열저항 특성을 고려한 지중송전관로 되메움재의 최적화(I) Optimization of the Backfill Materials for Underground Power Cables considering Thermal Resistivity Characteristics (I)원문보기
지중송전관로의 되메움재로는 보통 강모래를 사용하고 있다. 그러나 강모래의 열저항률은 습윤시 $150^{\circ}C$-cm/Watt 정도이고 건조시에는 이보다 2배 이상의 값을 나타낸다. 연구의 최종목표는 함수비 변화에 따라 열저항률의 변화가 작은 재료(습윤시 열저항률 $50^{\circ}C$-cm/Watt, 건조시 열저항률 $100^{\circ}C$-cm/Watt를 목표로 함)의 개발이나, 이 연구에서는 강모래를 포함한 각종 되메움재 후보군에 대하여 함수비, 건조단위중량, 입도분포 등의 차이에 따른 열저항 특성을 탐침법에 의해 조사하고, 시험결과를 비교 분석하였다. 분석 결과, 열저항 특성은 단위중량의 변화, 건조상태의 경우 최적함수비의 상태를 그대로 대기 중에 건조시킨 경우와 최초의 건조 상태에서의 열저항률의 차이 등을 고려하여야 하는 것으로 나타났다. 또한 최대밀도가 되도록 입도분포가 개선된 혼합재료는 원재료에 비해 열저항률을 크게 낮출 수 있는 것으로 나타났다.
지중송전관로의 되메움재로는 보통 강모래를 사용하고 있다. 그러나 강모래의 열저항률은 습윤시 $150^{\circ}C$-cm/Watt 정도이고 건조시에는 이보다 2배 이상의 값을 나타낸다. 연구의 최종목표는 함수비 변화에 따라 열저항률의 변화가 작은 재료(습윤시 열저항률 $50^{\circ}C$-cm/Watt, 건조시 열저항률 $100^{\circ}C$-cm/Watt를 목표로 함)의 개발이나, 이 연구에서는 강모래를 포함한 각종 되메움재 후보군에 대하여 함수비, 건조단위중량, 입도분포 등의 차이에 따른 열저항 특성을 탐침법에 의해 조사하고, 시험결과를 비교 분석하였다. 분석 결과, 열저항 특성은 단위중량의 변화, 건조상태의 경우 최적함수비의 상태를 그대로 대기 중에 건조시킨 경우와 최초의 건조 상태에서의 열저항률의 차이 등을 고려하여야 하는 것으로 나타났다. 또한 최대밀도가 되도록 입도분포가 개선된 혼합재료는 원재료에 비해 열저항률을 크게 낮출 수 있는 것으로 나타났다.
River sand has generally used for the backfill material of underground power cables. The thermal resistivity of it has $150^{\circ}C$-cm/Watt in wet condition and more than double in dry condition. The final goal of this study is to find the backfill material which has a small change in t...
River sand has generally used for the backfill material of underground power cables. The thermal resistivity of it has $150^{\circ}C$-cm/Watt in wet condition and more than double in dry condition. The final goal of this study is to find the backfill material which has a small change in thermal resistivity with various water contents, for example thermal resistivity is $50^{\circ}C$-cm/Watt and $100^{\circ}C$-cm/Watt in wet and dry conditions respectively. In this study it is presented that the comparison of thermal resistivity using stone powder, crush rock, weathered granite soil and Jumunjin sand as well as river sand in the needle method regarding water content, dry unit weight and particle size distribution. As a result, the thermal resistivity of a material is minimized when they have maximum dry unit weight at optimum moisture content and maximum density by appropriately mixing materials for particle size distribution. Therefore thermal resistivity characteristics should be considered two factors: one is the difference between natural dry condition and dry state after optimum moisture content, and the other is the difference between unit weight of raw material and maximum dry density.
River sand has generally used for the backfill material of underground power cables. The thermal resistivity of it has $150^{\circ}C$-cm/Watt in wet condition and more than double in dry condition. The final goal of this study is to find the backfill material which has a small change in thermal resistivity with various water contents, for example thermal resistivity is $50^{\circ}C$-cm/Watt and $100^{\circ}C$-cm/Watt in wet and dry conditions respectively. In this study it is presented that the comparison of thermal resistivity using stone powder, crush rock, weathered granite soil and Jumunjin sand as well as river sand in the needle method regarding water content, dry unit weight and particle size distribution. As a result, the thermal resistivity of a material is minimized when they have maximum dry unit weight at optimum moisture content and maximum density by appropriately mixing materials for particle size distribution. Therefore thermal resistivity characteristics should be considered two factors: one is the difference between natural dry condition and dry state after optimum moisture content, and the other is the difference between unit weight of raw material and maximum dry density.
