1.1 개요

HVDC (High Voltage Direct Current) 송전은 직류의 특성상 전자파에 의한 피해가 없으며, 장거리 송전 시 HVAC (High Voltage Alternative Current) 대비 전력 손실이 적고, 주파수가 없어 계통 간 비동기 연결이 가능하여 국가 간 전력망 연계에 유리하다는 장점을 가진다^{[1, 2]}. 이러한 장점으로 HVDC 송전 방식은 대용량 및 장거리 송전이 요구되는 해저 케이블과 가공 전선에 활용되고 있다. HVDC 송전은 1954년 스웨덴에서 처음 상용화된 이후 유럽, 미국, 인도, 브라질, 중국 등 여러 국가에서 도입되었다. 특히 중국에서는 HVDC 800kV급 송전선뿐만 아니라 UHVDC (Ultra High Voltage Direct Current) 1,100kV급 송전선까지 추가로 증설하여 운용 중에 있다^{[3, 4]}. HVDC 송전에 대한 국제적인 관심이 증가함에 따라, 국내에서는 Fig. 1과 같이 북당진-고덕, 제주-해남, 제주-진도 구간에서 HVDC 송전 방식이 사용되고 있으며, 여러 구간에서 추가 증설이 진행되고 있다.

Fig. 1. Current status of HVDC transmission lines in the republic of korea

1.2 연구 배경

전력용 애자는 전선을 안정적으로 지지하면서 정격전압의 절연내력을 보장하는 핵심 구성요소이다. 이러한 애자는 뛰어난 절연능력, 기계적 강도, 발수성 및 내오손 특성을 가져야 한다. 초기에는 유리나 자기 소재를 주로 사용했으나, 이들의 충격에 대한 취약성과 무게, 그리고 고비용 문제로 최근에는 폴리머 애자가 선호되고 있다^[5].

HVDC 송전 방식은 전력 전송의 효율성과 안정성을 위해 지속적으로 연구되고 있으며, 이에 따라 폴리머 애자의 절연설계 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 특히, AC 전력용 애자는 특정 부위에 전계가 집중되어 절연파괴를 초래할 위험이 있으므로 이를 방지하기 위해 코로나링을 설치한다. 그러나 DC 전력용 애자의 경우, 코로나링 설계에 대한 명확한 기준이 아직 제정되지 않은 상황이다. DC는 정상상태와 과도상태에서 전계 특성이 상이하며, 특히 HVDC 송전선에서는 뇌임펄스, 개폐임펄스와 같은 과도상태에서 대부분의 고장이 발생한다^[6]. 따라서, HVDC 송전선의 절연 안정성을 위해선 이러한 특성을 고려한 코로나링 설계가 필요하다. 본 연구에서는 500kV급 HVDC 폴리머 애자의 절연 안정성 향상을 목표로, 정상상태와 과도상태에서의 전계 분포 특성을 분석하고 이를 기반으로 코로나링을 설계하였다.

2.1 정상상태와 과도상태의 전계 분포 특성 비교 분석

DC 정상상태에서는 직류 전압이 장시간 인가되어 분극이 완료된 상태로 온도에 따라 변화하는 도전율, 공간전하가 전계 집중에 큰 영향을 준다. 과도상태는 전원 스위칭, 외부 요인 등에 의해 전압이 변화하는 상태로, 유전율이 전계 집중에 큰 영향을 미친다^[7]. 이러한 특성으로 인해 정상상태와 과도상태에서는 전계 분포와 집중 위치가 다르게 나타난다.

각 상태에서의 절연 취약점과 전계 분포를 확인하기 위해 유한요소해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics 6.0을 활용하여 전계해석을 진행하였다. 전계해석에 사용된 HVDC 폴리머 애자의 총 길이는 6,830mm이며, 누설거리는 IEC 60815-4를 참고하여 26,890mm가 되도록 하였다^[8]. HVDC 폴리머 애자의 형상과 구성소재를 Fig. 2에 나타내었으며 유한요소해석에 사용된 Parameter는 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 t는 온도를 의미한다. 유한요소해석 시 정상상태는 정격 전압 500kV를 인가했으며, 과도상태에서는 가장 극한 조건인 뇌임펄스 전압을 인가하였다. 이때 뇌임펄스의 전압은 IEC 60060-1 7항에 명시된 파형 (1.2 / 50μs)의 2,700kV가 되도록 하였다^[9]. 해석결과, 정상상태에서는 Fig. 3과 같이 금구류 주변 기중에서 6.5kV/mm의 최대전계가 분포하였으며, 고전압이 인가된 금구류와 가장 가까운 Shed에서 최대 27.1kV/mm, 평균 24.1kV/mm의 전계가 분포하였다. 과도상태에서는 Fig. 4와 같이 금구류 주변 기중에서 35.3kV/mm의 최대전계가 분포하였으며, 고전압이 인가된 가장 가까운 Shed에서 최대 12.1kV/mm, 평균 7.7kV/mm의 전계가 분포하였다. 정상상태에서는 금구류와 인접한 Shed 내부에 가장 높은 전계가 집중되는 반면, 과도상태에서는 삼중점에 전계가 집중되는 것으로 나타났다. 정상상태의 경우, Shed에 집중된 높은 전계로 인해 부분방전과 같은 열화 현상이 발생하여 절연성능 저하뿐만 아니라 절연파괴로 이어질 가능성이 있는 것으로 추정된다. 반면, 과도상태에서는 삼중점 부위에 매우 높은 전계가 집중되어 해당 위치에서 절연파괴가 발생할 가능성이 높은 것으로 판단된다. 따라서, 정상상태와 과도상태에서 절연 안정성을 확보하기 위해 Shed와 삼중점 부위의 전계 분포를 완화할 수 있는 적절한 코로나링 설계안이 필요하다는 점을 확인하였다.

