KR20100083313A - 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법 - Google Patents

고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법에 관한 것으로서, 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계를 위한 절연요소를 분석하는 제1단계와; 상기 절연요소를 모의한 전극계를 제작하는 제2단계와; 상기 전극계로부터 전극간 거리를 변화시키며 AC 및 Impulse 연면방전전압을 측정하는 제3단계와; 와이블 확률통계처리로부터 연면거리에 따른 0.1%의 절연파괴확률을 갖는 최대파괴전압을 구하는 제4단계와; 상기 최대파괴전압으로부터 방전길이와 방전전압의 함수를 통해 고온초전도 케이블용 단말의 AC 및 Impulse 시험 내전압에 대한 절연거리 및 두께를 산출하는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 고온초전도 케이블용 단말의 기초절연설계를 위한 데이터로써 응용이 가능하여, 이로부터 절연신뢰성 및 수명특성을 향상시키고, 광범위한 절연파괴 데이터 확보 및 향후 안전율과 여유치를 고려한 최적절연설계에 대한 연구의 기초작업으로써 이용이 가능한 이점이 있다.
고온초전도 케이블 단말 절연설계 연면방전 관통파괴

Description

고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법{The Insulation Design of a Termination for HTS Cable}
본 발명은 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법에 관한 것으로서, 특히 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계를 위한 절연요소를 분석하고 각 절연요소를 모의한 전극계로부터 절연특성을 분석하여 절연신뢰성 및 수명특성을 향상시키기 위한 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법에 관한 것이다.
최근 산업의 지속적인 성장에 따라 전기에너지 수요는 꾸준하게 증가하고 있 으며 도심지 및 그 주변지역에 있어서의 송전선 철탑의 확보와 대도시의 환경조화, 전파장애, 1회선의 송전용량, 경제성 등의 문제점이 산적해 있는 실정이다.
따라서 기존의 송전방식과는 달리 극저온에서 도전율이 무한대가 되는 초전도 현상을 이용한 초전도 케이블(Superconducting cable)에 의한 지중송전 방식이 유력시 검토되고 있다.
초전도 케이블은 대전류를 흘릴 수 있는 케이블로서 대용량화는 물론 저손실, 저전압, 컴팩트화 등의 우수한 특성을 갖고 있다. 초전도 케이블의 실용화를 위한 필수요소로서 전력계통 또는 부하와의 연결에 사용되는 단말은 고전압을 견디면서 대전류를 흘릴 수 있어야 한다.
이러한 초전도 케이블용 단말은 상온에서부터 저온 환경에까지 걸쳐있는 도체의 전기적인 절연을 제공하므로, 고전압을 인가하는 동시에 공기 중에서부터 극저온 장치까지 대전류를 흘리는데 많은 어려움이 있다.
즉, 고온초전도 케이블용 단말은 액체질소와 공기 중에서 운전되므로 전기절연뿐만 아니라 열적인 수축에 대해서도 견뎌야 한다. 그러므로 이러한 단말은 절연 전면의 전위경도를 균일히 해야할 뿐 아니라 대기에 대해 완전 밀봉되고 최악의 운전상태 하에서 열적으로 안정되어야 할 것이다.
이러한 고온초전도 케이블용 단말은 기중 절연과 액체질소중 절연으로 구성된다. 이러한 절연시스템에서는 일반적으로 고체절연물의 표면을 통한 연면방전과 고체절연물의 절연파괴에 의해 방전 메카니즘이 일어나게 된다. 그러므로 고체절연물의 기중 절연특성 뿐만 아니라 극저온 환경에서의 절연파괴 특성에 관한 연구는 반드시 필요하며, 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계시 기초 데이터로서 아주 중요한 요소라 할 수 있다.