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문제 정의
이와 같은 체계적인 연구를 통해 목표의 친환경 최적 열소산 되메움재가 개발된다면 지중송전효율 증대에 따른 경제성 향상과, 모래채취 및 운반에 따른 환경훼손 최소화 및 석분 및 쇄석 등 폐기물의 재활용이라는 경제적･환경적 측면에서 시너지효과를 제고 할 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구에서는 주로 되메움재로 사용되고 있는 강모래와 화강풍화토, 재생모래, 쇄석, 석분과 같은 되메움재 후보군에 대한 열저항 특성의 비교분석과 함수비, 단위중량, 배합비에 따른 열저항 특성의 변화를 평가하였다. 이와 같은 열저항 특성의 평가를 통해 향후의 연구방향을 모색하고자 한다.
이 연구의 최종 목적은 되메움 재료의 열저항률을 감소시키기 위해 그리고 지중 케이블시스템의 운영기간동안 낮은 열저항률을 유지하기 위해 사용될 수 있는 처리방법 또는 첨가재를 개발하는 것이다. 흙의 열저항률 결정에는 흙의 구성물질, 밀도, 함수비, 입자크기 및 형상, 입도분포, 온도, 다짐방법과 같은 인자들이 작용하나, 그 중 함수비, 입도분포, 단위중량 순으로 큰 영향을 미치는 것으로 조사되고 있다(Fukagawa et al.
이 연구에서는 주로 되메움재로 사용되고 있는 강모래와 화강풍화토, 재생모래, 쇄석, 석분과 같은 되메움재 후보군에 대한 열저항 특성의 비교분석과 함수비, 단위중량, 배합비에 따른 열저항 특성의 변화를 평가하였다. 이와 같은 열저항 특성의 평가를 통해 향후의 연구방향을 모색하고자 한다.
가설 설정
B. 블록형태의 입자가 둥근 입자보다 작은 열저항률을 보인다. 그러나 이러한 결론은 일반적으로 비교등급의 재료, 광물질 혼합과 밀도에 대한 비교가 이루어지지 않는 한 그 유효성은 제한된다.
제안 방법
또, 보호 열판 방법은 ASTM(American Society for Testing and Materials) C 177-10에 규정된 시험방법으로, 정상상태의 열흐름이 요구된다. 시료를 한 개의 발열판과 냉각판사이에 위치시켜 온도차를 측정하고, 평균온도를 이용하여 열저항률을 측정한다. 이 연구에서는 가장 보편적인 열탐침범을 사용하였다.
시료를 한 개의 발열판과 냉각판사이에 위치시켜 온도차를 측정하고, 평균온도를 이용하여 열저항률을 측정한다. 이 연구에서는 가장 보편적인 열탐침범을 사용하였다. 열탐침법은 유한하고 균질한 매체 내에서 선상의 열원을 따라 온도상승비율 측정에 근거한다.
이 연구에서는 우선 현장에서의 최적다짐상태를 고려하여 사진 2와 같이 수정다짐(D다짐)방법에 의해 수정다짐몰드(직경 15cm, 길이 17.5cm)에 건조상태와 함수비(ω) 5%의 상태, 최적함수비상태, 최적함수비에서 다짐 후 건조된 상태에 대한 각각의 시료를 제작하였고, 탐침의 삽입을 위해 시료제작 후 보링을 하게 되면 시료가 교란되어 정확한 열저항률의 측정이 어려우므로 TP-02와 같은 스테인리스 재질의 케이싱을 미리 삽입한 후 다짐을 실시하여 시료가 균질한 상태를 유지할 수 있도록 하였다.
이 연구에서는 탐침법을 적용하여 되메움재의 열저항률을 파악하기 위해 Hukseflux사의 열전도율 측정장치인 TP System을 시험에 사용하였다. 그림 1은 실험실 또는 현장에서의 열 저항률 측정시에 요구되는 TP System 장치의 개요를 나타낸 것이다.
