고온 초전도(이하 HTS) 케이블의 절연방식에는 두 가지가 제안되고 있다. 하나는 실온 절연(Warm Dielectrics : 이하 WD)방식이다. 이것은 진공단열관의 외관까지를 고전위부로 해서 단열관 외관의 외부에 XLPE에서의 전기절연층을 형성하는 것이다. 이 방식은 이미 확립된 XLPE 절연기술을 적용할 수 있는 이점이 있다. 그러나 HTS 선재에서의 실드(Shield)층을 형성할 수가 없기 때문에 도체전류의 누설자계에 의해 교류 손실이 증가한다. 때문에 HTS 케이블 저손실이라고 하는 본래의 특징을 살릴 수 없는 가능성이 있다. 또 다른 절연방식인 저온 절연(Cold Dielectrics : 이하 CD)방식은 고전위의 도체 주위에 테이프 상반(狀半)합성지(폴리프로필렌(Polypropylene) 래미네이트(Laminate)지 : 이하 PP 래미네이트지)를 약 1㎜의 틈새(통상 배트갭이라고 한다)를 만들어 적층해 단열관에 수납하고 액체질소(LN₂)를 침지(浸漬)함으로써 전기절연층을 형성하는 방식이다. 이 방식의 구조는 OF 케이블의 전기절연층과 유사하기 때문에 OF 케이블에서 얻은 기술이나 OF 케이블의 제조 라인 등을 적용할 수 있다. 이 방식을 이용함으로써 전기절연층을 포함해 고전위부 및 저전위부를 LN₂에 침지하기 위해 전기절연층 바깥쪽에 HTS 선재에서의 실드층을 형성할 수 있으며, HTS 케이블의 임피던스를 저감할 수 있는 동시에 HTS 케이블 외부로의 전자계 누설을 최대한 저감할 수 있다. 또한 WD 방식과 비교하면 HTS 케이블의 가장 바깥지름을 소형화하는 것도 가능하다. 이 때문에 내외에서 개발이 진행되고 있는 HTS 케이블의 전기절연층은 CD방식이 주류를 이뤘다. 그러나 CD 방식의 전기절연설계 기술 방법은 충분히 확립되어 있지 않다. CD 방식의 전기절연층에 존재하는 약 1㎜의 배트갭에는 LN₂가 채워져 있지 않다. 이 때문에 비유전율
의 다른 PP 래미네이트지(
=약 2.2)와 LN₂(
=약 1.4)에 의해 배트갭 안의 LN₂에 국소적으로 전계가 집중해 부분방전(PD) 발생 기점이 되는 것이 상정된다. PD는 PP 래미네이트지를 침식해 전기적 열화의 주요인이 되기 때문에 절연성능의 장기 신뢰성 관점에서 PD를 발생시키지 않도록 절연 설계하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 CD 방식에 대한 교류 설계 전계를 PD 프리라고 하는 개념을 도입해 PD 개시 전계, 뇌임펄스 파괴 전계 등의 전기 특성을 취득, 이 전기 특성을 바탕으로 현재 사용되고 있는 XLPE 케이블의 고전압 시험법, 절연후(絶緣厚) 결정법을 참고해 CD 방식의 절연 설계 방법을 구축하기로 했다. 게다가 이 설계 방법을 일본의 경제산업성 산업기술환경국 프로젝트 ‘50m 길이 77㎸ 1,000A급 고온 초전도 케이블 개발’에 적용해 필드 시험을 통해 설계 방법의 타당성을 실증하는 것을 목적으로 했다. 본고에서는 이상의 연구에서 얻은 CD 방식의 각종 전기 특성, 절연 설계 방법과 그 실증 결과를 정리했다.
CD 방식의 전기 특성
1. CD 방식 동축 모델과 실험장치 HTS 케이블의 전기절연 구조와 동일한 CD 방식 동축 모델(이하 CD 모델)의 구조를 <그림 1>과 <표 1>에 나타냈다. CD 모델은 바깥지름 Ø20㎜의 동봉을 고전압 도체로 해 그 위에 반도전성 카본(Carbon)지를 두 겹 말고(내도(內導)), 공칭 두께 125㎛의 PP 래미네이트지로 전기절연층을 구성한 뒤 반도전성 카본지를 두 겹 말아(외도(外導)) 접지전극으로서 동평편선(銅平編線)을 감아둔다. 반전도성 카본지 및 PP 래미네이트지는 1/3 랩의 갭 띠(틈새 폭 : 약 1㎜)로 감아둔다. 이 단면 구조를 가진 유효길이 120㎜의 짧은 시료 및 유효길이 1,000㎜의 긴 시료를 작성했다. 짧은 시료에는 스트레스콘 타입의, 긴 시료에는 벨마우스 타입의 전계완화부를 CD 모델의 양 끝에 각각 설치해 PD 발생을 제어한다.
