고온 초전도 직류 케이블의 절연두께 산정방법 및 이를 통해 제작되는 고온 초전도 직류 케이블

고온 초전도 직류 케이블의 절연두께 산정방법 및 이를 통해 제작되는 고온 초전도 직류 케이블 {Calculating imsulation thickness of high temperature superconducting DC cable and HTS DC cable made by this method}

본 발명은 고온 초전도 직류 케이블의 절연두께 산정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미니모델 케이블에 DC 전압, 임펄스 전압 및 DC 극성반전 전압을 각각 인가하여 케이블의 절연두께를 결정가능한 고온 초전도 직류 케이블의 절연두께 산정방법 및 이를 통해 제작되는 고온 초전도 직류 케이블에 관한 것이다.

최근, 초전도 케이블(High temperature superconducting cable), 초전도 변압기(Superconducting transformer), 초전도 한류기(Superconducting fault current limiter), 초전도 저장장치(Superconducting magnetic energy storage), 초전도 발전기(Superconducting generator) 등과 같은 폭 넓은 영역에 사용되는 고온초전도 기술은 에너지 기술 개발 관점에서 큰 관심을 모으고 있다.

특히, 초전도 케이블은 적용 가능성이 가장 높다고 평가를 받고 있어 세계 각국에서 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 지금까지는 주로 고온 초전도 AC 케이블 연구개발을 목표로 했으나, 최근 들어 육상에서의 장거리를 위한 대용량 전력수송, 또는 해저에서의 케이블 등을 이용한 대용량 전력수송에 있어서, 고효율로 전력수송을 하기 위한 고온초전도 DC 케이블(High temperature superconducting DC cable) 연구개발이 진행되고 있다. 고온초전도 DC 케이블의 절연시스템은 주로 액체질소 냉매 및 고분자의 복합 절연계로서 개발되고 있다. 따라서 초전도 DC 케이블 개발을 위해서는 DC 환경에서의 절연재료기술과 더불어 극저온에서의 절연기술을 확립하는 것이 중요하다.

액체질소 시스템 중 PPLP(PolyPropylene Laminated Paper) 적층 절연시스템은 주로 AC 케이블용으로 개발되어지고 있다. 그러나 다층의 PPLP 절연시스템은 안정성, 신뢰성, 공간전하 등에 있어서 초전도 DC 케이블에도 적용이 가능하다.

하지만, 고온초전도 DC 케이블용 적층 절연시스템에서는 코어 절연두께를 결정하는 데 있어서 설계전압이 요구 되어진다. 또한, AC와 달리 공간전하를 고려한 DC, DC 극성반전 및 뇌임펄스(Lightning impulse)와 같은 절연평가시험을 통해 최대파괴 전계가 얻어져야 한다.

따라서 본 발명의 목적은 미니모델 케이블에 DC 전압, 임펄스 전압 및 DC 극성반전 전압을 각각 인가하여 케이블의 절연두께를 결정가능한 고온 초전도 직류 케이블의 절연두께 산정방법 및 이를 통해 제작되는 고온 초전도 직류 케이블에 관한 것이다.

상기한 목적은, 반도전층 및 절연층을 포함하는 미니모델 케이블을 준비하는 단계와; 액체질소 압력 하에서 상기 미니모델 케이블에 DC 전압, 임펄스 전압 및 DC 극성반전전압을 각각 인가하여 DC 절연특성, DC 임펄스 절연특성, DC 극성반전 절연특성 값을 각각 얻는 단계와; 상기 절연특성 값들을 통해 각각 DC 절연두께, DC 임펄스 절연두께 및 DC 극성반전 절연두께를 산출하고, 상기 절연두께들 중 가장 두꺼운 절연두께를 상기 미니모델 케이블의 절연두께로 결정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 직류 케이블의 절연두께 산정방법에 의해 달성된다.

