재료 선택 솔루션 및 구조 최적화 방안

​I. 배경​
전기 케이블은 전기 에너지와 신호를 전송하는 핵심 매체로서, 그 성능은 시스템 효율성, 운영 안전성 및 장기적인 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 복잡한 운영 조건 하에서, 도체 재료의 부족한 전기적 특성, 절연층의 노화 또는 고장, 또는 약한 기계적 보호는 쉽게 에너지 손실 증가, 단락 위험 증가, 심지어 화재 위험까지 초래할 수 있습니다. 따라서 전력 및 통신 시스템의 신뢰성 있는 운영을 보장하기 위해서는 재료를 과학적으로 선택하고 구조를 최적화하여 전체 케이블 성능을 향상시키는 것이 중요합니다.

​II. 해결책​
​1. 도체 재료 최적화: 전도성과 경제성의 균형​

• ​핵심 전략:​​ 고순도 무산소 구리(OFC) 사용 우선. 이의 전도성은 58 MS/m를 초과하여 알루미늄(약 35 MS/m)보다 크게 뛰어나, 전송 중의 저울 열 손실(I²R 손실)을 크게 줄이고 에너지 효율성을 개선합니다.
• ​시나리오 세분화:​​
• ​중/단거리 및 고전류 응용:​​ 구리 도체 사용을 고집합니다. 단면적 설계는 전류 용량 요구 사항(예: 전력 케이블 ≥70mm²)을 충족해야 하며, 낮은 임피던스와 낮은 발열을 보장합니다.
• ​장거리 공중 전송:​​ 도전성 알루미늄 합금(AA-8000 시리즈)을 선택합니다. 동일한 전류 용량에서는 구리보다 약 50% 가볍습니다. 이는 타워 부하와 설치 비용을 크게 줄입니다. 참고: 알루미늄 도체 접속부는 부적절한 접촉과 발열을 방지하기 위해 특수 처리(산화방지 페이스트, 토크 볼트)가 필요합니다.
• ​혁신적인 해결책:​​ 비용 민감한 응용 분야에서 무게 감소가 필요한 경우(예: 새로운 에너지 차량 와이어 하네스), 구리 피복 알루미늄(CCA) 도체를 선택할 수 있습니다. 이는 표면 전도성을 유지하면서 약 30%의 무게를 줄입니다.

​2. 절연층 강화: 고온 내구성 및 내구성 향상​

• ​선호 재료:​​ 교차 결합 폴리에틸렌(XLPE). 주요 장점은 다음과 같습니다:
• ​열 성능:​​ 연속 운전 온도는 90°C(표준 PE보다 30°C 높음), 단락 내구 온도는 250°C로, 열 노화를 크게 지연시킵니다.
• ​유전체 특성:​​ 체적 저항률 > 10¹⁴ Ω·cm, 전원 주파수 유전 손실 < 0.001, 고압 환경(예: 35kV 전력 케이블)에서 절연 신뢰성을 보장합니다.
• ​기계적 강도:​​ 교차 결합 구조는 절단 저항을 향상시키고, 우수한 환경 스트레스 균열 저항(ESCR)을 제공합니다.
• ​특수 조건 대응:​​
• ​고주파 신호 전송:​​ 물리적/화학적 포밍 PE 절연재를 사용하여 유전 상수(εr≈1.4)를 낮추어 신호 감쇠를 최소화합니다.
• ​극한 온도 환경:​​ 고온 내구 플루오르 플라스틱 절연재(예: ETFE)를 사용하여 150°C까지의 운전 온도를 달성합니다.

​3. 구조 설계 최적화: 기계적 보호 및 안전성 향상​

• ​층간 보호 시스템:​​
• ​충전층:​​ 얽힌 도체 사이의 간격을 수분 차단 실(Super Absorbent Polyacrylate Resin) 또는 수분 차단 컴파운드로 채워서 종방향 수분 차단(IEC 60502 준수)을 달성합니다. 다코어 케이블의 경우, 원형의 무결성을 보장하기 위해 폴리프로필렌 충전 로프를 사용합니다.
• ​내부 피복:​​ 방사상 수분 저항과 측면 압축 저항(압착 저항 ≥2000N/100mm)을 제공하기 위해 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 또는 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 선택합니다.
• ​아머링(선택사항):​​
• 강한 기계적 스트레스 환경(예: 직접 매설): 두께 ≥ 0.2mm의 도금 강철 테이프 아머링을 사용합니다.
• 회전 저항이 필요한 경우(예: 광산 케이블): 미세 강철 와이어 브레이드 아머링을 사용합니다.
• ​외부 피복:​​
• ​기본 보호:​​ 폴리비닐 클로라이드(PVC), 비용 효과적이며 좋은 날씨 저항(운전 온도: -20°C ~ 70°C).
• ​향상된 안전성:​​ 저연기 무할로겐(LSZH) 컴파운드, 산소 지수 ≥32, 연기 밀도 Dₛ ≤60(GB/T 19666 준수), 화재 시 유독 가스 배출(HCl <5mg/g) 및 시각적 오염 위험을 크게 줄입니다.
• ​마모 저항:​​ 나이론 12 피복, 록웰 경도 R120, 로봇 드래그 체인 케이블과 같은 동적 굽힘 응용에 적합합니다.
• ​전자기적 호환성(EMC) 설계:​​ 중/고압 케이블에 구리 와이어 스크린(커버리지 ≥85%)을 추가합니다. 변주기 드라이브(VFD) 케이블의 경우, 알루미늄-폴리에스터 복합 테이프 + 주석 도금 구리 브레이드 이중 차폐를 사용하여 고주파 간섭(≥60dB 감쇠, 30MHz~1GHz 대역)을 억제합니다.

​III. 계획 가치 요약​
상황별 도체 선택(구리/알루미늄)을 통해 전도 효율성과 비용 간의 역동적인 균형을 달성합니다. XLPE 절연재는 고온 환경에서 유전체 안정성을 보장합니다. 다층 복합 구조(충전 + 피복 + 선택적 아머링)는 기계적 및 화재 장벽을 구축합니다. 이 계획은 케이블 전송 손실을 15%~20% (구리 대비 알루미늄) 줄이고, 서비스 수명을 30년 이상(XLPE 대비 PVC) 연장하며, 화재 저감 피복을 통해 화재 위험을 70%(LSZH 대비 PVC) 줄여, 효율성, 안전성 및 안정성의 핵심 요구 사항을 종합적으로 충족합니다.