CD 모델을 <그림 2>에 나타난 실험계의 크라이오스터드 내부에 설치해 과전 시험을 했다. 크라이오스터드는 바깥쪽부터 진공단열층, LN₂실드조(외조(外槽)), 샘플조(내조(內槽))의 3층 구조로 되어 있으며, 외조에 대기압 LN₂를 충전해 내조의 LN₂온도를 77K로 일정하게 유지하도록 했다. 이 때문에 내조의 LN₂를 가스질소(GN₂)로 가압해 내조의 LN₂는 서브쿨 상태에 제어할 수 있다. 또한 실제 HTS 케이블을 포설할 때를 상정해 샘플 설치 후 샘플조를 진공 탈기(脫氣)하지 않고 샘플을 특단 건조시키는 일 없이 시험에 이용한다.
2. PD 개시 전계 <그림 2>에 나타난 것처럼 CD 모델에는 크라이오스터드에 설치된 부싱(150㎸로 PD 프리)을 사이에 두고 50㎐ 교류 고전압을 인가했다. CD 모델에서 발생한 PD는 커플링 콘덴서 · 접지 사이에 접속한 동조식 PD 측정 시스템(동조주파수 : 400㎑)으로 측정하고, PD 개시 전압(이하 PDIV)을 얻었다. 한편 인가전압은 1㎸rms/sec으로 전압이 상승했다. 또한 각 측정조건에서 여러 번 측정한 PDIV는 1~2㎸rms 정도의 불규칙성이 보여 그 평균치를 PDIV로 한다. PD 검출 감도는 3pC 이하였다. 여기서 절연층 비유전율이 일정하다고 가정하고 PDIV에서의 내도직상(內導直上)의 전계 강도, 즉 절연층 가장 안쪽 층 내부의 전계 강도(최대 전계 Emax)를 PD개시 전계(PDIE)로 산출했다. LN₂압력 P=0.3MPa에서의 공칭 절연후 2㎜(절연지 16겹)의 짧은 시료 및 긴 시료의 PDIE를 나타낸 것이 <그림 3>이다. 이 그림을 통해 PDIE는 시료 유효길이에 의존하지 않고 거의 일정한 수치임을 알 수 있다. 여기서 반합성지 적층 절연층에서는 통계적 전계 체적에서 PD 개시 전계를 통일되게 평가 가능한 것으로부터 적층 절연층에서의 PD 개시에 대해서는 체적 효과가 지배적이라고 볼 수 있다. 따라서 그림에 나타난 결과는 유효길이 120㎜의 짧은 종이 샘플에서 이미 PD 개시에 대한 체적효과가 포화된 것으로 보인다. 이에 따라 짧은 시료에서의 PDIE와 긴 시료에서의 PDIE와의 통일된 평가가 가능할 것으로 여겨진다.
<그림 4>는 여러 절연후의 시료에 대한 PDIE의 LN₂압력 의존성을 나타낸 것이다. 그림을 보면 LN₂의 가압에 따라 PDIE는 상승한다. 이것은 PD의 트리거(Trigger)가 되는 미소(微小)기포 등의 형성이 가압 · 서브쿨에 의해 제어되며, 미소 PD에 의해 형성된 미소기포 등의 팽창이 제어되기 때문으로 보인다. 또한 그림에서 HTS 케이블이 운전할 때 LN₂의 최저 압력으로 상정되는 P=0.3MPa에서의 절연후 6㎜ CD 모델의 PDIE는 약 18㎸rms/㎜이다. 한편 절연후의 증대에 따라 PDIE는 아주 조금 감소했다.
