HVDC 변환소용 컨버터 밸브 절연설계를 위한 과도 및 DC 중첩 과전압 특성 평가

Abstract

직류송전 시스템(HVDC system, High Voltage Direct Current Transmission System)은 일반적으로 발전소에서 생산되는 교류전력을 싸이리스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 소자를 이용하여 직류로 변환시켜서 송전(가공, 지중, 해저)한 후 수전점에서 교류로 재변환하여 전력을 공급하는 방식으로 장거리 대용량 및 해저케이블 송전, 국가 간 전력 및 신재생 계통 연계 등 세계적으로 폭 넓게 사용되는 시스템이다. 이러한 HVDC 시스템은 크게 AC를 DC로 변환하는 변환기술, 사고 발생 시 사고 지점을 계통에서 분리시키는 차단기술, 그리고 변환된 DC전력을 전송하는 송전기술로 구분할 수 있다. 이 중 HVDC 시스템의 핵심이라고 할 수 있는 AC를 DC로 변환하는 변환장치인 HVDC 컨버터 밸브는 HVDC 컨버터 밸브 홀에 위치하고 있으며, HVDC 컨버터 밸브는 수많은 전력전자 소자로 이루어져 있다. 이러한 전력 소자들을 보호하고 HVDC 송전 시스템의 신뢰성과 안정성을 보장하기 위해서는 HVDC 변환소의 절연설계는 필수적으로 요구된다. HVDC 변환소의 절연설계를 위해서는 우선적으로 계통해석을 통한 HVDC 시스템의 절연협조 분석이 이루어져야 한다. 절연협조 분석을 통해 유입될 수 있는 과전압이 결정되는데, 유입될 수 있는 과전압의 크게 과도 과전압과 일시 과전압으로 나눌 수 있다. 과도 과전압의 유형은 다시, 낙뢰로 인한 뇌충격파와 사고 발생 시 사고지점을 계통에서 분리시킬 때 발생하는 개폐충격파로 나눌 수 있다. 따라서 공기를 절연매질로 하는 HVDC 변환소의 특성 상, 과도 과전압의 기중절연특성에 대한 분석이 필요하다. 과도 과전압의 기중절연특성은 HVDC 변환소뿐만 아니라 일반적인 AC 가공 송전 시스템에서도 요구되기 때문에, 1950년대부터 연구가 활발히 이루어졌다. 그러나 1950년대부터 1990년대까지 이루어진 개폐충격파의 기중절연특성 연구는 근래에 규정된 표준 개폐충격파 250/2500 μs를 기준으로 하고 있지 않다. 1990년대 이후부터 표준 개폐충격파에 대한 기중절연특성에 대한 연구가 이루어지고 있지만, 이는 과도 과전압의 연구는 수 kV에서 수십 kV의 전압 레벨이나 750 kV 이상의 초고압 레벨에서만 이루어졌을 뿐, 750 kV 이하의 전압 레벨에 대한 연구는 부재되어 있음을 의미한다. 게다가 현재 규격에서 명시하고는 시험 기준은 모두 표준 개폐충격파를 요구하고 있으므로, 표준 개폐충격파의 기중절연특성에 대한 면밀한 분석이 필요하다. 뿐만 아니라 이러한 과도 과전압은 일반적으로 HVDC 시스템이 정상 운용 중에 유입되어 DC 중첩 과도 과전압 현상을 일으킨다. 따라서 DC 중첩 과도 과전압의 극성에 따른 기중절연특성이 분석되어야 하지만, 현재까지의 이에 대한 연구는 DC 케이블이나 DC 스페이서와 같이 공간전하나 표면전하 축적이 발생하는 DC 전력기기에 국한되어 있다. 그러므로 극성에 따른 DC 중첩 과도 과전압의 기중절연특성에 대한 분석 또한 필요하다. 한편, HVDC 컨버터 밸브 절연설계에서 고려해야할 또 다른 중요 인자는 DC 코로나라고 할 수 있다. HVDC 컨버터 밸브가 AC를 DC로, DC를 AC로 변환할 때, HVDC 변환소의 출력부와 입력부에 HVDC 시스템 전압레벨에 준하는 DC 전압이 인가되게 된다. 이때 높은 DC 전압으로 인해 공기 중에 DC 코로나가 발생한다. 이 DC 코로나는 열과 화학반응을 유발하여 이로 인해 에너지 손실이 발생하고 주변 절연물을 열화시킬 수 있으며 전력망의 안정성이 손상 될 수 있으므로 반드시 절연설계에 고려해야할 인자라고 할 수 있다. 따라서 HVDC 시스템의 전압레벨에 따른 DC 코로나 방지를 위한 연구가 필요하지만, 지금까지의 DC 코로나 연구는 대부분 실외 송전선에 대한 연구로 국한되어 있다. 이는 기중에 대한 DC 코로나에 대한 연구와 이를 방지하기 위한 대책, 즉 코로나 쉴드의 설계의 필요성을 대두됨을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 실험을 통해 HVDC 변환소의 절연설계를 위해 공기로 절연을 하고 있는 HVDC 컨버터 홀과 HVDC 컨버터 밸브의 특성을 고려하여, 기중이격거리 산출을 위한 과전압에 대한 기중절연특성을 연구하였다. 그리고 HVDC 변환소가 정상 운용되고 있을 시에 충격파가 유입되는 상황을 고려하여, DC 중첩 과도 과전압 상황에서의 기중절연특성을 연구하였다. 또한, DC 코로나 방지를 위한 코로나 쉴드 설계절차를 확립하였으며, 이를 COMSOL Multiphysics를 활용하여 실제로 설계 및 제작하여 성능을 검증함으로써 HVDC 컨버터 밸브의 DC 코로나 방지를 위한 대책에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫 번째, HVDC 변환소의 기중이격거리 산출을 위하여 과도 과전압의 기중절연특성을 분석하였다. 실험은 규격에서 명시하는 표준 과도 과전압에 대한 기중절연특성 분석 실험을 IEC 60060-1에서 명시하는 승강법(up and down)을 통해 봉 – 평과 구 - 평 구조의 전극에서 분석하였다. 실험결과, 기중절연특성이 전극반경에 영향을 받는 A 영역과 영향을 받지 않는 B 영역으로 구분이 되는 것으로 확인되었으며, 그 과도 구간은 전극반경의 8에서 10배가 되는 전극 간 거리(갭 간격), 혹은 전계이용율(η)이 0.10에서 0.12인 구간에서 발생하였다. 또한, B 영역을 기준으로 절연설계를 할 경우 A 영역을 아우르는 절연설계가 가능하다는 결론을 내렸으므로, B 영역을 기준으로 한 기중이격거리 산출 기준식을 도출하였다. HVDC 컨버터 밸브 내부 소자와 같은 작은 크기와 갭 간격에서의 스위칭 시 발생하는 개폐충격파에 대한 절연설계를 위해 A 영역의 개폐충격파에 대한 추세선식 또한 도출하였으며, 이들을 기중이격거리 산출 기준식이라고 명명하였다. 파두장을 달리하는 개폐충격파의 경우, 130 μs와 165 μs의 파두장에 대해 기중절연특성 분석 실험을 수행하였으며, A 영역에서는 파두장이 큰 영향을 미치지 않았지만, B 영역에서는 파두장이 길어질수록 기중절연특성이 저하되지만 영향은 미미하다는 것을 확인하였다. 마지막으로 HVDC 컨버터 밸브를 모의한 피시품과 HVDC 컨버터 밸브 더미를 제작하여 섬락 시험을 수행하였다. 피시품 시험결과, 본 연구에서 도출한 기중이격거리 산출 기준식의 타당성을 입증함과 동시에, 기존의 방법 대비 19% 정확한 기중이격거리 산출이 가능함을 증명하였다.

