[논문]180kV HVDC 해저케이블 기계적/전기적 특성 평가

김남열; 이태호; 지봉기; 이상진; 김정년; 전승익; 윤희석; 정수길; 강채홍; 안용호

180kV HVDC 해저케이블 기계적/전기적 특성 평가
Mechanical and Electrical Performance of 180kV HVDC Submarine Cable System 원문보기

김남열 (LS전선(주) 중앙연구소) , 이태호 (LS전선(주) 중앙연구소) , 지봉기 (LS전선(주) 중앙연구소) , 이상진 (LS전선(주) 중앙연구소) , 김정년 (LS전선(주) 중앙연구소) , 전승익 (LS전선(주) 중앙연구소) , 윤희석 (LS전선(주) 전력사업부) , 정수길 (LS전선(주) 전력사업부) , 강채홍 (LS전선(주) 전력사업부) , 안용호 (한전 전력연구원)

This paper describes the mechanical and electrical test on HVDC submarine cable, Flexible Repair Joint and termination for 180kV. This HVDC submarine cable was manufactured using LS cable's unique skill and would be applied the HVDC submarine cable system in korea. The performance test consist of mechanical test and electrical test. The tensile bending test and tensile test was done as the mechanical test and Electrical test is DC voltage and Impulse test. The tensile bending test carried out 6 times(double of specified times) for maximum reliability. The DC test voltage is $\pm$400kV/1hr. We estimate the lower limit of DC breakdown voltage is 600kV. The impulse test voltage is $\pm$800kV/10shots. The type of developed cables is the MI type. Its insulation consist of paper tapes impregnated with a high viscosity oil. The development of new HVDC cable is available for HVDC underground or submarine power transmission. The developed HVDC cable, FRJ and termination have passed the mechanical and electrical test successfully and showed excellent performance.

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문제 정의

따라서 LS 전선에서는 육상케이블의 우수한 설계/제조기술을 바탕으로 HVDC 해저케이블 접속기술의 국산화를 위해 한국전력 용역과제를 수행하였으며현재 180kV급 HVDC 해저케이블의 제조기술 및 접속기술을 국산화 하는데 성공하였다. 개발된 해저케이블 및 접속함의 평가를 목적으로 시험기준으로 제안된 CIGRE의 Electra 1기과 Electra 189에 의거하여 HVDC 해저케이블 자체와 중간접속을 포함한 기계적인 평가와 해저케이블, 중간접속함과 종단 접속함을 포함하는 전체 시스템에 대한 전기적인 평가를 수행하고 그 결과를 보고한다.

