전력 케이블은 여러 지역에서 전력 공급 설비로 널리 사용되고 있지만, 최근까지 이어져 온 경기 불황으로 전선업계 공사량은 크게 떨어졌다. 이후 전력 수요의 신장은 인구 감소와 에너지 절약 효과에 의해 둔화되고 있지만, 전기 사용량은 전화율(電化率)의 증가나 경기 회복과 함께 늘고 있으며 앞으로 설비의 신 · 증설이 조금씩 증가할 것으로 기대된다. 일본의 고도 성장기(1965~70년)에 건설된 전력 케이블 설비는 30, 40년 이상 사용해 와 각종 열화현상에 의한 기능 저하가 일어나고 있다. 따라서 전력 등의 사용자측은 설비 체질을 평가하기 위한 방법으로 케이블 열화 진단을 도입하여 기존 설비를 최대한 활용하거나 열화 설비를 순차적으로 교환하는 복구공사를 시작하고 있다. 또한 전력 자유화에 따라 전기요금의 가격 인하가 요구되고, 설비 유지에 필요한 지출을 최대한 줄이기 위한 대책도 필요해졌다. 때문에 설비 품질을 유지하면서도 설비 원가 저감을 위한 적절한 복구공사 실시 시기 예측과 공사 · 보전비용을 더욱 낮출 수 있는 기술 개발 · 도입이 시급한 실정이다.
일본 및 해외 전력 케이블 기술 동향
CV 케이블은 OF 케이블에 비해 급유 설비가 불필요하고 방재 성능이 뛰어난 동시에 시공 · 보수관리가 용이하기 때문에 전 세계적으로 사용되고 있다. 현재 일본 전력회사의 전력 케이블 설비량(22㎸ 이상)의 80%가 CV 케이블로 되어 있다(<그림 1> 참조). 또한 1960년대 후반 66㎸가 적용된 이후 고전압화 및 대용량화가 급속하게 진행되어 2000년에는 세계 최초로 도쿄전력에서 500㎸ CV 케이블 장거리 송전선 운전을 개시했다.
이처럼 송전용 케이블은 OF 시대에서 CV 시대로, 그리고 CV 고전압화를 주축으로 한 기술 개발이 이루어져 왔다. 앞으로도 CV 케이블을 중심으로 케이블의 소형화와 접속 기술의 간소화, 사용의 간편화, 부대 설비의 고도화 등 개량 검토가 이루어질 것이다.
1. 설비 운용면의 기술 동향 최근 설비의 유효 활용 관점으로부터 기존 설비의 고가동화를 요구하는 기회가 늘어났다. 이에 따라 고온 영역에서 케이블의 각종 성능에 관한 데이터와 지식도 상당히 축적됐다. 1998년 일본의 ‘전기학회 전력기술 위원회’산하 ‘케이블 고온 성능에 관한 기술 조사 전문 위원회’가 설립되어, 고온 영역에서 OF, CV 케이블이 가지고 있는 절연 성능의 각종 한계치에 관한 기술적 데이터가 수집되고 있다. 앞으로도 고온에서의 사용 수요는 높아질 것으로 예상되지만 케이블 및 접속부의 장시간 열화 데이터를 비롯해 해명이 안 된 부분도 있어 계속적인 조사 연구가 진행돼야 한다. 1998년 뉴질랜드의 오클랜드(Auckland)에서 발생한 대정전 사건(케이블 온도 관리 소홀로 케이블이 차례로 절연파괴를 일으킨 것이 원인) 후 케이블 온도를 감시하면서 전류를 관리하는 방법(Dynamic Rating)이 각국에서 채용되기 시작했다. 구체적으로는 광섬유 온도센서를 케이블 내, 또는 케이블 표면에 시설해 항상 온도 관리를 하면서 케이블 도체 온도(허용 전류)를 자동 계산해 전류를 관리하는 것이다. 일본에서는 전류 운용을 미리 예측한 뒤 최대전류를 바탕으로 케이블 사이즈를 선정하고, 마진안에서 관리하면 된다는 입장으로 운용하고 있다. 이후 토양 환경 변화에 맞춘 온도 관리 시스템의 필요성과 유지 보수 성능 등을 충분히 감안해 검토해 나가야 하는 사항이다. 또한 설비 관리의 고도화에 맞춰 광섬유 온도센서 외에 광납 유리를 사용한 사고 검출 시스템 등 광기술을 사용한 약전 시스템의 적용 사례도 늘고 있다. 더욱이 도쿄전력 등에서는 유한요소법 해석 방법을 이용해 높은 정밀도의 케이블 송전 용량 계산 프로그램 개발도 이루어지고 있다. 이러한 송전 용량을 비롯한 전력 설비 관리의 고도화는 약전 시스템이나 컴퓨터 기술의 진보와 함께 전개돼야 한다.
