[논문]유한요소법을 이용한 초고압 케이블 수직구간 활락 안전성에 관한 연구

이지훈; 최성국; 임익순

유한요소법을 이용한 초고압 케이블 수직구간 활락 안전성에 관한 연구
A Study on the Slipping Down Safety of Vertical Interval for High Voltage Cable using FEM 원문보기

이지훈 (대한전선(주)) , 최성국 (대한전선(주)) , 임익순 (대한전선(주))

본 연구는 154 kV, 345 kV급 초고압 케이블의 수직구간 활락 안전성에 대한 평가를 진행하였다. 안전성에 대한 평가는 유한요소해석법을 이용하여 진행하였으며, 당사에서 제작한 케이블 및 클리트에 대하여 케이블의 자중과 발열에 따른 제품 내부의 응력과 케이블의 변형량에 초점을 맞추어 비교 분석하였다. 해석 결과, 하중 및 발열에 대해 재료의 인장강도 측면에서 충분한 안전율을 가지고 있는 것으로 나타났으며, 변위 해석 또한 최대 변위 발생부가 최대 응력 발생부와 관계없는 케이블 끝단에서 나타나는 것으로 볼 때, 재료 건전성 측면에서 안전한 것으로 해석되었다. 본 연구는 향후 경사지나 수직구간의 포설 설계시 해석적 방법으로 포설 안전성을 확보하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

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문제 정의

본 해석에서는 케이블의 자중 및 발열 조건에 따라 케이블 및 클리트에 발생하는 von Mises stress와 케이블의 변위 정도에 대하여 해석하였다. Von Mises stress는 케이블 발열 조건 및 자중에 따라 클리트가 받게 되는 내부응력을 나타낸다.

가설 설정

모델에 적용된 하중 조건은 케이블 자중에 의한 하중과 케이블 운용에 따른 발열상태를 모사하여 해석하였다. 케이블의 자중은 케이블 제작에 사용된 자재들의 비중에 따라 수직 하중으로 적용되었으며, 발열 조건은 케이블의 운용상 최대 90 ℃의 온도가 도체에서 발열하였을 경우를 가정하여 해석하였다.

제안 방법

구속 경계 조건은 볼트가 고정될 클리트의 나사 체결부를 에서와 같이 완전 고정하여 자유도를 제한하였고, 케이블과 클리트 사이의 경계에는 억지끼워맞춤 조건과 마찰 조건을 부여하여 접촉 상태를 설정하였다.
해석에 사용된 모델은 154 kV 2000 SQ와 345 kV 2500 SQ 케이블 모델이며, 유한요소해석에 용이하도록 케이블 내부의 구조는 최대한 단순화하여 모델링하였다. 그러나 단순화한 모델의 자중에 의한 영향을 클리트 금구류에 반영할 수 있도록, 해석 시에는 생략한 자중의 영향을 해석모델에 단위중량으로 계산하여 적용하였다.
모델에 적용된 하중 조건은 케이블 자중에 의한 하중과 케이블 운용에 따른 발열상태를 모사하여 해석하였다. 케이블의 자중은 케이블 제작에 사용된 자재들의 비중에 따라 수직 하중으로 적용되었으며, 발열 조건은 케이블의 운용상 최대 90 ℃의 온도가 도체에서 발열하였을 경우를 가정하여 해석하였다.
본 연구에서 유한요소 해석을 위한 요소망은 원형 구조물의 특성을 반영하여 요소를 세분화하였다. 케이블의 경우 육면체 요소로 분할하였고, 클리트의 경우에는 사면체 요소(parabolic tetrahedron)로 작업하였다.
본 연구에서는 실제 설치 및 운용 예정인 전력구 수직 구간의 설계사항을 구조화시켜, 금구류에 장착된 지중케이블의 활락 안전성에 대한 평가를 실시하였으며, 또한 케이블 자중에 의한 금구류의 강도 안전성을 확인하여 그 결과를 비교하였다.

