WO2022191456A1 - 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 이의 제조방법 - Google Patents

아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2022191456A1
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zinc
fiber filament
wire
transmission line
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구미송
최재훈
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구미송
리오엠엔씨(주)
최재훈
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/04—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
    • H01B5/08—Several wires or the like stranded in the form of a rope

Definitions

  • the present invention relates to a power transmission line comprising a zinc-clad carbon fiber filament composite wire and a method for manufacturing the same.
  • An overhead transmission line is a transport path for electricity and must have both electrical performance and mechanical performance to withstand harsh natural conditions.
  • the overhead power transmission line must satisfy conditions such as high conductivity, high mechanical strength, high workability (flexibility), durability, low specific gravity, and economical efficiency.
  • the overhead power transmission line has a reinforcing steel wire disposed on the center side, and a conductive aluminum wire disposed on the outside.
  • the reinforcing steel wire on the central side is generally a strand in which several strands are twisted, and several aluminum wires for electric power transport are arranged outside the strand.
  • the overhead transmission line consists of a reinforcing steel wire that maintains the strength of the wire and an aluminum conductor that carries current.
  • the steel wire for reinforcing the overhead power transmission line is a steel wire used for reinforcing the overhead power transmission line that transports electric power.
  • the steel wire for reinforcing the overhead transmission line should have the function of reinforcing the overhead transmission line without interfering with the power transport of the overhead transmission line.
  • Aluminum stranded conductors steel reinforced (ACSR) used as a conventional overhead power transmission line is a steel core material that serves as a support line for a power transmission line.
  • the steel wire for reinforcing the existing overhead power transmission line is manufactured from a steel wire containing 0.6 to 0.8 wt % of carbon.
  • these existing reinforcing steel wires have a low tensile strength, so a lot of reinforcing steel wires must be placed on the center side, so the cross-sectional thickness increases, and as a result, the cross-sectional area of the aluminum wire performing the conductive layer function is relatively reduced. have.
  • C carbon
  • Mn manganese
  • Ti titanium
  • W tungsten
  • Nb niobium
  • V vanadium
  • Invar wire with compound addition is applied to high-transmission power cables, but all of them also contain expensive materials, which has the disadvantage of improving unit cost.
  • the conventional reinforcing steel wire has a large mechanical strength, but a large specific gravity has a problem of causing sagging between the transmission towers.
  • Overhead power lines are not only exposed to the external environment as they are, but are also used under rather harsh conditions, such as when their own temperature rises to 90°C or higher during power transmission.
  • the heat generated by the transmission of high-voltage current expands the central tension line supporting the overhead power line, and the resulting sagging of the overhead power line is a problem in maintenance.
  • Carbon fiber has low density, high specific strength and specific stiffness, high thermal and electrical conductivity, and low coefficient of thermal expansion. It is being used as a reinforcing material not only in fields requiring existing mechanical properties but also in applications of thermal properties such as electronic packaging. is the material in progress.
  • Composite material made of carbon fiber is remarkably light compared to conventional steel material and has a low coefficient of thermal expansion while maintaining rigidity and conductivity.
  • the overhead power transmission line is installed to span supports such as a number of pylons or electric poles installed at predetermined intervals outdoors. Due to these environmental characteristics, the overhead power transmission line has excellent physical properties such as tensile strength, high tensile strength, and low elevation characteristics. that is required
  • polymer grease is filled between the inner core wires.
  • the content further includes a configuration in which a galvanized layer is formed on the surface of the inner core wire.
  • the zinc plating layer formed on the surface of the inner core wire may act as a sacrificial anode to prevent corrosion of aluminum in contact with the zinc plating layer.
  • chromate treatment may be additionally performed after zinc plating in order to improve the corrosion resistance of the zinc plating layer itself, or that additional corrosion resistance painting may be performed on the surface of the zinc plating layer.
  • the inner core wire is made of the carbon fiber composite material, so it is remarkably light compared to the conventional steel wire and the strength is maintained at the conventional level, thereby preventing sagging between the transmission towers, Polymer grease is filled in between to prevent galvanic corrosion that may occur between the inner core wire and the outer conductor, and the copper plating layer is formed to improve conductivity than before, and the photocatalyst layer is applied to reduce external contamination It can be seen that can have
  • the present invention provides a power transmission line comprising a zinc-clad carbon fiber filament composite wire in which a central tension line or a processed branch of the transmission line is formed as a core wire of a zinc-clad carbon composite wire manufactured by cladding zinc to a fine carbon fiber filament, and a method for manufacturing the same will do
  • Another object of the present invention is to provide a power transmission line comprising a zinc-clad carbon fiber filament composite wire having excellent strength and conductivity, flexibility and excellent stranding stranding, and a method for manufacturing the same.
  • the tensile core wire included in the overhead branch wire or the central tension part of the power transmission line is zinc manufactured by cladding zinc to a carbon fiber filament in which a polymer resin is removed from the carbon fiber and combining them. It is characterized in that it is formed of a cladding carbon fiber filament composite wire.
  • the tensile core wire has a diameter of 3 mm and is characterized in that it is formed of carbon fiber filaments processed from 50,000 to 60,000 carbon fibers having a diameter of 10 ⁇ m.
  • the tensile core wire in the method for manufacturing a tensile core wire included in an overhead branch wire or a central tension part of a power transmission line, is characterized in that the manufacturing method is formed of a zinc cladding carbon fiber filament composite wire,
  • the composite wire may include: a) a preparation step of preparing a plurality of spools on which a first carbon fiber yarn bundle is wound to form a core wire of a zinc-clad carbon fiber filament composite wire of a first diameter; b) a filament processing step of separating the first carbon fiber yarn bundle into first carbon fiber filament strands; c) a zinc cladding step of zinc cladding by penetrating the first carbon fiber filament strands separated in the filament processing step into the molten zinc in the zinc smelting bath; and d) a core wire forming step of forming a tensile core wire of a predetermined standard by passing the zinc-clad first carbon fiber filament strands through a die mold device having
  • the carbon fiber filament processing step removes impurities including an adhesive polymer resin synthesized for carbon fiber yarn formation through a nitrogen atmosphere heat treatment process at 250 to 350° C. for the first carbon fiber yarn bundle, and the second carbon fiber yarn bundle. It is characterized in that it includes the process of separating into 1 carbon fiber filament strands.
  • the filament processing step may include a spreading step of flattening the separated first carbon fiber filament strands by passing them through a spreading roller in a nitrogen atmosphere; It is characterized in that it further comprises.
  • the spreading step is characterized in that it is spread out to a width of 0.3 to 0.8m for each tuft.
  • the zinc molten bath is characterized in that the zinc material is melted at 400 to 500° C., while passing through the molten bath for 5 to 15 s ec at a speed of 1 to 2 m/sec in a state in which the first carbon fiber filament strands are unfolded. 1 It is characterized in that zinc cladding is made on the carbon fiber filament strands.
  • the zinc cladding step may further include a guide step of collecting the clad first carbon fiber filament strands in the unfolded state at the ends of the zinc molten bath to the center of the die mold apparatus by guide rollers.
  • each carbon fiber filament strand is characterized in that the zinc cladding polymerization is formed to a thickness of 0.02 to 100 ⁇ m.
