KR100489268B1 - 22.9ｋＶ급 고온 초전도 케이블의 절연두께 설계방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력을 송전하는 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 절연 설계방법에 관한 것으로, 전력수송에 유용한 효율을 만족시키기 위한 이 케이블의 절연 설계는 버트 갭(butt-gap) 형상을 가지면서 절연지의 AC 내전압, 임펄스 내전압 그리고 부분방전 내전압 특성이 다음 식을 만족하여 설계되어지는 특징을 갖는다.
① AC 절연두께 = 목표파괴전압 / 최소파괴전계
=
여기서,
V(AC 내전압) = 80kV
K1(열화계수) = 1.59
K2(온도계수) = 1.0
K3(설계마진) = 1.1
② 임펄스 절연두께 = 목표파괴전압 / 최소파괴전계
=
여기서 VIMP (임펄스 설계 파괴전압) = BIL ×K3
BIL(임펄스 내전압) = 150kV
K3(설계 마진) = 1.1
③ 부분방전 절연두께 = R2 - R1
여기서,
V = 목표파괴전압
R1 = 포머(former) 내부반경(선재의 두께 + 내부 반도전층)
R2 = 절연층을 포함한 포머(former) 외부반경.

Description

22.9ｋＶ급 고온 초전도 케이블의 절연두께 설계방법{Insulation thickness design process of high temperature superconduction cable}
본 발명은 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 절연두께 설계방법에 관한 것으로, 특히 절연체로 이용하는 PPLP(Polypropylene Laminated paper ; 폴리프로필렌 라미네이트 종이)를 극저온 환경에서 AC 내전압 전계 특성, 임펄스(Impulse) 내전압 전계특성 및, 부분방전 개시 전계특성에 맞추어 케이블의 절연두께를 설정하는 22.9kV급 고온초전도 케이블의 절연두께 설계방법에 관한 것이다.
전력송전시 대도시 중심부에 지중송전에 의한 다전력 공급을 위해 대도시 지하공간에 새로운 송전배선을 건설하는 것이 어려워짐에 따라 기존에 설치된 송전배선을 효과적으로 활용하기 위해서라도 콤팩트하고 대용량 송전이 가능한 케이블이 요구되는 실정이며, 이러한 요구에 부응하여 1986년의 고온 초전도 발견이후 이 고온 초전도재료의 성능향상, 응용기기의 개발이 다양하게 진행되고 있는바, 그 중에서 단열구조의 감소화와 콤팩트한 사이즈로 다전력을 송전할 수 있는 고온 초전도 케이블의 실용화가 기대되고 있다.
일반적으로 고온 초전도 전력케이블의 절연설계는 절연유(油)와 절연지의 복합계로서 절연지의 전압특성에 의해 설계되어지므로 절연설계가 간단하고 케이블의 절연두께 설정은 기본 AC 내전압 특성, 임펄스 특성 그리고 부분방전 개시 전압특성을 기준으로 설계식에 삽입하여 계산한다. 하지만, 고온 초전도 케이블의 운전환경은 77K의 극저온이라는 특수한 환경이므로 절연지의 성형, 전기적 특성은 기존의 절연유(油)에서의 특성과 완전히 다른 특성을 가지게 된다.
따라서, 극저온 환경에서 절연지의 전기적 특성에 관한 연구는 고온 초전도 케이블의 전기절연 설계에 있어서 매우 중요하다. 또한 고온 초전도 케이블은 제작성형의 문제로 절연지를 버트 갭(butt-gap) 형상으로 제작해야 되며, 전기적으로 많은 취약한 부분이 발생되어 절연설계 기준이 마련되어야 하는 실정이다.
이에 본 발명은 국내 표준 구매시방서인 한전표준 구매시방서의 규격에 맞추면서 고온 초전도 케이블의 절연지로 사용되고 있는 폴리프로필렌 라미네이트 종이(PPLP)를 극저온 환경에서 AC 내전압 전계특성, 임펄스 내전압 전계특성 및 부분방전 개시 전계특성을 설정하여 케이블의 절연두께를 결정하는 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 절연두께를 설계하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
고온초전도 케이블의 절연설계를 위하여 케이블 절연지의 AC 내전압, 임펄스 내전압, 부분방전 개시전계등의 특성들을 조사해야 되며, 이를 이용하여 케이블 절연 두께를 결정한다. 케이블의 절연설계는 위의 세가지 전압 특성을 이용하여 제시되고 있으며, 『한전표준 구매시방서』를 참조하면 한국에서 22.9 kV급 전력케이블의 AC 내전압은 80 kV이고 임펄스 내전압 BIL은 150 kV이다.
도 1에 케이블의 AC 절연 설계를 위한 절연지의 AC 절연파괴 전계를 나타낸다. 고온 초전도 케이블은 성형의 문제로 버트 갭 형상으로 제작되기 때문에 절연지의 버트 갭에 대한 AC 전계는 Weibull 통계를 이용하여 65kV/mm의 값을 구하였다. 하지만, 케이블 절연의 안정성을 고려하여 절연 설계시에는 최소 파괴전계인 52kV/mm를 채택하였다. 이를 기초 자료로 하여 AC 설계 파괴전압은 식 (1)에 의해 계산되어진다.
·······(1)
여기서, 상기의 계수들은 다음과 같다.
AC 내전압 V = 80 kV
열화계수 K1 = 1.59
온도계수 K2 = 1.0
설계마진 K3 = 1.1
의 값을 가진다.
또한 여기서, 목표파괴 전압은 통상 AC설계 파괴 전압보다 1.2배 높게 계산되며, 절연두께의 설정은 다음 식에 의해 계산한다.
절연두께 = 목표파괴전압/최소 파괴전계 = ·······(2)
두 번째로, 도 2에 케이블의 임펄스 절연 설계를 위한 버트 갭 형상에서 절연지의 임펄스 절연파괴 전계를 나타낸다. 도 1과 마찬가지로 Weibull 통계를 이용하여 최소 파괴 전계는 76kV/mm로 채택하였으며, 임펄스 설계 파괴전압은 식 (3)에 의해 계산되어진다.
V IMP(임펄스 설계파괴전압) = BIL ×K3 ·······(3)
임펄스 내전압 BIL = 150 kV
설계 마진 K3 = 1.1의 값을 가진다.
AC 절연설계와 마찬가지로 목표파괴 전압은 통상, 임펄스 설계 파괴전압보다 1.2배 높게 계산되며, 절연두께의 설정은 앞선 식(2)에 의해 계산한다.
즉, 절연두께 = 목표파괴전압/최소 파괴전계 = ·······(4)
마지막으로, 도 3에 절연지의 부분방전 개시 전계값을 나타낸다. 부분방전값은 액체 질소의 압력이 증가함에 따라 3kgf/cm2정도에서 포화하는 것을 알 수 있으며, 고온 초전도 케이블의 운전 환경이 약 3~5kgf/cm2정도이므로 그때의 부분방전 전계를 실험값으로 설정한다. 이를 기초로 하여 부분방전에 의한 케이블의 절연 설계는 식(4)에 의해 계산되어진다.
·······(5)
E max = 최소파괴전계
V = 목표과괴전압
R1 = 포머(former) 내부반경(선재의 두께 + 내부 반도전층까지 포함)
R2 = 절연층을 포함한 포머(former) 외부반경을 나타낸다.
따라서, 부분방전에 의한 고온 초전도 케이블의 절연 두께 설정은 다음 식과 같다.
절연 두께 = R2 - R1 ·······(6)
이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 절연두께 설계방법은 비교적 높은 전압에서 운용되는 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 AC, 임펄스, 그리고 부분방전 절연 설계를 확립하고 이를 바탕으로 고온 초전도 케이블을 실계통에 적용하는 시스템 구축과 안전한 전력 수송을 할 수 있는 것으로 사료되어 매우 유용하게 실시될 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 절연두께 설계방법을 위한 버트 갭(butt-gap) 형상에서 이 절연지의 AC 내전압 전계특성을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 절연두께 설계방법을 위한 버트 갭(butt-gap) 형상에서 이 절연지의 임펄스(Impulse) 내전압 전계 특성을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 22.9kV급 고온 초전도 케이블 절연두께 설계방법을 위한 절연지의 부분방전 개시 전계특성을 나타낸 그래프이다.

