고온 도체의 사용에 대한 고찰

편집자 : R. Stephen

들어가는 말

많은 나라에서 수년간 새로운 전력선을 건설하지 못하고 있으며 앞으로 더 어려워 질 것이다. 이에 반해, 같은 기간 동안에 전력 소비는 꾸준히 증가해왔으며 이로 인해 송전 용량의 증대가 필요하다. 송전 용량을 증대하는 방법 중 하나는 새로운 도체로 송전선을 교체하는 것이다. 이 방법은 현재 사용 중인 도체보다 더 큰 도체를 사용하거나 같은 직경을 가진 도체를 사용한다. 기존 것보다 더 큰 도체를 사용함으로서 열 등급을 올리면 빙설 하중과 풍압하중 그리고 장력이 늘어날 것이다. 현재의 도체에 큰 하중을 주면서 보강하지 않는다면 송전선의 신뢰도는 낮아지게 될 것이다.

기존의 것과 거의 같은 직경이나 고온에서 견딜 수 있는 도체를 사용함으로서 열 등급을 올리면 이도의 수정 없이 사용할 수 있다. 적게 휘는 도체는 기존의 전력선에서 최소의 보강만으로 열 등급을 올릴 수 있다. 도체 교체의 가장 효과적인 방법은 현재 전력선의 상태에 달려있다. 열 등급을 50%이상 증가시킬 수 있는 방법이여야만 사용 가능하다.

보고서는 세계적으로 널리 사용되며, 대량 생산이 가능하고, 이미 검증된 고온 도체에 관한 것이며, 애자와 지지용 금구류에 미치는 영향에 대해서도 다루었다. 또한 이러한 도체에 사용되는 금구류의 형태에 대해서도 나타내었다. 보고서는 Cigre Working Group 12(electrical aspects), 03(insulators), 11(mechanical aspect of conductors)에 의해 작성되었다.

고온 도체의 종류

고온도체는 100℃이상에서도 동작할 수 있으며 사고 시에는 150℃에서도 동작할 수 있도록 만들어졌다. 현재 대량생산이 가능한 것들은 표1에 나타내었다.

ACSS	Aluminium Conductor, Steel supported
ACSS/TW	Trapezoidal shaped strands, Aluminium Conductor, Steel Supported
G(Z)TACSR	GAP Type Super Thermal Resistant Aluminium Alloy, Steel Reinforced
KTACSR	High Strength Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Steel Reinforced
TACSR	Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Steel Reinforced
ZTACSR	Super Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Steel Reinforced
ZTACIR	Super Thermal Resistant Aluminium Alloy Conductor, Invar Reinforced (STACIR로 알려져 있음)

표1. 고온 도체의 종류

고온 도체의 사용이 애자에 미치는 영향

고온 도체의 사용으로 발생하는 높은 온도는 애자의 성능에 영향을 일으킬 것이다. 이번 장에서는 그러한 영향과 성능 시험, 그리고 해결방안에 대해서 다루었다.  보고서는 애자가 고온에 의해서 받는 전기적인 영향은 고려하지 않고 기계적인 영향에 대해서만 고려하였다. 전기적인 영향은 다루진 않았지만 도체로부터 전도되거나 도체 온도에 의해 뜨거워진 기류에 의한 열로 인해 애자 표면의 수분 조건이 바뀌는 것을 생각해 볼 수 있다. 이러한 영향은 애자가 국부적인 건조 밴드아크 작용(dry band arcing activity)을 일으킬 수 있다.