  • the zinc-clad carbon fiber filament strand in the zinc cladding step is characterized in that it is formed to have a size of 1,2 to 5.0 times the carbon fiber cross-sectional area constituting the first carbon fiber yarn in the preparation step.
  • the clad zinc of the zinc-clad carbon fiber filament strands passes through the die mold device while maintaining the molten state to form a core wire, and after passing through the die mold device, cooling the core wire. It is characterized in that it further comprises.
  • the zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention can be used as a tensile wire having superior strength and conductivity, flexibility and excellent stranding compared to conventional tensile properties.
  • the zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention has an effect of increasing conductivity and exhibiting flexibility similar to that of a fiber.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing a core wire including a zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of an apparatus for manufacturing a core wire including a zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 illustrates an example of a power transmission line including a zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms.
  • a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component may be directly connected, coupled or connected to the other component, but the component and the other component It should be understood that another element may be 'connected', 'coupled' or 'connected' between elements.
  • Carbon fiber is a fiber made by heating and carbonizing organic fiber in an inert gas. During the manufacturing process, molecules such as oxygen, hydrogen, and nitrogen are released and the weight is reduced, so it is lighter than metal, but has superior elasticity and strength compared to metal. indicates.
  • the center line used as a tension line is used as a current flowing line in an overhead power transmission line, so the conductivity must be good.
  • carbon is a carbon composite material
  • the conductivity is lower than that of aluminum, which is a conductor, and the flexibility is also lower.
  • carbon is lighter than iron wire, it is advantageous for ear sagging, but carbon weakens when exposed to the outside.
  • the surface of the carbon core wire is sometimes used by coating it with a metal such as resin, glass fiber, or aluminum.
  • the carbon core wire itself has weak impact and restoring force, even in the case of a carbon composite wire in which the surface of the carbon core wire is coated with a metal such as resin, glass fiber, or aluminum, cracks may occur inside, causing a problem.
  • the zinc clad carbon fiber filament composite wire material included in an overhead power transmission line is zinc clad with carbon fiber filament strands in which a polymer resin is removed from carbon fibers, and zinc manufactured by combining them. It is characterized in that the cladding carbon fiber filament composite wire is formed as a tensile core wire of the overhead branch wire of the transmission line or the central tension part of the transmission line.
  • the zinc clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention may be applied as a core wire of an overhead branch wire of a power transmission line or a central tension wire of a power transmission line.
  • the zinc cladding carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention is characterized in that the polymer resin contained in the carbon fiber is removed and coated with zinc cladding instead of the polymer resin.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method for manufacturing a core wire including a zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of an apparatus for manufacturing a core wire including a zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention.
  • the pretreatment step 110 of the carbon fiber yarn (Yarn) is performed.
  • a step (step 111) of preparing a first bundle of carbon fiber yarns 91 to form a core wire of a zinc-clad carbon fiber filament composite wire rod having a first diameter is performed (step 111).
  • carbon fiber is supplied by forming a skein of carbon fiber thread by bonding 10,000 to 100,000 carbon fiber filaments of 0.02 to 100 ⁇ m each with a polymer resin.
  • the carbon fiber yarn 91 is supplied in a thickness of 1.0mm to 10mm.
  • a process of preparing a first carbon fiber yarn bundle corresponding to the core wire thickness of the first zinc cladding carbon fiber filament composite wire is included.
  • the first carbon fiber yarn bundle according to an embodiment of the present invention is prepared within the range of 1 to 20 skeins wound around the carbon fiber yarn 91 of a certain standard.
  • Each skein is prepared by being wound on the skein 10 .
  • step 111 a plurality of tufts 10 are prepared in which the first carbon fiber yarn bundle is wound to form the core wire of the zinc-clad carbon fiber filament composite wire of the first diameter.
  • zinc cladding is performed by immersing a carbon fiber filament from which the polymer resin is removed from the carbon fiber thread 91 in molten zinc and moving it to form a zinc cladding carbon fiber filament composite wire. do.
  • the carbon fiber filament 93 refers to one basic strand constituting the remaining carbon yarn after removing the polymer resin from the carbon fiber reinforced polymer yarn 91 .
  • a first carbon fiber yarn bundle is prepared in the range of 1 to 20 skeins of carbon fiber yarn formed in 1.0mm to 10mm corresponding to the thickness required to manufacture a core wire of a set standard.
  • a core wire diameter of a standard set according to an embodiment of the present invention may be selectively applied in the range of 1 mm to 10 mm.
  • the carbon fiber thread 91 having a thickness of 1.0 mm is formed of about 8,600 to 9,600 carbon fibers of 10 ⁇ m.
  • the carbon fiber thread 91 having a thickness of 1.0 mm is formed of about 33,000 to 38500 carbon fibers of 5 ⁇ m.
  • the carbon fiber filament when the carbon fiber filament is coated with zinc cladding, the carbon fiber filament having a cross-sectional area of 1,2 to 5.0 times that of the supplied carbon fiber is manufactured as a zinc-clad carbon fiber filament.
  • the content of clad zinc is high, it is advantageous in terms of conductivity and flexibility.
  • the content of clad zinc is small, it is advantageous in terms of tensile strength compared to many cases.
  • the cladded zinc content is selectively applied according to the purpose of the core wire so as to have a cross-sectional area in the range of 1,2 to 5.0 times the cross-sectional area of each carbon fiber constituting the supplied carbon fiber yarn.
  • the zinc content may be adjusted by controlling the passing speed of the zinc cladding during the zinc cladding process.
  • the zinc content contained in the tensile core wire used in the overhead branch wire or the central tension part of a power transmission line including a general aluminum alloy wire is 1.4 to 1.6 times thicker than the cross-sectional area of the supplied carbon fiber. It was analyzed that it is most desirable to have a cladding to have.
  • the carbon fiber filaments having a diameter of 5 ⁇ m when the polymer coating is removed and zinc cladding is performed, the carbon fiber filaments having a diameter of about 5.9 to 6.3 ⁇ m are formed into zinc-clad carbon fiber filaments.
  • the carbon fiber filaments having a diameter of 10 ⁇ m when the polymer coating is removed and zinc cladding is performed, the carbon fiber filaments having a diameter of about 11.8 to 12.7 ⁇ m are formed into zinc-clad carbon fiber filaments.
  • a core wire of 3 mm is formed.
  • a core wire having a diameter of 3 mm in order to manufacture a core wire having a diameter of 3 mm, about 50,000 to 60,000 strands of carbon fiber having a diameter of 10 ⁇ m are required.
  • the carbon fiber filaments 93 having a diameter of 10 ⁇ m are composed of 8,600 to 9,600 strands. 6 skeins of 1mm carbon fiber thread 91 are wound on the skein 10 and prepared.
  • the carbon fiber filament processing step is performed on the prepared first carbon fiber yarn bundle.
  • the polymer resin is removed with respect to the first carbon fiber yarn 91 introduced after being unwound from 1 to 20 tassels (10, or unwinding mold) on which the first carbon fiber yarn 91 is wound.
  • the process of separating into fibrous filament strands is carried out.
