KR101668307B1 - 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조 - Google Patents

초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 내부에 액체질소가 충진된 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조에 있어서, 상기 조인트 박스 내부에 배치되어 양단에 상기 초전도 직류 케이블이 접속되는 접속도전재와; 중앙영역이 가장 두꺼운 두께를 가지며 중앙영역에서 상기 접속도전재의 길이방향을 따라 멀어질수록 두께가 경사지게 감소하도록 상기 접속도전재의 외주면을 둘러싸는 에폭시절연층과; 상기 에폭시절연층의 외주면을 둘러싸며 경사지게 적층되는 폴리프로필렌 라미네이트지(PPLP)층을 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조는 에폭시절연층과 적층된 PPLP절연층을 함께 적용하여 극저온 상태에서 초전도 직류 케이블의 연면 절연특성을 최적화한 효과를 제공한다.

Description

초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조 {Insulating structure superconducting DC cable joint box}
본 발명은 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 에폭시절연층과 적층된 PPLP절연층을 함께 적용하여 극저온 상태에서 초전도 직류 케이블의 연면 절연특성을 최적화한 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조에 관한 것이다.
최근, 초전도 케이블(High temperature superconducting cable), 초전도 변압기(Superconducting transformer), 초전도 한류기(Superconducting fault current limiter), 초전도 저장장치(Superconducting magnetic energy storage), 초전도 발전기(Superconducting generator) 등과 같은 폭 넓은 영역에 사용되는 고온초전도 기술은 에너지 기술 개발 관점에서 큰 관심을 모으고 있다.
특히, 초전도 케이블은 적용 가능성이 가장 높다고 평가를 받고 있어 세계 각국에서 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 지금까지는 주로 고온 초전도 AC 케이블 연구개발을 목표로 했으나, 최근 들어 육상에서의 장거리를 위한 대용량 전력수송, 또는 해저에서의 케이블 등을 이용한 대용량 전력수송에 있어서, 고효율로 전력수송을 하기 위한 고온초전도 DC 케이블(High temperature superconducting DC cable) 연구개발이 진행되고 있다.
일반적으로 케이블을 코어끼리 연결하고자 할 때 한 쌍의 케이블 사이에 도전재를 배치시키고, 이를 케이블을 감싸는 극저온의 조인트 박스(Joint box)를 이용하여 서로 접속시켜야 한다. 이러한 조인트 박스는 절연설계가 되어있어야 하는데, 절연설계는 절연재료의 전기적, 기계적 특성을 고려해야 한다. 이는 케이블의 수명 증가, 신뢰도 향상 및 컴팩트화를 위해 반드시 확립해야할 기술이다. 하지만 고온초전도 DC 케이블의 조인트 박스의 경우에는 내부에 극저온의 액체질소(Liquid nitrogen)를 포함하고 있어야 하기 때문에 일반적인 케이블의 조인트 박스의 절연설계 기술을 적용하기 어렵다.
초전도 DC 케이블의 조인트 박스의 절연설계는 주로 액체질소 및 고분자의 복합 절연계로서 개발되고 있다. 따라서 초전도 DC 케이블 개발을 위해서는 DC 환경에서의 절연재료기술과 더불어 극저온에서의 절연기술을 확립하는 것이 중요하다. 하지만, 액체질소 내에서 초전도 케이블의 DC 및 임펄스 절연특성 데이터가 만족스럽게 보고되고 있지 않아 초전도 DC 케이블 조인트 박스의 절연설계는 매우 불충분한 실정이다.
대한민국특허청 등록특허 제10-0886341호 대한민국특허청 공개특허 제10-2009-0110258호
따라서 본 발명의 목적은 에폭시절연층과 적층된 PPLP절연층을 함께 적용하여 극저온 상태에서 초전도 직류 케이블의 연면 절연특성을 최적화한 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조를 제공하는 것이다.
상기한 목적은 내부에 액체질소가 충진된 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조에 있어서, 상기 조인트 박스 내부에 배치되어 양단에 상기 초전도 직류 케이블이 접속되는 접속도전재와; 중앙영역이 가장 두꺼운 두께를 가지며 중앙영역에서 상기 접속도전재의 길이방향을 따라 멀어질수록 두께가 경사지게 감소하도록 상기 접속도전재의 외주면을 둘러싸는 에폭시절연층과; 상기 에폭시절연층의 외주면을 둘러싸며 경사지게 적층되는 폴리프로필렌 라미네이트지(PPLP)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조에 의해 달성된다.
