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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 초고압 직류가공선로에서 발생하는 전기환경특성을 분석하기 위하여 ±500kV 가공직류 실증시험장을 구축하고 코로나 방전에 의해 발생하는 전계 및 이온류 특성에 대한 분석결과를 기술하였다.
제안 방법
- 가공직류 시험선로 구성은 그림 1과 같으며 총 3경간으로(150m-300m-150m)로 기하학적인 중심이 경간의 중심에서 발생될 수 있도록 대칭구조로 설계하였다. 전력선은 ACSR 480㎟ Cardinal 6도체를 선정하였고, 중성선은 전력선과 동일한 ACSR 480㎟ Cardinal 2도체를 채택하였다.
- 따라서 각 장해항목의 측정시스템을 정기적으로 점검 및 교정 실험하여 센서의 신뢰성을 확보하도록 설치하였다. 각종 측정센서는 국제규격의 추천지점, 해외 시험선로에서의 표준적 위치 및 코로나 케이지에서의 경험을 기본으로 하여 배치설계 하였다. 따라서 측정센서들은 시험선로 중앙경간 부근에 다수 설치하였다.
- 본 논문에서는 초고압 직류 가공 송전선로의 전기환경친화설계 기술자료를 도출하기 위해 직류실증시험장을 구축하고, 직류시험선로의 선로형상은 극간격 22m, 전선지상고 18m, 인가전압 ±500kV, 쌍극 1회선 ACSR 480(C)mm2 6도체방식으로 하였다. 기상영향에 대한 선로주변에서의 지표면 전계강도, 대전전압, 이온전류밀도를 평가하기위해 약 3개월간 데이터를 측정하였으며 통계처리한 발생특성은 다음과 같다.
- 직류송전 실증시험장에서의 전기환경시험은 장기간 연속으로 수행되므로 측정시스템 운용의 효율성, 안정성, 정확성 및 데이터의 신뢰성을 고려해야 한다. 따라서 각 장해항목의 측정시스템을 정기적으로 점검 및 교정 실험하여 센서의 신뢰성을 확보하도록 설치하였다. 각종 측정센서는 국제규격의 추천지점, 해외 시험선로에서의 표준적 위치 및 코로나 케이지에서의 경험을 기본으로 하여 배치설계 하였다.
- 또한 실제 송전선로의 형상과 일치하지 않는 문형 철탑 형태의 지지물로서 상용송전선로의 형태를 모의한 절연설계 등 송전기자재 연구에 적합하지 않다. 따라서 이러한 문제점을 개선하고자 상용형 철탑에 특수 암(Arm)을 제작하여 전력선의 지상고 및 극간격을 제어하는 semi-prototype 형태의 시험선로를 설계하였다. 가공직류 시험선로는 상용선로형의 형태로 지지물 설계, 절연협조설계, 선로건설기술 및 송전기자재 시험등 가공송전분야의 다양한 연구가 가능하며 경제적이며 실용적인 연구가 가능하게 구축하였다.
- 또한 인체모델에 유사한 형태의 대전 전압을 모의하기 위하여 원통대전체를 설치하였으며 이는 제5차 한국인 인체지수조사사업(2003.4∼2004.11)의 결과에 의거하여 한국인 성인남자(19세∼65세)의 평균신장과 가슴둘레를 고려하여 설계하였다.
- 본 논문에서는 초고압 직류 가공 송전선로의 전기환경친화설계 기술자료를 도출하기 위해 직류실증시험장을 구축하고, 직류시험선로의 선로형상은 극간격 22m, 전선지상고 18m, 인가전압 ±500kV, 쌍극 1회선 ACSR 480(C)mm2 6도체방식으로 하였다.
- 이온전류밀도는 지표면에 가드전극이 설치된 평판전극을 이용하여 측정한다. 이온전류밀도 측정시 빗방울에 의해 측정전극과 가드전극을 단락시킬 수 있고, 발생량이 작아 청명시 데이터만을 처리하였다. 측정한 데이터를 통계처리한 결과 그림 12과 같이 lateral 특성을 확인할 수 있었다.
- 직류송전선로의 코로나 방전에 의한 이온류 영향을 평가하기위해 ±500kV의 직류시험선로를 쌍극 1회선, 극간격 22m, 전선지상고 18m, ACSR 480mm2 Cardinal 6도체방식으로 하여 실증시험을 약 3개월간 수행하였다. 전계강도는 두 개의 전극을 회전시켜 직류전계를 측정하는 방법을 이용하였으며, 대전전압은 인체의 지면접촉저항을 모의한 10GΩ과 100GΩ 2종류의 저항과 대전체 형상을 원통과 원판의 2가지 형태로 구성하였으며 이온전류밀도는 평판전극이 양극, 음극 선로의 수직방향으로 11개소에 설치되어 직류송전선로에서의 이온의 영향을 측정 분석하였다.
