현대 사회는 전기 에너지 없이는 하루도 유지될 수 없는 사회이다. 최근의 대도시 인구집중현상으로 전력수요의 밀도가 급격히 높아짐에 따라 전력전송의 중요성이 날로 증대되고 있으며, 이를 위한 전력 케이블은 전기 에너지를 전달하는 현대 문명 사회의 동맥으로 인정되고 있다. 전력 케이블은 1812년 러시아에서 shilling이 고무 절연선을 최초로 사용한 이후 절연 재료 및 생산 기술의 발전에 힘입어 현재에는 신뢰성 높은 제품이 송전 및 배전 선로에 사용되고 있다. 이러한 전력 케이블은 지절연 케이블과 고체절연 케이블로 대별되며, 케이블 상호간의 접속 및 가공선 또는 전기 기기와의 접속을 위해 접속함과 함께 실선로에 포설된다. 본 고에서는 전력 케이블과 그 접속함에 대한 기술 동향에 대하여 서술하고자 한다.
본 고는 전력연구원 연구과제인 "배전케이블 수명예측 기준결정 및 열화진단 시스템 구축"의 연구 수행중 전력케이블의 반도전층내에 들어 있는 불순물 또는 외부로부터 침투된 불순물이 전력케이블의 수명에 미치는 영향에 관한 총설로서, 그 동안 문헌조사 및 해외출장을 통하여 수집한 자료를 정리한 원고이다. 본 총설은 전력케이블에 사용되는 반도전층 재료의 변천, 반도전층의 역할 및 반도전층내에 들어 있는 불순물의 역할 등에 관한 내용이 정리되어 있다. 본 고를 통하여 반도전층내에 들어 있는 불순물은 전력케이블의 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있다는 점을 강조하여 국내 지중배전 케이블에서도 불순물이 제거된 반도전 컴파운드를 사용해야 한다는 점을 강조하였다. 최근 반도전 재료의 개선을 통하여 전력케이블의 성능을 크게 개선시킬 수 있다는 연구결과 및 실용화 연구가 이루어지고 있는데, 이 새로운 개선방법은 반도전층으로부터 불순물을 제거한다는 단순한 방법이 아니라 반도전층을 이루는 반도전 컴파운드의 조성을 변화시키는 방법이다. 이는 단순히 전도성 카본블랙의 종류만을 바꾸는 것이 아니라 반도전 컴파운드에 사용하는 고분자 수지를 개질하거나 또는 일정 종류의 첨가제를 첨가하는 방법으로서, 본 고에서는 이들 방법에 대하여 간략하게 소개하였다. 이와 같은 고찰을 통하여 본 고에서는 전력케이블에 있어서 절연재료에 관한 연구도 물론 중요하지만 반도전층도 매우 중요한 역할을 하며, 나아가서 전력케이블의 성능을 현저히 향상시키기 위해서는 절연재료 뿐만 아니라 반도전층 재료에 관한 연구도 필요하다는 점을 강조하고자 한다. 본 고를 통하여 전력케이블에서의 반도전층의 역할 및 중요성에 과하여 좀 더 정확하게 인식되었으면 한다.
본고에서 언급한 내용은 대부분이 우리나라의 케이블 관련 연구 및 운용현장에서는 전혀 적용하지 않고 있는 기술로서 다른 분야의 활발한 연구사황과는 달리 국내의 전력케이블 분야에 대한 컴퓨터 적용기술은 매우 낙후되어 있다고 할 수 밖에 없다. 이는 케이블의 제조 및 포설과 이에 관련된 여러가지 시험에도 연구해야 할 분야가 많고 각종 Data도 부족하여 컴퓨터 적용까지는 많은 거리감이 있을지도 모르지만 또한 고전압분야의 각종 관련시험만으로 족하다는 연구 안주경향도 문제라고 할 수 있다. 이제 국내에서도 전력케이블 연구회도 조직되어 본격적인 연구의 협력체제에 들어갔고 이 분야의 연구인력과 사용자 등 관련자도 증가하고 있으므로 하루가 다르게 발달하고 여러가지 효용성을 제공하고 있는 컴퓨터를 이용한 관련기술을 전력케이블에 적용하여 실제 현장에서의 전력케이블 운전에 크게 기여하게 될 것을 기대한다.