  • impurities including the adhesive polymer resin included in the carbon fiber yarn formation are removed through a heat treatment process in a nitrogen atmosphere, and the first carbon fiber yarn 91 bundle is converted to a first carbon fiber filament strand. (93) The process of separating into groups is involved.
  • the process of removing the polymer resin prevents oxidation of the carbon fiber filament from which the polymer resin is removed.
  • the heat treatment is performed in the housing 30 in a closed nitrogen atmosphere filled with a nitrogen atmosphere for the purpose.
  • the nitrogen atmosphere heat treatment housing 30 may be formed of a sealed cylindrical tube.
  • the carbon fiber filament processing step is performed for about 20 to 60 seconds in a nitrogen atmosphere at a temperature of about 250 to 350° C. in the nitrogen atmosphere heat treatment housing 30 .
  • the polymer resin contained in the carbon fiber yarn 91 is removed, and the temperature of the carbon fiber filament 93 is also increased to the heat treatment temperature.
  • molten zinc is evenly combined and coated on the surface of each filament, and flattened to efficiently perform the cladding process.
  • the spreading step 130 is performed.
  • the spreading step 130 a process of spreading the carbon fiber filament strand groups separated from each other by removing the polymer resin to a width of about 0.3 to 0.8 m for each skein is performed.
  • Step 130 may further include passing the strand groups of the first carbon fiber filaments 93 between the spreading rollers 20 formed of the compression rollers.
  • the carbon fiber filament 93 strand group passes between the spreading rollers 20 in step 130, it is pressed so that each carbon fiber filament 93 strand is separated in a plane for each tuft 10, and about 0.3 to 0.8 m wide.
  • the spreading step 130 is performed in a closed space filled with a nitrogen atmosphere following the carbon fiber filament processing step to prevent oxidation.
  • step 130 the strand groups of the first carbon fiber filaments 93 are widely spread for each skein 10 to a width of 0.3 to 0.8 m, respectively.
  • a zinc cladding step 140 of zinc cladding is performed.
  • the zinc cladding unlike zinc coating, fusion welding occurs between carbon fibers and zinc in the zinc molten bath 50, and carbon and zinc are polymerized to form a combined structure. Accordingly, the zinc cladding has the advantage that, unlike the zinc coating, the clad compound is strongly coupled such that it is almost impossible to separate due to diffusion polymerization.
  • the zinc smelting bath 50 is characterized in that 98 to 99% of the zinc material is melted at 400 to 500 °C.
  • the zinc molten bath 50 is formed to have a length and a width of about 10 m in the longitudinal direction, and is manufactured so that the first carbon fiber filament strand group, or a plurality of groups, passes through at once.
  • the zinc cladding is made on the carbon fiber filaments while the first carbon fiber filament strands are immersed in the zinc melt of the zinc molten bath 50 for 5 to 15 sec at a speed of 1 to 2 m/sec.
  • one strand of carbon fiber filaments are polymerized for zinc cladding to a thickness of 0.02 to 100 ⁇ m.
  • the zinc molten bath passes through the guide rollers 41 , 42 , 43 formed at the end portions of the zinc molten bath 50 to group the cladded carbon fiber filament strands with a set ROD diameter. It may further include a guide step of collecting the die to the center side of the die device (60) installed at the end boundary of (50).
  • the guiding step is performed in the zinc smelting bath 50 .
  • a core wire forming step 150 of forming a core wire of the zinc cladding carbon fiber filament composite wire is performed.
  • the first group of zinc-clad carbon fiber filaments collected in the guide step passes through the die mold device 60 in which the die hole of the set core wire standard is formed, and the core wire 99 of the first zinc clad carbon fiber filament composite wire of the set standard is A core wire forming step 150 to be formed is performed.
  • the clad zinc in the first zinc-clad carbon fiber filament group, is in a molten state until it passes through the die mold device 60 , and it gradually hardens while passing through the die mold device 60 . .
  • zinc clad manufactured from 50,000 to 60,000 strands of 10 ⁇ m carbon fiber (eg, 1 mm carbon fiber yarn 91 6 skeins composed of 8,600 to 9,600 strands)
  • the core wire 99 of the 3mm first zinc cladding carbon fiber filament composite wire is formed while 50,000 to 60,000 carbon fiber filaments are introduced and passed through the mold die hole of the 3mm die mold device 60 .
  • the core wire forming step 150 may further include a cooling step of cooling the core wire 99 of the first zinc cladding carbon fiber filament composite wire formed after passing through the mold die.
  • the cooling water is cooled to room temperature.
  • the core wire of the first zinc-clad carbon fiber filament composite wire formed in the core wire forming step 150 may be wound and stored with a take-up or coiler.
  • the entire process may be performed by power transmission of the winder 70 .
  • the zinc cladding process of the entire carbon fiber is moved by rotating and pulling the winder in a prepared state.
  • the core wire 99 of the manufactured first zinc-clad carbon fiber filament composite wire may be twisted into 3 to 36 strands depending on the purpose and used as a central tension wire of the power transmission line.
  • FIG 3 illustrates an example of a power transmission line including a zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention.
  • an overhead power transmission line includes a plurality of tensile core wires 510 in the center and a conductor portion 520 formed of aluminum, copper, or an alloy thereof surrounding the tensile core wires 510 . , 530) may be included.
  • the conductor parts 520 and 530 are illustrated as having a trapezoidal shape, but the conductive parts 520 and 530 may have a circular or multiple polygonal shape.
  • the tensile core wire 510 is disposed at the center of the overhead power transmission line to support the entire load of the overhead power transmission line, and supports the tensile force of the span.
  • the tensile core wire 510 may have a structure in which a plurality, for example, seven, are stranded.
  • the tensile core wire 510 according to an embodiment of the present invention manufactured as described above is characterized in that it is formed of a zinc-clad carbon fiber filament composite wire formed of tens of thousands of zinc-clad carbon fiber filaments.
  • the overhead power transmission line including the same can exert a high tensile load.
  • the zinc-clad carbon fiber according to an embodiment of the present invention has excellent bonding strength, so that zinc and carbon fiber are not easily separated.
  • copper, aluminum, or an alloy wire thereof as a main conductor is combined around the tensile core to form a power transmission line.
  • the bonding force is weak and cracks may occur in the carbon.
  • the zinc material has a strong bonding force with carbon and aluminum and strong external impact
  • the core wire of the zinc cladding carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention does not have to be damaged even in machining and installation work, and also has a strong tensile force. It is also beneficial for sagging.
  • the core wire of the zinc-clad carbon fiber filament composite wire according to an embodiment of the present invention has a superior effect compared to the tensile wire manufactured by other methods.
  • the tensile wire materials that have been recently studied as composite materials include: 1 Glass fiber-coated carbon composite (ACCC) with the surface of the carbon composite wire coated with glass, 2 Aluminum-coated carbon with the surface of the carbon composite wire coated with aluminum Composite (LSCC) 3 A zinc-coated carbon composite material in which the surface of the carbon composite wire is coated with zinc is available.
  • a glass fiber-coated carbon composite (ACCC) with the surface of the carbon composite wire coated with glass 2
  • Aluminum-coated carbon with the surface of the carbon composite wire coated with aluminum Composite (LSCC) 3
  • a zinc-coated carbon composite material in which the surface of the carbon composite wire is coated with zinc is available.