- 직류송전선로의 코로나 방전에 의한 이온류 영향을 평가하기위해 ±500kV의 직류시험선로를 쌍극 1회선, 극간격 22m, 전선지상고 18m, ACSR 480mm2 Cardinal 6도체방식으로 하여 실증시험을 약 3개월간 수행하였다.
- 따라서 측정센서들은 시험선로 중앙경간 부근에 다수 설치하였다. 코로나 방전에 의하여 발생하는 전기환경특성을 평가하기 위하여 라디오장해, 텔레비전장해, 코로나 소음을 측정할 수 있는 센서를 설치하였으며, 직류송전선로의 이온류 특성을 측정하기 위한 대전전압, 이온전류밀도, 전계를 특성을 측정할수 있는 센서들을 배치하였다. 표 1에는 직류가공 송전선로의 이온류 전기환경장해특성을 측정하기 위한 장해항목 별 계측센서의 설치 개수를 나타내었고, 그림 2에는 이러한 각 센서들의 배치도를 나타내었다.
대상 데이터
- 실증시험선로는 절연 및 전기환경 시험을 고려하여 2호 철탑과 3호 철탑은 지상고와 극간격의 이동이 가능한 가변형 구조로, 1호 철탑과 4호 철탑은 Dead-End Type의 내장형 철탑으로 설계하였다. 가공직류 시험철탑은 상용선로형의 semi-prototype 형태의 쌍극(Bi-Pole) 1회선이며, 그림 1과 같이 구성하였다. 이전에 가공직류 송전선로 전기환경 특성연구를 수행한 국가의 경우에는 전력선의 지상고 및 극간격의 제어가 용이하지 않았으며 지지물의 크기와 중량이 대형화 되어 경제적이지 않다.
- 전력선은 ACSR 480㎟ Cardinal 6도체를 선정하였고, 중성선은 전력선과 동일한 ACSR 480㎟ Cardinal 2도체를 채택하였다. 실증시험선로는 절연 및 전기환경 시험을 고려하여 2호 철탑과 3호 철탑은 지상고와 극간격의 이동이 가능한 가변형 구조로, 1호 철탑과 4호 철탑은 Dead-End Type의 내장형 철탑으로 설계하였다. 가공직류 시험철탑은 상용선로형의 semi-prototype 형태의 쌍극(Bi-Pole) 1회선이며, 그림 1과 같이 구성하였다.
- 이온전류밀도는 지표면에 가드전극이 설치된 평판전극을 이용하여 측정한다. 이온전류밀도 측정시 빗방울에 의해 측정전극과 가드전극을 단락시킬 수 있고, 발생량이 작아 청명시 데이터만을 처리하였다.
- 가공직류 시험선로 구성은 그림 1과 같으며 총 3경간으로(150m-300m-150m)로 기하학적인 중심이 경간의 중심에서 발생될 수 있도록 대칭구조로 설계하였다. 전력선은 ACSR 480㎟ Cardinal 6도체를 선정하였고, 중성선은 전력선과 동일한 ACSR 480㎟ Cardinal 2도체를 채택하였다. 실증시험선로는 절연 및 전기환경 시험을 고려하여 2호 철탑과 3호 철탑은 지상고와 극간격의 이동이 가능한 가변형 구조로, 1호 철탑과 4호 철탑은 Dead-End Type의 내장형 철탑으로 설계하였다.
성능/효과
- 1. 직류가공 송전선로의 이온류 발생량은 선로직하 부근에서 가장 큰 값을 나타났으며, 온도, 습도, 풍조건등의 기상조건에따라 발생량이 변화되는 특성을 나타내었다.
- 2. 지표면 전계강도의 경우 온도가 상승할수록 지표면 전계강도는 약간 감소하는 경향을 나타냈고, 습도가 증가할수록 지표면 전계강도가 현저하게 상승하는 경향이 나타났다.
- 3. 지표면 전계강도, 대전전압, 이온전류밀도의 측정결과 직류송전선로에서 발생되는 전기환경장해 항목들에 영향을 미치는 기상요소 중에 바람의 영향이 가장 지배적인 것으로 나타났다. 풍향, 풍속 변화에 대한 지표면 전계강도, 대전전압, 이온전류밀도의 경우 풍조건에 따라서 발생량이 매우 크게 증가하거나 감소하는 특성을 나타내었다.
