KR20230134862A - 손실 저감 케이블 - Google Patents

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KR20230134862A
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엘에스전선 주식회사
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Abstract

본 발명은 손실 저감 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 외장 아머의 발열에 의한 정격전류 제한 및 이에 따른 송전 손실을 최소화하는 동시에 제조비용이 절감되고 외경 및 중량을 최소화할 수 있는 손실 저감 케이블에 관한 것이다.

Description

손실 저감 케이블{Cable with reduced transmission loss}
본 발명은 손실 저감 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 외장 아머의 발열에 의한 정격전류 제한 및 이에 따른 송전 손실을 최소화하는 동시에 제조비용이 절감되고 외경 및 중량을 최소화할 수 있는 손실 저감 케이블에 관한 것이다.
해저케이블은 대륙과 대륙, 육지와 섬 등과 같이 바다를 사이에 두고 격리된 두 지점 사이에 전력을 전송하기 위해 적어도 부분적으로 해저에 포설되는 케이블로서, 선적, 포설, 선로 운영 과정에서 발생하는 충격, 인장 등 기계적인 외력, 구체적으로 어업활동이 활발한 지역에서의 선박의 닻이나 어구 등에 의한 손상, 해류나 파랑에 의한 해풍사태, 해저면과의 마찰 등 자연현상에 의한 손상 등으로부터 케이블을 보호하기 위해 금속 와이어로 이루어진 외장 아머가 구비된다.
종래 외장 아머는 케이블을 취급 및 설치하는 동안 케이블의 기계적 특성과 성능을 강화하는 기능을 수행할 뿐만 아니라 외부 손상에 대한 저항을 제공하는 구조적 보강부로서, 일반적으로 강철, 아연도금강, 구리, 황동, 청동 등으로 이루어지고 단면 형태가 원형, 평각형 등인 금속 와이어의 횡권에 의해 형성될 수 있다.
한편, 주로 강자성체 재료인 금속 와이어에 의한 외장 아머가 적용된 케이블은 도체에 교류 전류(AC)가 흐르는 경우 전자기유도 현상에 의해 금속 와이어에 와전류, 즉 멤돌이 전류(eddy currents)가 흐르거나 자속밀도의 변화에 의한 자기 히스테리시스 손실(magnetic hysteresis loss)에 의한 온도 상승으로 케이블의 정격전류가 제한되게 된다.
따라서, 케이블의 정격전류 제한에 의한 송전 손실이 발생하거나 송전 용량을 유지하기 위해서는 도체 사이즈를 증가시켜 케이블의 전체 외경 및 중량이 증가하고 이에 따라 케이블의 제조 및 운송 비용이 증가하여 경제성 측면에서 경쟁력이 저하되는 문제가 있다.
이러한 케이블에서 외장 아머에 의한 손실 발생을 제거하거나 최소화하기 위해 외장 아머의 금속 와이어 소재로서 비자성체인 스테인레스 스틸(STS)을 적용하는 것을 고려해 볼 수 있으나 종래 강철 소재로 이루어진 금속 와이어 대비 3배 이상 원가가 높아 제품 경쟁력이 저하되는 문제가 있다.
그러므로, 외장 아머의 발열에 의한 정격전류 제한 및 이에 따른 송전 손실을 최소화하는 동시에 제조비용이 절감되고 외경 및 중량을 최소화할 수 있는 손실 저감 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 외장 아머의 발열에 의한 정격전류 제한 및 이에 따른 송전 손실을 최소화할 수 있는 손실 저감 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제조비용이 절감되고 외경 및 중량을 최소화할 수 있는 손실 저감 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
복수개의 금속 와이어가 횡권됨으로써 형성되는 외장 아머를 갖는 케이블로서, 상기 금속 와이어는 합금 원소로서 탄소(C), 규소(Si) 및 망간(Mn)을 포함하고 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 철(Fe) 합금으로 이루어지고, 상기 철(Fe) 합금은 인장강도가 650 MPa 이상이며, 투자율이 200 H/m 미만인, 케이블을 제공한다.
