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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.6 pp.378-384
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.6.378

Evaluation of Ice Adhesion Strength on the Oxidation of Transmission Line ACSR Cable

Hui Jae Cho1, You Sub Kim1, Yong Chan Jung2, Soo Yeol Lee1
1Department of Materials Science and Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Republic of Korea
2Creative Future Laboratory, KEPCO Research Institute, Daejeon 34056, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : sylee2012@cnu.ac.kr (S. Y. Lee, Chungnam Nat’l Univ.)
April 27, 2019 June 14, 2019 June 14, 2019

Abstract


Ice accumulation on Aluminum Conductor Steel Reinforced(ACSR) cable during winter is an important matter in terms of safety, economy, and efficient power supply. In this work, the ice adhesion strengths of ACSR cable oxidized during different periods(7 years oxidized and 15 years oxidized) are evaluated. At first, a plate type dry oxidation standard specimen, whose surface characteristics are similar to those of ACSR cable, is prepared. Dry oxidation standard specimens are heat-treated at 500 °C for 20, 60, and 120 minutes in order to obtain different degrees of oxidation. After the dry oxidation, surface properties are analyzed using contact angle analyzer, atomic force microscopy, spectrophotometer, and gloss meter. The ice adhesion strengths are measured using an ice pull-off tester. Correlations between the surface properties and the ice adhesion strength are obtained through a regression analysis indicating a Boltzmann equation. It is revealed that the ice adhesion strength of 15-year oxidized ACSR cable is approximately 8 times higher than that of ACSR-bare.



송전선로 ACSR 케이블의 산화에 따른 결빙 특성 평가

조 희재1, 김 유섭1, 정 용찬2, 이 수열1†1
1충남대학교 신소재공학과
2전력연구원 창의미래연구소

초록


    Korea Electric Power Research Institute

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    송전선은 발전소에서 생산한 고압의 전기를 배전 변압 기까지 운송하는 역할을 담당하며, 우수한 기계적 물성 과 내부식성을 가지고 있는 aluminum conductor steel reinforced(ACSR) 케이블(강심 알루미늄 연선)이 핵심 부 품으로 사용되고 있다. 하지만, 겨울철 송전선에 눈이 쌓 이게 되면 원형이었던 송전선 단면이 Fig. 1(a-c)와 같이 날개 형태의 비대칭형상으로 변하게 되고 공기역 학적 불안전성으로 인해 갤러핑(galloping) 현상이 발생 한다. 갤러핑은 바람에 의한 인양력(lift force)과 송전선 자중의 상호작용으로 인해 케이블 전체가 저 주파수로 진동하는 현상으로서, 상하 운동 진폭이 크게 증가하게 된다.1,2) 갤러핑으로 인하여 송전선에 심한 진동이 발생 할 경우 Fig. 1(d)와 같이 상하에 위치한 전선들이 서로 부딪힐 수 있다.3) 갤러핑으로 인한 사고(galloping failure) 는 급격한 전압 강하로 인한 전기 품질에 상당한 영향 을 미칠 뿐 아니라, 선간 단락 사고 등 매우 큰 손실로 이어질 수 있다.4) 이러한 빙설해 문제를 해결하기 위해 서 난착설 링, 완충기, 상간 스페이서, 난착설 테이프 등 을 ACSR 케이블에 적용하여 착빙에 의한 빙설해 사고 빈도를 감소시키고 있지만, 빙설해 사고를 완전히 방지 할 수 없다.5) 이에, 산간지역이나 혹한 지역에 설치된 ACSR 케이블의 산화에 따른 결빙 강도를 파악하여 빙 설해 사고를 방지하는 것은 중요한 문제로 대두되고 있다.

    본 연구에서는, 산화 정도에 따른 ACSR 케이블의 결 빙 강도를 평가하기 위해, 자연 산화된 ACSR 케이블과 유사한 표면 특성을 가지는 판상(plate) 형태의 표준 시 편을 건식 산화를 통해 제작하였다. 또한 건식 산화된 표준산화시편의 표면특성인자(표면 에너지, 조도)와 결빙 특성의 상관관계를 도출하고, 이에 대한 종합적인 모델 링을 수행함으로써 현장에 설치된 ACSR 케이블의 결빙 강도를 예측 및 진단하고자 한다.