제안 방법

180kV급 HVDC 해저케이블과 종단 접속함에 대한 전기적 특성 평가를 목적으로 그림 8과 같이 시험선로를 구성하였으며 DC내압기와 임펄스 시험기는 LS전선에서 보유하고 있는 설비를 활용하여 평가를 수행하였다. 시험선로는 총 길이 20m이며 구성된 선로는 그림 9와 같다.
m:케이블 질량(kg/m), 。:포설도르레 운동 각주 파수(1/s), t:운동주기(s) 위의 Tensile bending test는 신뢰성을 위해 시험기준의 두배인 6회를 실시하였다. Tensile Test는 별도의 케이블 시료로 실시하였으며 (Lmax-Lo)/Lo 와 (Lo‘-Lo)/Lo의 상 대신율을 계산하여 평가하였으나 신장 길이 변화는 없었다.
HVDC 해저케이블의 핵심은 도체와 절연체로서 도체는 송전용량을증가시키기 위해 평각 도체로 설계되었다. 절연방식으로는 세계적으로 검증된 MI(Mass Impregnated) type의 절연구조를 채택하여 최적 절연설계를 위한 DC 용 절연지와 함침용 절연유의 선정 및 케이블 제조시 절연지의 함침 공정에 대한 연구를 수행하여 최적의 조건을 설정하였다.
기계적 평가는 개발된 HVDC 해저케이블과 중간접속함을 대상으로 실시하였으며 중간접속함에 대해 기계적 평가로 Tensile-Bending Test를실시함으로서 해저케이블 고장복구를 위한 케이블 및 접속함의 기계적강도 및 Tensile Test에 대한 검증이 되도록 하였다. 기계적 평가에 대한 특성시험 기준은 표 4와 같다.
또한, 종단 접속함의 주 절연층인 유침지 절연설계는 목표 내전압성능에 대해 일정 여유를 갖도록 설계하였으며 벨 마우스를 포함한 전체적인절연설계에 대한 검증을 그림 4과 같이 전계해석을 통하여 수행하였다.
위해 평각 도체로 설계되었다. 절연방식으로는 세계적으로 검증된 MI(Mass Impregnated) type의 절연구조를 채택하여 최적 절연설계를 위한 DC 용 절연지와 함침용 절연유의 선정 및 케이블 제조시 절연지의 함침 공정에 대한 연구를 수행하여 최적의 조건을 설정하였다. 그림 1은 LS전선이 개발한 케이블 사진과 구조도이며 개발된 케이블의구조는 표 1과 같다.
중간접속시 활용되는 모든 접속 자재를 국산화한 것과 접속작업 또한 LS전선의 전문 접속 원에 의해 수행되었다는 것에 큰 의미가 있다. 중간접속부의 구조는 그림 2와 같으며 케이블 외경은 90.3mm이며 접속 부의 최종 외경은 101.7mm로서 외경차이는 12.6% 정도인 준 동경 접속함을 개발하였다.
경험을 갖고 있다. 즉 2006년도에 발생한 제주-해남 HVDC 해저케이블 복구공사시에 해저케이블에 대한 내전압 시험과 TDR(Time Domain Reflectometer)을 LS전선(주)에서 수행하였으며 이때 자체 제작한 종단 접속함( DC 내전압 성능 : 1.4U0 )을 사용하여 성공적으로 시험을완료하였다. 이 경험을 바탕으로 2007년도에는 30년 수명을 가지는 종단접속함을 개발하였으며 개발과정은 그림 3과 같다.
해저 케이블용 중간접속함의 국산화에 대한 검증을 위해 자체 기술로 제작된 해저케이블을 대상으로 중간접속을 실시하였다. 중간접속시 활용되는 모든 접속 자재를 국산화한 것과 접속작업 또한 LS전선의 전문 접속 원에 의해 수행되었다는 것에 큰 의미가 있다.

대상 데이터

양단에 종단 접속함을 조립한다. 부품은 사전에 제조되어 평가를 거친 후 사용하였다.
시험선로는 총 길이 20m이며 구성된 선로는 그림 9와 같다.

데이터처리

개발된 HVDC 해저케이블과 종단 접속함에 대해 Electra 171/189에 의거하여 기계적/전기적인 평가를 수행하였으며, 평가는 그림 5과 같은 순서로 진행하였다.

성능/효과

해석 결과 보강유침지층에서 최대 전계가 걸리는 부분은 이。pe 개시점 부근으로 1.74kV/mm의 전계가 걸리며 벨 마우스에서의 최대 전계값은 1.34kV/mm로서 연면전계에 대한 설계기준이 DC(2kV/mm), Imp(3.5kV/mm)인 것과 비교하였을 때 안정한 설계가 된 것을 확인하였다.
그러나 국내에는 HVDC 해저케이블의 제조기술이 없으며 국외업체의기술력에 의존하여 건설되었기 때문에 그동안 운전 중 발생하는 사고에신속한 대응이 불가하여 복구비용면에서 큰 부담을 안고 있었으며(일일평균 발전연료비 손실 6천만 원) 장기간의 복구 기간이 소요되므로 고장시 제주지역의 전력공급에도 큰 어려움이 따르는 실정이다. 따라서 LS 전선에서는 육상케이블의 우수한 설계/제조기술을 바탕으로 HVDC 해저케이블 접속기술의 국산화를 위해 한국전력 용역과제를 수행하였으며현재 180kV급 HVDC 해저케이블의 제조기술 및 접속기술을 국산화 하는데 성공하였다. 개발된 해저케이블 및 접속함의 평가를 목적으로 시험기준으로 제안된 CIGRE의 Electra 1기과 Electra 189에 의거하여 HVDC 해저케이블 자체와 중간접속을 포함한 기계적인 평가와 해저케이블, 중간접속함과 종단 접속함을 포함하는 전체 시스템에 대한 전기적인 평가를 수행하고 그 결과를 보고한다.

후속연구

국내 기술로 개발되었다는 것에 큰 의미가 있다. 또한 국내 전력계통에 HVDC 송전방식 도입이 적극 추진되고 있는 상황에서 LS전선에서보유한 기술의 활용도가 클 것으로 사료된다.

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