여기서, 상기 철(Fe) 합금은 총 중량을 기준으로 탄소(C) 0.4 중량% 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
또한, 상기 철(Fe) 합금은 총 중량을 기준으로 탄소(C) 0.4 내지 0.7 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 철(Fe) 합금은 인장강도가 650 내지 850 MPa인 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
나아가, 상기 투자율은 50 H/m 이상 200 H/m 미만인 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
한편, 상기 철(Fe) 합금은 총 중량을 기준으로 규소(Si) 0.2 내지 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.05 중량% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
또한, 상기 금속 와이어는 아연도금된 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
한편, 도체, 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 금속차폐층 및 상기 금속차폐층을 감싸는 시스층을 포함하는 하나 이상의 코어, 상기 하나 이상의 코어를 전체적으로 감싸는 바인더층, 상기 바인더층을 감싸는 상기 외장 아머, 및 상기 외장 아머를 감싸는 외피를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
여기서, 상기 하나 이상의 코어 및 상기 외장 아머를 형성하는 복수개의 금속 와이어는 각각 일정한 피치 및 일정한 방향으로 꼬임이 적용되어 있고, 상기 코어의 꼬임 방향과 상기 금속 와이어의 꼬임 방향이 동일한 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
또한, 상기 하나 이상의 코어 및 상기 외장 아머를 형성하는 복수개의 금속 와이어는 각각 일정한 피치 및 일정한 방향으로 꼬임이 적용되어 있고, 상기 코어의 꼬임 방향과 상기 금속 와이어의 꼬임 방향이 상이한 것을 특징으로 하는, 케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 손실 저감 케이블은 외장 아머를 형성하는 금속 와이어에 새로운 소재를 적용함으로써 정격전류 제한 및 이에 따른 송전 손실을 최소화할 수 있는 동시에 제조비용이 절감되고 외경 및 중량을 최소화할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 케이블의 하나의 실시예에 관한 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 케이블의 하나의 실시예에 관한 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 케이블은 송전을 위한 전류의 이동 통로로서 전력 손실이 최소화되도록 도전율이 우수하고 적절한 강도와 유연성을 갖는 고순도의 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등, 특히 신장율이 크고 도전율이 높은 연동선으로 이루어진 하나 이상의 도체(11), 상기 도체(11)를 감싸고 상기 도체(11) 표면의 불균일한 전하 분포를 억제하고 케이블 내부로부터의 전계 분포를 완화시키며 상기 도체(11)와 후술하는 절연층(13) 사이의 틈을 없애 부분 방전, 절연 파괴 등을 억제하는 내부 반도전층(12), 상기 내부 반도전층(12)을 감싸고 고분자 수지 또는 절연지 등의 절연 재료로 이루어진 절연층(13), 상기 절연층(13)을 감싸고 상기 절연층(13)과 후술하는 금속차폐층(15) 사이의 불균일한 전하 분포를 억제하여 전계분포를 완화시키며 다양한 형태의 금속차폐층(15)으로부터 상기 절연층(13)을 물리적으로 보호하는 외부 반도전층(14), 상기 외부 반도전층(14)을 감싸고 상기 절연층(13) 내부의 전계를 균일화시키고 전계가 케이블 외부로 나가지 못하게 하여 정전 차폐 효과를 얻을 수 있도록 하며 또한 케이블 일말단에서의 접지를 통해 케이블의 지락 또는 단락 사고 발생시 고장전류의 귀로로서 작용하여 안전을 도모하고 케이블 외부의 충격, 압력 등으로부터 케이블을 보호할 뿐만 아니라 케이블의 차수성, 난연성 등을 향상시키는 금속차폐층(15), 상기 금속차폐층(15)을 감싸는 시스층(16) 등을 포함하는 하나 이상의 코어(10)를 포함할 수 있고, 상기 하나 이상의 코어(10)를 전체적으로 감싸는 바인더층(20), 상기 바인더층(20)을 감싸는 외장 아머(20), 상기 외장 아머(20)를 감싸는 외피(30) 등을 포함할 수 있으며, 케이블 설계에 따라 다양한 설계가 가능하다.