여기서, 상기 에폭시절연층은 계단상으로 경사지게 형성되며, 상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 상기 에폭시절연층의 계단상을 따라 계단상으로 적층되는 것이 바람직하며, 상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 상기 접속도전재의 축선을 따라 랩핑되며, 오버랩핑 형태로 적층되는 것이 바람직하다.
상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 크래프트지와 폴리프로필렌을 압착시켜 형성하며, 상기 크라프트지의 섬유방향과 상기 접속도전재의 길이방향이 수직하도록 상기 폴리프로필렌 라미네이트지층을 상기 에폭시절연층에 적층하는 것이 바람직하다.
상기 에폭시절연층은 55 내지 65wt%의 산화규소(SiO2)를 포함하며, 상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 100 내지 150㎛의 두께를 가지며, 상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 상기 폴리프로필렌 라미네이트지층 사이에 생기는 공간인 버트갭(Butt-gap)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접속도전재는, 구리(Copper), 텅스텐(Tungsten), 스테인레스스틸(Stainless steel), 티타늄(Titanum), 알루미늄(Aluminum), 철(Iron), 니켈(Nickel), 크로뮴(Chromium), 몰리브덴(Molybdenum), 은(silver), 금(Gold), 백금(Platinum) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조는 에폭시절연층과 적층된 PPLP절연층을 함께 적용하여 극저온 상태에서 초전도 직류 케이블의 연면 절연특성을 최적화한 효과를 제공한다.
도 1 및 2는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 DC 케이블용 조인트 박스의 절연구조의 단면도이고,
도 3은 에폭시 샘플의 연면방전용 전극계를 나타낸 도면이고,
도 4는 에폭시층, PPLP층, 에폭시+PPLP층으로 이루어진 절연구조의 각 연면 방전특성을 나타낸 그래프이고,
도 5는 적층된 PPLP의 연면 방전용 전극계를 나타낸 도면이고,
도 6은 MD 및 CD 방향에 따른 DC 및 임펄스 연면 방전전압의 연면거리 의존성을 나타낸 그래프이고,
도 7은 MD 및 CD 방향에 따른 PPLP의 표면을 나타낸 사진이고,
도 8은 비적층 및 적층 PPLP의 DC 연면 방전 전압을 나타낸 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초전도 DC 케이블용 조인트 박스의 절연구조를 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 절연구조(100)는 초전도 DC 케이블용 조인트 박스(10) 내부에 배치되며, 조인트 박스(10)의의 내부에는 조인트박스(10)를 극저온 상태로 만들기 위한 액체질소가 충진된다. 액체질소에 의해 조인트 박스(10)의 내부에 배치되는 초전도 DC 케이블(30)은 저항이 0에 가까워진다.
조인트 박스(10) 내부에 배치되는 절연구조(100)는 접속도전재(110)와, 에폭시절연층(130)과, 에폭시절연층(130)을 둘러싸는 폴리프로필렌 라미네이트지층(150, Polypropylene laminated paper, 이하, PPLP층)으로 이루어진다.
접속도전재(110)는 긴 와이어 형상으로 이루어지며, 접속도전재(110)의 양단에는 초전도 DC 케이블(30)의 단부가 각각 접속된다. 초전도 DC 케이블(30)이 접속되면 한 쪽의 초전도 DC 케이블(30)에서 흐르던 전기가 접속도전재(110)를 지나 다른 초전도 DC 케이블(30)로 흐를 수 있게 된다. 여기서 접속도전재(110)는 구리(Copper), 텅스텐(Tungsten), 스테인레스스틸(Stainless steel), 티타늄(Titanum), 알루미늄(Aluminum), 철(Iron), 니켈(Nickel), 크로뮴(Chromium), 몰리브덴(Molybdenum), 은(silver), 금(Gold), 백금(Platinum) 등과 같이 도전성이 좋은 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
접속도전재(110)의 외주면에는 접속도전재(110) 주위를 절연시키기 위한 에폭시절연층(130)이 형성된다. 에폭시절연층(130)은 에폭시(Epoxy)에 산화규소(Silicon oxide, SiO2)가 55 내지 65wt% 함유된 것을 사용한다. 여기서 산화규소가 55wt% 미만일 경우 에폭시절연층(130)이 깨지거나 성형이 용이하지 않으며, 산화규소가 65wt% 초과할 경우 액체질소에 의해 형성되는 극저온에 잘 견디지 못한다.