  • a core wire sample of a core wire material for a tensile wire that has been recently studied and a zinc clad carbon fiber filament composite wire material according to an embodiment of the present invention was compared and analyzed.
  • This flexibility characteristic is evaluated as one of the very important characteristics when installing the tension wire of the transmission line.
  • the sample according to an embodiment of the present invention was analyzed to be the most effective without breakage during stranding operation.
  • the internal carbon composite material cracks among the strands.
  • a significant problem occurs in the overall tensile force.
  • the zinc clad carbon fiber filament composite core wire according to an embodiment of the present invention it is made of tens of thousands of strands, so it is excellent in tensile strength and flexibility and is not damaged. No problem arises. Therefore, it was analyzed to be the most effective for stranding stranding characteristics.
  • the carbon composite material is made of carbon fiber, but the carbon fiber itself is oxidized when exposed to external air, and is bonded with a polymer resin to prevent cracks from occurring, according to an embodiment of the present invention. It was analyzed that the heat resistance was weaker than that of the zinc cladding carbon fiber filament composite core wire.

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Abstract

송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 포함되는 인장 심선은, 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 하며, 상기 복합선재는, a) 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실 다발을 감은 타래틀을 복수 개 준비하는 준비단계; b) 상기 제1 카본섬유 실 다발을 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들로 분리하는 필라멘트 가공단계; c) 상기 필라멘트 가공단계에서 분리된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 아연 용융조 내의 용융된 아연 속으로 침투시켜서 아연 클래딩하는 아연 클래딩 단계; 및 d) 상기 아연 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 일정 규격의 다이 홀이 형성된 다이 금형장치를 통과시켜서 일정 규격의 인장 심선을 형성하는 심선 형성단계;를 포함하여 제조된다.

Description

아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 이의 제조방법
본 발명은 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
가공송전선로는 전기의 수송로로서 전기적 성능과 혹독한 자연 조건에도 견딜 수 있는 기계적 성능을 겸비하여야 한다.
가공 송전선은 도전율이 높을 것, 기계적 강도가 클 것, 가공성(유연성)이 클 것, 내구성이 있을 것, 비중이 작을 것 및 경제적일 것 등의 조건을 충족하여야 한다.
가공송전선은 중심 측에 보강용 강선이 배치되고, 외측에 도전성의 알루미늄 와이어가 배치된다. 상기 중심 측의 보강용 강선은 일반적으로 여러 가닥이 꼬여진 강연선이며, 상기 강연선의 외측으로 전력 수송을 위한 알루미늄 와이어가 여러 가닥 배치된다.
가공송전선은 전선의 강도를 유지시켜 주는 보강용 강선과 전류수송을 담당하는 알루미늄 도체로 이루어져 있다.
가공송전선의 보강용 강선은 전력을 수송하는 상기 가공송전선의 보강을 위해 사용되는 강선이다. 가공 송전선의 보강용 강선은 가공송전선의 전력 수송에 지장을 주지 않으면서도 가공 송전선을 보강할 수 있는 기능을 가져야 한다.
종래의 가공송전선으로 사용되는 강심알루미늄선(ACSR: Aluminum stranded conductors steel reinforced)은 송전선의 지지선 역할을 담당하는 강심소재로써, 1~19가닥으로 연선된 고탄소 강선이 보강용 강선으로 사용되고 있다.
기존의 가공송전선의 보강용 강선은 탄소 함량이 0.6 내지 0.8 중량 % 함유된 강선으로 제조된다. 그러나 이러한 기존 보강용 강선은 인장강도가 낮아서 중심 측에 보강용 강선을 많이 배치해야 하는 관계로 단면 두께가 커지고, 결과적으로 도전층 기능을 수행하는 알루미늄 와이어의 단면적이 상대적으로 줄어들게 되는 문제를 가질 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 탄소(C) 0.6 내지 0.8 중량 %, 망간(Mn) 6.0 내지 15.0 중량%, 니켈(Ni) 4.0 내지 8.0 중량%, 크롬(Cr) 16.0 내지 20.0 중량%, 질소(N) 0.2 내지 0.5 중량%의 조성을 갖는 질소강을 사용하여 보강용 강선에인장강도를 향상시키기 위한 시도가 있었으나, 이에 소요되는 망간, 니켈, 크롬 재료가 고가이어서, 보강용 강선의 제조 단가가 높아지는 단점이 있다.
또한, 스테인리스 강선이나, 철(Fe)과 니켈(Ni)의 합금에 탄소(C), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 바나듐(V) 등을 복합 첨가한 인바와이어(invar wire)가 고송전 전력케이블에 적용되고 있으나, 이 또한 모두 고가의 재료가 포함되어 단가를 향상시키는 단점이 있다.
또한, 종래의 보강용 강선은 기계적 강도는 크나, 비중이 커서 송전탑 간에 처짐 현상을 유발시키는 문제를 가진다.
가공 송전선은 외부적 환경에 그대로 노출되어 있을 뿐만 아니라, 송전시 자체 온도가 90℃ 이상으로 상승하는 등 다소 가혹한 조건하에서 사용되고 있다. 특히, 고압 전류의 송전에 의해 발생하는 열은 가공 송전선을 지지하고 있는 중심 인장선을 팽창시키게 되고, 이로 인한 가공 송전선의 처짐 현상은 유지 관리에 문제점으로 제기되고 있다.
특히, 종래부터 사용되어 온 강심이나 강선으로 된 인장선은 자체 중량이 무겁기 때문에, 가공 송전선의 이동이나 포설에 어려움이 따르고, 가공 송전선의 처짐 현상을 더욱 심화시키는 원인이 될 뿐만 아니라, 철탑이나 전주에 과중한 부담을 주게 되므로 안전상에도 문제가 되고 있다.
이에 따라 내부 심선을 이루는 소재로서 종래의 강선 대신, 카본섬유를 적용하려고 하는 연구가 수행되고 있다.
카본섬유는 밀도가 낮으면서 높은 비강도와 비강성도 및 높은 열적 전기적 전도성과 낮은 열팽창계수를 가지는 특성으로써, 기존의 기계적 특성이 필요한 분야뿐만 아니라 전자 패키징 등 열적 특성의 응용분야에서도 보강재로 사용되고 있으며 활발한 연구가 진행되는 소재이다.
카본섬유로 이루어지는 복합소재는 종래의 철강 소재에 비하여 현저하게 가볍고 열팽창계수가 낮으면서도 강성과 전도성은 유지되는 특성을 감안하여, 본 발명에서는 내부 심선을 이루는 소재로 카본섬유 복합 소재가 적합한 재료로 채택되었다.
가공 송전선은 실외에서 소정의 간격으로 설치된 다수의 철탑이나 전주 등의 지지물에 걸쳐지도록 설치되는데, 이러한 환경적인 특성상 가공 송전선의 인장선은 인장강도 등의 물성이 우수하고, 고장력이며 저이도 특성을 갖출 것이 요구된다.
대한민국 등록특허 10-1798472호에서는 카본섬유 복합 소재를 포함하는 송전선이 소개된 바 있다.