고온이 애자에 미치는 영향

도체 온도는 도체 클램프, 링크, 쉐클, 애자 본체의 온도에 영향을 미칠 것이다. 영향의 범위는 애자의 성능에 달려있다. 제조사는 일반적으로 애자의 최대 동작 온도를 명시한다. 자기애자, 유리애자, 핀애자를 사용시에 일반적으로 캡과 핀과 애자 외형을 함께 유지하기위해 사용되는 시멘트의 안정한 동작을 위한 상한 값이 명시되어있다. 상한 값은 유황 시멘트의 경우엔 대략 60℃이고, 포틀랜드와 알루미나 시멘트의 경우엔 100℃정도이다. 긴 막대(long-rod) 자기 애자의 본체에 캡을 고정하기 위해 사용되는 납과 안티몬 합금도 안정한 동작을 위한 한계 온도 값에 영향을 미친다. 대략 80℃정도가 대표적이다. 납과 안티몬 합금 비율을 조절함으로서 포틀랜드와 알루미나 시멘트의 온도 한계를 올릴 수 있다. 일반적인 합금 애자의 기계적 강도는 FRP 코어의 제조에 사용하는 송진의 종류와 코어에 금속 지지금구의 접합 방법에 의해 정해진다. 합금온도의 안정한 운전에서의 온도 상한 값은 80℃정도이다. 태양에 노출과 풍속도 애자 온도를 변화시키는 중요한 요소임을 기억해야한다.

애자 온도 측정을 위한 연구

지난 10년간, 공공사업자들, 연구소 그리고 애자 제조회사들은 고온 도체 온도가 애자의 온도와 연결 구조에 어떠한 영향을 미치는지를 조사하기 위해 실험을 실시하였다. 대표적인 연구결과를 소개하고자 한다.

실험과정 및 결과

총 3가지 연구가 실제 애자와 전도체 조립에 대해 수행되었다. 첫 번째 연구는 합성 애자의 현수장치에서 나타나는 열적 변화를 평가한 것이고 두 번째는 자기(磁器) 캡·핀 애자련에 관한 연구이며, 세 번째는 종단 버팀식 선로지지형 합성 애자의 온도 변화에 대한 연구이다.

토의

이 세 가지 시험은 다음과 같은 결과가 나왔다.

핀과 시멘트의 온도가 180℃일 때 도체의 온도에 관한 실험에서 캡 또는 핀 애자의 자기부분은 각 각 5K와 20K이다.

도체 온도가 200℃ 또는 그 이상일 때 합성 애자의 외함과 급속 부속품의 온도는 30K보다 낮다.

그러나 세 번째 연구에서 보여준 것처럼 위 결과들이 직접적으로 적용될 수 없는 일부 특정한 사례가 있을 가능성이 있다는 것이 중요하다. 즉, 도체와 애자 사이에 매우 짧은 고체 연결이 사용될 경우이다. 또는 상당한 태양열이 발생하는 열대 또는 아열대 지방에서의 경우이다. 또한 아크 보호 장치를 사용할 경우 시스템의 열평형에 영향을 미칠 수 있다.

권고사항

지상 선로가 높은 온도에서 사용될 것으로 예상될 경우, 다음과 같은 사항을 고려하는 것이 좋다.:

송전선의 예상되는 온도를 측정해야 한다. 송전선 제조업체는 전류/온도 곡선에 관한 정보를 제공한다. 태양이나 공기에 의한 직접적인 열에 대처하기 위해 송전선이 이용되는 지역을 고려해야 한다.

일반 상태에서의 최대 허용 온도를 고려한 필수적인 데이터들을 애자 제조업체로부터 얻어야한다. 안전 한계를 고려해야 한다.

실험 평가가 수행될 때, 장비를 통한 열전달을 정확히 측정하기 위해서 사용된 애자련으로 실험을 해야 한다. 새로 설치된 장비가 운전상태에 있도록 하기 위해 그 안에 있는 기름 성분을 제거해야 한다.

전력 계통 운영자는 최대 허용 애자 온도와 최대 전류가 어울리도록 해야 한다. 이것이 맞지 않는다면 예상되는 최대 전류를 견딜 수 있는 애자로 교체해야 한다.

고온 도체의 이용-전 세계의 사례들

도입

최근에 도온 도체의 이용이 늘고 있다. Cigh SCB2 WG12.1은 고온 도체에 관해 연구하였으며, T/F 3은 고온 도체에 설치된 부속품들과 관련된 업무를 맡아왔다. 이 정보를 얻기 위해, 질문지가 만들어졌으며 그리고 전 세계의 많은 회사들에게 배부되었다. 질문지는 2001년에 배부되어 응답지는 2002년에 모아졌다. 질문지에는 현재 설치 사례 및 앞으로 10년 이내에 설치할 사례들을 포함하고 있다. 2002년에 총 68부의 질문지가 아시아, 북미, 남미, 유럽 등에 위치한 회사들로부터 되돌아왔다.

