2.1 접속부 발열 시험 구성

슬리브의 체결은 ANSI C119.4 및 ANSI C119.0에서 권장하고 있는 시험 대상 중 하나인 나전선을 대상으로 시험을 진행하였다. 알루미늄 및 구리 나전선으로 시험을 구성하였다. 현장에서 운용되고 있는 케이블의 온도는 약 60℃이며 제품의 신뢰성을 위해 허용전류의 약 65%를 인가한다^[12]. 전력케이블에 주로 사용되는 절연체인 XLPE (Cross linked polyethylene)는 허용온도가 90℃이기 때문에, 도체온도가 60℃인 구간부터 90℃가 되는 구간까지 전류를 인가하여 발열특성을 분석하고자 하였다^{[13- 14]}.

그림 1. 슬리브 발열 시험 구성

Fig. 1. Sleeve heating test setup

그림 1과 같이 동일한 도체의 나전선 2.75m 두 개를 슬리브로 체결하였다. 이는 ANSI C119.4에서 명시하는 슬리브간의 최소 이격거리를 준수하였다. 시험의 구성은 직렬로 연결된 동일한 도체의 나전선 5.5m를 4회선으로 구성하였고, 이때 3회선은 같은 종류의 슬리브를 체결하였다. 기준도체는 ANSI C119.4 규격에 따라 슬리브가 체결된 나전선과 동일한 종류의 나전선을 절단없이 연속된 상태로 배치하였다. 기준도체는 슬리브가 체결된 회선 사이에 배치하였으며, 기준도체는 슬리브의 발열 정도를 비교할 수 있는 기준이 된다. 시험은 CT를 이용하여 도체에 전류를 인가하여 진행하였다.

2.2 슬리브 체결

시험 대상 시료는 압착 타입 슬리브, 볼트 타입 슬리브 그리고 용접 방식이다. 압착 타입 슬리브는 30ton의 유압프레스를 이용하여 다이스가 완전 맞물림 상태에 도달할 때까지, 볼트 타입 슬리브는 제조사의 권장 토크대로 볼트 헤드가 파단 될 때까지 체결하였다. 압착, 볼트 타입 모두 제조사의 시공설명서를 기반으로 진행하였다.또한, 슬리브의 종류 및 슬리브 체결 시공 방법에 따른 발열 양상을 비교하기 위해서 알루미늄 나전선은 슬리브 체결 방법을 3가지로 나누어 진행하였다. 먼저, 샘플 #1은 도체 연선의 최외각 두층만 수밀 컴파운드를 제거하고 전도성 컴파운드를 도포하였다. 두 번째로, 샘플 #2는 도체 연선 전 층의 수밀 컴파운드를 제거 및 샌딩을 하였으며, 전도성 컴파운드를 도포 하였다. 마지막으로, 샘플 #3은 수밀컴파운드를 제거하지 않고 전도성 컴파운드도 도포하지 않았다. 이때, 샘플 #1, #2의 수밀컴파운드는 쇠브러시로 제거하였으며 샌딩은 120번 사포를 이용하였다.

알루미늄 케이블의 경우 접속시 전도성 컴파운드 도포는 필수적이기 때문에 접속시 전도성 컴파운드의 유무에 따른 발열 양상을 비교해보고자 하였다^{[15- 16]}. 또한, 샌딩을 통한 알루미늄 도체의 산화피막의 제거를 통해 현장에서 슬리브 접속시 도체부의 샌딩의 필요성을 분석하고자 하였다. 용접방식의 경우에는 V자로 컷팅하여 MIG 용접 (Metal inert gas welding)을 진행하였으며 샘플 #1, #2, #3 모두 같은 조건으로 두었다. MIG 용접방식은 산화를 방지하며 용접이 진행되기 때문에 알루미늄 용접에 주로 사용된다^{[17- 18]}

구리 나전선의 경우 알루미늄 나전선과의 발열양상의 비교를 위해 시험을 진행하는 것이므로, 수밀컴파운드와 전도성 컴파운드가 도포되지 않은 동일한 조건의 슬리브 3개를 체결하였다. 그림 2~4는 도체별 슬리브 및 용접 체결 사진이다.

그림 2. 구리 나전선 압착 및 볼트 타입 슬리브 체결부

Fig. 2. Compression and bolted sleeve connections for copper conductors

그림 3. 알루미늄 나전선 압착 및 볼트 타입 슬리브 체결부

Fig. 3. Compression and bolted sleeve connections for aluminum conductors

그림 4. 알루미늄 나전선 용접 체결부

Fig. 4. Welded joint for aluminum conductors

2.3 주위온도 측정

본 연구는 나전선을 대상으로 시험이 진행되기 때문에 도체 온도를 유지하기 위해서는 주위온도에 따라 인가전류가 달라진다. 주위온도 측정을 통해 시험 데이터 분석하는데 보조적인 지표로서 사용하기 위해 주위온도의 측정은 필수적이다.