상기 특허문헌에서는 외부 도체인 동, 알루미늄, 또는 이들의 합금이 내부 심선인 카본섬유와 접촉될 경우 카본섬유에 비하여 동 또는 알루미늄이 더욱 활성화 되면서 동을 양극으로 하는 갈바닉 부식이 발생될 수 있는 문제점과, 내부 심선인 카본섬유 복합 소재와 외부 도체인 알루미늄 간에서는 알루미늄이 희생양극(sacrificial anode)으로 작용되는 부식에 대한 문제점을 해결한 것을 특징으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위해 상기 특허문헌에서는 내부 심선 사이에 폴리머 그리스가 충진된다.
그리고 폴리머 그리스로 부식이 현저하게 방지될 수는 있으나 폴리머 그리스는 내부 심선과 외부 도체를 완전히 차단시키지는 못하므로 추가적인 부식 방지 수단으로서 외부 도체인 알루미늄 선재 표면에 아크릴 코팅층이 형성한 것을 특징으로 한다.
이 경우 내부 심선 사이에 충진된 그리스와 아크릴 코팅층으로 인하여 외부 도체와 내부 심선의 접촉은 이중으로 방지된다.
또 다른 예에서는 내부 심선 표면에는 아연 도금 층이 형성되는 구성을 더 포함하는 내용이 제시된다. 이러한 예에서는 내부 심선의 표면에 형성된 아연 도금 층은 희생양극으로 작용됨으로써 아연 도금 층과 접촉되는 알루미늄의 부식을 방지시키는 작용을 할 수 있다. 이 경우 아연 도금 층 자체의 내식성 향상을 위하여 아연 도금 후에 크로메이트(chromate)처리를 추가적으로 실시하거나, 아연도금층 표면에 추가적인 내식용 도장이 실시될 수 있는 내용이 제시되었다.
이에 따라 카본섬유 복합 소재가 내장되는 송전선은 내부 심선이 카본섬유 복합 소재로 이루어짐으로써, 종래의 강선에 비하여 현저하게 가벼우면서 강도는 종래 수준으로 유지되어 송전탑 간의 처짐 현상이 방지될 수 있고, 내부 심선 사이에 폴리머 그리스가 충진되어 내부 심선과 외부 도체 사이에 발생될 수 있는 갈바닉 부식 현상이 방지되며, 구리 도금 층이 형성되어 도전성이 종래보다 더 향상되면서, 광촉매 층이 도포되어 외부 오염이 절감되는 효과를 가질 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 미세한 카본섬유 필라멘트에 아연을 클래딩하여 제조된 아연 클래딩 탄소 복합선재의 심선으로 송전선의 중심 인장선 또는 가공 지선을 형성한 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 강도 및 도전율이 우수하고, 유연성 및 연선 stranding이 우수한 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 포함되는 인장 심선에 있어서, 상기 인장 심선은, 카본섬유에서 폴리머 수지를 제거한 카본섬유 필라멘트에 아연을 클래딩하고 이들을 결합하여 제조된 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 한다.
상기 인장심선은 직경 3mm 굵기를 가지며, 직경 10㎛의 카본섬유 50,000 ~ 60,000가닥을 가공한 카본섬유 필라멘트로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 포함되는 인장 심선의 제조방법에 있어서, 상기 인장 심선은 제조방법은 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 하며, 상기 복합선재는, a) 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실 다발을 감은 타래틀을 복수 개 준비하는 준비단계; b) 상기 제1 카본섬유 실 다발을 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들로 분리하는 필라멘트 가공단계; c) 상기 필라멘트 가공단계에서 분리된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 아연 용융조 내의 용융된 아연 속으로 침투시켜서 아연 클래딩하는 아연 클래딩 단계; 및 d) 상기 아연 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 일정 규격의 다이 홀이 형성된 다이 금형장치를 통과시켜서 일정 규격의 인장 심선을 형성하는 심선 형성단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 카본섬유 필라멘트 가공단계는 상기 제1 카본섬유 실 다발에 대해 250~350℃의 질소분위기의 열처리 과정을 통해 카본섬유 실 형성을 위해 합성된 접착용 폴리머 수지를 포함하는 불순물을 제거하고, 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들로 분리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 필라멘트 가공단계는, 상기 분리된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 질소 분위기 내에서 스프레딩 롤러를 통과시켜서 평탄하게 펴주는 스프레딩 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 스프레딩 단계는 하나의 타래틀 별로 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 펴주는 것을 특징으로 한다.
상기 아연 용융조는 아연 물질이 400~500℃에서 용융된 것을 특징으로 하며, 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들이 펼쳐진 상태에서 1~2m/sec 속도로 5 ~ 15s ec 동안 상기 용융조를 통과하면서 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들에 아연 클래딩이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 아연 클래딩 단계에는, 상기 아연 용융조 내의 종단에서 상기 펼쳐진 상태의 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 가이드 롤러들에 의해 상기 다이 금형장치의 중심으로 모으는 가이드 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 아연 클래딩 단계에서 각 카본섬유 필라멘트 가닥은 0.02 ~ 100㎛ 두께로 아연 클래딩 중합이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 아연 클래딩 단계에서 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥은 상기 준비단계의 제1 카본섬유 실을 구성하는 카본섬유 단면적의 1,2 ~ 5.0 배의 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 심선 형성단계는 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥 들의 클래딩된 아연이 용융상태를 유지한 채로 상기 다이 금형장치를 통과하여 심선을 형성하며, 상기 다이 금형장치를 통과 후에는 상기 심선을 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 종래의 인장성에 비하여 강도 및 도전율이 우수하고, 유연성 및 연선 stranding이 우수한 인장선으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 전도성을 높이면서 섬유와 유사한 유연성을 나타낼 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조장치에 대한 평면도를 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선의 예를 도시한 것이다.
부호에 대한 설명은 다음과 같다.
10: 타래틀
20: 스프레딩 롤러
30: 질소 분위기 열처리 하우징
41, 42,43: 가이드 롤러
50: 아연 용융조
60: 다이 금형장치
91: 카본섬유 실
93: 카본섬유 필라멘트
99, 510: 심선
520, 530: 도체
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하 본 발명의 구현에 따른 아연클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선의 보강선 및 이의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
카본섬유는 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유로서 제조과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 금속보다 가벼운 반면, 금속에 비해 탄성과 강도가 뛰어난 특성을 나타낸다.
가공 송전선로에서 인장선으로 사용되는 중심선이 가공 송전선로에서 전류가 흐르는 전선로로 사용되는 점에서 전도성이 좋아야 한다. 탄소는 탄소 복합소재로 심선을 형성할 경우 도전체인 알루미늄 보다 전도율이 떨어지고, 유연성도 떨어진다. 또한, 카본은 철선에 비해 가벼워서 이도 처짐에 유리하나, 카본은 외부에 노출되면 약해진다. 이를 보강하기 위해 카본 심선의 표면을 수지, 유리섬유 또는 알루미늄 등 금속으로 피복하여 사용하기도 한다.
그러나 카본 심선 자체가 충격 및 복원력이 약하여 카본 심선 표면을 수지, 유리섬유 또는 알루미늄 등 금속으로 피복한 카본 컴포지트 선의 경우에도 내부에 크랙이 발생되어 문제가 발생되기도 한다.
