산업의 급속한 발전과 도시의 인구 집중으로 전력 수요가 매년 급증함에 따라 송 · 배전은 대용량화하는 추세다. 한편, 대용량 가공선 설비는 인구, 건물, 산업시설이 밀집한 지역에서 경과지 확보, 미관성, 환경성 등의 문제에 직면했다. 초기 투자비가 크고, 사고 발생 시 보수의 어려움으로 고장 지속 시간이 길다는 단점에도 초고압 케이블의 지중화가 지속적으로 이뤄져 온 이유다. 초고압 케이블은 한전의 대용량 송전망 구성과 제철소 · 반도체 공장 등 대용량 수용가의 송전 선로 구성에 사용한다. 외부 노출을 최소화하기에 친환경적이며 선로 보안 문제까지 해결한다.
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우리나라는 한전이 1971년 154㎸급 지절연紙絶緣유입 케이블을 최초로 상용화했다. 1990년대 154㎸급 가교 폴리에틸렌 절연 케이블을 지중선로에 사용하기 시작했으며, 2000년대부터 345㎸가교 폴리에틸렌 절연 케이블을 설치해 운용 중이다. 국내외에서 현재 널리 사용하는 초고압 지중 송전 케이블의 구조와 특징을 살펴보고자 한다.
지절연 유입 케이블 지절연 유입(Oil Filled, 이하 OF) 케이블은 1917년 이탈리아 피렐리Pirelli 사社에마뉴에리Emanueli가 발명한 후 오늘날까지 사용한다. 신뢰성과 경제성이 우수한 대용량 초고압 지중 송전 케이블이다. 현재 66㎸에서 500㎸에 이르기까지 대용량 송전에 사용하며, 최고 사용 전압은 1000㎸정도에 이른다. OF 케이블은 내부에 유통로를 설치해 저점도 절연유를 탈기脫氣 · 탈습脫濕상태의 지절연 케이블에 충진하고, 외부에서 연결한 별도 압력 유조(Oil Pressure Tank)에 의해 대기압 이상의 내부 압력을 유지한 것이다. 온도 변화에 따른 절연유의 열팽창과 수축을 흡수해 지절연 내부 공극(Air Gap)을 억제하고, 케이블 열화(Electrical Aging)를 방지하는 구조로 주요 장점은 다음과 같다. - 절연유를 충진했기에 절연체의 전기적 열화 발생 우려가 적다. - 절연체의 허용 온도는 85도로, 지절연 솔리드Solid 케이블에 비해 높다. - 높은 전계에 견디므로 절연 두께를 얇게 만든다. - 유압과 유량 감시로 케이블의 이상유무를 감지한다. 우리나라 케이블 제조사는 345㎸급 내수와 400㎸급 수출 실적이 있으며, 500㎸급과 700㎸급까지 제조할 수 있는 기술력을 보유한다.
가교 폴리에틸렌 절연 케이블 가교 폴리에틸렌(Cross-linked Polyethylene, 이하 XLPE) 절연 케이블은 폴리에틸렌을 높은 온도와 압력에서 가교시켜 폴리에틸렌의 결점인 내열성을 대폭 개선한 것으로, 국내외에서 초고압 지중 송전 케이블로 가장 널리 사용한다. 현재 우리나라에서 22.9㎸에서 345㎸까지 넓은 전압 범위에서 사용하며, 해외에서 500㎸급까지 사용한다. 주요 장점 은 다음과 같다.
- 다른 절연 재료에 비해 절연 내력 및 체적 저항이 우수하다. - 유전 손실률과 유전율이 낮아 송전 손실이 작다. - 연속운전온도가90℃로대용량송전이가능하다. - 물리적, 기계적 특성이 우수해 제조와 설치가 용이하다. - 절연유를 사용하지 않기에 유지보수가 간편하고 친환경적이다. 우리나라 케이블 제조사는 현재 400㎸급과 500㎸급 해외 납품 실적을 보유한다. 국내에서 주로 154㎸과 345㎸ 지중 송전 선로에 사용한다.
케이블 구조 초고압 지중 케이블은 전기가 흐르는 통로인 '도체', 높은 전압을 인가한 도체를 외부와 절연시키는 '절연체', 도체와 절연체 사이에서 전계를 균등하게 분포시키는 '내부 반도전층',절연체 외층에서 전계를 완화하고 절연체를 보호하는 '외부반도전층', 절연체를 외부 환경의 기계적 스트레스와 수분침투 등으로부터 보호하는 '금속 시스층'과 금속 시스층의 부식 등을 방지하는 '방식층'으로 이뤄진다.
도체 | 초고압 케이블에 사용하는 도체 재질은 고순도 동(Copper)이나 알루미늄이다. OF 케이블에 사용하는 도체는 절연유의 원활한 흐름을 위해 중앙에 유통로를 구성하며, 유통로의 형상 유지를 위해 나선형 아연 도금 강대를 사용한다. 큰 규격(1000~2500sq㎜)의 도체는 미리 부채꼴로 성형한 분할 도체를 4∼6개 연합해 구성하며, XLPE 케이블은 중앙의 유통로가 없는 구조이거나 도체 외경의 감소와 진원도 향상을 위해 작은 규격(25~150sq㎜)의 연합 도체를 중심부에 삽입하기도 한다.
