스테인리스강 와이어(33), 예컨대 스테인리스강 강종 AISI 302를 포함한다. 와이어 둘 모두가 부식 보호 코팅, 예컨대 아연(32, 34)으로 코팅된다.
예컨대 6 mm의 직경을 갖는, 강철 와이어, 즉 저탄소강 강종 65 또는 스테인리스강 강종 AISI 302가 우선 하기의 공정에 따라 코팅된다.
이러한 강철 와이어는 우선 수 초 동안 30℃ 내지 80℃에서 (인산을 수용하는) 탈지 조 내에서 탈지된다. 초음파 발생기가 탈지 조 내에 제공되어 탈지를 돕는다. 대안으로서, 강철 와이어는 우선 수 초 동안 30℃ 내지 80℃에서 (NaOH를 수용하는) 알칼리성 탈지 조 내에서 탈지될 수 있다.
이어서, 강철 와이어가 20℃ 내지 30℃에서 (100-500 g/l 황산을 수용하는) 산세 조 내에 침지되는, 산세 단계가 후속된다. 이어서, 강철 와이어를 짧은 시간 동안 20℃ 내지 30℃에서 (100-500 g/l 황산을 수용하는) 산세 조 내에 침지함으로써 수행되는 또 다른 연속적인 산세가 후속되어 강철 와이어의 표면 상의 산화물을 추가로 제거한다. 모든 산세 단계는 전류에 의해 보조되어 충분한 활성화를 성취할 수 있다.
이러한 제2 산세 단계 후에, 강철 와이어가 수십 내지 수백 초 동안 20℃ 내지 40℃에서 (10-100 g/l 아연 황산염을 수용하는) 전해 조 내에 바로 함침된다. 강철 와이어는 플럭싱 조 내에서 추가로 처리된다. 플럭싱 조의 온도는 50℃ 내지 90℃로, 바람직하게는 70℃로 유지된다. 그 후에, 과잉의 플럭스가 제거된다. 강철 와이어는 후속적으로 400℃ 내지 500℃의 온도로 유지되는 아연도금 조 내에 침지된다.
대안으로서, 제2 산세 공정 후에, 강철 와이어는 흐르는 물로 세정 조 내에서 세정된다. 이러한 예에서, 과잉의 물이 제거된 후에, 와이어가 아르곤, 질소 및/또는 수소의 가스 혼합물 또는 가열된 환원 가스로 충전된 튜브의 보호 하에서 아연도금 조로 추가로 이송된다. 바람직하게는, 와이어는 아연도금 조 앞의 튜브 내에서 400℃ 내지 900℃까지 가열된다.
아연 코팅이 아연도금 공정에 의해 스테인리스강 와이어의 표면 상에 형성된다. 고온-침지 용융 아연도금 후에, 타이(tie)- 또는 제트-와이핑(jet-wiping), 숯 또는 자기 와이핑이 코팅 두께를 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 아연도금된 코팅의 두께는 100 g/㎡ 내지 600 g/㎡의 범위 내에 있고, 예컨대 200, 300 또는 400 g/㎡이다. 이어서, 와이어가 공기 중에서 또는 바람직하게는 물의 도움에 의해 냉각된다. 연속적인, 균일한, 보이드-없는(void-free) 코팅이 형성된다.
본 발명의 용접된 와이어를 형성하기 위해, 코팅된 저탄소강 와이어 및 코팅된 스테인리스강 와이어 둘 모두의 코팅이 와이어의 일 단부 부분에서, 예컨대 단부로부터 5 mm 내지 5 cm만큼 박리된다. 동일한 직경을 갖는 노출된 저탄소강 와이어 및 스테인리스강 와이어는 예컨대 플래시 맞대기 용접에 의해 또는 저항 맞대기 용접에 의해, 용접된다. 도 3에 도시된 것과 같은 2개의 와이어 사이 내의 용접된 영역(36)은 얇게, 예컨대 0.5 mm 내지 1 cm로 그리고 바람직하게는 0.5 mm 내지 2 mm로 유지되도록 의도된다. 용접된 와이어의 외측 표면에 있는 용접된 영역은 도 3에 도시된 바와 같이 연마되고 후속적으로 아연계 에나멜(38)로 도장된다.