대상 데이터

해석에 사용된 모델은 154 kV 2000 SQ와 345 kV 2500 SQ 케이블 모델이며, 유한요소해석에 용이하도록 케이블 내부의 구조는 최대한 단순화하여 모델링하였다. 그러나 단순화한 모델의 자중에 의한 영향을 클리트 금구류에 반영할 수 있도록, 해석 시에는 생략한 자중의 영향을 해석모델에 단위중량으로 계산하여 적용하였다.

성능/효과

유한요소법을 이용하여 154 kV, 345 kV급 케이블에 대하여 수직구간에서의 활락 안전성에 대한 유한요소해석을 진행한 결과, 당사에서 제작한 케이블 및 클리트의 자중과 발열에 따른 응력 발생에서는 재료의 인장강도 내에서 충분한 안전율을 가지고 있는 것으로 나타났다. 또한 변위 해석 결과에서 최대 변위 발생부가 최대 응력 발생부와 관계없는 케이블 끝단에서 나타나는 것으로 볼 때, 재료 건전성 측면에서 안전한 것으로 사료된다.
응력의 차이가 보이는 이유는 먼저, 154 kV 케이블과 345 kV 케이블에 사용되는 클리트의 구조적 차이와 크기가 다른데 원인이 있다. 또한, 동일 간격의 클리트를 비교하여 보았을 때에는 154 kV용 클리트보다 345 kV용 클리트에서 작은 응력이 나타났는데 이는 345 kV 용 클리트가 더 안전한 설계가 되었다고 할 수 있다. 그리고 345 kV용 클리트에서는 클리트간 간격차로부터 단일 클리트가 지지하는 케이블 하중의 양이 더 크기 때문에 클리트 사이의 거리가 먼 2.
유한요소법을 이용하여 154 kV, 345 kV급 케이블에 대하여 수직구간에서의 활락 안전성에 대한 유한요소해석을 진행한 결과, 당사에서 제작한 케이블 및 클리트의 자중과 발열에 따른 응력 발생에서는 재료의 인장강도 내에서 충분한 안전율을 가지고 있는 것으로 나타났다. 또한 변위 해석 결과에서 최대 변위 발생부가 최대 응력 발생부와 관계없는 케이블 끝단에서 나타나는 것으로 볼 때, 재료 건전성 측면에서 안전한 것으로 사료된다.
해석에 따른 von Mises stress 및 안전율과 케이블 변위를 <표 2> 에 나타냈다. 해석 결과, 케이블 자중과 발열에 따른 응력은 세 가지 해석 모델의 경우에서 동일하게 클리트 볼트 체결부에서 가장 크게 나타났으며, 해당되는 응력은 모든 경우에서 클리트의 인장강도 대비 안전율 5 이상의 값을 가지므로 케이블 및 클리트 안전성에는 큰 문제가 없다고 사료된다. 응력의 차이가 보이는 이유는 먼저, 154 kV 케이블과 345 kV 케이블에 사용되는 클리트의 구조적 차이와 크기가 다른데 원인이 있다.

후속연구

본 해석은 케이블의 코어 활락에 관해서는 해석의 복잡성으로 동시에 검토하지 않았으므로, 향후 코어 활락에 관한 추가적인 해석을 진행해야 할 것으로 사료된다. 또한 실제 실험을 통한 해석 결과와의 비교 연구를 통해 해석의 신뢰성 입증 및 복합적 비교 또한 수반되어야 할 것으로 사료된다.
본 해석은 케이블의 코어 활락에 관해서는 해석의 복잡성으로 동시에 검토하지 않았으므로, 향후 코어 활락에 관한 추가적인 해석을 진행해야 할 것으로 사료된다. 또한 실제 실험을 통한 해석 결과와의 비교 연구를 통해 해석의 신뢰성 입증 및 복합적 비교 또한 수반되어야 할 것으로 사료된다.

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