Fig. 2. Schematics of 500kV HVDC polymer insulator

Fig. 3. Electric field distribution under DC steady-state

Fig. 4. Electric field distribution under DC transient-state

2.2 코로나링 설계안 도출

코로나링은 송전선 애자의 금구류에 설치되는 링 형태의 구조물로, 애자에 집중되는 전계를 완화하기 위해 사용한다^[10]. 본 절에서는 2.1절에서 확인한 바와 같이 HVDC 폴리머 애자의 정상상태와 과도상태에서 집중되는 전계를 완화하기 위해 코로나링을 설계하였다. 설계 시 코로나링의 Parameter는 Fig. 5에나타내었다. 선행 연구에서는 정상상태만을 고려하여 코로나링을 설계하였으며, 코로나링의 높이 (H), 애자 중심축으로부터 코로나링 중심까지의 거리 (D), 코로나링의 반경 (R)을 순차적으로 설정하는 방식으로 진행되었다. 그러나 이러한 설계 방식은 설계 순서에 따라 최종 설계안이 달라지는 문제점이 있었다^[11]. 이러한 문제점을 개선하기 위해, COMSOL 내 Optimization 기능을 사용하여 세 개의 Parameter를 일괄적으로 최적화하여 설계를 진행하였다. Optimization 기능은 사용자가 지정한 요소나 구간에 대해 Parameter 변화에 따른 전계해석을 일괄적으로 수행하여, 목표 설계안을 만족하는 최적의 Parameter를 계산하는 방법이다. 각 Parameter의 변화량을 1mm로 설정하였으며, 이를 통해 설계된 코로나링의 Parameter는 Table 2에 나타내었다.

Optimization 기능을 활용하여 도출된 코로나링 Parameter의 적합성을 검증하기 위해, 각 Parameter를 변화시키며 폴리머 애자에 집중되는 전계를 분석하였다. 2.1절에서 확인한 바와 같이, 정상상태에서는 Shed 부위에 높은 전계가 집중되었으며, 과도상태에서는 삼중점 부위에서 전계가 집중되었다. 이에 따라, 정상상태에서는 Shed에 집중되는 최대전계, 과도상태에서는 삼중점에 집중되는 최대전계를 비교 분석하여 각 Parameter의 적합성을 검증하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타냈다. 해석 결과, Optimization 기능을 통해 도출된 Parameter가 최적의 설계안인 것을 확인하였다.

Fig. 5. Configuration of corona ring for HVDC polymer insulator

Fig. 6. Validation of the suitability of each parameter

2.3 코로나링 적용 후 전계완화

Optimization 기능을 통해 설계한 코로나링을 정상상태와 과도상태에 적용했을 때 HVDC 폴리머 애자에 집중되는 전계를 Fig. 7과 8에 나타내었다. 해석결과, 정상상태에서는 금구류 주변 기중에서 1.2kV/mm의 최대전계가 분포하였으며, Shed에서 최대 5.5kV/mm, 평균 1.2kV/mm의 전계가 분포하였다.

Fig. 7. Electric field mitigation under DC steady-state by corona ring

Fig. 8. Electric field mitigation under DC transient-state by corona ring

과도상태에서는 코로나링 주변 기중에서 2.6kV/mm의 최대전계가 분포하였으며, Shed에서 최대 2.1kV/mm, 평균 1.8kV/mm의 전계가 분포하였다. 코로나링 설치 전후의 전계 분포를 비교하기 위해, 각 조건에서 전계 값을 Table 3과 4에 나타내었다. 정상상태에서 코로나링을 설치할 경우, 고전압측과 접지측 기중에 집중되는 전계는 각각 80.3%, 86.1% 감소하였으며, 고전압측과 접치측 Shed에 집중되는 전계는 각각 79.7%, 76.7% 감소하였다. 과도상태에서는 코로나링 설치 시, 고전압측과 접지측 기중에 집중되는 전계는 각각 93.1%, 92.6% 감소하였고, 고전압측과 접지측 Shed의 집중되는 전계는 각각 82.6%와 81.8% 감소하였다. 이를 통해 본 연구에서 설계한 코로나링이 HVDC 폴리머 애자의 전계를 효과적으로 완화할 수 있음을 확인하였다.

2.4 코로나링 설계안 안전율 검토

설계된 코로나링의 절연 안정성을 정량적으로 평가하기 위해, 유한요소해석을 통해 계산된 전계값과 절연파괴 기준전계를 바탕으로 식 (1)을 활용하여 안전율을 산출하고 이를 검토하였다.

일반적으로 DC 전압에서 기중 절연파괴 기준전계는 약 3kV/mm로 알려져 있다. 각 조건에서 안전율을 Table 5에 나타내었다. 코로나링 적용 전후의 안전율을 비교한 결과, 정상상태에서 코로나링 적용 전 안전율은 0.5였으나, 코로나링 적용 후 고압부에서 2.5, 접지부에서 3.3으로 개선되었다. 과도상태에서 코로나링 적용 전의 안전율은 0.1로 매우 낮았으나, 코로나링 적용 후 고압부에서 1.3, 접지부에서 1.2로 개선되었다. 이를 통해 본 연구에서 설계한 코로나링이 정상상태와 과도상태에서 발생할 수 있는 기중 절연파괴를 효과적으로 방지할 뿐만 아니라, HVDC 폴리머 애자가 받는 전기적 스트레스를 감소시켜 애자의 수명을 연장하는 데 도움이 될 것으로 판단된다.