1.1 연구의 배경

HVDC (high voltage direct current) 기술은 발전소에서 교류로 생산한 전기를 직류로 변환하여 송전한 뒤 다시 교류로 변환하는 기술로서 1954년, 스웨덴에서 최초로 적용되어 미국, 유럽 등의 선진국뿐만 아니라 중국과 브라질, 인도 등 세계 여러 나라에서 적용하고 있는 송전방식이다^[1]. HVDC의 장점은 전자파 피해에 대한 이슈가 없고, 장거리 송전시 HVAC (high voltage alternative current)에 비하여 전력손실이 획기적으로 감소하며, 주파수가 서로 다른 계통과 비동기 연계가 가능하므로 국가 간 전력계통의 상호 연계가 가능하다^{[2, 3]}.

HVDC용 애자의 설계기술은 HVDC 절연설계의 핵심기술로서 필요하지만, 현재까지 그와 관련된 자세한 기술적 정보는 공개되고 있지 않은 실정이다. 그러므로 HVDC 전력계통의 기술 확립을 위해서는 DC 전계해석을 기반으로 하는 절연설계 기술 확보가 필요하다.

전력용 애자는 전선을 철탑 또는 전주에 고정하고 정격전압의 절연내력을 확보하기 위하여 사용되는 지지물로서 우수한 절연내력과 기계적 강도, 발수성, 그리고 낮은 충전용량 특성을 가져야 한다. 과거에는 제작의 용이성으로 인하여 유리 또는 자기 소재로 제작된 애자를 사용하였다^[4]. 그러나 유리 애자와 자기 애자는 충격에 약하고 무거울 뿐만 아니라 고가인 단점을 가지고 있으므로 최근에는 이와 같은 단점을 극복한 폴리머 애자를 개발하여 폭넓은 분야로 적용하고 있다^[5]. 특히 HVDC용 애자는 직류 특유의 정전현상으로 인하여 기존의 HVAC용 애자에 비하여 오손물을 많이 흡착하는 특성을 가지므로 발수성이 우수하여 내오손 특성이 우수하다고 평가되고 있는 폴리머 재질의 애자 적용이 필수적이다^[6]. 따라서 관련 전력기기 및 시스템 개발을 위한 공통기술로서 HVDC 특성에 기반한 DC 전력용 애자의 절연설계 기술의 확보가 필요한 실정이다.

AC 전력용 애자에서는 공기에 노출되는 금구류와 코어와 shed, 그리고 금구류가 만나는 삼중점에서 전계가 집중되어 절연파괴가 발생한다고 알려져 있으며, 이를 방지하기 위하여 코로나링 (corona ring)을 설치하고 있다^[7]. 이에 반하여 DC 전력용 애자의 경우에는 현재까지 코로나링 개발을 위한 설계 기준안이 존재하지 않으며, 단순히 AC 전력용 애자를 기준으로 일정 크기의 여유를 두고 설계를 진행하고 있다^[8]. 그러나 AC 전계특성은 유전율에 의존하지만, DC의 전계 특성은 도전율에 의존하는 등 근본적으로 서로 다른 메커니즘을 가지고 있으므로 DC 절연특성에 관한 연구를 통하여 설계기준을 선정하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 HVDC용 애자의 절연설계기술 확보를 위하여 AC 전력용 애자와 DC 전력용 애자의 전계분포특성을 유한요소해석법을 이용하여 분석하고 비교하였으며, 그 결과를 바탕으로 500kV급 HVDC 애자의 전계분포 완화를 위한 코로나링 설계를 진행하였다.