2. 케이블 · 접속부 사양에 관한 기술 동향 앞으로 사용 기간이 초과된 설비의 복구공사가 늘어날 것으로 생각되지만, 생산 원가 저감과 기능 향상을 도모한 뒤에 사양의 재검토나 신기술의 개발 · 도입이 요구된다. 여기서는 최근의 주된 검토 사례에 대해 서술한다.
⑴ 트리플렉스 CV 케이블의 적용 확대
트리플렉스형 CV 케이블(CVT)은 일본 고유의 기술이며, 66㎸급 이하의 비교적 소형 사이즈 케이블에 채용돼 왔다. 최근 154㎸에서도 기설관로의 유효 활용 및 케이블 공사비 삭감을 목적으로 대형사이즈 1,000㎜²의 CVT 케이블이 채용되기 시작했다. 또한 이에 맞춰 포설 형태의 기술 검토를 해야하는 기계정수 등의 검증시험을 실시하고 있다. 앞으로 대형 사이즈 CVT 케이블 포설 설계 합리화에 맞는 각종 기술 검토가 요구된다.
⑵ CV 케이블용 중간 접속부의 간소화 및 사용의 간편화
CV 케이블용 중간 접속부는 기존 66㎸급 이하에서는 테이프 감기식(TJ), 154㎸급에서는 테이프 감기 모듈식(TMJ)이 주류였다. 모듈식은 케이블과 동종 재료를 사용하기 때문에 이종 재료와의 계면이 없고 소형이면서도 고품질의 접속부가 가능하므로 275㎸와 500㎸에서 압출 모듈식(EMJ)이 실용화 됐다. 이와 병행해 신뢰성을 확보하면서 사용의 간편화, 시공 시간 단축, 생산 원가 저감을 위해 프리패브(Prefabrication)식 접속부(PJ) 및 <그림 2>의 고무 블록식 접속부(RBJ) 개발 · 적용이 이루어지고 있다. PJ는 1990년대부터 급속하게 보급되어 275㎸ 선로의 실용화를 도모, 500㎸의 장기 과통전시험(개발 시험)도 종료했다. 또한 PJ 기술을 응용한 Y분기 접속부가 275㎸까지 실용화 되어 있다. 유럽에서도 각 주요도시에 225㎸, 400㎸급 CV케이블의 지중송전 시설이 증가하고 있으며, 중간접속부는 이미 PJ나 RBJ가 주류를 이루고 있다. 일본의 RBJ는 순차 고전압화가 진행돼, 66㎸급(1999), 154㎸급(2000)의 현장 적용을 꾀하고 있다. RBJ 고무 재료에는 에틸렌프로필렌 고무(EPR) 타입과 실리콘 고무 타입이 있다. 전자는 프리패브식 스트레스콘으로 실적이 있는 재료를 사용하고 후자는 공장 내에서 확대와 줄임이 가능해 현지 작업이 간소한 특징이 있다.
