1. 서 론

최근 우리나라를 비롯한 세계 각국은 급속한 도시화에 따라 전력수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, 그에 따른 전력설비의 집중적 건설이 요구되고 있는 상황이다. 이와 동시에 도시 내 전력설비의 추가 건설을 반대하는 시민들의 민원 또한 증가하고 있다. 이와 같은 사회적, 기술적 문제를 해결하고자 여러 가지 방안이 제안되고 있는데 그 중의 하나로 초전도케이블의 상용화를 들 수 있다. 실제로 지난 2019년에 우리나라의 신갈-흥덕 변전소 간 23kV급 초전도 케이블을 연결하여 세계 최초로 상용화에 성공한 바 있다⁽¹⁾. 또한 향후 23kV급 3상 동축 초전도케이블을 문산-선유 변전소 간에 시범사업으로 설치하여 대규모 전력시설을 도심지 외곽으로 유도하고 도심 내부에는 소형의 초전도 플랫폼을 설치할 계획을 가지고 있다. 또한 한국전력공사는 2023년 역곡-온수 변전소 구간에 154kV 초전도케이블 시스템을 설치하여 상업운전을 계획하고 있다.

초전도케이블은 극저온에서의 절연내력특성이 우수한 고체절연물인 PPLP(polypropylene laminated paper)와 액체절연물(LN2, liquid nitrogen)을 동시에 이용하는 복합절연방식의 구조로 기존의 OF (oil filled)케이블과 유사한 구조를 가지고 있다⁽²⁾. 초전도케이블의 코어부분은 OF케이블의 절연물로 사용되고 있는 PPLP로 권선하여 절연하고, 코어와 외피 사이에 별도의 자켓을 구성하여 극저온의 LN2를 흘려주어 절연과 냉각을 동시에 하는 방식이다⁽³⁾. 일반적으로 실온 조건에서 운전되는 OF케이블을 제작할 때에는 oil 내 절연내력특성을 강화하기 위하여 PP(polypropylene)의 비율이 높은 타입의 PPLP를 주로 사용하고 있다⁽⁴⁾. 이와 같은 OF케이블 개발을 위한 PPLP의 oil 내에서의 절연내력특성에 관한 연구는 많이 이루어져 왔다⁽⁵⁾. 그에 반하여 초전도케이블의 냉매이자 절연물로 사용되고 있는 LN2에서의 PP 비율에 따른 PPLP의 절연내력특성에 대해서는 많은 연구가 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 PP 비율이 서로 다른 2가지 타입의 PPLP를 이용하여 미니케이블을 제작하고 압력에 따른 LN2에서의 장시간 AC 절연내력특성 변화를 살펴보았다.

초전도케이블의 개발을 통하여 각종 민원과 환경문제, 그리고 다양한 이해관계 등으로 인하여 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있으며 보다 경제적이고 친환경적인 전력계통을 구성할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 실험준비

3. 실험 결과 및 분석

와이불 분포는 일반적으로 초기 고장과 우발 고장, 그리고 마모 고장의 세 구간을 모두 표현할 수 있기 때문에 고장이나 사고를 분석하기 위한 도구로 자주 사용된다. 누적분포함수(CDF, cummulative distribution function)란 전체 부품 중에서 누적하여 고장이 발생하는 부품의 수를 확률로 표현한 것으로서 일반적으로 다음의 식(1)과 같이 표현된다.

식(1)은 일반적인 와이불 분포에서의 누적분포함수를 나타내며, 고장확률이 아이템의 사용시간에 영향을 받지 않는 일정한 수명분포를 가지는 지수분포일 경우, 형상모수는 $\beta =1$와 같이 되기 때문에 누적분포함수는 다음의 식(2)로 정리될 수 있다. 여기에서 시간과 척도모수가 동일 ($t=\alpha$) 할 때 다음의 식(2)는 $1-e^{-1}$가 되며 이 값을 계산하면 0.632로서 확률로는 63.2%가 된다.

