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문제 정의
- 전기적 전계완화 효과를 부여하기 위함이다. 또한, 바깥층크라프트 절연은 주절연층인 KPK'의 팽윤 형상의 제어와 금속쉬스작업 및 접속함 단말공정 시 발생할 수 밖에 없는 고온으로부터 반합성지의 절연층을 보호하고자 하였다. 본 프로젝트에서는 케이블의 전체 절연두께는 25 mm로 두께 내부로부터 크라프트/KITC7크라프트의 절연두께를 Q.
- 본 논문에서는 LS전선이 최근 국내 최초로 개발한 반합성지 400 kV급 전력케이블 및 접속함 개발과정을 소개하고 이와 관련된 요소기술에 대해 기술하였다.
제안 방법
- 케이블 양측의 급유계통을 분리하기 위해 사용되는 유지절연 접속함(SIJ)에서는 에폭시 유니트에 장착된 내입금구의 모양을 최적화하여 절연유와 에폭시 유니트의 계면에서 나타나는 연면방향 선계를 최소화하였으며, 발열부분을 없애고 부품의 중량 감소를 위하여 유지 유니트 바깥쪽 보강유침지에 KPK" 절연지를 사용하였으며, 유압 차이로 의한 응력에 견디도록 하였다. 또한 케이블 쉬스층의 끝단에서의 전계완화를 위한 스트레스 릴리프 콘에 보강 유침지 및 밸 마우스를 사용하여 조립의 용이성을 이루었다.
- 에폭시 애관을 설계하였다. 가스 중 종단 접속함 역시 미리 선정한 절연설계 기준에 따라 표면누설거리 및 보강유침지의 설계를 하였으며, 전계해석 및 열응력분포해석율 통해서 전기적 스드레스 및 열팽창 계수 차이로 나타날 수 있는 문제들율 검증하였다. 특히 대형의 에폭시 애관의 냉열 반복 시 발생하는 응력을 펑가하기 위해 유한 요소법을 이용하여 열적 반복 스트레스에 의한 응력분포롤 해석하였다.
- 가스 중 종단 접속함의 설계에서는 우선 IEC 60859에 따른 PIC 타입 에폭시 애관을 설계하였다. 가스 중 종단 접속함 역시 미리 선정한 절연설계 기준에 따라 표면누설거리 및 보강유침지의 설계를 하였으며, 전계해석 및 열응력분포해석율 통해서 전기적 스드레스 및 열팽창 계수 차이로 나타날 수 있는 문제들율 검증하였다.
- 개발된 반합성지 절연 케이블 및 접속함이 설계 시 목표로 설정한 성능을 만족시키는지를 확인하기 위하여, 실사용 상태와 동일하게 조립하여 펑가를 실시하였다. 제조된 케이블과 접속함을 대상으로 관련규격에 따라 정의된 요구성능치를 기준으로 전기적 특성을 측정한 결과를 표 4에 나타내었다.
- 의한 응력에 견디도록 하였다. 또한 케이블 쉬스층의 끝단에서의 전계완화를 위한 스트레스 릴리프 콘에 보강 유침지 및 밸 마우스를 사용하여 조립의 용이성을 이루었다.
- 유선득성은 KPK;' 절연지의 유전율와 tanS를 온도녈로 측정하였으며, 절연내력은 케이블 상의 지권형태를 고려한 중앙에 유극(有隙)이 존재하는 3층 구조의 샘플을 대상으로 상용주파 절연파괴 선압 및 층격절연강도 시험을 실시하였다. 또한, 모델케이블을 제작하여 케이블로서의 성능을 예측하고 적절한 지권패턴에 따른 절연강도의 변화를 살펴보았다. 측정 결과를 표 2에 나타내었으며, 100T에서 유전손실계수는 2.
- 따라서 반합성 지는 팽윤에 의한 두께 증가율이 어느 정도 이하가 되도록 개발되어야 한다. 본 개발에서는 케이블 제조를 위한 지권장력을 고려하여 8% 이하가 되도록 개발되었다.
- 이때 두 재질이 서로 분리되지 않게 하기 위한 박리강도는 케이블 제조시나 포설 및 운전 시에 서로 분리하지 않을 정도의 것이 필요하다. 본 개발에서는 폴리머 층의 압출 시, 크라프트 절연지의 표면에 코로나 방전처리를 실시하여 종이의 섬유(fiber)가 폴리머 층에 박혀 접착력을 유지하도록 하는 anchor 효과와 압출냉각 롤의 압력과 온도를 조절하여 박리 강도를 확보하였다.