이 RBJ는 지금보다도 더 사용이 간편하고 시공 시간을 단축하는 것을 목표로 연구가 진행 중이다. 한편 장차 초고압선로에도 RBJ가 채용될 것으로 예상되므로 현시점부터 각 부품의 파괴전계와 온도 특성 등 여러 특성 데이터를 정리해 둘 필요가 있다. 또한 이후 적절한 설비 관리를 실시한 후 고무의 장기 열화 등 접속부의 경년 열화 현상에 대해 현시점까지 얻은 정보를 정리하는 것도 필요하다. 이렇듯 최근의 CV 케이블용 접속부의 여러 특성과 열화 현상에 관한 기술적 데이터를 정리하여 충실화 할 것을 목적으로 일본의 ‘전기학회 전선 · 케이블 기술 위원회’산하 ‘송전용 CV 케이블용 접속부의 기술 동향 조사전문 위원회’가 설립되어 검토를 진행하고 있다.
⑶ CV 케이블용 종단 접속부의 소형화와 경량화
종단 접속부에는 주로 가스 중 · 기중(中 · 氣中) 종단 접속부가 있다. 지금까지의 가스 중(中) 종단접속부는 에폭시 유닛+고무 스트레스콘을 이용한 프리패브 절연 방식이 사용돼 220㎸ 이상에서는 유침(油浸) 타입이 중심이었다. 이후 기술 혁신에 의해 220㎸ 이상에서도 오일을 사용하지 않는 프리패브 절연 타입이 주류가 되고 있다. 또한 최근에는 66㎸급을 중심으로 부품 점수를 크게 삭감, 소형화한 프리패브 절연 타입 제품도 개발돼 기기와의 배합이 큰 폭으로 개선되고 있다.
한편 기중 종단 접속부는 지금까지 자기애관을 사용하는 유침 타입이 사용되어 왔지만, 최근 고분자 절연재료의 기술 진보와 함께, 실리콘 고무를 애관주름 표면 재료에 사용한 폴리머 애관이 66㎸급, 154㎸급에 적용됐다. 폴리머 애관은 가벼우면서 오염에 강하고 내진 · 방폭성이 뛰어나다는 장점이 있다. 일본에서는 가공선에서 탑상분기설비 등에 적용한 예가 많지만 해외에서는 자기애관의 파괴 행위 대책 등으로 빠르게 점유율을 늘리고 있다. 더욱이 폴리머 애관의 내부절연으로 RBJ 기술을 응용하여 고무 유닛 삽입 방식을 채택하는 동시에 실리콘 오일 대용으로 SF6 가스를 봉입하고, 수평설치 · 아래 방향 설치 등 어떤 각도에서도 설치할 수 있는 타입도 현지에 적용되고 있다. 또한 <그림 3>처럼 내부에 실리콘 오일도, SF6 가스도 주입할 수 없는 에폭시와 알루미늄의 중실(中実) 타입도 개발되어 현지에 적용하고 있다. 앞으로 경량화와 생산 원가 저감 등을 목적으로 한 폴리머 애관의 채용 사례가 증가하겠지만, 장기 오염 특성 등의 파악을 위해 필드의 점검 · 조사를 계속할 필요가 있다.
