HVDC 초고압 직류 송전 케이블 구조와 절연 기술 분석

목차

1. HVDC 케이블의 기본 구조

2. HVDC 절연 기술 - 핵심 경쟁력의 중심

3. 공간전하 효과와 전계 분포 제어

4. 케이블 냉각 및 열관리 설계

5. 해저 케이블 구조 - 심해 적용을 위한 기술 융합

6. HVDC 케이블 시험 및 인증 요소

 

서론

HVDC 송전 케이블의 중요성과 시장 성장

초고압 직류 송전(HVDC: High Voltage Direct Current)은 전기를 장거리로 효율적으로 전송할 수 있는 방식으로,
탄소중립 및 재생에너지 연계 확대에 따라 해상풍력, 도서지역, 국가 간 연결 등에서 핵심 인프라로 자리 잡고 있습니다.

이러한 HVDC 시스템의 중추는 바로 초고압 직류 송전 케이블입니다.

케이블은 ±320kV ~ ±800kV의 고전압을 견디면서 수백 킬로미터 구간을 안정적으로 전력을 전달해야 하며, 구조적 안정성 절연 신뢰성이 절대적으로 요구되는 고기술 분야입니다.

 

초고압 직류 송전 케이블

 

1. HVDC 케이블의 기본 구조

HVDC 케이블은 AC 전력 케이블과 달리, 직류 특성에 따른 전계 분포, 열 누적, 공간전하 문제 등을 고려해야 하므로 다층 구조로 설계되며, 다음과 같은 요소로 구성됩니다:

(1) 도체 (Conductor)

• 주로 연동(annealed copper) 또는 알루미늄
• 고전류 밀도 대응을 위한 원형 또는 세그먼트 구조
• DC 손실 최소화를 위해 표면 가공 및 내부 구조 최적화

(2) 도체 차폐층 (Conductor Shield)

• 전계 집중 완화
• 반도전성 재료 사용 (Carbon Black 기반 PE 등)
• 도체 표면과 절연층 경계에서 발생할 수 있는 코로나 방전 방지

(3) 절연층 (Insulation Layer)

• HVDC 케이블의 핵심 기술 요소
• XLPE (가교 폴리에틸렌), PPLP (종이-폴리프로필렌 적층), EPDM 등 사용
• 직류 전계 하에서 공간전하 축적 억제 및 장기 열화 저항성 요구됨

(4) 절연 차폐층 (Insulation Shield)

• 절연층 외부 전계 차단
• 반도전성 재료로 구성되며 외부 금속차폐층과 전기적 연속성 확보

(5) 금속 차폐층 (Metallic Sheath)

• 주로 동 테이프, 납 피복, 알루미늄 튜브 적용
• 외부 전자파 차폐 및 누설전류 회수, 기계적 보호 기능 수행

(6) 외장 및 방수층 (Outer Jacket)

• 기계적 손상 보호
• 해저케이블의 경우 폴리에틸렌 방수층 + 아스팔트 보강 + 철선 아머 사용

2. HVDC 절연 기술 – 핵심 경쟁력의 중심

직류 송전에서 절연체는 시간에 따른 공간전하 축적과 전계 왜곡에 매우 민감하며, 고장 시 복구가 어려우므로 절연재 선택과 구조 설계가 제품 신뢰성에 결정적인 역할을 합니다.

(1) XLPE (Cross-Linked Polyethylene)

• 가장 널리 사용되는 절연 재료
• 열적 안정성과 전계 인가 시 저손실 특성
• 단점: 공간전하 축적 문제 및 장기 내전압 신뢰성 제한

(2) PPLP (Polypropylene Laminated Paper)

• 폴리프로필렌과 절연지의 적층구조
• 내전압 우수, 공간전하 분산 효과 우수
• 다소 두꺼운 구조로 인해 굴곡성은 떨어짐

(3) 최근 연구소재 – LDPE, EPR, 나노복합 절연체

• 고온/고압 대응 나노세라믹 혼합 절연체
• 열전도성, 공간전하 억제 특화
• 미래형 ±800kV 이상급 HVDC 케이블에 적용 가능성

3. 공간전하 효과와 전계 분포 제어

직류 인가는 교류와 달리 전계 분포가 시간에 따라 비선형적으로 변화합니다.
이로 인해 케이블 내부에는 공간전하(Space Charge)가 축적되며, 절연 파괴, 수명 단축, 부분 방전 등의 원인이 됩니다.

