붕소계 수지를 이용한 내부식 전선의 개발 및 현장 적용 현장 적용 후에도 충분한 내부식 성능을 발휘
도쿄전력주식회사(東京電力株式會社) 이소사기 마사노리(磯崎正則) 다나카 카즈시게(田中 一成)
시작하며
현재 가공 송전소에서 사용되는 전선은 1920년에 일본 내에서 처음 채택된, 외층에 알루미늄선(Al선)을 사용한 알루미늄계 전선(강심 알루미늄보다 선(ACSR))이 주류이다. 알루미늄계 전선의 구조는 인장이 강하고 큰 강선(St선)을 합쳐서 꼰 강철보다 선을 중심으로, 그 주위에 Al선을 합쳐서 꼰 구성으로 되어 있다(<그림1>).
한편 가공 송전선은 산간지, 시가지, 공업 지대, 해안 접근 지대 등 다양한 환경과 지역을 통과하고 있다. 이 중 공업 지대와 해안 접근 지대를 통과하는 알루미늄계 송전선의 극히 일부로 최근 굴뚝에서의 배연(특히 염화수소계 가스)과 해염 입자 등으로 인해 심하게 부식되는 사례가 있어 그 대책이 과제로 남아 있다.
전선에 대한 방식 대책은 기존의 그리이스 상태의 방식제를 전선에 도포하는 것으로 실시되었다. 이 단면 구조를 <그림2>에 나타낸다.
그러나 기존의 대책은 심한 부식 환경(강산성: pH 0.5 정도)에서 수년간 그 효과가 없을 때가 많았다. 그래서 장기간에 걸쳐 내식성을 유지할 수 있는 새로운 대책 기술이 요구되어 내부식 전선을 개발했다. 실 선로에 적용해 약 1년이 경과했기 때문에 그 상황도 포함해 소개한다.
개발 목표
종래의 그리이스에 의한 방식 대책은 제조와 시공 시에 그리이스 얼룩이 발생할 가능성이 있다. 또한 도포 두께가 얇아 부식이 발생했을 때 부식이 부분적으로 진행될 가능성을 생각할 수 있다. 또 그리이스 성상이 변하기 전에 정기적인 덧칠이 필요하다. 이 때 오래된 그리이스는 부식으로 이어진 성분이 흡수되어 있을 때가 많은데 이것을 그대로 둔 채 새로운 그리이스를 도포하면 방식 효과가 충분히 발휘되지 않을 경우도 생각할 수 있다. 이 때문에 오래된 그리이스를 깨끗이 없애야 한다. 또한 이들 작업 시에는 작업복과 공구 등이 그리이스에 의해 오염되어 손상되는 등 보수에 꽤 손이 간다는 것이 문제가 된다.
이 때문에 전선을 구성하는 소선에 균일하게 장기간(30년 정도) 방식 효과(특히 염화수소가스에 대해서)가 있는 물질을 도포해 현재 전선에 많이 사용되고 있는 ACSR 및 강심 내열 알루미늄 합금에서 선(TACSR)과 동등한 성능 확보를 목표로 개발했다.
내부식 전선의 개요
1. 방식물질의 선정
소선에 방식물질을 균일하게 도포하는 방법으로는 수지를 피복하는 방법과 금속을 만드는 방법을 생각할 수 있기 때문에 8종류의 내부식성 수지와 2종류의 내부식 금속을 가지고 소선에 도포해 내부식의 성능 평가를, 염화수소수용액(HCL : pH=0.5)에 대한 침적시험을 했다. 또 전선으로의 사용을 고려해 대열성과 내후성, 비용, 전선 제조 시에서 과제의 유무에 대해서도 맞춰 평가했다(<표1>). 이 결과 재부식성 수지는 붕소계, 아크릴계, 에폭시계, 우레탄계 및 세라믹 함유 수지가 내부식성에 뛰어나다는 것을 확인할 수 있었는데 에폭시계, 우레탄계는 내후성에, 아크릴계는 내열성에 떨어지고 세라믹 함유 수지는 소선 제조 시에 장시간 고온 가열이 필요해 소선의 강도 저하가 우려되기 때문에 내부식성 수지로 붕소계 수지를 선정했다. 내부식성 금속은 긴 도금이 어려워 전선 제조에는 부적합하기 때문에 선정하지 않았다. 이런 이유로 내부식 전선은 붕소계 수지를 이용해 개발을 진행하기로 했다.