    2. 실험 방법

    2.1 실험 재료

    ACSR 케이블은 KS C 3113규격으로 제작된 신품(공 칭 단면적=330 mm2)과 한국의 빙설해 지역인 백봉령 345 kV 선로에 7년, 15년 동안 산화된 전선 2종을 사용 하였다. 판상 표준산화시편은 ACSR 케이블의 소재와 동 일한 Al 6061-T6 합금을 사용하였다.

    2.2 건식 산화

    본 연구에서는 빙설해 지역에서 산화된 ACSR 케이블 과 유사한 표면 특성을 갖는 표준산화시편을 제작하기 위해 150*70*1t mm 크기의 판상 시편을 제작하고 건식 산화를 진행하였다. 알루미늄의 용융점 660 °C 이하 온 도인 500 °C에서 고온 건식 산화 방법을 적용하였으며, 산화 시간에 따른 표면특성인자(표면 에너지, 조도)와 결 빙강도와의 상관관계를 도출하기 위해 산화 시간 별로 표준산화시편을 제작하였다. 산화 시간은 0분, 20분, 60 분, 120분이며, 시편의 명칭은 Al-bare, Al-20, Al-60, Al-120으로 표기하였다.

    2.3 표면 특성 분석

    ACSR 케이블의 산화 표면 분석을 위해 광학 현미경 (optical microscope) Olympus BX51M와 주사 전자 현 미경(scanning electron microscope) TESCAN Lyra3 XMU를 이용하였다. 판상 형태의 표준산화시편의 접촉 각 및 표면 에너지는 KRUSS DSA 30을 통해 정적 접 촉각 측정법으로 측정하였다. ACSR 케이블의 표면 에 너지는 ISO 8296에 명시된 ARCOTEST Dyne testing pen으로 측정하였다. 표면의 거칠기는 표면 조도계 Mitutoyo SJ-310와 원자 현미경(atomic force microscope) Asylum Research Cypher S를 이용하여 측정하였다. Roughness parameter는 average roughness(Ra)와 root mean square (RMS) roughness를 사용하였다. 명도는 KONICA MINOLTA CM-2500d를 이용하여 Specular component included (SCI, 정반사광 포함) 방법으로 명도를 측정하 였다. 광택은 sheen micro gloss 이용하여 중 광택 60° 방법으로 측정하였다. 표면 에너지, 조도, 명도, 광택은 시편 위치 별로 10회 이상 측정한 평균값으로 특성 변 화를 비교하였다.

    2.4 결빙 강도 평가

    판상 형태의 표준산화시편의 결빙 강도는 Fig. 2에서 도 시한 결빙 강도 평가 시험기(ice pull-off tester)를 이용 하여 측정하였다. 표준산화시편의 표면에 정제수(deionized water)를 이용하여 영하 20 °C 환경에서 약 4시간 동안 충분히 얼음을 냉각시킨 후, 시편에 대한 결빙 강도 평 가 실험을 진행하였다. 결빙 강도 평가 실험은 표준산 화시편 표면에 부착된 얼음을 로드셀(load cell)로 2 mm/ min로 전단 변형을 가하면서 진행하였으며, 결빙 강도 산 출 식은 다음의 식과 같다.

    τ i c e = F max A
    (1)

    Fmax는 인가한 최대 힘 그리고 A는 얼음과 표면의 접 촉한 면적을 의미한다. 결빙 강도는 표준산화시편의 위치 별로 3곳을 선정하여 총 9번 측정하고 이에 대한 평균값 을 사용하였다. 시편 간 결빙 강도의 표준화(normalizing) 를 위해 adhesion reduction factor (ARF)를 산출하였으 며, 다음 식과 같다.6)

    ARF =  τ A l u τ O x y
    (2)

