HVDC 전력 케이블 접속함 개발을 위한 도전율 계측 기반 직류 전계해석 및 최적 절연설계 연구

Abstract

21세기 송배전망의 화두인 Super Grid는 국가간, 지역간 계통연계로 전기에 대한 수요가 최고조에 달할 때 전력을 융통하는 대규모 광역 전력망을 일컫는 것으로 최근 세계적으로 주목받고 있다. 이러한 Super Grid의 구축은 장거리 전력송전에 유리하며 계통에서의 고장이나 변동에 따른 주파수 변화 등을 최소화할 수 있는 초고압 직류 송전(High Voltage Direct Current; HVDC) 방식의 송전망 확대 보급에 달려있다. 한국-북한-러시아-중국-일본 간 전력계통이 하나로 연계되는 동북아 Super Grid가 구현된다면 상호 공동발전의 계기를 전력분야가 선도할 것으로 전망되며, 이를 토대로 국내 HVDC 기술의 해외진출도 검토할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. HVDC 기술의 공통기술인 DC 절연설계 기술은 HVDC 전력기기 및 시스템 개발 연구에 핵심 기술로써 필수적이다. DC 절연설계는 전계특성의 상이함, 공간전하의 존재, 도전율의 온도 의존성으로 인해 기존 AC 절연설계 방식을 직접적으로 적용할 수 없다. 이러한 점을 DC 전계해석을 통해 고려하여 절연설계 할 수 있다면 신뢰성 있는 HVDC 전력기기를 개발할 수 있지만, 국외 선진사는 DC 전계해석 기술을 일부만 공개할 뿐 구체적인 기술 정보를 포함하고 있지 않고 있다. 한편 전력 수요의 대부분이 도심지 중심으로 발생하기 때문에 송전선로들이 네트워크화 되어 있어 이에 따른 고장용량 문제가 발생하고 있다는 점에서 AC 전력계통으로는 한계에 이르러 HVDC 기술을 적용해야하며, 이에 핵심 에너지 전송선로는 HVDC 지중케이블이 될 수 있다. 최근 국내에서도 북당진-고덕 간 HVDC 선로 개설 사업이 진행 중에 있고, 설치 개소가 점차적으로 증가될 것으로 예상된다. 향후 HVDC 가공선로와 연결하기 위해 지중과 가공선로를 연결하는 HVDC 종단접속함의 개발이 필요한 실정이며, 실현하기 위해서는 DC 전계해석 기반 DC 절연설계 기술이 반드시 필요하다. HVDC 초전도 케이블은 HVDC 전력 케이블의 이상적인 해결책으로써 대용량 전력 전송기술이 가능하고, 환경문제의 해소가 가능하므로 전력수요가 밀집된 대도시에서 사용될 것으로 예상된다. HVDC 전력 케이블 관련 연구의 일환으로 국내에서 한국전기연구원이 250 kV/2.5 GW급의 HVDC 초전도 케이블 시스템 개발을 목표로 2013년부터 초전도 케이블 코어와 중간접속함 관련 연구개발을 시작하였다. 종단접속함의 형상을 설계하기 위해서는 HVDC 종단접속함 개발과 마찬가지로 DC 전계해석을 토대로 신뢰성 있는 DC 절연설계 기술이 확보되어야 미래 HVDC 글로벌 시장에 선제 대응할 수 있다고 사료된다. 국내외 연구기관에서는 HVDC 절연설계 관련 연구를 수행하고 있지만, 아직까진 도전율 계측 기반 DC 전계해석 연구가 매우 부족한 실정이다. 온도편차가 고려된 DC 전계해석을 위해서는 온도별 도전율에 대한 데이터가 확보되어야 하지만, 이를 공개하지 않고 있고, 특히 극저온에서 절연물의 도전율은 문헌을 통한 보고가 굉장히 드물다. 이러한 이유로 해석하고자 하는 절연물의 도전율 정보가 없다면, 도전율 측정 설비를 구축하여 직접 절연물의 도전율을 측정하여 DC 전계해석에 적용해야 한다. 따라서 본 연구에서는 DC 전계해석 기반 절연설계 기술을 확보하기 위해 도전율 계측의 결과를 직접 전계해석 소프트웨어 COMSOL Multiphysics에 적용하여 DC 전계해석 기술을 개발하였다. 이러한 기술을 바탕으로 HVDC 초전도 케이블의 중간접속함과 HVDC 케이블용 기중 종단접속함의 절연설계 기술 개발에 기여하였으며, 이를 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, AC 및 DC 전계에 대한 이론을 정립하였으며 COMSOL Multiphysics 툴을 이용한 전계해석을 통해 이론적 전계계산과 일치하는 지를 검증하였다. AC 및 DC 전계분포가 각각 유전율과 도전율에 의해 형성됨을 각각의 지배방정식을 분석함으로써 확인하고, DC 전압 인가상황에 따른 HVDC 전력 케이블의 DC 전계해석을 통해 이론적 수식을 통해 해석 신뢰성을 검증하였다. 또한, 열 해석을 반영한 DC 전계해석을 수행하여 전계역전 현상과 전계집중 정도를 확인하였다.

둘째, HVDC 초전도 케이블 냉매분리 접속함의 최적 절연설계를 위해 DC 전계해석 기술을 적용하였다. 절연설계 기준 전계를 선정하기 위해 HVDC 초전도 케이블 중간접속함의 절연물인 PPLP 및 에폭시의 액체질소 내 절연시험을 통해 기준 전계를 확립하였다. DC 전계해석을 수행하기 위해 극저온에서 PPLP 및 에폭시의 도전율을 직접 계측하였다. 중간접속함의 스페이서 최적 형상화를 위해 Parametric sweep 기법을 이용하여 PPLP와 에폭시의 도전율보다 높은 절연물을 사이에 적용하는 복합 지절연 사면형 스페이서를 구현할 수 있었다. 접속함 축소모델을 실제 제작하여 절연파괴 시험을 수행하였고 전계해석 시뮬레이션 결과를 검증하였다.

셋째, HVDC 기중 종단접속함의 절연설계를 위해 기존 AC 기중 종단접속함의 DC 적용 가능성 평가를 수행하였다. 기중 종단접속함이 옥외에 설치되므로 외부 환경조건에 따라 절연물 내 온도편차가 존재할 수 있다는 점을 감안하여 종단접속함 절연물의 온도별 도전율 문헌 조사 결과를 적용하여 열 해석 반영 DC 전계 복합해석을 수행하였다. 최적 형상을 설계하고자 반도전층 각도 및 스케일, 반도전층 및 스트레스 콘 조합의 위치 조절, 스트레스 콘 스케일 조절의 총 네가지 요소설계를 통해 최적 모델을 도출하였다. 이 후, 전계완화 방안으로 에폭시 나노컴포지트와 XLPE의 도전율을 조절하는 방법을 모색하였고, 그 결과 케이블 절연물인 XLPE의 온도별 도전율 식에서 온도의존계수가 바뀐다면 근본적인 대안책이 될 수 있다고 결론지었다.

본 연구를 통해 HVDC 전력 케이블 접속함의 최적 절연설계를 위한 DC 전계해석 기술을 자체적으로 확보하였으며, 개발한 해석 기술을 토대로 미래 HVDC 전력기기의 DC 절연설계 기술에 활용할 수 있을 것이라 사료된다. DC 전계해석의 신뢰성을 위해서는 이론에 기반을 둔 연구를 진행해야 하며, 나아가 이러한 연구 성과들을 잘 활용한다면 동북아 Super Grid 사업과 같은 국가산업 발전에 기여할 수 있을 것이라 사료된다.