3. 뇌 임펄스 절연파괴 강도 뇌 임펄스 전압의 절연파괴 강도는 <그림 2>의 ⒜에 나타난 실험계에서 고전압 시험 변압기를 표준파형(파두장 0.5~5㎲, 파미장 50㎲±20%)의 뇌임펄스 발생장치로 바꿔 측정했다. CD 모델의 절연후는 1㎜와 2㎜ 두 종류로 했다. 인가 조건은 절연후 1㎜의 경우 80㎸/3회 인가에서 시험 개시→4㎸/3회 스텝에서 승압, 2㎜의 경우에는 160㎸/3회 인가에서 시험 개시→4㎸/3회 스텝에서 절연파괴에 이를 때까지 승압했다.
측정 결과를 LN₂압력 의존성으로 정리하면 <그림 5>가 되며, 절연후 의존성으로 정리하면 <그림 6>과 같다. <그림 5>에서 알 수 있듯이 PDIE와 마찬가지로 LN₂의 압력 증가와 함께 파괴 강도는 조금 상승한다. 또한 절연파괴 강도의 극성 차이는 거의 판단할 수 없지만 정극성이 약간 낮은 것으로 볼 수 있다. <그림 6>을 보면 절연후 1㎜와 2㎜에 서는 파괴 강도의 두께 효과는 명확하게는 나타나 있지 않다. 또한 절연후 2㎜의 CD 모델(시료 수 n=2)을 이용해 뇌 임펄스 전압의 V-N 시험을 실시했다. 시험조건은 정극 91.2㎸/㎜(뒤에 논할 뇌 임펄스 설계 전계 88㎸/㎜ 이상)×2,000회, 인가 간격 1분으로 했다. 그 결과 절연파괴는 발생하지 않았으며, 2,000회 인가 완료 후에 잔존 뇌 임펄스 파괴시험을 실시한 결과 절연파괴 전계는 143.6㎸/㎜, 136.5㎸/㎜로 초기값과 같은 수준이며, 열화의 징조는 없었다.
4. 뇌 임펄스 중첩 교류전압 인가 시 PD 특성 상규 전압 운전 시 뇌 임펄스 전압이 HTS 케이블에 침입한 경우 임펄스 전압이 트리거가 된 PD를 유발해 상규 전압에 의한 PD가 계속될 가능성이 고려된다. 그러나 임펄스 중첩 교류전압이 HTS 케이블에 인가된 경우의 PD 특성에 관해서는 전혀 파악된 것이 없다.
그래서 <그림 2>의 실험계에서 교류 고전압 변압기의 대체 고전압원으로서 뇌 임펄스 전압 발생장치, 교류 고전압 변압기와 방전갭을 인가한 구성의 고전압원을 사용해 뇌 임펄스 중첩 교류전압의 PD특성을 측정했다. CD 모델의 절연후는 1㎜로 했다. 뇌 임펄스 전압은 정극성으로 하고, 80㎸/3회 인가에서 시험 개시→약 9㎸/3회 스텝에서 승압했다. 뇌 임펄스 전압의 중첩 간격은 약 5분으로 하고, PD에 의해 기포가 형성되어도 충분히 압축 · 액화되도록 했다. PD 신호는 CD 모델의 접지선에 PD 검출 임피던스를 삽입해 측정했다. 얻은 신호를 동조주파수 400㎑의 동조식 PD 측정 시스템 및 디지털 오실로스코프(Oscilloscope)(아날로그 밴드 폭 1㎓, 최고 샘플링 속도 10GS/s, 최대 레코드 길이 32M 포인트)로 기록했다. 한편 뇌 임펄스 전압의 중첩 간격 약 5분 동안 PD 측정은 계속해서 실시했다. 측정 결과의 일례를 <그림 7>에 나타냈다. 이 그림은 인가 교류전압 Va=17㎸rms(Emax=18㎸ rms/㎜), 임펄스 전압 112.5㎸(Emax=120㎸/㎜), LN₂압력 P=0.3MPa에서의 측정 결과이다. 이 인가 교류전압 조건은 본고가 제안하는 교류 설계 전계 부근이며, LN₂압력 조건은 설계 전계를 고려할 때의 LN₂압력, 즉 HTS 케이블의 최저 운전 압력으로서 제창하고 있는 압력 수치이다. <그림 7>을 살펴보면 PD는 임펄스 전압 인가 후 약 1.8초에 종식함을 알 수 있다. 