KR101514275B1

KR101514275B1 - 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계 실험방법

Info

Publication number: KR101514275B1
Application number: KR1020130131216A
Authority: KR
Inventors: 김해종; 조전욱
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-04-22

Abstract

액체 질소 중 PPLP의 절연파괴 특성 데이터를 신뢰성 있게 도출하여 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계를 용이하게 할 수 있도록 하는 실험방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 크라프트지와 폴리프로필렌의 압착으로 반합성지 형태로 제작되는 절연재료(PPLP)의 특성을 바탕으로 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계를 용이하게 하는 실험방법으로서, 상기 절연재료의 특성 실험을 위한 전극계 실험장치를 구성하는 제1단계와; 시트(Sheet) 상태에서 실험할 수 있도록 상기 전극계에 상기 절연재료를 적층한 후 butt-gap 특성, 직류 특성, 임펄스 특성, 직류극성반전 절연특성에 대한 실험 데이터를 구하는 제2단계와;(여기서, butt-gap은 케이블 제작시 PPLP를 오버랩핑해서 감는데 이때 위층과 아래층 사이에 생기는 공간을 말한다.) 미니모델 케이블을 제작하여 butt-gap 특성, 직류 특성, 임펄스 특성, 직류극성반전 절연특성에 대한 실험 데이터를 구하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 획득한 극저온 실험 데이터를 이용하여 직류 초전도 케이블코어 절연설계를 진행하는 제4단계;(이때 절연설계 방법은 당업자에게는 자명한 직류 절연설계법, 직류 극성반전 절연설계법, 직류 임펄스(+) 절연설계법으로 각각 설계한 후 최종 결정한다.)를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계 실험방법{Insulation Design Method of HTS DC Cable Core}

본 발명은 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계 실험방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액체 질소 중 PPLP의 절연파괴 특성 데이터를 신뢰성 있게 도출하여 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계를 용이하게 할 수 있도록 하는 실험방법에 관한 것이다.

최근, 고온 초전도 기술은 에너지 관점에서 큰 관심을 모으고 있다. 고온 초전도 기술을 응용한 전력기기에는 초전도 케이블, 변압기, 한류기, 에너지 저장장치(SMES), 발전기 등 폭넓은 범위에 걸쳐 있다.

특히, 초전도 케이블은 적용 가능성이 가장 높다고 평가를 받고 있어 세계 각국에서 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 지금까지는 주로 고온 초전도 AC 케이블 연구개발의 목표로 했으나, 최근 들어 고효율로 장거리의 대용량 전력수송 문제로 고온 초전도 직류 케이블을 목표로 연구를 수행하고 있다.

고온 초전도 직류 케이블은 교류 케이블에서 발생하는 히스테리시스 손실과 와전류 손실 등의 교류 손실과 유전 손실이 없기 때문에 이론적으로는 손실이 완전 제로인 직류 송전이 가능하다. 즉, 고온 초전도 직류 케이블은 교류 케이블에 비해 낮은 손실, 조밀한 구조, 대용량화 등의 장점이 있기 때문에 송전 선로의 장거리화가 가능하고 국제 규모의 광역 연계가 가능하다.

고온 초전도 케이블의 절연 시스템은 액체 질소 냉매 및 고분자 필름의 복합 절연계로서 개발되고 있다. 이 형태에서는 열손실과 냉각에 의한 열수축을 막기 위하여 다층 절연테이프로 도체를 감고 있다. PPLP(PolyPropylene Laminated Paper)는 고온 초전도 교류 절연 케이블용 절연재료로서 널리 사용되어 왔으며 이미 고온 초전도 케이블 절연으로 적용되고 있다. 그러나, 액체 질소 중에서 PPLP의 직류 절연파괴 특성은 지금까지 만족스럽게 보고되고 있지 않아, 케이블의 절연설계에는 매우 어려운 실정이다.

고온 초전도 케이블의 전기절연으로서 초전도 교류 케이블에서는 PPLP 절연지를 다층으로 하여 이것에 액체 질소를 함침시킨 액체 질소 함침 적층 절연방식이 채용되고 있다. 초전도 직류 케이블에 있어서도 안정성, 신뢰성으로부터 액체 질소 함침 적층 절연방식이 적합한 기술로 인식되고 있다.