⑷ OF, POF 케이블의 복구 기술
사용 기간을 초과한 OF 케이블과 POF 케이블의 복구는 앞으로 CV화가 기본이 되겠지만 OF는 선로 운용과 포설 조건에 따라 전선로를 한 번에 복구 할 수 없는 경우가 있어 도중에 CV와 OF의 이종접속부를 설치하게 된다. 최근엔 기존에 설치된 맨홀에 설치 가능한 154㎸급 소형 이종 접속부 등이 개발되고 있다. 또한 사용기간을 초과한 POF 케이블의 복구는 기존에 설치된 동관을 이용해 케이블을 CV화하는 방법을 생각할 수 있다. 이 경우 POF 동관 내에 CV 케이블을 넣기 위해서는 절연후(絶緣厚) 저감 등에 의해 외경을 작게 하는 동시에 그에 맞는 접속부를 개발할 필요가 있다. 또한 이전에는 오일 순환에 의한 냉각 효과(증용량)가 기대됐지만, CV화한 경우 증용량 방식을 새롭게 개발할 필요가 있다. 영국이나 프랑스 등에서도 일본과 마찬가지로 1950, 60년대에 집중적으로 구축한 경년 OF 케이블이 늘어나고 복구(CV화)가 시작됐다. 그러나 대부분이 직매 포설이므로 재차 굴삭을 수반하는 대규모 공사가 되거나 새로운 터널을 신설하는 일로 상당한 비용이 들어간다. 또한 기존에 설치된 매설케이블의 철거가 생각대로 되지 않는 등의 과제도 발생하고 있다. 그러한 점에서 일본은 다수의 지중송전선로가 관로 또는 동도 방식을 채용하고 있어 케이블의 교체만으로 선로 복구가 끝나기 때문에 비용면에서도 유리하다.
⑸ 새로운 케이블의 개발
초전도 케이블은 초전도 도체를 이용한 저손실화, 고전류 밀도화를 꾀할 수 있으며, 기존 초고압 케이블 이상의 송전 용량을 66㎸급 케이블로 실현 가능한 기술로, 일본과 해외에서 기대를 받고 있다. 일본에서는 고온 초전도의 삼상일괄형 케이블에 의한 필드시험, 세계 최장의 500m급 케이블에 의한 필드시험이 성공했고 실용화에 크게 다가섰다. 이후 상온 초전도의 개발과 선재의 장척화 기술, 중간 접속부 · 장거리 냉각기술 등의 개발이 더욱 요구된다. 또한 장래 경량화 · 저손실화를 꾀한 케이블(도전성 플라스틱 등)이나 케이블 포설 · 접속의 자동화(로봇 시공), 친환경적 케이블(완전 재생형), 지능형 케이블(포설 위치와 열화 상황을 파악할 수 있는 정보 개발형 케이블) 등의 개발이 기대된다.
3. 보전에 관한 기술 동향 ⑴ OF 케이블의 보전 기술
OF 케이블의 수명은 대략 금속피의 피로에 의한 누유 발생에 의해 결정된다. 납피 OF 케이블은 포설 후 40년을 초과한 것이 많고(<그림 4> 참조), 그런 케이블에서 누유가 다수 발생해 순차적으로 교체가 이루어지고 있다. 한편 알루미늄피 OF 케이블은 통상 운전 아래서 방식층이 건전하다면 50년 정도의 수명은 기대할 수 있기 때문에 많은 전력회사에서는 접속부의 절연유 분석 진단을 실시하면서 설비의 수명 연장에 힘쓰고 있다. 한편, 급유 계통의 상태가 나빠 발생하는 부압과 이것을 원인으로 한 절연파괴 현상이 275㎸ VOF설비 실기를 이용하여 확인됐다. 또한 저압 케이블에서 폴리염화비닐(PVC)의 경년에 따른 열화 현상이 보고되며, 동일한 방식층을 가진 경년 OF 케이블에서도 방식층 열화에 의한 알루미늄피의 공식(孔食) · 누유 발생이 염려된다. 앞으로 이런 여러현상을 주시하면서 설비 관리를 할 필요가 있다.
⑵ CV 케이블의 보전 기술
현재 확인되고 있는 CV 케이블의 열화는 22~66㎸급이나 154㎸급 등에서 발생하는 수분 침투에 의한 절연성능의 저하다. 이는 방수기능이 없는 케이블에서 많이 발생하고 있으며, 지금까지 수분 침투를 대상으로 한 열화 진단 기술이 다양하게 검토되어 이미 손실전류 고조파 성분법이나 잔류전하법 등을 적용하기 시작했다. 이에 대해서는 정밀도 향상과 고기능화, 그리고 활선 측정이나 열화 위치의 특정 등이 가능한 진단법 개발이 요구된다. 현시점에서 수분 침투 이외의 열화 현상에 대해서는 아직 조짐은 없다. 일본의 전기학회 기술보고 제 668호에서 방수 기능이 있는 CV 케이블의 철거 조사를 실시했지만 전기 파괴 시험 전압치는 초기치와 거의 변화가 없는 결과가 나왔으며, 수분 침투가 없는 케이블의 수명은 30년을 크게 상회하는 수준까지 기대하는 것으로 보고 있다. 그럼에도 불구하고 언젠가는 열 열화 등에 의한 절연성능의 저하가 예상되기 때문에 이후 이러한 열화 메커니즘의 파악과 진단 기술의 개발이 요구된다.