2.1 AC와 DC의 전계분포특성 비교

DC 전계특성은 공간전하의 존재와 도전율의 온도 의존성 등으로 인하여 AC 전계특성과 상이하므로, 기존의 AC 절연설계 기술을 직접적으로 적용할 수 없다. 따라서 고신뢰성의 DC 절연설계 기술을 확보하기 위해서는 DC 전계특성에 대한 이해를 바탕으로 한 DC 절연설계기술 개발 연구가 필요하다. DC는 유전체의 유전율에 의존하는 AC 전계분포특성과 다르게 유전체의 도전율에 의하여 전계분포가 형성된다. 또한 AC 절연설계에서는 정상상태에서의 전계특성만을 고려하지만, DC 절연설계에서는 스위칭 전압의 ON/OFF, 정상상태, 극성반전 및 충격전압의 중첩과 같은 특성을 종합적으로 고려해야 한다. 특히 표면전하나 공간전하의 존재로 인하여 전계왜곡 현상이 발생할 수 있으며, 극성반전 시 공간전하와 역전계의 중첩으로 인하여 매우 심각한 전계집중이 발생할 수 있다^[9].

본 논문에서는 DC 절연설계기술 확보를 위한 선행연구로서 AC와 DC 전력용 애자의 전계분포특성을 비교하고 정상상태를 기준으로 한 500kV급 HVDC 폴리머 애자의 전계완화를 위한 코로나링을 설계하였다. HVDC 폴리머 애자의 전계해석을 위하여 유한요소해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하였다. 500kV급 HVDC 폴리머 애자의 전계해석에 사용된 모델의 총길이는 6,828mm로 Fig. 1에 개략도를 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 애자의 코어는 GFRP (glass fiber reinforced plastic)이고 하우징은 실리콘이며, 양단의 금구류는 알루미늄으로 설정하였으며 이에 해당하는 상세 물성은 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 t는 온도를 의미한다. 이때 애자의 DC의 누설거리는 AC 전압 규격인 IEC 60815의 중오손 지역 누설거리인 31mm/kV의 1.7배인 52.7mm/kV로 적용하였으며, 이 값을 확보하기 위하여 총누설길이는 26,890mm로 설정하였다. 또한 shed의 직경은 230mm와 195mm 의 두 가지로 총 125개의 shed가 번갈아 위치하도록 설정하였다. Fig. 3과 4에는 AC와 DC 전압을 인가할 경우, 애자의 접지부와 고전압 인가부에 형성되는 전계분포를 나타내었다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 AC 전압을 인가한 경우에는 접지측과 고전압 인가측의 금구류에서 각각 9.32kV/mm와 8.25kV/mm의 최대전계가 집중되는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 DC 전압을 인가한 경우에는 Fig. 3에서 보듯이 접지측과 고전압 인가측 금구류에 각각 6.65kV/mm와 6.20kV/mm의

Fig. 1. Schematics of 500kV HVDC insulator

Fig. 2. Electric field distribution under AC voltage

최대전계가 분포하였으며, AC 전압을 인가한 경우와 다르게 표면전하의 영향으로 금구류와 인접한 접지측과 고전압 인가측 shed 내부에도 각각 12.08kV/mm와 23.53kV/mm의 높은 전계가 집중되는 사실을 확인할 수 있었다. 따라서 DC 전력용 애자는 공기와 맞닿는 금구류에서 절연파괴가 발생할 수 있을 뿐만 아니라 shed 내부의 높은 최대전계값으로 인하여 빠른 시간 내에 부분방전과 같은 열화현상이 발생할 수 있다고 짐작할 수 있다. 따라서 금구류와 shed 내부의 최대전계값을 완화하기 위한 절연설계가 필요하다는 사실을 알 수 있었다.

Fig. 3. Electric field distribution under DC voltage without corona ring

2.2 금구류 측 전계완화

일반적으로 코로나링이란 기체와 맞닿는 금구류에서 발생하는 최대전계값을 완화하기 위하여 설치하는 금속의 구조물을 의미한다. 본 절에서는 2.1절의 유한요소해석 결과에서 보는 바와 같이 접지측과 고전압 인가측 금구류에 분포하는 최대전계값을 완화시키기 위한 코로나링 설계를 수행하였다. Fig. 4에는 반경이 80mm인 코로나링을 임의의 위치에 설치한 경우에 분포하는 전계값을 나타내었다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 임의의 코로나링을 설치함으로서 접지측 금구류에서 발생하는 최대전계값이 6.65kV/mm에서 2.88kV/mm로, 고전압 인가측 금구류에서 발생하는 최대전계값은 6.20kV/mm에서 2.84kV/mm로 코로나링이 설치되지 않았을 때와 비교하여 각각 56.7%와 54.2%의 전계완화 효과가 있는 것을 확인하였다.