에폭시절연층(130)은 와이어 형상의 접속도전재(110)의 길이방향에서 중앙영역이 가장 두꺼운 두께로 이루어지며, 중앙영역에서 접속도전재(110)의 길이방향을 따라 멀어질수록 에폭시절연층(130)의 두께가 경사지게 감소하도록 형성된다. 에폭시절연층(130)의 두께가 경사지게 감소하게 되면 경사진 영역에 PPLP층(150)이 적층될 수 있다. 경우에 따라서 도 2와 같이 에폭시절연층(130')은 계단상으로 경사지게 형성되며, PPLP층(150')은 에폭시절연층(130')의 계단상을 따라 PPLP층(150') 역시 계단상으로 적층될 수 있다. 이와 같이 계단상으로 형성될 경우 연면 절연특성이 더 우수해진다.
에폭시절연층(130)의 경사진 영역을 따라 형성되는 PPLP층(150)은 에폭시 절연층(150)의 외주면을 둘러싸면서 경사지게 적층된다. PPLP층(150)은 크래프트지(Kraft paper)와 폴리프로필렌(Polypropylene)을 압착시켜 성형한 것으로, 크래프트지는 섬유의 방향성을 가지고 있다.
이와 같은 PPLP층(150)은 접속도전재의 길이방향에 대해 단부영역에서부터 중앙영역으로 축선을 따라 랩핑되며, PPLP층(150)을 적층하기 위해 중앙영역에서 다시 단부영역으로 PPLP층(150)을 랩핑한다. 이와 같이 랩핑하는 과정을 반복하여 PPLP층(150)이 도면과 같이 적층되도록 한다. PPLP층(150) 랩핑과정에서 PPLP층(150)은 서로 오버랩핑되어 적층되는 것이 바람직한다. 오버랩핑될 경우 연면 절연특성이 커진다는 장점이 있다.
또한 PPLP층(150)을 에폭시절연층(130)에 적층시킬 때 크래프트지의 섬유방향과 접속도전재(110)의 길이방향이 수직하도록 적층시키는 것이 바람직하다. PPLP층(150)과 접속도전재(110)의 길이방향이 수직하도록 적층시킬 경우 초전도 DC 케이블(30)에서 발생하는 전기가 PPLP층(150)으로 전달될 때 크래프트지의 섬유방향에 대해 수직방향으로 전달되기 때문에 전기의 전달이 용이하지 못하기 때문에 연면 절연특성이 우수해진다.
PPLP층(150)은 적층되는 PPLP층(150)의 사이에 생기는 공간인 버트갭(Butt-gqp)을 더 포함할 수 있다. Butt-gap은 PPLP층(150)을 오버랩핑하여 초전도 DC 케이블(30)에 감을 때 상부층과 하부층 사이에 생기는 미세한 공간을 말하며, 이와 같은 Butt-gap이 존재할 경우 PPLP층(150)으로 전달되는 전기가 미세 공간에 의해 일부 방전될 수 있다. 따라서 Butt-gap은 절연구조에 있어서 절연 특성에 영향을 준다.
PPLP층(150)은 100 내지 150㎛의 두께를 가진다. 만약 PPLP층(150)이 100㎛ 미만일 경우 PPLP층(150)이 끊어질 우려가 있으며, 150㎛를 초과할 경우 오버랩핑하여 PPLP층(150)을 적층되는 수가 원하는 만큼 나오지 못할 수도 있다.
이와 같은 초전도 DC 케이블(30)용 조인트 박스(10)의 절연구조(100)에 대한 연면 절연특성을 확인하기 위해 다음과 같은 실시예를 통해 실험을 실시하였다. 여기서 실시예는 에폭시샘플의 연면방전용 전극계를 사용하였다.
<실시예 1>
1) 에폭시층으로 이루어진 절연구조 : 초전도 DC 케이블용 절연재료로는 에폭시를 사용하며, 여기서 에폭시는 산화규소 필러가 60wt% 함유된 것이다. 도 3은 에폭시 샘플의 연면방전용 전극계를 나타낸다. 도면에서 보는 바와 같이 에폭시 샘플(200)은 58mm의 직경을 갖는 원통형 폼으로 제작되었다. 이와 같은 에폭시 샘플(200)에 원통-원통 전극(210)을 에폭시 표면을 둘러싸도록 부착하였다.