이들 중 35부의 응답지(53%)를 보낸 일본이 가장 많았으며 32곳의 회사(47%)에서 고온 도체를 설치하였다고 하였으며 26곳의 회사(38%)에서 앞으로 10년 이내에 고온 도체를 설치할 계획이라고 밝혔다. 10곳의 회사에서는 고온 도체를 설치할 계획이 없다고 하였다.

이 글에서는 질문지의 결과만을 보여주지 산업 전체 현황을 보여주지는 않는다. 따라서 설치된 고온 도체의 가치는 대체로 작다. 한 예로써, 미국의 도체 제조업체들의 경우, 조사에서는 146km를 설치했다고 하나 실제 10,000km 넘게 설치된 것으로 알려졌다.

목록	산출량	범위
전압	140kV이하 43% 345kV이하 42%	140kV와 345kV 사이 54%
도체 유형 설치된 길이	TA1 48%, Invar core 21%, Gap 6%, ACSS 15%. 총 41,352km(일본:39,900km)
설계 온도	일반적인 운영 온도:45℃~230℃ 사고시 운영 온도:165℃~310℃
현수 부속품	70%:외장봉 상부 고정형 19%:고정형, 11%:고무완충형	84%:외장봉 상부 클램프 16%:고정형
종단 부속품	62%:압축형 26%:쐐기형, 13%:고정형	47%:압축형 33%:쐐기형, 20%:고정형
스페이서	59%:고정형 약 30%:연결형과 스페이서댐퍼	62%:고정형 37%:기타
스플라이서	82%:두 재료 압축형 18%:단일 재료	86%:두 재료 압축형 14F%:단일 재료
댐퍼	32%:SB 54%:Double torsional 7%:없음	95%:Torsional

질문지의 결론

응답지의 대부분이 일본으로부터 받은 것이기 때문에 설치된 길이의 96%가 일본에 설치된 것이며, 질문지 결과는 거의 일본의 사례와 경험을 반영하고 있다. 고온 도체의 사용은 전 세계적으로 증가 추세이다. 사용되고 있는 고온 도체 중에 평상시와 사고 발생시에 가장 넓은 온도 특성을 갖는 TA1을 이용한 도체가 가장 인기 있으며 Invar Cored, Gap, 그리고 ACSS가 뒤를 이었다.

고온 도체에 사용된 부속품들은 매우 일반적이며 특히 일본의 사례에서 보면 고정용 스페이서, 이중 꼬임 댐퍼, 외장봉 위에 위치한 압축 종단형 또는 고정형 현수 클램프등의 이용이 지배적이다. 그러나 스페이서 댐퍼나 고무 완충 현수 클램프 그리고 쐐기형 클램프등과 같은 부속품들이 성공적으로 사용되었다. 현장의 경험을 바탕으로, 고온 도체 사용시 약간의 문제점이 발생하였다. 소선에 손상이 발생하였으며 일부 ACSS 설비에서는 꼬임 현상이 발생하기도 하였다.

고온 도체 부속품의 설명서는 거의 없으며 보통 전류 허용 용량과 온도 영향에 관해서만 다루는 경향이 있다. 고온 도체 중, GAP과 ACSS는 부속품을 배열하고 설치할 때 특별한 주의와 높은 기술 수준을 필요로 한다.

2002년 설문지를 통해서 볼 때, 고온 도체 그리고 이와 연관된 부속품은 장점을 가지고 있었으며 이 기술은 송전이 제한된 선로의 용량을 증가시키기 위한 문제에 대해 실행 가능한 해결책으로 보인다.

요약 및 결론

고온 低이도 도체는 선로의 정격을 증가시키기 위한 방안들 중 절대 필요한 설비이다. 따라서 이 글은 고온 저이도 도체의 응용과 사용에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위한 의도이다.