- 1%를 만족하는 PPLP (polypropylene laminated paper)로 선정하였다. 위 성능을 만족하기 위하여 전체절연지의 두께에서 폴리머 층의 비율을 나타내는 폴리머(PP) 비율 및 반합성지를 구성하는 크라프트지의 종류 및 조합구성을 개발하였고, 당사고유의 상표 KPK*로 등록하였다.
- 위와 갇은 400 kV급 반합성지 절연 케이블 및 접속함 개발을 통하여 얻은 다 양하 호고압 관련기숲을 이용하여 최근 선진국에서 사용검토 중인 반합성 지를 사용한 해 저케이블 및 초전도케이블 뿐만 아니라 500 kV급 이상의 초 초고압 송전시스템의 기술 개발의 초석을 확보하였다';
- 위와 같이 설계된 절연지를 제작하여 유전득성 및 절연내력 뿐만 아니라 요구되논 각종 물성을 측정하였다. 유선득성은 KPK;' 절연지의 유전율와 tanS를 온도녈로 측정하였으며, 절연내력은 케이블 상의 지권형태를 고려한 중앙에 유극(有隙)이 존재하는 3층 구조의 샘플을 대상으로 상용주파 절연파괴 선압 및 층격절연강도 시험을 실시하였다.
- 요구되논 각종 물성을 측정하였다. 유선득성은 KPK;' 절연지의 유전율와 tanS를 온도녈로 측정하였으며, 절연내력은 케이블 상의 지권형태를 고려한 중앙에 유극(有隙)이 존재하는 3층 구조의 샘플을 대상으로 상용주파 절연파괴 선압 및 층격절연강도 시험을 실시하였다. 또한, 모델케이블을 제작하여 케이블로서의 성능을 예측하고 적절한 지권패턴에 따른 절연강도의 변화를 살펴보았다.
- 2500 mm?의 6분할 도체 구조로 하였으며, 케이블의 절연층 구조는 도체 쪽에 크라프트 절연층을 두고 주 절연재료로 KPK'층, 그 다음에 바깥층에는 다시 크라프트 절연층을 조립하는 3층 절연구조로 설계되었다, 이는 반합성지 절연재료의 특성상 임펄스의 극성에 따라 나타나는 충격절연파괴 강도의 차이를 보완할 뿐만 아니라, 도체 직상부에서의 전기적 전계완화 효과를 부여하기 위함이다. 또한, 바깥층크라프트 절연은 주절연층인 KPK'의 팽윤 형상의 제어와 금속쉬스작업 및 접속함 단말공정 시 발생할 수 밖에 없는 고온으로부터 반합성지의 절연층을 보호하고자 하였다.
- 특히 대형의 에폭시 애관의 냉열 반복 시 발생하는 응력을 펑가하기 위해 유한 요소법을 이용하여 열적 반복 스트레스에 의한 응력분포롤 해석하였다. 이러한 결과를 토대로 샘플을 제작하여 냉열반복시험을실시하였으며, 형상변경 및 금형에서의 제작 프로세스를 정립하여 실사용 중에 나타날 수 있는 문제점을 검증하여 해결하였다.
- 저밀도 절연지를 선정하였다. 이러한 크라프트 절연지를 사용하여 폴리머 비율을 55%로 조절하여 표 1과 같은 반합성지를 구성하였으며, 케이블의 제조시 내촉에는 전기적 강도가 높은 얇은 절연지를, 외층에는 기계적 강도가 높은 두꺼운 절연지를 사용하게 하였고, 접속함의 경우, 공정상의 편의성을 고려하여 단일 두께의 반합성지를 사용하도록 설계하였다.
- 특히, 반합성지절연재료의 경우 고온의 열에 약하기 때문에 케이블의 구조에서 외층으로부터 크라프트 아래의 PP 절연층이 열화되지 않는 저온 연공 공정이 필요하게 된다. 이를 위해서 종래의 연공법 사용 시, 절연층의 최외곽층 크라프드 절연과 반합성지 절연층에 형성되는 온도를 실시간으로 측정하여 온도분포를 알아보았다. 실 측정결과 연 공부에서의 최대온도는 열에 취약한 반합성지 층이 152의 온도에 노출되면서 열화가 될 우려가 존재하였다.
