초록
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고온 초전도 전력케이블은 대도시 및 부하가 밀집되어 있는 지역에 에너지 손실 없이 대용량 전력을 공급할 수 있는 선진기술이다. 고온 초전도 전력케이블은 임계온도(Critical temperature)이하에서 전기 저항이 0에 가까워지는 특성을 이용한 것으로 현재 전 세계에 걸쳐 활발한 연구가 진행되고 있고 실제 전력계통에 적용하여 운용하는 단계에 이르렀다. 하지만 초전도 전력케이블은 초전도의 특성상 주위 온도를 임계온도 이하로 냉각 시켜야 초전도 특성을 유지할 수 있다. 현재 대부분의 초전도 전력케이블의 냉각 방식은 액체 질소를 이...

고온 초전도 전력케이블은 대도시 및 부하가 밀집되어 있는 지역에 에너지 손실 없이 대용량 전력을 공급할 수 있는 선진기술이다. 고온 초전도 전력케이블은 임계온도(Critical temperature)이하에서 전기 저항이 0에 가까워지는 특성을 이용한 것으로 현재 전 세계에 걸쳐 활발한 연구가 진행되고 있고 실제 전력계통에 적용하여 운용하는 단계에 이르렀다. 하지만 초전도 전력케이블은 초전도의 특성상 주위 온도를 임계온도 이하로 냉각 시켜야 초전도 특성을 유지할 수 있다. 현재 대부분의 초전도 전력케이블의 냉각 방식은 액체 질소를 이용한 순환 냉각 방식을 사용한다. 액체질소의 온도는 77 K으로 2세대 초전도 선재의 임계온도를 만족시킬 뿐 아니라 지구의 대기 중 대부분을 차지하고 있어 가격도 저렴하여 초전도 전력케이블의 냉매로 사용하기에 적합하다. 초전도 케이블의 냉각 시스템은 액체질소를 강제 순환해야하기 때문에 케이블의 길이가 길어짐에 따라 단위 냉각 시스템이 부담하는 냉각 용량 및 유로에서의 압력강하가 증가하게 된다. 따라서 케이블 길이가 길어지게 되면 중간 접속함을 설치하여 단위 냉각시스템의 냉각용량 및 냉매 유로의 압력 강하를 줄일 수 있게 된다. 이러한 접속함 종류로는 액체질소의 흐름에 따라 NJB(Normal Joint Box)와 SJB(Stop Joint Box)로 나눌 수 있다. 일반적으로 NJB는 액체질소가 중간 접속함을 통과하면서 냉각하는 방식이다. NJB는 초전도 케이블 전체 시스템에서 한대의 냉동기가 부담 가능한 구간 마다 설치하는데, 냉동기 설치가 어려운 장소에는 NJB를 사용할 수 없는 것이 단점이다. 또한 케이블의 길이가 길어질수록 냉동기가 부담하는 냉각 부하가 증가하기 때문에 냉각 시스템의 용량에 따라 케이블의 길이가 한정된다. NJB와 반대로 SJB는 접속함 중간에 격벽으로 분리되어 있기 때문에 액체질소가 접속함을 통과하지 않고 복귀함으로써 냉각 시스템의 분리가 가능하다. 따라서 NJB와는 다르게 냉각 시스템의 용량에 한정되지 않고 케이블의 길이를 늘일 수 있다. 하지만 SJB 형태의 중간 접속함은 액체질소의 흐름을 막아 다시 귀환하기 때문에 기존의 기체절연 방식과 다른 고체 절연방식이 사용됨으로 SJB 냉각 단계에서 각 재료의 수축률 차이 및 절연물 내부와 외부의 온도 차이로 인하여 열응력이 발생하여 손상을 받게 된다. 이러한 열응력에 의한 손상은 액체질소의 완벽한 분리를 방해하여 압력 불균형을 일으키고 전기 절연 성능도 저하시켜 전력 케이블의 운전 전압에 의해 절연파괴도 발생하게 된다. 이와 같이 SJB는 고온 초전도 전력케이블의 장거리화에 꼭 필요한 기술이지만 고체 절연물이 사용되므로 절연 구조물의 극저온 열응력에 의한 파괴/박리 현상에 대한 예측이 필요하다. 본 논문에서는 FEM(Finite Elements Method) 구조 해석을 통하여 SJB 절연구조물 냉각단계에서 온도 편차에 의한 열응력 해석 및 열응력에 의한 파괴/박리 억제를 위한 최적 냉각 방법을 연구하였으며, 스트레인게이지를 이용하여 실제 에폭시 절연물의 냉각시간에 따른 에폭시 표면의 변형률 및 응력을 측정하여 해석 결과와 비교 검증 하였다. 이는 향후 SJB의 냉각 방법에 관한 연구에 좋은 자료가 될 것으로 기대한다.

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