[논문]송전선로 ACSR 케이블의 산화에 따른 결빙 특성 평가

조희재; 김유섭; 정용찬; 이수열

doi:10.3740/mrsk.2019.29.6.378

문제 정의

본 연구에서는, 산화 정도에 따른 ACSR 케이블의 결빙 강도를 평가하기 위해, 자연 산화된 ACSR 케이블과 유사한 표면 특성을 가지는 판상(plate) 형태의 표준 시편을 건식 산화를 통해 제작하였다. 또한 건식 산화된 표준산화시편의 표면특성인자(표면 에너지, 조도)와 결빙 특성의 상관관계를 도출하고, 이에 대한 종합적인 모델링을 수행함으로써 현장에 설치된 ACSR 케이블의 결빙 강도를 예측 및 진단하고자 한다.
본 연구에서는 빙설해 지역에서 산화된 ACSR 케이블과 유사한 표면 특성을 갖는 표준산화시편을 제작하기 위해 150*70*1t mm 크기의 판상 시편을 제작하고 건식산화를 진행하였다. 알루미늄의 용융점 660 °C 이하 온도인 500 °C에서 고온 건식 산화 방법을 적용하였으며,산화 시간에 따른 표면특성인자(표면 에너지, 조도)와 결빙강도와의 상관관계를 도출하기 위해 산화 시간 별로 표준산화시편을 제작하였다.
본 연구에서는 현장 송전 및 배전 선로에 사용되는 신제, 7년제, 15년제 ACSR 케이블의 결빙 강도를 간접적으로 평가하였다.
본 연구에서는, 산화 정도에 따른 ACSR 케이블의 결빙 강도를 평가하기 위해, 자연 산화된 ACSR 케이블과 유사한 표면 특성을 가지는 판상(plate) 형태의 표준 시편을 건식 산화를 통해 제작하였다. 또한 건식 산화된 표준산화시편의 표면특성인자(표면 에너지, 조도)와 결빙 특성의 상관관계를 도출하고, 이에 대한 종합적인 모델링을 수행함으로써 현장에 설치된 ACSR 케이블의 결빙 강도를 예측 및 진단하고자 한다.

제안 방법

판상 형태의 표준산화시편의 접촉각 및 표면 에너지는 KRUSS DSA 30을 통해 정적 접촉각 측정법으로 측정하였다. ACSR 케이블의 표면 에너지는 ISO 8296에 명시된 ARCOTEST Dyne testing pen으로 측정하였다. 표면의 거칠기는 표면 조도계 MitutoyoSJ-310와 원자 현미경(atomic force microscope) Asylum Research Cypher S를 이용하여 측정하였다.
표준산화시편의 표면에 정제수(deionized water)를 이용하여 영하 20 °C 환경에서 약 4시간 동안 충분히 얼음을 냉각시킨 후, 시편에 대한 결빙 강도 평가 실험을 진행하였다. 결빙 강도 평가 실험은 표준산화시편 표면에 부착된 얼음을 로드셀(load cell)로 2 mm/min로 전단 변형을 가하면서 진행하였으며, 결빙 강도 산출 식은 다음의 식과 같다.
는 얼음과 표면의 접촉한 면적을 의미한다. 결빙 강도는 표준산화시편의 위치별로 3곳을 선정하여 총 9번 측정하고 이에 대한 평균값을 사용하였다. 시편 간 결빙 강도의 표준화(normalizing)를 위해 adhesion reduction factor (ARF)를 산출하였으며, 다음 식과 같다.
산화 시간에 따른 표면특성인자의 변화를 살펴보기 위해 판상형 시편을 대상으로 500 °C에서 20분, 60분, 120분 건식 열처리를 하고, 이 시편은 각각 Al-20, Al-60,Al-120으로 표기하였다.
산화 정도에 따른 ACSR 케이블의 결빙 강도를 평가하기 위해, 자연 산화된 ACSR 케이블과 유사한 표면 특성을 가지는 판상 형태의 표준 시편을 건식 산화를 통해 제작하였으며, 건식 산화된 표준산화시편의 표면특성 인자(표면 에너지, 조도)와 결빙 강도의 상관관계를 도출하였다.
알루미늄의 용융점 660 °C 이하 온도인 500 °C에서 고온 건식 산화 방법을 적용하였으며,산화 시간에 따른 표면특성인자(표면 에너지, 조도)와 결빙강도와의 상관관계를 도출하기 위해 산화 시간 별로 표준산화시편을 제작하였다.
판상 형태의 표준산화시편의 결빙 강도는 Fig. 2에서 도시한 결빙 강도 평가 시험기(ice pull-off tester)를 이용하여 측정하였다. 표준산화시편의 표면에 정제수(deionized water)를 이용하여 영하 20 °C 환경에서 약 4시간 동안 충분히 얼음을 냉각시킨 후, 시편에 대한 결빙 강도 평가 실험을 진행하였다.
표준산화시편을 통해 산출한 표면특성인자-결빙 강도 모델링 그래프를 바탕으로 ACSR 케이블의 표면특성인자(표면 에너지, 조도)값을 대응해봄으로써, 현장의 ACSR 케이블의 결빙 강도를 평가해보았다.
표준산화시편의 표면에 정제수(deionized water)를 이용하여 영하 20 °C 환경에서 약 4시간 동안 충분히 얼음을 냉각시킨 후, 시편에 대한 결빙 강도 평가 실험을 진행하였다.