초고압 케이블 도체는 저항과 단면적을 규격화해 사용하며, 규격 만족 여부는 직류 저항을 측정해 판단한다. 다만, 송전 계통의 대용량화 추세에 따라서 도체 규격이 점점 대형화해 실제 사용하는 교류 환경에서 표피 효과에 의한 도체의 교류 저항 증가로 문제가 발생한다. 대도체 표피 효과에 의한 교류 저항의 증가를 줄이고자 분할한 도체를 집합하고, 각각의 분할 도체 사이에 절연을 유지하는 분할 도체(Milliken conductor)를 널리 사용했다. 최근 도체를 구성하는 각각의 소선을 절연하는 소선 절연 도체를 사용하기도 한다. 소선 절연 방법으로 에나멜코팅 방식과 산화 피막 형성 방식을 사용한다. 소선 절연 2500sq㎜ 도체의 교류 저항은 일반 도체 대비25~30% 줄어드는 효과가 있음을 실측 결과로 확인했다.
내부 반도전층 | OF 케이블은 도체 위에 여러 장의 카본지나 금속화지를 단독 또는 조합해 구성함으로써 도체 표면의 전계를 완화시킨다. XLPE 케이블은 XLPE와 동시 압출해 형성한 반도전층을 구성한다. 이러한 반도전층은 초고압 케이블이 이상적인 동심 원통형 전극 형태를 유지하게 함으로써 절연내력을 향상시키는 수단으로 다음과 같은 효과가 있다. - 도체와 절연체 경계면을 평활하게 해 전계 집중을 완화한다. - 도체와 절연체를 밀착시켜 공극에서 발생하는 코로나 방전을 막는다. - 도체와 절연체 사이 전자 주입과 전자 흐름을 방지한다.
절연체 | OF 케이블은 크라프트(Kraft Paper ; 저밀도 탈이온수세지) 또는 반합성지(Poly Propylene Laminated Paper)를 겹겹이 감아 전압 레벨에 적합한 두께를 갖도록 구성하고, 절연유를 함침해 절연 성능을 갖도록 한다. XLPE 케이블은 내부 반도전층과 외부 반도전층을 XLPE 절연과 삼중 동시압출해 구성한다. XLPE 케이블 절연체 구성은 전압과 시간의 함수로 표현되는 파괴 확률 등을 고려해 두께를 산정 적용한다. XLPE 절연체의 절연 성능은 내부 보이드Void, 이물, 돌기 및 앰버 크기와 분포 수가 좌우한다. 초고압 케이블에 사용하는 절연 자재는 슈퍼 클린 컴파운드Super Clean Compound를 사용하며, 제조 과정에서 이물 혼입을 방지하기 위해 청정도유지에 각별히 주의한다. 대부분 절연 제조 공정에서 1000클래스Class의 청정도를 요구한다.
외부 반도전층 | 외부 반도전층은 전계 완화와 더불어 절연체를 보호하기 위한 것으로, 접속과 단말 처리 작업 시 외부 반도전층을 쉽게 제거하도록 22.9㎸급 이하 케이블에서 압출 외부 반도전층을 스트립 형으로 사용한다. 하지만 66㎸급 이상 초고압 케이블은 전계 스트레스가 매우 높기에 공극으로 방전이 발생하지 못하도록 절연층과 완벽하게 접착한 본딩형을 사용한다.
큐션층 | XLPE 케이블에 금속 시스를 할 경우, 금속 시스와 코어 간에 ▲금속 시스와 전기적 접촉 ▲케이블 코어의 열팽창 · 수축 흡수 ▲케이블 축 방향으로 구속(마찰력 유지) 등을 고려해 큐션층을 설계한다.
금속 시스 | 금속 시스는 케이블 절연체를 외부 환경으로부터 보호하며, 케이블 고장 시 발생하는 고장 전류 통로 역할을 한다. 이를 위해 금속 시스는 적절한 두께로 구성해야 하며, 금속 시스의 두께는 단락 용량(고장 시 허용 전류)에 의한 전기적 특성과 외력에 의한 기계적 특성을 동시에 만족하는 범위에서 결정한다. 금속 시스 재질은 초고압 케이블의 사용 환경에 따라 구분해 사용한다. 전기적 특성과 기계적 특성을 모두 수행하도록 알루미늄, 구리와 납으로 구성한 밀폐형 금속 시스, 전기적 특성은 구리선이 감당하고 수분 침입은 납이나 얇은 금속(Foil)이 감당하는 복합 구조 방식 등으로 구분한다.
