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Carbon fiber, Screened cable, Environmental degradation, Electrical insulation

1. 서 론

전력케이블은 도체와 절연체로 구성되고 사용 환경에 따라 차폐층(shield layer)을 포함하게 되며, 차폐층의 재질로는 금속을 사용하고 있다. 현재 선박용으로 사용되는 차폐케이블(screened cable)의 차폐재는 구리를 사용하고 있으며, 이를 탄소섬유(carbon fiber)로 대체하여 케이블의 무게를 경량화 함으로써 선박의 무게를 감소시킬 수 있다(1,2). 이로 인해 선박의 에너지 효율향상을 통한 수송용량과 기동력 향상 및 탄소 배출량 감소효과를 기대할 수 있다.

선박용으로 사용되는 0.6/1 kV 이하 저전압 케이블의 차폐층을 탄소섬유로 대체함으로써 케이블의 경량화를 위한 연구를 진행 중이다. 탄소섬유는 기본적으로 탄소가 95% 이상으로 이루어져있기 때문에 금속이 아님에도 불구하고 높은 전기전도도와 인장강도를 보유하고 있으며, 저밀도에 의한 중량이 낮고, 낮은 직경으로 인한 높은 유연성을 보유한 소재이다(3,4). 탄소섬유의 전기전도도를 향상시키기 위해 전해 도금(electroplating) 및 무전해 도금(electro-less plating) 방법을 이용하여 탄소섬유 표면에 니켈 도금함으로써 특성을 향상시키고 있으며, 이를 통해 차폐성능을 향상 시킬 수 있다(5,6,7). 현재까지 탄소섬유를 케이블의 차폐재로 적용된 사례는 없기 때문에, 새로운 소재를 적용함에 따른 케이블 접속재(connector)의 소재 및 접속방식 검토, 접촉저항(contact resistance) 측정을 통한 안전성 확보가 필요하다(8). 따라서 본 연구에서는 탄소섬유 차폐케이블에 적용하기 위해 도전성 스프링을 갖는 글랜드형(gland type) 접속재를 설계 및 제작하였으며, 케이블의 환경열화 특성시험을 통해 그 적용 가능성을 검토하였다.

2. 본 론

본 연구에서 개발 중인 0.6/1 kV급 탄소섬유 차폐케이블의 구조 및 세부사양을 그림 1에 나타낸다. 일반적인 3심(three-core) 및 단심(single-core) 차폐케이블의 구조를 동일하게 유지하고 있으며, 차폐층은 기존 구리 편조선(braided wire)에서 탄소섬유 편조선으로 대체되었다.

기존 선박에서 사용되고 있는 차폐케이블과 분전함(distribution box)의 접속구조를 살펴보면, 글랜드형의 접속재를 사용함으로써 차폐형 접속구조를 가진다. 한편 기존 글랜드형 접속재를 이용하여 탄소섬유를 접속하였을 경우 금속의 압착력에 의한 탄소섬유가 끊어지는 현상이 발생하였다. 따라서 탄소섬유는 형상이 유지되지 않는다는 점과 용접 또는 납땜 등이 불가능하다는 점, 압착력에 의해 쉽게 끊어진다는 점 등의 이유로 케이블 접속 시 작업성과 접촉저항 감소를 위한 새로운 형태의 탄소섬유 차폐케이블용 접속재 개발이 요구된다.

그림. 1. 탄소섬유 차폐케이블의 구조

Fig. 1. Schematic diagrams of carbon fiber screened cable

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그림. 2. 탄소섬유 차폐케이블용 접속재 제작

Fig. 2. Manufactured connector for carbon fiber screened cable

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그림. 3. 접속재의 접촉저항 측정을 위한 회로구성

Fig. 3. Electrical circuit for measuring cable contact resistance

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그림. 4. 교류 내전압 및 절연파괴 시험을 위한 회로구성

