KR100773696B1

KR100773696B1 - 초고압케이블용 보호관

Info

Publication number: KR100773696B1
Application number: KR1020070010945A
Authority: KR
Inventors: 김성윤; 김정년; 심성익; 안미경
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2007-11-05
Also published as: WO2008093926A1

Abstract

본 발명은 초고압 케이블용 보호관에 관한 것으로, XLPE(Cross-Linked Polyethylene)케이블 접속함의 보호관의 최적의 설계조건을 제공하여 단락전류에 의한 손상 및 내압과 외력에 충분히 견딜 수 있는 보호관에 관한 것이다.

본 발명의 구성은 본체부와, 이 본체부의 일단에 형성되면서 최소단면적을 가지는 엔드부로 이루어진 초고압 케이블용 보호관에 있어서, 단락전류용량을 만족하기 위한 상기 엔드부의 최소단면적은 하기 식에 의해 산출되는 것을 기술적 특징으로 한다 .

[수학식 2]

Y=0.126X(보호관의 재질이 구리인 경우)

또는

[수학식 3]

Y=0.856X(보호관의 재질이 알루미늄인 경우)

이러한 구성을 가지는 본 발명은 단락용량을 만족하는 최소단면적 및 구조강도를 만족하는 두께를 구현하므로써, 케이블 단락전류에 의한 손상을 방지하고, 일정한 내압 및 외력을 견딜 수 있는 구조를 가질 수 있는 효과가 있도록 한 것이다.

초고압, 케이블, 보호관, 단락전류용량, 최소단면적, 최소두께, 구리, 알루미늄

Description

초고압케이블용 보호관{Protecting Tube for Very High Pressure Cable}

도 1은 종래의 일반적인 보호관의 구조를 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명의 보호관을 설계하기 위해 각 재질에 따른 단면적에 대한 허용전류용량을 나타낸 그래프,

도 3은 내압기준을 만족하도록 보호관에 발생하는 응력과 두께간의 관계를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

10 : 보호관

11 : 본체부

12 : PVC층

13 : 접지단자

14 : 엔드부

본 발명은 초고압케이블용 보호관에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 XLPE(Cross-Linked Polyethylene)케이블 접속함의 보호관의 최적의 설계조건을 제 공하여 단락전류에 의한 손상 및 내압과 외력에 충분히 견딜 수 있는 보호관에 관한 것이다.

일반적으로, 초고압 XLPE 케이블 접속함의 보호관은 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 가지는바, 보호관(10)은 기본적으로 알루미늄 또는 구리재와 같은 금속재의 본체부(11)로 이루어지고, 이 본체부(11)의 외피는 PVC층(12)으로 이루어져 있으며, 접지단자(13)가 형성되며, 일측단부에는 최소단면적을 가지는 엔드부(14)가 형성된 구조이다.

이러한 보호관(10)은 케이블의 단락전류에 의한 손상이 없어야 하고, 일정한 내압 및 외력에 견딜 수 있는 구조를 가져야 한다.

이를 위해서, 보호관 설계시 재질에 따른 단락허용전류만족여부와 구조강도에 대한 고려가 필수적이며, 적절한 보호관단면 설계가 이루어지지 않는 경우에는, 단락전류발생시 열에 의한 PVC층(12)의 손상이 발생할 수 있고, 이것은 전기적 성능저하 및 보호관 부식의 주 원인이 된다.

이러한 현상을 방지하기 위해 단락 발생시 열에 견딜 수 있는 충분한 단면적을 확보해야 하지만, 종래의 보호관은 정확한 설계기준치가 없어 보호관의 단면적이 너무 크거나 또는 작은 경우, 경제적, 기능적 손실이 발생할 수 밖에 없었다. 또한, 보호관(10)의 구조강도가 충분하지 못할 경우, 보호관의 내부에서는 외부에서 발생한 외력으로 인해 손상될 수 있는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 보호관 설계의 문제점을 해결하기 위해 보다 적합한 기준치를 제공하여 여러가지 변수에 대하여 충분히 견딜 수 있는 보호관을 제공함에 발명의 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초고압 케이블용 보호관에 있어서, 단락전류용량을 만족하기 위한 최소단면적은 하기 식에 의해 산출되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Y=0.126X(보호관의 재질이 구리인 경우)

Y=0.856X(보호관의 재질이 알루미늄인 경우)

여기서, Y는 단락전류용량이고, X는 보호관의 단면적이다.

