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Thermal Characteristics Analysis by Ambient and Operating Temperature according to the Kinds of Terminations in Underground Power Cable Systems

지중송전케이블 종단접속함 종류에 따른 외기 및 운전온도에 의한 열특성 분석

  • Received : 2015.05.06
  • Accepted : 2015.07.27
  • Published : 2015.08.01

Abstract

This paper describes the thermal characteristics of underground power cable system terminations according to the change of ambient temperature as well as operating temperature. Recently, the failure has been gradually increasing in outdoor termination during winter season because the power demand was increased by electricity heating system. The power demand and outdoor temperature is difference between day time and night time. The temperature difference has an influence on conductor extension and shrinkage due to conductor force as well as thermal mechanical characteristics. These phenomena have daily repeated during heating and cooling period of conductors. In these cases, the insulation of outdoor terminations might be degraded by the reduced interface pressure surrounding stress relief cone. Therefore, in this paper, the thermal characteristics are variously analysed by simulation considering power demand and ambient temperature condition during winter season at epoxy type termination as well as slip-on type termination

Keywords

Comsol;Failure;Outdoor termination;Underground power cables

1. 서 론

2001년 이후 지중송전케이블 고장발생 현황 분석결과, 최근 2010년까지 연 평균 고장건수는 3.9건인데 반해 2011년 이후 3년간 고장발생건수는 8.6건/년으로 연평균 대비 2.1배가 증가하고 있다. 또한 2011년 이후 고장을 분석하면 동계 시즌에 발생한 고장의 비율이 40%로 많은 비중을 차지하고 있는 것이 특징이다. 특히 케이블의 종단접속함인 EBG(End Box in Gas)와 EBA(End Box in Air)에서 발생하는 고장은 2011년 이후 수십 건으로 고장발생이 급증하였고, 이 중 대부분은 동절기에 발생하였다. 따라서 동절기에 나타나는 종단접속함의 환경적 변화에 따른 특성을 세밀히 분석하고 안정적인 전력공급을 위한 보호대책이 시급히 요구되고 있다. 동절기에는 부하 급증으로 주간에는 도체온도가 상승하는 반면 야간에는 부하 감소 및 외기온도 급강하로 주간과 야간사의 온도차가 크게 발생하며 이는 외부에 위치한 케이블 종단접속함에서는 온도차에 의한 열 수축·팽창이 발생하여 스트레스콘 주위의 계면압력에 영향을 미칠 수 있다[1-3].

실제로 동절기에 발생한 고장 사례를 통해 분석해 볼 때 그림 1에서처럼 고장발생일(원형 도형으로 표시) 2∼3일 전부터 외부온도는 급격히 떨어졌으며 고장발생 일에도 온도는 직전 보름동안의 온도를 기준으로 낮은 편에 속했다. 또한 그림 2의 부하 분석에서도 9월~10월 대비 동절기에 약 20%의 부하가 상승했으며, 1년 전 동절기 부하에 비해서는 고장발생 일에 약 60%의 부하가 상승하였음을 알 수 있다. 최근 3년간 종단접속함에서 발생한 동절기 고장의 특성은 대부분 그림 1 ~ 그림 2의 특성과 유사하다.

그림 1동절기 고장 사례분석(고장발생시 외기온도) Fig. 1 Failure analysis during winter season(ambient temperature when the fault occurred at the termination)

그림 2동절기 부하분석(○○ T/L) Fig. 2 Load flow during winter season

해외에서도 접속함의 열-기계적 특성에 대한 연구가 다양하게 이루어지고 있으나 주로 배전급 전압 케이블을 대상으로 하고 있으며[1], 송전급 전력케이블에서도 부하의 온도변화 조건에서만 검토가 되고 있다[2]. 현재까지 국·내외에서 동절기 외기온도와 부하 변화를 복합적으로 고려하여 케이블 종단접속함의 열 특성을 검토한 사례는 없다.

따라서 본 논문에서는 지중 케이블 종단접속함 종류에 따라 열적 모델링을 수립한 후 부하 및 외기온도 변화에 따라 나타날 수 있는 종단접속함 내부 온도 분포를 다양하게 분석하였으며, XLPE(Cross Linked Polyethylene) 절연체와 스트레스콘과의 계면부, 에폭시 부싱과 스트레스콘과의 계면부에서 나타나는 온도 변화가 절연파괴로 이어지는 메커니즘에 대해 분석하였다.