제작된 시료에 TP System과 연결한 TP-02를 삽입하여 사진 3과 같이 열저항률을 측정하였다. 시험이 종료된 후 단위중량과 함수비를 측정한다.
탐침의 내부에는 열선(heating wire)과 2개의 열전대(thermocouple)가 존재하며, TP-02를 사용한 열저항률의 측정은 열선을 통해 일정한 열을 공급하여 온도경사에 의해 열이 상대적으로 저온부인 선단부로 흐르게 하고 2개의 열전대에서 각각의 온도를 측정하여 시간에 따른 온도 차이와 공급열량을 고려하여 열저항률을 측정한다.
대상 데이터
시험에 사용된 시료는 강모래와 강모래+재생모래, 화강풍화토, 재생모래, 쇄석, 쇄석+재생모래, 쇄석+재생모래+ 플라이애쉬(fly-ash) 및 석분이다. 시험내용은 표 1에 나타내었다.
이론/모형
Rhometer법은 정상상태에서 방사열 흐름 이론을 토대로 한 시험법으로, 시료를 내부원통과 외부원통을 각각 열원과 히터싱크(heater sink)로 구성된 동축 원통사이에 넣어서 정상상태인 두 원통사이의 온도차를 실측하는 방법으로 열저항률을 측정하는 방법이다. 또, 보호 열판 방법은 ASTM(American Society for Testing and Materials) C 177-10에 규정된 시험방법으로, 정상상태의 열흐름이 요구된다. 시료를 한 개의 발열판과 냉각판사이에 위치시켜 온도차를 측정하고, 평균온도를 이용하여 열저항률을 측정한다.
성능/효과
(1) 강모래의 열저항률은 함수비가 커질수록 감소하나, 다짐곡선에서 함수비가 증가함과 동시에 건조단위중량도 증가하고 있으므로 단위중량의 변화를 간과해서는 안된다.
(2) 최적함수비의 상태를 그대로 대기중에 건조시킨 경우의 열저항률은 최초의 건조상태에서의 열저항률에 비해 개략 1/2정도의 매우 작은 값을 보이고 있다.
(4) 입도분포에 큰 차이가 보이지 않는 강모래와 화강풍 화토의 열저항률 특성은 유사한 것으로 나타났다.
(5) 입자크기가 열저항률에 미치는 영향도 다소 크나, 입자크기가 작을수록 유효접촉면적의 감소로 열저항률은 증가한다.
(6) 최대밀도를 얻을 수 있도록 입도분포가 개선된 혼합 재료(쇄석(90%)+재생모래(5%)+플라이애쉬(5%))의 열저항률은 원재료(쇄석)에 비해 크게 낮아진다.
A. 일련의 실내실험에서 1mm 보다 큰 입자들은 200정도의 열 저항률을 가지고 있으나, 입자크기가 감소함에 따라 세립질로 분해되었을 때는 300정도로 상승한다.
그림 4(a)에서 우측 상단에 나타낸 그림은 이 연구에서의 화강풍화토(■)에 대한 다짐곡선이다. 다짐곡선에 따르면 이 연구에서의 화강풍화토의 최대건조단위중량은 18.8kN/m3이고 건조시(함수비 0%)의 건조단위중량은 16.6kN/m3로 최적함수비시(이 연구에서의 화강풍화토, 11%)의 건조단위중량의 86% 정도이다. 이 연구에서의 화강풍화토의 최적함수비가 11%이므로 그림 4(a)에서의 열저항률의 감소경향에서 강모래의 경우와 마찬가지로 함수비가 증가함과 동시에 건조단위중량도 증가하고 있다는 사실을 간과해서는 안된다.
이 그림에서 특이한 것은 최적함수비의 상태를 그대로 대기중에 건조시킨 경우(dry after optimum state)(▼)의 열저항률(범위: 180∼142)은 최초의 건조상태에서의 열저항률(범위: 378∼254)에 비해 개략 1/2정도의 매우 작은 값을 보이고 있다는 것이다. 따라서 열저항률의 되메움재료는 최적다짐을 통해 자연 건조시에도 최초부터 건조상태에서 다짐하는 경우에 비해 보다 작은 열저항률을 유지할 수 있을 것으로 판단된다. 그림 3(a)에서 화살표(→)는 그림 3(b)의 함수상태에 따른 시험 순서를 나타낸다.