상기 DC 절연두께는 하기 식 1을 통해 얻어지며,

<식 1>

상기 DC 임펄스 절연두께 및 상기 DC 극성반전 절연두께 각각은 하기 식 2를 통해 얻어지는 것이 바람직하다.

<식 2>

여기서, 상기 절연층은 폴리프로필렌 라미네이트지(PPLP)가 복수로 적층된 절연층이며, 상기 PPLP 절연층은 PPLP 사이에 생기는 공간인 부트갭(Butt-gap)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 DC 극성반전전압의 인가는, 상기 미니모델 케이블에 정극석 DC 전압을 인가, 상기 정극성 DC 전압 방전, 부극성 DC 전압 인가 및 상기 부극성 DC 전압 방전을 반복하는 것이 바람직하며, 상기 액체질소 압력은 0.2 내지 0.6MPa인 것이 바람직하다.

상기한 또 다른 목적은, 절연층을 포함하는 250kV급 고온 초전도 직류 케이블의 DC 절연두께, DC 임펄스 절연두께 및 DC 극성반전 절연두께를 산출하고, 상기 절연두께들 중 가장 두꺼운 절연두께를 상기 케이블의 절연두께로 적용한 것을 특징으로 하는 고온 초전도 직류 케이블에 의해 달성된다.

여기서, 상기 절연층은 폴리프로필렌 라미네이트지(PPLP)가 복수로 적층된 절연층인 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 미니모델 케이블에 DC 전압, 임펄스 전압 및 DC 극성반전 전압을 각각 인가하여 절연두께 값을 얻을 수 있으며, 이를 고온초전도 DC 케이블 용 적층 절연 시스템에서 코어의 절연두께에 적용가능한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온 초전도 직류 케이블의 절연두께 산정방법의 순서도이고,
도 2는 미니모델 케이블의 단면도이고,
도 3은 DC 절연파괴 전압의 Butt-gap 사이 간격에 대한 의존성을 나타낸 그래프이고,
도 4는 DC 극성반전전압 인가방법을 나타낸 그래프이고,
도 5는 미니모델 케이블의 DC(+), Imp(+) 및 DC 극성반전 절연파괴전계의 값을 비교한 그래프이고,
도 6은 DC 절연파괴전계의 극성효과 및 와이불 확률분포의 최대파괴전계 값을 나타낸 그래프이고,
도 7은 임펄스 절연파괴전계의 극성효과 및 와이불 확률분포의 최대파괴전계 값을 나타낸 그래프이고,
도 8은 DC 인가전압-극성반전횟수의 특성을 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명에 따른 고온 초전도 직류 케이블의 절연두께 산정방법을 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 미니모델 케이블을 준비한다(S1).

미니모델 케이블(10)은 도 2와 같이 직경 28mm의 스테인레스스틸(Stainless steel)로 이루어진 파이프(Pipe, 11) 형상을 준비하고, 파이프(11) 내부 및 외부를 반도전층(Semi-couductor, 13)으로 감싼다. 여기서 반도전층(13)은 카본 페이퍼(Carbon paper)를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 파이프(11) 내부 및 외부에 배치된 반도전층(13) 사이에는 PPLP(PolyPropylene Laminated Paper)를 복수로 적층시킨 절연층(15)을 추가한다. 여기서 PPLP는 크라프트지(Kraft paper)와 폴리프로필렌(Polypropylene)을 압착하여 제작한 반합성지이며, 시료의 두께는 110 내지 120㎛이다.

PPLP 절연층(15)은 3장의 PPLP를 적층시키는 것이 바람직하며, 경우에 따라서 부트갭(Butt-gap)을 더 포함할 수 있다. 여기서 Butt-gap은 케이블 제작시 PPLP를 오버랩핑하여 케이블에 감는데 이때 상부층과 하부층 사이에 생기는 미세한 공간을 말하며 이러한 Butt-gqp은 케이블의 절연강도에 영향을 준다.