또한 PD는 인가전압 정극성 및 부극성의 최고 수치 부근과 인가전압 제로 크로스 부근에 발생한다. 후자는 보이드 방전 패턴에 대응하며, 배트갭 안 및 절연지 적층 사이의 LN₂의 기화에 의한 보이드 안에서 PD가 발생하는 것으로 생각된다. 같은 측정을 다른 임펄스 전압을 인가해 실시했다. 이 때 임펄스 전압을 인가한 경우 CD 모델에는 (임펄스 전압의 파고치)-(인가 교류전압 순간치)의 과전압 스트레스가 인가된다. 그래서 실험에서 얻은 임펄스 전압 파고치, 임펄스 전압 인가 시 인가교류전압 순간치보다 CD 모델에 인가된 과전압 스트레스 파고치를 구해 이것과 PD 지속시간의 상관성을 검토했다. 그 결과는 <그림 8>과 같다. 그림에서 과전압 스트레스의 증대와 함께 PD 지속시간도 증대함을 알 수 있다. 또한 과전압 스트레스 파고치와 임펄스 인가 후반 사이클 이후에 발생하는 PD의 최대 방전 전하량의 상관성을 <그림 9>에 나타냈다. 여기서는 과전압 스트레스의 증대와 함께 발생하는 PD의 최대 방전 전하량도 증대함을 알 수 있다. 이런 결과는 보다 큰 과전압 스트레스에 의해 보다 큰 PD가 발생하고, 이로써 배트갭 안의 LN₂가 더욱 많이 기화해 더욱 큰 보이드가 형성됐기 때문으로 보인다. 그 후 형성된 보이드는 주위의 LN₂에 의해 냉각 · 액화되어 최종적으로 소멸된다. 큰 보이드일수록 소멸하는 데 걸리는 시간이 길다. 이 때문에 과전압 스트레스가 클수록 PD 지속시간이 길어지는 것으로 생각할 수 있다. 여기서 <그림 8>, <그림 9>와 함께 인가 스트레스 레벨이 절연파괴 스트레스 최근 데이터까지 포함하고 있다. 이로써 뇌 임펄스 전압에서의 절연파괴 부근에서도 PD가 계속되는 일 없이 몇 초 이하라는 단시간에 소멸한다고 할 수 있다.
따라서 상규 전압 운전 시에 뇌 임펄스 전압이 HTS 케이블에 침입한 경우 뇌 임펄스 전압이 트리거가 되어 PD를 유발하지만, 상규 전압에 의해 PD가 계속될 가능성은 거의 없는 것으로 판단된다.
77㎸ HTS 케이블의 절연 설계
1. 절연 설계의 기본 사고 절연 설계는 케이블에 요구되는 내전압치에 견딜 수 있는 절연 두께를 결정하는 일이다. 현재 일본에서 사용되고 있는 전력 케이블(OF, XLPE)의 시험전력은 JEC-3401 ‘OF 케이블의 고전압 시험법’ 및 JEC-3408 ‘특별전압(11㎸~275㎸) 가교 폴리에틸렌 케이블 및 접속부 고전압 시험법’에 상세하게 나와 있다. OF 케이블의 각 시험 전압치는 과거경험을 바탕으로 검토되며, 그 근거가 불명확한 부분이 몇 개 존재한다. 그것과 비교해 XLPE 케이블의 각 시험 전압치는 그 근거가 명확히 되어 있는 것부터 여기서는 JEC-3408을 기초로 검토했다. 또한 절연 설계의 대상이 된 케이블은 ‘500m 길이 77㎸ 1,000A급 HTS 케이블’이다.
2. 내전압 시험치 JEC-3408에서는 시험을 개발 시험, 형식 시험, 수입 시험 이렇게 세 종류로 구분하고 있다. 이번 77㎸ HTS 케이블은 개발 단계이기 때문에 개발 시험으로 규정된 장기 과통전 시험, 뇌 임펄스 내전압시험, 상용주파 내전압 시험의 각 시험 전압에 대해 검토 · 정리한다.
⑴ 장기 과통전 시험
이 시험은 개발품이 소정의 상용주파 전압에 대한 수명을 지니는 것을 검증한다. 시험 전압치 Vac는 V-t 특성의 n 승칙을 이용해 케이블 최고 전압과 사용 연수 및 시험 기간으로 부터 ⑴의 식과 같이 산출한다.