그림 5(a)는 이 연구에서 선정한 되메움재 후보군(강모래, 재생모래, 풍화토, 쇄석, 석분)의 함수비 변화에 따른 열저항률의 변화추이를 나타내고 있다. 위에서 검토하였듯이 모든 경우에서 함수비 증가에 따라 열저항률은 감소하고 있고, 최적함수비 상태에서 가장 작은 열저항률을 나타내고 있으나, 이후 함수비를 감소시켜 가면 최초의 건조 상태에 비해 최적함수비상태에서 자연건조시킨 경우가 열저항률이 최대 1/2이하로 감소하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 시공과정을 고려한다면, 건조시의 열저항률은 최적다짐후의 자연건조과정을 거쳐 최적다짐과 동일한 건조단위중량에서 열저항률을 측정하여야 할 것으로 판단된다.
그림에서 좌측 상단에 나타낸 그림은 이 연구에서의 강모래(river sand)(▲)에 대한 다짐곡선이다. 이 연구에서의 강모래의 최대건조단위중량은 18.6kN/m3이고 건조시(함수비 0％)의 건조단위중량은 16kN/m3로 최적함수비시(이 연구에서의 강모래, 10.6％)의 건조단위중량의 84％ 정도이다. 이 연구에서의 강모래의 최적함수비가 10.
후속연구
(3) 건조시의 열저항률은 최적다짐후의 자연건조과정을 거쳐 최적다짐과 동일한 건조단위중량에서 열저항률을 측정하여야 할 것으로 판단된다.
이는 계측값의 경우 함수비가 증가 함에 따라 건조단위중량도 증가할 경우의 값이나, 식에 의한 값은 모두 동일한 건조단위중량에서의 값을 나타내고 있기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 건조시의 열저항률은 최적다짐후의 자연건조과정을 거쳐 최적다짐과 동일한 건조단위중량에서 열저항률을 측정하여야 할 것으로 판단된다.
위에서 검토하였듯이 모든 경우에서 함수비 증가에 따라 열저항률은 감소하고 있고, 최적함수비 상태에서 가장 작은 열저항률을 나타내고 있으나, 이후 함수비를 감소시켜 가면 최초의 건조 상태에 비해 최적함수비상태에서 자연건조시킨 경우가 열저항률이 최대 1/2이하로 감소하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 시공과정을 고려한다면, 건조시의 열저항률은 최적다짐후의 자연건조과정을 거쳐 최적다짐과 동일한 건조단위중량에서 열저항률을 측정하여야 할 것으로 판단된다. 식 (5)에 따르면, 동일재료일 경우 건조단위중량이 증가할 수록 열저항률은 감소하게 되어 있는데, 토질재료의 다짐 곡선에서 최대건조단위중량을 얻을 수 있는 것은 최적함 수비의 경우이므로 당연한 결과이나, 동식에서 함수비가 무한대로 커진다고 해서 열저항률이 무한대로 작아지지는 않는다.
다만 그림 5(b)에서 쇄석, 재생모래, 강모래 등의 입도분포가 식 (6)에 의한 입도분포에 비하여는 세립분의 분포가 결여되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 이들 재료에 세립분의 재료를 추가한다면 보다 큰 밀도를 얻을 수 있고, 즉 보다 작은 간극비를 얻을 수 있고, 결과적으로 보다 작은 열저항률을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 그림 6(b)는 쇄석(●), 식 (6)(■) 및 쇄석의 입도분포를 식 (6)에 근접하게 만들기 위해 쇄석+재생모래 5%+플라이애쉬 5%의 혼합재료에 대한 입도분포(▲)를 나타내고 있다.
이와 같은 혼합재료에 대하여, 다짐특성, 관로 주변 온도변화에 따른 함수특성, 열저항 특성 등을 다양한 현장조건과 시공성을 고려한 평가를 통해 열 저항률을 최소화 할 수 있는 되메움재의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 이와 같은 체계적인 연구를 통해 목표의 친환경 최적 열소산 되메움재가 개발된다면 지중송전효율 증대에 따른 경제성 향상과, 모래채취 및 운반에 따른 환경훼손 최소화 및 석분 및 쇄석 등 폐기물의 재활용이라는 경제적･환경적 측면에서 시너지효과를 제고 할 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구에서는 주로 되메움재로 사용되고 있는 강모래와 화강풍화토, 재생모래, 쇄석, 석분과 같은 되메움재 후보군에 대한 열저항 특성의 비교분석과 함수비, 단위중량, 배합비에 따른 열저항 특성의 변화를 평가하였다.