- 지표면 전계강도의 기상조건별 발생특성을 평가하기위해 양극성 직하 전계계 EF7(그림 2 참고)에서 온도, 습도별 발생량을 통계 처리하여 그림 8과 그림 9에 나타내었다. 데이터 처리 결과 온도가 상승할수록 지표면 전계강도는 약간 감소하는 경향을 나타냈다. 습도가 증가할수록 지표면 전계강도가 현저하게 상승하는 경향이 나타났다.
- 풍향, 풍속 변화에 대한 지표면 전계강도, 대전전압, 이온전류밀도의 경우 풍조건에 따라서 발생량이 매우 크게 증가하거나 감소하는 특성을 나타내었다. 따라서 바람이 부는 측(up stream)의 장해 항목들의 발생량은 일반적으로 작아지고, 바람이 불어가는 측(down stream)의 장해항목들의 발생량은 증가하는 경향을 나타냈다.
- 5kV/m 정도 감쇄되었다. 또한 측정 데이터를 강우시, 청명시에 따라 유효조건을 달리 하여 통계처리한 결과 강우시 지표면전계가 청명시보다 크게 발생되었다. 이는 강우시 코로나 방전에 의한 이온발생량이 청명시보다 많기 때문으로 판단된다[1][2].
- 그림 6은 풍향이 양극성에서 음극성으로 부는 경우의 분석결과를 나타낸 것이다. 바람이 거의 불지 않는 경우는 양극성 도체측과 음극성 도체 주변의 지표면 전계강도는 부호만 반대일 뿐 절대값의 크기는 거의 유사했지만 풍속이 5m/s 이상인 경우는 양극성 도체측의 지표면 전계강도는 바람이 불지 않는 경우보다 작아졌으며 음극성 도체측의 최대값도 도체 직하가 아니라 바람이 가는 방향으로 이동된 것을 확인하였다. 이는 바람에 의해 양극성 도체에서 발생된 이온이 음극성 도체로 이동되고, 그 결과 음극성의 도체표면 전계강도는 증가해 코로나 방전이 활성화 되는 반면, 양극성의 도체는 바람의 영향에 의해 무풍시보다 음극성 도체로부터 이온을 덜 받기 때문에 무풍시보다 도체표면 전계강도가 감소한 것으로 판단된다[8][9].
- 그림 13은 지표면 이온전류밀도의 바람의 영향을 나타낸 것이다. 선로의 인가전압, 기온, 습도는 유사한 상태에서 풍속이 3m/s 이상인 경우의 이온전류밀도와 풍속이 거의 없는 경우의 측정결과를 분석한 것으로 바람이 부는 경우 이온전류밀도는 바람이 불지 않은 경우보다 최대값 발생지점이 이동되고 크기도 더 커지는 결과가 나타났다.
- 데이터 처리 결과 온도가 상승할수록 지표면 전계강도는 약간 감소하는 경향을 나타냈다. 습도가 증가할수록 지표면 전계강도가 현저하게 상승하는 경향이 나타났다.
- 지표면 전계강도의 최대값은 각 극성 도체 직하부근에서 발생되었으며, 각 극성 도체로부터 거리가 1m 증가함에 따라 약 0.2∼0.5kV/m 정도 감쇄되었다.
- 바람의 영향을 평가하기위해 풍속이 3m/s 이상인 경우의 대전전압과 풍속이 거의 없는 경우의 측정결과를 그림 11에 나타내었다. 풍향 조건으로는 양극성의 도체에 수직으로 부는 바람에 의해 대전체에 대전되는 전압을 측정결과 지표면 전계강도와 유사하게 바람이 가는 방향으로 이온이 이동하기 때문에, 바람이 부는 경우 대전전압은 바람이 불지 않은 경우보다 최대값 발생지점이 이동되고 크기도 더 커지는 결과를 나타냈다. 이는 지표면 전계강도에서 나타난 풍속의 영향과 동일한 이유에 의해 나타난 특성이라 판단된다.
후속연구
- 향후에는 초고압 직류실증시험장을 이용하여 다양한 선로형상조건과 계절특성, 연간특성 및 기상 상관관계 등의 분석을 위한 실증시험을 수행하여 국제기준 및 해외의 연구사례와 비교한 ±500kV 직류송전선로의 설계지침을 제시하고자 한다.
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