그러나, 액체 질소 중에서 PPLP의 직류 절연파괴 특성 데이터는 지금까지 만족스럽게 보고되지 않아, 케이블의 절연설계에는 매우 불충분한 실정이다.

KR

10-2010-0083313

A

KR

10-0489268

B1

앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계를 용이하게 할 수 있도록 하는 실험방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 크라프트지와 폴리프로필렌의 압착으로 반합성지 형태로 제작되는 절연재료(PPLP)의 특성을 바탕으로 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계를 용이하게 하는 실험방법으로서, 상기 절연재료의 특성 실험을 위한 전극계 실험장치를 구성하는 제1단계와; 시트(Sheet) 상태에서 실험할 수 있도록 상기 전극계에 상기 절연재료를 적층한 후 butt-gap 특성, 직류 특성, 임펄스 특성, 직류극성반전 절연특성에 대한 실험 데이터를 구하는 제2단계와;(여기서, butt-gap은 케이블 제작시 PPLP를 오버랩핑해서 감는데 이때 위층과 아래층 사이에 생기는 공간을 말한다.) 미니모델 케이블을 제작하여 butt-gap 특성, 직류 특성, 임펄스 특성, 직류극성반전 절연특성에 대한 실험 데이터를 구하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 획득한 극저온 실험 데이터를 이용하여 직류 초전도 케이블코어 절연설계를 진행하는 제4단계;(이때 절연설계 방법은 당업자에게는 자명한 직류 절연설계법, 직류 극성반전 절연설계법, 직류 임펄스(+) 절연설계법으로 각각 설계한 후 최종 결정한다.)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계 실험방법에 의해 달성된다.

상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, 액체질소 중에서 PPLP 시트 및 미니모델 케이블을 이용하여 절연파괴 및 극성반전시험을 수행하여 얻어진 PPLP의 특성 데이터를 바탕으로 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계를 용이하게 할 수 있게 되는 효과가 있다.

도1은 PPLP 시트의 절연파괴 측정용 전극계를 도시하는 개념도이고,
도2는 직류 극성반전 전압의 적용 방법을 설명하기 위한 그래프이고,
도3은 액체질소 중에서 butt-gap을 갖는 시트가 PPLP의 직류와 임펄스 전압의 극성효과를 나타내는 그래프이고,
도4는 액체질소 중에서 butt-gap 직경에 따른 직류(+) 및 임펄스(+)의 절연파괴전압을 나타내는 그래프이고,
도5는 액체질소 중에서 PPLP 시트 시료의 butt-gap 위치에 따른 직류(+) 및 임펄스(+)의 절연파괴전압을 나타내는 그래프이고,
도6은 butt-gap 간격 사이의 거리에 따른 직류(+) 절연파괴전압을 나타내는 그래프이고,
도7은 도6의 L이 8㎜ 이하와 이상인 경우의 절연파괴 경로를 설명하기 위한 개념도이고,
도8은 액체질소 중에서 압력에 따른 직류(+) 절연파괴 전압을 나타내는 그래프이고,
도9는 PPLP 시트의 절연파괴 특성을 바탕으로 제작된 미니모델 케이블을 도시하는 개략도이고,
도10은 0.4MPa 기압에서의 미니모델 케이블의 직류(+), 임펄스(+) 및 직류 극성반전 절연파괴전압을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계를 용이하게 하는 실험방법으로서, 상기 절연재료의 특성 실험을 위한 전극계 실험장치를 구성하는 제1단계와; 시트(Sheet) 상태에서 실험할 수 있도록 상기 전극계에 상기 절연재료를 적층한 후 butt-gap 특성, 직류 특성, 임펄스 특성, 직류극성반전 절연특성에 대한 실험 데이터를 구하는 제2단계와;(여기서, butt-gap은 케이블 제작시 PPLP를 오버랩핑해서 감는데 이때 위층과 아래층 사이에 생기는 공간을 말한다.) 미니모델 케이블을 제작하여 butt-gap 특성, 직류 특성, 임펄스 특성, 직류극성반전 절연특성에 대한 실험 데이터를 구하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 획득한 극저온 실험 데이터를 이용하여 직류 초전도 케이블코어 절연설계를 진행하는 제4단계;(이때 절연설계 방법은 당업자에게는 자명한 직류 절연설계법, 직류 극성반전 절연설계법, 직류 임펄스(+) 절연설계법으로 각각 설계한 후 최종 결정한다.)를 포함한다.