주위온도는 ANSI C119.0을 기반한 측정 방법과 현장에서 주로 사용되는 측정 방법, 총 두 가지 방법으로 측정하였다. 규격을 기반으로한 측정 방법은 그림 5과 같이 위아래가 뚫려있는 플라스크 안에 구리판이 들어가도록 하고 그때 구리판을 TC를 이용하여 주위온도를 측정하는 방법이다. 그림 6은 현장에서 주로 사용되는 방법이다. 페트병안에 절연유를 넣고, 그 절연유의 온도를 TC로 측정하는 방법이다. 두 측정방법은 최대 약 0.1℃의 차이로 매우 근사한 값을 가졌다.

그림 5. 현장에서 주로 사용하는 온도 측정방법

Fig. 5. Field temperature measurement methods

그림 6. 규격기반 온도측정 방법

Fig. 6. Standardized temperature measurement methods

3.1 접속부 발열 시험 시연

본 시험에 들어가기 전 나전선이 목표온도인 60℃, 70℃, 80℃, 90℃에 도달하는데 필요한 전류값 및 시험구성을 검토하고자 시연을 진행하였다.

압착 슬리브를 체결한 나전선과 기준 도체 총 두 회선에 CT로 전류를 인가하여 시연을 진행했다. 시연을 통해 그림 7과 같이 각 온도당 최소 4시간을 유지하여 온도가 안정화 시간 및 냉각 시간을 파악하였다. 구리 나전선은 전류를 인가한지 5시간 후부터 대체적으로 온도가 안정화 되기 시작하며, 알루미늄 나전선은 4시간이면 안정화가 되었다. 여기서 온도가 안정화 되었음은 온도가 15분이상 ±5℃ 이내로 유지되는 구간을 일컫는다. 나전선의 냉각시간은 주변온도 ±2℃에 도달하는데에 3시간이 필요하였다.

그림 7. 시연 결과 분석 예시

Fig. 7. Example of test result analysis

3.2 접속부 발열시험 결과

시연 결과를 통해 시험의 인가 시간 및 냉각시간, 사이클 수를 결정하였다. ANSI C119.4에서 1.5시간 이상을 전류 인가 및 냉각시간을 가져야하며 500사이클을 반복하기를 권고하고 있지만, 목표온도에 도달하는데 필요한 시간과 냉각되는데에 필요한 시간이 4시간 이상이기 때문에 현실적으로는 장기간 시험의 진행이 어려운 실정이다. 그래서 본 시험에서는 규격을 변형하여 시연을 진행하였다.

시연을 통해서 얻은 데이터를 통해 알루미늄 나전선은 전류를 20시간 인가, 4시간 냉각을 1주기로 하였고, 구리 나전선은 전류를 24시간 인가, 4시간 냉각을 1주기로 설정하였다.

시험 결과 알루미늄 나전선의 경우 수밀컴파운드를 제거하지 않고 전도성 컴파운드도 도포하지 않은 샘플 #3번의 경우를 제외하고는 접속부 전부 기준도체보다 낮은 온도를 유지하였다. 용접 체결 시료의 경우에는 샘플 모두 기준도체보다 높은온도를 가졌다. 용접 접속부의 경우 산화피막과 같은 이물질이 포함되었는지 추가 연구가 필요하다.

구리 나전선의 경우 기준도체보다 슬리브 체결부의 온도가 대체적으로 낮았으며, 압착 타입 슬리브와 볼트 타입 슬리브의 발열양상을 비교한 결과 최대 10℃ 가까이 차이가 났다.

4.1 알루미늄, 구리 나전선 발열시험 결과

Weibull 분포는 초기 불량부터 마모 고장까지 제품의 전체 수명 주기를 모델링하는데에 적합한 분포이다. Weibull 분포는 척도모수 (Scale parameter, α)와 형상모수 (Shape parameter, β) 두 개의 주요 매개변수로 정의된다. 척도모수는 클수록 데이터의 전반적인 크기를 확인할 수 있으며, 형상모수가 클수록 데이터의 분산이 적고 좁은 데이터 분포 범위를 가진다.

정규분포는 평균을 중심으로 좌우 대칭인 종 모양 분포로 데이터의 밀도가 평균 근처에서는 높고 양 끝으로 갈수록 감소하는 특징이 있다. 이는 평균과 표준편차로 정의되는 분포이다.

