알루미늄계 전선용해 접속공법 개발

이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다. 알루미늄계 전선용해 접속공법 개발 츄우부전력에서는 1975년대까지 ACSR(Aluminum Cable Steel Reinforced : 강심 알루미늄 전선)계의 전선 차단방법은 일반적으로 전선 상호를 압축형 클램프로 압축하는 방법을 이용해 왔다. 그러나 당해 접속법은 전선과 클램프의 계면 경년열화로 인해 접속부의 전기저항이 증가되고 국부적인 과열을 발생할 염려가 있다. 또 전선을 움켜쥐는 성능이 저하된다는 우려 때문에 전압축형 차단 클램프에 정기적 과열점검을 실시하는 등 보수관리에 고심해 온 경위에 있다. 따라서 저자들은 열화압축 클램프를 철거하고, 경간 측의 전선과 점프선을 용해해 다시 응고시켜 접속한다고 하는 뛰어난 현지 보수방법을 개발했다. 아울러 당해 용해접속부에 장력이 가해지지 않도록 접속부의 경간 측 전선을 양 쐐기 클램프로 움켜쥐는 방법을 개발했다(이하 용해접속공법이라 함). 이 공법은 1997년도 이후 많은 현장에 채용되어 그 유효성이 실증됐기 때문에 이하에 그 개요를 보고한다.

용해접속의 개요 1. 용해접속의 열원 철탑 위의 시공성을 고려해 ‘소형, 경량, 안전, 무전원 등’의 관점에서 용해열원으로서 테르밋(Thermit) 반응에 착목해 전선접속에 최적인 발열제를 발견하고 그 반응열을 이용했다. 테르밋 반응이란, 미세한 가루모양의 금속과 금속산화물을 혼합한 것에 반응 개시열을 주었을 때 강렬한 발열을 수반한 연쇄적인 산화환원반응이 일어나는 것을 가리키며, 일반적인 것으로는 철도레일에서의 현지용접기술로 알려져 있다. 2. 반응용기 및 용해접속치구의 구조 용해접속을 간편하고 일정한 품질로 실현하기 위해 <그림1>에 나타낸 반응용기(내화용기)를 개발했다. 반응용기는 양 끝에 전선 삽입용 구멍을 설치한 원통구조이며, 테르밋 반응을 일으키는 발열제, 통 모양의 철판, 통체(세라믹섬유제), 알루미늄 원주로 구성된다. 반응용기의 형상·치수, 발열제의 양, 이형제의 재질 등은 현지에서 가장 적합한 접속조건을 갖출 수 있도록 개발했다. 반응용기의 크기는 쬳90㎜(외경)×150㎜(길이)이고, 무게는 약 1.2㎏이다.(ACSR 410㎟접속용) 또 용해접속 시 전선보지 등을 목적으로, <그림2>에 나타낸 용해접속치구를 함께 개발했다.

3. 용해접속의 원리와 과정 이하, 이번 개발한 반응용기와 용해접속치구(溶解接續治具)를 이용한 용해접속의 원리와 과정에 관해서 설명한다. 용해 접속할 때 전선에는 용해부의 뜨거운 물이 새어나오는 것을 방지하는 실(Seal)과 맞대는 전선의 이동량을 제한하는 스토퍼를 설치한 후, 반응용기에 전선을 삽입하고 용해접속용 치구로 고정한다. 치구의 코일스프링을 단단히 고정시키고 양측 전선에 대해 중심방향으로 이동력을 부가함으로써 준비작업은 완료된다. 점화기로 발화시키면 발열제 테르밋 반응으로 인한 발생 열은 전선을 예열하면서 중앙의 알루미늄원주에 집중하고 이를 녹이기 시작한다. 알루미늄 원주의 용해와 함께 코일스프링의 힘에 의해 전선은 중심방향으로 이동한다. 동시에 녹인 알루미늄이 알루미늄 소선 간의 빈틈을 채움으로써 열전도가 높아지고 알루미늄 소선은 단번에 용해되면서 상호간의 전선이 일체화 된다. 또 용해된 알루미늄의 일부는 뜨거운 물웅덩이로 밀어 올린다. 최종단계에서 전선이동은 스토퍼에 의해 멈추고, 반응종식과 함께 용해부분 열은 전선에서 방열되어 냉각·응고되기 시작한다. 한편, 뜨거운 물웅덩이로 밀어 올린 알루미늄은 용해부의 응고 수축된 부분을 채워 결함 발생을 방지한다. 내부 온도가 충분히 떨어진 시점(410㎟에서 점화 후 20분 방치)에서 발열제의 연소 슬러그(slug)를 두들겨 접속부를 꺼내고, 약간의 표면 완성을 거쳐 용해접속을 완료한다(철판은 반으로 나뉜 구조이기 때문에 간단하게 제거할 수 있다). 용해접속부와 기본특성 1. 성능 개발한 공법을 통해 전선길이 410㎟를 대상으로 한 접속시험을 실시하고 용해접속부의 기본특성을 검증했다. 외관의 평가 <그림3>에서 용접부와 양쪽 소선부에 모두 전선이 얇다든지 크랙 이상이 없었다. 또 현미경 조직을 통한 내부관찰 <그림4>에서 용해부는 완전한 주조조직을 갖고 있으며 기공 등의 내부결함도 존재하지 않는다는 사실을 확인했다. 또한 용해접속에서는 강심이 용해되는 것은 아니지만 반응에 따라 알루미늄과는 금속으로 결합하고 있다. 게다가 접속부의 전기적·기계적인 특성은 목표성능을 ‘전기저항은 접속전선의 저항 값 이하’, ‘인장강도는 전선 최소 인장하중의 30%이상(점프슬리브 규격치)’으로 평가를 실시해 모두 충분한 성능을 갖고 있다는 것을 확인했다. 용해접속부의 전기저항과 인장강도의 평균값을 <표1>에 나타냈다.