본 발명은 상기 필요성에 의해 안출된 것으로서, 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계를 위한 절연요소를 분석하고 각 절연요소를 모의한 전극계로부터 절연특성을 분석하여 절연신뢰성 및 수명특성을 향상시키기 위한 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계를 위한 절연요소를 분석하는 제1단계와; 상기 절연요소를 모의한 전극계를 제작하는 제2단계와; 상기 전극계로부터 전극간 거리를 변화시키며 AC 및 Impulse 연면방전전압을 측정하는 제3단계와; 와이블 확률통계처리로부터 연면거리에 따른 0.1%의 절연파괴확률을 갖는 최대파괴전압을 구하는 제4단계와; 상기 최대파괴전압으로부터 방전길이와 방전전압의 함수를 통해 고온초전도 케이블용 단말의 AC 및 Impulse 시험 내전압에 대한 절연거리 및 두께를 산출하는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계를 위한 절연요소는, 기중 연면방전에 의존하는 요소, 액체질소중 연면방전에 의존하는 요소 및 관통파괴에 의존하는 요소를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기중 및 액체질소중 연면방전에 의존하는 요소에 있어서 상기 전 극계는, 고온초전도 케이블용 단말의 고체절연물 표면에 삼각-평판 전극을 부착하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 관통파괴에 의존하는 요소에 있어서 상기 전극계는, 액체질소 중에서 평판-평판 전극 사이에 고온초전도 케이블용 단말의 고체절연물을 삽입하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 고온초전도 케이블용 단말의 고체절연물은, 유리섬유강화플라스틱(GFRP, glass fiber reinforced plastics)인 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 고온초전도 케이블용 단말의 기초절연설계를 위한 데이터로써 응용이 가능하여, 이로부터 절연신뢰성 및 수명특성을 향상시키고, 광범위한 절연파괴 데이터 확보 및 향후 안전율과 여유치를 고려한 최적절연설계에 대한 연구의 기초작업으로써 이용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 22.9kV급 고온초전도 케이블 단말의 구조를 나타낸 것이다. 고온초전도 선재가 액체질소에 의해 냉각되며 열차폐를 위해 외함(10)과 극저온용기(20) 사이에 진공층이 존재한다. 액체질소(30)로 채워진 극저온용기(20) 내에서 초전도 선재와 구리로 된 전류리드(40)와 접속되어 외부로 인출하는 구조이다.
도시된 바와 같이 고온초전도 단말의 절연설계를 수행하기 위한 절연요소는 다음과 같이 3가지의 요소로 분석할 수 있다.
(A)High voltage shielding-to-ground(기중 연면방전에 의존하는 요소)
(B)Current lead-to-ground(관통파괴에 의존하는 요소)
(C)Current lead-to-ground in liquid nitrogen(액체질소중 연면방전에 의존하는 요소)
A요소는 기중에서 고전압부(50)와 외함(10) 사이의 고체절연물(60)의 연면방전에 의존하므로 고온초전도 케이블용 단말의 절연으로 사용될 유리섬유강화플라스틱(glass fiber reinforced plastics, 이하에서는 'GFRP'라 한다)의 기중 연면방전 특성을 조사한다.
B요소는 고전압부(50)와 외함(10) 사이의 관통파괴에 대한 절연요소이므로 GFRP의 관통파괴특성을 조사한다.
C요소는 액체질소 환경에서 고체절연물(60)의 연면방전에 관한 특성으로서 GFRP의 극저온 연면방전 특성에 관해 조사한다.
그리고, 상기 각 절연요소를 모의한 전극계를 제작하고, 상기 전극계로부터 전극간 거리를 변화시키며, AC 및 Impulse 연면방전전압을 측정한다.
상기 전극계는 고온초전도 케이블용 단말의 고체절연물인 GFRP의 연면방전 특성은 GFRP 표면에 삼각-평판 전극을 부착하여 실험한다. 삼각전극 단부의 예각은 60°, 곡률반경은 25㎛, 평판 전극의 길이는 30mm, 단부의 곡률반경은 10mm이다. 공기와 액체질소 중에서 전극간 거리를 변화시키며 AC 및 Impulse 연면방전전압을 측정한다.
그리고, GFRP의 관통파괴특성은 액체질소 중에서 평판-평판 전극을 사용하여 시험하였다. 직경 40mm, 높이 15mm, 단부 곡률반경 10mm인 SUS 재질의 평판 전극 사이에 0.5~2mm 두께의 GFRP 시료를 삽입하여 AC 및 Impulse 절연파괴특성을 조사한다.
AC 절연파괴 시험은 표준 시험법에 의해 실시되었으며, 실험에 사용된 시료들은 절연파괴가 일어날 때까지 초당 1kV의 상승속도로 전압을 인가하였다. 또한 Impulse 절연파괴 시험은 step-up 방식으로 전압을 상승시켰으며, 절연파괴 전압의 약 70%의 초기 충격전압을 가한 후 절연파괴가 일어날 때까지 4kV씩 단계적으로 전압을 상승시켰다. 실험에 사용된 AC 전원장치는 출력 0.1kW, 최대전압 100kV, Impuse 전원장치는 파두장 1.2㎲, 파미장 50㎲의 표준 뇌임펄스이며, 최대 전압 400kV, 저장에너지 15kJ이다. 각 실험은 10회 실시하였으며 Minitab 프로그램을 이용하여 와이블 확률 통계처리를 수행한다.
이하에서는 상기 절연요소에 대한 연면방전 특성 및 관통파괴 특성에 대해 상세히 설명하고자 한다.
