1. 서 론

지구 온난화와 기후변화 문제에 대응하기 위한 전 세계적인 노력의 일환으로 탄소 중립 사회로의 에너지 전환이 가속화되고 있다. 에너지 전환의 핵심은 기존 화석연료 발전을 신재생에너지로 대체하는 것이다. 그중에서도 해상풍력 발전은 높은 풍력 자원 활용도, 대규모 전력 생산 가능성, 그리고 점진적으로 낮아지는 균등화 발전원가(LCOE, Levelized Cost of Energy) 등의 장점으로 인해 가장 유망한 발전원으로 주목받고 있다^[1]-2]. 전 세계적으로 해상풍력 발전 설비의 설치가 급격히 확대됨에 따라, 해상풍력발전 단지의 효율성 및 신뢰성 확보에 대한 기술적 요구가 증대되고 있다^[3].

해상풍력 발전 시스템은 풍력 터빈, 하부 구조물, 해상 변전소, 그리고 이들을 연결하는 해저케이블로 구성된다. 해저케이블은 발전기에서 생산된 전기를 모아 육상으로 전달하는 발전소의 핵심 인프라 역할을 수행한다. 해저케이블은 설치 위치에 따라 터빈 간 연결, 터빈과 해상변전소 연결에 사용되는 내부망(inter-array) 해저케이블과 해상 변전소에서 육상 변전소로 전력을 전송하는 외부망(export) 해저케이블로 구분된다. 또한, 케이블의 수분 차단 방식에 따라 내부 수분 유입을 완전히 막는 건식 디자인과, 수분 침투를 허용하고 TR-XLPE를 적용하는 습식 디자인으로 나뉜다^[4-6]. 수트리는 절연체 내부로 확산된 수분이 미세 영역에서 응축되고 교류 전기장의 작용으로 분자 사슬이 손상되면서 형성된 미세 공극이 나뭇가지 형태로 성장하는 결함이다. 특히 인장 하중이 가해진 조건과 교류 전계 강도가 높은 조건에서 개시 및 성장이 가속된다. 한편 TR-XLPE는 친수성 첨가제를 도입해 수분을 절연체 내에 균일 분산시키고 국부 응축과 이온 농축·전계 집중을 완화함으로써 수트리의 발생과 성장을 억제하도록 설계된 재료이다^[7-9].

고정식 해상풍력의 경우, 하부구조물 주변에서 세굴(scour)이 발생하면 국부적인 해저 지형 변화로 인해 케이블이 자유경간(free-span)을 형성하거나 과도한 굽힘이 발생할 수 있으며 반복 굴곡 피로가 증가할 우려가 있다. 이러한 현상은 케이블 보호시스템(CPS, Cable Protection System) 설계·운영에서 주요 리스크로 다뤄지며, 실제로 해저 바닥의 불균일·장기 세굴은 케이블에 자유경간을 형성해 동적 거동과 피로 문제를 야기할 수 있음이 보고되어 왔다^[10-13].

본 연구에서는 해상풍력용 해저케이블에 반복적인 굽힘 스트레스를 가했을 때, 건식 디자인 해저케이블과 습식 디자인 해저케이블의 전기적 특성 변화를 비교 및 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해, 도체 저항, 금속 시스 저항 및 XLPE(Cross-linked polyethylene) 절연체의 전기적 특성 변화를 측정하여 각 케이블 디자인의 기계적 스트레스에 대한 내구성을 정량적으로 평가하고자 한다. 본 연구의 결과는 향후 해상풍력 발전소용 해저케이블의 설계 및 유지보수 전략 수립에 중요한 기초 자료를 제공함으로써 해상풍력 시스템의 신뢰성 및 안정성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

2. 해저케이블 시료 구조 및 기계적 스트레스 조건

세굴은 해류, 조류, 파랑과 같은 유체의 흐름에 의해 해저면 퇴적토가 제거되는 현상으로 고정식 해상풍력 하부구조물의 기초 주변이나, 해저 지형이 불균일한 위치에서 집중적으로 발생할 수 있다. 하부구조물의 말뚝이나 자켓 구조물 주위에서는 구조물이 흐름을 방해하면서 와류(vortex)를 발생시키고, 그 결과 국부적인 세굴이 심화된다. 또한 해저면 경사가 급하거나 토질이 불균일한 구간에서도 국부 세굴이 발생하여 케이블이 설계된 매설 깊이 이상으로 노출될 수 있다.

