[논문]초고압 전력 케이블 접속 시스템을 위한 접속재의 최적화 해석

이양창; 류정현; 한봉수; 이준성; 이호정; 최윤종

초고압 전력 케이블 접속 시스템을 위한 접속재의 최적화 해석
Optimization Analysis of Connection Part for Electric Power Cable Connection System Using Extra High Voltage Power 원문보기

이양창 (대림대학 산학협력팀) , 류정현 (일진전기(주)) , 한봉수 (일진전기(주)) , 이준성 (경기대학교 기계시스템공학과) , 이호정 (경기대학교 기계시스템공학과) , 최윤종 (경기대학교 기계시스템공학과)

본 논문은 초고압 전력케이블의 접속재 개발을 위한 연구결과로써, 접속시스템의 핵심기술인 고절연 고무슬리브 및 현장에서 접속 작업의 용이성을 위한 Carrier Pipe의 구조해석과 전기적 절연설계에 의한 주요부의 전기적 특성과 전계의 집중을 완화하기 위해 Simulation Tool을 이용한 수치해석 등을 실시하여 최적화된 제품을 제작하였다. 절연설계 및 전계완화 해석에서는 고절연 고무슬리브 구조에서 전계가 집중될 수 있는 중요 포인트를 벡터로 선정하였고 이를 기초로 전계해석을 진행하여 선정된 포인트들에서 전계가 집중됨을 검증하였다. 접속재의 수축거동 해석에 의하면, Carrier Pipe의 구조적 안전성을 확보하기 위하여 고절연 고무슬리브로부터의 압력을 구하여 계산한 결과 최소한 9mm이상의 Carrier Pipe 두께가 필요한 것으로 파악 되었다. 이것은 충분한 강도뿐만 아니라 Carrier Pipe의 변형발생으로 인한 현장에서의 설치문제까지 고려하게 된 값이다. 고절연 고무슬리브 제품설계 에서는 고절연 고무슬리브의 특성조건을 설정하였고 고절연 고무슬리브 제품 및 Carrier Pipe의 Interface 설계 기준을 파악하기 위하여 기존의 고절연 고무슬리브를 활용하여 Carrier Pipe와의 장착 Test를 진행하였다. 그 결과, 확장비율 110%로 적용하였을 경우는 30시간 후에는 완전 붕괴가 되었고, 붕괴가 시작되는 지점이 고절연 고무슬리브의 중앙매립전극 경계면으로써, Simulation Tool을 활용한 접속재 수축 거동 해석 결과와도 일치함을 검증 할 수 있었다.

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문제 정의

이러한 개발경쟁의 시장에 대응하고 나아가 수출경쟁력 확보를 통한 무역수지 개선을 위하여 Pre-molded Joint 기술개발은 필수적이다. 따라서 고품질의 전력케이블 접속재 개발을 위하여 Pre-molded Joint의 기술개발이 절실히 필요로 되어 지고 있으므로, 고절연 고무슬리브의 전기적 절연해석과 작업의 용이성을 위해 내부에 삽입되어 있는 Carrier Pipe[2,3]에 대하여 연구 개발 하고자 한다.

