직류 전계분포 해석 기법을 적용한 500 kV급 HVDC 폴리머 애자 최적 절연 설계

Abstract

HVDC (High Voltage Direct Current, 고전압직류) 기술은 대용량 송전이 가능하고 송전손실을 최소화할 수 있어 장거리 송전 뿐 아니라 B2B (Back-to-back) 시스템을 이용한 계통 간 연계, 신재생 에너지와의 전력계통 연계에도 널리 활용되고 있는 21세기 핵심 전력 전송 기술로 각광받고 있다. 최근 대용량, 장거리 전력전송과 신재생 전원단지의 증가로 HVDC 시장이 급속하게 성장하고 있으므로, 전 세계적으로 관련 전력기기 및 시스템 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. HVDC 기술은 크게 변환기술과 차단기술, 송전기술로 구분 할 수 있으며, 관련 전력기기 및 시스템 개발의 공통기술로서 고전압직류 특성에 기반한 DC전력기기 절연설계 기술이 확보되어야 한다. DC절연설계의 핵심기술로서 DC전계해석 기술이 필요하지만 현재까지 몇몇 해외 선진사와 대학 등에서 일부 연구결과물을 발표하고 있으나 자세한 기술적 정보가 전혀 공개되지 않고 있다. 따라서 HVDC 전력기기 기술의 자립화를 위해서는 DC전계해석 기반 절연설계 기술 확보가 시급히 요구되고 있다. 한편 유럽과 중국 등에서 장거리 HVDC 가공송전이 확산되고 있으며, 특히 가공송전선로의 핵심 절연기기인 자기 애자를 가볍고 내오손 성능이 우수한 폴리머 애자로 교체하려는 움직임이 있다. 그러나 폴리머 애자에 대한 DC절연설계 기준이나 최적 형상설계에 관한 연구는 보고되지 않고 있다. 최근 한국전력을 중심으로 남북 계통연계 및 동북아 슈퍼그리드 구축을 위하여 HVDC 송전기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 관련 연구의 일환으로 500 ㎸급 HVDC 폴리머 애자 개발연구가 2011년에 시작되었다. 이미 폴리머 애자의 절연재료인 실리콘 및 FRP-로드는 국산화 되어 있고 제조 기술이 확보되어 있다. 하지만 폴리머 애자를 HVDC 가공선로에 적용하기 위한 DC절연 설계기술이 확보되지 않아 HVDC용 폴리머 애자 최적 형상설계가 어려운 실정이다. 따라서 최우선적으로 DC전계해석에 기반한 DC절연설계 기술을 개발하고 이를 이용하여 HVDC 폴리머 애자의 최적 형상설계 기술이 확보되어야 한다.

따라서 본 연구에서는 DC전계해석 기반 절연설계 기술을 확보하기 위하여 COMSOL Multiphysics를 이용한 DC전계해석 기법을 개발하였다. 이를 이용하여 500 ㎸급 HVDC 폴리머 애자의 최적 형상을 설계하여 시제품 개발 성공에 기여하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫 번째, DC전계의 이론적 특징을 분석하였으며 정상상태의 DC전계는 누설전류를 고려한 저항성 전계분포 혹은 표면전하를 고려한 용량성 전계분포의 두 가지 방법으로 해석이 가능함을 확인하였다. 이를 COMSOL Multiphysics를 이용하여 두 가지 방법에 대하여 이론에 부합하는 각각의 DC전계해석 기법을 개발하였다. 또한, DC 전원이 인가되는 상황에 따라 DC전계를 Switching On과 Off, 정상상태, 극성반전과 충격전압의 중첩 등 여섯 가지로 구분하여 DC전계의 특징을 분석하였다. 각각의 전원 인가상황에 부합하는 전계해석을 수행하였으며, 특히 극성반전이나 DC정상상태에 충격파가 중첩되는 상황을 해석하기위한 DC정상상태 결과에서 이어지는 DC과도상태해석 기법을 완성하였다. 이러한 해석 기법을 통하여 극성반전과 충격전압의 중첩과 같이 짧은 시간에 이루어지는 DC전계의 변화는 정상상태의 DC전계와 용량성 전계가 중첩되어 심각한 전계집중을 야기할 수 있음을 확인하였다. 그리고 절연물에 존재하는 온도편차에 의하여 전계역전과 같은 예상치 못한 전계분포가 발생할 수 있으며 이로 인하여 심각한 전계집중이 발생할 수 있음을 이론적으로 확인하였다. 이를 해석적으로 검증하였으며, 온도분포와 DC전계의 복합해석 기법을 정립하였다.

두 번째, 본 연구를 통하여 개발한 DC전계해석 기법을 통하여 500 ㎸급 HVDC 폴리머 애자 형상을 설계하였다. 폴리머의 절연성능과 기준 전계강도를 선정하기 위하여 폴리머 시편의 DC 절연파괴 실험을 실시하여 약 85～100 ㎸/㎜의 절연내력을 가졌음을 확인하였다. DC전계해석에 이용된 폴리머의 도전율은 폴리머 시편을 대상으로 온도에 따른 도전율 측정실험을 수행한 결과를 이용하였다. 폴리머 애자의 Shed 설계 최적화를 위하여 네 가지 설계 요소를 변화시켜가며 DC전계해석을 수행하였으며 기존 설계 대비 전계 집중지역의 전계강도를 약 21～40% 완화하였다. Shed 내부와 기중 전계완화를 목적으로 최적의 Grade ring 위치를 선정하였으며, 그 결과 기중 최대 전계강도를 Grade ring설치 전 5～7㎸/㎜의 전계강도에서 2.6 ㎸/㎜미만으로 설계하였다. 최종적으로 폴리머 Shed 내부 최대 전계강도 3 ㎸/㎜미만의 우수한 형상의 500 ㎸급 HVDC 폴리머 애자를 설계하였다. 설계한 폴리머 애자의 시제품을 제작하여 절연성능 검증시험과 장기 실선로 실증시험에 합격하였으며, 이로써 500 ㎸급 HVDC 폴리머 애자 개발에 성공하였다.

세 번째, 기존의 자기 애자에 대하여 AC전계와 DC전계분포를 해석하여 분석하였으며 HVDC 가공선로에 활용 가능성을 확인하였다. 폴리머 애자와의 DC전계분포 특징을 비교한 결과, 자기 애자와 폴리머 애자 모두 Shed 내부 최대 전계강도 2～3 ㎸/㎜ 미만의 우수한 DC전계분포를 보였다. 그러나 자기 애자의 HVDC실선로에 적용을 위해서는 짧은 누설거리에 의한 절연파괴 가능성, 내오손 성능 등의 검증이 필요하다.

본 연구를 통하여 해외 선진 연구진들이 공개하지 않는 HVDC 절연설계의 핵심기술인 전계해석 기반 DC정상상태와 DC과도상태의 절연설계 기술을 자체적으로 확보하였다. 개발한 해석 기법을 토대로 500 ㎸급 HVDC 폴리머 애자의 최적 형상을 설계하였으며 시제품 개발 성공에 기여하였다. DC전계분포 해석에 기반한 DC절연설계 기술은 향후 Converter Valve 설계와 DC 스페이서 등 DC절연기기의 절연 설계에 기여 할 것으로 사료된다.