이와 같이 케이블이 세굴로 인해 해저면 위로 드러나면, 조류 방향 변화에 따라 반복적인 굽힘 변형을 겪게 된다. 이는 장기간에 걸쳐 케이블의 도체, 절연체, 금속 시스에 기계적 피로를 누적시켜 전기적 성능 저하 및 조기 열화로 이어질 수 있으므로, 실험에서는 세굴로 인한 굽힘 스트레스를 모사하는 것이 필요하다.

그림 1. 해저면에서 세굴 현상

Fig. 1. Scour phenomenon on the seabed

2.1 해저케이블 시료 구조

해상풍력단지의 해저 전력망에는 일반적으로 HVAC 3코어 해저케이블이 사용된다. 그림 2에 나타낸 바와 같이, 각 코어는 도체, 내부 반도전층, 절연층, 외부 반도전층, 금속 시스, 폴리머 코어 시스로 구성되며, 이들 코어는 광케이블이 들어 있는 Shaped filler와 함께 일정한 피치로 연합된다. 이후 베딩층, 철선 외장, 외부 서빙층으로 보호된다. 건식 디자인은 각 코어의 금속 시스로 주로 연피(lead sheath)가 사용되며 방수와 전기적 차폐, 고장전류의 귀로 역할을 하는 반면 습식 디자인은 주로 구리 와이어가 적용되며 방수 역할은 하지 않고 전기적 기능만 하도록 구성된다.

본 연구에서는 굽힘 스트레스를 인가하기 위한 시험 장비를 고려하여, 66 kV 600 SQ 건식 디자인 해저케이블과 66 kV 200 SQ 습식 디자인 해저케이블 1코어 시료를 실험에 적용하였다. 각 코어의 구성품과 주요 치수는 표 1에 정리하였다.

그림 2. 건식 및 습식 디자인 해저케이블 구조

Fig. 2. Structure of dry and wet design submarine cables

표 1. 건식 및 습식 디자인 해저케이블 치수

Table 1. Dimensions of Submarine Cables in Dry and Wet Designs

Component	Diameter [㎜]
	Dry design	Wet design
Conductor	29.61	17.5
Conductor screen	32.95	20.87
Insulation	55.54	43.59
Insulation screen	58.13	46.57
Metallic sheath	64.14	53.75
Polymer Core sheath	70.93	61.33

2.2 굽힘 스트레스 조건

해저케이블 시료에 대한 굽힘 하중은 4점 굽힘(4-point bending) 방식으로 인가하였다. 그림 3과 같이 외측 고정점 간 거리는 1,660 mm, 내측 하중 인가점 간 거리는 830 mm 이며, 각 하중 인가점과 인접 고정점 사이 간격은 415 mm로 동일하게 배치하였다. 해저케이블의 최소 굽힘 반경(MBR, Minimum Bending Radius)은 해저케이블 외경의 20배로 했고, 건식 디자인 해저케이블과 습식 디자인 해저케이블의 외경과 굽힘 반경을 고려하여 하중 인가점의 이동거리를 식 (1), (2)를 이용하여 계산하였다.