절연파괴 시험을 위한 유효길이는 50mm이며, 전계완화와 연면거리 확보를 위하여 미니모델 케이블(10)의 단부는 보강절연한다. 이를 통해 완성된 미니모델 케이블(10)의 전체길이는 400mm이다.

도 3은 0.4MPa의 액체질소 압력 하에서 PPLP 시트의 DC(+) 절연파괴 전압의 Butt-gap 사이 간격(L)에 대한 의존성을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, L이 커짐에 따라 절연파괴 전압이 상승한 후 8mm 이상에서 포화하는 경향을 나타낸다. 또한, L이 8mm 이상인 경우에는 상부층과 하부층의 Butt-gap에서 연면방전이 발생하지 않고 상부층의 Butt-gap을 통해 바로 수직으로 절연파괴가 발생하였다. 이 실험을 통해 미니모델 DC 케이블은 PPLP의 Butt-gap 간 간격을 8mm로 정하고, PPLP 절연지 폭(w) 25mm에 대하여 (L/w)×100(%) 식에 의하여 중첩율을 30%로 하여 제작하였다.

이러한 미니모델 케이블은 극저온을 유지하기 위한 장치인 크라이오스탯(Cryostat)에 설치된 고전압부싱의 하부에 부착된다.

미니모델 케이블에 DC전압, 임펄스전압 및 DC 극성반전전압을 각각 인가한다(S2).

미니모델 케이블로 상용의 액체질소를 도입시킨 후, 0.4MPa 기압 하에서 미니모델 케이블 전극 간에 DC(Direct current), 임펄스전압(Impulse voltage) 및 DC 극성반전전압(DC reversal voltage of polarity)을 각각 인가한다.

고전압 인가를 위하여 DC는 최대전압 100kV의 전원장치를 사용하여 2kV/sec의 속도로 전압을 상승시켰으며, 임펄스는 15kJ 용량, 최대전압 400kV의 1.2×㎲ 파형을 갖는 표준임펄스 전원장치를 사용한다.

DC 극성반전전압 인가방법은 도 4에 도시된 바와 같은 방법을 이용한다. 도 4와 같이 처음에는 정극성(+) DC 전압을 절연파괴의 60%로 2분간 인가하여 내압을 확인한다. 그 후 고전압 전극을 접지상태에서 2분간 방전한 후 재차 극성반전하고 부극성(-) 전압을 2분간 인가한다. 이때 전압상승은 5kV이며, 일정전압 인가시간도 2분을 유지하였다. 일정전압의 +, - 극성반전을 한 주기로 하여, 전압을 계속 상승시키다가 절연파괴가 일어날 때의 절연파괴 값을 DC 극성반전 절연파괴 전압으로 한다. 또한, DC VN 특성시험에서는 일정한 DC 인가전압을 +, - 극성을 주기적으로 2분 동안 인가하여 절연파괴가 일어날 때까지의 극성반전 횟수를 측정한다. 절연파괴시험은 주어진 조건에서 5 내지 10개 정도의 샘플을 사용하여 반복적으로 시험한다.

DC 절연특성, DC 임펄스 절연특성 및 DC 극성반전 절연특성을 통하여 미니모델 케이블의 절연 두께를 결정한다(S3).

S2 단계에서 측정된 DC 절연특성, 임펄스 절연특성 및 DC 극성반전 절연특성을 통하여 하기와 같은 식들을 이용하여 최대파괴전계(E _max ) 값을 얻을 수 있으며, 최대파괴전계 값을 통해 각 절연특성에서의 케이블 절연두께의 최소 값을 얻을 수 있다. 3 가지의 절연특성을 모두 수용할 수 있는 절연 두께를 얻어야 하기 때문에, 3 가지의 절연특성을 통해 얻은 3 가지의 절연두께 중 가장 두꺼운 두께를 미니모델 케이블의 절연 두께로 결정한다.

도 5는 0.4MPa 기압 하에서 미니모델 케이블의 DC(+), Imp(+) 및 DC 극성반전 절연파괴전계의 E _max 값을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 또한 표 1은 미니모델 케이블의 평균절연파괴전계와 표준편차를 나타낸 것이다.