2. 내부식 전선 구조
내부식 전선 구조는 Al선, St선 각각에 에나멜선을 제조하는 방법과 같은 방법으로 붕소 수지를 수십㎛의 두께로 균일하게 피복·밀착시켜 이것을 합쳐 꼰 것이다. 내부식 전선 구조와 외관을 <그림3>에 나타낸다.
3. 내부식 전선의 기본 성능
개발할 때 전선의 기본 성능으로 전류 용량 특성, 인장 하중, 내열성, 내후성, 콜로나 특성, 염회 특성, 진동 피로 특성, 아크 특성, 시공성 등을 확인했는데 종래의 (T) ACSR과 동등한 성능을 가지고 있었다. 또 피복에 따른 발열로 인한 송전 용량의 저하도 없이 내열 전선에서의 사용 온도(150℃:연속, 180℃:400시간) 범위까지는 종래의 전선과 동등하게 적용할 수 있다는 것을 확인했다.
4. 내부식 전선의 내부식 성능
내부식 성능에 대해서는 실 환경에 가까운 모의 폭로 실험을 실시하고 평가했다. 또한 실제 부식 환경에서는 배연 중에 존재하는 미량 원소의 영향으로 모의시험과 비교해 부식 형태가 다르다는 것도 생각할 수 있기 때문에 당사 관내에서 가장 심한 부식 환경에 있는 지점에서 약 1년간의 실 폭로 실험을 실시했다.
가. 모의 폭로 실험
모의 폭로 실험은 강산성(염화수소가스 150ppm)의 습윤 환경(습도 74%, 온도 25℃)에서 내부식 전선용 Al선과 통상의 Al선에 대해서 부식에 의한 소선경 감소의 진행을 비교했다. 그 결과 통상의 Al선과 비교해 수지 피복 두께가 40㎛일 경우는 약 8배 이상, 수지 피복 두께가 80㎛일 경우는 약 15배 이상의 내부식 성능을 기대할 수 있다는 것을 알았다(<그림4>). 그리고 이 실험에서 통상의 Al선의 부식 속도는 약 13000㎛/년(약 13mm/년)으로 추정되며 이 실험은 아주 엄격한 부식 환경으로 실 환경에서 장시간에 걸친 부식 상황 확인을 짧은 기간에서 실시하는 부식 촉진 실험이라고 생각된다.
나. 실 폭로 실험
실 폭로 실험은 산업 폐기물 처리장의 굴뚝에서 직접 피연하는 철탑에 내부식성 전선과 ACSR의 샘플 전선을 설치해 약 13개월 동안 실시했다. 그 결과 내부식 전선에 부식은 나타나지 않았지만 ACSR에서는 약 80㎛의 최대 공식 깊이가 확인되었다.
이상과 같이 전선으로서의 기본 성능이 확보되어 있고 양호한 내부식 성능도 발휘되고 있는 것이 확인되었기 때문에 개발을 완료하고 현장에 적용해 시공 실태를 확인했다.
내부식 전선의 현장 적용
2003년 1월에 선 아래 굴뚝에서의 배연으로 심하게 부식이 진행되었던 66kV 송전선의 1경간(2회선 합계 6개의 전선)에 처음 적용했다.
붕소계 수지의 피복은 소선에 밀착되어 있어 손톱으로 강하게 긁어내도 벗겨지지 않지만 피복은 건전하게 유지되는 것이 내부식 성능을 유지하는 전제가 되기 때문에 시공 방법과 시공 관리에 배려가 필요하다.
현장 적용과 시공을 할 때는 몇 가지 유의할 점이 있기 때문에 다음에 서술한다.
1. 연선 시
이번 공법에서는 금차를 경간 내에 등 간격으로 배치하고 저장력으로 전선을 낙하시키지 않고 붙이는 방법(조금공법이라고 한다)을 적용했다.
2. 긴선 시
전선을 붙이는 긴선 시에 일시적으로 전선을 단단히 죄는 캠아롱을 재부식 전선에 붙일 때는 피복 붕소계 수지가 미끄러지기 쉽다는 것을 고려해 일반적인 것보다 접촉 면적이 큰 전용 캠아롱 미끄럼 스토퍼를 사용한다. 이것에 의해 보통 시공 방법에 의한 긴선이 가능해진다.
또한 이번 시공에서는 현장의 의향에 따라 캠아롱을 부착한 곳의 전선 표면은 피복을 제거했다.