(1)

$S=R-\sqrt{R^{2}-(c/2)^{2}}$

(2)

$D=S_{1}-S_{2}$

여기서 R은 굽힘 반경, c는 현의 길이, D는 하중 인가점의 이동거리, S₁은 고정점 간격 1660 mm에서 원호의 높이, S₂는 하중 인가점 간격 830 mm에서 원호의 높이이다. 이렇게 건식 및 습식 디자인 해저케이블 하중 인가점의 이동거리는 계산하면 각각 206.1 mm, 251.1 mm이다. 그림 3에서 양쪽 외곽의 P1과 P4 롤러는 고정점이고 중간에 P2, P3 롤러가 하중 인가점으로 상,하 방향으로 왕복 이동하며 케이블 시료가 최소 굽힘 반경으로 반복 굽힘 되도록 구성한다. 굽힘 반경 반복 횟수는 조류 방향 변화를 하루 2회로 가정하고, 해상풍력단지의 설계 수명 25년과 윤년을 고려하여 총 18,262회 반복하였다. 굽힘 속도는 굽힘 반복에 의해 시료의 온도가 상승하지 않도록 시료 중간부에 온도 센서를 부착하여 모니터링하며 충분히 천천히 굽힘을 반복하였다.

그림 3. 해저케이블 굽힘 시험 장치

Fig. 3. Submarine cable bending stress test apparatus

3. 굽힘 스트레스 인가 후 특성 변화

굽힘 스트레스가 해저케이블 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 건식 및 습식 디자인 해저케이블 각각에 대해 스트레스 인가 전, 후의 도체 저항과 금속 시스 저항을 비교하였다. XLPE 절연체 특성 평가는 굽힘 스트레스를 받지 않은 구간과 굴곡 구간 중앙에서 채취한 XLPE를 필링하여 시트로 제작한 뒤 유전정접(tan δ)과 체적저항률을 측정하였다.

3.1 도체 및 금속 시스 저항 분석

도체 및 금속 시스의 직류 저항은 마이크로옴미터를 이용해, 그림 4와 같이 외곽의 두 단자에서 전류를 인가하고 중앙의 두 단자에서 전압을 계측하여 저항을 산출하는 4단자 측정법으로 수행하였다. 측정은 IEC 60228을 준용해 20 ± 5 ℃ 범위에서 24시간 이상 온도 안정화 후 진행하였다. 시료 길이는 5 m이며, 전류 인가 및 전압 측정을 위해 양단에 각각 도체와 금속 시스 노출부 300 mm를 준비하였다. 또한 도체와 금속 시스에 온도 센서를 부착해 온도를 측정하고, 측정 저항값은 식 (3), (4)에 따라 20 °C, 1 km 환산값으로 정리하였다.

(3)

$R_{20^{\circ}{C}}= R_{t}\times k_{t}\times\dfrac{1000}{L}$

(4)

$k_{t}=\dfrac{1}{1+\alpha(t-20)}$

식 (3)에서 R_20°C는 20 °C에서의 도체 저항(Ω/km), R_t는 측정된 도체 저항(Ω), L은 시편 길이(m)이며, k_t는 온도 보정계수로 식 (4)에 의해 계산된다. 식 (4)에서 α는 도체 재질의 20 °C 기준 온도계수(1/°C)로 구리는 0.00393, 연 합금은 0.004를 적용했고, t는 측정 시 도체 또는 금속 시스의 온도이다(°C).

그림 4. 금속 시스 저항 측정 개략도

Fig. 4. Schematic of metallic sheath resistance measurement

표 2는 굽힘 스트레스 인가 전/후 건식 및 습식 디자인 해저케이블의 도체 및 저항 측정 결과이다. 건식 디자인 해저케이블의 도체 저항은 인가 전/후 변화가 약 0.1%로, 본 시험 조건에서 유의한 차이를 확인하지 못했다. 반면 금속 시스는 인가 전 0.422 Ω/km였으나, 인가 후 저항 측정 결과 ‘open connection’으로 나타났다.

