3. 지중 송전 선로
3.3 전력 케이블의 종류
개요
전력 케이블은 도체, 절연체 및 외장(보호 피복)에 의해서 구성되고 있다.
도체에는 전기용 연동선을 사용하고 단면적이 작은 것은 단선, 큰 것은 연선을 사용한다.
심선의 수에 따라 단심 케이블, 2심 케이블, 3심 케이블로 구분된다.
절연체로는 절연지, 고무, 플라스틱, 절연 컴파운드 및 절연유 등이 사용되며 외장으로는 연피, 강대, 강선 알루미늄피 및 주트(Jute) 등이 사용되고 있다.
현재 지중 전선로용으로서 일반적으로 사용되고 있는 케이블은 아래에 보이는 바와 같다.
┌ 벨트지 케이블 ( 600 [V]~15 [kV] )
┌─솔리드(Solid) 케이블 ┼ H지 케이블 ( 11~33 [kV] )
│ └ SL지 케이블 ( 11~33 [kV] )
┌─지(Paper)절연 케이블─┤
│ │ ┌ 저가스압 케이블 ( 55 [kV]급 이하 )
│ └─압력형 케이블────┼ OF 케이블 ( 66~500 [kV]급 )
전력 케이블 ┤ ├ POF 케이블 ( 66~500 [kV]급 )
│ └ 플랫(Flat) 케이블 ( 66 [kV] )
│
│ ┌─CV 케이블( 600 [V]~15 [kV] )
└─고무·플라스틱 케이블─┼─*EV 고무 케이블 ( 3~33 [kV] )
└─*BN 케이블 ( *3~33 [kV] )
* : 일반적으로 사용되는 케이블이 아님
3.2.2 지절연 케이블 - 벨 H SL OF 파
(1) 벨트지 케이블
그림 3.6은 벨트지 케이블의 개요도로서 도체의 위에 절연지를 감고 있다. 이 절연을 심절연이라 하는데 3심의 경우에는 이들을 서로 꼬아서 빈 공간(갭) 부분에 개재 절연물을 채운 다음 다시 절연지를 감는다. 이 절연을 벨트 절연이라고 한다. 다시 그위를 연피로 외장 한다. 이것은 도체 및 절연물을 기계적, 화학적인 외상으로부터 보호하기 위한 것이다.
이 케이블은 바깥지름이 작아서 구조가 간단하고 경제적이긴 하지만 구조상 절연 내력이 낮아서 주로 22 [kV] 이하의 전선로에 사용될 뿐이다.
(2) H지 케이블
일반적으로 절연층은 그 표면에 수직으로 가해지는 전계에 대해서는 절연 내력이 크지만 그 면에 접선 방향에 대해서는 약하기 때문에 이것이 원인이 되어 절연층의 열화를 가져온다. 이것을 방지하기 위해서 나온 것이다. 이것은 그림 3.7에 보인 바와 같이 벨트지 케이블에서의 벨트절연을 없애고 각 도체를 심설연한 후 그위의 금속화성지 또는 동테이프로 감은 다음 3심 꼬아서 다시 이것을 외장 한 것이다.
(3) SL지 케이블
SL지 케이블은 도체를 유침지(기름 입인 종이)로 절연한 다음 그림 3.8에 보인 바와 같이 그 위에 연피를 시공한 3심을 꼬아서 이것에 외장을 시공한 케이블이다. 이것도 케이블과 마찬가지로 각 선심을 절연한 다음 연피로 정전 차폐시키고 있기 때문에 전기력선은 절연층과 직교하게 된다. 또, 연피는 열용량이 커서 열의 양도체로 되기 때문에 열발산이 좋아 송전 용량의 증대가 기대된다. 이것은 11~33 [kV]급의 도시 송배전용으로서 많이 사용되고 있다.
(4) OF 케이블
그림 3.9에 나타낸 바와 같은 구조로서 3심 케이블의 경우에는 개재 주트부에 개방형의 기름 통로가 설치되어 케이블축과 직각방향에 기름이 출입해서 절연층 내에 유압이 항상 걸리게 되어 있다.
이 케이블의 특징으로서는
① 절연유 충진 후 공극이 발생하지 않음
② 온도 변화에 의한 팽창, 수축을 부설된 기름 탱크에서 흡수함
③ 외기의 침입이 방지되는 구조임
④ 절연체의 두께를 얇게 할 수 있음
⑤ 사용 온도가 높아 송전 용량이 증대됨
이러한 특성 때문에 OF 케이블은 압력형 케이블의 대표적인 것으로 66 [kV] 이상의 고전압 케이블로서 널리 사용되고 있다.
(5) 파이프형 케이블
이 케이블에는 가스를 충진한 파이프형 가스 케이블(PGF), 기름을 충진 한 파이프형 기름 케이블(POF) 등이 있다.
그림 3.10은 POF의 개요도인데 이것은 케이블 외피에 해당하는 강관을 먼저 매설한 후 강관 내에 케이블과 절연유를 삽입한다. 여기서는 절연체가 항상 높은 유압으로 가압된 절연유로 충만되어서 가스가 들어갈 수 없기 때문에 초고압 케이블로서는 안정된 절연 성능을 지니고 있다.
이 케이블이 갖는 장점은
① 케이블 중량이 가볍다.
