154kV급 고온초전도 전력기기용 부싱 절연시스템 설계파라미터 결정

Abstract

초전도 전력기기는 기존 전력기기 대비 송전용량이 매우 크고 친환경적이며 효율이 높은 것이 기술적인 장점이다. 따라서 전력기술 선진국의 경우, 지난 30년 전부터 송전급 전력계통망에 적용을 위하여 개발연구가 수행되고 있으며 국내의 경우, 2005년도에 들어와 154kV 급 초전도 케이블, 한류기, 변압기와 관련된 실 계통 운용을 목표로 개발연구가 진행 중이다. 초전도 전력기기 부싱의 절연구조를 살펴보면, 상부는 SF6 또는 고체절연물을 사용하나 하부는 LN2를 절연매체로 사용하기 때문에 -198℃에서 절연특성 및 절연구조물간의 이격거리 유지를 위한 기술적 어려움이 있다. 그러나 관련된 연구결과들이 확보되지 않아 154kV급의 경우 상용화가 지연되고 있으며, 70kV급은 기존의 부싱을 개조하여 상용화하고 있다. 본 연구는 154kV 급 초전도 전력기기용 부싱 구조물들의 이격거리 도출을 목표로, 액체, 기체, 고체로 구성된 부싱의 복합적인 절연구조가 고려된 각 매질들의 절연특성분석과 관련된 체계적인 기본연구를 다음과 같이 수행하였다. IEC 60071-2 규격에 의거하여 액화질소 내에서의 전극 재질 및 형상에 따른 절연특성과 연면절연거리, GFRP 관통절연내력 및 혼합가스 자체의 절연내력, 혼합가스 환경 속에서 연면절연내력 등이다. 도출된 절연파괴전압 값은 IEC 61649에 의거한 Weibull 분포 곡선 5% 값을 적용하여 IEC 60137 기준에 명시된 154kV급 절연내력전압기준(AC:275kV, BIL:650kV)을 충족하는 이격거리를 구하였다. 또한, 154kV 급 초전도 전력기기용 부싱 제작을 위하여 기존 154kV 급 부싱을 단순히 상부와 하부만으로 분리하여 SF6와 LN2를 각각 적용할 경우 극저온에서 SF6 절연내력이 저하되므로 이로 인한 절연사고 가능성이 높아진다. 따라서 상부와 하부 사이에 362kV 에폭시 스페이서를 GFRP 스페이서로 교체하여 연결구간을 설계 제작 후 삽입하고 절연은 CF4를 적용하였으며, 하부 도체부분을 GFRP로 절연을 보강하였다. 아울러 9000L 액화질소를 저장할 수 있는 냉각용기도 제작하여 프로토타입 부싱의 절연내력평가를 성공적으로 수행하였다. 본 연구를 통해 도출된 154kV급 초전도 부싱 절연구조물들의 이격거리는 향후 상용화를 위한 기반 자료로 충분히 활용 될 수 있을 것으로 사료되며, 제작된 프로토타입과 냉각용기는 초전도 전력기기의 절연 신뢰성 평가 및 절연설계 시에 유용한 설비로 이용 될 수 있다.