표 2. 굽힘 스트레스에 따른 도체 및 금속 시스 저항 변화

Table 2. Change in conductor and metallic sheath resistance under bending stress

Dry design submarine cable [Ω/km]
	Conductor	Metallic sheath
Before bending	0.03124	0.42225
After bending	0.03132	Open connection
Wet design submarine cable [Ω/km]
	Conductor	Metallic sheath
Before bending	0.09120	0.16108
After bending	0.09138	0.16135

그림 5는 굴곡 시험부 해체조사 사진이다. (a)는 굽힘 스트레스를 받은 시료의 중앙 위치부의 해체조사 시료 채취 위치를 표시하였고, (b)는 최외층의 코어 시스를 제거했을 때 나타난 금속 시스의 사진이다. 연피 재질의 금속 시스는 피로에 의해 원주 방향으로 완전히 파단 되었고, 주변으로도 많은 크랙을 발견할 수 있었다. 이런 손상이 발생하여 금속 시스 저항 측정에서 ‘open connection’으로 측정이 불가하였다.

그림 5. 굽힘 시험 후 시료 중앙부 연피 손상 사진

Fig. 5. Lead sheath damage at the central region after bending test

3.2 XLPE 절연체 특성 분석

반복 굽힘에 따른 XLPE의 전기적 특성 변화를 평가하기 위해 굽힘 중앙부와 굽힘 스트레스를 인가하지 않은 구간에서 각각 시편을 채취하였다. 그림 6과 같이 XLPE를 필링하여 평균 두께 0.25 mm, 폭 100 mm의 시트 시편을 제작하였고, IEC 62631-2-1 및 IEC 62631-3-1을 준용하여 각각 유전정접과 체적저항률을 측정하였다.

측정은 케이블 절연체의 외층·중층·내층 세 구간에서 수행하였으며, 각 구간의 평균값을 건식 디자인과 습식 디자인, 굴곡 인가·미인가 조건별로 정리하였다. 굴곡 인가 시편의 경우, 굽힘부 내측에서 압축되는 부분과 외측에서 인장되는 부분을 구분하여 전기적 특성을 비교하였다.

그림 6. XLPE 시트 시편 제작

Fig. 6. Preparation of XLPE Sheet Specimen

그림 7은 굽힘 스트레스 조건에 따른 XLPE의 유전정접을 건식과 습식 디자인 해저케이블에서 각각 측정·비교한 결과이다. 모든 조건에서 유전정접은 1 × 10^-3이하로, 일반적인 XLPE의 범위 내에 있었으며, 굽힘 스트레스 인가 전·후는 물론 압축되는 부분과 인장되는 부분 사이에서도 유의한 변화가 관찰되지 않았다. 한편 습식 디자인 해저케이블이 건식 디자인 해저케이블 대비 약간 높은 유전정접을 보인 경향은 내부망용 TR-XLPE에 적용되는 수트리 억제용 극성 첨가제 도입 시 유전 손실이 다소 증가할 수 있다는 알려진 특성과 부합한다. 실제로 문헌에서는 TR-XLPE가 일반 XLPE보다 유전정접이 더 높을 수 있음이 보고되어 있다^[8,[14-15].

그림 7. 굽힘 스트레스 조건에 따른 유전정접 비교

Fig. 7. Comparison of dissipation factor under bending stress conditions

그림 8은 굽힘 스트레스 조건에 따른 체적저항률을 건식과 습식 디자인 해저케이블에서 각각 측정·비교한 결과이다. 모든 조건에서 측정된 체적저항률은 1 × 10¹⁴ Ω·m 이상으로 일반적인 XLPE의 체적저항률 범위에 해당한다^[16]. 굽힘 스트레스 인가 전·후를 비교하면, 압축부와 인장부 모두에서 기계적 열화에 의한 명확한 체적저항률 감소는 관찰되지 않았고, 해저케이블 디자인 및 외·중·내층 3회 측정 데이터를 바탕으로 산출한 95% 신뢰구간 기준에서도 변화는 재현성 범위 내에 있었다.

그림 8. 굽힘 스트레스 조건에 따른 체적저항률 비교

Fig. 8. Comparison of volume resistivity under bending stress conditions

최소 굴곡 반경 이상에서 18,262회의 반복 굴곡을 인가한 본 시험 조건에서도, 건식 및 습식 디자인 모두에서 유전정접과 체적저항률의 유의한 변화는 관찰되지 않았다. 이것은 최소 굴곡 반경 이상의 반복 굽힘 스트레스에 의한 피로가 작용하더라도 XLPE의 전기적 특성은 안정적으로 유지됨을 의미한다.