-기중 연면방전 특성
고온초전도 케이블용 단말의 기중절연은 고체절연물의 연면방전 특성에 의존한다. 연면방전은 고체절연물의 형상, 전극의 표면처리, 고체절연물의 재료, 인가되는 전압의 형태 등에 의해 다양한 특성을 나타낸다. 초전도 케이블용 단말의 절연재료는 내부 전류리드 재질의 수축팽창 특성에 견뎌야 하고 접촉부분에 크랙이나 틈이 발생하여 기밀이 실패할 가능성을 최소화하기 위하여 유리섬유(grass fiber)의 함량을 조절함으로써 수축팽창 특성을 제어하기 쉽고 기계적으로나 전기적으로 극저온에서 우수한 특성을 지닌 GFRP를 사용한 몰드절연방식을 사용한다.
도 2는 AC전압에 대한 기중 누설거리의 절연설계를 위한 GFRP의 연면방전 와이블 확률 분포를 나타낸다. 연면거리를 10~150mm로 변화시켰을 때 0.1%의 절연파괴확률을 갖는 최대파괴전압을 구하였다. 연면방전 전압은 연면길이의 증가함에 따라서 증가하다가 포화하는 경향을 나타내었다.
도 3은 동일한 조건에서 Impulse전압에 대한 GFRP의 연면방전 와이블 확률 분포를 나타낸다. 연면거리는 10~350 mm까지 변화시켰으며, 0.1%의 절연파괴확률의 최대파괴전압을 구하였다. 연면길이의 증가에 따라 연면방전전압이 AC에 비해 다소 선형적으로 분포함을 알 수 있었다.
도 2와 3에서 구한 0.1% 최대파괴전압값으로 22.9 kV급 케이블용 단말의 AC내전압(50kV)과 BIL(기준충격절연강도, Basic Impulse Insulation Level)(150kV)에 대한 절연거리의 함수를 도 4에 나타내었다. 방전거리가 증가함에 따라 절연파괴 전압이 비선형적으로 증가하고 Impulse 절연파괴전압(Vimp)이 AC 절연파괴전압(VAC)보다 높음을 알 수 있다. 또한 Impulse 절연파괴전압(Vimp)이 AC절연파괴전압(VAC)보다 증가폭이 훨씬 급격한 것을 알 수 있다.
도 4의 전압-방전거리 함수로부터 22.9 kV급의 고온초전도 케이블용 단말의 AC 및 Impulse 연면절연거리를 구할 수 있다. AC 내전압인 50 kV에 대하여 110 mm의 연면절연거리와 Impulse 시험전압값(BIL)인 150 kV에 대하여 228 mm의 연면절연거리를 산출하였다.
-액체질소중 연면방전 특성
절연특성이 우수한 액체질소 환경에서의 GFRP의 연면방전 특성은 기중에서의 특성에 비해 양호한 결과를 나타내었다.
도 5와 6은 액체질소 중에서 삼각-평판 전극계를 사용하여 실험한 GFRP의 AC 및 Impulse 연면방전 특성을 나타낸다. 액체질소 환경에서의 방전특성은 기중의 특성에 비해 포화도가 큰 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다. 이는 액체질소의 비등으로 인해 GFRP 표면에 존재하는 기체질소의 영향에 기인하였다고 사료된다. 방전거리가 길어질수록 기체질소의 기포가 존재할 확률이 높아지고 이로 인해 방전곡선의 포화가 크게 나타나는 것이다. 그러나 액체질소의 Impulse 전압의 경우 포화도가 큼에도 불구하고, 같은 방전거리에서 기중 절연내력보다 더 높은 절연내력을 가지는 것을 확인하였다.
도 7은 액체질소 중에서의 AC 및 Impulse 0.1% 최대파괴전압값으로 22.9 kV급 케이블용 단말의 AC내전압과 BIL에 대한 절연거리의 함수를 나타낸다. 기중 연면방전 특성과 유사하게 방전거리가 증가함에 따라 절연파괴 전압이 비선형적으로 증가하고 Impulse 절연파괴전압이 AC 절연파괴전압보다 항상 높음을 알 수 있다. 또한 AC절연파괴전압(VAC)과 Impulse 절연파괴전압(Vimp)에 비해 포화도가 큰 것을 알 수 있다.
도시된 바와 같이 전압-방전거리 함수로부터 22.9 kV급의 고온초전도 케이블 용 단말의 액체질소 중의 AC 및 Impulse 연면절연거리를 구하면 각각 124 mm, 168 mm가 됨을 알 수 있었다.
-관통파괴 특성
초전도 케이블용 단말은 과냉각된 액체질소의 온도인 66 K에서부터 상온인 300 K에 이르기까지 급격한 온도차를 견딜 수 있는 절연재료를 사용해야하므로, 전류리드와 접지간의 절연특성을 위해 상온뿐만 아니라 극저온에서도 수축율이 극히 낮으며, 기계적 강도가 우수하고 전기절연 특성이 양호한 GFRP의 관통파괴 특성에 대해 조사하였다.
