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[차세대 고온초전도 선재를 이용한 전력기기의 응용 ①] 초전도 전력케이블
2016년 5월 1일 (일) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2016년 5월호 - 전체 보기 )

[차세대 고온초전도 선재를 이용한 전력기기의 응용 ①]
초전도 전력케이블


일본 경제산업성의 「이트륨계 초전도 전력기기 기술개발」 5년간 프로젝트의 일환으로, 신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO)로부터 위탁받아 이트륨계 초전도 선재(Y계 선재)의 고전류밀도·저손실 등의 특징을 활용한 66kV/5kA급 대전류 케이블 및 275kV/3kA급 고전압 케이블에 관한 연구개발이 실시되었다.(스미토모 전기공업, 후루카와 전기공업 주관) 본 프로젝트에서는 실용화에 중요한 요소기술 개발을 실시함과 동시에 그 성과를 바탕으로 각 케이블시스템을 제조하고, 과통전 특성 및 송전손실 특성 등 케이블시스템의 실용성을 검증하는 시험을 실시했다. 본고에서는 이 연구개발에 관한 내용을 소개한다.
 
정리 편집부
 
66kV/5kA급 대전류 케이블
전압 66kV, 전류 5kA의 대전류 송전을 가능케 하는 3심 일괄형 케이블과 종단접속부를 개발하고 15m 길이의 케이블시스템을 구축하여 검증시험을 실시했다.

【케이블의 개발목표】
Ⅰ. 케이블 송전손실 2.1W/m/상@5kA,
      66kV(교류손실 2.1W/m/상, 유전손실 0.1W/m/상)
Ⅱ. 31.5kA, 2초의 내단락 전류특성
Ⅲ. 150mm 관로에 수납 가능

저손실화
Y계 선재는 초전도층의 두께가 수 μm로 얇기 때문에 평행자계에 대한 손실이 매우 작고, 케이블화하는 경우에는 선재 간 갭에 발생하는 수직자계에 대한 손실이 주가 된다. 이에 따라 폭이 가늘고 긴 선재를 이용함으로써 층단면을 진원(眞圓, Perfect circle)에 가깝게 하여 수직자계를 저감시키는 것이 저손실화의 기본방침이 된다.
본 프로젝트에서는 30mm 폭으로 얇은 막을 입힌(성막가공) 선재를 2~4mm폭으로 가늘게 좁혀 초전도층을 구성하고 손실특성을 검증했다. 케이블 구조의 결정에 있어 [표 2]에 제원을 나타내는 3종류의 초전도 도체 샘플을 제작했다.
자계가 가장 큰 도체의 최외층(4번째 층)에 2mm폭 선재를 채용함으로써 교류손실이 효과적으로 저감된다는 것을 확인하고([그림 2] 참조) 하이브리드 구조를 채용했다.


케이블 설계 및 제조

요소기술의 개발결과를 반영하여 결정한 케이블의 설계를 [표 3]에 나타냈다. 구리연선 포머의 외측에 초전도 도체층, 절연층, 초전도 실드층, 구리 실드층을 동축상에 휘감아 케이블코어를 형성한다. 그리고 케이블코어 3개를 하나로 꼬아 1개의 단열관 내에 삽입해 3심 일괄형 케이블을 제조한다.

● 도체 최외층에만 2mm폭 선재를 이용하는 하이브리드 구조를 채용했다. 또 4mm폭 선재에는 기계슬릿을,  2mm폭 선재에는 레이저슬릿을 채용했다. 제작한 샘플(단척)의 교류손실은 1.5W/m/상@5kA, 71K로, 손실목표를 달성했다.
● 동(銅) 포머와 동 실드층으로 단락전류를 분류시켜 초전도층의 온도상승을 억제하는 구조를 채용했다. 수치 시뮬레이션 결과로부터 구리층의 필요최소단면적을 결정, 샘플시험에서의 온도상승이 상정범위 내임을 확인했다.
● 전기절연층은 PPLP®(Polypropylene laminated paper)에 액체질소를 함침시킨 복합구조이며, 절연두께 6mm의 샘플시험에서 요구사양을 충족하는 것을 확인했다.
● 케이블의 소경화(小徑化)를 위해 냉각 시 발생하는 0.3%의 열수축을 흡수하는 3심 코어 이완 설계를 하지 않고, 발생하는 약 3톤의 장력을 대지에 고정시킨 양 단말에 파지하는 설계로 했다.