Fig. 4. Electrical circuit for AC withstand voltage test of cable

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그림 2에 도전성 스프링을 적용한 글랜드형 차폐케이블 접속재의 설계 및 사진을 보여준다. 케이블 코어와 탄소섬유 차폐층을 연결하는 글랜드형 접속재는 크게 3파트로 구분된다(9). 아답터는 내부로 케이블 코어와 절연층이 통과하고, 외부에 탄소섬유 차폐층이 연결되는 구조이다. 패럴은 내측에 도전성 스프링 2개를 삽입할 수 있도록 2개의 홈(Spring groove width, 3.3mm)을 가진다. 클램핑 너트는 나사의 회전력에 의해 패럴을 압착하면서 고정하는 역할을 하게 된다. 향후 케이블 사양에 따라 접속재 내・외경의 크기는 조정될 수 있으며, 또한 도전성 스프링의 수량을 조절함에 따라 차폐층의 접촉저항을 조정할 수 있는 구조이다.

설계도면에 따라 단심 케이블용 2종, 3심 케이블용 2종의 탄소섬유 차폐케이블용 접속재를 제작하였다. 접속재의 재질은 알루미늄 6063 합금소재(T6 열처리, 도전율 47%)를 사용하였으며, 일반공차 0.1mm 이하, 날카로운 전 모서리는 R0.3mm로 라운딩 처리하여 전계집중을 완화하도록 하였다. 알루미늄으로 제작된 클램핑너트의 표면을 아노다이징(anodizing) 처리하였으며, 단심케이블은 파란색으로 3심 케이블은 빨간색으로 제작되었다. 접속재 가공 이후 도전성이 필요한 부위는 부식방지를 위해 20㎛ 두께로 무전해 니켈도금(electro-less Nickel plating) 하였다.

케이블 접속재의 접촉저항을 측정하기 위해 그림 3의 (a)와 같은 비접속된 케이블 샘플과 그림 3의 (b)와 같은 중간 접속된 케이블 샘플을 제작하고, 차폐층의 저항을 측정하여 비교하였다. 그림 3의 (c)에 케이블 차폐층의 저항측정을 위한 회로구성을 나타내었다. 저항 측정장치는 Megger사의 ‘Digital Low Resistance Ohmmeter(Model: DLRO10HD)’를 사용하였으며, 100 mA/250 mΩ의 측정 범위에서 자동모드(automatic mode)로 측정되었다.

그림 4에 탄소섬유 차폐케이블용 접속재의 교류 내전압시험을 위한 케이블 샘플 및 회로구성을 나타낸다. 내전압 시험장치는 AC 60 Hz에서 최대 100 kV까지 전압을 인가할 수 있다. 케이블 코어에 고전압을 인가하고 접속재에 접지 단자를 연결하였다. 0.6/1 kV급 내전압 기준은 교류 3.5 kV를 5분간 인가하여 절연파괴가 발생하지 않아야 한다.

접속재의 환경열화를 위하여 염수분무시험 및 진동시험을 각각 실시하였으며, 시험 전・후의 외관 및 접촉저항, 내전압 등을 비교하여 특성변화를 관찰하였다. 환경열화의 종류별 시험 규격 및 조건을 표 1에 나타내었다(10,11).

표 1. 환경 열화시험 조건

Table 1. Conditions for environmental degradation test

시험종류

시험 규격 및 조건

염수분무

시험

시험규격: KS C IEC 60068-2-11: 2014

①육안으로 시료의 외관, 구조를 확인한 후 챔버 중앙에 설치

②NaCl 5±1%(pH 6.5~7.2)인 염수를 35±2℃에서 48시간 동안 분사

③염수분무가 끝난 시료에 대해 세척 후, 표준대기 조건에서 1시간 이상 2시간 미만 동안 방치

④시험 종료 후, 시료에 대해 외관 검사(시험 전・후의 크랙, 변색, 변형, 부식 등을 육안으로 검사)

진동시험

(탐색진동 및 고정진동수 내구시험)