- 특히, 납 연공을 하는 슬더링공정에서 보다 메탈라이징 공정에서 최고 온도가 기록되어 이 시간니에서의 온노제어가 반드시 필요함을 알아내었다. 이를 해결하기 위해서 접착강도 및 상대적으로 저온에서 연공이 가능한 저온 연공 재질을 개발하였다. 연공 작업시의 실측결고" 메달라이징 공정에서 KPK*층에서 나타나는 최고온도는 95〔로 나타났으며, 솔더링 공정에서는 132? 까지 상승하였다.
- 접속함의 전기적 성능 유지를 위해 가장 중요한 것은 절연능력을 확보하는 하도록 설계하였으며, 기존 크라프트 절연지보다 절연 특성이 우수한 KPK; 절연지를 보강절연층에 사용함으로써 전체적인 절연두께를 줄여 전체적인 외경을 축소시켜 전체적인 접속함의 낫은 열 저항성을 갖추도록 하였다.
- 종래의 일반 크라프드 절연지를 사용하는 접속함의 보강절연체 외경, 전계완화 슬로프(slope), 펜슬링부의 설계 및 내부절연거리 설계 시 사용하는 관통방향 및 연면방향의 전위경도를 근거로 하여, 개발한 KPK*의 시편 및 모델케이블 제작을 통해 얻은 결과를 바탕으로 상용주파 전압 및 충격전압 설계 기준을 마련하였으며, 이롤 기준으로 보강 절연층의 구조를 설계하였다,
- 가스 중 종단 접속함 역시 미리 선정한 절연설계 기준에 따라 표면누설거리 및 보강유침지의 설계를 하였으며, 전계해석 및 열응력분포해석율 통해서 전기적 스드레스 및 열팽창 계수 차이로 나타날 수 있는 문제들율 검증하였다. 특히 대형의 에폭시 애관의 냉열 반복 시 발생하는 응력을 펑가하기 위해 유한 요소법을 이용하여 열적 반복 스트레스에 의한 응력분포롤 해석하였다. 이러한 결과를 토대로 샘플을 제작하여 냉열반복시험을실시하였으며, 형상변경 및 금형에서의 제작 프로세스를 정립하여 실사용 중에 나타날 수 있는 문제점을 검증하여 해결하였다.
- 제조된 케이블과 접속함을 대상으로 관련규격에 따라 정의된 요구성능치를 기준으로 전기적 특성을 측정한 결과를 표 4에 나타내었다. 표 4에 보인 바와 같이 시험 항목에 모두 만족할 만한 성능을 나타내었으며, IEC 60141에 근거한 400 kV급 반합성지 OF 케이블 및 접속함에 대해 KEMA로부터 Type test을 통해 품질을 인증받았다.
- 따라서 사용되는 반합성지의 함침 전후의 기계적 물리적 특성을 이용하여 최적의 지권 장력을 설계하는 것이 매우 중요하다. 혼 400 kV급 반합성지 절연 케이블은 사용되는 반합성지의 장시간 함침 후 팽윤특성을 고려하여 지권장력을 설정하였고, 이를 토대로 지권을 수행하였다.
대상 데이터
- 허용전류 및 송전손실 등을 고려하여 결정하여야 한다. 본 개발 목표는 손실계수가 2.7x0.1%를 만족하는 PPLP (polypropylene laminated paper)로 선정하였다. 위 성능을 만족하기 위하여 전체절연지의 두께에서 폴리머 층의 비율을 나타내는 폴리머(PP) 비율 및 반합성지를 구성하는 크라프트지의 종류 및 조합구성을 개발하였고, 당사고유의 상표 KPK*로 등록하였다.
- 또한, 바깥층크라프트 절연은 주절연층인 KPK'의 팽윤 형상의 제어와 금속쉬스작업 및 접속함 단말공정 시 발생할 수 밖에 없는 고온으로부터 반합성지의 절연층을 보호하고자 하였다. 본 프로젝트에서는 케이블의 전체 절연두께는 25 mm로 두께 내부로부터 크라프트/KITC7크라프트의 절연두께를 Q.5 / 20 / 45의 두께로 설계되었다. 그림 2와 표 3은 위와 같이 설계된 반합성지 절연 400kV급 2500 mm2 OF 케이블의 구조를 나타내었다.
- 조합하는 크라프트지는 경제성을 고려하여 범용의 26, 34 및 45 # 의 저밀도 절연지를 선정하였다. 이러한 크라프트 절연지를 사용하여 폴리머 비율을 55%로 조절하여 표 1과 같은 반합성지를 구성하였으며, 케이블의 제조시 내촉에는 전기적 강도가 높은 얇은 절연지를, 외층에는 기계적 강도가 높은 두꺼운 절연지를 사용하게 하였고, 접속함의 경우, 공정상의 편의성을 고려하여 단일 두께의 반합성지를 사용하도록 설계하였다.