총 길이 7km의 Y계 선재를 이용해 제조한 케이블은 [표 4]의 출하시험을 통과해 검증시험장소로 출하됐다.


시스템 검증

건설한 케이블시스템의 구성을 [그림 3]에 나타냈다. 케이블 양단에는 종단접속부(A단말, B단말)를 각각 설치했는데, B단말(우측)에서는 3상의 도체층을 용기 내부에서 단락하고, A단말(좌측)에서는 각각 전류리드를 통해 상온부로 끌어내는 구성이다. 또 실드층은 양 단말 내부에서 3상 단락처리를 했다.
[표 5]에 케이블시스템을 액체질소로 냉각한 후 순환냉각시스템과 연결하여 검증시험을 실시한 결과를 정리했다. 
시험결과는 양호했으며, 케이블시스템이 요구하는 정격성능을 유지하는 것으로 확인됐다. 케이블시스템을 일단 승온시킨 후 재차 냉각시켜 임계전류 특성을 확인했는데 히트사이클(heat cycle)에 의한 특성열화는 확인되지 않았다. 이후 30일간의 장기 과통전 시험을 실시했다. 전압은 30년간 운용에 상당하는 가속시험 조건으로 대지간 전압 51kV를 연속해서 과전하고, 동시에 정격전류 5kA를 8시간 ON, 16시간 OFF로 하는 통전 사이클 시험을 실시하였다. 또한 냉각시스템의 운전조건은 케이블시스템의 출구압력을 0.2MPaG 이상, 케이블시스템의 출구온도를 68K 이하, 액체질소의 유량을 40L/min으로 했다. 시험기간 중 케이블시스템의 온도변화에는 이상 없었으며, 30일간의 시험을 양호하게 완료했다.
시스템의 검증시험 완료 후 케이블시스템의 해체조사를 실시함과 동시에 추출한 케이블 샘플의 △임계전류 측정 △교류손실 측정 △내전압 시험(AC90kV×3시간, AC100kV×10분, 임펄스 ±385kV×3회) 및 구조조사를 실시하여 양호한 결과를 얻었다.
Y계 선재 및 냉각시스템에는 △고성능화 △고효율화 △저코스트화 등의 과제가 아직 남아 있으며, 실계통에 있어서 케이블시스템의 장기 신뢰성을 실증해나갈 필요가 있기 때문에 이 프로젝트에서는 대전류·저손실 케이블의 특성평가를 목표로 설정하였다.


275kV/3kA급 고전압 케이블
전압 275kV, 전류 3kA의 대전력 송전을 가능케 하는 △ 단심케이블 △종단접속부 △중간접속부를 개발, 30m 길이의 케이블시스템을 구축하여 검증시험을 실시했다.

【케이블의 개발목표】
Ⅰ. 케이블 송전손실 0.8W/m/상
     (교류손실 0.2W/m/상, 유전손실 0.6W/m/상)@3kA, 160kV(275kV의 운전전압)
Ⅱ. 63kA, 0.6초의 내(耐)과전류 특성
Ⅲ. 케이블 외경 150mm 이하

케이블 설계
케이블시스템의 구성은 케이블, 종단부, 중간접속부로 이루어졌으며, 각 구성별로 목표성능을 설정해 개발을 진행했다.
케이블부에 있어서는 △교류손실 저감 △절연의 내전압 설계 △절연의 저유전 설계 △내과전류 설계 △케이블의 콤팩트화 등이 주요 과제가 되었다. 이 중 내과전류 설계는 케이블의 콤팩트화와 트레이드 오프5)의 관계에 있다.
즉, 케이블 중 보호도체의 단면적을 증가시키면 내과전류 특성의 향상으로 이어지지만, 경량·콤팩트성을 잃어버리게 된다. (시험조건: 63.0kA-0.6초에서 임계전류가 저하하지 않을 것)
또한, 고전압화에 따른 시험조건과 저유전 절연재료의 선정이 큰 과제였는데 이에 따라 유전손실과 교류손실에서 0.8W/m 이하의 절연재료 및 초전도 도체의 개발을 진행했다. 
내전압 시험조건은 IEC62063, JEC-3408 등 국제규격 및 일본의 규격, 그리고 기타 초전도 케이블 시험을 참고로 하여 정했다. 부분방전(PD)의 시험조건은 부하차단 및 일선지락 시의 이상전압을 상정했다. 이때의 전압상승 배율은 1.79/√3이며, 275kV 시스템의 최대전압 300kV에 곱하여 310kV를 산출했다. 뇌임펄스 전압은 275kV 시스템의 내전압치 1050kV에 1.1배의 여유도를 고려해 1155kV로 했다. 또한, 내전압 시험은 참고시험으로서 IEC62063이 정하고 있는 400kV로 했다.종단부에서는 액체질소의 온도부터 외기온까지의 온도변화에 견뎌야 하며, 전계완화의 기능과 케이블 전체의 열신축을 흡수하는 기능이 필요하다. 종단부의 절연완화에는 보이드리스(Voidless)의 FRP를 재료로 한 콘덴서 콘을 개발하여 가벼운 실리콘 애자와 조합한 구조를 취했다. 또한 절연의 부분방전 특성은 내전압 시험전압 400kV에서도 부분방전이 없는 설계를 취했다.중간접속부에서는 각각의 도체·실드가 5nΩ 이하의 저저항 접속이며, 케이블과 마찬가지로 내전압 특성과 내과전류 특성에 견디는 설계로 했다.

