전력CABLE 열화진단기술(본론)2. 본론 최근 전력수요의 증대나 고도 정보화의 진전은 전력수요에 높은 신뢰성을 요구하고 있으며 이 공급 신뢰성에서 최고로 중요한 것은 정전시간이다. 정전의 감소에서는 사고정전의 감소, 작업정전의 감소가 중요한데 작업정전의 감소방안으로는 현재 활선하에 서의 열화진단방법이 개발되고 있다. 즉, 휴전작업으로 인한 정전시간을 감소시키고 열화진단에 소요되는 장비와 인력의 경감이 중요시되고 있다. 한편 사고정전을 감소하기 위해서는 정전시간의 감소, 즉 사고의 조기 복구대 책이 중요하여 전력회사를 중심으로 검토가 행해지고 있지만, 사고 그 자체를 미연에 방지하는것이 무엇보다도 중요하다. 이러한 사고를 미연에 방지하기 위하여는 CV 케이블 자체성능의 향상 방법과 운전중 케이블의 성능을 파악하여 사고를 미연에 방지하는 2가지 대책을 들 수 있다. 케이블 자체의 성능은 초고압 케이블의 개발과 함께 제조기술이나 품질관리등의 종합적 연구성과가 비약적인 향상을 가져와 최근 CV 케이블의 수트리 열화의 문제는 많이 감소하고 있다.그러나 과거에 제조, 포설된 많은 케이블이 운전되고 있고 운전중인 케이블의 성능파악은 대단히 중요한데반하여 사선진단인 현재의 열화진단방법은 충분한 진단법이 되지못하여 여러가지 새로운 열화진단기술이 연구되고 있다. 다음에 전력공급의 고신뢰 화를 위하여 검토되고 있는 내용을 정리하면 표1과 같다.
2.1 케이블 사고현황 및 실태2.1 케이블 사고현황 및 실태2.1.1 국내의 케이블 절연열화 사고의 현황국내의 전력설비의 사고 통계를 보면 '81~'86년까지 전체수용가 사고통계를 기기별로 분석, 조사한 결과 전체 사고의 12.1%가 케이블 사고로 분석되어 있다. 사고를 원인별로 분석해 보면 절연열화가 전사고의 66.3%를 차지하며, 시공 및 보수불량이 11.8 %를 차지하고 있어, 유지, 보수를 철저히 하고 열화 진단기법이 개발되어 활용된다면 전사고의 78.1 %를 감소시킬 수가 있는 것 으로 판단된다.따라서, 기 포설되어 현재 20년이상 운전중에 있는 케이블 사고를 미연에 방지하고 신뢰도를 제고하기 위하여도 절연진단기술 의 개발은 시급한것으로 판단되었다.2.1.2 국외의 케이블 절연열화 사고의 현황일본의 경우 1955년 후반, 배전선에 CV 케이블을 처음 사용한 이래 현재 배전용 케이블로서의 자리를 완전히 굳혀왔고 매년 막대한 양의 CV 케이블이 출하 및 포설 되고있다. 반면 장기간 운전에 따른 절연성능의 저하로 사고가 일어나고 있는데 보고에 따르면 케이블 사고가 차지하는 비율은 전체 전기공작물 사고의 42% 정도이고 이 42%의 케이블 사고중에서도 케이블의 자연열화 사고(주로 수트리)가 차지하는 비율이 70%정도로 상당히 높은 결과로 보고되고 있다. 또한, 사용년수의 경과와 함께 케이블의 자 연열화사고의 점유율이 점차 증가하고 있다.
2.2. 케이블 열화요인 및 열화 Process2.2. 케이블 열화요인 및 열화 Process2.2.1 고압 CV 케이블에서의 절연열화전기기기에 이용되고 있는 각종 고분자 절연재료는 열, 전기, 환경 및 기계적요인등에 의한 스트레스를 장기간 받으면 초기의 물성치를 유지하지 못하고 변질되기도 하고 극단적인 경우 파괴되기도 하는데 이것을 열화라고 하며 이로인해 수명이 저하하게 된다. 그런데, 케이블의 절연열화는 보통 사용되는 환경하의 여러요인들에 의해 중첩되는 복합열화의 상태로 발생되며 그중에서도 수트리를 포함한 전기적요인, 열적요인, 기계적 요인등이 중요한 열화의 요인이 되고 있다. CV 케이블에서 각종 열화요소에 의한 열화진전 Process 와 열화신호를 요약하면 표2와 같다.2.2.2 수트리의 발생 및 방지대책가. 수트리의 정의CV 케이블의 열화진행은 케이블 자체가 가지고있는 결함의 형태, 조건, 사용 환경등에 따라 크게 좌우된다. 특히 사용환경 조건 가운데 수분의 영향은 커서 케이블이 흡습표 2. 열화요소에의한 케이블의 열화 Process 및 신호열화의 종류
고장MODE열화PROCESS열화 신호열적열화금속피로(차폐층)열열화(절연체)과열→열신축에 의한 금속피로→파괴단선→Case C과열→산화,분해→반응생성물이온→절연성능 저하차폐층저항 증가절연저항저하흡수열화(방식층 외상침투)수TREE열화(절연체)부식파괴(금속차폐층)열열화(절연체)Case A수분침투→수TREE발생진전→절연체 관통→절연파괴Case B수분침투→차폐층 부식손상→강도저하→파괴단선Case C파괴단선부 발열→파괴단선부과열,노화,탄화→절연파괴절연저항저하차폐층 저항증가절연저항저하전기적 열화(Void,돌기)전기TREE열화(절연체)Case D국부고전계→부분방전→절연체침식→절연파괴절연저항저하상태로 사용되는 경우 폴리에틸렌에서의 전계집중및 물리화학 작용에 의해 수트리가 발생한다. 수트리에는 내부및 외부 반도전 층의 결함요소로 부터 신장하는 수트리(Vented Tree)와 절연체의 이물및 보이드를 시작점으로 양쪽으로 신장하는 Bow-Tie 트리가 있다. 이 가운데 외부 반도전층과 내부 반도전층에서 발생하는 수트리는 전하의 공급과 수분공급이 용이하므로 쉽게 활성화되어 시간과 함께 진전하여 절연파괴에 이르게 된다. 특히, 전력케이블의 경우 전기트리와 수트리는 케이블 절연체의 주요한 파괴요인이 되는데 6.6kV 및 22kV급에서는 제조기술의 발달로 전기트리의 측면에서는 문제가 없이 30년의 수명을 유지하지만, 케이블 내부에 물이 침투하거나 수분이 존재하는 경우 전계가 가해져 오랜시간이 흐르면, 휠씬 낮은전압에서도 발생되는 수트리로 인하여 케이블의 수명은 단축된다. 나. 수트리 방지를 위한 대책따라서, 수트리 방지대책으로서 케이블 제조시 첨가제를 넣는 절연체 자체의 개량및 제조기술의 향상, 내외부 반도전층의 재 료의 개량, 수트리 억제에 대한 연구가 진행되고 있으며, 케이블 구조 설계의 변경으로는 케이블의 절연체에 물이 침입되지 않도 록 외부 차수형 케이블 및 도체 수밀형의 케이블이 최근 국내에서 개발되었다.또한, 제조공정의 경우 과거 수증기가교 제조로 인한 제조상 결함이, GAS 가교방식의 신공정으로 바뀌어 제조되고 있다. 그 럼에도 불구하고, 포설 및 접속의 잘못으로 케이블에 물이 들어가는 경우가 많기 때문에 이에따른 대책이 더욱 더 필요하다.2.3. 케이블 열화 진단기술 개발 현황2.3. 케이블 열화 진단기술 개발 현황배전 케이블은 대부분 관로 또는 지하에 매설되어 있기 때문에 케이블 외관의 점검이 불가능하여, 케이블의 상태를 정확히 점 검하기 위해서는 정밀한 측정기법을 활용하여야 한다. 따라서 최근 이러한 면을 감안하여 열화측정 기법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 또한 여러가지 이론을 활용한 설비들도 개발되어 실용화되고있다.2.3.1 열화진단 기술의 평가 고압케이블의 열화진단 방법은 2단계로 나눌 수 있다. 우선 개략적인 진단방법인 절연저항 측정으로 고압케이블의 절연열화 상태를 1차로 점검한 후, 다음에 보다 고정밀도의 계측기를 사용하여 정밀진단을 실시한다.이에따라 1차 점검에서 절연불량으로 판정될 경우에는 고압케이블을 신품등으로 조속히 교환하여야 하며, 주의가 필요하다고 판단된 경우에도 다음의 고정밀도 측정기로서 정밀진단을 실시하여 정상, 불량상태를 판단하고 주기적으로 점검할 필요가 있다. 또한, 실선로에의 적용에 있어서 효용성, 신뢰도, 검출감도등 많은 보완의 필요성이 대두되어 현재 앞에서 설명한방법외에도 많은 검출기술이 검토되고 있다. 표3.과 표4.에 현재 검토되고있는 각 열화진단법의 종류및 특징을 요약하여 정리하였다. 표 3. 현재까지의 열화진단 방법[1]사선 진단방법 측 정 법
특징직류누설시험직류누설 측정법은 용이하게 실시가능하고,측정정도가 높아 현재 케이블 열화판정 및 보수의 판정에 널리 채용되고 있다.유전정접(Tanδ)시험1)고압케이블에서 널리 채용되고 있는 측정방법이지만,케이블 용량에 맞는 교류전원이 필요하면 고압전원에서 유도 받기 쉽기때문에 검출정도가 떨어져 직류누설전류시험에 비해 약간 열세인 면이 있다.2)CABLE전체 열화가 평균되어 나타나므로 국부적 열화를 알기가 어렵다.내전압 시험1)직류내전압법과 교류내전압법이 있으나 전원의 간편성에서 직류내전압법이 많이 사용된다.2)전압에 견디는지의 여부 시험이므로 수TREE열화정도 및 잔존수명을 확인하기는 어렵다.3)직류내압치로서 잔존수명을 보증직류 역흡수 시험직류전압을 일정시간 인가하고 일정시간 접지한 후의 역흡수 전류를 측정직류잔류전압시험1)직류전압을 일정시간 인가하고 일정시간 접지한 후 접지단을 개방하면 시간경과에 따라 전압이 회복되어가능데 이 전압을 측정한다.2)역흡수전류시험에 비해 잡음영향이 없다.직류전위감쇄시 험직류를 과전후 도체와 접지선간을 개방하고 CABLE절연체의 절연저항에 의존하는 시간에 따라 감소하는 도체전위를 측정잔류전하 시험직류전압 인가후 일정시간 접지후 절연체 중에 남아있는 전하를 교류전압에 의해 과도직류 전류성분으로서 얻어 시간의 적분량, 즉 전하량을 열화판정에 이용부분방전 시험보이드(void)등 결함검출법으로서 이전부터 사용,수TREE열화검출에는 부적절한 방법[2]활선 진단방법 측 정 법특징직류중첩법배전선에 직접 또는 접지변압기(GPT)의 중성점에서 직류전원으로 직류전압을 중첩시켜 활선상태에서 절연체에 흐르는 직류전류 성분을 측정한다.
직류성분법1)교류전압인가시에 충전전류중에 미약한 직류성분이 포함되는데 이를 활선상태에서 차폐동TPAE와 대지간의 접지선에서 측정
2)직류중첩법과 달리 특별한 전원장치가 필요없어 측정이 간편하다.
활선Tanδ법1)고압케이블에 분압기를 접속하여 측정한 선로전압과 절연체중에 흐르는 전류와의 위상차에서 Tanδ구하는 방법
2)활선상태에서 Tanδ를 측정하므로 특별한 고압전원장치가 불필요하지만 전압측정을 위해 충전부에 접촉할 필요가 있다.
표4. 현재 연구중 또는 시험중인 열화진단 방법 측 정 법특징맥동검출법 교류전압 과전상태에서 수TREE 열화부의 정전용량이 변화하여 발생하는 상용주파수보다 낮은 주파수의 전류를 맥동으로서 검출하는 것
접지선 전류법수TREE(water tree)열화에 의해 cable의 정전용량이 증가하는 것에서 이것에 대응하는 cable접지선 전류의 증가경향을 얻는 것
저주파 중첩법배전선로에 저주파 전압을 인가하고 cable접지선에 흐르는 저주파 전류 가운데 유효분 전류를 검출하고 절연저항을 구하는 것
2.3.2 절연열화 진단기술의 검토전력케이블의 열화진단방법으로서 초기에는 메가로서 측정하였으나, 메가로서는 측정전압이 낮아 1000MΩ이상은 정확히 측정 할 수 없어, 실제 현장에서 적용하고 있는 측정법은 사선과 활선으로 나누어 점검을 실시하고 있다.가. 사선 진단기술의 검토표 5는 현재 일본에서 비교적 널리 사용되고 있는 사선 진단장치의 정밀도, 적용성, 실적등을 정리한 것으로 일본에서는 여러 가지 사선 열화진단 방법중 케이블 도체에 직류고압을 인가하여 직류누설전류를 측정하여 Cable의 절연열화를 진단하는 직류누 설 시험법을 가장 많이 사용하고 있다. 특히 최근에는 직류누설시험 진단장치의 교류입력전원(AC 100V 또는 AC 200V)의 변동에 의한 Cable도체에 인가되는 직류고압의 변동에 의한 누설전류치 변동, 성극지수 및 킥현상 판독오류를 방지하기 위해 진단장치의 입력전원으로 축전지를 사용하는 추세에 있다.표5. 일본에서 많이 사용중인 사선 진단장치의 적용성절 연 특 성현장에서의 평가정 밀 도현장 적용성실적간이측정1,000V 메가측정기절연체 절연(도체-차폐간)△⊙⊙쉬스 절연(차폐-대지간)⊙정밀측정직류누설전류측정기누설전류 절대치⊙○⊙성극지수킥현상약점비불평형율Tanδ측정기⊙○⊙부분방전측정기직류전압 인가○△⊙초저주파 또는준삼각파 인가△주) 정 밀 도 : ⊙ 우수, ○ 양호, △ 낮거나 기준 미확립 현장적용성 : ⊙ 우수, ○ 양호, △낮음 실적 : ⊙ 많다, ○ 보통, △ 작거나 없슴한편, 국내 현장에서 배전용 고압 CV케이블의 절연열화를 정전상태에서 진단하는 방법으로서 가장 많이 사용하고 있는 방법은 일본에서 참고치로 사용하는 1,000V 메가 방법이고, 그 다음이 케이블 준공시험에서 일반적으로 사용하는 내전압 시험기를 사용 하여 직류 누설전류 절대치로 절연열화 상태를 판정하고 있으며 tanδ 측정방법은 거의 사용하지 않고 있는 실정이다.여기서 내전압 시험기는 일본에서 가장 많이 사용하는 직류누설전류 측정기와 원리는 유사하지만 측정기의 입력전원으로 교류 를 사용하기 때문에 누설전류 절대치 이외의 킥현상 , 성극비등은 거의 판독할수 없는 실정이며, 케이블 도체에 인가하는 전압을 낮은 전압부터 STEP별로 측정하지 않고 상용 내전압치에서 측정하는 경우가 대부분이어서직류고압 인가로 인한 케이블 절연체의 열화를 촉진시킬 우려가 많다.또한, 1000V 메가는 고압케이블의 절연열화 상태가 매우 나쁜경우에는 측정이 가능하지만 초기열화 상태의 경우는 메가로 측 정할수 없는 경우가 많고 측정조건에 따라 측정치가 다른 경우가 많이 있으며 판정기준이 달라 회사마다 판정기준을 달리 하고있 다. 직류누설전류법이 일반적으로 열화판정및 보수에 가장 많이 사용되고 있으며, 비교적 측정정도가 높고 용이하게 사용할 수 있 고 수트리의 관통경로가 생기면 즉시 확인이 가능하다.Tanδ 측정은 큰 용량의 교류 전원이 필요하여 변전실등 협소한 공간에서 작업하기 어려운점등 제약이 많다.직류 내전압시험은 전원의 간편성으로 일반적으로 사용되지만, 이 시험은 전압에 견디는가의 여부를 판단하는 방법으로, 수트 리가 진전중인 케이블의 경우 직류전압의 인가후 수트리의 발생부위에 공간전하가 생겨 축적되고, 쉽게 빠져나가지 않기때문에 전압 인가시 케이블의 절연파괴의 원인이 될 수 있다. 나. 활선 진단기술의 검토표6.은 현재 일본에서 사용하고 있는 고압케이블의 활선 진단방법을 정리한 것으로 CV고압전력케이블의 효과적인 활선절연진 단을 위해서 일본은 최근 수년동안 연구를 진행해 왔고, 그 결과 유용한 여러 가지의 절연진단 장치를 개발하여 실험장에서 전력 케이블의 절연진단을 실시하거나 그 유용성을 확인하고 있다.또한, 계측기의 정밀도와 진단장치 조작의 용이성을 개선시킨 새로운 진단법을 개발하는 것을 여전히 중요한 과제로 하고 있 다.표6. 배전용 케이블의 활선 절연진단법의 사용현황측 정 방 법열 화 형 태수트리전기트리직류전압 중첩법AA직류 성분법AA활선 Tanδ법A저주파 중첩법BA접지선 전류법AA맥동전류 파형법AB주)A : 실적, 현장 측정자료 있음 B : 연구중, 시작품과 측정자료 있음한편, 현재 국내의 활선열화 진단장치의 개발은 케이블 회사를 중심으로 검토 또는 진행중에 있다. 국내의 배전계통 사정에 맞는 진단장치는 직류성분법, 직류중첩법, 활선 tanδ 법 등을 이용한 활선 열화진단장치인 것으로 검토되고 있으며, 그중 일부 는 개발이 진행중이거나 현재 개발이 완료되어 실현장에서 사용되는것도 있으나, Cable 시스 접지방식이 22.9kV급 배전용 CV케이 블의 경우, 전력회사는 다중접지를 하고 있고, 민간업체에서는 주로 편단접지 또는 양단접지를 하고 있으며 3.3, 6.6kV의 경우는 대부분 편단접지 또는 양단접지를 사용하고 있으므로 케이블 시스의 접지를 사용하여 도체와 시스 사이에 흐르는 누설전류를 측 정하여 절연열화를 진단하는 직류성분법, 직류중첩법, 활선 tanδ법 등의 활선 열화진단방법은 편단접지나 양단접지방식(편단접 지로 변경용이)에서는 사용상 문제가 없으나, 다중접지 방식에서는 편단접지로의 변경이 어렵기 때문에 절연측정이 곤란하다. 따 라서 고압전력 케이블의 진단장치 에 있어서 이부분에 대한 지속적인 연구가 필요하다. 직류전압 중첩법은 배전선에 직접 또는 접지변압기를 통하여 별도 전원에의한 직류전압의 중첩이 필요하여 측정장치 설계시 직접접지.저항접지계통의 지락전류의 사전검토가 필요하지만, 절연측정감도가 높고 DATA가 절연저항으로 표시되고 또한 케이블 에 연결된 접속재도 동시에 열화정도를 측정할 수 있다.Tan δ법은 평균적 열화검출에는 유효하지만 국부적열화의 경우 건전부분의 값과 평균화되어 검출되는 결점이 있으며, 활선상 태에서 고압측에 Lead선 연결의 위험등이 있다. 그렇지만, 직류누설 전류및 직류성분법의 국부열화에 국한되지않고, 열화부의 절 대량 측정이 가능하여 평균열화진단에 유용하다.직류성분법은 특별한 전원장치가 필요없고, 측정이 간단하고, 안전하여 현장적용성이 우수하며,시스의 절연저항도 동시에 측 정함으로써 시스의 이상유무,열화정도를 확인할 수 있다. 반면 실제 측정시 운전중 차폐의 접지선을 분리하여 측정기에 접속하여 야 하는 문제가 있다.2.4 절연 열화진단의 향후전망2.4 절연 열화진단의 향후전망최근에는 고압케이블의 절연열화 Data의 처리를 완전 자동화하여 진단을 행하는 방법이 활용되고 있는데, 이는 상시로 케이블 의 운전상태를 감시하고 이상발생시 경고등으로 이상을 통지하고 또한 정규진단시 생기는 인력 및 기타자원의 소비를 줄이는 새 로운 응용기술이다. 케이블의 각종 상태를 측정하여 계측기기에서 일정한 주기로 여러 측정항목에 대하여 자동으로 측정을 행하 고 이 결과를 광화이바를 통해 상위 시스템 또는 중앙제어실 컴퓨터로 전송하여 Data의 기록과 평가등을 하여 사고의 예측 및 방 지를 하는 것이다. 또한 케이블의 절연열화진단을 통한 판정기준은 열화현상의 요인에 따라 다르고 포설환경, 제조형식에 의해서 도 좌우되어 명확한 기준이 확립되어 있지않다. 일본 전기학회 조사에 의하면 많은 케이블 관리자들이 현재 절연진단 방법상 기술적인 애로사항으로서 판정기준 및 측정오차에 의한 절연진단의 어려움이 있다는 것이 대부분을 차지하고 있다.따라서, 현재에는 각 분야의 진단전문가의 경험과 독자적인 판정기준에 근거하여 판정을 하고 있는 상황이다.그러나 최근 전문기술자 및 현장경험이 풍부한 숙련자의 확보가 어려워지기 때문에, 이 분야에서도 전문가 시스템(Expert Syst em)의 필요성이 대두되어 급속도로 실용화되고 있다. 그리고 여기에다 종래에 판정기준의 경계부근에서의 판단이 명확히 구분되 는 단점을 보완하여 요즈음은 각 측정항목의 판정경계 전후값의 여유치를 고려하여 케이블의 상태를 판정하는 FUZZY이론을 도입 하고 있다. 이 시스템의 실행결과 전문기술자의 진단결과와 상당히 일치하는 효과를 얻고 있다고 보고되고 있다.한편, 케이블의 사고방지를 위한 열화진단의 필요성이 크게 대두되면서 위에서 언급했던 여러 가지 기술들을 종합적으로 활용 하여 각각의 진단대상의 포설환경에 맞게 그리고 케이블의 종류에 따라 활용이 용이하도록 여러 진단설비가 하나의 차량에 설치 된 이동용 진단차량의 개발 및 활용도 활발히 실용화되고 있다.
전력CABLE 열화진단기술(결론)3. 결 론사회의 고도화 및 사용전력의 대용량화에 따라 지중배전선로가 늘어나면서 케이블 이상으로 인한 열화사고의 미연방지가 철저 히 요구되고 있다. 이런 사고의 사전방지를 위한 열화진단 기술의 현황을 요약하면 다음과 같다.비활선 열화진단 방법이 현재까지 많은 Data의 축적과 함께 신뢰성이 높은 기술로 활용되고 있으며 대표적인 것으로 직류누설 전류법과 유전정접법이 있다. 그리고 최근 정전을 하지않고 행하는 진단기술의 요구가 높아져 활선상의 열화진단 기술이 활발히 연구가 진행되어 직류성분법, 직류중첩법등 몇몇 기술은 실용화되어 Data의 축적단계에 있는것도 있다. 또한 최근에 발달한 컴퓨 터 기술 , 광 기술 및 FUZZY이론을 도입한 전문가 시스템이 활발히 개발되고 있다.향후의 케이블 열화진단 기술의 전망은 선로를 정전하지 않고 진단을 행하는 활선 열화진단 방법으로 꾸준한 발전이 예상되며 또한 새롭게 발전되어 오는 각종 센서의 기술과 컴퓨터를 이용한 정확한 계측기술의 확립으로 연구가 진행되리라 전망한다. 그리 고 통계적 Data 처리기술을 응용하여 측정되어진 케이블 잔존수명을 정확히 예측하는 기술도 필수 불가결한 해결요소가 되고 있 다.참고문헌[1]. 전기학회, "전기설비의 진단기술", '91. 10.[2]. 한국전기 안전공사, "케이블 무정전 점검기법 및 성능진단 기법연구" '94. 11.[3]. 대한전선, LG전선, 전기연구소, "산업용 고압전력 케이블 현장 진단장치 기술개발에 관한연구(1)", 1995, 1. [4]. 전기학회지, "지중 배전케이블의 활선 열화진단 기술, 1993. 4.[5]. 전기협동 연구회, "열화진단 매뉴얼", 1991. 9.[6]. 오옴사, "전기와 공사", 1993. 8.
전력CABLE 열화진단기술(서론)1. 서론 오늘날 전력사용이 급증하면서 부하가 대용량화되는 추세에따라 전기설비의 규모는 점차 대규모화 되고, 사회는 점점 고도정 보화 사회로 발전되고 있다. 따라서, 설비의 사고및 정전등은 높은 전기적 의존도를 가진 고도 산업사회에 막대한 경제적 손실 및 장애를 가져다 준다. 한편, 도시환경의 미화차원에서 지중 배전선로는 점차 증가하고 특히, 전력 케이블은 주로 공장 또는 대 도시의 도로지반하에 분포하고 있어 사고시 복구에 많은 시간이 필요하며 교통 및 산업활동에 막대한 피해를 끼치게 된다. 이러한 반면에 우리나라에서는 배전용 케이블로 CV 케이블을 포설하기 시작한지 20여년이 경과되어 최근에 사고가 점증하고 있는 추세이다. 그리고, 근래에 포설한 케이블이라 할지라도 시공불량 및 기타 열악한 환경에 놓여있게 되면 단시간에도 사고에 이를수가 있어 설비 및 수용가에 원활한 전력공급 및 사고의 미연방지를 위해 케이블의 열화상태를 정기적으로 진단할 필요가 있 으며, 이를 위한 예방진단 기술의 연구가 필요로 하게 되었다.본 논문은 이러한 배경하에서 케이블에서의 열화사고 현황, 절연 열화요인과 열화 Process 그리고 절연진단기술의 현황등을 알아보고, 국내 배전선로 계통인 3.3kV 및 6.6kV급 CV 케이블의 열화 진단기술 현황 및 향후 전망에 대하여 기술하였다.전력CABLE 열화진단기술(본론)2. 본론 최근 전력수요의 증대나 고도 정보화의 진전은 전력수요에 높은 신뢰성을 요구하고 있으며 이 공급 신뢰성에서 최고로 중요한 것은 정전시간이다. 정전의 감소에서는 사고정전의 감소, 작업정전의 감소가 중요한데 작업정전의 감소방안으로는 현재 활선하에 서의 열화진단방법이 개발되고 있다. 즉, 휴전작업으로 인한 정전시간을 감소시키고 열화진단에 소요되는 장비와 인력의 경감이 중요시되고 있다. 한편 사고정전을 감소하기 위해서는 정전시간의 감소, 즉 사고의 조기 복구대 책이 중요하여 전력회사를 중심으로 검토가 행해지고 있지만, 사고 그 자체를 미연에 방지하는것이 무엇보다도 중요하다. 이러한 사고를 미연에 방지하기 위하여는 CV 케이블 자체성능의 향상 방법과 운전중 케이블의 성능을 파악하여 사고를 미연에 방지하는 2가지 대책을 들 수 있다. 케이블 자체의 성능은 초고압 케이블의 개발과 함께 제조기술이나 품질관리등의 종합적 연구성과가 비약적인 향상을 가져와 최근 CV 케이블의 수트리 열화의 문제는 많이 감소하고 있다.그러나 과거에 제조, 포설된 많은 케이블이 운전되고 있고 운전중인 케이블의 성능파악은 대단히 중요한데반하여 사선진단인 현재의 열화진단방법은 충분한 진단법이 되지못하여 여러가지 새로운 열화진단기술이 연구되고 있다. 다음에 전력공급의 고신뢰 화를 위하여 검토되고 있는 내용을 정리하면 표1과 같다.
2.1 케이블 사고현황 및 실태2.1 케이블 사고현황 및 실태2.1.1 국내의 케이블 절연열화 사고의 현황국내의 전력설비의 사고 통계를 보면 '81~'86년까지 전체수용가 사고통계를 기기별로 분석, 조사한 결과 전체 사고의 12.1%가 케이블 사고로 분석되어 있다. 사고를 원인별로 분석해 보면 절연열화가 전사고의 66.3%를 차지하며, 시공 및 보수불량이 11.8 %를 차지하고 있어, 유지, 보수를 철저히 하고 열화 진단기법이 개발되어 활용된다면 전사고의 78.1 %를 감소시킬 수가 있는 것 으로 판단된다.따라서, 기 포설되어 현재 20년이상 운전중에 있는 케이블 사고를 미연에 방지하고 신뢰도를 제고하기 위하여도 절연진단기술 의 개발은 시급한것으로 판단되었다.2.1.2 국외의 케이블 절연열화 사고의 현황일본의 경우 1955년 후반, 배전선에 CV 케이블을 처음 사용한 이래 현재 배전용 케이블로서의 자리를 완전히 굳혀왔고 매년 막대한 양의 CV 케이블이 출하 및 포설 되고있다. 반면 장기간 운전에 따른 절연성능의 저하로 사고가 일어나고 있는데 보고에 따르면 케이블 사고가 차지하는 비율은 전체 전기공작물 사고의 42% 정도이고 이 42%의 케이블 사고중에서도 케이블의 자연열화 사고(주로 수트리)가 차지하는 비율이 70%정도로 상당히 높은 결과로 보고되고 있다. 또한, 사용년수의 경과와 함께 케이블의 자 연열화사고의 점유율이 점차 증가하고 있다.