 

2. Thermal-mechanical 특성 분석

본 논문에서는 부하전류 및 외기온도 변화에 따른 지중케이블 종단접속함 내부 Thermo -Mechanical 특성에 대한 분석을 시행하였다. 식 (1)에서는 부하변동에 따른 Conductor Force를 수식으로 나타내었다. 식 (1)에서처럼 기계적인 힘[N]은 도체의 단면적 및 열팽창 계수 및 온도 차이에 의해 결정되는 것을 알 수 있으며, 여기서 온도차(ΔT)는 무부하시 온도와 부하시 도체온도의 차이를 의미한다[1-2].

여기서,

식 (1)에서 동의 열팽창 계수를 2×10−5[℃−1], 도체 단면적 2,000[mm2], 종 탄성계수(영율, E)을 50[N/m2]로 가정했을 때 100% 부하에서 도체 기계적인 힘은 180[kN]이 된다. 종 탄성계수(영율)은 일반적으로 Stress와 Strain의 비로 표현된다. 어떤 물 체에 힘을 가할 경우 그 물체에는 힘이 가해지는 방향과 수직인 단면적에 대해 하중이 전달되며, 이 때 하중을 Stress(σ, F/A)라고 한다. 또한 하중이 가해질 때 물체가 변형이 되는데 원 길이에 대한 길이 변화량을 Strain(β, ΔL/L)이라고 한다. 일반적으로 Stress와 Strain은 선형적인 관계를 가진다. 물체에 하중을 가한 후 하중을 제거할 때 원래 상태로 복귀하는 특성이 있는데 이를 탄성이라 한다. 그러나 가해진 하중이 탄성 영역 이상으로 가해질 경우(항복강도 이상의 하중) 더 이상 원상태로 복귀가 안되는소성 변형이 일어날 수도 있다. Stress와 Strain의 선형적 관계는 물질의 탄성영역 내에서만 성립하므로 종 탄성계수(영율)을 연신탄성율이라고도 한다. 영율은 물체의 굵기나 길이와는 관계없이 물질에 따라 정해진 값으로 물질의 특성이다. 영율은 압력이 그 물질의 항복강도를 초과하지 않는 한도 내에서 늘어나거나 줄어든 길이를 계산하는데 사용된다.

여기서,

또한 식 (3)은 온도변화에 따른 케이블 신축량을 계산하는 수식이다. 식에서처럼 신축량(ΔL)은 도체 열팽창 계수 및 온도 차이에 의해 결정됨을 알 수 있다.

여기서,

즉, 10m 케이블에 온도차가 90℃ 일 때 신축량은 18mm 이다. 그림 3에서는 온도차 대비 신축량을 계산한 결과를 보여준다. 그림에서처럼 신축량은 온도차에 비례하여 증가한다.

그림 3온도차에 따른 도체 신축량 Fig. 3 Conductor extension by temperature difference

실계통 고장사례를 볼 때 케이블 열신축에 의한 9mm의 축력이 발생할 경우 스트레스콘 상부에 비하여 하부 및 케이블 절연체 계면간에 응력 집중에 의한 변위가 많이 발생하며, 이 경우 스트레스콘 상부 및 케이블 절연체 계면압력은 저하될 가능성이 있다.

또한 실제 동절기에 발생한 고장은 대부분 부하 및 외기온도가 저하된 환경 조건에서 발생 하였다. 즉, 부하전류 상승에 의한 케이블 팽창(신장)시가 아닌 부하 및 외기 온도 저하에 의한 케이블 수축 시에 발생한 것이다. 이는 부하 상승시 케이블 및 스트레스콘의 열 팽창으로 계면압력이 상승하고, 반대로 부하 및 외기온도 저하시는 열 수축으로 계면압력이 저하된다. 결국 고장은 이러한 과정을 반복하면서 계면압력 저하시 스트레스콘 계면 등에 공극이 발생하거나 절연성능을 저하시켜 고장을 발생시킬 수 있을 것으로 사료된다.