    τAlu는 산화되지 않은 알루미늄 기판에서 얼음을 제거 하기 위한 최대 전단 응력이고, τOxy는 산화된 표준산화 시편의 최대 전단 응력을 의미한다. 따라서 비교 지표 가 되는 Al-bare 시편의 ARF는 1이며, 산화가 되어 τOxy 의 값이 크게 되면 ARF는 1 이하로 감소한다. ARF는 특정 소재와 얼음 간에 접합감소능력(adhesion reduction ability)을 의미하며 낮은 ARF값은 얼음과 산화된 소재 와의 높은 접합력을 나타낸다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 ACSR 케이블의 산화 과정

    Fig. 3은 ACSR cable 표면의 산화 시간에 따른 OM/ SEM 이미지와 산화 도식으로써, 신제 ACSR 전선은 ACSR-bare (a-c), 7년 사용한 ACSR 전선은 ACSR-7y (d-f), 15년 사용한 전선은 ACSR-15y (g-i)로 표기하였 다. ACSR 케이블의 외선인 알루미늄(Al 6061) 표면은 대기와 접촉하면서 수 nm 두께의 자연 산화 피막을 형 성하며, 이러한 산화 피막은 금속 알루미늄이 대기 및 주위환경과 접촉하는 것을 막아주는 보호막 역할을 한 다. 하지만 이 피막은 외부에서 유입된 산이나 알칼리, 염 소 이온 등에 의해 쉽게 파괴될 수 있으며, 부동태 피 막의 손상된 틈에 산소가 알루미늄과 반응하여 Eq. (3) 과 같이 산화알루미늄(Al2O3)을 형성한다.

    4Al + 3O 2 2Al 2 O 3
    (3)

    산화 알루미늄은 물과 반응하여 수산화알루미늄[Al(OH)3] 으로 변화한다. 또한 수온이 높은 경우엔 알루미늄과 물 과 반응하여 Eq. (4)와 같이 부정형의 수산화알루미늄을 생성하며, 최대 5 μm 두께까지 성장한다.7)

    2Al + 6H 2 O 2AI ( OH ) 3 + 3 H 2
    (4)

    위와 같이, 알루미늄은 외부 대기에 존재하는 수분, 공 기와 반응하여 짙은 회색을 띄는 산화알루미늄과 수산 화알루미늄을 형성하며,8) Fig. 3(d-f)(g-i)와 같이 시간이 지남에 따라 산화가 가속화 되어 표면 특성이 변 하게 된다. 이러한 산화 및 부식 반응은 해안이나 공장 지대에 가까운 지역의 해염이나 매연에 존재하는 염화 물 이온과 반응하게 되면 더욱 더 가속화된다.9,10)

    3.2 산화 시간에 따른 표면 특성 변화

    산화 시간에 따른 표면특성인자의 변화를 살펴보기 위 해 판상형 시편을 대상으로 500 °C에서 20분, 60분, 120 분 건식 열처리를 하고, 이 시편은 각각 Al-20, Al-60, Al-120으로 표기하였다. 건식 열처리를 하지 않은 시편 은 Al-bare로 나타내었다. Fig. 4에 판상 표준산화시편에 서 산화 시간에 따른 표면 특성 인자의 변화를 그래프 로 나타내었다. Fig. 4(a), (b)는 표면 에너지와 조도 측정 결과로써, 표면 에너지와 조도는 산화 시간 길어 짐에 따라 증가하는 경향이 관찰되었다. Al-bare의 표면 에너지 36.2 mN/m 비해 Al-120 표면 에너지는 49.4 mN/m로써, 약 1.3배 증가하였고, Al-bare의 표면 조도 (Ra roughness)는 0.34 μm였으나, Al-120의 표면 조도 0.71 μm로 Al-bare 대비 약 2.0배 증가하였다. 이러한 경 향성은 산화 시간이 증가됨에 따라 표면에 불균일한 산 화막이 성장하게 되어 표면이 더욱 거칠어지게 되기 때 문이며, 산화막 형성에 따라 표면이 더욱 더 친수화 된 다. 표준산화시편의 명도(L*)와 광택(gloss unit) 측정결 과는 Fig. 4(c), (d)에 나타내었다. 산화 시간이 증가 함에 따라 명도와 광택은 모두 감소하는 경향을 보였다. 이는 짙은 회색을 띄는 불균일하게 분포하는 산화막 [Al2O3, Al(OH)3]이 거친 표면을 형성하고, 표면 texture 로 인해 산란, 흡수 현상이 증가하였기 때문이다.

