 케이블 산업의 신기술 및 동향 ⑤
직류 케이블 시스템 개발
직류 케이블에서의 가교 폴리에틸렌의 케이블 절연체 사용은 대용량의 전력 수송의 적합성, 환경 문제에서의 유용성, 설비의 간편화 등으로 그 개발 가능성이 주목을 받아왔다. ㈜비스카스에서는 나노 사이즈의 무기 도전 입자를 채운 가교 폴리에틸렌이 높은 절연 특성을 가지고 있음을 찾아내고 재료 개량을 비롯한 직류케이블의 적용을 검토하고 있다.
번역·정리 전화영 객원기자 글 ㈜비스카스 곤 히로유키(今博之)
참조 《전기평론》 제97권 3호
㈜비스카스는 후루카와(古河)전공㈜와 ㈜후지쿠라의 전력 부문 합병 회사로, 전력 송전 시스템에 있어 지중·해저 케이블, 송전선, 부속품(중간·종단 접속부)을 비롯해 부설 공사, 절연 진단 기술을 제공한다. 또한, 신뢰성 높은 제품과 새로운 기술을 세계 시장에 제공하고자 연구 개발 활동을 하고 있다. 그중 본고에서는 ㈜비스카스의 직류 송전용 케이블의 기술 개발 동향을 소개한다.
배경
직류 송전 시스템은 교류 송전 시 과제가 되는 송전 손실이 적어 초고압, 장거리 전력 수송에 유리하다. 직류 송전 시스템을 실현하기 위한 케이블로 OF(Oil Filled) 케이블, 높은 점도를 가진 절연유를 절연지에 함침한 MIND(Mass-Impregnated Non-Draining) 케이블이 알려져 있으며, 일본에서는 500㎸송전 시스템에 OF 케이블을 실용화했다. 한편, 고분자 절연체를 사용한 직류 송전 케이블을 해외에서는 이미 실용화했으나 일본에서는 현재 운용 중인 사례가 없다.
가교 폴리에틸렌을 케이블 절연체로 사용하면, ▲OF와 비교해 허용 온도를 높일 수 있어 대용량의 전력 수송에 적합하고, ▲절연유를 쓰지 않기에 OF 케이블에서 염려되는 오일 누출로 말미암은 환경 문제가 없으며, ▲OF 케이블에서 필요한 유압 보상의 부대 설비가 필요 없다는 점이 직류용 케이블에 가교 폴리에틸렌을 절연체로 사용했을 때 이점이다.
이러한 배경을 바탕으로 가교 폴리에틸렌을 사용한 직류 케이블 시스템을 실현하고자 많은 연구 개발을 진행해 왔다. 직류 전압 하에서는 절연체에 공간 전하가 축적돼 국소적으로 큰 전계 변형을 초래하고, 절연 성능에 영향을 미치는 것으로 알려져있다.
이후에 논하겠지만, 일반 교류 전력 케이블에 사용하는 가교 폴리에틸렌에서는 가교제 분해 잔재 등의 영향으로 보이는 공간 전하가 축적돼 전계 변형량이 크다. 이에 직류 케이블용으로 가교 폴리에틸렌을 적용하려면 공간 전하의 축적을 줄이는 재료 개발이 필요하며, 이는 공간 전하 측정 기술의 진전과 함께 해 왔다.
직류케이블용 절연 재료 개발
비스카스에서는 나노 사이즈의 무기 도전 입자를 채운 가교 폴리에틸렌(이하, 직류용 가교 폴리에틸렌)이 직류 절연 특성에 높은 성능을 가지고 있음을 찾아내고, 특성을 더욱 높이기 위한 재료 개량을 비롯해 본 재료를 직류 케이블에 적용·검토해 왔다.
<그림1>은 그 일례로, 충전재의 분산성 개선이 직류 및 임펄스 성능에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 이 그림에서 분산성 개선으로 직류 및 임펄스 성능이 향상했음을 알 수 있다.
 다음으로 공간 전하 특성에 대해 설명한다. <그림 2>는 일반 교류용 가교 폴리에틸렌과 직류용 가교 폴리에틸렌의 시트 시료(~200㎛)에서 150㎸/㎜ 전계 조건 하의 공간 전하 특성을 일례로 나타낸 것이다. 일반 교류용 가교 폴리에틸렌의 경우, 이른바 패킷 형상 공간 전하라 부르는 공간 전하의 덩어리가 전극면 부근에서 발생해 마주하는 전극 방향으로 이동·소멸을 반복하는 모습을 확인할 수 있다.
반면 직류용 가교 폴리에틸렌의 경우, 일반 교류용 가교 폴리에틸렌에서 관측되는 패킷 형상 공간 전하의 형성·거동은 없으며, 공간 전하의 축적이 적고 안정적이다.
공간 전하의 축적이 적다는 것은 전계 변형량도 작아 직류 케이블용 절연체로 적합함을 보여준다. 이 연구는 도쿄도시대학과 공동으로 실시했으며, 본 재료의 기술적 신뢰성 검증을 진행하고 있다. 그밖에 직류 송전 시스템에서 생기는 극성 반전反轉시 공간 전하 특성, 절연 특성에 미치는 영향을 조사해 직류용 케이블 절연 재료로 충분한 성능을 가지는지 등도 전원개발㈜와 공동 연구를 통해 확인하고 있다.
지금까지 설명한 시트 시료에서의 공간 전하 특성과 같은 기초 특성 평가를 토대로 모델 케이블을 이용해 공간 전하 특성을 평가, 전계 변형량을 정량적으로 파악했다. 이를 케이블 설계에 활용하는 기술로 개발함으로써 높은 신뢰성을 가진 직류 송전 시스템에 대한 케이블 설계를 실현했다. 게다가 실제 규모 케이블에 적용하고 평가를 통해 설계 방법도 검증해 왔다.
이러한 검토 결과를 바탕으로 중간·종단 접속부 및 길이가 긴 해저 케이블에서 필요한 공장 조인트(Factory Joint)를 포함한 직류 송전 시스템의 250~500㎸급 장기 과통전 시험을 실시했다. 또한, Cigre TB-219에 준거한 250㎸PrequalificationTest를 완료하고, 한층 높은 전압에서 현재 시험 중이다(<그림3> 참조).
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여기 제시한 대로 기초 특성 평가를 토대로 직류용 케이블을 개발했으며, 장기 과통전 시험을 통해 장기 신뢰성도 확인해 왔다. 한편, 본고에서는 케이블을 주로 기술했으나, 직류 케이블 시스템에 필수 불가결한 종단 접속부 등도 기초 특성을 토대로 검토해 케이블과 마찬가지로 장기 신뢰성을 검증하기에 이르렀으며, 본 절연 재료를 사용한 직류 케이블 시스템은 이제 실용화 단계다.
<Energy News>
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