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HVDC 해저케이블의 과도현상 해석
장화윤, 정석산, 안천용, 이종범 원광대학교
Transient Phenomena Analysis of HVDC Submarine Cable
Hwa-Youn Jang, Seok-San Jeong, Chun-Yong An, Jong-beom Lee Wonkwang University
명칭 두께(㎜)
1.도체
공칭단면적(㎟) 800
형상 원형평각
외경 32.6
2.내부반도전층 0.4
3.절연층 9.1
4.외부반도전층 0.2
5.금속시스 2.6
Abstract
-This paper describes the EMTP/ATP Draw modeling HVDC submarine cable. HVDC submarine cables consist of conductor, lead sheath and amore. It is different from general cable which is composed with just conductor and aluminium sheath.
Therefore, the transient characteristics are totally different between HVDC submarin cable and general cable.
However, the study on HVDC cable modeling and Transient are insufficient. In this paper, characteristic and effectiveness of HVDC Submarine Cable through Transient analysis. Therefore it is evaluated that the application of HVDC Submarine cable at the field should be considered cautiously when more detailed transient analysis, another electrical testes and economic evaluations are implemented.
1. 서 론
오늘날 부하 증가에 따라서 경제적인 송전 및 송전선로 강화와 전력 계통의 대규모화에 따른 단락용량 증가 등으로 오늘날 직류송전의 필요 성이 절실하게 요구되고 있으며, 세계 각국에서는 국가간의 전력망을 연 결하거나 전력 사용의 시차를 이용한 계통의 연계 그리고 1, 2차 변환기 의 증설없이 최종단의 변압기의 용량만을 키워 DC계통을 연결하는 DC 전송에 관해서 많은 연구가 진행되고있다. DC전송은 주상변압기를 대체 하거나 태양광 전원을 계통에 연계하는 LVDC에서부터 대용량의 에너 지를 전송하는 HVDC까지 많이 이용되고 있으며 수요와 필요성은 앞으 로도 늘어날 전망이다. HVDC송전시스템은 장거리 교류 송전선보다 저 렴한 비용으로 장거리 대용량 전력을 전송 할 비하여 장거리 전력전송 시 가격이 저렴하며 주파수가 다른 계통과도 연계가 가능하다. 또한 전 력의 예비율을 낮출 수 있고 전력량을 조절할 수 있는 등의 장점있 다.[1]
따라서 송전시 발생하는 무효전력 공급의 필요성과 발생에 따른 투자 비용의 증가, 손실 등의 이유로 국내에 직류송전방식 적용이 필요하다.
현재 국내의 교류송전시스템은 지중송전선로의 교류 송전시 발생하는 케이블의 정전용량에 따른 충전전류의 증가에 따른 무효전력의 증가로 인해 송전거리에 제한이 따르며, 일정거리 이상의 송전선로에서는 일정 거리마다 무효전력에 대한 보상설비의 설치가 필요하기 때문에 추가적 인 비용이 발생하는 단점이 있다. 또한 교류 지중선로에서의 무효전력 증가는 거리에 비례하는 것으로 일정거리 이상의 경우에는 무효전력의 보상이 불가능하다. 이러한 이유로 장거리 해저 케이블의 경우 직류송전 이 일반화 되어있다. 또한 일반적으로 HVDC 해저케이블은 해저에 포설 됨에 따라 케이블 길이가 길어지고 지상 케이블에 비해 더 좋은 전력 품질이 요구되며, 깊은 해저에 포설되는 특성상 조류 등의 영향을 받아 케이블에 매우 큰 압력이 작용할 위험이 있어 외상에 대한 방호의 목적 으로 금속성 외장이 필요하다. [2]
현재 국내에서는 제주-해남간에 ±180kV HVDC해저 케이블이 1998년 부터 운전중에 있으며, 진도-제주간 200MW 2회선 2단계 HVDC 해저 케이블이 건설중에 있다. 이처럼 국내 HVDC 해저케이블은 제주지역을 중심으로 증설되고 있으나, 2006년 4월에 발생한 제주-해남간 해저케이 블 계통에서 발생한 고장사례에서도 볼 수 있듯이, 해저케이블 구간에서 발생한 고장으로 인해 제주 지역에 광역정전이 발생하였고, 이와 더불어 고장점 탐지 지연으로 인한 복구 시간 장기화 및 과다한 복구 비용이 발생하기도 하였다.[3]
특히, 제주~해남간 해저케이블 구간은 약 101.7km의 긍장을 가지는 장거리 케이블인 관계로 고장 발생시 신속한 고장점 탐지가 어렵고, 육 악으로 고장지점 확인은 더더욱 불가능하기 때문에 고장이 발생하였을 경우에 복구 시간은 길어질 수밖에 없다. 일반적으로 아모어층의 단면적 이 스스층보다 굵고, 저항률또한 낮아 아모어-시스-도체로 연결되는 외
부 발생요인에 의한 지락고장의 경우 시스층보다 아머어층으로 귀로하 는 고장전류가 더욱 크게 된다.