② 제조 과정이 용이하다.
③ OF 케이블에 비하여 접속 방법이 용이하다.
④ 기계적 강도가 크다.
⑤ 강관에 의한 차폐효과로 통신선의 유도 장해가 경감된다.
등을 들 수 있겠으나, 한편으로는 절연유를 대량으로 필요로 하고 특수한 급유 설비를 따로 설치해야 한다는 결점도 있다.
오늘날 이 케이블은 특히 케이블 내에 채워진 절연유를 순환심으로써 케이블의 온도를 쉽게 제어할 수가 있고 강제 냉각 장치를 설치함으로써 송전 용량을 증대시킬 수 있다는 장점을 지니고 있어 66~500 [kV]급 케이블로서 많이 쓰이고 있다.
3.3.3. 새로운 전력 케이블
전력 수요의 증가와 더불어 전력의 대량 생산과 대량 수송이 필요하게 됨에 따라 수송 수단으로써 지중 케이블의 대용량화가 관심을 모으고 있다. 지중 케이블의 대용량화를 위한 방법으로서 첫째 송전 전압의 고전압화와 둘째 전류용량의 증대화가 있다.
전자의 고전압화에 대해서는 현재 154~345 [kV]의 고전압 송전이 실시되고 있으며 외국에서는 500 [kV]급 송전도 발전소 인출구 등에서 일부 채용되고 있다.
후자의 전류 용량 증대화에 대해서도 케이블의 케이블을 가령 도체의 굵기를 늘린다거나 강제 냉각 방식의 도입, 절연체 재료의 개량에 의한 내열 성능의 향상 및 유전체손의 저감 등 여러 가지 개선책이 모색되고 있으나 한편 신형 케이블의 개발도 의욕적으로 추진되고 있다.
신형 케이블의 개발로서는
① 관로기중 케이블
② 극저온 케이블
③ 초전도 케이블
의 개발이 추진되고 있다.
(1) 관로기중 케이블(가스 절연 스페이서 케이블)
관로기중 케이블은 그림 3.11에서와 같이 도체로서 파이프(A1 또는 동)를 사용하고 이것을 에폭시 수지에 의한 절연 스페이서로 금속 사이스(강관, 알루미늄관, 스테인리스관) 내에 지지하고 SF6 가스를 충만시킨 것이다.
이 선로는 절연 특성이 우수한 SF6 가스를 사용하고 있기 때문에 다음과 같은 특징이 있다.
① 가공선과 거의 같을 정도의 송전 용량을 가질 수 있다.
② SF6 가스는 비유전율이 거의 1로서 공기와 같기 때문에 OF 케이블에 비해 정전용량이 1/10 이하로 되어 충전 전류가 작다.
③ 유전체손은 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 온도 상승에 따른 송전 용량은 제약받지 않는다.
④ 한편 이 케이블은 공장 제조 단위 길이가 짧기 때문에 현장에서의 접속 장소가 많아지고 또 용접 시의 접속 방법이라든가 작업 환경에 특별한 주의가 요구된다.
현재 이 관로기중 케이블은 사이즈에 의한 가격차가 작아서 1회선당 3,000~6,000 [A]로 대용량이 필요한 경우에는 경제적으로 유리한 선로이다.
또한, 여기에 강제 냉각을 부가함으로써 500 [kV]에서 8,000 [A]를 흘릴 수 있어서 600~1,000만 [kW]의 송전 용량을 보낼 수 있다. 이 케이블에는 단심형과 3심형이 있는데 그림 3,11은 단심형의 예를 보인 것이다.
(2) 극저온 케이블
이 케이블은 도체에 고순도의 알루미늄 또는 동을 사용하고 이 도체를 20~80 [K]의 극저온으로 냉각해서 도체 저항을 2자리 정도 이하로 낮춤으로써 대전류를 송전하려고 하는 것이다. 케이블의 구조는 종래의 파이프형 OF 케이블과 마찬가지로 로 파이프 내에 도체를 삽입하고 냉각 방법으로서는 도체의 중공 부분에 냉각 매체의 액체 수소를 흘려서 절연을 액체 수소 함침의 절연지를 사용하는 것과 종이와 같은 고체 절연물을 사용하지 않고 진공에서 열절연과 전기 절연을 겸해서 할 수 있게끔 중공 도체의 내부에 액체 질소를 흘려주는 구조의 것이 고안되고 있다.
그림 3.12는 액체 질소를 사용한 극저온 케이블의 구조의 일례를 보인 것이다.
이 케이블은 전압 500~700 [kV]에서 300~500만 [kW]의 송전 용량을 목표로 하고 있다.
(3) 초전도 케이블
최근 우리나라에서도 초전도가 관심을 모으고 있다. 이 케이블은 절대 온도에서 저항이 0으로 된다는 초전도 현상을 이용해서 무손실 대용량 송전을 지향하고 있다. 액체 헬륨이라든가 액체 질소로 온도를 4~5 [K]까지 낮추어 도체에 니옵, 니옵티탄 등의 초전도 재료를 사용함으로써 전기 저항을 0에 근접시키는 것이다.
그림 3.13에 초전도 케이블의 구조 예를 보인다. 현재 목표로 하고 있는 송전 용량은 500 [kV]에서 1000만 [kW] 정도이다.