이상의 설계조건으로부터 각 구성(케이블, 종단부, 중간접속부)의 개발을 진행하여 그 결과를 [표 6]에 정리했다.
[표 6]의 설계 타당성을 확인하기 위해 초전도 케이블 코어(단열관을 제외하고, 초전도선은 모의금속테이프를 사용)를 만들고, 중간접속부도 제작했다. 개발한 종단부와 함께 3회의 히트사이클을 실시하여 히트사이클별로 설계상의 내전압 성능을 확인했다.

시험선로 구축 및 시험결과
[표 6]의 설계를 바탕으로 50m의 초전도 케이블 코어를 제작해 그로부터 20m를 빼내어 △임계전류 △내전압 시험 △과전류 시험에 제공함으로써 제조가 정상적으로 이루어지고 있는지를 확인했다. 한편, 나머지 30m는 진공단열관에 수납하여 중간접속부와 냉각시스템을 포함한 전장 시험(length test)으로 진행했다.샘플시험 결과를 [표 7]에 나타냈다. 시험 판정결과 양호하여 제조가 문제없이 이루어지고 있음을 확인하고 30m의 검증시험을 진행했다.
30m 케이블의 시험 레이아웃과 케이블 구조를 [그림 4]에 나타냈다. 냉각시스템은 냉동기를 사용하지 않고, 액체질소 탱크에서의 액체질소를 감압냉각하여 순환시키는 시스템으로 했다. 한쪽의 종단접속부에서는 3개의 CV케이블과 연결하여 회로를 형성하고 있는데 이로부터 이 초전도 케이블이 CV케이블의 3배에 상당하는 전류를 수송할 수 있다는 점을 알 수 있다. 레이아웃에는 중간접속부도 포함되어 있다.
과전조건은 275kV 시스템의 대지전압 160kV에 대해 30년간의 열화를 고려한 가속시험으로서, 200kV-1개월을 설정했다. 한편, 통전시험과 관련해서는 3000A의 통전을 주간 8시간, 야간 16시간을 0으로 한 부하변동에서 실시했다. 냉각은 평균 액체질소 온도를 73K, 액체질소 유량을 30L/min으로 실시하여, 2012년 12월에 1개월의 장기 과통전 시험을 무사히 완료했다. 또한, 장기 과통전 시험 후 상용주파 내전압 시험전압인 310kV를 과전한 결과, 부분방전이 없음을 확인, 30년 후에도 초기성능을 계속 유지하는 것으로 확인됐다. 2013년에는 실온에서 액체질소 온도로의 히트사이클을 2회 실시하고 케이블을 철거하여 해체시험을 실시했다. 30m 케이블의 시험결과를 [표 8]에 나타냈다. 임계전류는 3회째의 히트사이클 시에서 도체가 6100A, 실드가 6300A로 [표 7]의 임의 표본치와 동등한 수준이다.
3회째의 냉각 시에는 310kV-10분의 부분방전 시험 및 400kV-30분의 내전압 시험을 실시하여 히트사이클의 내성도 확인했다. 3kA 교류손실 0.22W/m/상, 유전손실은 0.44W/m/상이며, 손실성능 목표치인 0.8W/m/상 이하를 달성했다. 또한, 케이블 해체 후 추출한 샘플에서 뇌임펄스 시험을 실시하여 목표성능을 달성하고 전(全) 시험을 성공리에 완료했다.

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