아래에서는, 상기한 단계를 포함하는 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에서는 고온 초전도 직류 케이블 개발을 위한 첫 단계로 PPLP 3장으로 적층시킨 단위계의 절연파괴 특성 및 butt-gap에 따른 영향을 직류 및 임펄스 전압하에서 실시하였다. 여기서, butt-gap이란, 케이블 제작시 PPLP(절연지)를 오버랩핑해서 감는데 이때 위층과 아래층 사이에 생기는 공간을 말하며, 이러한 butt-gap은 케이블의 절연강도에 영향을 준다. 또한 3장의 적층 PPLP의 절연특성에서 얻은 결과를 바탕으로 미니모델 케이블의 제작 및 실험조건을 결정하고 미니모델 케이블의 절연파괴 및 직류 극성반전 특성을 시험하였다.

고온 초전도 직류 케이블용 절연재료로 사용된 PPLP는 크라프트지와 폴리프로필렌을 압착하여 제작한 반합성지이며, 시료 두께는 119㎛이다. PPLP의 기본적인 특성은 아래의 표1과 같다.

PPLP 기본 특성
Density (g/㎠)	0.89
Polypropylene ratio (%)	57
Tanδ(100℃), %	0.055
Thickness (㎛)	119

도1은 PPLP 시트의 절연파괴 측정용 전극계를 나타낸다. butt-gap이 설치된 3장의 적층된 PPLP 시트 시료는 건조기에서 건조시킨 후 샘플홀더에 고정시킨다.

butt-gap은 시료의 중앙에 직경 1㎜ 내지 8㎜의 원형인 구멍(hole)을 설치하여 모의하였으며 구멍의 위치에 따라 상혈(Top hole), 하혈(Bottom hole), 중혈(Middle hole)로 하여 구멍이 없는 경우(No hole)와 비교한다. 전극계는 상부전극, 하부전극의 스테인리스 평판전극을 사용하며 직류 및 임펄스 전압이 인가된다. 또한 PPLP 시트의 절연파괴 특성을 바탕으로 미니모델 케이블을 제작하며, 절연파괴 시험을 위한 유효길이는 50㎜이며, 미니모델 케이블의 전체길이는 400㎜이다.

PPLP 시트의 샘플홀더 및 미니모델 케이블은 용기(cryostat)에 부착된 고압부싱의 하부에 부착되었다. 상용의 액체질소가 도입된 후, 0.1MPa 내지 0.4MPa 기압하에서 시료의 전극 간에 직류, 임펄스전압 및 직류 극성반전전압이 인가된다. 직류 극성반전 시험장치의 극성반전시간은 2분이다. 전압인가 방법은 정극성 전압을 직류 출력 150kV, 50mA의 직류 발생장치, 분압기 및 고전압 절환 스위치로 구성된다. 극성반전 시험장치의 고전압 스위치를 절환하여 극성을 (+)에서 (-)로 반전시켜 측정한다. 고전압 인가를 위하여 직류는 최대전압 100kV의 전원장치를 사용하여 2kV/sec의 속도로 전압을 상승시키며, 임펄스는 15KJ 용량의 최대전압 400kV의 1.2x50㎲ 파형을 갖는 표준 임펄스를 사용한다.

미니모델 케이블의 직류 극성반전 전압은 도2와 같은 전압인가법으로 수행한다. 즉 처음은 정극성 (+) 전압을 절연파괴의 60% 전압으로 2분간 인가하여 내압을 확인한다. 그 후 고전압 전극을 접지상태에서 2분간 방전한 후 재차 극성반전하고 부극성 (-) 전압을 2분간 인가한다. 그리고 전압상승은 5kV이며, 일정전압 인가시간도 2분을 유지한다. 일정전압의 +,- 극성반전을 한 주기로 하여, 전압을 계속 상승시키다가 절연파괴가 일어날 때의 절연파괴 값을 직류 극성반전 절연파괴 전압으로 한다.