여기서 CD 모델의 PDIV에 대한 10³초 정도에 걸친 V-t 특성의 측정 결과에 의해 n은 100 전후가 되는 사실이 보고되고 있다. 그러나 1개월 이상에 걸친 PDIV에 대한 장시간 V-t 특성의 데이터가 부족하기 때문에 n값으로 절연파괴에 대한 V-t 특성에서 얻은 n=49를 선택하기로 한다. 절연파괴에 대한 V-t 특성은 PD 발생 아래에서 측정됨에 따라 PD 발생에 대한 V-t 특성은 절연파괴에 대한 것보다 차분해진다(n값은 커짐)고 판단된다. 따라서 HTS 케이블의 n값으로 절연파괴의 49를 선택한 것은 안전하다고 보인다. 또한 시험기간은 JEC-3408에서는 0.5년 이상으로 정해져 있지만, 뒤에 논할 77㎸ HTS 케이블의 장기 과통전 시험 기간을 30일로 예정하고 있다. 그래서 0.5년 및 30일의 시험 전압치 Vac를 ⑴의 식으로 산출하면 0.5년의 경우는 53㎸rms, 30일의 경우는 55㎸rms가 된다.
⑵ 뇌 임펄스 내전압 시험
뇌임펄스 내전압 시험은 개발품이 앞에서 논한 장기 과통전 시험을 종료하고 공시품이 사용 연수에 이르러서도 계통에 발생하는 뇌 임펄스 과전압에 견디는 것을 확인하기 위해 행한다. 시험 전압치 Vimp는 ⑵의 식을 통해 440㎸로 산출한다.
⑶ 상용주파 내전압 시험
상용주파 내전압 시험은 개발품이 앞에서 논한 장기 과통전 시험을 종료하고 공시품이 사용 연수에 이르러서도 계통에 발생하는 상용주파 과전압에 견디는 것을 확인하기 위해 행한다. 시험 전압치는 계통상에 발생하는 과전압을 고려해 ⑶의 식과 같이 산출한다.
<표 2>에 ⑶의 식에 의한 77㎸ HTS 케이블의 시험 전압치의 계산 조건과 결과를 나타냈다. 여기서 HTS 케이블 선로에서의 교류 과전압에 대한 특성(k₁, k₂, k₂′, k₃)을 아직 모르기 때문에 이번에는 잠정적으로 ‘EMTP 계산에 의한 XLPE 케이블의 수치’를 택하고 있다. 따라서 <표 2>에 나타낸 시험 전압치는 현시점에서는 참고사항이다.
3. 설계 전계
⑴교류설계전계 Eac
77㎸ HTS 케이블의 최저 설계 LN₂압력은 P=0.3MPa로 한다. 따라서 이 압력 아래로 운전할 경우에 상당하는 교류전압 인가 시 CD 방식의 최대 전기적 열화 요인인 PD를 발생시키지 않는 설계로 한다. <그림 4>와 같이 LN₂압력 P=0.3MPa에서의 절연후 6㎜ 시료에 대한 PDIE는 18㎸rms/㎜이다. 이 PDIE는 3회 이상의 PDIV 측정에서 불규칙하게 나타난 1~2㎸ 정도의 평균치를 이용해 절연층의 비유전율 분포를 고려한 내도직상 전계에 계산한 결과이다. 1~2㎸ 정도의 PDIV의 불규칙성은 PP 래미네이트지와 LN₂의 비유전율 차를 고려한 내도직상 전계의 최대치와 최소치 사이의 15% 정도 격차가 있으므로, 이 불규칙성을 고려해 교류 설계 전계 Eac는 15㎸rms/㎜를 채용하기로 했다.
⑵ 뇌 임펄스 설계 전압 Eimp
<그림 5>에 나타낸 LN₂압력 P=0.3MPa에서의 정부(正負)극성 뇌 임펄스 절연파괴 전계 데이터 와이블(Weibull) 플롯을 <그림 10>에 나타냈다. 여기서 XLPE 케이블 등에 대해서는 절연파괴 전계 와이블 분포의 위치 파라미터이며, 최저 절연파괴 강도인 EL에 근거한 설계 전계가 통상 이용된다. 그러나 <그림 10>에서 보듯이 이번에 얻은 뇌 임펄스 절연파괴 데이터 수가 충분하지 않으므로 EL에 근거한 설계 전계 산출은 높은 정확도를 얻기 어려울 것으로 판단된다. 따라서 이번에는 ‘뇌 임펄스 파괴 전계 평균치 -3σ’로 뇌 임펄스 파괴 전계치를 산출하기로 했다. 그 결과 정극성 뇌 임펄스는 88.6㎸/㎜, 부극성 뇌 임펄스는 113.2㎸/㎜였다. 뇌 임펄스 설계 전계 Eimp는 88㎸/㎜를 채용하기로 했다.