 

3. 지중송전 종단접속함 열특성 해석

본 논문에서는 부하전류 및 외기온도 변화에 따른 종단접속함 내부 스트레스콘 및 부속품의 열전달 및 온도분포 등 다양한 열해석을 시행하였으며, 열특성 분석 등을 위해 대표적으로 사용되는 시뮬레이션 프로그램인 COMSOL을 이용하였다.

그림 4에서는 에폭시와 슬립온 타입의 종단접속함 열특성 모델을 나타내었으며, 도체온도(Tcon)와 외부 온도조건(Tout) 변화에 따른 접속한 내부 온도변화 특성을 분석하였다. 여기서 에폭시 타입의 스트레스콘 재질은 각각 EPDM과 실리콘(SIR)으로 구분하였다.

그림 4종단접속함 종류별 열특성 모델 Fig. 4 Thermal characteristics model by EBA types

표 1에서는 도체온도와 외기온도 조건을 고려한 검토케이스를 나타내었다. Case 1과 Case 2에서는 도체온도는 XLPE 절연체 특성을 고려하여 90℃로 하였고, 각각 외기온도는 0℃와 10℃이다. 또한 Case 3는 도체온도 50℃, 외기온도 −20℃의 조건으로 부하와 외기온도가 저하되는 조건을 고려한것이다. 외기온도는 자연 대류 냉각조건을 적용하였으며 열전달 계수는 25[W/m2·K]을 적용하였다.

표 1지중송전 종단접속함 열특성 해석 검토 케이스 Table 1 Study cases for EBA thermal characteristics analysis

그림 5는 종단접속함 열특성 해석모델에서 도체, 절연체, XLPE~스트레스콘 계면, 에폭시~스트레스콘 계면의 측정부위를 나타내었다. 그림 6은 Case 1 ~ Case 3의 온도조건으로 해석한 각 모델의 열분포 해석결과이다. EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer)과 실리콘(SIR) 모델은 몸체 고정을 위한 플랜지와 맞닿은 금속 전극이 내부로 연결되어 있으며, 열전도율이 높아 외부의 낮은 온도가 안쪽까지 분포하는 특징이 있다. 또한 모든 Case에서 에폭시~스트레스콘 계면부에는 실리콘이 약간 높은 반면, XLPE~스트레스콘 계면부는 EPDM이 약간 높음을 알 수 있다. 이는 EPDM의 열전도율 0.714[W/(m.k)]와 실리콘의 열전도율 0.31[W/(m.k)]의 차이와 더불어 도체 및 외기온도에 의한 영향이 XLPE 및 에폭시 계면부에 미치는 영향이 다르기 때문으로 사료된다.

그림 5종단접속함 내부 측정부위 Fig. 5 Internal measurement part of EBA

그림 6Case별 에폭시 타입 열특성 분석 결과 Fig. 6 Thermal characteristics analysis results of epoxy types

그림 7(a)에서는 Case 1에 대한 열특성 분석 결과를 나타내었다. 그림에서처럼 도체온도 90℃에서 스트레스콘 내측 까지 50℃~60℃ 까지 열 전달이 되는 것을 알 수 있다. 그림 7(b)의 단위mm당 온도차 분석에서는 에폭시 타입에서는 스트레스콘 끝단에서 온도차가 발생한다. 온도차는 단위 길이당 온도의 편차를 나타내는 값으로 주변 온도변화시 우선적으로 온도변화가 급격히 일어나는 지점을 효과적으로 확인이 가능하다. 전체적으로 mm당 2 ℃ 미만의 온도차를 보여주나 에폭시 타입의 경우 스트레스콘 주변에 상대적으로 높은 온도차가 나타나는 부분이 존재하였다. 슬립온 타입에서는 스트레스콘 주변에서 온도차가 발생하지 않는다.

그림 7Case 1에 대한 열특성 분석 결과 Fig. 7 Thermal characteristics analysis of Case 1

그림 8(a)에서는 Case 2에 대한 열특성 분석 결과를 3D로 나타내었다. 그림에서처럼 외기온도에 의한 영향으로 스트레스콘 외부 재질의 온도 분포는 약간의 차이가 있지만 스트레스콘 내측의 온도는 Case 1과 유사하게 나타났다. 아울러 그림 8(b)에서처럼 단위 mm당 온도차 분석의 경향도 Case 1과 마찬가지로 에폭시 좌 타입에서는 스트레스콘 끝단에서 온도차가 발생하고 있으나, 슬립온 타입에서는 스트레스콘 주변에서 온도차가 발생하지 않았다.