여기서, 상기 외장 아머(20)는 단면이 원형이거나 평각형이고 금속으로 이루어지며 직경이 약 3 내지 18 mm인 복수의 금속 와이어가 횡권됨으로써 형성될 수 있고, 특히 상기 금속 와이어는 철(Fe) 합금 또는 부식방지를 위해 표면에 아연이 도금된 아연도금 철(Fe) 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 철(Fe) 합금은 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 등의 합금원소를 포함하고, 나머지가 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있으며, 이러한 철(Fe) 합금이 적용된 철(Fe) 합금의 인장강도는 650 MPa 이상, 바람직하게는 650 내지 850 MPa이고, 투자율은 200 H/m 미만, 바람직하게는 50 H/m 이상 200 H/m 미만일 수 있다. 여기서, 인장강도는 합금 시험편의 한쪽 끝을 시험기의 고정된 그립(grip)에 연결하고 다른 한쪽 끝을 움직이는 크로스헤드(crosshead) 또는 액추에이터(actuator)에 체결한 상태로 합금 시험편에 인장 하중을 인가하면서 파단 직전의 최대 인장하중을 측정하고 이를 시험편 평행부의 원단면적으로 나누어 계산할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄소(C)는 상기 철(Fe) 합금의 강도를 향상시키는 동시에 합금 내부에서 자성을 저감시키는 오스테나이트역을 형성하는 기능을 수행하고, 상기 철(Fe) 합금의 총 중량을 기준으로 0.4 중량% 이상, 바람직하게는 0.4 내지 0.7 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 여기서, 상기 탄소(C)의 함량이 0.4 중량% 미만인 경우 합금 내부에 형성된 오스테나이트역이 불충분하여 투자율 및 자성의 저감이 불충분하게 되고, 결과적으로 와전류에 의한 열손실 또는 자기 히스테리시스 손실이 발생하여 케이블의 정격전류 제한 및 이에 따른 송전 손실이 유발되거나 케이블의 외경 및 중량 증가의 문제가 유발될 수 있는 반면, 0.7 중량% 초과인 경우 철(Fe) 합금의 강도가 과도하여 작업성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 규소(Si)는 철(Fe) 합금의 주조시 용탕의 유동도를 증가시키는 기능을 수행하고 석출 경화시 석출물의 핵이 되는 작용을 하여 고온에서 철(Fe) 합금의 결정립 입경 성장을 억제함으로써 결정립 성장에 의한 강도 저하를 저감시키게 된다. 예를 들어, 상기 규소(Si)의 함량은 상기 철(Fe) 합금의 총 중량을 기준으로 0.2 내지 0.5 중량%일 수 있고, 상기 규소(Si)의 함량이 기준 미달인 경우 상기 철(Fe) 합금의 강도가 저하될 수 있는 반면, 기준 초과인 경우 철(Fe) 합금의 가공성을 저하시키는 문제가 있다.
그리고, 상기 망간(Mn)은 철(Fe) 합금의 강도를 추가로 향상시키고 담금질 처리시 경화 깊이를 증가시키는 기능을 수행하고, 예를 들어, 상기 철(Fe) 합금의 총 중량을 기준으로, 0.3 내지 0.6 중량%의 함량을 포함될 수 있으며, 상기 망간(Mn)의 함량이 기준 미달인 경우 상기 철(Fe) 합금의 강도가 불충분할 수 있는 반면, 기준 초과인 경우 철(Fe) 합금의 내산성이 저하되고 담금질 시 균열이나 변형이 유발될 수 있다.
나아가, 인(P) 및 황(S)은 사실상 첨가되어 활용된다기 보다 불순물로 이미 존재하여 영향을 미치고, 특히 철(Fe) 합금의 강도를 추가로 향상시키고 가공성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 철(Fe) 합금의 총 중량을 기준으로, 상기 인(P)의 함량은 0.05 중량% 이하, 상기 황(S)의 함량은 0.05 중량% 이하일 수 있다.
여기서, 상기 인(P)의 함량이 기준 초과인 경우 인(P)의 상온취성으로 인해 상온에서 깨지는 현상을 유발할 수 있고, 상기 황(S)의 함량이 기준 초과인 경우 황(S)의 적열취성으로 인해 고온에서 깨지는 현상을 유발할 수 있다.