2. 접속부 주위의 열영향 용해접속에서는 접속부 주위의 전선에도 열 영향이 가해지기 때문에 그 영향범위를 소선 강도분포의 측정으로 평가했다. 그 결과 알루미늄 소선에서는 접속부 중심에서 약 230㎜, 강소선에서는 똑같이 약 65㎜까지 연화경향이 있다는 사실을 확인했다. 용해접속부의 장기 신뢰성 용해접속부의 장기 신뢰성을 검증하기 위해 <표2>에 나타낸 각종 신뢰성 평가시험을 실시하고 모두 시험 후에도 초기의 요구 성능을 유지하고 있다는 사실을 확인했다. 특히, 살수 히트 사이클 시험에서는 종래공법(압축접속)과의 비교를 실시하고 용해접속을 과열대책으로 적용한 경우의 유효성을 검증했다. 시험에서는 통전을 통해 전선을 180℃ 에 30분간 온전하게 유지하고, 이어서 통전정지 후 살수로 상온까지 냉각하는 조작을 반복하고 있다. 또 명확한 열화진행을 재현하기 위해 용해접속, 압축접속(점프슬리브) 모두 접속부 표면의 연마 처리를 일절 하지 않고 구전선을 접속하면서 동시에 점프슬리브는 콤파운드를 충전하지 않고 압축하고 있다. <그림5> 및 <그림6>에 시험결과를 나타냈다. 점프슬리브에서는 열화가 분명하게 진행되고 있으며<그림5>, 접속부 온도는 전선의 온도 이상으로 상승해 불안정한 양상을 나타내고 있다. 한편, 용해접속에서는 접속부 온도는 항상 전선온도 이하로 안정돼 있으며<그림6>, 이 결과에서도 용해접속이 과열대책기술(항구 대책)로서 효과적이라는 사실을 확인했다.

