초전도 전력기기 적용을 위한 고체 및 가스절연방식의 60 kV급 GFRP 콘덴서 콘 부싱 절연설계 및 시험평가

Abstract

전력수요가 급증함에 따라 전기에너지의 생산 및 수송의 효율적인 관리를 위하여 전력기기를 비롯한 전력 시스템에 초전도 기술이 도입되고 있다. 초전도 전력기기의 상용화를 위해서는 극저온환경에서 전기절연기술의 확립이 요구된다. 하지만 초전도 전력기기의 절연설계는 사용조건 및 환경에 따라 다르기 때문에 운영조건에 있어서 이상 전압 발생 및 극저온환경에서의 절연특성에 대한 연구 개발은 초전도 전력기기의 절연기술을 개발하기 위해 대단히 중요한 기술이라고 할 수 있다.[1][2] 초전도 전력기기는 기존의 전력기기 보다 전력손실을 크게 줄일 수 있으며 친환경적이라는 장점을 가지고 있다. 그 중에서 부싱의 개발은 외부 전력 에너지를 안전하게 전력기기 내부로 전송해주기 위한 핵심기술이다.[3][4] 일반적으로 에폭시를 절연매질로 사용하는 고체절연 방식의 부싱은 일반 변압기 등에 사용되는데 도체에 오일이 함침 된 절연지를 감싸거나 에폭시 등의 절연매질을 이용하여 도체와 전력기기간의 절연내력을 확보한다. 하지만 극저온 환경에서 사용하게 되면 급격한 온도 차이로 인해 오일은 결빙되고, 에폭시는 크랙이 발생되어 기밀유지가 어려우며 이는 곧 절연성능의 저하로 이어져 결국 절연파괴 현상이 발생할 수 있기 때문에 초전도 전력기기에 적용하려면 극저온 환경에서도 안전하고 신뢰성 있는 절연설계 기술이 확보되어야 한다.[5][6] 본 논문에서는 초전도 전력기기 개발을 위한 초석으로써 극저온 절연설계에 대해 중점을 두었으며, 특히 극저온 부싱 절연설계에 초점을 맞추었다. 일반적으로 극저온 부싱은 극저온 환경에서 전기적 절연성능과 기계적 강도가 우수한 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)를 주 절연매질 사용한다.[7][8] 따라서 GFRP의 두께 선정 및 연면거리 선정과 같은 절연설계 기준을 세우기 위해 GFRP의 관통 및 연면 절연성능 평가는 반드시 선행되어야 하며 본 논문에서 다루었다. 극저온 부싱은 가스절연 방식의 부싱과 고체절연 방식의 부싱으로 크게 구분된다. 가스 절연 방식의 극저온 부싱은 전력기기에 주로 이용되는 SF6 가스를 적용하는데 SF6 가스의 우수한 절연내력이라는 장점을 가지고 있지만, SF6 가스의 어는점이 -50℃로써 액체질소의 끓는점 -196℃보다 현저히 높아 결빙현상이 발생하는 단점이 있다. 고체 절연 방식의 극저온 부싱은 보통 콘덴서 콘을 적용한 절연 방식을 채택하고 있다. 콘덴서 콘은 매우 얇은 알루미늄 박막을 어느 정도 간격을 두고 부싱 도체부와 플랜지의 접지부 사이에 설치해 전압을 일정하게 분산시켜 전계 완화하는 역할을 한다. 콘덴서 콘을 적용한 극저온 부싱은 극저온 환경에서도 절연성능을 유지할 뿐만 아니라 전계 완화를 할 수 있는 장점을 가지고 있지만, 콘덴서 콘을 설계도면에 맞춰 제작할 수 있는 정밀한 기술이 요구되어 제작비가 많이 필요한 단점을 가지고 있다. 절연 방식에 따른 극저온 부싱의 전기적 성능을 평가하기 위해 콘덴서 콘을 적용한 고체절연 부싱과 가스절연 방식의 부싱을 전계해석 시뮬레이션을 통해 설계 및 제작하였으며, 상용주파 내전압 및 뇌 임펄스 절연파괴 실험을 통해 절연성능을 비교 분석하였다.