따라서 본 논문에서는 앞으로 증설되어야할 HVDC 해저 케이블의 과 도현상해석을 위해 180kV HVDC Cable 800SQ을 EMTP/ATPDraw로 모델링하였고, 과도상태 해석을 통해 어떠한 과도특성들을 가지고 있는 가를 분석함으로서 HVDC 해저케이블에 과도현상이 미치는 영향을 분 석하고자 한다.
2. 본 론
2.1 케이블의 구조 및 전기적 상수
그림 1은 180kV급 HVDC 해저케이블의 구조를 보이고 있다. 해저케 이블 800SQ 도체는 중앙 코어와 3층의 전기동으로 구성되어있으며, 절 연체는 125층의 특수 종이를 사용하였다. 절연지는 유침탱크에 저장되어 가열, 진공 상태에서 건조되는 과정을 거쳐, 특수 진공 탱크안에서 수개 월 동안 특수 절연유로 유침되고 서서히 냉각되었다. 유침을 완료한 케 이블에는 연시스와 폴리에틸렌 시스가 조립되며 이후 15분간 DC 324kV 의 전압을 인가하여 케이블의 절연내력 성능을 확인하였다.
또한 도체는 IEC규격에 의해 전기동으로 만들어진 Round Key-stone stranded type이며 하나의 중앙심과 3층의 key-stone 형 전기동선으로 구성되어있다. 압축도는 0.96 이상이며 이를 통해서 도체 내부의 절연유 체적을 최소화하고, 부하전류 순환시 절연유의 팽창을 최소화 하는 아주 중요한 특성이다.[2]
EMTP를 이용하여 모델링한 해저케이블도 그림 1과 같으며 세부적인 사양은 표 1을 참조하여 케이블 모델을 구성하였다.
<그림 1> 180kV HVDC Submarine Cable
<표 1> 케이블 구조 및 전기적 상수
2011년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2011. 7. 20 - 22
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6.방식층 2.8
7.완충층 0.3
8.금속 보강층 2×0.25
9.완충층 약 1.2
10.철선개장 와이어 6.0
11.외부보호층 3.0
케이블 외경 93.0
최대직류도체저항(
Ω
/km,20℃) 0.0221케이블중량(공기중)(kg/m) 27.5
케이블중량(수중)(kg/m) 20.7
2.2 모델링 및 과도현상해석
본 논문에서는 HVDC 해저케이블의 정상상태 및 과도상태를 해석하 기 위해서 DC ±180kV 제주~해남간 실계통에 적용하고 있는 케이블과 동일한 HVDC 800㎟를 사용하였으며, 표 1의 케이블 구조 및 전기적 상수를 바탕으로 선로정수를 계산하였고, EMTP에서 케이블타입은 Enclosing pipe type 방식으로 모델을 하였다.
