2014 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2014A459 무선전력전송의케이블내압에관한연구 Voltage Endurance of the Feeding Cable for Wireless Power Transfer System 김재희, 이승환, 이병송, 이준호, 박찬배, 정신명, 이수길, 이경표, 백제훈 Jae Hee Kim, Seung-Hwan Lee, Byung-Song Lee, Jun-Ho Lee, Chan-Bae Park, Shin-Myung Jung, Su-Gil Lee, Kyung-Pyo Yi, Jei-Hoon Baek Abstract This paper proposes design of the transmitting cable and a measurement method of the voltage endurance for the high power Wireless Power Transfer(WPT) system of the railway applications. High voltage at the end of the transmitting cable can caused by the high current in the cable or incorrect design of the cable topology. This voltage makes dielectric breakdown, damage of the system and safety accident. Therefore it is important to predict the voltage of the cable and use the correct cable which can withstand the voltage of the cable when we design the transmitting coil. Weak positions for the voltage endurance of the transmitting coil is proposed and the dielectric breakdown voltage is measured for the three cables those are used in the high power WPT systems. Keywords : Wireless Power Transfer, Cable, Voltage endurance 초록본논문에서는무선전력전송의철도차량적용에있어케이블내압특성을고려한설계및내압측정실험에관한내용을제시하도록한다. 대전력무선전력전송시스템은케이블에많은전류가흐리게되고또한케이블끝단에전압이높게형성이되어, 잘못된설계는절연파괴로나타나시스템의손상및안전사고의위험을가져올수있다. 따라서송신코일및픽업을설계하는데있어내압특성을정확히예측을하고올바른케이블을사용하는것이필요하다. 무선전력전송의내압이약화될수있는부분에대해서제시하도록하며실제케이블의내압특성을측정하여절연파괴가일어나는전압을제시하도록한다. 주요어 : 무선전력전송, 케이블, 내압 1. 서론 무선전력전송은소형가전으로부터시작하여철도에이르기까지다양한분야에연구가진행이되고있다 [1-5]. 소전력무선전력전송과는다르게대전력무선전력전송에서는설계에고려해야할사항이추가적으로있다. 각단위모듈별, 그리고각위치별전압전류값을반드시체크해야한다. 왜냐하면전압값이높게되면각모듈의소자가파손될수있으며 교신저자 : 한국철도기술연구원추진무선급전연구팀 (jaehee@krri.re.kr)
또한절연파괴로인하여시스템전체에위험요소가될수있기때문이다. 전류값이높게되면각모듈에서는소자손상이발생할수있으며급전케이블과집전케이블에서는고전류에의한발열로화재의위험이있게된다. 따라서설계단계에서케이블의내압을정확히파악하는것이필요하며내압을고려한케이블선정및구조디자인이되어야한다. 본논문에서는대전력무선전력전송시스템에서송신코일의케이블내압을고려한설계방법에대해서살펴보며, 실제케이블내압을측정하여절연파괴시발생하는현상을제시하도록한다. 2.1 무선전력전송의케이블설계 2. 본론 Fig. 1 무선전력전송의송신코일 무선전력전송시스템에서고주파로변환된전기에너지를무선으로보내주는부분은송신코일과수신코일이다. 시스템설계시송신모듈과수신모듈의경우제품의사양이정해져있기때문에입출력전압과전류에관해서는쉽게고려할수있다. 하지만송신코일과수신코일의경우코일의구조에따라서각위치별로걸리는내압이달라지게된다. 따라서최대로걸릴수있는내압이케이블의설계내압보다는낮아야한다. 철도에적용하는무선전력전송시스템은자기장을강하게만들어야하기때문에송신코일에전류를많이흘려야한다. 기존 OLEV 전기버스, 무가선트램의무선전력전송등에적용된송신코일의전류는 200~300A 이다. 그림 1과같이 1턴으로형성된무선전력전송의송신코일에대해서살펴보기로하자. 송신코일에전류가흐르면자기장이형성이되는데, 무선급전은높은주파수를사용하기때문에송신코일의길이에따라인덕턴스성분에의한전압이걸리게된다. 인덕턴스성분에의해걸리는전압은 jωli 로결정이된다. L은인덕턴스이며 ω는주파수, I는선로에흐르는전류이다. 실제무선전력전송의송신코일을구성해보면케이블길이당인덕턴스의값은 1~3uH이다. 인덕턴스를 2.5uH라가정을하고주파수를 60kHz를사용하고전류를 300A 를흘리게되면 10m의케이블에걸리는전압은 jωli = =(2 60 10 3 Hz) 2.5 10 6 H 10 300A =,