여기서 DC(+), Imp(+) 및 DC 극성반전 절연파괴전계의 순서대로 전압이 높은 것을 알 수 있다. DC(+), Imp(+) 및 DC 극성반전 평균절연파괴전계는 각각 131, 130 및 117.4kV/mm이다. 특히, DC 극성반전 절연파괴전압이 낮은 것은 DC 극성반전에 의해 PPLP에 축적된 공간전하의 전계에 의해 전계가 왜곡되고 이로 인해 낮은 전압에서 절연파괴가 일어난 것을 의미한다. 따라서, 이것은 고온초전도 DC 케이블의 절연설계에 있어서 고려되어져야 한다. 또한, 모든 절연파괴전계의 표준편차(σ)는 3.1 내지 4.5%이다.

A. DC 절연 특성을 통해 미니모델 케이블 절연두께 결정

도 6은 0.4MPa 액체질소 압력 하에서 미니모델 케이블의 DC 절연파괴전계의 극성효과 및 1% 와이불(Weibull) 확률분포의 최대파괴전계(E _max ) 값을 나타낸다. DC 절연파괴전압의 액체질소 압력의존성은 AC의 경우와 유사하게 0.4MPa 압력 이상에서 포화하기 때문에 0.4MPa의 액체질소 압력 하에서 측정했다. 그래프에서 알 수 있듯이 DC(+) 및 DC(-)의 최대파괴전계 값은 각각 112kV/mm 및 115kV/mm이다.

한편, AC의 경우 액체질소 중에서 폴리에틸렌, 크라프트지 등의 n 값은 14 내지 100 범위로 보고되고 있다. 따라서 운전시간을 40년으로 한 경우 경년열화계수 K1을 다음 식 1로 구하면 K ₁ =1.8 이다.

<식 1-1>

DC(-)의 절연파괴전압이 DC(+)의 경우보다 높기 때문에 고온초전도 DC 케이블의 절연설계는 DC(+)의 절연파괴전압을 적용하였다. DC 케이블 절연두께의 계산은 저항율(ρ)에 의한 온도 및 전계 의존식에 대한 식 2와 같은 수정된 원통식을 적용하였다.

<식 1>

여기서, E는 설계전계(kV/mm), V _DC 는 DC 목표전압(kV), r ₁ 은 절연층의 내경(mm), r ₂ 는 절연층의 외경(mm)이다.

식 1에서의 DC 목표전압(VDC)은 다음 식 1-2와 같이 나타낸다.

<식 1-2>

여기서, U ₀ 는 운전전압(250kV), K ₁ 은 식 1-1에서 구한 경년열화계수(1.8), K ₂ 는 온도계수(1.0), K ₃ 는 불확정 요소에 대한 여유치(1.1)를 의미한다.

식 1-2에 근거한 DC 목표전압은 495kV로 계산된다. 또한 DC 설계전계는 다음 식 1-3으로 나타낸다.

<식 1-3>

여기서, E _max 는 최대파괴전계값(112kV/mm), K ₄ 는 설계여유치(1.2)다. 식 1-3에 근거한 DC 설계전계는 99.2kV로 계산되었다. 따라서 r ₁ =14mm인 경우, 250kV 급 고온초전도 케이블의 DC 절연두께는 식 1을 적용하여 5.4mm가 된다.

B. DC 임펄스 절연 특성을 통해 미니모델 케이블 절연두께 결정

도 7은 임펄스 절연파괴전계의 극성효과 및 1% Weibull 확률분포의 최대파괴전계(E _max )를 나타낸다. 그래프와 같이 Imp(-)의 절연파괴전압이 Imp(+)의 절연파괴전계보다 높으며, Imp(-) 및 Imp(+)의 E _max 는 각각 105kV/mm 및 108kV/mm이다.

