DC Electric Field Characteristics considering Thermal Effect for HVDC Slip-on Type Outdoor Termination

A outdoor termination installed at the outdoor substation is required to connect undergroud cables and overhead transmission lines. The joint box for AC transmission system is already developed and widely used to interconnect overhead and undergroud systems. But the development of the joint box for DC transmission system was only introduced from China and Japan, but theire developemnt staus and core technologies were not fully reported. In order to implement HVDC systems connecting ovehead transmission lines and undergroud cables, a outdoor termination should be developed, but the detailed specifications and information of this device were not reported. It is estimated that the development of the joint box for DC environment has some technical obstacles including insulating materials, electric field mitigation, thermal temperature rise, and space charge accumuations. Among this, the most important one is the DC elctrical insualtion design. Therefore, in order to investigate the DC elctrical insualton design of outdoor termination, the design of AC slip-on type outdoor termination is reffered, and DC electric field analysis performed to verify the possiblity of application of AC joint box into DC joint box. Especially for DC electric field analysis, temperature rise of insualting materials of a joint box was considered, because the conductivity of materials could be changed due to temperature rise. Furthermore, DC electric field analysis considering transinet state, and polarity reversal state were also investigated to verify which state is the most severe condition for the DC joint box. From the simualtion resulsts, it was shown that the value and the position of maximum electric field was obtained comparing AC state, DC state without temperaure rise, and DC state with temperaure rise. And it was confimred that severe DC electric field was observed considing temperaure rise. Finally, in order to reduce DC eletric field intensifation, different configuration of the joint box was applied and it was not possible to obtain satisfactory results. It means that the slight change of configuration of AC joint box was not the suitable soluton for DC joint box. It is essential to establish novel DC insulaton design skills and method for DC joint box to commercialze this product in the near future.

HVDC 슬립 온형 기중 종단접속함에 대한 열 영향 반영 DC 전계 특성 평가

기중종단 접속함은 지중케이블과 가공송전선을 연결하기 위한 접속함으로써 옥외 변전소 등의 대기 중에 설치된다. 이는 21세기 핵심기술로 여겨지고 있는 대륙 간, 국가 간, 육지-섬을 잇는 HVDC 송전선로의 DC 그리드 송전망 형성을 위해 반드시 개발되어야 하는 전력기기이다. 그러나 AC용 접속함의 개발 사례는 다수 존재하는 반면, DC용 접속함의 개발 사례 및 기술은 일본과 중국 등에 일부 존재할 뿐 국내 기술은 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단접속함을 초기모델로 선정하여 HVDC 전력기기로의 적용 가능성을 평가하였다. 먼저 실제 운전 시 기중종단 접속함 내 도체에서 발생하는 열에 의한 내 외부의 온도편차를 고려한 DC 전계해석을 수행하였으며, AC 전계분포 및 열 해석이 반영되지 않은 DC 전계분포와 비교하였다. 또한 DC 전계는 정상상태 뿐만 아니라 과도 구간도 포함하기 때문에 이를 고려한 전계해석을 수행할 필요가 있기 때문에 정상상태와 더불어 극성반전 후 전계분포 역시 비교, 분석하였다. 마지막으로, 기존 AC용 슬립 온형 기중 종단접속함 초기모델을 DC에 적용하기 위해 다양한 형상 변환을 통한 요소 설계를 수행하였다. 기중종단 접속함 구조 내 전계가 가장 집중될 것으로 사료되는 부분을 선정하여 그 지점들의 최대 전계강도 $E_{n.max}$와 $E_{t.max}$를 측정하였다. 해석 결과, 정상상태시 개선모델의 삼중점 최대 전계강도는 기준모델 대비 2.01% 개선되었으며, 연면 최대 전계강도는 기준모델 대비 36.68% 개선되었다. AC 전계해석 결과인 연면 전계강도 1.11 kV/mm보다는 33.3% 감소하였지만 삼중점 최대 전계강도 8.23 kV/mm보다는 아직 43.6% 크다는 점에서 부분적인 형상 변환이 아닌 DC 환경에 적합한 전혀 다른 근본적인 설계 개념의 변화가 반드시 필요할 것으로 사료된다.