1.1 연구의 배경

최근 산업사회의 발전과 함께 경제 수준도 빠른 속도로 향상되면서 전력수요가 증가하고 있다. 따라서 송전전압도 점차 고압화됨에 따라 전력케이블의 절연설계에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다⁽¹⁾. 특히 초전도케이블은 초전도체 고유의 ‘0 저항성’으로 인하여 효율적으로 대용량의 전력을 수송할 수 있는 방법의 하나로 여겨지고 있다. 이와 같은 장점으로 인하여 최근에는 초전도케이블이 실제 상용화되는 사례도 증가하고 있다⁽²⁾.

PPLP(Polypropylene laminated paper)는 PP(Polypropylene)의 양면에 Kraft지를 열로 압착하여 제작하는데, 기계적 특성과 전기적 특성이 우수하기 때문에 기존의 전력케이블뿐만 아니라 초전도케이블의 절연물질로도 널리 사용되고 있다⁽³⁾.

본 논문에서는 초전도케이블의 상용화를 확산하기 위한 요소기술로서 PPLP 중 PP가 차지하는 비율에 따른 절연내력특성 변화에 관한 실험을 극저온의 액체질소 내에서 수행하였으며, 그 결과를 실온 실리콘유에서의 값과 비교하였다.

1.2 연구의 목적 및 방법

일반적으로 초전도케이블 시스템에서 절연파괴현상은 크게 단말부, 접속부, 그리고 코어부에서 발생할 수 있다⁽⁴⁾. 본 연구에서는 코어부에서 발생할 수 있는 절연내력특성을 확인하기 위하여 서로 다른 PP 비율을 가지는 2가지 PPLP의 AC, DC 및 Imp. 전압에 대한 극저온 절연파괴실험을 수행하였다. 60Hz , 100kV 용량의 AC, DC전원공급장치와 1.2/50초 주파수인 600kV 용량의 Imp. 장치로 절연파괴실험을 수행하였다. 절연파괴실험에 사용된 PPLP 샘플은 크기가 50mm×50mm이며 두께는 Type A가 120μm이며 Type B는 125μm의 두께를 가지는 sheet 형태이다. 두 샘플의 PP 비율은 크게 2가지로 Type A(62%)와 Type B(40%)로 분류되며 그와 관련된 사양을 표 1에 나타내었다. 모든 실험은 동일한 조건에서 5회 이상 반복 실시하였다. 절연파괴실험에 사용된 전극 시스템은 구 대 평판의 형태로 구 전극의 직경은 4mm이고 평판 전극은 직경이 120mm이고 두께는 10mm로 두 전극의 사이에 PPLP 샘플을 고정시킨 후에 액체질소 내에서 실험을 수행하였다.

일반적으로 PPLP의 절연내력특성은 실온의 실리콘유 내에서 PP의 비율이 높을수록 우수하다고 알려져 있다⁽⁵⁾. 그러나 이와 같은 PPLP 절연내력특성의 PP 의존성은 기존 전력케이블이 운전되는 실리콘유 환경에 국한되는 것으로서 극저온 환경에서 운전되는 초전도케이블에 적용할 수 없다.

본 연구에서는 초전도케이블이 운전되는 액체질소 환경에서 PPLP의 PP 비율에 따른 전압별, 압력별 절연파괴실험을 통하여 그 값을 측정하고 실온인 실리콘유 내에서의 특성과 비교하였다^(6,7).

2.1 실험 준비

그림 1에는 본 연구에 사용된 구 대 평판 전극 시스템에 PPLP 샘플을 위치시킨 모습을 나타내었다. 그림 1에서 보는 바와 같이 구 전극에는 고전압을 인가하고 평판 전극에는 접지를 연결하여 두 전극 사이에 PPLP 샘플을 위치시켰다. 그림 2에는 절연파괴실험의 개략도를 나타내었고 표 2에는 절연파괴실험에 적용된 조건을 나타내었다. 압력변화에 따른 PPLP의 절연내력특성을 확인하기 위하여 cryostat의 압력은 각각 0.1, 0.2, 0.3MPa로 설정하였으며 실험별로 각 5회 반복하여 측정된 절연파괴전압은 Weibull 분포해석을 통하여 분석하고 절연파괴 시 평균전계(EBD)로 변환하였다. 온도변화에 따른 PPLP의 절연내력특성을 측정하기 위하여 전력케이블의 절연물질인 실리콘유와 초전도케이블의 절연물질인 77K의 포화 액체질소를 사용하였다. 온도변화에 따른 절연파괴실험은 0.1MPa 압력 하에서 AC 전압에 대하여 수행되었다.

Fig. 1. Sphere-to-plane electrode system

Fig. 2. Schematic diagram of dielectric breakdown

2.2 실험 결과

2.2.2 전압별 실험 결과

앞선 실험에서 PPLP의 절연내력특성은 실리콘유에 비하여 액체질소 내에서 크게 상승하며 그와 같은 현상은 Type B에서 더욱 확연하게 나타난다는 것을 확인한 후 모든 실험을 액체질소 내에서 수행하였다. 그림 4에는 액체질소 내 PPLP의 종류별 인가전압에 따른 절연내력특성을 비교한 결과를 나타내었다. Type A와 Type B의 절연파괴 전계값은 DC, AC, Imp. 전압에 대하여 각각 275.7, 129.3, 154.1kV/mm와 278, 126.2, 159.3kV/mm로 측정되었다. Fig.에서 보는 바와 같이 PPLP의 절연내력특성은 PP의 비율과 무관하게 인가전압의 종류에 따라 큰 차이가 없이 유사하다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 3. AC electric field intensity at sparkover of PPLP according to temperature

Fig. 4. Electrical breakdown characteristics of PPLP according to applying voltage in LN2

2.2.3 압력별 실험 결과

초전도케이블은 초전도선재의 임계전류와 열전도특성 그리고 전기적 절연내력 향상을 위하여 시스템을 가압하여 운전하고 있다⁽⁴⁾. 따라서 본 연구에서는 압력변화에 따른 PPLP의 절연내력특성 변화를 확인하기 위한 실험을 하였으며, 결과를 그림 5와 그림 6에 나타내었다. 그림 5는 액체질소 내에서 압력별 PPLP의 AC 전압에 대한 절연파괴 전계값을 나타내며, 압력이 증가함에 따라 절연파괴 전계값은 상승하지만 차이가 크게 나타나지는 않았다. 또한 각 압력 조건에 대한 Type A와 Type B의 절연내력특성은 유사하다는 사실을 알 수 있다. 그림 6에는 압력별 액체질소 내에서 PPLP의 Imp. 전압에 대한 절연파괴 전계값을 나타내었다. AC 전압에 대한 결과와 유사하게 Imp. 전압에 대해서도 압력이 증가함에 따라 절연파괴 전계값은 증가하지만 큰 차이가 발생하지 않음을 확인하였다.

Fig. 5. AC electrical breakdown characteristics of PPLP according to pressure in LN2

Fig. 6. Imp. electrical breakdown characteristics of PPLP according to pressure in LN2