본 실험의 결과는 통계해석 프로그램인 Minitab 20을 이용하여 계산하였다. 또한 미니케이블 모델에 대한 전계해석은 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 수행하였다. 절연파괴 시 전계값 (EBD)은 프와송 방정식에 따라 절연파괴 전압의 크기와 비례하기 때문에 실험을 통하여 얻은 절연파괴 전압값 (VBD)과 유한요소해석을 통하여 1㎸의 전압을 입력했을 때 계산되는 최대전계 값 (EMAX,1kV)을 곱하여 계산할 수 있다.

여기에서 EMAX,1kV의 단위는 kV/mm 이며, VBD는 EBD를 계산하기 위한 상수로 이용하였다. 실험의 결과는 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7에서 보는 바와 같이 단시간 절연파괴 전압의 80%, 75%, 70%의 전압을 인가하여, 미니케이블 모델에서 절연파괴가 발생하는 순간까지의 시간을 측정하였고, 유한요소 해석을 통하여 전계값으로 환산하여 그래프에 나타내었다. 단시간 절연파괴 전계와 수명지수 n은 Table 1에 나타내었다.

Type A의 PPLP를 이용하여 권선한 미니케이블 모델의 단시간 절연파괴 전계값은 0.1MPa 압력 하에서 52.7kV/mm, 0.3MPa 압력 하에서 91.9kV/mm로 측정되었으며, Type B의 PPLP를 이용하여 권선한 미니케이블 모델의 단시간 절연파괴 전계값은 0.1MPa에서 48.0kV/mm, 0.3MPa에서 103.6kV/mm로 측정되었다. 실험 결과에서 보는 바와 같이 PP의 비율이 높은 Type A가 Type B에 비하여 높은 단시간 절연파괴 전계를 가지는 것으로 측정되었으며, 압력이 증가함에 따라 단시간 절연파괴 전계도 증가하는 것을 확인하였다. 압력 변화에 따른 수명지수를 비교하였을 때, Type A는 0.1MPa 압력 하에서 35.8이고 0.3MPa의 압력 하에서는 21.2로 계산되었으며, Type B는 0.1MPa 압력 하에서 36.6이고 0.3MPa 압력 하에서는 26.1로 계산되었다. 이와 같이 동일한 PPLP를 권선하였을 때, 압력이 증가함에 따라 절연파괴 전계값은 증가하지만 수명지수는 감소하는 것으로 측정되었다. PP의 비율에 따른 Type A와 Type B의 수명지수를 비교하면, 0.1MPa 압력 하에서는 각각 35.8과 36.6으로 수명지수의 변화에 큰 차이가 없었지만, 0.3MPa의 압력 하에서는 각각 21.2와 26.1로 PP의 비율이 낮은 Type B 의 수명지수가 높게 계산되었다. 이와 같은 특성은 고분자재료인 PP에 비하여 종이 재질의 Kraft가 압력에 대한 특성변화가 적기 때문인 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 초전도케이블 개발을 위한 선행 연구로서 서로 다른 비율의 PP를 가지는 PPLP로 미니케이블 모델을 제작하고 액체질소 내에서 압력에 따른 V-t 특성과 수명지수의 특성 변화를 확인하였다.

일반적으로 알려진 바와 같이 압력이 증가함에 따라 미니케이블 모델의 전기적 절연파괴 특성은 상승하였으며, PP의 비율이 높은 Type A가 Type B에 비하여 우수하였다. 그러나 압력이 증가함에 따른 수명지수의 변화는 Type B가 Type A에 비하여 우수함을 알 수 있었다.

이와 같은 결과를 통하여 PPLP의 종류에 따른 미니케이블 모델의 전기적 특성 변화를 확인할 수 있었으며, 초전도케이블의 개발을 위하여 이와 같은 특성을 고려해야 할 것이다.

향후 실제 초전도케이블의 운전 조건인 0.5MPa 압력 조건에서의 미니케이블 모델의 특성 분석에 관한 연구를 수행할 계획이다.