금구류에서 발생하는 최대전계값을 완화하기 위하여 금구류 끝단에서 코로나링 중심까지의 높이 (h), 애자의 중심축으로부터 코로나링까지의 거리 (d), 그리고 코로나링의 반경 (r)을 변화시키면서 전계완화 효과가 우수한 코로나링의 설계안을 도출하였다. Fig. 5에는 DC 전력용 애자의 코로나링 설계를 위한 개념도를 나타내었다.

Fig. 4. Electric field mitigation under AC voltage by corona ring

Fig. 5. Configuration of corona ring for DC insulator

먼저 접지측 코로나링을 설계하기 위하여 반경이 30mm이고 금구류 끝단부터 코로나링 끝까지의 높이인 h가 150mm인 알루미늄 재질의 코로나링을 가정하고 애자의 중심축으로부터 코로나링까지의 거리 d를 100mm에서 400mm까지 변화시켰을 때 발생되는 금구류측의 최대전계값을 확인하였다. Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이 애자의 중심축에서 코로나링까지의 거리 d가 증가함에 따라서 금구류측의 최대전계는 감소하는데 d가 370mm 이상이 될 때 포화하는 경향을 보이므로 d는 370mm로 결정하였다. 또한 금구류 끝단부터 코로나링까지의 높이인 h는 Fig. 6(b)로부터 최대전계가 가장 작게 분포하게 되는 150mm로 결정하였다. 코로나링의 반경 r은 Fig. 6(c)와 같이 증가할수록 전계가 감소하는 경향을 확인하였으며, 안전율을 고려하여 40mm로 결정하였다.

Fig. 6. Maximum electric field intensity according to specifications of corona ring under DC voltage

고압측 코로나링 또한 동일한 과정으로 설계를 진행하였다. 고압측의 경우 접지측에 비해 전계가 높은 것을 고려하여 반경을 40mm, 금구류 끝단으로부터 코로나링까지의 이격거리인 높이 h가 150mm인 알루미늄 재질의 코로나링을 가정한 후에 d의 값을 100mm에서 400mm까지 변화시켰을 때 발생되는 금구류측의 최대전계값을 확인하였다. 결과적으로 고압측 코로나링의 설계값은 금구류 끝단부터 코로나링까지의 높이 h는 150mm, 애자의 중심축으로부터 코로나링까지의 거리 d는 300mm, 그리고 코로나링의 반경은 50mm로 결정하였다.

2.3 Shed측 전계완화

고체 유전체 내부에서 발생하는 최대전계값을 완화하기 위하여 설치하는 구조물은 그레이드링 (grade ring)이라고 한다. 본 연구에서는 금구측에서 발생하는 최대전계값을 완화하기 위하여 코로나링을 설계하였으며, 설계된 코로나링을 통하여 애자의 shed측에서 발생하는 최대전계값을 동시에 완화할 수 있음을 확인하였다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 코로나링이 설치되지 않은 DC 애자에서는 shed 내부에 약 23.53kV/mm의 높은 전계가 유도되어 장시간 운전할 경우에 부분방전이 발생할 수 있다는 사실을 확인하였다. 반면에 2.2절에서 설계한 코로나링을 통하여 shed 내부의 최대전계가 23.53kV/mm에서 4.10kV/mm로 약 83%의 전계완화효과가 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 이와 같은 코로나링의 설치로 인한 shed측에서의 전계 감소효과를 Fig. 7에 나타내었다. 일반적으로 고체 유전체는 수십 kV/mm에서 절연파괴가 발생하는 것으로 알려져 있는데, 코로나링의 설치를 통하여 shed 내부의 전계값을 완화시켜 전기적 절연 안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 7. Electric field analysis result by installation of corona ring under DC voltage