Claims (1)

  1. 극저온에서 버트 갭 형상을 가지는 절연지를 갖추어 이루어지는 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 절연두께 설계방법에 있어서,
    상기 절연지의 AC내전압 전계 특성에 대한 절연두께와, 임펄스 내전압 전계특성에 대한 절연두께, 및 부분 방전 개시 전계특성에 대한 절연두께는 다음 식들을 만족하여 설계 제조되어지는 것을 특징으로 하는 22.9kV급 고온 초전도 케이블의 절연두께 설계방법.
    ① AC 절연두께 = 목표파괴전압 / 최소파괴전계
    =
    여기서
    V(AC 내전압) = 80kV
    K1(열화계수) = 1.59
    K2(온도계수) = 1.0
    K3(설계마진) = 1.1
    ② 임펄스 절연두께 = 목표파괴전압 / 최소파괴전계
    =
    여기서 VIMP (임펄스 설계 파괴전압) = BIL ×K3
    BIL(임펄스 내전압) = 150kV
    K3(설계 마진) = 1.1
    ③부분방전 절연두께 = R2 - R1
    여기서 Emax(최소 파괴전계) =
    V = 목표파괴전압
    R1 = 포머(former) 내부반경(선재의 두께 + 내부 반도전층)
    R2 = 절연층을 포함한 포머(former) 외부반경.
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