또한 직류 인가전압(V)-극성반전 횟수(n) 특성도 도2와 같은 전압인가법으로 수행한다. 즉 인가전압은 직류 절연파괴 전압의 95% 내지 85%의 일정전압을 인가하며, 전압유지시간은 2분이며 직류전압의 +,- 극성반전 시간은 2분 간격을 한 주기로 하여 절연파괴가 일어날 때의 횟수를 극성반전 횟수 n값으로 한다.

도3은 액체질소 중에서 butt-gap을 갖는 시트가 PPLP의 직류와 임펄스 전압의 극성효과를 나타내는 그래프이다. 도시된 바에 따르면, 직류의 절연파괴 전압이 임펄스의 경우보다 높으며, 직류 및 임펄스 전압의 어느 경우에서나 부극성(-)이 정극성(+)의 경우보다 높음을 알 수 있다. 또한 -/+ 임펄스 전압의 비율은 1.05이다. 이하의 실시예에서는 고온 초전도 케이블 설계를 위해 전압이 낮은 +전압에서의 절연파괴 실험만을 수행한다.

도4는 액체질소 중에서 butt-gap 직경에 따른 직류(+) 및 임펄스(+)의 절연파괴전압을 나타내는 그래프이다. 원형의 butt-gap 직경은 1,2,3,4 및 8㎜이다. 도4에서 butt-gap 직경이 커짐에 따라 절연파괴 전압은 변화가 매우 작으나 약간 낮아짐을 알 수 있다. 이것은 butt-gap의 존재가 케이블 절연에 있어서 약점으로 작용함을 알 수 있다. 이하의 미니모델 직류 케이블 제작에서는 1㎜의 butt-gap을 설치한다.

도5는 액체질소 중에서 PPLP 시트 시료의 butt-gap 위치에 따른 직류(+) 및 임펄스(+)의 절연파괴전압을 나타내는 그래프이다. 도5를 참조하면, butt-gap이 존재하면 절연파괴전압이 저하되나, butt-gap의 위치에 따라 다른 특성을 나타냄을 알 수 있다. 즉 직류(+) 및 임펄스(+) 전압의 경우, 상혈과 하혈 위치에 고전압을 인가한 경우가 중혈의 경우보다 절연파괴전압이 낮음을 나타내고 있다. 이것은 직류의 경우도 교류의 경우와 같이 액체질소에 침적된 시료의 butt-gap에 약점 및 부분 방전으로 인해 전계부담이 가중되어 쉽게 절연파괴가 일어날 수 있다.

도6은 butt-gap 간격 사이의 거리에 따른 직류(+) 절연파괴전압을 나타내는 그래프이다. PPLP 시트의 상층과 중간층의 butt-gap 사이의 간격 (L)을 변화시키면서 직류(+) 절연파괴전압을 측정한다. 도6을 참조하면 알 수 있듯이, L이 커짐에 따라 절연파괴전압이 상승한 후 8㎜ 이상에서 포화하는 경향을 보인다. 또한 L이 8㎜ 이하와 이상인 경우의 절연파괴 경로를 살펴보면 도7의 (a) 및 (b)와 같다. L이 8㎜ 이하인 경우에서는 도7의 (a)와 같이 상층과 중간층 butt-gap 사이의 연면방전이 발생하여 절연파괴가 일어나나, L이 8㎜ 이상인 경우에는 도7의 (b)와 같이 상층의 butt-gap을 통해 바로 수직으로 절연파괴가 발생한다. 이를 통해 미니모델 직류 케이블은 PPLP의 butt-gap 간격을 8㎜로 정하고, 절연지폭 25㎜에 대하여 중첩률 30%로 제작한다.

도8은 액체질소 중에서 압력에 따른 직류(+) 절연파괴 전압을 나타내는 그래프이다. PPLP의 상혈 시료에 직류(+) 전압을 인가한다. 도8을 참조하면 직류(+)의 절연파괴 전압은 압력이 증가함에 따라 서서히 증가하다가 0.3MPa 내지 0.4MPa에서 포화가 일어남을 알 수 있다. 이에, 직류에서의 압력 포화특성은 교류의 경우와 유사함을 알 수 있다. 이러한 압력시험을 통해 미니모델 직류케이블의 절연파괴 시험조건은 액체질소 압력을 0.4MPa로 하여 측정한다.