4개의 타입의 와이어 즉 타입 (I) 저탄소강 와이어 표준 강종 65, 타입 (II) 스테인리스강 와이어 표준 강종 AISI 302 그리고 둘 모두가 아연 코팅된 타입 (I) 와이어 및 아연 코팅된 타입 (II) 와이어를 용접함으로써 제조되는 타입 (III) 용접된 와이어 및 타입 (IV) 용접된 와이어가 제조, 시험 및 비교된다. 타입 (III) 용접된 와이어는 플래시 맞대기 용접에 의해 제조되고, 반면에 타입 (IV) 용접된 와이어는 저항 맞대기 용접에 의해 제조된다.
용접 전에, 타입 (I) 와이어 및 타입 (II) 와이어의 의도된 용접 영역에 있는 아연 코팅이 기계적인 박리에 의해 제거된다. 이러한 의도된 용접 영역은 용접 전에 염산 산세에 의해 추가로 처리되어 용접 동안에 그리고 그 후에 불순물, 예컨대 아연의 편석으로 인해 일어날 수 있는 입계 부식을 피한다.
4개의 타입의 와이어의 인장 강도 또는 극한 강도가 각각 측정된다. 인장 강도는 재료가 절단 또는 파단 전에 인장 또는 견인되는 동안에 견딜 수 있는 최대 응력이다. 인장 강도는 인장 시험을 수행함으로써 구해진다. 시험된 와이어의 2개의 단부는 인장 시험기의 2개의 크로스헤드에 각각 파지된다. 크로스헤드는 시편의 길이에 대해 조정되고, 장력을 시험 시편에 가하도록 구동된다. 모든 4개의 타입의 시험된 와이어의 직경은 동일하고, 즉 약 6 mm이다. 모든 시험에 대해, 2개의 크로스헤드 사이의 와이어의 길이는 약 25 cm이다. 타입 (I) 및 타입 (II) 와이어는 연속 와이어이고, 즉 용접부 또는 연결 수단을 그 사이에 갖지 않는다. 반면에, 타입 (III) 및 타입 (IV) 와이어에 대해, 2개의 연속 부분의 용접된 영역은 와이어가 고정되는 2개의 크로스헤드의 대략 중간에 배열된다. 공칭 응력 대 변형률이 시험 중에 기록된다. 응력-변형률 곡선의 최고 지점은 인장 강도이다. 4개의 타입의 와이어의 가해진 최대 힘, 인장 강도, 항복 강도, 및 파단 시의 신장률이 표 1에 요약된다.
표 1에 도시된 바와 같이, 타입 (I) 와이어의 평균 인장 강도는 약 814 MPa이고, 타입 (II) 와이어의 평균 인장 강도는 타입 (I)보다 낮은 약 672 MPa이다. 타입 (III) 와이어의 평균 인장 강도는 577 MPa이고, 타입 (IV) 와이어의 평균 인장 강도는 646 MPa이고, 이들 둘 모두는 타입 (II) 와이어의 80%, 즉 672 x 80% = 537.6을 초과한다. 타입 (III) 와이어에 대해, 파단 지점(broken point)은 용접된 영역에 있다는 것이 인장 시험에서 또한 주목되어야 한다. 반면에, 타입 (IV) 와이어에 대해, 파단 지점은 용접된 영역 외측에 그리고 용접된 와이어의 타입 (II) 와이어 섹션에 위치된다. 이들 시험은 용접된 와이어가 특히 용접부를 갖지 않는 연속 와이어보다 훨씬 양호하게 동작하는 타입 (IV) 용접된 와이어에 대해, 전력 케이블을 위한 외장 와이어의 요건을 충족시키기에 충분한 인장 강도를 갖는다는 것을 보여준다.