4. 77㎸ HTS 케이블의 설계 절연후 앞의 2절과 3절에서 구한 77㎸ HTS 케이블의 시험 전압치와 설계 전계를 이용한 절연후 결정의 흐름을 <그림 11>에 나타냈다. 이것은 XLPE 케이블에 적용된 절연후 결정의 흐름을 참고했다. <그림 11> 중 이중 테두리로 나타낸 부분이 본고에서 검토한 설계 파라미터이다. 절연후 t는 최대 전계(Emax)에 의한 계산으로 ⑷의 식으로 산출했다.
⑷의 식에 따른 산출 결과를 <표 3>에 나타냈다. 이 표에서 77㎸ HTS 케이블의 설계 절연후는 6㎜로 구한다.
500m 길이 77㎸ 1,000A급 HTS 케이블에 의한 실증
500m 길이 77㎸ 1,000A급 HTS 케이블의 필드 시험은 냉각관의 압력 손실 특성, 쿨다운 시의 거동, 유체 거동, 초전도 케이블의 열수축 문제, 초전도 특성, 전기절연, 열절연 등 실용화를 위한 각 기술 과제 해명을 목적으로, (재)일본전력중앙연구소 요코스카(橫須賀) 지구에서 이루어졌다. 여기서는 전기절연 시험에 관한 결과를 정리한다.
1. HTS 케이블의 구조 필드 시험에 공시한 500m 길이 77㎸ 1,000A급 HTS 케이블의 개략 구조를 <표 4>에, 외관 사진을 <그림 12>에 나타냈다. 앞에서 77㎸ HTS 케이블의 설계 절연후는 6㎜로 했지만, 바깥쪽에 예가 없는 500m 길이의 HTS 케이블에 의한 열기계 응력에 대한 전기 절연후의 특 성이 미지인 점 등 불확정 요소가 현안이다. 이 때문에 이번 시험에 공시한 케이블의 절연후는 8㎜로 했다. 단, 다음의 절연 성능 평가 시험에서는 현재 상황에서의 설계 전계의 타당성을 확인하기 위해 케이블 절연후를 6㎜로 한 경우의 최대 전계와 같은 값이 되도록 시험 전압으로 30년 상당의 평가 시험을 하기로 했다.
2. 절연 성능 평가 시험 절연 성능 평가 시험 항목과 시험 결과를 <표 5>에 나타냈다. 이 표에는 500m 길이 77㎸ 1,000A급 HTS 케이블의 동일 로트에서 얻은 20m 길이의 짧은 시료의 공장 시험 결과도 함께 표기했다. <표5>에서교류시험전압치의평가는다음과같다. ① 95㎸rms : 교류 설계 전계 15㎸rms/㎜에서 부분방전이 발생하지 않는 것을 검증 ② 80㎸rms : 30년 상당의 수명을 시험 시간 1시간으로 검증 ③ 70㎸rms : 30년 상당의 수명을 시험 기간 30일로 검증 ④ 150㎸rms : 시험용 종단의 내전압 보증치 150㎸부터 설정
덧붙여 ② 및 ③의 시험 전압은 V-t 특성에 근거한 30년 상당 시험이 되는 전압 V30을 각각의 시험시간으로부터 ⑴의 식에서 산출해서 절연후 6㎜와 등가의 최대 전압이 되도록 V30에 ⑸의 식의 값(1.273)을 곱해 시험 전압을 도출해 낸 것이다.