또한, 많은 연구에서 카본섬유 실(yarn)을 이용한 인장선 개발을 시도하였으나, 카본섬유 자체는 폴리머 수지로 합성된 것이어서 이러한 카본섬유 수만 가닥으로 제조된 카본섬유 실(yarn)을 이용한 인장선의 경우, 전도성 및 열에 취약하여 실용화되지 못하였다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 본 발명의 일 실시 에에 따른 가공 송전선에 포함되는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는, 카본섬유에서 폴리머 수지를 제거한 카본섬유 필라멘트 가닥에 아연을 클래딩하고, 이들을 결합하여 제조된 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 송전선의 가공지선 또는 송전선 중심 인장부의 인장 심선을 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 송전선의 가공지선 또는 송전선의 중심부 인장선의 심선으로 적용될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 카본섬유에 포함된 폴리머 수지를 제거하고 폴리머 수지 대신 아연 클래딩으로 피복한 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조장치에 대한 평면도를 간략하게 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 먼저 카본섬유 실(Yarn)의 전처리 단계(110)가 수행된다.
상기 전처리 단계에서는 먼저 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실(91) 다발을 준비하는 단계(111단계)가 수행된다.
일반적으로 카본섬유는 0.02 ~ 100㎛ 의 카본섬유 필라멘트 10,000 ~100,000 가닥이 각각 폴리머 수지로 접합되어 카본섬유 실로 타래를 형성하여 제품이 공급된다.
예를 들면 카본섬유 실(91)은 굵기 1.0mm ~ 10mm 로 공급된다.
준비단계(111단계)에서는 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선 굵기에 해당하는 제1 카본섬유 실 다발을 준비하는 과정을 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 카본섬유 실 다발은 일정 규격의 카본섬유 실(91)을 감은 1 ~ 20 타래 범위 내에서 준비된다.
각 타래는 타래틀(10)에 감겨져서 준비된다.
즉, 111단계는 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실 다발을 감은 타래틀(10)을 복수 개 준비된다.
카본섬유 필라멘트 자체는 공기 중에 노출이 되면, 쉽게 산화되고 크랙이 발생되는데, 이러한 현상을 방지하기 위해 일반적인 카본섬유(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 실(yarn)은 카본섬유에 폴리머 수지가 감싸는 형태의 혼합물로 제조된다.
그러나 이와 같은 카본섬유에 폴리머 수지가 감싼 카본섬유 실을 송전선의 재료로 사용할 경우, 내부에 혼합된 폴리머 수지에 의해 도전성이 좋지 않으면, 열에 취약해 진다.
본 발명의 일 실시 예에서는 카본섬유 실(91)에서 폴리머 수지를 제거한 카본섬유 필라멘트를 용융된 아연에 침지시켜 이동하는 것에 의한 아연 클래딩을 수행하여 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 카본섬유 필라멘트(93)는 카본섬유(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 실(91)에서 폴리머 수지를 제거하고 남은 카본원사를 구성하는 하나의 기본 가닥을 의미한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 설정된 규격의 심선을 제조하는 데 필요한 굵기에 해당하는 1.0mm ~ 10mm로 형성된 카본섬유 실이 1 ~ 20 타래의 범위 중에서 제1 카본섬유 실 다발이 준비된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 설정된 규격의 심선 직경은 1mm ~ 10mm 범위에서 선택적으로 적용될 수 있다.
예를 들면 굵기 1.0mm의 카본섬유 실(91)은 10㎛의 카본섬유 약 8,600~9,600 가닥으로 형성된다. 또한, 굵기 1.0mm의 카본섬유 실(91)은 5㎛의 카본섬유 약 33,000~ 38500 가닥으로 형성된다
본 발명의 일 실시 예에서 카본섬유 필라멘트에 아연 클래딩으로 피복을 하게 되면, 단면적이 공급된 카본섬유의 1,2 ~ 5.0 배로 굵어진 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트로 제조된다.
아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트에서 클래딩된 아연 함유량이 많으면, 도전율 및 유연성 면에서는 유리하다. 한편, 클래딩된 아연 함유량이 적을 경우는 많은 경우에 비하여 인장 강도 면에서 유리한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 클래딩된 아연 함유량은 공급되는 카본섬유 실을 구성하는 각 카본섬유 단면적의 1,2 ~ 5.0 배 범위의 단면적을 가지도록 심선의 용도에 맞추어 선택적으로 적용한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 아연 클래딩 공정 시의 아연 클래딩 통과 속도를 조절하는 것에 의해 아연 함유량을 조절하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 일반적인 알루미늄 합금선을 포함하는 송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 사용되는 인장 심선에 포함된 아연 함유량은 공급되는 카본섬유의 단면적에 비해 1.4 ~ 1.6 배의 굵기의 단면적을 가지도록 클래딩하는 것이 가장 바람직한 것으로 분석되었다.
예를 들면, 바람직한 실시 예에서 직경 5㎛의 카본섬유의 경우, 폴리머 피복을 제거하고 아연 클래딩을 거치면, 직경이 약 5.9 ~ 6.3㎛의 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트로 형성된다.
또한, 바람직한 실시 예에서, 직경 10㎛의 카본섬유의 경우, 폴리머 피복을 제거하고 아연 클래딩을 거치면, 직경이 약 11.8 ~ 12.7㎛의 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 클래딩된 용융상태의 11.8 ~ 12.7㎛ 두께로아연 피복된 카본섬유 필라멘트 약 50000 ~ 60,000 가닥을 3mm의 다이 금형장치(60)로 통과시키면 3mm의 심선이 형성된다.
따라서, 바람직한 실시 예에서 직경 3mm의 심선을 제조하기 위해서 직경 10㎛의 카본섬유는 약 50,000 ~ 60,000가닥이 필요하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 카본섬유를 이용하여 제조되는 직경이 3mm인 제1 아연 클래딩 탄소 복합선재의 심선의 제조를 위해서, 직경 10㎛의 카본섬유 필라멘트(93) 8,600 ~ 9,600 가닥으로 이루어진 1mm의 카본섬유 실(91)이 6타래가 타래틀(10)에 감겨져서 준비된다.
다음은 상기 준비된 제1 카본섬유 실 다발에 대해 카본섬유 필라멘트 가공단계가 수행된다.
상기 카본섬유 필라멘트 가공단계에서는 제1 카본섬유 실(91)을 감은 1 ~ 20 타래틀(10, 또는 풀림틀)로부터 풀려져서 인입된 제1 카본섬유 실(91)에 대해 폴리머 수지를 제거하여 카본섬유 필라멘트 가닥으로 분리하는 과정이 수행된다.
상기 카본섬유 필라멘트 가공단계에서는 질소분위기의 열처리 과정을 통해 카본섬유 실 형성에 포함된 접착용 폴리머 수지를 포함하는 불순물을 제거하고, 상기 제1 카본섬유 실(91) 다발을 제1 카본섬유 필라멘트 가닥(93) 그룹으로 분리하는 과정이 포함된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 카본섬유에서 폴리머 수지가 제거되면, 공기 중에서 산화되기 쉽고, 쉽게 크랙이 발생되기 때문에 폴리머 수지를 제거하는 공정은, 폴리머 수지가 제거된 카본섬유 필라멘트의 산화방지를 위해 질소 분위기로 채워진 밀폐된 질소 분위기의 열처리 하우징(30) 내에서 수행된다.