    3.3 산화 시간에 따른 결빙 강도 변화

    Fig. 5(a)의 판상 표준산화시편에 대한 산화 시간에 따 른 결빙 강도 변화와 Table 1의 ARF 결과에서 알 수 있듯이, 산화가 지속됨에 따라 얼음이 더욱 표면에 강 하게 접합됨을 알 수 있다.

    결빙 강도는 표면 에너지와 조도와 깊은 연관성을 가 지며,11,12) Fig. 4(a)-(b)와 Fig. 5(a)에서 알 수 있듯이 표 면 에너지, 조도가 증가함에 따라 결빙 강도가 증가하 는 경향을 보인다. 산화에 의해 거칠어진 표면에 얼음 이 구속되면 기판과 얼음과의 접착력(adhesive force)뿐 만 아니라 얼음 분자간의 응집력(cohesive force)이 발생 하여, 매끈한 표면에 비해 상대적으로 결빙 강도가 증 가하게 된다.13) 또한 산화가 가속화됨에 따라 표면 에너 지는 증가하게 되고, Fig. 5(b)와 같이 물방울은 기판 방 향으로 넓게 퍼지게 되는데, 이러한 경향성은 액체와 고 체 표면 사이의 접합 일(work of adhesion)의 증가를 의 미한다. Schrader 는 젖음성(wettability)과 표면 에너지의 관계를 접합 일로 나타내었으며, Young-Dupre 방정식으 로 접합 일을 정의하였다.14,15)

    W A = γ i v ( 1 + cos θ r )
    (5)

    WA는 액체와 고체 표면 사이의 접합 일을 나타내고, γlv 물과 공기 계면 간의 표면장력, cosθr는 접촉각을 나 타낸다. 위의 Eq. (5)를 이용해 접합 일을 산출한 결과 값을 Table 2에 나타내었으며, 산화가 가속화 됨에 따라 액체와 고체 표면 사이의 접합 일은 증가하게 되고, 이 는 결빙 강도 증가와 깊은 관련성이 있다.

    3.4 표면특성인자와 결빙 강도와의 상관관계 모델링

    현장의 ACSR 케이블의 결빙 강도를 평가하기 위해, 표준산화시편을 대상으로 표면특성인자(표면 에너지, 조 도)와 결빙 강도와의 상관관계를 회귀분석방법(regression analysis)을 통해 관계식을 도출하였다. 표면특성인자와 결빙 강도는 볼츠만 함수(boltzmann function)을 따르는 비선형적인 함수의 상관관계를 가졌으며, 볼츠만 함수 (boltzmann function)는 다음의 Eq. (6)과 같다.

    y = A 2 + ( A 1 A 2 ) / [ 1 + exp ( x x 0 d x ) ]
    (6)

    A1은 초기값을 나타내며, A2는 최종 값을 나타낸다. 또 한 x0는 (A1+ A2)/2와 대응되는 x값을 나타낸다. Fig. 6(a), (b)에서 볼 수 있듯이, 표면 에너지에 따른 결빙 강도의 상관관계는 y = 35.3 − 14.1/[1 + exp((x - 759.3)/dx)] (R2 = 0.98, 조도에 따른 결빙 강도의 상관관계는 y = 125 − 98/[1 + exp((x - 716.8)/dx)](R2= 0.99)로 도출되었다. 표 준산화시편의 표면특성인자-결빙 강도 모델링 결과를 바 탕으로 ACSR 케이블의 표면특성인자(표면 에너지, 조 도)값을 그래프에 대응하였을 때, Al-bare의 결빙 강도는 약 100 kPa, ACSR-7y는 700~750 kPa, 그리고 ACSR- 15y는 약 800~900 kPa로 예측할 수 있다. Fig. 7은 AFM 을 이용한 Fig. 6(b)의 3D-profile 이미지로써 자연적으 로 산화된 ACSR 케이블과 본 연구에서 제작한 건식 표 준산화시편의 표면 이미지와 조도 값이 유사함을 확인 하였다. 본 연구의 ACSR 케이블의 결빙 강도 평가방법 은 빙설해 지역에 설치된 ACSR 케이블의 결빙 특성 진 단 및 안전성 향상에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 현장 송전 및 배전 선로에 사용되는 신 제, 7년제, 15년제 ACSR 케이블의 결빙 강도를 간접적 으로 평가하였다.