<식 2>

DC 중첩 역극성 임펄스 절연두께의 계산은 유전율(ε)에 의한 식 2와 같은 원통식을 적용하였다. Imp(-)의 절연파괴전계가 Imp(+)의 경우보다 높기 때문에 Imp(+)의 절연파괴전계를 적용하였다.

임펄스 목표전압(V _imp )은 다음 식 2-1로 나타낸다.

<식 2-1>

여기서, U ₀ 는 운전전압(250kV), K ₅ 는 이상과전압계수(2.5), K ₆ 은 불확정 요소에 대한 안전율(Safety factor, 1.1). 식 2-1에 근거한 Imp 목표전압(V _imp )는 688kV로 계산되었다.

또한 Imp 설계전계는 다음 식 2-2로 나타낸다.

<식 2-2>

여기서, E _max 는 최대 Imp 파괴전계(105kV), K ₄ 는 설계여유치(Tolerance, 1.2)이다. 따라서 식 2-2에 근거한 DC 설계전계는 94.8kV로 계산된다.

r ₁ =14인 경우, 250kV급 고온초전조 케이블의 DC 중첩 역극성 Imp 절연두께는 식 2를 적용하여 10.5mm가 된다.

C. DC 극성반전 절연 특성을 통해 미니모델 케이블 절연두께 결정

인가전압-극성반전횟수(VN) 특성은 일반적으로 Vn·N=const 이다. 도 8은 0.4MPa 기압 하에서 미니모델 케이블의 DC 인가전압-극성반전횟수 특성을 나타낸다. 이 실험에서 인가전압과 극성반전횟수와의 관계식은 식 3-1로 나타낸다.

<식 3-1>

DC 극성반전 횟수 N은 인가전압이 감소할수록 증가하며, N=1000 회일 때의 DC 파괴전계 E1000=104kV/mm이다. 단, n은 반복열화계수로 n=62.5이다. 본 연구에서는 안전을 고려하여 반복열화지수 n=50으로 하였다. 따라서 6회씩 8일간 극성반전을 실시한 경우 반복열화계수는 다음 식 3-2로 나타낸다.

<식 3-2>

단, CIGRE 추천을 고려하면 K ₇ =1.45×1.03=1.49이다. 식 3-2에 근거한 DC 극성반전 목표전압(V _RDC )는 411kV로 계산되었고, 식 3-3에 근거한 DC 극성반전 설계전계는 86.6kV/mm으로 계산되었다. 따라서 r1=14mm인 경우, 250kV급 고온초전도 케이블의 DC 극성반전dnk 교ㅇ유눈 극성이 계속 변화하기 때문에 DC와 달리 일반적으로 임펄스와 같은 일반 원통형 방정식을 사용하므로 절연두께는 식 2를 적용하여 5.6mm가 된다.

PPLP로 절연된 고온초전도 DC 케이블의 목표전압 및 설계전계의 종합적인 결과는 표 2에 나타낸다.

이상의 DC, Imp 및 DC 극성반전 실험으로부터 구한 20kV 급 고온초전도 케이블 코어 절연두께는 결과적으로 가장 두꺼운 두께의 값을 얻은 Imp 실험에서 구한 절연두께인 10.5mm가 된다.

본 발명은 250kV급 초전도 DC 케이블의 절연특성 절연설계에 대한 것으로, 미니모델 케이블의 DC(+) 및 DC(-)의 Emax는 각각 112 및 115kV/mm 이고, Imp(+) 및 Imp(-)는 각각 105 및 108kV/mm로 측정되었다. DC 극성반전횟수 N은 N=1000 회일 때의 DC 파괴전계 E1000=104kV/mm이다. DC, Imp 및 DC 극성반전 실험을 통하여, 각 설계변수별로 절연설계가 연구되었다. PPLP로 절연된 250kV 급 고온초전도 DC 케이블 코어 절연두께는 셋 중 가장 두꺼운 두께인 10.5mm로 산정되었다.

10: 미니모델 케이블
11: 파이프
13: 반도전층
15: 절연층