이다. 따라서케이블의길이가 100m만되어도일반적인케이블의내압인 10kV를넘는 28kV 가케이블양끝단에걸려절연파괴의가능성이높다. 이경우최소 15m내에는캐패시터를달아줘 15m에발생하는내압 (4.2kV) 을보상해주어야한다. 실제걸리는전압이단순히케이블의양끝단에걸리는전압으로생각하기쉽지만실제대지의그라운드전위가케이블외경에바로붙어있기때문에최악의경우케이블피복밖으로케이블최대전위가발생할수도있다. 무선전력전송의송신코일뿐만아니라수신코일역시케이블의인덕턴스가발생하기때문에이를고려한설계가필요하다. 2.2 케이블내압측정실제무선전력전송에사용되는케이블의내압을측정했다. 측정을위하여사용된케이블은모두 3가지로그림 2에서보는바와같이케이블1( 절연두께 1.4mm, 시이스 1.4mm), 케이블 2( 절연두께, 테프론 1.4mm), 케이블3( 절연두께 1mm) 이다. 케이블의내압을측정하기위해서는케이블의내부도체와외부도체사이에전압을걸어주어야한다. 따라서그림 2에보는바와같이케이블을물에담그어 (-) 신호는물에넣었으며 (+) 신호는케이블내부의도체에직접연결하였다 < 케이블 1 > < 케이블 2 > < 케이블 3 > Fig. 2 내압측정을위한케이블 Fig. 3 측정을위한실험셋팅
실험을위하여고전압을인가하고인가시마다 2분동안관찰을진행하였다. 60kHz의전원을사용하면좋지만, 현실적으로사용가능한전원장치가없기때문에측정가능한 60Hz로실험을진행하였다. 실험결과는표1에도시하였다. 표 1을보면 25kV까지전압을높이면서실험을진행을하였고실험결과절연두께가가장낮은테프론 1mm에서절연파괴가발생하는것을확인하였다. 절연파괴테스트결과파손된부분의시료를그림 4에도시하였다절연이파괴되면절연파괴지점에서의케이블의피복이파손되는것을확인할수있었다. 실제케이블의절연파괴지점에서는케이블사용을진행할수없으며안전및내구성을고려하여낮은곳에서운용하는것이필요하다. 따라서케이블내압이최소 5kV이하가되도록설계하는것이필요하다. Table 1 케이블종류에따른내압측정결과 케이블 6kV 10kV 12kV 16kV 20kV 25kV 종류 케이블 1 Pass Pass Pass Pass Pass Pass 케이블 2 Pass Pass Pass Pass Pass Pass 케이블 3 Pass Pass Pass Pass Pass 파괴 Fig. 4 절연파괴시현상 3. 결론본논문에서는무선전력전송시스템을구현하는데있어송신코일의케이블내압에대해서고려할사항에대해서살펴보고실제케이블의내압을측정하여제시하였다. 실제대전력무선전력전송시스템의설계시코일의인덕턴스에의해서고전압이발생할수있으며이로인하여절연파괴가발생할수있다. 케이블의내압을줄이기위해서는공진구조를만들때캐패시터의위치를내압이높아지지않도록선정을하고케이블의내압특성을파악하여적
절하게절연보강을해주는것이필요하다. 참고문헌 [1] Aiguo Patrick Hu (2009) Wireless/Contactless Power Supply, VDM Verlag, Chap 1. [2] S. Y. R. Hui and W. W. C. Ho (2005) A New Generation of Universal Contactless Battery Charging Platform for Portable Consumer Electronic Equipment, IEEE Trans. on Power Electronics, 20 pp 620-627 [3] J. Huh, S. Lee, C. Park, G.-H.Cho, and C.-T. Rim (2010) High Performance Inductive Power Transfer System with Narrow Rail Width for On-Line Electric Vehicles, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, pp. 647-651 [4] 이병송, 홍순만, 김재희, 박찬배, 이수길, 이준호 (2013) 무가선트램 60kHz 무선전력전송시스템, 철도저널, 16(1), pp. 8-11. [5] Kiwon Hwang, Seonghwan Kim, Seongkyu Kim, Yangbae Chun, Seungyoung Ahn (2012) Design of Wireless Power Transfer System for Railway Application, International Journal of Railway, pp. 167-174