질소 분위기의 열처리 하우징(30)은 밀페된 원통형 관으로 형성될 수 있다.
폴리머 수지로 합성된 카본섬유에 250℃ 이상의 열을 가하면, 폴리머 수지가 녹아서 분리되며, 접착제 역할을 하던 폴리머 수지가 분리되면, 폴리머 수지가 제거된 카본섬유 필라멘트(93)는 서로 벌어지게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 카본섬유 필라멘트 가공단계는 질소 분위기 열처리 하우징(30) 내에서 약 250 ~ 350℃의 온도의 질소분위기에서 약 20 ~ 60초 동안 수행된다.
카본섬유 필라멘트 가공단계에서 카본섬유 실(91)에 함유된 폴리머 수지가 제거되고 카본섬유 필라멘트(93)의 온도도 열처리 온도로 상승하게 된다.
카본섬유 필라멘트의 온도가 열처리 온도로 상승하게 되면, 후공정으로 이어지는 아연 클레딩의 도금 효율이 좋아진다.
다음은 상기 카본섬유 필라멘트 가공단계를 거친 제1 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹 들에 대해, 각 필라멘트 표면상에 용융된 아연이 골고루 결합되어 입혀주고, 클래딩 공정을 효율적으로 수행되기 위해 평탄하게 펴주는 스프레딩 단계(130)가 수행된다.
상기 스프레딩 단계(130)에서는 폴리머 수지가 제거되어 서로 분리된 카본섬유 필라멘트 가닥 그룹을 각 타래 별로 약 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 넓게 벌려주는 과정이 수행된다.
상기 130단계는 상기 제1 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹들을 압착 롤러로 형성된 스프레딩 롤러(20) 사이를 통과시키는 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 130단계에서 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹이 스프레딩 롤러(20) 사이를 통과하면, 눌려져서 각 타래틀(10) 별로 각 카본섬유 필라멘트(93) 가닥이 평면으로 분리되어 약 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 넓게 펼쳐진다.
상기 스프레딩 단계(130)는 산화방지를 위해 상기 카본섬유 필라멘트 가공단계에 이어서 질소 분위기로 채워진 밀폐된 공간에서 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 상기 130단계에서 상기 제1 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹들을 각 타래(10) 별로 각각 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 넓게 벌려준다.
다음은 상기 스프레딩 단계(130)를 거쳐서 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 펼쳐진 제1 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹으로 형성된 1~ 20개 그룹을 아연 용융조(50) 내의 용융된 아연 속으로 침지시켜서 아연 클래딩하는 아연 클래딩 단계(140)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩은 아연 코팅과 다르게 아연 용융조(50)에서 카본섬유와 아연 간에 확산 용접(fusion welding)이 일어나서 탄소와 아연을 중합시켜 결합된 구조가 된다. 이에 따라 아연 클래딩은 아연 코팅과 달리 클래딩된 화합물이 확산 중합되어 분리가 거의 불가능하도록 견고하게 결합되는 이점이 있다.
상기 아연 용융조(50)는 98 ~ 99% 아연 물질이 400~500℃에서 용융된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 용융조(50)는 길이 방향으로 약 10m의 길이 및 폭으로 형성되며, 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥 그룹, 또는 복수의 그룹이 일시에 통과시키도록 제작된다.
상기 아연 용융조(50)의 아연 용융물 속을 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들이 1 ~ 2m/sec 속도로 5 ~ 15sec 동안 침지되어 통과하면서 카본섬유 필라멘트에 아연 클래딩이 이루어진다.
상기 아연 클래딩 단계(140)에서 한 가닥의 카본섬유 필라멘트는 0.02 ~ 100㎛ 두께로 아연 클래딩 중합이 형성된다.
상기 아연 클래딩 단계(140)에는 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥들을 설정된 ROD 직경으로 그룹화하기 위해 아연 용융조(50) 내부의 종단 부분에 형성된 가이드 롤러들(41, 42, 43)을 통과하면서 아연 용융조(50)의 종단 경계부에 설치된 다이 금형장치(60)의 중심 측으로 모으는 가이드 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가이드 단계는 아연 용융조(50) 내에서 수행된다.
상기 아연 클래딩 단계(140)의 가이드 단계 후에는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성하는 심선 형성단계(150)가 수행된다.
상기 가이드 단계에서 모아진 제1 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 그룹은 설정된 심선 규격의 다이 홀이 형성된 다이 금형장치(60)를 통과시키면서 설정된 규격의 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선(99)이 형성되는 심선 형성단계(150)가 수행된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 그룹은 다이 금형장치(60)를 통과 전까지는 클래딩된 아연이 용융 상태이며, 상기 다이 금형장치(60)를 통과하면서 점차 굳어진다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 10㎛의 카본섬유 50,000 ~ 60,000가닥(예를 들면, 8,600~9,600 가닥으로 이루어진 1mm의 카본섬유 실(91) 6타래)로부터 제조된 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 50,000 ~ 60,000가닥을 인입하여 3mm 다이 금형장치(60)의 금형 다이 홀을 통과하면서 3mm의 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선(99)이 형성된다.
또한, 심선 형성단계(150)에는 상기 금형 다이를 통과한 후에 형성된 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선(99)을 냉각시키는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 단계에서는 냉각수에 의해 상온까지 냉각시킨다.
상기 심선 형성단계(150)에서 형성된 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선은 권취기(Tak-Up) 또는 coiler로 감아서 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조방법은, 권취기(70)의 동력 전달에 의해 전체 공정이 수행될 수 있다. 예를 들면, 타래(10)에 카본섬유 실이 감겨져 준비된 상태에서 권취기를 회전시켜서 끌어당기는 동작으로 전체 카본섬유의 아연 클래딩 공정이 이동되면서 수행된다.
상기 제작된 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선(99)은 용도에 따라 3 ~ 36 가닥으로 꼬아서 송전선의 중심 인장선으로 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선의 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공송전선은 중심부에 복수의 인장 심선(510) 및 상기 인장 심선(510) 주변을 감싸는 알루미늄, 동, 또는 이들의 합금으로 형성된 도체부(520, 530)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예인 도 3에서는 도체부(520, 530)를 사다리꼴 형상 구조로 도시하였으나, 상기 도체부(520, 530)는 원형 또는 여러 다각형 형상 구조로 채택할 수 있다.
인장 심선(510)은 가공송전선의 중심에 배치되어 가공송전선의 전체 하중을 지지하고, 경간의 인장력을 지지한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 인장 심선(510)은 복수 개, 예를 들어 7개가 연선된 구조로 이루어질 수 있다. 위와 같이 제조된 본 발명의 일 실시 예에 따른 인장 심선(510)은 수만 개의 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트로 형성된 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 복수 개의 인장 심선(510)이 상호 간에 긴밀하게 결합될 수 있으므로, 이를 포함하는 가공송전선은 높은 인장하중을 발휘할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 아연이 클래딩된 카본섬유는 결합력이 우수하여 아연과 카본섬유가 쉽게 분리되지 않는다. 또한, 송전선의 경우 상기 인장 심선 주위로 주도전체인 동, 알루미늄, 또는 이들의 합금선으로 조합되어 송전전선을 형성하게 된다.