두 번째, DC 중첩 과도 과전압 기중절연특성을 초기 DC 전압 및 극성에 따라 분석하였다. 우선 초기 DC 전압을 계산하기 위하여, 정극성과 부극성 DC의 기중절연특성을 분석하였고, 이를 기반으로 DC 기중절연특성 실험결과를 기반으로 초기 DC 전압을 계산하여 DC 중첩 과도 과전압 실험을 수행하였다. 실험결과, DC와 같은 극성의 충격파가 유입될 경우, 섬락이 일어나기 위한 충격파의 전압이 낮아졌다. 반면, DC와 반대 극성의 과도 과전압이 유입될 경우, 섬락을 발생시키기 위한 과도 과전압의 전압이 반대로 높아졌다. 결론적으로 정극성 DC에 정극성 과도 과전압이 유입될 경우 절연측면에서 가장 가혹한 환경이 조성된다는 것을 확인하였다. 따라서 HVDC 컨버터 밸브 기중이격거리 산출에 있어 DC 중첩 과도 과전압 상황을 고려해야 된다는 결론을 내릴 수 있었으며, HVDC 시스템 전압 레벨을 고려한 기중이격거리 산출 기준식을 도출하였다.

세 번째, DC 전압 레벨에 따른 DC 코로나 개시 전계 수식을 도출하였다. 또한, 이를 통해 FEM(Finite Element Method) 기반 COMSOL Multiphysics를 활용한 DC 코로나 방지를 위한 코로나 쉴드 설계절차 확립 및 실험 검증을 완료하였다. DC 전압 레벨에 따른 DC 코로나 개시 전계 수식을 도출을 위해 우선적으로 전극직경과 DC 코로나 개시 전압에 관련된 연구와 Peek의 공식을 취합하였다. 이를 기반으로 코로나 쉴드 설계절차를 확립하고, ±200 kV급 HVDC 시스템을 가정하여 DC 코로나 쉴드 설계를 진행하였다. 적용된 변수는 코로나 쉴드의 직경, 길이, 곡률반경, 그리고 HVDC 컨버터 밸브 프레임과의 거리였으며, 설계된 코로나 쉴드를 HVDC 컨버터 밸브 모델에 적용 결과 최대 전계가 36% 수준으로 완화되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 설계한 코로나 쉴드를 제작, 피시품에 탈부착하여 음향장비를 활용해 DC 코로나 측정을 수행하였다. DC 코로나 측정실험 결과, 배경 노이즈를 제외한 어떠한 신호도 측정하지 못하였다. 결론적으로 DC 전압 레벨에 따른 DC 코로나 개시 전계 수식을 도출에 대한 검증을 완료하였다.

본 논문에서는 상기 연구 내용 및 결과를 바탕으로 HVDC 변환소용 컨버터 밸브의 절연설계를 위한 과도 및 DC 중첩 과전압 기중절연특성을 분석하였다. 우선 현재 규격에서 명시하지 못하는 750 kV 이하의 전압 레벨에서의 개폐충격파 기중절연특성과 DC 중첩 과도 과전압 상황에서의 기중절연특성을 확보하여, HVDC 변환소의 기중이격거리를 산출할 수 있도록 하였다. 또한, HVDC 컨버터 밸브에서의 DC 코로나 발생 방지를 위한 DC 전압 레벨에 따른 DC 코로나 개시 전계 수식을 확립 및 검증하였다. 이러한 실험 및 해석 기반 절연설계 연구는 실제 HVDC 변환소의 절연설계에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.