PD 측정은 공장 시험에서는, 커플링 콘덴서를 사이에 두고(노이즈 레벨 70pC), 필드 시험에서는 단말부에 설치한 박전극을 사이에 두고(노이즈 레벨 250pC) 동조법에 의한 부분방전 측정을 했다. 한편 필드 시험의 각 내전압 시험에서는 모두 상시 측정을 했다. 또한 시험 중의 LN₂유동 조건은, 공장 시험에서는 LN₂온도 77K, LN₂압력 P=0.3MPa로 하고, 필드 시험에서는 평균 LN₂온도 73K, LN₂유량 30ℓ/min, LN₂압력 P=0.3MPa로 했다. <표 5>에서 알 수 있듯이 공장에서의 상용주파 내전압, 뇌 임펄스 내전압 두 시험 모두 양호하며, 이후 실시한 PD 시험에서는 노이즈 레벨 이상의 PD 신호는 검출되지 않았다. 또한 필드 시험에서는 30일 동안 30년 상당의 수명 평가 시험인 장기 과통전 시험과 그 이후에 실시한 최고 인가전압 150㎸의 과전압 내력 시험 두 시험도 노이즈 레벨 이상의 PD 신호는 검출되지 않았다. 이와 관련해 150㎸ 인 가전압은 필드 시험 케이블에서는 23.1㎸/㎜의 최대 전계가 되며, CD 모델의 LN₂온도 77K, LN₂압력 P=0.3MPa에서의 PDIE의 18㎸/㎜을 30% 조금 웃도는 수치이다. 이처럼 과전압에서도 PD 신호가 검출되지 않은 요인은 필드 시험에서는 평균 LN₂온도가 73K(최고 온도 74K)이기 때문에 LN₂ 온도의 효과 및 보다 강한 서브쿨 상태를 시사한다. 이상 공장 및 필드에서의 일련의 절연 성능 평가시험에서 77㎸ 1,000A급 HTS 케이블은 양호한 특성을 나타내기 때문에 본고에서 구축한 CD 방식의 절연 설계 방법의 타당성을 실증할 수 있었던 것으로 판단된다.
마무리
본고에서는 CD 방식에 관해 교류 설계 전계를 PD 프리의 개념을 도입하고 PDIE, 뇌 임펄스 파괴전계 등의 전기 특성을 얻어 그 전기 특성을 바탕으로 한 CD 방식의 절연 설계 방법을 구축했다. 또한 그 설계 방법을 ‘500m 길이 77㎸ 1,000A급 HTS케이블’에 적용해 필드 시험을 통해 설계 방법의 타당성을 실증했다. (1) 유효길이 120㎜의 CD 모델에서의 PDIE와 유효길이 1,000㎜의 CD 모델에서의 PDIE는 거의 동일한 값이었다. 이에 따라 유효길이 120㎜에서 PD개시에 끼치는 체적 효과는 포화한 것으로 보인다. (2) 절연후 2㎜의 CD 모델을 이용, LN₂압력 P=0.3MPa에서 정극 91.2㎸/㎜×2,000회의 뇌임펄스 전압의 V-N 시험 후 잔존 뇌 임펄스 파괴시험을 실시한 결과, 파괴치는 약 140㎸/㎜로 초기치와 동등한 레벨로 열화 조짐은 확인되지 않았다. (3) 절연후 1㎜의 CD 모델을 이용, 교류 최대 전계 18㎸rms/㎜, 중첩 뇌 임펄스 전압은 절연파괴(약 140㎸/㎜)까지로 해 LN₂압력 P=0.3MPa에서 PD 특성을 측정한 결과, 절연파괴 근방에서도 PD가 계속되는 일 없이 몇 초 이하의 단시간에 소멸했다. 따라서 상규 전압 운전 시에 뇌 임펄스 전압이 HTS 케이블에 침입한 경우, 뇌 임펄스 전압이 트리거가 되어 PD를 유발하지만, 상규 전압에 따라 PD가 계속되는 가능성은 거의 없는 것으로 여겨진다. (4) 절연후 6㎜의 CD 모델의 PDIE는 LN₂압력 P=0.3MPa에서 18㎸rms/㎜로, 측정의 불규칙성을 고려해도 PD 프리라고 하는 교류 설계 전압 Eac는 15㎸rms/㎜가 채용 가능하다. 또한 뇌 임펄스 절연파괴 강도도 고려한 CD 방식의 절연 설계 방법을 구축해 77㎸ HTS 케이블의 절연후 설계를 한 결과 6㎜가 됐다. (5) 공장 및 필드에서의 일련의 절연 성능 평가 시험에서 77㎸ 1,000A급 HTS 케이블은 양호한 특성을 나타냈기 때문에 본고에서 구축한 CD 방식의 절연 설계 방법의 타당성을 검증할 수 있었다. 한편 본 연구는 일본 경제산업성 산업기술환경국의 프로젝트 ‘교류 초전도 전력기기 기반기술 연구개발’의 일환으로 신에너지 · 산업기술 종합 개발 기구(NEDO)로부터 위탁받아 실시한 것이다.
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