[논문]화염노출에 의한 송전선로 인바 강심의 온도 및 인장하중 분석에 관한 연구

신구용; 정채균; 이상윤; 강지원; 이동일

문제 정의

따라서 본 논문에서는 각각 신전선과 자연경련, 그림 10의 화염노출에 대한 시료에 대해 기계적 인장하중 시험을 실시하였다. 표 10에서는 각 시료에 대한 특성을 나타내었으며, 자연경련은 선로 가압 후 12년이 경과한 시료이다.
따라서 본 논문에서는 최근에 발생되었던 화염 노출에 의한 STACIR 전선의 단선 고장을 바탕으로 STACIR 전선인바 강심의 온도특성을 다양하게 분석하였으며, 실제 화염에 노출된 인바 강심 시료의 기계적 인장하중 시험을 통해 고온 노출시 인장하중의 변화를 분석하였다. 이를 위해 EMTP/ATP 시뮬레이션을 통해 화염노출에 의한 선간 단락 고장을 분석하였으며 STACIR 330 mtf 알루미늄 연선 부의 파단 현상, 알루미늄 도체와 인바 강심에 각각 동일한 부하전류가 흐를 때 시간 변화에 따른 도체 온도 상승정도를 상호비교 하였다.
본 논문에서는 IEC 60949(Calculation of thermally permissible short-circuit currents, taking into account non-adiabatic heating effects)[2]에 의해 STACIR 전선의 알루미늄 도체 및 Invar 강심, ACSR 전선 강심을 대상으로 부하전류 지속시간에 따른 도체 온도 상승정도를 분석하였다. 식 (1)은 도체 최종온도 계산식 이며, 도체 온도 상승 계산을 위한 각 도체 재질 별 계산조건은 표 5와 같다.
본 논문에서는 STACIR 송전선로 주변 화재 발생시 송전선로 운전조건을 고려한 부하전류 지속시간에 따른 STACIR 330 mrf 인바 강심의 온도 특성과 기계적 인장하중을 분석하였다. 본 논문의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

STACIR 전선은 알루미늄과 인바 강심으로 구성된 초내열 알루미늄 합금연선으로 본 절에서는 화염에 노출되었던 알루미늄 연선부의 특성을 분석하였다. 먼저 그림 4에서는 신재 알루미늄 연선의 외층과 내층의 고배율(X 200) 사진 분석 결과를 나타내었으며, 그림 5는 화염에 노출된 알루미늄 연 선의 외층과 내층의 고배율(X 200) 분석 결과이다.
다음으로 화염에 노출된 인바 강심에 대한 성분 분석을 실시하였다. 그림 10은 화염 노출된 인바 강심의 시료이다.
그림에서처럼 시료 외관에는 하얗게 이물질이 묻어 있는 흔적이 발견되었으며, 각각 크게 매끄러운 층(Case 1), 울퉁불퉁한 층(Case 2), 검게 그을린 층(Case 3)으로 구분된다. 따라서 본 논문에서는 3종류의 층으로 나누어 각각의 성분 분석을 하였으며, 그림 11은 매끄러운 층 (Case 1)에 대한 EDS 분석 결과를 보여준다. 또한 울퉁불퉁한 층(Case 2) 과검게 그을린 층(Case 3)의 EDS 분석 결과는 각각 그림 12 와 그림 13과 같다.
따라서 본 논문에서는 먼저 EMTP/ATP 시뮬레이션을 통해 화염노출에 의한 선간단락 고장시 발생되는 고장 특성에 대해 분석하였다. 그림 1은 화염노출에 의한 선간 단락 고장시 고장전류의 파형이다.
여기서, 도체 온도 상승 계산은 IEC 60949[2]의 계산식 및 계산 조건을 적용하였으며, 다양한 도체 특성에서의 상호비교를 위해 일반 ACSR 전선 강심의 온도 특성과도 상호 비교 하였다. 마지막으로 신전선 인바강심과 자연경련 전선, 화염노출 인바 강심의 기계적 인장 하중 비교를 통해 자연경련과 화염노출에 의한 인바 강심의 인장력 감소 정도를 분석하였다.
이를 위해 EMTP/ATP 시뮬레이션을 통해 화염노출에 의한 선간 단락 고장을 분석하였으며 STACIR 330 mtf 알루미늄 연선 부의 파단 현상, 알루미늄 도체와 인바 강심에 각각 동일한 부하전류가 흐를 때 시간 변화에 따른 도체 온도 상승정도를 상호비교 하였다. 여기서, 도체 온도 상승 계산은 IEC 60949[2]의 계산식 및 계산 조건을 적용하였으며, 다양한 도체 특성에서의 상호비교를 위해 일반 ACSR 전선 강심의 온도 특성과도 상호 비교 하였다. 마지막으로 신전선 인바강심과 자연경련 전선, 화염노출 인바 강심의 기계적 인장 하중 비교를 통해 자연경련과 화염노출에 의한 인바 강심의 인장력 감소 정도를 분석하였다.
노출시 인장하중의 변화를 분석하였다. 이를 위해 EMTP/ATP 시뮬레이션을 통해 화염노출에 의한 선간 단락 고장을 분석하였으며 STACIR 330 mtf 알루미늄 연선 부의 파단 현상, 알루미늄 도체와 인바 강심에 각각 동일한 부하전류가 흐를 때 시간 변화에 따른 도체 온도 상승정도를 상호비교 하였다. 여기서, 도체 온도 상승 계산은 IEC 60949[2]의 계산식 및 계산 조건을 적용하였으며, 다양한 도체 특성에서의 상호비교를 위해 일반 ACSR 전선 강심의 온도 특성과도 상호 비교 하였다.
표 10에서는 각 시료에 대한 특성을 나타내었으며, 자연경련은 선로 가압 후 12년이 경과한 시료이다. 인장하중 시험을 위해 각 시료를 50 cm 간격으로 절단한 후 인바 강심의 소선별 인장강도를 측정하여 평균값으로 환산하였으며, 인바 강심의 소선 수는 7 가닥이다.