그림 8Case 2에 대한 열특성 분석 결과 Fig. 8 Thermal characteristics analysis of Case 2

그림 9(a)에서는 Case 3에 대한 분석 결과에 대한 3D 화면이다. Case 3는 도체온도가 50℃이고 외기온도 −20℃인 조건으로 스트레스콘 주위 온도는 20℃를 유지하고 있으며, Case 1과 Case 2와 비교하여 30℃ ~ 40℃의 온도차가 발생함을 알 수 있다. 한편 에폭시 타입과 슬립온 타입의 스트레스콘 주위 온도를 비교한 결과 에폭시 타입의 종단접속함이 슬립온 타입에 비해 외기온도에 영향을 더욱 많이 받는 것으로 나타났다.

그림 9Case 3에 대한 열특성 분석 결과 Fig. 9 Thermal characteristics analysis of Case 3

그림 10에서는 종단접속함 종류별 내부 열특성, 즉 온도차 분석 결과를 나타낸 것이다. 그림에서처럼 도체 및 XLPE 절연체의 온도차가 가장 크게 나타났으며, 에폭시 계면부는 XLPE 계면부에 비해 온도의 차이가 낮았다. 즉, 스트레스콘과의 계면에서 온도 차이에 따른 열 수축·팽창의 영향은 에폭시 계면보다 XLPE 계면에서 주로 나타남을 알 수 있다. 따라서 XLPE와 스트레스콘의 계면이 에폭시 계면에 비해 고장에 취약하다.

그림 10부하 및 외기온도 변화에 따른 종단접속함 내부 온도차 분석 Fig. 10 Temperature difference analysis of EBA according to the change of load and ambient temperature

이처럼 부하전류 및 외기온도 변화에 따라 Thermo- Mechanical Force가 결정이 되고 이로 인해 지중케이블 종단접속함에 고장이 발생하는 메커니즘은 그림 11과 같이 예상 할 수 있다. 종단접속함은 주로 외기에 노출되므로 전력구 또는 맨홀에 설치되는 중간 접속부에 비해 외기온도의 영향을 직접적 받게되며 온도차가 클수록 도체 신축량도 증가하게 된다. 이는 접속부 계면의 압력변화 및 과열에 영향을 준다. 특히 접속부의 계면압력은 부하 및 외기온도 변화에 따라 매일 팽창과 수축을 반복하게 되므로 압력이 상승하는 팽창기 보다는 압력이 저하되는 수축기에 계면에서 방전이 발생할 가능성이 높으며, 방전이 지속되면 결국 케이블의 절연파괴로 이어진다. 또한 그림 10과 같이 스트레스콘 계면 중 온도차가 크게 나타는 XLPE 계면에서 고장이 발생할 가능성이 높은 것을 알 수 있다.

그림 11Thermo-mechanical에 의한 절연파괴 발생 메커니즘 Fig. 11 Breakdown mechanism by thermo-mechanical

사실 국내에서 일반적으로 사용하는 154kV 및 345kV 케이블과 접속함의 Thermo-mechanical 특성은 각각 IEC 60840[4]과 IEC 62067[5]을 기반으로한 Type Test 과정에서 검증이 된다[6-7]. 그러나 IEC 규격에서 규정하고 있는 주변온도 시험조건은 20℃±15℃(5℃~35℃)로 그림 11에서 보여주는 바와 같이 국내 동절기 주변온도 조건을 고려할 수가 없다. 그림 12에서처럼 IEC 규격의 시험조건에 비해 실제 동절기조건을 고려한 온도차(ΔT)는 더욱 크게 나타므로 이에 따른 Thermo-mechanical 특성은 더욱 가혹하게 나타난다.