도 8은 AC전압에 대한 GFRP 절연두께의 설계를 위한 관통파괴 와이블 확률 분포를 나타낸다. 두께를 0.5~2mm로 변화시키며 측정한 0.1%의 절연파괴확률을 갖는 최대전압값을 구하였다. 시료의 두께가 증가함에 따라서 관통파괴전압도 증가하다가 포화하는 경향을 나타내었다. 2mm 이상 두께의 시료에 대해서는 전압원의 성능과 연면거리 확보의 어려움으로 인해 측정하지 못하였다.
도 9는 동일한 조건에서 Impulse전압에 대한 GFRP의 관통파괴 와이블 확률 분포를 나타낸다.
도 10은 0.1% 최대관통파괴전압과 두께의 관계를 나타낸다. 이 결과로부터 22.9 kV급 케이블용 단말의 AC절연두께와 Impulse 절연두께를 구하면 각각 2.5 5.4 mm가 된다.
이상의 결과들로부터 22.9 kV급 고온초전도 케이블용 단말의 기초절연설계를 행하고 그 결과를 표 1에 나타냈다.
표 1. 22.9kV급 고온초전도 케이블용 단말 절연설계 사양
Standard Design
AC Whithstand voltage (kV) 50 kV -
BIL (kV) 150 kV -
Creapage distance in air (mm) - 228 mm@Impulse
Surface length in LN2 (mm) - 168 mm@Impulse
Insulation body thickness (mm) - 5.4 mm@Impulse
극저온용기 외부의 기중 절연은 Impulse 시험내전압 150 kV에 대하여 228 mm의 연면절연거리를 가지며, 극저온용기 내부의 액체질소중 절연은 168 mm의 연면절연거리를 확보한다. 또한 고전압부 전류리드와 극저온용기 외함의 접지와의 절연은 GFRP의 절연두께를 5.4 mm 이상으로 하여 분담한다.
위 설계값들은 안전율과 여유치가 고려되지 않은 기초자료로서의 설계값이며 실제 모델제작을 위한 여유치 산정을 위한 추가 연구가 필요할 것이다.
도 1 - 22.9kV급 고온초전도 케이블 단말의 구조를 나타낸 모식도.
도 2 - 공기중에서의 GFRP의 AC 연면방전 와이블 확률분포 곡선을 나타낸 도.
도 3 - 공기중에서의 GFRP의 Impulse 연면방전 와이블 확률분포 곡선을 나타낸 도.
도 4 - 공기중에서의 GFRP의 연면방전 특성을 나타낸 도..
도 5 - 액체질소중에서의 GFRP의 AC 연면방전 와이블 확률분포 곡선을 나타낸 도.
도 6 - 액체질소중에서의 GFRP의 Impulse 연면방전 와이블 확률분포 곡선을 나타낸 도.
도 7 - 액체질소중에서의 GFRP의 연면방전 특성을 나타낸 도.
도 8 - GFRP의 AC 관통파괴 와이블 확률분포 곡선을 나타낸 도.
도 9 - GFRP의 Impulse 관통파괴 와이블 확률분포 곡선을 나타낸 도.
도 10 - GFRP의 관통파괴 특성을 나타낸 도.

Claims (6)

  1. 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계를 위한 절연요소를 분석하는 제1단계와;
    상기 절연요소를 모의한 전극계를 제작하는 제2단계와;
    상기 전극계로부터 전극간 거리를 변화시키며 AC 및 Impulse 연면방전전압을 측정하는 제3단계와;
    와이블 확률통계처리로부터 연면거리에 따른 0.1%의 절연파괴확률을 갖는 최대파괴전압을 구하는 제4단계와;
    상기 최대파괴전압으로부터 방전길이와 방전전압의 함수를 통해 고온초전도 케이블용 단말의 AC 및 Impulse 시험 내전압에 대한 절연거리 및 두께를 산출하는 제5단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계를 위한 절연요소는,
    기중 연면방전에 의존하는 요소, 액체질소중 연면방전에 의존하는 요소 및 관통파괴에 의존하는 요소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 기중 및 액체질소중 연면방전에 의존하는 요소에 있어서 상기 전극계는, 고온초전도 케이블용 단말의 고체절연물 표면에 삼각-평판 전극을 부착하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 고온초전도 케이블용 단말의 고체절연물은,
    유리섬유강화플라스틱(GFRP, glass fiber reinforced plastics)인 것을 특징으로 하는 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 관통파괴에 의존하는 요소에 있어서 상기 전극계는, 액체질소 중에서 평판-평판 전극 사이에 고온초전도 케이블용 단말의 고체절연물을 삽입하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 고온초전도 케이블용 단말의 고체절연물은,
    유리섬유강화플라스틱(GFRP, glass fiber reinforced plastics)인 것을 특징으로 하는 고온초전도 케이블용 단말의 절연설계 방법.
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