[알아봅시다] 해저케이블의 역사와 구조

절연성 우수 XLPE 고압케이블 적용 확대
1847년 독일 지멘스 시초…국내선 LS전선 첫 개발
라우트ㆍ보호설비 등 고난이도 엔지니어링 기술 필요

해저케이블은 1811년부터 동(銅) 도체에 천연고무를 입혀 사용한 것을 시작으로 해 1847년 독일의 지멘스(Siemens)사가 전신용 전선을 개발한 것이 최초입니다. 이 전선은 영국 해협에 설치됐고, 1848년에는 천연고무를 가교(架橋,Vulcanization) 시키는 공법이 개발돼 1859년에 적용되기 시작했습니다.

이 후 1879년에는 절연체위에 연(鉛, Lead)을 입히는 공법이 개발, 1890년도에는 Oil(파라핀(Paraffin))을 함침한 절연체가 개발되어 이 절연체에 납(Lead)을 입힌 DC 3kV 전선이 프랑스 파리에 설치됐습니다. 이 전선은 1900년대 초까지 고압급(11kV급)까지 확대 적용되었고 1911년 독일에서는 60kV급까지 적용을 확대하기에 이릅니다. 1916년에 이르러서는 각각의 절연체 위에 납을 입혀 신뢰성을 한층 높인케이블(H형 케이블)이 상용화돼 고압 케이블에 널리 적용되기 시작했습니다. 그렇다면 현재와 같은 해저케이블의 형태는 어떻게 개발됐을까요?

1917년 엠마뉴엘(Emanueli)사는 현재와 같은 OF(Oil-filled) 케이블과 같이 절연체 및 도체내부로 저점도 절연유(油)가 흐르도록 한 중공도체 케이블을 개발합니다. 이 후 1928년도에 영국에서 66㎸급 케이블이 개발되었고 1931년에는 132㎸급까지 상용화에 성공, 결국 1927년 미국 시카고에 132㎸ 케이블이 최초로 설치되어 저유압(35~105kPa)으로 운전되었습니다. 이 당시의 OF케이블은 통전에 의해 절연유의 온도가 올라가면 체적팽창에 의해 절연유가 유조(Oil tank)에 저장되고 온도가 낮아지면 다시 케이블 속으로 절연유가 흐르도록 한 것이며, 절연유를 고유압(최대 800kPa)으로 가압해 절연내력을 향상시킨 오늘날의 OF 케이블과 유사한 형태의 케이블이라 할 수 있습니다.

1927년에 이르러 피셔사는 OF(Oil-filled) 케이블이 고 유압(1035∼1550kPa) 으로 유지할 경우 고전계(High stress)에서 운전이 가능하다는 것을 증명했고, 이 연구에 힘입어 1932년도에는 1380kPa의 내부 유압을 가지는 132㎸급 파이프 타입 OF케이블이 미국 필라델피아 전력회사의 펜실베니아 변전소에 설치되었으며 이후 이 케이블은 미국내에서 345㎸ 케이블까지 널리 적용됩니다.

1960년대에 이르러서 해저케이블도 일대 전환을 맞이합니다. 바로 XLPE절연 케이블이 개발돼 OF전선을 급속히 대체하기에 이릅니다. 1961년도에 최초의 XLPE 케이블이 적용된 이래 1963년까지 15㎸급까지 1965년에는 69㎸급까지 확대되어 적용되었으며 전기적 절연특성 및 물리적 특성이 우수하여 최근 500㎸급까지 XLPE 케이블이 적용되고 있습니다.

1960년 후반기에는 부틸고무(Butyl Rubber)를 개선시킨 EPR(Ethylene-Propylene Rubber) 절연 케이블이 지중 및 해저 케이블에 적용되기 시작했습니다. 현재까지 138㎸급 까지 적용되며, 특히 고유연성이 요구되는 개소에 선호되고 있습니다.

◇해저 전력 케이블, 엔지니어링 기술의 중요성=해저 전력케이블의 구조는 케이블위에 철선층을 추가적으로 적용, 해저에 케이블을 설치하거나 운전중 케이블이 손상을 받지 않도록 하고 있으며, 최근에는 해저 케이블도 XLPE 케이블로 대체되고 있는 상황입니다.

해저 케이블은 그 특성 상 난이도가 높은 엔지니어링 기술을 요합니다. 우선 케이블 설치가 용이한 해저 지형의 라우트(Route)선정을 해야 합니다. 또 송전이 필요한 용량(MVA)을 케이블을 통해 운송되어야 하므로 합한 케이블의 회선 수, 도체저항 및 단면적이 결정되어야하며, 이때 중요한 것은 도체에서 발생되는 열이 얼마나 방산되는지를 고려해야 하므로 케이블의 절연 및 외장의 구조 및 재질, 케이블이 설치되는 주변 매질의 열저항 및 주위온도 등을 꼼꼼히 체크해야 합니다. 그 외에도 케이블 포설 선박 선정이 필요한데, 항구의 접안 가능성, 기타 환경 및 법규 만족 여부를 고려해야 합니다.

그리고 케이블 보호방법을 결정해야 합니다. 케이블을 해저면에 매설하거나 매설이 용이하지 않은 암반지역 같은 곳에서는 케이블 위에 Rock berm(돌무덤), 콘크리트 매트, 스틸 파이프(steel pipe) 등을 이용해 적절히 보호되도록 해야 합니다.

이후에는 케이블 길이를 결정해야 합니다. 케이블 연속 제작 능력, 운송능력, 설치능력 등을 고려하여 최적의 케이블 길이 결정이 필요합니다. 케이블 도체 전류에 의해 금속시스체에 유도되는 전압에 대해 케이블이 견딜 수 있도록 접지시스템이 설계되어야 하며, 낙뢰 또는 스위칭시 발생되는 서지(Surge) 전압에 케이블 선로를 보호하기 위한 보호설비의 설계도 필수입니다.

해저케이블은 지중케이블과 비교하면, 바다 수심이 깊은 곳에 전력을 운송하는 전선의 꽃이라고 할 수 있습니다. 대부분 해외 전선기업이 시장을 독식하고 있었지만, 최근 LS전선 등이 진도~제주간 해저전력망 사업 수주를 따내면서, 순수 한국기술로 만든 해저케이블이 해외 바다를 넘나들 가능성을 높여주고 있습니다.

길재식기자 osolgil@