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방식층 | 방식층은 기본적으로 폴리 염화 비닐(Polyvinyl Chloride, PVC)과 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)을 널리 사용한다. 케이블을 기중 또는 전력구에 포설할 경우 난연성이 우수한 PVC를 사용하며, 그 외에 내수성이 우수하고 기계적 강도가 우수한 PE를 사용한다.
초고압 케이블 제조 방법 초고압 케이블 제조는 케이블 중심에 위치하는 도체부터 절연체, 금속 시스, 방식층순으로 진행한다. 현재 널리 사용하는 XLPE 절연 케이블은 다음 공정에 따른다.
도체 | 초고압 케이블의 도체는 직경 8.0㎜의 황인동선로드Rod를 신선 공정을 거쳐 직경 1.6∼4.0㎜ 연동선을 만들어 사용한다. 미국의 사우스 와이어South Wire 사에서 개발한 포일과 벨트형 주조기를 사용한 SCR 방식으로 전기동과 스크랩 동을 연속 적으로 '용해→주조→압연→세척→코일권취'해 직경 8.0~25㎜의 로드를 제조한다. 주로 8.0㎜ 로드를 사용해 상온에서 여러 개의 다이스Dies를 통과시켜 신선한 연동선을 아닐링 처리한 후, 대형 연선기을 이용해 61∼126가닥을 꼬아 성형 압축한 도체를 사용한다. 1000sq㎜ 이상 도체는 연선기에서 압축 성형한 분할 도체를 4~6개 집합하는 집합 공정을 거쳐 원형을 갖는 도체를 형성한다.
내부 테이핑 | 도체는 원형을 유지하고 내부 반도전층의 침입을 방지하기 위해 반도전성 테이프를 구성한 다음 절연 공정에 투입한다.
절연 | 일반적으로 XLPE 절연 공정은 도체가 압출기의 크로스헤드Cross-head를 통과할 때 용융한 컴파운드를 피복한다. 절연 자재는 실린더 내 스크루Screw가 회전하며 열을 받아 용융하고, 실린더 벽면과 스크루 사이에 발생하는 전단력으로 원료를 고르게 혼합(Mixing)하는 동시에 크로스헤드 쪽으로 보낸다. XLPE 케이블은 내부 반도전층, 절연층, 외부 반도전층을 동시에 한 개의 크로스헤드를 이용해 압출하는 3중 동시 압출 방식을 채택해 반도전층과 절연층 사이를 완전히 밀착시켜 높은 전계 스트레스에 적합하도록 한다. 3중 동시 압출 절연 공정 시 반도전층과 절연층 사이 경계면에서 이물질 혼입을 막고, 내부 반도전층의 돌기도 억제하는 장점이 있다. 이러한 절연 공정은 압출기와 가류관을 수직으로 구성한 VCV(Vertical Continuous Vulcanization) 방식과 경사진 현수형 CCV(Catenary Continuous Vulcanization) 방식을 널리 사용한다. 유럽은 수평으로 구성한 MDCV 방식도 사용한다. 가류관을 수직으로 구성한 경우 절연체를 완전히 냉각하기 전까지 중력의 영향을 받지 않아 동심원형 유지에 유리해 절연체 두께가 상대적으로 두꺼운 초고압 케이블 제조에 주로 사용한다. 가류관과 냉각관의 길이를 증가시킬수록 생산성과 품질이 좋아지므로 대부분 VCV 절연 설비는 적게는 수십 미터에서 크게는 백 수십 미터 정도 높이를 갖는다. 가류관에서 가교를 위한 가열과 가압은 XLPE 절연체의 성능에 영향이 없고, 무해한 질소 가스를 사용하며 가열한 절연체 냉각은 물이나 질소 가스를 이용해 냉각관에서 이뤄진다. XLPE 절연을 완료한 케이블 코어는 가교 시 사용하고 남은 부산물이 발생하며, 이 부산물은 메탄가스를 포함하기에 금속 시스 공정에 투입하기 전 제거한다. 건조 방법은 케이블 코어를 건조실에 넣어 규정온도(약70~80℃)에서일정시간유지하는것이다.
금속 시스 | 알루미늄 시스는 슈레이만 사의 수평형 압출기와 히드록 사의 수직형 압출기 등을 이용하는 압출 방식과 프리 포밍한 테이프 형태의 금속 시스를 전기 용접 방식으로 제조한다. 압출형 금속 시스는 고온의 금속 시스 재질에 의한 절연체에 열 손상이 없도록 제조 공정 시 절연체 냉각에 주의한다. 용접형은 이러한 열 손상 우려가 없는 대신 용접 부(Seam)의 기계적 강도와 용접 상태를 매우 주의 깊게 확인해야 한다.
방식층 | PVC와 PE 방식층은 압출기를 이용해 피복하며, 금속 시스 표면은 부식을 방지하기 위해 압출 피복 전 방식 도료(역청, Bitumen)를 도포한다. 압출 피복한 방식층은 핀홀 등의 결함을 확인하기 위해 스파크 테스터Spark Tester를 통해 내전압 시험을 거쳐 이상 유무를 확인한다.
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