또한, 2개의 타입의 용접된 와이어의 항복 강도(RP0.2)는 타입 (II) 와이어보다 약간 높다. 타입 (III) 및 타입 (IV) 와이어의 파단 시의 평균 신장률(A(%))은 각각 10% 및 24%이고, 이것은 외장 와이어에 대한 요건인 6%를 훨씬 초과한다.
| 번호 | 샘플 | 직경 (mm) |
F(N) | Rm(MPa) | RP0.2(MPa) | A(%) |
| 1 | 1 | 6 | 23375 | 827 | 653 | 5 |
| 2 | 1 | 6 | 23147 | 819 | 661 | 6 |
| 3 | 1 | 6 | 22739 | 805 | 670 | 5 |
| 4 | 1 | 6 | 22789 | 806 | 638 | 5 |
| 5 | 1 (평균) | 6 | 23013 | 814 | 656 | 6 |
| 6 | II | 6 | 18451 | 674 | 343 | 43 |
| 7 | II | 6 | 18383 | 672 | 347 | 43 |
| 8 | II | 6 | 18301 | 669 | 341 | 43 |
| 9 | II (평균) | 6 | 18378 | 672 | 344 | 43 |
| 10 | III | 6 | 15961 | 586 | 365 | 11 |
| 11 | III | 6 | 15462 | 568 | 365 | 10 |
| 12 | III (평균) | 6 | 15711 | 577 | 365 | 10 |
| 13 | IV | 6 | 17507 | 646 | 370 | 23 |
| 14 | IV | 6 | 17592 | 649 | 389 | 24 |
| 15 | IV | 6 | 17453 | 644 | 366 | 26 |
| 16 | IV | 6 | 17505 | 646 | 374 | 22 |
| 17 | IV (평균) | 6 | 17514 | 646 | 375 | 24 |
Claims (15)
- 송전 케이블이며,
제1 인장 강도를 갖는 복수의 제1 외장 와이어가 제공되는 적어도 제1 부분으로서, 상기 복수의 제1 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제1 금속 보호 코팅이 코팅된 제1 금속 재료로 제조되고, 상기 제1 금속 재료는 제1 투자율(μ1)을 갖는, 적어도 제1 부분; 및
제2 인장 강도를 갖는 복수의 제2 외장 와이어가 제공되는 적어도 제2 부분으로서, 상기 복수의 제2 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제2 금속 보호 코팅이 코팅된 제2 금속 재료로 제조되고, 상기 제2 금속 재료는 제2 투자율(μ2, 및 μ2≠μ1)을 갖는, 적어도 제2 부분을 포함하고,
상기 복수의 제1 외장 와이어의 각각은 조인트 부분에서 상기 복수의 제2 외장 와이어 중 하나에 길이방향으로 접합되고, 상기 조인트 부분은 제3 인장 강도를 갖고,
제3 인장 강도는 제1 인장 강도 및 제2 인장 강도 중 더 낮은 인장 강도의 적어도 80%를 초과하는, 송전 케이블. - 제1항에 있어서, 송전 케이블은 3상 해저 송전 케이블인, 송전 케이블.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 금속 재료는 탄소강인, 송전 케이블.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 금속 재료는 오스테나이트강, 구리, 청동, 황동, 복합재료 및 합금으로부터 선택되는, 송전 케이블.
- 제4항에 있어서, 오스테나이트강은 오스테나이트 스테인리스강인, 송전 케이블.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 제1 외장 와이어 중 적어도 하나가 저항 맞대기 용접 조인트, 플래시 맞대기 용접 조인트 및 TIG 용접 조인트를 포함하는 맞대기 용접된 조인트에 의해 상기 복수의 제2 외장 와이어 중 하나에 길이방향으로 접합되는, 송전 케이블.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 제1 외장 와이어의 직경은 상기 복수의 제2 외장 와이어의 직경과 동일한, 송전 케이블.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 금속 보호 코팅은 아연, 알루미늄, 아연 합금 또는 알루미늄 합금으로부터 선택되는, 송전 케이블.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 금속 보호 코팅의 두께는 200 g/㎡ 내지 600 g/㎡의 범위 내에 있는, 송전 케이블.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 보호 코팅은 고온 침지 용융 아연 및/또는 아연 합금 코팅인, 송전 케이블.