대상 데이터

ACSR 케이블은 KS C 3113규격으로 제작된 신품(공칭 단면적=330 mm²)과 한국의 빙설해 지역인 백봉령 345 kV 선로에 7년, 15년 동안 산화된 전선 2종을 사용하였다. 판상 표준산화시편은 ACSR 케이블의 소재와 동일한 Al 6061-T6 합금을 사용하였다.
ACSR 케이블의 산화 표면 분석을 위해 광학 현미경(optical microscope) Olympus BX51M와 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) TESCAN Lyra3XMU를 이용하였다. 판상 형태의 표준산화시편의 접촉각 및 표면 에너지는 KRUSS DSA 30을 통해 정적 접촉각 측정법으로 측정하였다.
)과 한국의 빙설해 지역인 백봉령 345 kV 선로에 7년, 15년 동안 산화된 전선 2종을 사용하였다. 판상 표준산화시편은 ACSR 케이블의 소재와 동일한 Al 6061-T6 합금을 사용하였다.

데이터처리

광택은 sheen micro gloss 이용하여 중 광택 60° 방법으로 측정하였다. 표면 에너지, 조도, 명도, 광택은 시편 위치 별로 10회 이상 측정한 평균값으로 특성 변화를 비교하였다.
표면특성인자(표면 에너지, 조도)는 결빙 강도와 밀접한 연관성을 가짐을 확인하였으며, 측정값을 바탕으로 회귀 분석법을 통해 볼츠만 함수를 따르는 상관 관계식을 도출하였다.
현장의 ACSR 케이블의 결빙 강도를 평가하기 위해,표준산화시편을 대상으로 표면특성인자(표면 에너지, 조도)와 결빙 강도와의 상관관계를 회귀분석방법(regressionanalysis)을 통해 관계식을 도출하였다. 표면특성인자와 결빙 강도는 볼츠만 함수(boltzmann function)을 따르는 비선형적인 함수의 상관관계를 가졌으며, 볼츠만 함수(boltzmann function)는 다음의 Eq.

이론/모형

표면의 거칠기는 표면 조도계 MitutoyoSJ-310와 원자 현미경(atomic force microscope) Asylum Research Cypher S를 이용하여 측정하였다. Roughness parameter는 average roughness(Ra)와 root mean square(RMS) roughness를 사용하였다. 명도는 KONICAMINOLTA CM-2500d를 이용하여 Specular component included (SCI, 정반사광 포함) 방법으로 명도를 측정하였다.
5(b)와 같이 물방울은 기판 방향으로 넓게 퍼지게 되는데, 이러한 경향성은 액체와 고체 표면 사이의 접합 일(work of adhesion)의 증가를 의미한다. Schrader 는 젖음성(wettability)과 표면 에너지의 관계를 접합 일로 나타내었으며, Young-Dupre 방정식으로 접합 일을 정의하였다.^14,15)
광택은 sheen micro gloss 이용하여 중 광택 60° 방법으로 측정하였다.
Roughness parameter는 average roughness(Ra)와 root mean square(RMS) roughness를 사용하였다. 명도는 KONICAMINOLTA CM-2500d를 이용하여 Specular component included (SCI, 정반사광 포함) 방법으로 명도를 측정하였다. 광택은 sheen micro gloss 이용하여 중 광택 60° 방법으로 측정하였다.
ACSR 케이블의 산화 표면 분석을 위해 광학 현미경(optical microscope) Olympus BX51M와 주사 전자 현미경(scanning electron microscope) TESCAN Lyra3XMU를 이용하였다. 판상 형태의 표준산화시편의 접촉각 및 표면 에너지는 KRUSS DSA 30을 통해 정적 접촉각 측정법으로 측정하였다. ACSR 케이블의 표면 에너지는 ISO 8296에 명시된 ARCOTEST Dyne testing pen으로 측정하였다.
ACSR 케이블의 표면 에너지는 ISO 8296에 명시된 ARCOTEST Dyne testing pen으로 측정하였다. 표면의 거칠기는 표면 조도계 MitutoyoSJ-310와 원자 현미경(atomic force microscope) Asylum Research Cypher S를 이용하여 측정하였다. Roughness parameter는 average roughness(Ra)와 root mean square(RMS) roughness를 사용하였다.