2) PPLP층으로 이루어진 절연구조 : PPLP 시험을 위해서 원통형 에폭시 샘플 위에 PPLP를 감고 그 위에 알루미늄 전극을 부착하였다. 여기서 PPLP는 두께가 119㎛인 것을 사용한다.
3) 에폭시 + PPLP층으로 이루어진 절연구조 : 에폭시-PPLP 복합시험에서는 알루미늄을 전극을 에폭시에 부착하고 그 위에 PPLP를 감았다.
이와 같은 각 절연구조 샘플에 DC 및 임펄스 연면 방전전압을 각각 인가하였다.
전극(210)이 설치된 샘플(200)을 건조기에서 건조시킨 후 샘플 홀더(Sample holder)에 고정시켰다. 샘플홀더는 저온용기(Cryostat)에 부착된 고압부싱의 하부에 부착되었다. 여기에 상용의 액체질소가 도입된 후, 대기압 -0.4MPa의 압력하에서 시료의 전극간에 DC 및 임펄스 전압이 인가되었다. 절연파괴 및 연면방전 전압은 주어진 조건에서 10 내지 15회 시험을 행했다. 고전압 인가를 위하여 DC는 최대전압 100kV의 전원장치를 이용하여 2kV/sec의 속도로 전압을 상승시켰으며, 임펄스는 15KJ 용량, 최대전압 400kV의 1.2×50㎲ 파형을 갖는 표준임펄스를 사용하였다.
도 4는 0.4MPa 하에서 1)에폭시층, 2)PPLP층 및 3)에폭시+PPLP층으로 이루어진 절연구조의 연면 방전특성을 나타낸다. PPLP 시트가 액체질소 0.4MPa 하에서 포화되기 때문에 본 실험도 동일한 조건으로 0.4MPa에서 측정되었다. 도 4a와 같이 DC 테스트의 연면 방전길이는 각각 4, 6, 8mm, 도 4b와 같이 임펄스의 경우 8, 12, 16mm이다. 이 실험에서는 DC 전원 최대값을 한계로 인하여 DC 연면길이가 제한되었다. 도면에서 보는 바와 같이 DC 및 임펄스 연면 방전전압은 3)에폭시+PPLP층, 1)에폭시층, 2)PPLP층 순으로 높았다. 이는 에폭시층과 PPLP층 사이 계면의 접촉면 증가로 인하여 연면 방전의 진행이 더디기 때문이다. 이 결과는 3)에폭시+PPLP층의 복합구조가 케이블 조인트 박스의 절연설계에 있어서 절연특성이 높은 것으로 확인된다.
<실시예 2>
PPLP의 경우 PPLP에 포함된 크래프트지는 섬유방향의 평행방향(Macine direction, MD) 및 섬유방향의 수직방향(Cross direction, CD)과 같이 두 가지 다른 방향성을 가진다. 이를 확인하기 위해 다음과 같은 시험을 실시하였다. 도 5는 적층된 PPLP의 연면 방전용 전극계를 나타낸 것이다. 경사를 갖지 않는 적층된 PPLP(300)를 직경 75mm의 원형 보빈에 다층으로 감고 여기에 전극계(310)를 설치하였다. 전극계(310)는 알루미늄의 침(선단각도 : 30o)-평판전극이다.
도 6a 및 도 6b는 PPLP(300)의 MD 및 CD 방향에 따른 DC 및 임펄스 연면 방전전압의 연면거리 의존성을 나타낸다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 어느 경우에나 연면 방전전압은 연면거리에 따라 선형적으로 증가하며, PPLP(300)의 CD 방향의 임펄스 연면 방전전압이 MD의 경우보다 높음을 알 수 있다.