성능/효과
- 이를 해결하기 위해서 접착강도 및 상대적으로 저온에서 연공이 가능한 저온 연공 재질을 개발하였다. 연공 작업시의 실측결고" 메달라이징 공정에서 KPK*층에서 나타나는 최고온도는 95〔로 나타났으며, 솔더링 공정에서는 132? 까지 상승하였다. KFK; 절연새료의 열화 기준을 140:C 정도이고, 저온연공 후 KPK; 절연증의 DSC 열분석 및 계면집합 기계적 강도의 결과 이상없는 것으로 나타났다.
- 연공 작업시의 실측결고" 메달라이징 공정에서 KPK*층에서 나타나는 최고온도는 95〔로 나타났으며, 솔더링 공정에서는 132? 까지 상승하였다. KFK; 절연새료의 열화 기준을 140:C 정도이고, 저온연공 후 KPK; 절연증의 DSC 열분석 및 계면집합 기계적 강도의 결과 이상없는 것으로 나타났다.
- 유전체 손실계수의 저감에 따라서 정전용량 및 손실각을 줄여 전체적인 유전체 손실을 감소시키고, 결과적으로 송전용량을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 절연내력이 높은 절연재료를 사용함으로써 케이블의 절연두께를 줄이고, 금속 쉬스 외경을 줄일 수 있어 전체적인 케이블 사이즈를 대폭적으로 감소시킬 수 있다. 이는 운반단위의 케이블 길이를 증가시킬 수 있으며, 선로 공사 중에서 접속할 접속함의 수를 줄일 수 있어 보다 송전 계통의 신뢰성을 높일 수 있게 된다[1].
- 부근에서 등전위선 분포를 나타낸 것이다. 매입전극의 끝단에서의 최대 전계가 AC 600 kV 인가 시, 약 10 kV/mm로 기준전계인 23.3 kV/mm를 충분하게 만족함을 알 수 있다. 또한 전기 적성 능을 좌우하는 설계인자로 이종 절연계면을 따라 나타나는 계면 전계를 고려해야 한다.
- 이는 기존의 일반 크라프트 절연지에 비하여 유전손실계수는 50% 수준이며, 절연내력은 125 % 정노이다. 시료와 모델케이블의 전기적 평가를 통하여 유침절연지의파괴는 약점부인 유극에서 발생하고, 그 절연파괴 강도는 유극두께가 증가할수록 저하되며, 유극에 가해지는 전계는 절연지와 절연유의 비유전율 차이가 작을수록 완화되기 때문에 비유전율이 작은 폴리머를 사용한 반합성지는 이점에서 유리한 장점을 가지고 있으며, 격벽효과 등에 의해서도 높은 절연파괴 특성을 나타내는 사실을 확인하였다.
- 이를 위해서 종래의 연공법 사용 시, 절연층의 최외곽층 크라프드 절연과 반합성지 절연층에 형성되는 온도를 실시간으로 측정하여 온도분포를 알아보았다. 실 측정결과 연 공부에서의 최대온도는 열에 취약한 반합성지 층이 152의 온도에 노출되면서 열화가 될 우려가 존재하였다. 특히, 납 연공을 하는 슬더링공정에서 보다 메탈라이징 공정에서 최고 온도가 기록되어 이 시간니에서의 온노제어가 반드시 필요함을 알아내었다.
- 또한 전기 적성 능을 좌우하는 설계인자로 이종 절연계면을 따라 나타나는 계면 전계를 고려해야 한다. 유지절연 접속함의 에폭시 유니트와 유통로의 절연유와의 계면에서 나타나는 계면전계는 2.88 kV/mm로 나타났으며, 설계기준인 4.5 kV/mm 이하로 안정적인 설계가 되었음을 전계해석을 통하여 확인하였다.
- 또한, 모델케이블을 제작하여 케이블로서의 성능을 예측하고 적절한 지권패턴에 따른 절연강도의 변화를 살펴보았다. 측정 결과를 표 2에 나타내었으며, 100T에서 유전손실계수는 2.3x0.1 % 미만의 결과를 얻었으며, AC 절연파괴강도는 100 kV/mm, 임펄스 파괴강도는 160 kV/mm룔 나타내었다. 이는 기존의 일반 크라프트 절연지에 비하여 유전손실계수는 50% 수준이며, 절연내력은 125 % 정노이다.
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