전기공학분야의 여러다른 부분과 같이 전력케이블 분야에서도 수많은 연구와 아울러 특히 19세기후반에 전력케이블의 제작에 성공한 것은 20세기에 들어와서 케이블과 이에 관련된 모든 기술이 빠른 속도로 발달하게된 주원동력이 되었다고 보아도 과언은 아니다. 비록 19세기 후반에 고무(rubber)를 사용하여 케이블 절연 하였지만, 그이후 약 70여년이상을 Impergnated paper(오일복합수지(oil compound resin)나 오일(oil)을 종이에 스며들게한 후 그 종이를 절연재료로 이용함)를 전력케이블 절연재료로 많이 사용하여 왔다. 아울러 OF cable의 제조기술도 향상되어 현재 매우 높은 전압과 상당한 전력용량를 충족시키는 전력케이블로서 발달을 계속하고 있다. 1960년대에 들어서서 extruded polymer material 이 전력케이블의 절연재료로 쓰이게 되었는데 현저하게 주로 쓰이는 재료로 폴리에틸렌인대, 그대로 순수한 상태로 또는 어떤 처리를 하여 쓰기도 한다. 그러나 EPR(ethylene propylene rubber)도 역시 개발중에 있다. Extruded synthetic insulation을 사용한 케이블은 현재 모든 필요한 전류와 전압을 망라하여 널리 쓰이고 있으며 다른재료를 사용한 케이블 보다 설치하기에 쉽고 사용법이 비교적 간단하고, 또한 전력망(network)에서의 신뢰서이도 높은 것으로 나타나 매우 만족스런 재료로 인정받고 있다.
반합성지 절연 전력케이블 시스템은 유전체 손실을 줄이고 절연두께 저감할 수 있으며 경제성면에서도 유리하다는 장점 때문에 많은 사용검토가 이루어져 왔다. 본 논문은 최근 LS전선이 국내 최초로 개발한 400kV급 초고압 반합성지 전력케이블의 반합성지 설계, 케이블 및 접속함 개발, 그리고 인증 Type Test 및 장시간 실증시험등 주요 개발과정을 기술하였다. OF 전력케이블의 오랜 경험과 다양한 연구결과를 바탕으로 반합성지 전력케이블 시스템을 단기 내에 개발하여 전력 케이블 및 접속함에 대하여 국제공인기관인 KEMA로부터 IEC 60141-1에 따른 인증서를 획득하였고, 장시간 실증시험에 성공적으로 완료함으로써 반합성지 절연 전력케이블 시스템 전체의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
당사의 초고압 전력케이블은 1978년 국내 최초로 154KV O.F케이블을 실용화한 이래, 해외로부터의 기술 도입과 이를 계량발전시킴으로써 현재는 초고압 케이블의 전 분야에 걸쳐 세계적, 최선진 기술수준에 이르게 되었다. 본 내용에서는 초고압 전력케이블의 주류인 O.F 케이블에 대하여 당사의 개발현황 및 향후 O.F 케이블 관련기술전망에 대하여 기술하고자 한다.
점차적으로 늘어나는 전력 수요의 공급을 원활히 하기 위해서 발전 설비 뿐만 아니라 전력을 전송하기 위한 전력케이블의 증설도 반드시 필요하다. 하지만 대부분의 도심지에 전력을 공급하기 위한 전력케이블의 증설은 추가적인 케이블의 설치공사를 위한 공간을 필요로 하고 현재 국내 도심지에 케이블 설치를 위한 공간이 부족한 실정이다. 이에 동일한 사이즈로 더 많은 전력을 전송할 수 있는 초전도 전력 케이블은 부족한 케이블의 설치공간을 극복할 수 있는 대안으로 등장하였다. 하지만 대용량의 전력 전송의 이점을 가지고 있는 초전도 전력케이블은 교류 시스템에서의 일부 손실을 가지고 있다. 따라서 교류 전력 전송 시스템에서 초전도 전력 케이블을 도입하기 위해서는 교류손실의 설계 및 분석이 반드시 필요하다. 이에 본 논문에서는 다양한 초전도 전력케이블의 교류 손실 분석을 통하여 실제 초전도 전력 케이블의 제조 및 실계통 적용에 고려하고자 한다. 단일 초전도 선재에 대한 교류 손실의 이론적인 계산 방법은 존재하지만 많은 수로 구성된 초전도 전력 케이블의 교류손실 계산은 쉽지가 않다. 저자는 초전도의 E-J (Electric field-current density) 특성이 고려된 전자기적 유한요소해석법을 이용하여 다양한 종류의 초전도 전력케이블 교류 손실을 분석하고자 한다. 또한 본 초전도 전력케이블의 교류손실 특성 분석은 실계통에 적용될 초전도 전력케이블의 설계 및 개발에 중요한 요소로 작용될 것이다. [1-4].
초전도 전력케이블은 기존 케이블에 비해 많은 전력을 공급할 수 있기 때문에 노후 전력케이블 교체시 대용량 송전을 가능하게 하는 대안으로 관심이 많아지고 있다. 초전도 케이블은 전기적인 특성이나 냉각시스템을 필요로 하는 등 기존 케이블과 다른 많은 특성을 가지고 있기 때문에 실계통에 투입하기 이전에 케이을 보호 등 새롭게 검토 해야할 사안들이 있다. 이를 위해서는 초전도 전력케이블 모델 및 이를 이용한 전산모의가 필수적이지만, 새로운 요소인만큼 이에 관한 자료들이 많지 않은 실정이다. 본 논문에서는 전력계통 과도해석에 널리 사용되는 EMTP를 이용하여 초전도 전력케이블을 모델링하고 전압-전류 특성을 모의한 사례를 제시하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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