공간전하 발생 원인

• 절연체 내 전하 주입
• 도체/절연체 경계에서의 전기화학반응
• 열적 스트레스에 따른 이온 이동

전계 분포 제어 기술

• 다중 차폐층 설계
• 반도전성 재료 내 탄소 농도 조절
• 절연층 내 나노재료 분산 (전계 집중 억제)
• 열처리 공정 통한 초기 전하 제거 (Pre-conditioning)

이러한 기술은 케이블의 장기 운전 신뢰성 확보에 직결되며,
IEC 인증 시험에서 절연계의 주요 항목으로 평가됩니다.

4. 케이블 냉각 및 열관리 설계

HVDC 케이블은 직류 전력 흐름에 따라 도체 저항열, 절연 손실열, 차폐 전류열이 축적되며, 온도 상승에 따른 절연 열화, 기계적 팽창, 외피 손상 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

설계 고려 요소

• 도체 최대 온도 상승 제한 (90~110℃ 기준)
• 열전도성 재료 사용 (절연체 내 Al₂O₃ 분산 등)
• 외피 구조의 복층 설계 (외부 열전달 차단)
• 고열전도성 PE/PP 개발

해저 HVDC 케이블의 경우, 수온과 수심에 따른 열전달 계수를 고려해
시공 경로별 열전달 해석(thermal modeling)을 수행하고 있습니다.

5. 해저 케이블 구조 – 심해 적용을 위한 기술 융합

해저 HVDC 케이블은 해상풍력, 도서지역 계통 연결, 국가 간 전력망 구축 등에서 핵심 구성품이며, 수심 1000m 이상에서도 안정적으로 작동해야 합니다.

해저 케이블 특수 구조

• 내부: HVDC 절연 구조 동일 (도체~차폐)
• 외부:
  • 스틸 와이어 아머 (기계적 인장강도 확보)
  • 방수층 (PE, 아스팔트)
  • 도선 내부 수분흡수 차단제 (Water Blocking Tape)

이 구조는 침수 방지, 해저 지형 적응성, 부식 방지, 유연성 등 다기능을 동시에 충족해야 하며, 전용 해저케이블 설계는 별도의 시공·운영 알고리즘까지 포함합니다.

6. HVDC 케이블 시험 및 인증 요소

케이블 구조와 절연체가 우수하더라도 실계통 적용을 위해서는 국제 인증이 필수입니다.
주요 시험 항목은 다음과 같습니다:

• DC 내전압 시험 (IEC 62895 기준)
• 서지 내성 시험 (Impulse Voltage Test)
• 부분방전 시험 (Partial Discharge)
• 공간전하 축적 평가 (PEA 기반)
• 수중 내압 및 해수 노출 시험

국내에서는 KERI(한국전기연구원)이 인증 시험을 수행하며,
국제 수출을 위한 KOLAS 기반 시험 결과 인정 체계를 운영하고 있습니다.

결론

HVDC 케이블은 복합 기술의 집약체

초고압 직류 송전 케이블은 단순한 전선이 아닌, 고전압 내성과 전계 제어, 열 분 산, 기계적 보호, 환경 적응성까지 통합된 고기술 제품입니다.

국내 LS전선, 일진전기, 넥상스코리아 등은 PPLP, XLPE, 나노복합 절연체 기술과 수중 구조 기술 내재화를 통해 글로벌 HVDC 프로젝트 입찰에 적극적으로 참여하고 있으며, 앞으로 탄소중립, 신재생 전력망, 동북아 슈퍼그리드 확대와 함께 케이블 시장의 수익성과 기술 중요성은 더욱 부각될 것입니다.