시험규격: KS B ISO 10055: 2001

①스틸분전함에 샘플 4개를 접속 후 진동시험용 지그에 볼트 체결

②각 공진진동수에서 1.5시간 또는 공진이 없는 경우 30 Hz에서 2시간 진동시험 시행

③시험 종료 후, 시료에 대해 외관 검사

그림. 5. 염수분무시험용 챔버 내 시료의 구성도 및 설치사진

Fig. 5. Specimens for salt corrosive test

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표 2. 염수분무 시험 전・후의 외관 및 접촉저항 비교

Table 2. Visual inspection and contact resistance test results of salt corrosive test

구분

시험 전

시험 후

시험 결과

단심

케이블

외관

양호

양호

(표면 일부에서 백청 발생)

이상 없음

접촉

저항

74.59 mΩ

75.41 mΩ

변화율

+1.10%

3심

케이블

외관

양호

양호

(표면 일부에서 백청 발생)

이상 없음

접촉

저항

193.82 mΩ

193 mΩ

변화율

-0.42%

그림. 6. 염수분무시험 전・후의 외관 검사

Fig. 6. Visual inspection of the salt corrosive test before and after

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그림 5에 염수분무시험용 챔버 내 시료의 구성도 및 설치사진을 나타내며, 그림 6표 2에 염수분무시험 전・후의 외관 및 접촉저항 측정결과를 나타낸다. 염분농도계(YK-31SA)와 디지털pH미터(PH-200)를 사용하여 NaCl 5±1%, pH 6.5 ~ 7.2인 염수를 만들고, 35±2℃에서 염수분무시험기(S-Ⅱ)를 사용하여 48시간 동안 염수를 분사하였다. 각 2개씩의 단심 및 3심 케이블 접속 샘플을 염수분무 시험하였으며, 접촉저항은 측정값의 평균을 나타내었다. 환경열화시험 이후에는 단심 케이블 샘플과 같이 접촉저항이 증가하는 것이 일반적이나, 3심 케이블 샘플에서는 매우 미세하게 감소한 결과를 보였다. 이는 저항 측정 장치의 오차 범위 내에 있다 할 수 있으며, 염수분무시험을 통한 환경열화에 전기적인 영향을 받지 않았음을 확인 할 수 있다. 염수분무 시험 후 표면 일부에서 백청(white color rest)이 발견되었으나, 이는 니켈 도금 표면에서의 일반적인 현상으로 전기적 특성에는 크게 영향을 미치지 않았지만, 장기 사용에 있어서의 영향성은 향후 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 단심케이블은 차폐층 위에 알루미늄 테이프 층을 추가로 두었기 때문에 3심 케이블에 비해 접촉저항이 현저히 낮게 나타나고 있음을 확인할 수 있다.

그림 7에 진동시험용 케이블 접속 및 지그의 구성을 나타낸다. 진동시험기는 ‘3-Axes Combined Environmental Electro Dyna- mic Vibration System(DA6/EDS600- 230/GT400M))’이며, 최대 변위는 51mm, 사용 주파수 범위는 5 ~ 2,500Hz까지 조정할 수 있다. 시험에 사용된 케이블의 길이는 진동환경을 고려하여 250mm로 제작되었다. 시험방법은 ‘KS B ISO 10055:2001(기계적 진동-선박용 기기와 기계 부품에 대한 진동시험 요구사항)’에 따라 진행되었다. 공진 주파수 파악과 내구성 확인을 위하여 각 시험은 세 주축(X축: 전후 방향, Y축: 좌우 방향, Z축: 상하 방향) 방향 각각에 대해 별도로 수행되었다. 먼저 탐색진동시험을 통해 공진 진동수를 조사하였으며, 표 3의 범주에 명시된 진폭으로 진동수 범위에 걸쳐 소인 시험(sweeping test)을 수행하여 2분당 1옥타브(octave)의 소인율로 진행되었다.

