친환경적 콤팩트 송전철탑을 위한 절연암 설계

Abstract

본 논문은 송전철탑용 폴리머 절연암 설계의 기계적 특성과 전기적 특성에 관하여 기존 철재 암을 사용할 경우와 폴리머 절연암을 사용할 경우를 비교 검토하였다. 본 논문에 적용한 시험 검토 방법은 해외 선진국에서 적용하였으며, 이에 따른 시공 및 시험방법을 모델화하여 본 논문에 적용하였다. 또한, 다양한 성능 시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 첫째, 형상설계 및 전계해석, 구조해석을 통하여 FRP 코어 및 하우징을 설계 후 각 부분의 중요시험을 통하여 검증한 결과 양호한 양상을 보여주었으며, 설계 규정치를 만족하여 이를 토대로 금형설계 및 제작을 통하여 본 연구용 폴리머 절연암 개발 공정을 논문에 제시하였다. 둘째, 구조해석을 통하여 폴리머 절연암의 주재의 경우 FRP rod의 직경을 80[mm]로 선정하였으며, 보조재의 경우 34[mm]로 선정하여 형상을 모의한 결과 안정성 및 외력에 따른 기계적 성능면에서 설계 규정치를 만족하였으며 실제 모의 철탑에 하중시험을 행한 결과 우수한 특성을 보였다. 셋째, 폴리머 절연암의 형상은 카티아(CATIA)로 모델링한 후 국내 전력사에서 제공하는 송전현장실무 지침서를 근거로하여 하중 경계조건을 계산하였으며, 최대 주응력으로 나타낸 결과 FRP 절연암에 발생하는 최대 응력은 103[N/㎟] 이었다. 이 수치는 FRP 절연암의 인장시험 결과로 얻은 응력과 비교한 결과 약 18[%]로 나타나 주어진 하중조건에 대해 절연암의 강도가 충분함을 입증하였다. 넷째, 구조해석 및 형상설계를 통하여 제작된 본 연구용 절연암은 기존의 154[kV] 실증 시험 철탑에 적용하여 시험한 결과 전기적 기계적 성능이 양호함을 확인하였다. 다섯째, 환경 실증을 통하여 154[kV] 송전선로 전계 및 자계의 특성을 기존 철탑과 폴리머 절연암을 사용한 콤팩트 철탑을 비교 분석해본 결과 송전선과 지상 1[m] 상의 지표면 전계강도의 경우 약 39[%], 지표면 자계강도는 59[%] 정도 저감 할 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 논문의 연구 결과를 종합해 보면 폴리머 절연암을 이용한 콤팩트 철탑을 사용함에 따라 송전철탑의 경량화 시공 및 유지관리가 편리하며, 선하지 면적도 줄일 수 있다. 그리고 송전선하지의 지표면의 전계 및 자계의 강도가 대폭적으로 저감할 수 있으므로 환경친화적 콤팩트 철탑을 구축할 수 있는 관점이 본 연구의 주된 결과이다.

There are six major technical areas in the development of electric power transmission systems, and they include technologies to develop efficient transmission lines, compact towers using polymer insulator arms, insulator, arrester, and fittings technologies for transmission line facilities. In recent years, Korea has been faced with situation for construction of large scale transmission facilities due to every increasing electricity demand and regional imbalance in electricity demand. With a widespread perception that electricity facilities are unwelcome in the community, it's difficult to expand the existing electricity facilities. Furthermore, the small territory of Korea makes it hard to secure routes for transmission lines. All those circumstance have contributed to the emergence of the compact transmission electric towers using polymer insulator arms as the greatest alternative. Compact transmission towers using polymer insulator arms boast many advantages; they are easy to make light, small, and beautiful; they require a small amount of routes; and you can boost the voltage of transmission, thus increase efficiency, and generate huge economic effects by applying polymer insulator arms to the existing transmission towers. However, there are also a couple of issues to tackle such as how to maintain the insulation performance of polymer insulator materials when they are exposed to outdoor electric discharge for a long period of time and how to deal with the deterioration of physical properties of composite materials due to mechanical fatigue. In this thesis, the core material of an insulator arms used structural and composite material, FRP, has manufactured it in the form of a rod through pultrusion and under the casting condition of zero bubble. They has also used polymer as the shed of an arm insulator and thus made it water resistant on the surface, heat resistant, weather resistant, and tracking resistant. The polymer insulator arm that's manufactured in those procedures was put to the test of electric performance. The test results confirm that it satisfied the performance criteria in withstand voltage of power frequency, lighting impulse withstand voltage, switching impulse withstand voltage, and damage withstand voltage. It also passed in a range of mechanical tests including tensile strength, shock strength, compressive strength, torsional strength, flexural strength, shear strength, fatigue characteristics and elasticity rate. And the polymer insulator arm was applied to a compact tower, which was evaluated for the electric/magnetic field strength tests on the ground. As a result, it recorded much less electric/magnetic field impacts than the old compact towers and thus proved to be environment-friendly. Thus the design of a compact tower using polymer insulator arms suggested in this paper will serve as a solution to the limitations with the old transmission lines tower construction due to rapidly increasing electricity demand and to the difficulties with building new transmission lines.