4. Discussion

굽힘 스트레스에 대한 습식 및 건식 디자인 해저케이블의 전기적 특성 변화 실험 결과를 종합하면, 본 시험 조건의 반복 굽힘 스트레스에서는 도체 및 XLPE의 전기적 특성 변화가 미미한 반면, 건식 디자인 해저케이블의 연피 시스는 피로 균열을 매개로 파단에 이르는 취약성을 보였다. 연피 시스의 균열은 해수 침투의 경로를 형성하여, 실환경에서 전계·온도·화학적 스트레스가 동시 작용할 때 수트리의 개시 및 진전 가능성을 높일 수 있다. 따라서 건식 디자인을 적용하는 경우, 최소 굴곡반경 여유율 확보, 케이블 보호시스템 적용 및 곡률 관리, 그리고 연피 시스 건전성 진단을 통한 조기 균열 탐지가 필수적이다. 한편 습식 디자인은 소형·경량화의 이점이 있고, 금속 시스 파단 리스크가 상대적으로 작아 운용 신뢰성 측면에서 건식 디자인 대비 더 안정적일 수 있다. 다만 습식 디자인에 대해서는 실제 운용을 반영한 침수 상태에서 전류에 의한 온도 상승 및 전계 스트레스가 동시에 작용하는 조건 하에 굽힘 스트레스가 XLPE 절연 특성에 미치는 영향을 검증하는 추가 연구가 요구된다.

5. Conclusions

본 연구는 세굴로 인한 해저케이블 노출 및 자유경간 상황에서 발생할 수 있는 반복 굴곡 스트레스에 대해 건식 및 습식 디자인 해저케이블의 전기적 특성 변화를 조사하였다. 굽힘 스트레스는 최소 굴곡 반경을 외경의 20배로 설정하고 총 18,262회 반복 인가하는 조건으로 적용되었다. 이후 도체 및 금속 시스의 직류 저항, XLPE의 유전정접과 체적저항률 변화를 평가하였다.

첫째, 도체 저항은 두 디자인 모두에서 굽힘 인가 전과 후 유의한 변화가 관찰되지 않았다.

둘째, 금속 시스 저항 측정 결과, 건식 디자인에서 반복 굴곡 후 연피 시스가 단선 판정을 보였다. 해체 조사 결과 다수의 크랙과 원주 방향의 파단이 확인되었다. 반면 습식 디자인의 금속 시스 저항은 유의한 변화가 없었다.

셋째, XLPE 절연 특성은 굽힘 스트레스 인가 전과 후, 그리고 압축부와 인장부 비교에서 95% 신뢰수준으로 유의한 차이가 확인되지 않았다. 모든 조건에서 유전정접은 1.0 × 10^-3이하, 체적저항률은 1 × 10¹⁴ Ω⋅m 이상으로 일반적인 XLPE 범위에 위치하였다. 즉, 본 시험 조건에서 기계 하중 단독은 XLPE의 전기적 특성을 유의하게 악화시키지 않았다.

결론적으로, 본 시험 조건에서 도체와 XLPE의 전기적 특성 변화는 유의하지 않았고, 건식 연피 시스는 반복 굴곡에 피로 취약하여 원주 방향 파단이 발생할 수 있음을 확인하였다. 이러한 연피 시스 균열은 해수 침투 경로를 형성해 수트리 개시 및 진전 위험을 높일 수 있으므로, 건식 설계에서는 최소 곡률 반경 여유율, CPS 곡률 관리, 연피 시스 건전성 진단이 필수적이다. 습식 설계는 소형·경량화 이점과 함께 시스 파단 리스크가 상대적으로 낮아 운용 신뢰성 측면에서 유리할 수 있다.