그림. 7. 진동시험용 케이블 접속 및 지그 구성

Fig. 7. Cable connection and jig composition of specimens for the vibration test

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표 3. 선박용 기기와 기계부품에 대한 진동시험 요구사항

Table 3. Vibration testing requirements for shipboard equipment and machinery components

범주

진동수

범위

(Hz)

변위 또는 가속도 진폭

(0 피크값)

시간

변위

(mm)

가속도

(m/s2)

통신 및 항해 기기, 제어 및 계측 기기, 다른 기기와 기계부품

2~13.2

1.0

-

각 공진 진동수에서 1.5시간 또는 공진이 없는 경우 30 Hz에서 2시간

13.2~100

-

7

탐색진동시험 결과로 각 축별 공진 진동수는 전후 방향(X축)이 20.54 Hz, 상하 방향(Z축)이 35.24 Hz로 조사되었으며, 좌우 방향(Y축)은 공진점이 없었다. 조사된 각 축의 공진 진동수에서 진동수를 고정하여 1.5시간 동안 진동 내구시험을 수행하였으며, 공진이 없는 경우는 30 Hz에서 2시간 동안 진행되었다.

그림 8표 4에 진동시험 전・후의 외관검사 및 접촉저항, 내전압 시험 결과를 비교하여 나타낸다. 시험 완료 후 육안검사 결과 제품의 파손 및 균열은 없었다. 진동시험 전・후의 절연특성을 비교한 결과에서도 진동에 의한 영향은 없는 것으로 관찰되었다. 내전압의 경우, 접속재의 사양보다는 케이블의 사양에 의존하는 것을 확인할 수 있었다.

그림. 8. 진동시험 전・후의 외관 검사

Fig. 8. Visual inspection of the vibration test before and after

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표 4. 진동시험 전・후의 외관 및 절연특성 비교

Table 4. Visual inspection and electrical insulation test results of the vibration test

구분

시험 전

시험 후

시험 결과

단심

케이블

외관

양호

양호

이상 없음

접촉

저항

20.64 mΩ

20.85 mΩ

변화율

+1.02%

내전압

(3.5kV/5분)

Pass

Pass

이상 없음

3심

케이블

외관

양호

양호

이상 없음

접촉

저항

50.45 mΩ

50.46 mΩ

변화율

+0.02%

내전압

(3.5kV/5분)

Pass

Pass

이상 없음

3. 결 론

선박용 경량화 전선 개발을 위해 탄소섬유를 편조하여 차폐층으로 적용한 0.6/1 kV급 탄소섬유 차폐케이블을 개발하고 있으며, 이 케이블에 적용하기 위해 도전성 스프링을 갖는 글랜드형 접속재를 새롭게 설계 및 제작하였다. 본 접속재의 장기신뢰성 검증을 위해 염수분무시험 및 공진 주파수에서의 진동 내구시험을 수행하였으며, 환경열화 시험 전・후의 절연특성을 비교한 결과 양호한 특성을 보여줌으로써 그 적용 가능성을 입증하였다.

염수분무시험의 경우 염수에 노출된 접속재 표면 일부에서 백청이 발생하여 장기신뢰성에서는 문제시 될 수 있으므로, 향후 도금부의 보강이 필요할 것으로 판단된다. 반면 전기적 특성에서는 거의 영향을 미치지 않았다. 진동시험에서는 시험 전・후에 대한 외관상의 영향이 전혀 발견되지 않았으며, 접촉저항 및 내전압 등과 같은 전기적인 특성의 변화도 발견되지 않아 양호한 특성을 보여주었다.

Acknowledgements

This work was supported by Civil-Military Technology Cooperation Program(15-CM-MA-14).

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저자소개

곽 동 순 (Dong-Soon Kwag)
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Dong-Soon Kwag received the B.S, M.S and Ph.D. degree in Electrical Engineering from the Gyeong- sang National University, South Korea in 2002, 2004 and 2008, respectively.

During 2011–2012, he was a Research Scholar in Center for the Advanced Power Systems of Florida State University, Florida, USA.

Currently, he is an associate professor in the Department of Fire Safety at Kyungil University and interests include Electric Fire Cause Analysis and Insulation Design for a high-voltage applications.