    산화 정도에 따른 ACSR 케이블의 결빙 강도를 평가 하기 위해, 자연 산화된 ACSR 케이블과 유사한 표면 특 성을 가지는 판상 형태의 표준 시편을 건식 산화를 통 해 제작하였으며, 건식 산화된 표준산화시편의 표면특성 인자(표면 에너지, 조도)와 결빙 강도의 상관관계를 도 출하였다.

    표면특성인자(표면 에너지, 조도)는 결빙 강도와 밀접 한 연관성을 가짐을 확인하였으며, 측정값을 바탕으로 회 귀 분석법을 통해 볼츠만 함수를 따르는 상관 관계식을 도출하였다.

    표준산화시편을 통해 산출한 표면특성인자-결빙 강도 모 델링 그래프를 바탕으로 ACSR 케이블의 표면특성인자 (표면 에너지, 조도)값을 대응해봄으로써, 현장의 ACSR 케이블의 결빙 강도를 평가해보았다.

    결빙 강도는 ACSR-15y > ACSR-7y > ACSR-Bare의 관 계를 가졌으며, 산화된 ACSR 케이블은 신제 ACSR 케 이블에 비해 약 8배 이상의 높은 결빙 강도를 가졌다.

    Acknowledgement

    This work was supported by the R&D project of Korea Electric Power Research Institute.

    Figure

    MRSK-29-6-378_F1.gif

    (a) Cross-section of ice on ACSR cable (Ice diameter: 20 cm), (b) Schematic depiction of (a), (c) Ice accretion on ACSR cable in transmission line, (d) Short-circuit accident undergoing galloping vibrations.

    MRSK-29-6-378_F2.gif

    Schematic depiction of Ice adhesion tester.

    MRSK-29-6-378_F3.gif

    OM/SEM image of ACSR cable surface and schematic diagram of oxidation: (a-c) Bare ACSR cable (ACSR-bare), (d-f) 7 years oxidized ACSR cable (ACSR-7y), (g-i) 15 years oxidized ACSR cable (ACSR-15y).

    MRSK-29-6-378_F4.gif

    Oxidation factor plotted against artificially-oxidized standard specimens at different times of 0, 20, 60 and 120 minutes. (a) Surface energy vs. oxidation time. (b) Ra roughness vs. oxidation time. (c) Lightness (L*) vs. oxidation time. (d) Gloss (Gloss unit) vs. oxidation time.

    MRSK-29-6-378_F5.gif

    (a) Variation of ice adhesion strength at different oxidation times, (b) Images of water droplet on dry oxidation standard specimens at different oxidation times of 0(Al-bare), 20(Al-20), 60(Al-60) and 120 min. (Al-120).

    MRSK-29-6-378_F6.gif

    Correlation between ice adhesion strength and measured properties of (a) Surface energy and (b) Roughness.

    MRSK-29-6-378_F7.gif

    3D roughness profiles of (a) Bare aluminum (Al-bare), (b) Bare ACSR cable (ACSR-bare), (c) 120 min. dry oxidation standard specimen (Al-120), (d) 15 years oxidized ACSR cable (ACSR-15y) shown in Fig. 6b.

    Table

    Ice adhesion strength and adhesion reduction factor of the dry oxidation standard sample.

    Water contact angle(WCA), surface energy and work of adhesion of the dry oxidation standard sample.

    Reference

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