성능/효과

7은 AFM을 이용한 Fig. 6(b)의 3D-profile 이미지로써 자연적으로 산화된 ACSR 케이블과 본 연구에서 제작한 건식 표준산화시편의 표면 이미지와 조도 값이 유사함을 확인하였다. 본 연구의 ACSR 케이블의 결빙 강도 평가방법은 빙설해 지역에 설치된 ACSR 케이블의 결빙 특성 진단 및 안전성 향상에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
1(d)와 같이 상하에 위치한 전선들이 서로 부딪힐 수 있다.³⁾ 갤러핑으로 인한 사고(galloping failure)는 급격한 전압 강하로 인한 전기 품질에 상당한 영향을 미칠 뿐 아니라, 선간 단락 사고 등 매우 큰 손실로 이어질 수 있다.⁴⁾ 이러한 빙설해 문제를 해결하기 위해서 난착설 링, 완충기, 상간 스페이서, 난착설 테이프 등을 ACSR 케이블에 적용하여 착빙에 의한 빙설해 사고빈도를 감소시키고 있지만, 빙설해 사고를 완전히 방지할 수 없다.
³⁾ 갤러핑으로 인한 사고(galloping failure)는 급격한 전압 강하로 인한 전기 품질에 상당한 영향을 미칠 뿐 아니라, 선간 단락 사고 등 매우 큰 손실로 이어질 수 있다.⁴⁾ 이러한 빙설해 문제를 해결하기 위해서 난착설 링, 완충기, 상간 스페이서, 난착설 테이프 등을 ACSR 케이블에 적용하여 착빙에 의한 빙설해 사고빈도를 감소시키고 있지만, 빙설해 사고를 완전히 방지할 수 없다.⁵⁾ 이에, 산간지역이나 혹한 지역에 설치된 ACSR 케이블의 산화에 따른 결빙 강도를 파악하여 빙설해 사고를 방지하는 것은 중요한 문제로 대두되고 있다.
Al-bare의 표면 에너지 36.2 mN/m 비해 Al-120 표면 에너지는 49.4mN/m로써, 약 1.3배 증가하였고, Al-bare의 표면 조도(Ra roughness)는 0.34 µm였으나, Al-120의 표면 조도 0.71 µm로 Al-bare 대비 약 2.0배 증가하였다.
결빙 강도는 ACSR-15y > ACSR-7y > ACSR-Bare의 관계를 가졌으며, 산화된 ACSR 케이블은 신제 ACSR 케이블에 비해 약 8배 이상의 높은 결빙 강도를 가졌다.
4의 (c), (d)에 나타내었다. 산화 시간이 증가함에 따라 명도와 광택은 모두 감소하는 경향을 보였다. 이는 짙은 회색을 띄는 불균일하게 분포하는 산화막[Al₂O₃, Al(OH)₃]이 거친 표면을 형성하고, 표면 texture로 인해 산란, 흡수 현상이 증가하였기 때문이다.
99)로 도출되었다. 표준산화시편의 표면특성인자-결빙 강도 모델링 결과를 바탕으로 ACSR 케이블의 표면특성인자(표면 에너지, 조도)값을 그래프에 대응하였을 때, Al-bare의 결빙 강도는 약 100 kPa, ACSR-7y는 700~750 kPa, 그리고 ACSR15y는 약 800~900 kPa로 예측할 수 있다. Fig.

후속연구

6(b)의 3D-profile 이미지로써 자연적으로 산화된 ACSR 케이블과 본 연구에서 제작한 건식 표준산화시편의 표면 이미지와 조도 값이 유사함을 확인하였다. 본 연구의 ACSR 케이블의 결빙 강도 평가방법은 빙설해 지역에 설치된 ACSR 케이블의 결빙 특성 진단 및 안전성 향상에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

송전선로 ACSR 케이블의 산화에 따른 결빙 특성 평가
Evaluation of Ice Adhesion Strength on the Oxidation of Transmission Line ACSR Cable 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

송전선로 ACSR 케이블의 산화에 따른 결빙 특성 평가 Evaluation of Ice Adhesion Strength on the Oxidation of Transmission Line ACSR Cable 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

조희재 (1) 김유섭 (1) 이수열 (21)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

송전선로 ACSR 케이블의 산화에 따른 결빙 특성 평가
Evaluation of Ice Adhesion Strength on the Oxidation of Transmission Line ACSR Cable 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper