전력용 콘덴서의 열화 요인과 열화 진단 방법에 대해서? CABLE의 절연 열화

1. CABLE의 절연열화1.1 열화를 발생시키는 요인1)전기적 요인 상시의 운전전압 외에 사고시의 지속성과전압,개폐써지, 뇌써지전압등의이상전압이 있다. 이들 이상전압이 열화의 동기를 제공하고 상규대지전압이 열화를 진행시킨다고 생각되어진다. 2)열적요인허용전류내에서 온도상승에 의한 열적열화는 거의 문제가 되지 않는다고 해도 열팽창수축에 의한 차폐동tape와 절연체의 계면에 공극이 생길 가능성을 생각할 수 있다. 또 지락,단락에 수반하는 온도상승과 과도 고온에서의 사용은 열적열화를 촉진한다.3)환경요인포설상태의 cable에 침입하는 것으로서 물,황화물,화학약품류가 있고, 또 단말에서는 자외선,오존,오손(염분,먼지)의 영향을 고려할 수 있다. 4)기계적 요인포설시 또는 포설후에 생길 수 있는 굴곡,측면 압력,충격하중,외상을 생각할 수 있고 장에 따라서는 진동 영향을 받을 수 있는 경우도 있을 것이다. 5)기타 요인동물에 의한 쉬스가 손상을 받아 그곳으로 수분 침입이 일어나는 경우, 또는 단말 혹은 접속부등의 시공불량에 의해서 공극이 발생하여 수분이 침입하는 것에 의해 부분방전열화와 수TREE열화 원인이 되는 경우를 생각할 수 있다.1.2 열화형태 열화를 발생시키는 요인으로서는 전술과 같은 사항이 고려되지만, 실제 열화에 있어서는 전술의 요인이 단독으로 작용하여 열화하는 경우는 작고, 많은 경우 각종의 요인이 중첩하여 복합적으로 작용하여 열화가 발생하고 진행한다. 여기서는 열화형태를 다음과 같이 분류하여 설명한다. 1)순 전기적인 열화크게 부분방전열화와 전기TREE열화로 분류할 수 있다.①부분방전열화절연체중의 보이드,절연체와 차폐층간의 공극등에 발생한 부분방전에 의해 케이블 절연체가 열화하여 진행하는 현상으로 방전 반복에 의해 서서히 절연체를 침식하고 파괴전압을 저하시켜 간다. 그러나 실제 케이블에서는 상규대지전압에서는 부분방전이 발생하지 않게 설계,제조관리가 행하여지고 있으므로 열적요인과 시공불량에 의해서 공극이 발생하지 않는 한 이와같은 열화는 보통 발생하지 않는다고 생각할 수 있다. ②전기TREE열화케이블 절연체내와 반도전층과 절연체의 계면의 국부고전계부에서 국부적으로 파괴가 발생하여 이것이 수지상으로 진전하여 가는 열화형태로 케이블에 인가된어 있는 전압이 저하하여도 국부적으로 고전계를 발생하도록 하는 부분이 있으면 일어날 수 있는 것이다.그러나 이 전기TREE도 충분한 관리상태에서 제조된 케이블에 있어서는 보통 발생하지 않는다고 생각되어 진다. 물론 후술의 수TREE에 있어서 수분 공급이 없게 된 후 수TREE로부터 전기TREE로 변환 진전하는 것이 있다.2) 환경과 조합된 열화 실제 열화로서 가장 많이 일어날 수 있는 것으로 크게 수TREE열화, 화학TREE열화,화학적 열화가 있고 또 단말에서는 트래킹 열화가 대표적이다.① 수TREE열화 수분과 전계가 공존상태에서 발생하는 수TREE에 의한 열화형태로 전기TREE에 비해서 꽤 저전계에서도 발생할 것이다. 수TREE는 도체위 반도전층(내부반도전층, 이하 내도라 칭함)혹은 절연체위 반도전층(외부반도전층, 이하 외도라 칭함)으로 부터 발생하는 수TREE와 절연체중의 보이드,이물으로부터 발생하는 보우타이수TREE로 분류된다. 전자는 특히 반도전성tape구조 케이블에 발생하고 있고 특히 내도로부터 발생한 수TREE(이하 내도TREE라 칭함)는 케이블의 절연성능을 크게 저하시킨다. 사고조사결과에 의하면 포설후 수년에 운전중에 절연파괴하는 경우도 있고 이와 같은 상태에서는 tanδ가 증가하고 직류누설전류도 증가한다. 외도로부터 발생한 수TREE(이하 외도TREE라 칭함)도 내도수TREE와 같은 형태로 절연성능을 저하시키지만 그 영향은 약간 작다고 말할 수 있다.한편 보우타이 수TREE에 관해서는 그 유해성은 비교적 작다고 하는 의견도 많지만 6.6kv cv케이블 및 BN 케이블에서는 수분에 의한 열화가 가장 많고 특히 내외도수TREE에 의한 열화가 지배적이다고 말할 수 있다. ② 화학TREE열화 케이블의 쉬스 및 절연체를 투과한 황화수소등의 황화물이 동도체와 화학반응을 일으켜서 황화동,산화동,아산화동등을 생성하여 이것이 절연체중을 쉬스측으로 수지형태로 진전하는 열화형태이다. 이 TREE는 전계의 유무에 상관없이 일어나고 또 전계가 있는 경우는 화학TREE가 촉진하기 쉽다. 화학TREE는 그것 자체 도전도가 높기 때문에 절연체의 파괴전압을 현저히 저하시킨다.③ 화학적 열화 XLPE와 BN은 기름와 약품에 의해서 여러 가지 영향을 받는다.그 양상은 기름과 약품의 종류에 의해 다르지만, 내부로 침투에 의한 재료의 팽윤, 기계적 강도의 저항,용해,화학적 분해,배합물의 굴곡에 의한 경화로 나타나 절연저항의 저항, tanδ증가,파괴전압 저하를 가져온다.④ 트래킹 열화 뚜껑을 사용하지 않은 테이프를 감은 단말과 몰드콘 type단말에서는 염분,먼지에 의한 오손에 의해서 표면누설→ 미소연면방전→표면 탄화 소손이 일어나 즉 트래킹열화를 발생시켜 최종적으로 표면 플래쉬 오버 혹은 단말파괴로 이르는 열화형태이다. 자외선과 오존은 단말표면에 크랙을 발생시키기도 하고 트래킹열화를 촉진할 수 있다. 3) 기타 열화기타 열화형태로서 여러 가지가 고려되어질 수 있지만, 대표적인 것으로서 다음과 같이 상정할 수 있다.① 열적 열화 XLPE와 BN등의 고분자재료는 장시간 고온으로 되면 열과 산소에 의해서 분자구조가 파괴되어 인장강도,신장율의 저하를 가져올 수 있다. 이 현상을 열적열화로 칭하고,이와 같은 물성의 저하에 의해서 절연성능이 저하하는 경우가 있다. 그러나 실제 케이블의 연속허용 온도는 이와 같은 열적열화에 충분한 여유를 가지는 범위로 설정되어 있어 열열화에 의해 절연성능이 저하하는 경우는 드물다.② 기계적 손상 및 변형 외상,부하변동에 따른 열신축과 단시간에서도 과고온으로 되면 변형등이 일차 원인으로 되어 다른 요인과 조합되어 절연성능을 저하시키는 경우가 있을 것이다

2. 절연열화 진단시험2.1 메가시험 메가(절연저항계)로 절연저항을 간이로 측정하여 케이블의 절연상태를 진단하는 시험이다. 이 시험은 측정기가 소형경량으로 조작도 간단하기 때문에 오래전부터 광범위하게 실시되고 있다. 1)측정기측정기로서는 메가를 사용하고 있다. 이것은 직류고전압전원이 구비된 휴대형으로 간편한 직독식의 절연저항계이고 현재 전지식과 손으로 돌리는 발전기식 것이 많이 사용되고 있다. 주요 메가사양 종류를 다음표에표시하였다.

정격전압(V)

유효 측정 범위(Mohm)

중앙 눈금(Mohm) 

비고

1002005005001,0002,000

0.02~200.05~500.1~1001~1,0002~2,0005~5,000

0.5122050100

측정단자전압은앙눈금에서정격전압의90%이상

2)시험방법 메가에 의해 직독,절연저항(메가)를 측정한다. 통상 메가로서는 측정개시 1분후의 값을 채용한다. 메가는 환경 특히 습도에 큰 영향을 받기 때문에 측정시에 기후와 온도 및 습도를 기록하여 평가시 참고하는 것이 바람직하다. 시험후는 감전방지위해 전극간을 단락하여 잔류전하를 충분히 방전시켜야 한다.3)시험결과 검토메가는 환경과 케이블의 구조,SIZE등에 의해 크게 변하므로 측정치 그 값으로 절연상황을 정확히 판단하는 것은 곤란하고 일반적으로 참고치로 하는 것이 많다. 기준치를 정해서 케이블 절연체와 쉬스 절연의 양부를 대충 진단하는 것에 사용되고 있는 경우도 적지 않다. 또 메가를 사용하여 열화 케이블의 절연열화진단 가능성을 상세히 검토한 예도 보고되고 있다.2.2 직류고전압 시험1) 직류누설전류시험케이블 절연체에 직류고전압을 인가하여 검출된 누설전류치, 또는 전류의 시간변화를 측정하여 절연체의 열화상황을 조사하는 시험이다. 이 시험은 인가전압에 직류를 사용하기 때문에 길이가 긴 케이블에서도 소형 장치로 비교적 간단히 측정할 수 있고 현장시험에 적합하다. 이 때문에 메가 시험과 함께 종래로부터 광범위하게 실시되고 있고 실적도 가장 많은 방법이다. a)시험회로 및 장치 케이블의 직류누설전류시험에 사용되고 있는 대표적인 측정회로예를 다음 그림에 표시하였다.(본 홈페이지에서는 그림생략) 일반적으로 케이블의 경우 누설전류가 미소하기 때문에 전원 전압이조금만 변해도 측정치에 큰 오차를 발생시킨다. 따라서 전원은통상 전지가 사용되어 이 전지 직류를 교류전압으로 변환하여전압조정후 정류회로에서 안정한 직류고전압을 발생시키는 방식이 사용되고 있다.시험 케이블의 단말에는 leak에 의한 오차를 방지하기 위해 가드 전극 설치가 바람직하다. 누설전류의 측정은 미소직류전류계를 사용하고 있지만, 그것과는 별도로 전류를 장치내에 설치된 표준저항에서전압으로 변환하여 기록계로 전류의 시간특성을 조사하는 것도 많다. 어느 경우에도 외래 노이즈등에 의한 측정치의 영향을 피할 수 없기 때문에전류측정용의 전선은 쉴드선을, 또 측정기로 신호입력측에는 저역필터를 설계하는 것이 보통이다.최근에는 직류고전압전원이 내장된 소형경량의직류누설전류 측정장치도 시판되고 있다. b) 시험방법통상 전류의 시간특성을 관측하지만 동시에 전압특성도 조사하는 것이많다. 인가전압,인가시간 및 인가방법은 여러 가지가 제안되고 있고 다음표는 그 일례를 표시하였다.

케이블 전압(KV)

제 1 STEP

제 2 STEP

인가전압(-KV)

인가시간(분)

인가전압(-KV)

인가시간(분)

3.36.6

510

77

816

77

열화케이블에서는 시험전압으로 절연파괴할 가능성도 있으므로 누설전류측정전에 메가 시험로 그 절연상황을 먼저 조사하는 것이 바람직하다.또 케이블을 SET전에 직류고전압 발생시의 측정회로 누설전류(SET Leak)를관측할 필요가 있다. 누설전류의 참값은 실측치에서 SET Leak치를 뺀 값이다. 시험 케이블은 단말표면을 청소하여 가드전극을 설치하여 단말Leak에 의한오차를 제거한다. 이 시험은 메가시험과같이 측정환경의 영향이 크므로 시험시의 기후,기온 특히 습도를 기록하는 것이 중요하다. 시험종료후는감전방지 위해 케이블 심선을 반드시 접지한다. 그 때는 케이블 보호 목적 으로 일단 고저항(예를 들면 1 Mohm)으로 방전시킨 후 충분한 접지를 하는것이 바람직하다.c) 시험결과 검토 누설전류치는 케이블 종류와 측정환경,측정방법에 의해크게 다르므로 수치만을 안이하게 비교하는 것은 위험하다. 측정수는 절대치 또는 단위길이(Km)당 환산한 값으로 평가되지만 일반적으로 전자의 경우가많다. 이것은 환산하는 것에 의해서 시험케이블이 매우 짧은 경우에는측정치에 포함된 단말등으로 부터의 Leak에 의한 오차를 피할 수 없을가능성이 있고 반대로 케이블이 길면 국부적인 열화에 의한 누설전류를평균화(적게 됨)할 위험성이 있기 때문이다. 따라서 측정치를 단위길이당값으로 환산할 때는 충분한 주의가 필요하다. 운전직후의케이블의누설전류를 측정하는 경우는 온도영향을 고려하여야 한다. CV케이블에있어서 온도상승에 따라 전류치도 크게 되므로 판정시는 주의를 요한다. 한편 열화가 매우 큰 국부결함이 형성된 경우는 누설전류-시간특성이 급격한 변동(킥 현상)과 증가가 발견될 수 있다. 특히 킥 현상은 케이블의 열화상황을 판단할 때 중요한 정보가 된다. 누설전류시험결과는 그 전류치와함께 다음의 특성치에 계산에 의해 정리하여 여러 가지 경험치 또는 판정기준치에 근거하여 케이블의 절연열화 진단을 실시하는 것이 일반적이다.성극비 = 전압인가1분후의 전류치/전압인가최종시점의 전류치불평형률=(3상중의 누설전류치의 최대치-최소치)/3상의 누설전류 평균치 약점비=제1STEP전압에서의 절여저항/제2STEP전압에서의 절연저항CR치=시험케이블의 정전용량 X 절연저항 성극비는 흡수전류와 누설전류의 비를 표현한 값이고 열화가 진행된 케이블에서는 시간과 함께 누설전류가 증가하는 것이고 이 경우에는 성극비는 1보다 작게 된다.불평형률은 3상의 누설전류치의 편차비율을 표시하는 값이다. 케이블은 3상 동일 조건이므로 각 상의 값이 편차가 크면 절연이상 의혹이 있다. 약점비는 절연저항(누설전류)의 전압 의존성을 표시하는 값으로 케이블의 열화상황과의 상관관계는 아직 명확하지는 않다. 특히 CV 케이블에서의 측정실적이 적다. CR값은 누설전류의 측정치에 기초한 케이블의 절연저항을 표현될 수 있고 이 값을 사용하면 케이블의 절연두께와 도체SIZE에 관계없이 절연성능을 비교검토할 수 있다.케이블 열화 진행에 따라 CR치는 저하한다.2) 직류내전압시험 케이블 절연체에 규정의 직류고전압을 일정시간 인가하여 그때의 절연 파괴 유무를 조사하여 절연상태의 양부를 판정하는 시험이다. 본래는 전선로의 준공시 검사로서 행하여져 왔다. 따라서 엄밀하게는 절연열화 진단을 위한 시험은 아니고 케이블의 절연성능을 기본적으로 보증하는 목적으로 실시된다. 이 시험은 작업이 비교적 간단하고 단시간에 결과를 알 수 있는 잇점이 있지만 시험 케이블의 열화가큰 경우 케이블을 파괴시킬 위험성이 있기 때문에 본래 비파괴시험이어야할 열화진단시험으로서 채용하고 있는 곳은 적다. a) 시험회로 및 측정기직류고전압 발생회로는 기본적으로 누설전류측정시의 것과 동일하다. 그러나 내전압시험에서는 전원전압의 변동에 대해서 누설전류시험시와 같은 매우 작은 변동을 요구하지 않으므로 전원은 반드시 전지식일 필요는 없다. 현재는 소형 경향의 직류고전압 발생장치도 시판되고 있고, 많게는 누설전류 측정도 가능한 것도 많다. b) 시험방법케이블 절연체에 직류고전압을 일정시간,서서히 인가한다.전기설비기술기준에 의하면 전선로의 준공시험검사의 경우 3.3KV케이블에서는 10.35KV, 6.6KV에서는 20.7KV를 각기 10분간 인가하는 것으로 되어 있다. 그러나 열화케이블에 대해서는 절연체에 손상을 주지 않게 어느 정도의 케이블 절연보증도 가능한 인가전압 및 인가시간을 선정할 필요가 있다.시험후는 누설전류시험 경우와 같은 방법으로 일단 고저항으로 방전시킨 후, 중분한 접지를 하여 감전방지에 만전을 기해야 한다. c) 시험결과 검토직류내전압 시험 결과로부터 절연체의 열화의 정도를 안다는 것은 극히 곤란하다. 그러나 시험후의 케이블에서는 적어도 언떤 일정시간, 성능을 보증된 것으로 되고 운전중의 절연파괴사고를 어느 정도 방지하는 것이 가능 하게 된다. 한편 메가 시험을 병용하여 내전압 시험전후의 메가 변화등으로부터 새로운 열화진단 가능성도 고려되고 있다. 또 여러 가지 열화 케이블의직류 및 교류파괴치의 상관을 구하여 직류내전압 시험을 케이블의잔존 수명 보증에 적극적으로 활용하려고 하는 시험도 검토되고 있다.

( 자료출처:파워케이블홈)

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