- 제10항에 있어서, 제1 금속 재료 및/또는 제2 금속 재료의 상기 표면은 니켈, 아연 및/또는 아연 합금 코팅으로의 전기도금의 전처리에 의해, 또는 아르곤, 질소 및/또는 수소의 가스 혼합물 또는 가열된 환원 가스로 충전된 튜브의 보호 하에서 아연도금 조로 이송됨으로써 획득가능한, 송전 케이블.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 조인트 부분은 제1 또는 제2 금속 보호 코팅에 사용된 것과 동일한 원소를 포함하는 화합물로 도장되는, 송전 케이블.
- 제12항에 있어서, 도장은 조인트 부분으로부터 제1 및 제2 외장 와이어를 따라 20 cm 미만의 길이만큼 연장되는, 송전 케이블.
- 복합체 와이어이며,
제1 인장 강도를 갖는 제1 와이어가 제공되는 적어도 제1 부분으로서, 상기 제1 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제1 금속 보호 코팅이 코팅된 제1 금속 재료로 제조되고, 상기 제1 금속 재료는 제1 투자율(μ1)을 갖는, 적어도 제1 부분; 및
제2 인장 강도를 갖는 제2 와이어가 제공되는 적어도 제2 부분으로서, 상기 제2 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제2 금속 보호 코팅이 코팅된 제2 금속 재료로 제조되고, 상기 제2 금속 재료는 제2 투자율(μ2, 및 μ2≠μ1)을 갖는, 적어도 제2 부분을 포함하고,
상기 제1 와이어 및 상기 제2 와이어는 조인트 부분에서 서로에 길이방향으로 접합되고, 상기 조인트 부분은 제3 인장 강도를 갖고,
제3 인장 강도는 제1 인장 강도 및 제2 인장 강도 중 더 낮은 인장 강도의 적어도 80%를 초과하는, 복합체 와이어. - 송전 케이블을 제조하는 방법이며,
(a) 2개의 단부 및 제1 인장 강도를 갖는 제1 외장 와이어를 제공하는 단계로서, 상기 제1 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제1 금속 보호 코팅이 코팅된 제1 금속 재료로 제조되고, 상기 제1 금속 재료는 제1 투자율(μ1)을 갖는, 단계;
(b) 2개의 단부 및 제2 인장 강도를 갖는 제2 외장 와이어를 제공하는 단계로서, 상기 제2 외장 와이어는 100 g/㎡ 초과의 두께를 갖는 제2 금속 보호 코팅이 코팅된 제2 금속 재료로 제조되고, 상기 제2 금속 재료는 제2 투자율(μ2, 및 μ2≠μ1)을 갖는, 단계;
(c) 상기 제1 금속 보호 코팅을 상기 제1 외장 와이어의 일 단부로부터 제거하여 상기 제1 금속 재료를 갖는 제1 단부를 형성하는 단계;
(d) 상기 제2 금속 보호 코팅을 상기 제2 외장 와이어의 일 단부로부터 제거하여 상기 제2 금속 재료를 갖는 제2 단부를 형성하는 단계;
(e) 상기 제1 단부 및 제2 단부를 접합하여 복합체 외장 와이어를 형성하고 그에 따라 상기 제1 외장 와이어 및 상기 제2 외장 와이어는 조인트 부분에서 서로에 길이방향으로 접합되고, 상기 조인트 부분은 제3 인장 강도를 갖고, 제3 인장 강도는 제1 인장 강도 및 제2 인장 강도의 적어도 80%를 초과하는, 단계;
(f) 상기 조인트 부분, 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부를 상기 제1 또는 상기 제2 금속 보호 코팅에 사용된 것과 동일한 원소를 포함하는 화합물로 도장하는 단계;
(g) 복수의 상기 복합체 외장 와이어를 케이블로서 형성하여 복수의 상기 제1 외장 와이어를 갖는 송전 케이블을 위한 적어도 제1 부분 그리고 복수의 상기 제2 외장 와이어를 갖는 상기 송전 케이블을 위한 적어도 제2 부분을 제공하는, 단계
를 포함하는, 방법.
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