상기 철(Fe) 합금에서 650 MPa 이상의 인장강도는 합금의 제조과정에서 용융 상태의 합금 용탕을 급냉함으로써 달성 가능하며, 이러한 급냉시 제조된 철(Fe) 합금 내부에 자성이 낮은 오스테나이트역이 증가하고 자성이 높은 페라이트역이 감소하여 전체적인 자성이 감소하게 되고, 결과적으로 200 H/m 미만의 투자율을 보유하게 된다.
여기서, 상기 철(Fe) 합금의 인장강도가 650 MPa 미만이거나 투자율이 200 M/m 이상인 경우 내부에 자성이 낮은 오스테나이트역이 불충분하여 전자기유도 현상에 와전류에 의한 열손실 또는 자기 히스테리시스 손실(magnetic hysteresis loss)을 충분히 저감할 수 없는 반면, 상기 철(Fe) 합금의 인장강도가 850 MPa 초과이거나 투자율이 50 H/m 미만인 경우 금속 와이어의 유연성 및 작업성이 저하될 수 있고 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
이렇게 저감된 투자율 및 자성을 보유하는 철(Fe) 합금으로 이루어진 금속 와이어로부터 케이블의 외장 아머를 형성하는 경우 도체에 교류 전류(AC)가 흐를 때 전자기유도 현상에 와전류에 의한 열손실 또는 자기 히스테리시스 손실(magnetic hysteresis loss)을 50% 이상 저감할 수 있어 케이블의 정격전류 제한 및 이에 따른 송전 손실을 최소화할 수 있는 동시에 비자성체인 스테인레스 스틸을 적용하는 경우에 비해 현저히 제조비용이 절감되고, 또한 도체 사이즈나 중량 증가를 최소화함으로써 케이블의 외경 및 중량을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 손실 저감 케이블에서, 복수개의 코어(10)는 일정한 피치 및 일정한 방향으로 꼬임이 적용될 수 있고, 상기 외장 아머(30)를 형성하는 복수개의 금속 와이어 역시 일정한 피치 및 일정항 방향으로 꼬임이 적용될 수 있으며, 상기 코어(10)의 꼬임 방향과 상기 금속 와이어의 꼬임 방향은 동일하거나 상이할 수 있다.
구체적으로, 상기 코어(10)의 꼬임 방향과 상기 외장 아머(30)를 형성하는 금속 와이어의 꼬임 방향은 동일한 경우, 전자기유도 현상에 와전류에 의한 열손실 또는 자기 히스테리시스 손실을 추가로 저감시킬 수 있고 작업성은 향상되나 케이블의 전체적인 인장강도를 확보하는 관점에서는 불리할 수 있는 반면, 상기 코어(10)의 꼬임 방향과 상기 외장 아머(30)를 형성하는 금속 와이어의 꼬임 방향이 상이한 경우 케이블의 전체적인 인장강도를 확보하는 관점에서는 유리하나 전자기유도 현상에 와전류에 의한 열손실 또는 자기 히스테리시스 손실이 증가하고 작업성이 저하되는 문제가 있어, 케이블의 용도, 포설조건 등에 따라 적절히 선택할 수 있다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표 1에 기재된 철(Fe) 합금으로 이루어진 금속 와이어에 의해 외장 아머가 형성된 케이블 시편을 제조했다.
인장강도
(MPa)		 투자율
(H/m)		 합금 원소 함량(중량%)
탄소(C) 규소(Si) 망간(Mn) 인(P) 황(S)
비교예 340~540 50 이상 200 미만 0.04~0.06 0.2~0.5 0.3~0.6 ~0.05 ~0.05
실시예 650~850 200~800 0.4≤ 0.2~0.5 0.3~0.6 ~0.05 ~0.05
2. 특성 평가
1) 열손실 평가
케이블에서 교류 전압 인가시 와전류 발생 또는 자기 히스테리시스 손실에 의한 외장 아머의 발열이 없음을 전제로 산출한 케이블의 정격전류로 송전시 송전량을 기준으로, 비교예 및 실시예 각각의 케이블 시편에 동일한 교류 전압 인가시 외장 아머의 발열을 고려한 케이블의 정격전류를 산출하고 해당 정격전류로 송전시 송전량의 차이에 해당하는 손실을 계산했고, 결과는 아래 표 2에 기재된 바와 같다.