그림 12IEC기준/동절기조건별 Type Test 조건 Fig. 12 Type Test Conditions of IEC standard and winter season

이는 동절기에 부하가 상승하고 야간에는 외기온도가 급감하는 등 계통운전 및 외부환경에 대한 조건이 IEC에서 규정하고 있는 조건보다 더욱 가혹한 조건임을 알 수 있으며, 현재 운전 중인 케이블 및 접속함도 이러한 가혹한 조건에서 신뢰성이 검증되지 못했다. 따라서 향후 지중케이블 종단접속함에서 발생 가능한 고장을 예방하기 위해 본 논문에서 검토한 내부온도와 온도차 등 외기 및 운전온도에 따른 열특성 분석을 기반으로 Type Test 조건을 더욱 가혹하게 유지할 필요가 있다.

 

4. 결 론

본 논문에서는 종단접속함의 종류 및 매질 특성에 따른 열해석 모델을 수립하고, 부하 및 외기온도 조건을 고려한 검토 케이스를 설정하여 종단접속함 내부 열특성을 해석하였으며, 본 논문의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

1) EPDM과 실리콘을 고려한 스트레스콘 매질에 따른 분석결과 모든 케이스에서 에폭시-스트레스콘 계면부에서는 실리콘, XLPE-스트레스콘 계면부에서는 EPDM이 약간 높았다. 이는 매질에 따른 열전도율과 도체 및 외기온도가 매질에 따라 미치는 영향이 다르기 때문이다. 2) Case 1, 2에서 스트레스콘 재질에 따라 외기온도 영향이 있었지만 미미했으며 도체온도는 유사했다. Case 3는 Case1, 2에 비해 30~40℃의 온도차가 더 나타났으며 에폭시 타입이 슬립온 타입에 비해 외기온도 영향이 더욱 크게 나타난다. 3) 스트레스콘과 계면사이 열수축, 팽창의 영향은 에폭시와의 계면에 비해 XLPE와의 계면에서 더욱 가혹하다. 4) 외부에 설치된 종단접속함의 계면압력은 부하상태 및 외기 온도 변화에 따라 접속함 내부에서 수축과 팽창을 매일 반복하게 되며, 온도차가 크게 나타나는 XLPE와 스트레스콘 계면에서는 압력이 상승하는 팽창기 보다는 수축기에 공극 등의 발생으로 인해 절연성능이 저하되고 방전이 발생할 가능성이 매우 높다. 5) 케이블 및 접속함의 성능을 평가하는 IEC 기반 Type Test 과정에서 Thermo-mechanical에 대한 기본 특성은 검토가 되나, IEC에서 규정하고 있는 시험조건은 국내 동절기에 나타나는 외기온도 조건을 고려할 수 없다. 실제로 국내 동절기 조건을 고려한 온도차(ΔT)는 IEC에 규정하고 있는 조건보다 가혹하다.

이처럼 동절기 부하상승과 심야 외기온도 급감 등 계통운전과 외부환경 변화는 IEC 규격을 통한 신뢰성 검증이 어려운 만큼 지중케이블 종단접속함 고장 예방을 위해 Type Test 조건을 더욱 강화할 필요가 있다고 사료되며, 이의 실질적인 검증을 위해 본 논문에서는 외기온도 및 운전온도 변화에 따른 종단접속함 내부 열분석 분석결과를 바탕으로 실규모 케이블 및 접속함에 대한 실증시험을 지속적으로 수행하여 실증을 통한 동절기 종단접속함의 고장원인 검증 및 이의 실질적인 예방대책을 수립할 예정이다.

References

  1. IEC 62067, Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 150kV up to 500kV - Test methods and requirements, IEC, 2006. 03
  2. KEPCO,“Underground Transmission Cable System”, 2002. 12.
  3. KEPCO, “345kV/154kV XLPE Fiber-Optic Power Cable and Joint”, 2007. 8
  4. Chae-Kyun Jung et al., “ A Study on Thermal- Mechanical Characteristics of KIEE Summer Conference Proceedings, 2014. 7
  5. IEC 60840, Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30kV up to 150kV - Test methods and requirements, IEC, 2004. 04
  6. Fred Steennis et al., “The Thermo Mechanical Behavior of Joint in MV Cable Systems Exposed to High Current Load”, 2011 Jicable, 2011.6
  7. Nagata.Tatsuya, “Study about Long-term Reliability of Interface Structure in a Prefabricated Joint for CV Cables”, Results of Research Activities of Chuden, No. 86. 2000.9