상기 식에서 단락전류용량(Y)은 120kA로 선정하고, 이때, 구리재 보호관인 경우 최소단면적은 952mm²이고, 알루미늄재 보호관인 경우에는 1400mm²이다.

또한, 본 발명은 다음식에 의해 구조강도를 만족하는 두께를 가지도록 구성된 것을 다른 기술적 특징으로 한다.

ln(Y)=-1.24ln(X)+1.76

이러한 구조강도는 내압기준 3kgf/cm²을 만족하는 바람직한 두께를 가지도록 안전율 1.5를 고려하여 알루미늄인 경우 두께범위가 3mm~8mm이고, 구리재인 경우에는 2mm~6mm이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

상기 종래기술과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 설명하고, 상세한 설명은 생략한다.

기본적으로 보호관(10)은 단락전류용량 및 구조강도를 만족하도록 하는 두께를 가져야 한다. 따라서, 우선 단락전류용량을 만족하기 위한 단면적을 각 재질에 따라 산출하면, 도 2에 도시된 그래프와 같이 나타낼 수 있다.

이러한 그래프는 기본적으로 다음 수학식에 의해 산출된다.

[수학식 1]

I_AD ²t=K²S²ln[(θ_f+β)/(θ_i+β)]

여기서, I_AD는 단락전류(short-circuit current), t는 단락시간(duration of short-circuit), K는 재료상수(constant depending on the matreial), S는 단면적(geometrical cross-sectional area), θ_i는 초기온도(initial temperature), θ_f는 최종온도(final temperature), β는 역온도계수(reciprocal of temperature coefficient)이다.

먼저 보호관(10)의 최소 단면적을 결정하기 위해 사고시, 전류의 경로가 될 수 있는 부분중 최소단면적을 가지는 엔드부(14)에 대한 단락용량을 계산하고, 이때 발생하는 온도를 PVC층(12)이 손상받지 않는 200℃이하로 설계하여야 한다. 단락용량을 결정하는 상기 수학식 1에 따라 최종온도를 200℃로 고정하고, 이에 대한 단락용량과 단면적을 계산하여 보호관(10) 설계기준으로 사용하였다. 현재 초고압 시스템의 대부분은 60kA 이상의 계통이 없으나, 안전율을 2정도 고려하여 120kA를 설계기준으로 선정하였다.

이러한 단락전류용량을 만족하기 위한 최소단면적을 가지는 보호관이 알루미늄재일경우와, 구리재일 경우에 따라 차이가 있는바, 각각의 재질의 단면적에 대한 허용전류용량을 계산하면 도 2에 도시된 그래프와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 설계기준 단락전류용량을 120kA로 선정한 경우, 보호관(10)의 재질이 구리 및 알루미늄일 경우에 다음 수학식을 만족해야 한다..

[구리인 경우]

[수학식 2]

Y=0.126X

[알루미늄인 경우]

[수학식 3]

Y=0.856X

여기서, Y는 단락전류용량(kA)이고, X는 보호관의 단면적이다.(mm²)

상기 수학식 2와 수학식 3에 의거 단락전류용량을 120kA로 선정한 경우, 보호관(10)의 최소단면적을 구하면 구리재질의 보호관인 경우 952mm², 알루미늄재질의 보호관인 경우에는 1400mm²이다.

한편, 도 3은 내압기준 3kgf/cm²에서 구조해석(유한요소해석법)을 수행하여 보호관에 발생하는 응력을 나타낸 그래프이다. 실제 형상과 동일하게 모델링하여 두께를 가지는 3차원 쉘(shell)요소를 이용하여 요소망을 형성하고, 구리재 및 알루미늄재의 탄성계수 및 포아슨비를 고유물성치로 사용하였다. 작용하중은 내압 3kgf/mm²가 보호관 내부에 작용하는 것으로 하고, 각각의 두께에 대해 작용하는 응력을 계산하였다. 해석한 결과, 두께 3mm의 경우 최대응력은 1.52kgf/mm²가 작용함을 알 수 있었다. 이를 허용강도(알루미늄재인 경우 2.5kgf/mm², 구리재인 경우 4kgf/mm²)와 비교할 경우, 충분한 강도를 만족함을 알 수 있고, 이를 도 3에 도시된 그래프와 같이 각각의 두께에 대해 발생응력을 계산하고 허용강도와 비교하여 나타낼 수 있으며, 이 그래프를 통해 다음 수학식 4로 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

ln(Y)=-1.24ln(X)+1.76

여기서, Y는 등가응력(kgf/mm²), X는 보호관의 두께(mm)이다.