제안 방법

실리콘 블록은 고탄성 재료로 되어있고 두 가지 종류의 실리콘이 접합되어 있다. Carrier Pipe의 구조 최적화 설계를 위하여 Carrier Pipe가 실리콘 블록 내부에 삽입되었을 때 실리콘 블록의 내부 압력 값을 먼저 해석하고 그 값을 Carrier Pipe의 외부 하중값으로 적용하여 안정된 Carrier Pipe를 설계하였다.
Carrier Pipe의 구조해석 결과는 작용하는 외부압력에 의한 변형량과 허용응력 값을 계산하여 Carrier Pipe의 단면형상을 수정하며 반복적 계산을 수행하였다. 외부하중은 2.
고절연 고무슬리브 제품설계 에서는 고무슬리브의 특성조건을 설정하였고 고무슬리브 및 Carrier Pipe 의 Interface 설계 기준을 파악하기 위하여 기존의 Pre-molded Joint를 활용하여 Carrier Pipe와의 장착 Test를 진행하였다. 그 결과, 확장비율 108%로 적용하였을 경우는 30시간 후에는 완전 붕괴가 되었고, 붕괴가 시작되는 지점이 고절연 고무슬리브의 중앙 매립전극과 경계면으로써, Simulation Tool을 활용한 접속재 수축거동 해석 결과와도 일치함을 검증 할 수 있었다.
고절연 고무슬리브의 유한소요 해석을 위해 Fig 6와 같이 1/4로 모델링하였고, 경계조건는 우측면과 전면부를 대칭조건으로 구속하였다. 그리고 하중조건은 Fig 7에서 직경 (a)를 직경 (b)만큼의 변위값을 적용, 강제변위 조건을 이용하였다.
그리고 하중조건은 Fig 7에서 직경 (a)를 직경 (b)만큼의 변위값을 적용, 강제변위 조건을 이용하였다. 따라서 PMJ의 내부직경을 확대하였을 때 작용하는 압력을 구하고 Carrier Pipe의 외경면에 최대 압력값(Pcarrier pipe) 으로 적용하여 Carrier Pipe의 구조해석을 수행하였다.
따라서 직경 142mm에 두께 9mm로 개선하여 고 절연 고무슬리브의 압력을 다시 계산한 후 그 값을 적용하였다. 외부압력은 2.
실리콘 블록의 내압 해석결과는 Table 3에 나타나 있고 해석은 절연과 반도전체의 물성치를 적용하여 각각 해석을 하였다. 이는 해석의 신뢰성을 높이고 복합해석을 위한 기초 자료를 얻기 위함이고, 해석 결과에서 각각의 내부압력을 얻어 각각에 값을 Carrier Pipe 외부 하중값으로 하였다.
전기적 절연설계는 주요부의 전기적 특성과 전계의 집중현상을 막기 위하여, Simulation Tool을 이용한 수치해석을 실시하였다. Pre-molded Joint의 가장 중요한 사항은 케이블 절연층과 고무슬리브간의 계면압력 특성으로, 고무의 성질을 고려하여 사용 중 접속함의 계면압력을 특정압력 이상으로 유지하는 것이 설계의 중요 포인트 이다.
절연설계 및 전계완화 해석에서는 고절연 고무슬리브 구조에서 전계가 집중될 수 있는 중요 포인트를 벡터로 선정하였고 이를 기초로 전계해석을 진행하여 선정된 포인트들에서 전계가 집중됨을 검증하였다. 그리고 해석결과를 고절연 고무슬리브 제품설계에 반영하였다.
초고압 지중선로 건설의 핵심기술인 전력 케이블 접속재 Pre-molded Joint의 안전적인 구조와 현장작업 용이성을 위하여 실리콘 블록의 확장 파이프인 Carrier Pipe의 안정적인 구조 설계를 위하여 실리콘 블록의 절연설계 및 전계완화 해석과 접속재의 수축거동해석 결과를 바탕으로 고절연 고무슬리브 및 Carrier Pipe의 제품설계를 실시하였으며, 각 Component 단독으로써의 Prototype Sample을 제작하였다. 또한 각각 Sample의 Interface Test를 통하여 구조를 선정하고 선정된 구조에 대하여 반복적인 Interface Test를 통하여 설계가 확정되어야함을 알 수 있었다.

대상 데이터

8와 같은 경계조건과 Table 4와 같은 기계적 성질을 이용하였다. 그리고 Carrier Pipe의 구조해석을 위한 최대하중은 2.5MPa, 2.8MPa과 2.8MPa, 3.1MPa로 하였다. 고절연 고무슬리브를 적용하고자하는 케이블의 경우 외경이 Ø135mm이기 때문에 Carrier Pipe의 직경 방향의 변형량이 Ø135mm이하가 되어서는 안된다.

성능/효과

고절연 고무슬리브 제품설계 에서는 고무슬리브의 특성조건을 설정하였고 고무슬리브 및 Carrier Pipe 의 Interface 설계 기준을 파악하기 위하여 기존의 Pre-molded Joint를 활용하여 Carrier Pipe와의 장착 Test를 진행하였다. 그 결과, 확장비율 108%로 적용하였을 경우는 30시간 후에는 완전 붕괴가 되었고, 붕괴가 시작되는 지점이 고절연 고무슬리브의 중앙 매립전극과 경계면으로써, Simulation Tool을 활용한 접속재 수축거동 해석 결과와도 일치함을 검증 할 수 있었다.
그리고 직경변화는 Ø136.40mm이므로 케이블직경 Ø135.0mm보다 크기 때문에 사용 가능한 조건임을 확인 하였다.
초고압 지중선로 건설의 핵심기술인 전력 케이블 접속재 Pre-molded Joint의 안전적인 구조와 현장작업 용이성을 위하여 실리콘 블록의 확장 파이프인 Carrier Pipe의 안정적인 구조 설계를 위하여 실리콘 블록의 절연설계 및 전계완화 해석과 접속재의 수축거동해석 결과를 바탕으로 고절연 고무슬리브 및 Carrier Pipe의 제품설계를 실시하였으며, 각 Component 단독으로써의 Prototype Sample을 제작하였다. 또한 각각 Sample의 Interface Test를 통하여 구조를 선정하고 선정된 구조에 대하여 반복적인 Interface Test를 통하여 설계가 확정되어야함을 알 수 있었다.
따라서 직경 142mm에 두께 9mm로 개선하여 고 절연 고무슬리브의 압력을 다시 계산한 후 그 값을 적용하였다. 외부압력은 2.8MPa, 3.1MPa로 적용하여 계산한 결과 등가응력은 허용응력 기준치의 96% 가량이며 안전율을 1로 하였을 때 구조적으로는 안전하다는 결론을 얻게 되었다. 그리고 직경변화는 Ø136.
Carrier Pipe의 구조해석 결과는 작용하는 외부압력에 의한 변형량과 허용응력 값을 계산하여 Carrier Pipe의 단면형상을 수정하며 반복적 계산을 수행하였다. 외부하중은 2.5MPa, 2.8MPa로 초기 모델은 직경 140mm에 두께 4mm의 경우 허용응력 기준치 이상, 즉 60%가량 증가하였고, 또한 변위가 직경으로 134.2mm으로 축소되어 케이블직경 135.0mm 보다 작아져 실제적으로 사용할 수 없음을 알 수 있었다.

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