도9는 PPLP 시트의 절연파괴 특성을 바탕으로 제작된 미니모델 케이블을 도시하는 개략도이다. 직경 27mm의 스테인리스 파이프 포머상에 내,외부 반도 전층을 감고 반도전층 사이의 절연층은 PPLP로 3장 적층하여 절연한다. 1㎜의 butt-gap을 설치하고 각 층마다 30%씩 중첩하여 감는다. 절연파괴 시험을 위한 유효길이는 50㎜이며, 전계완화와 연면거리 확보를 위하여 케이블 단부는 보강절연한다. 완성된 미니모델 케이블의 전체길이는 400㎜이다.

고온 초전도 직류 케이블의 운전상태에 있어서 직류 극성반전전압에 의한 PPLP에 축적된 공간전하(space charge)로 인해 고전계가 형성된다.

도10은 0.4MPa 기압에서의 미니모델 케이블의 직류(+), 임펄스(+) 및 직류 극성반전 절연파괴전압을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다. 도10을 참조하면 직류(+)에 비해 직류 극성반전 절연파괴전압이 낮음을 알 수 있다. 이는 직류 극성반전에 의한 액체질소 중 PPLP에 축적된 이종공간전하의 전계에 의해 고전계가 형성되고, 이로 인하여 낮은 전압에서 절연파괴가 일어나는 것이다.

지금까지 설명한 고온 초전도 직류 케이블의 절연설계를 위한 실험방법에 따르면, 액체질소 중에서 PPLP 시트 및 미니모델 케이블을 이용하여 절연파괴 및 극성반전시험을 수행하고 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.

(1) 직류 및 임펄스전압의 어느 경우에서나 정극성(+)의 값이 부극성(-)의 경우보다 높으며, -/+ 전압의 비율은 1.05이다.

(2) PPLP 시료에 butt-gap이 상혈과 하혈에 존재하는 경우가 중혈의 경우보다 절연파괴전압이 낮다. 또한 butt-gap 직경이 커짐에 따라 절연파괴전압은 약간 저하한다. 이것은 액체질소에 침적된 시료의 butt-gap에 약점 및 부분방전에 기인하는 것이다.

(3) 직류(+)의 절연파괴전압은 압력이 증가함에 따라 서서히 증가하다가 0.3MPa 내지 0.4MPa에서 포화된다.

(4) 직류 극성반전에 의한 공간전하의 영향으로 직류(+)에 비해 직류 극성반전전압이 낮다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims

크라프트지와 폴리프로필렌의 압착으로 반합성지 형태로 제작되는 절연재료(PPLP)의 특성을 바탕으로 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계를 용이하게 하는 실험방법으로서,
상기 절연재료의 특성 실험을 위한 전극계 실험장치를 구성하는 제1단계;
시트(Sheet) 상태에서 실험할 수 있도록 상기 전극계에 상기 절연재료를 3장으로 적층한 후 butt-gap 특성, 직류 특성, 임펄스 특성, 직류극성반전 절연특성에 대한 실험 데이터를 구하되, 상기 적층된 절연재료의 상층과 중간층의 butt-gap 사이의 간격을 변화시키면서 직류 절연파괴전압을 측정하는 제2단계; (여기서, butt-gap은 케이블 제작시 PPLP를 오버랩핑해서 감는데 이때 위층과 아래층 사이에 생기는 공간을 말한다.)
미니모델 케이블을 제작하여 butt-gap 특성, 직류 특성, 임펄스 특성, 직류극성반전 절연특성에 대한 실험 데이터를 구하는 제3단계; 및
상기 제3단계에서 획득한 극저온 실험 데이터를 이용하여 직류 초전도 케이블코어 절연설계를 진행하는 제4단계; (이때 절연설계 방법은 당업자에게는 자명한 직류 절연설계법, 직류 극성반전 절연설계법, 직류 임펄스(+) 절연설계법으로 각각 설계한 후 최종 결정한다.)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 직류 케이블코어의 절연설계 실험방법.