비교예 실시예
손실(W/m) 케이블 전체 67 60
외장 아머 6 3
기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 케이블은 외장 아머를 형성하는 금속 와이어의 소재로서 조절된 인장강도 및 투자율을 보유하는 소재를 적용함으로써 와전류 발생 또는 자기 히스테리시스 손실에 의한 외장 아머의 발열로 인한 열손실이 최소화된 반면, 비교예의 케이블은 실시예의 케이블에 비해 외장 아머에서의 열손실이 약 2배이고 케이블 전체에서의 열손실이 약 10%인 것으로 확인되었다.
2) 케이블의 외경 및 중량 평가
동일한 정격전류에 따라 설계한 케이블의 외경 및 중량을 계산했고, 결과는 아래 표 3에 기재한 바와 같다.
도체 정격전류(A) 허용전류(A) 외경(mm) 중량(kg/m)
비교예 Cu 630SQ 650 679 166 45
실시예 1 Cu 630SQ 650 712 166 45
2 Cu 500SQ 650 660 157 41
상기 표 3에 기재된 바와 같이, 동일한 정격전류 보유시 실시예 1의 케이블은 동일한 사이즈의 비교예의 케이블에 비해 와전류 발생 또는 자기 히스테리시스 손실에 의한 외장 아머의 발열로 인한 열손실이 줄어 허용전류가 향상되었고, 실시예 2의 케이블은 와전류 발생 또는 자기 히스테리시스 손실에 의한 외장 아머의 발열로 인한 열손실이 줄어 동일한 정격전류를 보유함에도 불구하고 비교예의 케이블에 비해 케이블 전체 외경이 약 5% 감소하고 중량이 약 9% 감소한 것으로 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 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.
10 : 케이블 코어 20 : 바인더층
30 : 외장 아머 40 : 외피

Claims (10)

  1. 복수개의 금속 와이어가 횡권됨으로써 형성되는 외장 아머를 갖는 케이블로서,
    상기 금속 와이어는 합금 원소로서 탄소(C), 규소(Si) 및 망간(Mn)을 포함하고 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 철(Fe) 합금으로 이루어지고,
    상기 철(Fe) 합금은 인장강도가 650 MPa 이상이며, 투자율이 200 H/m 미만인, 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 철(Fe) 합금은 총 중량을 기준으로 탄소(C) 0.4 중량% 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 철(Fe) 합금은 총 중량을 기준으로 탄소(C) 0.4 내지 0.7 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 철(Fe) 합금은 인장강도가 650 내지 850 MPa인 것을 특징으로 하는, 케이블.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 투자율은 50 H/m 이상 200 H/m 미만인 것을 특징으로 하는, 케이블.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 철(Fe) 합금은 총 중량을 기준으로 규소(Si) 0.2 내지 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.6 중량%, 인(P) 0.05 중량% 이하, 황(S) 0.05 중량% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 와이어는 아연도금된 것을 특징으로 하는, 케이블.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    도체, 상기 도체를 감싸는 내부 반도전층, 상기 내부 반도전층을 감싸는 절연층, 상기 절연층을 감싸는 외부 반도전층, 상기 외부 반도전층을 감싸는 금속차폐층 및 상기 금속차폐층을 감싸는 시스층을 포함하는 하나 이상의 코어,
    상기 하나 이상의 코어를 전체적으로 감싸는 바인더층,
    상기 바인더층을 감싸는 상기 외장 아머, 및
    상기 외장 아머를 감싸는 외피를 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 코어 및 상기 외장 아머를 형성하는 복수개의 금속 와이어는 각각 일정한 피치 및 일정한 방향으로 꼬임이 적용되어 있고,
    상기 코어의 꼬임 방향과 상기 금속 와이어의 꼬임 방향이 동일한 것을 특징으로 하는, 케이블.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 코어 및 상기 외장 아머를 형성하는 복수개의 금속 와이어는 각각 일정한 피치 및 일정한 방향으로 꼬임이 적용되어 있고,
    상기 코어의 꼬임 방향과 상기 금속 와이어의 꼬임 방향이 상이한 것을 특징으로 하는, 케이블.
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