성능/효과

1) 송전선로의 화염노출에 의한 선간 단락고장에 대한 분석 결과 고장전류의 크기는 6.7 kA로 Fault Recorder의 기 록과 일치하였으며, 이는 완전 선간단락 고장시 고장전류와 비교할 때 27 %에 해당하는 전류로 화염에 의해 약 75%의 공기절연이 파괴된 것을 알 수 있다.
2) 저항률이 높은 인바 강심으로 전류 통전시 부하전류는 급격 히 저 감되어 각 상간에 불평형 이 심 화된다.
3) 화염에 노출된 알루미늄 연선부는 화염의 직접 노출에 의한 용융현상과 경화 후 층이 갈라지는 현상, 이로 인한 인장력 약화 등의 복합적인 원인 들이 작용하여 파단 되었다.
4) STACIR 도체와 Invar 강심, ACSR 강심에 대한 온도 특성 분석 결과 Al도체에서는 온도상승이 거의 없는 반면, Invar 강심은 가압 후(부하전류 : 470 A) 45 sec ~ 47 sec 가 지난 시점에서 용융점 온도인 1, 427 ℃를 초과하였으며, 도체 저항율도 온도상승에 비례하여.증가하였다.
5) Invar 강심의 인장강도 분석에서 화염노출 시료는 신전선이나 자연경련에 비해 인장강도가 감소하였으며, 평균 인장강도는 792.9 kgf로 설계기준치 이하의 하중을 보였고, 신전선에 비해 13.79 %의 하중이 감소하였다.
6) 따라서, STACIR 전선의 Invar로 도체 전류가 흐를 경우 단시간 내에 도체의 온도가 급격히 상승되어 선로가 용융될 가능성이 있을 뿐 아니라 인장하중의 감소로 도체가 단선되는 등 선로에 치명적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.
7 kA로 이는 실제 고장시 Fault Recorder 의 기록과 일치한다. 이를 바탕으로 화염 노출이 아닌 완전 선간 단락 고장시 고장전류를 계산하면 24.2 kA로 화염 노출 시 고장전류는 완전 선간단락시 고장전류의 27 %에 해당하는 것을 알 수 있으며, 화염에 의해 73 %의 공기절연이 파괴된 것으로 예측할 수 있다.
Case 3 의 상세 분석결과는 표 4와 같다. 이의 결과를 종합하면, Case 2와 Case 3는 화염으로 직접적인 영향을 받은 부분은 아니나, 외관이 매끄러운 층인 Case 1에서 인바 모재 성분인 Fe와 Ni가 검출된 것으로 미루어 볼 때 화염으로 인해 인 바의 아연도금층이 용융된 것으로 판단되며, 이의 결과를 통해 화염이 인바층까지 직접 영향을 미쳤다는 것을 입증할 수 있다.
즉, 이 결과를 바탕으로 분석해 볼 때, 화염에 노출된 알루미늄 연선부는 화염의 직접 노출에 의한 용융현상과 경화 후 층이 갈라지는 현상, 이로 인한 인장력 약화 등의 복합적인 원인 들이 작용하여 파단 되었을 것으로 판단된다.
표 11은 시료별 평균 인장하중을 나타낸 것으로 시료 2는 신전선에 비해 인장하중이 0.64 % 감소하였으나, 설계기준치를 초과하였고, 시료 3은 평균 792.9 kgf 로 설계기준치 이하로 나타났으며, 시료 1에 비해서도 13.79 %의 인장 하중이 감소하였다. 아울러 시료 3의 경우는 화염 노출된 인바강심을 자연 냉각한 후 측정한 인장강도이나, 4 절의 분석에서처럼 급격히 온도가 상승하는 시점에서의 인장강도는 더욱 급격하게 감소하였을 것으로 판단된다.

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