3. 압축형 접속관의 접속 작업
압축형 접속관으로 전선을 삽입하는 부분은 붕소계 수지가 절연성을 가지고 있기 때문에 미리 비폭을 소선마다 제거할 필요가 있다. 확실히 제거하지 못하면 압축형 접속관의 발열 원인이 될 우려가 있기 때문에 제대로 할 필요가 있다.
이번에는 철탑 애자연에 붙은 내장 클램프(압축형 접속관)에서 전선 피복 제거를 현장작업으로 실시했다. 보통보다 시간을 더 많이 필요로 하지만 확인을 위해 실시한 접속관의 저 저항 측정 결과는 양호했다. 시공 시간의 단축과 시공 품질을 중시할 경우에는 공장에서 전선을 출하하기 전에 미리 압축형 접속관을 붙이는 방법을 적용할 수도 있다.
4. 전선 부속품 설치
전선의 미소한 진동을 방지하고 소선의 피로를 억제하는 더블 토셔널 댐퍼 등 도전성 전선 부속품을 붙일 때는 죄는 부분의 전선 표면의 피복을 제거할 필요가 있다. 이것은 뇌격 등으로 인한 아크가 발생했을 때 전선 표면에 아크가 집중되고 피복과 소선의 손상의 우려가 있기 때문이다.
또한 이번에 채택한 경간에서는 강설에 의한 착설의 가능성이 낮기 때문에 착설에 따른 전선의 회전을 방지하는 카운터 웨이트는 설치하지 않는다.
5. 피복 제거 부분과 손상 부분의 보수 방법
피복의 제거를 일으킨 곳과 만의 하나 피복에 손상이 있었던 곳은 상온 경화형 붕소 수지의 도포에 의한 보수를 한다. 그리고 이 경우의 내부식 성능에 대해서는 당초 성능이 확보되어 있는 것을 확인했다.
내부식 전선 적용 1년 후의 상황
내부식 전선 적용 후에 현지의 정기적인 점검과 함께 앞서 서술한 당사 관내에서 가장 과혹한 부식 환경에 있는 지접에서 내부식 전선과 ACSR을 비교해 장기 실 폭로 실험을 했다.
1. 정기적인 점검 결과
부식에 의한 국부적인 발열과 피복의 상처 등에 대해 해당 경간에서 눈으로 점검을 실시하고 있는데 2004년 9월 말 현재 이상은 없다.
2. 장기 실 폭로 실험 결과
장기 실 폭로 실험을 하고 있는 현장에서 철거해 온 내부식 전선과 ASCR 샘플을 비교 했다.
가. 외관 관찰
ASCR 외층은 모든 부분에 걸쳐 심하게 부식되어 있고 금속광택도 완전히 소실되어 있었다. 샘플 철거 시에 소선이 잘려 나간곳이 여러 곳 발견됐다. 내층의 Al선과 St선 모두 피복의 변화(박리, 팽윤 등)는 외관상 확인되지 않았다. 이 외에 주사형 전자 현미경(SEM) 관찰, 푸리에 변환 적외 분광 분석 장치(FT-IR) 분석도 실시했는데 초기 상태와의 변화는 볼 수 없었다.
나. 각 소선의 모든 특성
외층과 내층의 Al선과 St선에 대해서 강한 인장, 염회값, 도전율을 비교했다.
ASCR 외층의 강한 인장은 초기 값을 100%라고 하면 10% 정도가 되어 있고 염회 값은 최대 1회, 도전율은 부식이 심하고 측정에 필요한 샘플 길이가 잡히지 않아 측정 불가능했다. 이렇게 심하게 모든 특성이 저하되었다.
한편 내부식 전선의 각 소선은 강한 인장, 염회 값, 도전율도 초기 값과 동등한 성질을 가지고 있다는 것을 알았다.
마치며
이번에 개발한 내부식 전선은 현장 초 적용 후 약 1년을 경과했는데 충분한 내부식 효과를 발휘(피복 등에 변화는 전혀 보이지 않는다)하고 있다.
앞으로 단기간의 사용 전선 온도가 240℃까지 상승하는 초내열 전선으로의 응용과 비용 절감을 지향한 내부식 전선의 개발에도 설치해 다양한 부식 환경으로 적용할 수 있는 전선으로 하고 싶다.
마지막으로 내부식 전선 개발은 (주)제이파위 시스템과 실시했다. 개발 또는 적용에 협조해 주신 관계자 분께 감사를 표한다.
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