전열모델 전계해석을 통한 XLPE 교류 배전케이블의 직류 배전선로 적용정격 도출

Abstract

과거 주를 이루었던 교류 송배전 방식의 단점을 보완할 수 있으며, 더 높은 효율 및 이점을 갖는 직류 송배전에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 초고압직류송전을 위한 기술에 대한 연구는 지속적으로 수행되었으며, 기술력 또한 상당한 발전을 이루었다. 또한 초고압직류 전력계통에 사용되는 전력기기 및 시스템에 대한 설계 및 시험규격 또한 상당 수준 제정 되었으며, 현재까지도 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다. 반면 비교적 낮은 전압을 사용하는 배전 시스템에 직류를 적용하기 위한 연구는 미진한 실정이다. 하지만 최근 신재생 에너지 산업의 발달과 직류 부하의 증가로 인하여 전력 전달 시 손실을 줄이고 에너지 효율을 증대 시킬 수 있는 직류배전에 대한 필요성이 대두되고 있다. 직류 배전 시스템을 구성하기 위해서 기존 교류 시스템에 사용되고 있는 전력기기의 교체가 필수적으로 이루어 져야하지만, 기존 교류 시스템에 설치되어 사용 중인 전력기기를 교체 없이 활용할 수 있다면 교체비용, 시공비용 등을 절감할 수 있으므로 상당한 경제적인 이익을 가져올 수 있다. 현재 교류 배전 시스템에 설치되어있는 지중케이블의 절연물은 대부분 XLPE(Cross-linked polyethlene)를 사용하고 있다. XLPE 절연물은 열경화성 수지로 재활용이 어려우므로 교류용 케이블을 교체 없이 직류 시스템에 적용한다면 자원낭비 또한 방지할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 XLPE 교류 배전케이블의 직류 시스템 적용을 위한 전계해석 기반 연구를 수행하였다. 기존 교류 시스템에 사용 중인 지중 케이블을 직류 환경에 적용하기 위해서는 케이블 내부의 온도 및 전계분포를 필수적으로 고려해야하기 때문에 케이블 도체에 의한 발열 현상 및 열전달을 모두 고려한 전열모델 전계해석 기법을 적용하였다. 또한 XLPE 케이블의 교류 및 직류 전열모델 전계해석 알고리즘을 새롭게 제시하였다. 알고리즘에 따라 도출된 케이블의 온도 및 전계분포 비교를 통한 교류용 XLPE 케이블의 직류 적용을 위한 정격전류 및 정격 전압레벨을 도출 하였으며, 직류 시스템 적용 시 기대할 수 있는 용량 향상효과 또한 도출하였다. 본 연구 결과를 기반으로 교류용 배전 케이블의 직류 적용을 위한 실증시험 조건 설정 및 적정 운전정격 산출 시 근거자료로 활용 할 수 있을 것이다.; To overcome the drawback of AC transmission and distribution systems, research on DC transmission and distribution is being actively carried out with expectation to achieve higher efficiency. HVDC (high voltage direct current) technology has made significant progress and is widely used in long distance transmission applications, whereas the DC grid technologies at distribution level have not advanced significantly. The design and test specifications for power equipment and systems used in HVDC power systems have established considerably, and development of HVDC technologies is progressing at a very high pace. On the other hand, technical studies regarding the application of DC distribution systems using relatively low voltage are insufficient. However, due to the recent development of the renewable energy industry and the increase of DC load, there is a need for a DC distribution system which can reduce losses and increase energy efficiency in power distribution. In order to construct the DC distribution system, it is necessary to replace the power equipment used in the existing AC system. However, if the power equipment installed in the existing AC system can be utilized without replacement, considerable economic benefits can be achieved. In addition, cables installed in AC distribution systems currently use XLPE (cross-linked polyethlene), which is difficult to recycle. Therefore, if the AC cable is applied to the DC system without replacement, waste of resources can be prevented. Therefore, in this paper, the electric field analysis of the AC XLPE distribution cable was carried out for application in DC system. In order to apply the cable used in the existing AC system to the DC system, it is necessary to consider the temperature and the electric field distribution inside the cable. Therefore, The coupled electro-thermal analysis was performed to study the conductor heat, heat transfer, cooling by air. In addition, an algorithm for the analysis of AC and DC electric field models of XLPE cables is proposed. We calculated the current rating and voltage rating for the DC applications of the AC XLPE cable by comparing the temperature and the electric field distribution of the cable derived by the algorithm procedure and calculated the expected improvement in capacity when using the cable in DC application. The results of this study, can be used as a basis for establishing the test conditions for the DC application of the AC distribution cable and determine their proper rating of DC operation.