⑶ CV 케이블용 접속부 진단
최근에는 접속부 시공 결함에 의한 절연파괴 사고가 상당히 줄었다. 이는 시공 품질을 향상시킨 접속부와 공법이 개발됐기 때문이다. 현시점에서 접속부의 초기 결함 검출은 초고압 선로의 준공 시 시험 등에서 실시하고 있는 부분방전(PD) 기술이 주를 이룬다. 한편, CV 선로도 경년 설비가 늘어 종단 접속부 프리몰드 절연체 표면의 석출물 발생과 케이블 수축, 도체 접속의 접촉 불량에 의한 국부 온도 상승, 실리콘 오일 내 가연성 가스 발생 등의 열화 현상도 여기저기서 보이고 있다. 따라서 트러블을 미연에 방지하기 위해 간이형 PD 측정과 적외선 카메라를 이용한 온도 진단, 유침종단의 실리콘 오일 내 가스분석 등의 열화 진단을 실시하고 있다. 이후 PD 측정은 노이즈 저감 기술, 박전극법의 무정전에서의 진단 기술 등의 개발이 더욱 요구된다. 또한 현재 프리패브 종단의 케이블 수축 영향, 석출물과 온도 변화에 의한 프리몰드 절연체 면압과 거동의 영향에 대해 조사가 이루어지고 있으며, 이런 지식이 장래 새로운 진단법 · 수명 평가 기술의 기초가 될 것으로 기대된다. 이에 대해서도 일본 전기학회의 ‘송전용 CV 케이블용 접속부의 기술 동향 조사 전문 위원회’에서 검토가 진행되고 있다.
마무리
일본의 전력 케이블 기술은 세계 최초로 500㎸ CV 케이블 선로를 실용화하고 CV 케이블의 열화 진단 기술의 도입을 꾀하는 등 세계 상위의 위치에 자리하고 있다. 앞으로는 경년 설비의 진단과 복구에 맞춰 신기술 개발에 박차를 가할 것으로 보인다.
OF 케이블(Oil Filled Cable) SHEATH 내부에 유통로를 두고 외부에 설치한 유조(Oil Tank)에서 상시 대기압 이상의 압력을 가하여 절연지에 절연유를 공급함으로써 높은 절연내력을 유지할 수 있게 한 케이블이다. 따라서 높은 전위경도에서도 절연체의 두께를 줄일 수 있어 XLPE 케이블에 비해 외경이 작은 반면 별도의 급유 설비를 필요로 한다.
POF 케이블(Pipe Type Oil Filled Cable) 세 가닥의 지절연 도체를 강관 내에 설치하고, 절연유로 충전하여 항상 고압을 유지하면서 운전하는 케이블을 말한다. 이 케이블 도체 위에 카본지(내부 반도전층)와 절연지를 감고 그 위에 폴리에틸렌씨스(외부 반도전층)를 입힌 후 연동 테이프 등으로 보강, 스키드와이어(Skid Wire)라고 부르는 반원형 금속선을 나선형으로 감아 케이블 강관 내에 인입할 때 마찰저항을 작게 한 구조로 되어 있다. 주로 북미, 구 소련 등에서 사용되고 있으며, 우리나라에서는 1970년대 154㎸용으로 일부 설치하여 운전 중에 있으나, 현재 신설선로에는 사용하지 않고 있다.
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