일반적으로, 카본과 알루미늄이 접촉하게 되면, 결합력이 약할 뿐 아니라 탄소에 크랙이 발생할 수 있다. 그러나 아연 물질은 탄소 및 알루미늄과 결합력이 강하고, 외부 충격에도 강하기 때문에 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선은 가공 설치작업에도 파손 염려가 없으며, 또한, 인장력이 강하여 이도 처짐에도 유리하다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선은 다른 방법으로 제조된 인장선에 비해 월등한 효과를 가진다.
예를 들면, 최근 복합소재로 연구되고 있는 인장선 소재로는 ① 탄소복합선재의 표면을 유리로 피복한 유리섬유 피복 탄소복합재(ACCC), ② 탄소복합선재의 표면을 알루미늄으로 피복한 알루미늄 피복 탄소복합재(LSCC) ③ 탄소복합선재의 표면을 아연으로 코팅한 아연 코팅 탄소복합재를 들 수 있다.
최근 연구되고 있는 인장선용 심선 소재와 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선 샘플을 비교 분석하였다.
a) 인장 강도는 샘플> ③ > ② > ① 순으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선이 우수한 것으로 분석되었다.
b) 도전율은 ② > 샘플 > ③ > ① 순으로써, ② 알루미늄 피복 탄소복합재(LSCC)가 가장 우수하였고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선이 그 다음으로 비교적 우수한 것으로 분석되었다.
c) 유연성(flexibility)은 샘플> ③ > ② ＞ ① 순으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선의 경우, 카본섬유 필라멘트에 유연성을 가진 아연이 클래딩되어 수만 가닥으로 형성된 특징에 의해 유연성(flexibility)은 가장 우수한 것으로 분석되었다.
이 유연성(flexibility) 특성은 송전선의 인장선을 설치할 때 아주 중요한 특성 중에 하나로 평가된다.
d) 연선 stranding 특성에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플이 연선 stranding 작업 시 파손 없이 가장 효과적인 것으로 분석되었다. 제품③, ②, ① 의 경우 연선 stranding 작업과 유사한 외부 충격을 가하면, 소선 중에서 내부의 탄소 복합재가 크랙이 발생되는 소선이 발생된다. 송전선의 경우 인장선에 사용되는 연성 중에서 어느 한 가닥이라도 크랙이나 파손이 되면, 전체 인장력에 상당한 문제가 발생된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선의 경우 수만 가닥으로 이루어져 있어서 인장강도 및 유연성이 우수하여 파손되지 않을뿐더러, 수만 가닥으로 이루어진 복합 선재중 어느 한 가닥이 파손되어도 안전율 면에서는 문제가 발생되지 않는다. 따라서 연선 stranding 특성에서는 가장 효과적인 것으로 분석되었다.
e) 송전선 가설 시 피복층과 탄소복합재의 분리되는 현상에 있어서는 ② 알루미늄 피복 탄소복합재(LSCC)의 경우 강한 장력을 주어 송전선을 당길 때, 피복된 알루미늄이 분리되는 현상이 발생될 수 있다. 나머지 소재 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플의 경우 송전선 가설 이상의 장력을 인가하여도 분리되지 않는 것으로 분석되었다.
6) 열 저항성 특성에 있어서는 ① 유리섬유 피복 탄소복합재(ACCC)의 경우 폴리머 수지가 열에 취약한 것으로 분석되었으며, ② 알루미늄 피복 탄소복합재(LSCC) ③ 아연 코팅 탄소복합재는 비교적 열에 강한 것으로 분석되었고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선 샘플은 아연과 카본섬유 필라멘트 간의 중합으로 화합물이 형성되어 열에 가장 강한 것으로 분석되었다.
아연 코팅 탄소복합재는 탄소복합재가 카본섬유로 되어 있으나, 카본섬유 자체가 외부 공기 중에 노출 시 산화되고, 크랙이 발생되는 것을 방지하기 위해 폴리머 수지로 결합된 특성 때문에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선 보다 열저항성 면에서는 약한 것으로 분석되었다.

Claims (11)

  1. 송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 포함되는 인장 심선에 있어서,
    상기 인장 심선은
    카본섬유에서 폴리머 수지를 제거한 카본섬유 필라멘트에 아연을 클래딩하고 이들을 결합하여 제조된 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 하는 송전선.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인장 심선은 직경이 3mm 굵기를 가지며,
    직경 10㎛의 카본섬유 50,000 ~ 60,000가닥을 가공한 카본섬유 필라멘트로 형성된 것을 특징으로 하는 송전선.
  3. 송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 포함되는 인장 심선의 제조방법에 있어서,
    상기 인장 심선은 제조방법은 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 하며,
    상기 복합선재는,
    a) 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실 다발을 감은 타래틀을 복수 개 준비하는 단계;
    b) 상기 제1 카본섬유 실 다발을 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들로 분리하는 필라멘트 가공단계;
    c) 상기 필라멘트 가공단계에서 분리된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 아연 용융조 내의 용융된 아연 속으로 침투시켜서 아연 클래딩하는 아연 클래딩 단계; 및
    d) 상기 아연 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 일정 규격의 다이 홀이 형성된 다이 금형장치를 통과시켜서 일정 규격의 인장 심선을 형성하는 심선 형성단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 카본섬유 필라멘트 가공단계는
    상기 제1 카본섬유 실 다발에 대해 250 ~ 350℃의 질소분위기의 열처리 과정을 통해 카본섬유 실 형성을 위해 합성된 접착용 폴리머 수지를 포함하는 불순물을 제거하고, 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들로 분리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 필라멘트 가공단계는
    상기 분리된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 질소 분위기 내에서 스프레딩 롤러를 통과시켜서 평탄하게 펴주는 스프레딩 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 스프레딩 단계는 하나의 실 다발을 감은 타래틀 별로 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 펴주는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 아연 용융조는 아연 물질이 400 ~ 500℃에서 용융된 것을 특징으로 하며, 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들이 펼쳐진 상태에서 1 ~ 2m/sec 속도로 5 ~ 15sec 동안 상기 용융조를 통과하면서 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들에 아연 클래딩이 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 아연 클래딩 단계에는, 상기 아연 용융조 내의 종단에서 상기 펼쳐진 상태의 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 가이드 롤러들에 의해 상기 다이 금형장치의 중심으로 모으는 가이드 단계를 더 포함하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 아연 클래딩 단계에서 각 카본섬유 필라멘트 가닥은 0.02 ~ 100㎛ 두께로 클래딩 중합이 형성되는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 아연 클래딩 단계에서 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥은 상기 준비단계의 제1 카본섬유 실을 구성하는 카본섬유 단면적의 1,2 ~ 5.0 배의 굵기로 형성되는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
  11. 제3항에 있어서
    상기 심선 형성단계는 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥 들의 클래딩된 아연이 용융상태를 유지한 채로 상기 다이 금형장치를 통과하여 심선을 형성하며, 상기 다이 금형장치를 통과 후에는 상기 심선을 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
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