도 7은 임펄스 전압 하에서 연면 방전 후의 카메라를 사용하여 얻어진 MD 및 CD 방향에 따른 PPLP(300)의 표면 사진을 나타낸다. 표면의 손상은 육안으로 확인할 수 있었다. 도 7a에서 확인할 수 있는 바와 같이 MD 방향의 경우 연면 방전 흔적은 전극방향으로의 열화흔적이 표면에 관찰되었으나, 도 7b와 같이 CD의 경우 크랙 혹은 심하게 파단되어 PPLP(300)가 손상됨을 확인하였다. 이들의 결과는 MD의 경우 PPLP(300)에 포함된 크래프트지의 섬유방향에 수평방향으로 방전이 진전되어 열화된 반면, 섬유방향의 직각으로 진전되어 섬유가 파손되고, PPLP(300) 표면이 파단된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 PPLP(300)의 CD방향의 임펄스 연면 방전전압이 MD의 경우보다 높은 것은 섬유방향의 직각으로 방전이 지그재그로 진전되기 때문에 방전경로가 MD의 경우보다 길어지기 때문이다.
<실시예 3>
PPLP를 적층한 것과 PPLP를 적층하지 않은 것의 각각 연면 방전전압을 확인하고 이를 비교하였다. 적층 PPLP의 표면의 조도는 표면 조도계(Mitutoyo, SJ-201)로 측정하였으며, 평균 표면조도는 적층한 경우는 26.15㎛, 적층하지 않은 경우는 2.84㎛이다.
도 8은 비적층 PPLP 및 적층 PPLP의 DC(+)의 연면 방전전압을 각각 나타낸 그래프이다. 적층 PPLP의 DC(+) 연면 방전전압은 비적층 PPLP의 연면 방전전압보다 1.2배 정도 높음을 알 수 있다. 이는 PPLP 표면 조도의 증가로 인해 연면길이가 길어지고, 이로 인해 연면 방전전압이 향상된 것이다. 따라서 본 발명의 에폭시-PPLP 복합계에서 적층된 PPLP의 연면절연 특성이 매우 향상된다.
이와 같은 실험을 통해 본 발명의 초전도 DC 케이블용 조인트 박스(10)의 절연구조는 에폭시절연층(130)과 PPLP층(150)을 포함하고 있으며, 특히 PPLP층(150)이 적층되어 있기 때문에 연면 절연특성이 높을 것으로 기대된다. 또한 PPLP층(150)은 섬유방향이 접속도전재의 길이방향에 수직으로 배치할 경우 섬유방향의 수직으로 방전이 지그재그로 진전되기 때문에 이 또한 연면 절연특성이 높을 것으로 기대된다.
10: 조인트 박스
30: 초전도 DC 케이블
100: 절연구조
110: 접속도전재
130, 130': 에폭시층
150, 150': PPLP층
200: 에폭시 샘플
210: 전극
300: PPLP
310: 전극계

Claims (8)

  1. 내부에 액체질소가 충진된 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조장치에 있어서,
    상기 조인트 박스 내부에 배치되어 양단에 상기 초전도 직류 케이블이 접속되는 접속도전재와;
    중앙영역이 가장 두꺼운 두께를 가지며 중앙영역에서 상기 접속도전재의 길이방향을 따라 멀어질수록 두께가 경사지게 감소하도록 상기 접속도전재의 외주면을 둘러싸는 에폭시절연층과;
    상기 에폭시절연층의 외주면을 둘러싸며 경사지게 적층되는 폴리프로필렌 라미네이트지(PPLP)층을 포함하며,
    상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 상기 접속도전재의 축선을 따라 오버랩핑 형태로 적층되며,
    상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 크래프트지와 폴리프로필렌을 압착시켜 형성하며,
    상기 크라프트지의 섬유방향과 상기 접속도전재의 길이방향이 수직하도록 상기 폴리프로필렌 라미네이트지층을 상기 에폭시절연층에 적층하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에폭시절연층은 계단상으로 경사지게 형성되며,
    상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 상기 에폭시절연층의 계단상을 따라 계단상으로 적층되는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 에폭시절연층은 55 내지 65wt%의 산화규소(SiO2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 100 내지 150㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리프로필렌 라미네이트지층은 상기 폴리프로필렌 라미네이트지층 사이에 생기는 공간인 버트갭(Butt-gap)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 접속도전재는,
    구리(Copper), 텅스텐(Tungsten), 스테인레스스틸(Stainless steel), 티타늄(Titanum), 알루미늄(Aluminum), 철(Iron), 니켈(Nickel), 크로뮴(Chromium), 몰리브덴(Molybdenum), 은(silver), 금(Gold), 백금(Platinum) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블용 조인트 박스의 절연구조장치.
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