따라서, 석분과 같은 재료를 주재료로 하여 낮은 열저항률을 유지하기 위한 함수정도, 다짐밀도 등의 영향을 최소화하기 위해 쇄석, 모래 등의 기존의 되메움재 재료를 일정배율로 혼합한 혼합토에 대한 열저항 특성의 검토가 필요하다. 이와 같은 혼합재료에 대하여, 다짐특성, 관로 주변 온도변화에 따른 함수특성, 열저항 특성 등을 다양한 현장조건과 시공성을 고려한 평가를 통해 열 저항률을 최소화 할 수 있는 되메움재의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 이와 같은 체계적인 연구를 통해 목표의 친환경 최적 열소산 되메움재가 개발된다면 지중송전효율 증대에 따른 경제성 향상과, 모래채취 및 운반에 따른 환경훼손 최소화 및 석분 및 쇄석 등 폐기물의 재활용이라는 경제적･환경적 측면에서 시너지효과를 제고 할 수 있을 것으로 판단된다.
그림에서 입도분포가 개선된 혼합재료의 열저항률은 쇄석에 비해 크게 낮아지고 있음을 알 수 있다. 추후 미세 혼합재료를 달리하여 이 부분에 대한 검증을 추가할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
관로주변의 되메움재의 열저항률은 무엇에 따라 변화하는가?
지중송전관로의 송전용량의 증대를 위해서는 전압 및 전류를 증가시켜야하나, 이들의 증가는 관로내의 열 발생의 증가를 초래한다. 한편 관로주변의 되메움재의 열저항률은 함수비에 따라 변화한다. 따라서 통상적인 열(약 60℃)이 발생되고 있을 경우라 하더라도, 건조시에는 되메움재의 열저항 특성에 따라 열폭주(thermal runaway)현상이 발생하여 케이블의 절연파괴를 일으키거나 송전효율의 저하 요인이 된다(한국전력공사 전력연구원, 2003).
흙의 열저항률 결정에는 어떤 인자들이 작용하는가?
이 연구의 최종 목적은 되메움 재료의 열저항률을 감소시키기 위해 그리고 지중 케이블시스템의 운영기간동안 낮은 열저항률을 유지하기 위해 사용될 수 있는 처리방법 또는 첨가재를 개발하는 것이다. 흙의 열저항률 결정에는 흙의 구성물질, 밀도, 함수비, 입자크기 및 형상, 입도분포, 온도, 다짐방법과 같은 인자들이 작용하나, 그 중 함수비, 입도분포, 단위중량 순으로 큰 영향을 미치는 것으로 조사되고 있다(Fukagawa et al., 1974).
송전관로 주변의 되메움재는 발생열을 신속하게 소산시킬 수 있는 재료, 함수비 변화에 따라 열저항률의 변화가 작은 재료(습윤시 열저항률 50℃-cm/Watt, 건조시 열저항률 100℃-cm/Watt를 목표로 함)의 사용이 요구되는 이유는 무엇인가?
지중송전관로의 송전용량의 증대를 위해서는 전압 및 전류를 증가시켜야하나, 이들의 증가는 관로내의 열 발생의 증가를 초래한다. 한편 관로주변의 되메움재의 열저항률은 함수비에 따라 변화한다. 따라서 통상적인 열(약 60℃)이 발생되고 있을 경우라 하더라도, 건조시에는 되메움재의 열저항 특성에 따라 열폭주(thermal runaway)현상이 발생하여 케이블의 절연파괴를 일으키거나 송전효율의 저하 요인이 된다(한국전력공사 전력연구원, 2003). 따라서 송전관로 주변의 되메움재는 발생열을 신속하게 소산시킬 수 있는 재료, 함수비 변화에 따라 열저항률의 변화가 작은 재료(습윤시 열저항률 50℃-cm/Watt, 건조시 열저항률 100℃-cm/Watt를 목표로 함)의 사용이 요구된다.
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