동일한 도체에 대해 압착 타입과 볼트 타입 간의 발열 특성을 비교하였다. 이때, 용접방식의 경우 접속부의 온도가 기준도체보다 높았으며, 용접부 품질의 신뢰도가 부족하였기 때문에 발열특성 비교 대상에서 제외하였다. 본 시험결과 분석은 열 사이클 시험으로부터 각 step별 온도 포화 구간의 평균값을 추출하였으며, 이를 기반으로 Weibull 분포와 정규분포를 적용하였다. 각 분포의 매개변수를 그림 8~11과 같이 산출하였다. 표 1은 알루미늄 압착타입 슬리브가 목표 온도인 60~90℃의 구간에 도달하여 열적으로 안정화를 이루었을 때, 기준도체 (con.)와 각 샘플 (#1~#3) 의 온도 평균을 예시로 나타내었다.

구리 및 알루미늄 나전선에 대해 압착, 볼트 타입 슬리브의 발열 특성을 평가한 결과, 알루미늄 나전선에 유도전류 600A를 인가했을 때의 온도 상승의 양상과 구리 나전선에 900A를 인가했을때와 동등한 양상을 보였다. 이러한 현상은 알루미늄의 전기전도도가 국제 어닐링 구리 표준 (International Annealed Copper Standard, IACS) 60%로 구리에 비해 낮아 동일 전류 조건에서 상대적으로 높은 저항과 발열이 발생한다는 점에서 기인한 것으로 판단된다^[19].

그림 8. 알루미늄 나전선 접속부 정규분포간 비교

Fig. 8. Comparative normal distribution of aluminum stranded conductor connections

그림 9. 알루미늄 나전선 접속부 Weibull 분포간 비교

Fig. 9. Comparative weibull distribution of aluminum stranded conductor connections

그림 10. 구리 나전선 접속부 정규분포간 비교

Fig. 10. Comparative normal distribution of copper stranded conductor connections

그림 11. 구리 나전선 접속부 Weibull 분포간 비교

Fig. 11. Comparative weibull distribution of copper stranded conductor connections

4.2 도체 및 접속방식에 따른 데이터 비교분석

그림 12와 13에서는 각 시료별 샘플 #1, #2, #3 모두 사용하였으며 x축은 기준 도체 온도, y축은 기준 도체와 샘플간의 온도 편차를 나타낸다. 알루미늄 나전선의 데이터는 샘플간의 체결 방식의 차이가 있었기 때문에 온도의 분포가 크게 나타났다. 그리고 기준도체 온도에서 샘플의 온도를 감하였기에 y축 값이 양수일 경우 기준 도체보다 낮은 온도를, 음수일 경우 기준 도체보다 높은 온도를 가짐을 의미한다.

그림 12. 알루미늄 나전선의 슬리브 종류간 온도분포 비교분석

Fig. 12. Comparative analysis of temperature distribution across aluminum bare conductor sleeve types

그림 13. 구리 나전선의 슬리브 종류간 온도분포 비교분석

Fig. 13. Comparative analysis of temperature distribution across copper bare conductor sleeve types

이를 통해 가장 발열 특성이 우수한 시료는 알루미늄 나전선의 볼트타입 샘플 #1이었고, 가장 발열이 심한 시료는 알루미늄 나전선 볼트타입 샘플 #3이었다. 이를 통해 전도성 컴파운드의 유무가 접속부의 발열에 직접적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, 샘플 #2 보다 샘플#1의 발열 특성이 우수한 경우가 존재하였는데 이는 수밀 컴파운드의 유무가 접속부의 발열에 미치는 영향이 미미함을 확인하였다. 그리고 압착 타입 슬리브에 비해 볼트 타입 슬리브가 열적 특성 측면에서 더 우수한 것을 확인하였다. 용접 타입 슬리브는 모두 기준도체보다 높은 온도를 유지하여 가장 열적 특성이 좋지않았다.

본 시험에서는 3가지의 한계가 존재한다. 먼저, 나전선 사용 시 주변환경의 영향이 크기 때문에 온도값과 전류값이 흔들려 데이터 분석에 제약이 있었다. 또한, 접속부의 저항계수 및 누설전류를 측정하지 않아 해석의 정확도가 제한되었다. 마지막으로는 도체의 수밀컴파운드를 제거하는 과정에는 쇠브러시와 사포를 사용하였으며, 샌딩의 작업은 수작업으로 이루어져 품질의 일관성이 떨어질수 있다. 조도측정 및 샌딩의 품질을 정량화할 수 있는 지표가 마련된다면 시험 재현성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.