도 3의 그래프상의 응력은 알루미늄재와 구리재의 보호관인 경우, 각각의 재료에 대한 허용강도 이하라야하며, 알루미늄재인 경우 안전율 1.5를 고려할때, 최소 3mm두께 이상, 구리재의 보호관인 경우에는 최소 2mm이상의 두께를 가지도록 설계되어야 한다.

이때, 앞서 언급한 바와 같이, 구리 및 알루미늄의 허용강도는 각각 4.5kgf/mm², 2.5kgf/mm²이다.

한편, 다음 표 1에 도시된 바와 같이, 알루미늄 및 구리재인 경우에 각각의 바람직한 보호관 두께범위는, 알루미늄재인 경우 3~8mm이고, 구리재인 경우에는 2~6mm정도임을 알 수 있다.

보호관타입	두께(mm)	단락용량 만족여부	구조강도 만족유무	조립성 평가	비고
알루미늄	1	X	X	O	불량
	2	X	X	O	불량
	3	O	O	O	양호
	4	O	O	O
	5	O	O	O
	6	O	O	O
	7	O	O	O
	8	O	O	O
	9	O	O	X	불량
	10	O	O	X	불량
구리	1	X	X	O	불량
	2	O	O	O	양호
	3	O	O	O
	4	O	O	O
	5	O	O	O
	6	O	O	O
	7	O	O	X	불량
	8	O	O	X
	9	O	O	X
	10	O	O	X

이와 같이, 본 발명은 단락용량을 만족하는 최소단면적 및 구조강도를 만족하는 두께를 구현하므로써, 케이블 단락전류에 의한 손상을 방지하고, 일정한 내압 및 외력을 견딜 수 있는 구조를 가질 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 편의상 첨부된 예시도면에 의거 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 이에 국한되지 않고 본 발명의 기술적 사상의 범주내에서 여러가지 변형 및 수정이 가능함은 자명한 사실이다.

Claims

본체부와, 이 본체부의 일단에 형성되면서 최소단면적을 가지는 엔드부로 이루어진 초고압 케이블용 보호관에 있어서,

단락전류용량을 만족하기 위한 상기 엔드부의 최소단면적은 하기 수학식2 또는 수학식3에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 초고압케이블용 보호관.

[수학식 2]

Y=0.126X(보호관의 재질이 구리인 경우)

또는

[수학식 3]

Y=0.856X(보호관의 재질이 알루미늄인 경우)

여기서, Y는 단락전류용량이고, X는 보호관의 단면적이다.
청구항 1에 있어서,

상기 수학식(2)(3)에서 단락전류용량(Y)은 120kA로 선정하고, 구리재 보호관인 경우 최소단면적은 952mm²이고, 알루미늄재 보호관인 경우에는 1400mm²인 것을 특징으로 하는 초고압케이블용 보호관.
본체부와, 이 본체부의 일단에 형성되면서 최소단면적을 가지는 엔드부로 이루어진 초고압 케이블용 보호관에 있어서,

다음 수학식4에 의해 구조강도를 만족하는 두께를 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 초고압케이블용 보호관.

[수학식 4]

ln(Y)=-1.24ln(X)+1.76

여기서, Y는 등가응력, X는 보호관의 두께이다.
청구항 3에 있어서,

구조강도를 만족하기 위해서 내압기준 3kgf/cm²을 만족하는 보호관의 두께가 안전율 1.5를 고려하여 알루미늄재인 경우 두께범위가 3mm~8mm이고, 구리재인 경우에는 2mm~6mm인 것을 특징으로 하는 초고압케이블용 보호관.