시공환경과 그 대책 용해접속부의 품질은 발열제의 발열량과 전선으로부터의 열방산 밸런스로 결정돼 이것이 무너진 경우는 정상적인 용해접속을 실현할 수 없다. 이를 위해 현지 시공환경으로서 이 열방산 밸런스에 영향을 주는 주요 원인으로 풍속과 기온에 관해 평가를 실시했다. 우선 풍속에 관해서는 전선강도에 대한 접속부의 강도비율로는 바람이 없을 때가 35%전후(목표 값은 30%이상)인데 반해, 풍속 3m/s에서는 27%, 6m/s에서는 약 18%까지 저하된다는 사실이 판명됐다. 또 기온은 다소 허용범위가 넓어지는데 극단적으로 고·저온이 된 경우에는 바람과 동일한 강도 저하나 결함발생이 일어나는 것으로 판명됐다. 이들 품질저하 요인의 대책으로, 시공할 때 바람을 피하는 것과 단열효과를 목적으로 한 ‘내열성 방풍 덮개’를 설치함으로써 그 영향을 완화할 수 있다는 사실을 확인했다. 풍속은 10m/s까지 기온은 0~40℃ 까지의 시공환경에 대응할 수 있게 됐다. 용해접속의 적용확대 개발 초기단계에서는 ACSR 410㎟를 평가대상으로서 본 공법의 개발을 진행해 왔지만 최종적으로는 240㎟∼810㎟까지의 적용확대검토를 추진해 거의 모든 사이즈에서 적용이 가능하도록 했다. 반응용기에 관해서는 전선 길이에 따라 필요한 발열량이 다르기 때문에 전선 길이 마다 개별설계를 실시했다. 한편, 용해접속용 치구는 클램프부와 코일스프링 크기에 차이는 있지만 주요부분은 동일품으로 대응이 가능하다. 또 방식전선에 대해서도 접속부 주위의 방식제를 사전에 제거함으로써 기본성능, 접속부 조직 둘 다 방식제가 없는 일반 전선과 동일한 접속품질을 얻을 수 있다는 사실을 확인할 수 있었고 본 공법의 방식전선의 적용도 가능하게 했다. 현지품질 관리방법의 확립 접속부 강도가 떨어지는 원인으로는 용해접속 과정에서 어떠한 요인으로 열이 과잉으로 빼앗겨, 열량부족으로 불용해부가 발생하는 것에 기인한다. 따라서 접속 프로세스에 적정한 열량을 주었는지를 판정하는 방법으로 전선규정위치에 사전에 온도검지레벨을 설치하고 당해부에 최고온도이력을 관리하는 방법을 확립했다. 이 방법에 따르면 접속프로세서에서 라벨부의 온도를 관리하는 것만으로 접속부의 품질을 떨어트리지 않고 용이하게 판단할 수 있다. 더욱이 접속부 외관양호를 간단하게 판정하기 위해 웅덩이 게이지를 이용하는 방법도 확립했다. 기설개수용 쐐기 클램프 개발 1. 개수용 쐐기 클램프 개요 이번 개발한 용해접속공법을 차단 개소에 적용하기 위해서는 접속부 강도가 전선강도의 30% 정도여야 한다. 또한 접속부 주위의 전선은 앞에서 설명한 열 영향을 받고 있다는 것을 바탕으로 당해 접속부를 보호한 전선을 움켜쥐는 법을 개발할 필요가 있다. 그래서 압축클램프의 경간 측에서 전선을 절단하고 경간 측 구전선과 신점프 전선을 용해접속한 후 용해 접속부 경간 측(열 영향을 받지 않은 부위)을 양 쐐기 클램프로 차단하는 공법을 개발했다. 본 개수공법의 이미지 및 새롭게 개발한 개수용 쐐기 클램프의 구조를 <그림7>에 나타냈다. 2. 개수용 쐐기 클램프의 신뢰성평가 개수용 클램프 개발에 앞서 <표3>에 나타낸 신뢰성 평가시험을 실시하고 모두 시험 후에도 클램프 각 부, 전선, 용해 접속부 모두 전혀 이상이 없음을 확인했다. 3. 방식전선에 대한 적용검토 용해접속의 방식전선(防蝕電線)에 대한 적용확대에 맞춰서 본 쐐기 클램프를 방식전선에 적용할 수 있도록 쐐기를 움켜쥘 때 알루미늄 선과 강심 간의 슬립(Slip)을 알루미늄 가루를 이용한 증마제(增摩劑)로 억제하는 공법을 개발했다. 이로써 쐐기부분 강심선 주위의 방식제에 규정량의 증마제를 부여하는 것만으로 쐐기 클램프의 적용이 가능해졌다. 더욱이 본 공법으로 방식전선에 개수용 클램프를 적용했을 때의 신뢰성에 관해서도 앞서 설명한 <표3>에 나타낸 평가시험을 실시하고 모든 항목에서 양호한 성능을 확인했다. 기설 압축접속 개소에 본 공법을 적용함으로써 접속부의 전기적·기계적인 신뢰성 향상은 물론 정기적 과열점검은 불필요하기 때문에 보수비용 삭감에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 개발한 용해접속공법은 2003년말 까지 츄우부전력 관내에서 약 2천 개소, 타전력에서도 약 4백 개소에서 채용하고 있다. 마지막으로 본 공법 개발에 협력해 주신 관계각위의 분들께 깊이 감사할 따름이다.