그리고 해저케이블의 도체와 시스, 아모어의 저항율은 각각
×
∙
, ×
∙
, ×
∙
이며, 아모어는 반드시 해수 접지를 해야하며 접지저항은 0.1Ω
이 가장 적절한 하다. 또 한 아모어의 접지 간격은 가능한 조밀하게 접지된 매 1m 마다 접지하 는 것이 적정하다고 사료된다.해석을 위한 계통구성에서 해저케이블의 총구간 길이는 제주-해남간 해저케이블과 같이 총 101.7km로 구성하였으며, 구성도는 그림 2와 같 다. 그림 2와 같이 육상구간은 4km 해저구간은 97.7km를 적용하였고, 육상구간 접지저항은 10
Ω
, 아모어 접지저항은 비접지, 0.1Ω
, 0.01Ω
, 0.001Ω
로 구분하였고, 고장점에서의 고장저항은 완전지락의 경우와 고장 저항이 있는 경우 각각 0.001Ω
, 0.01Ω
, 0.1Ω
을 적용하였다.<그림 2> 해석모델 구성도
그림 3∼4와 같이 HVDC 해저케이블 선로를 구성한 정상 상태 및 지 락고장시 상도체의 의 전압 및 전류를 측정하였다.
(f ile norm al180_15k . pl4; x -v ar t ) v : XX0001
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 [ms ] 1.0
0 40 80 120 160 200 [kV ]
<그림 3> HVDC 정상상태 해석(전압)
(f ile norm al180_15k . pl4; x -v ar t ) c : XX0057-XX0001
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 [ms ] 1.0
0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 [A ]
<그림 4> HVDC 정상상태 해석(전류)
그림 3∼4와 같이 HVDC 해저케이블 선로를 구성한 정상 상태 및 지 락고장시 상도체의 의 전압 및 전류를 측정하였다. 그림 3과 같이 정상 상태에서 전압은 짧은 시간에 서서히 증가하여 180kV에 도달하여 유지 되는 것을 알 수 있으며, 전류도 전압이 걸리는 시점에서 급격하게 증가 했다가 정상적으로 유지되는 것을 알 수 있다.
( file g f 1 8 0 _ 1 5 k _ 4 k m . p l4 ; x- va r t) c : X X 0 0 5 8 - X X 0 0 0 1 0 1 0 2 0 3 0 4 0 [m s ] 5 0
0 4 8 1 2 1 6 2 0
[k A ]
<그림 5> HVDC 고장전류(4km지점)
지락고장은 4km～80km 지점까지 측정하였으며, 그림 5는 4km 지점 에서 지락고장이 발생하였을 경우 고장전류를 측정하였다. 각 지점별 지 락고장 전류는 약 16kA정도의 고장전류가 발생하였다.
3. 결 론
본 논문에서는 180kV HVDC 해저케이블을 실제계통에 연결하기 위 해서는 고장계산 같은 전기적인 해석이 먼저 이루어져야한다. 따라서 EMTP/ATPDraw를 이용하여 모델링하고 정상상태 및 지락고장시 케이 블에 미치는 영향을 해석하였다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. HVDC 해저케이블 180kV 800SQ를 적용한 계통을 구성하고 모델링 할 경우에 기존의 HVDC 케이블 모델과는 다르게 아모어를 포함하여 모델링하였다.
2. 정상상태 모델링의 경우에는 각 측정지점에서 측정한 HVDC 정상상 태 전압은 180kV를 유지하였고, 각 지점별 지락고장시 약 16kA정도 의 고장 전류가 발생하였다.
3. 과도상태시 접지저항을 분석한 결과 아모어 접지저항은 0.1
Ω
이 가장 적절할 것으로 사료되며 아모어 접지간격에 따른 변화는 크지 않다.하지만 아모어의 해수접지는 가능한한 조밀하게 적용하는 것이 적 절하다고 사료된다.
[참 고 문 헌]
[1] 김찬기, “HVDC 기술 동향”, 대한전기학회, 2001
[2] 이호림, “HVDC 180kV 지절연해저케이블 개발”, 대한전기학회, 2009 [3] Chae-k Jung, “Establishment of EMTP Modeling Method Using Searching Coil Test for HVDC Submarine Cables”, 대한전기학회, 2010
[4] 안용호, “180kV HVDC 해저케이블 Type test 시험방안 검토”, 대한 전기학회, 2009
[5] CIGRE Recommendtaion 219(ELECTRA) [6] CIGRE Recommendation 171(ELECTRA)