2.2. 케이블 열화요인 및 열화 Process2.2. 케이블 열화요인 및 열화 Process2.2.1 고압 CV 케이블에서의 절연열화전기기기에 이용되고 있는 각종 고분자 절연재료는 열, 전기, 환경 및 기계적요인등에 의한 스트레스를 장기간 받으면 초기의 물성치를 유지하지 못하고 변질되기도 하고 극단적인 경우 파괴되기도 하는데 이것을 열화라고 하며 이로인해 수명이 저하하게 된다. 그런데, 케이블의 절연열화는 보통 사용되는 환경하의 여러요인들에 의해 중첩되는 복합열화의 상태로 발생되며 그중에서도 수트리를 포함한 전기적요인, 열적요인, 기계적 요인등이 중요한 열화의 요인이 되고 있다. CV 케이블에서 각종 열화요소에 의한 열화진전 Process 와 열화신호를 요약하면 표2와 같다.2.2.2 수트리의 발생 및 방지대책가. 수트리의 정의CV 케이블의 열화진행은 케이블 자체가 가지고있는 결함의 형태, 조건, 사용 환경등에 따라 크게 좌우된다. 특히 사용환경 조건 가운데 수분의 영향은 커서 케이블이 흡습표 2. 열화요소에의한 케이블의 열화 Process 및 신호열화의 종류
고장MODE열화PROCESS열화 신호열적열화금속피로(차폐층)열열화(절연체)과열→열신축에 의한 금속피로→파괴단선→Case C과열→산화,분해→반응생성물이온→절연성능 저하차폐층저항 증가절연저항저하흡수열화(방식층 외상침투)수TREE열화(절연체)부식파괴(금속차폐층)열열화(절연체)Case A수분침투→수TREE발생진전→절연체 관통→절연파괴Case B수분침투→차폐층 부식손상→강도저하→파괴단선Case C파괴단선부 발열→파괴단선부과열,노화,탄화→절연파괴절연저항저하차폐층 저항증가절연저항저하전기적 열화(Void,돌기)전기TREE열화(절연체)Case D국부고전계→부분방전→절연체침식→절연파괴절연저항저하상태로 사용되는 경우 폴리에틸렌에서의 전계집중및 물리화학 작용에 의해 수트리가 발생한다. 수트리에는 내부및 외부 반도전 층의 결함요소로 부터 신장하는 수트리(Vented Tree)와 절연체의 이물및 보이드를 시작점으로 양쪽으로 신장하는 Bow-Tie 트리가 있다. 이 가운데 외부 반도전층과 내부 반도전층에서 발생하는 수트리는 전하의 공급과 수분공급이 용이하므로 쉽게 활성화되어 시간과 함께 진전하여 절연파괴에 이르게 된다. 특히, 전력케이블의 경우 전기트리와 수트리는 케이블 절연체의 주요한 파괴요인이 되는데 6.6kV 및 22kV급에서는 제조기술의 발달로 전기트리의 측면에서는 문제가 없이 30년의 수명을 유지하지만, 케이블 내부에 물이 침투하거나 수분이 존재하는 경우 전계가 가해져 오랜시간이 흐르면, 휠씬 낮은전압에서도 발생되는 수트리로 인하여 케이블의 수명은 단축된다. 나. 수트리 방지를 위한 대책따라서, 수트리 방지대책으로서 케이블 제조시 첨가제를 넣는 절연체 자체의 개량및 제조기술의 향상, 내외부 반도전층의 재 료의 개량, 수트리 억제에 대한 연구가 진행되고 있으며, 케이블 구조 설계의 변경으로는 케이블의 절연체에 물이 침입되지 않도 록 외부 차수형 케이블 및 도체 수밀형의 케이블이 최근 국내에서 개발되었다.또한, 제조공정의 경우 과거 수증기가교 제조로 인한 제조상 결함이, GAS 가교방식의 신공정으로 바뀌어 제조되고 있다. 그 럼에도 불구하고, 포설 및 접속의 잘못으로 케이블에 물이 들어가는 경우가 많기 때문에 이에따른 대책이 더욱 더 필요하다.2.3. 케이블 열화 진단기술 개발 현황2.3. 케이블 열화 진단기술 개발 현황배전 케이블은 대부분 관로 또는 지하에 매설되어 있기 때문에 케이블 외관의 점검이 불가능하여, 케이블의 상태를 정확히 점 검하기 위해서는 정밀한 측정기법을 활용하여야 한다. 따라서 최근 이러한 면을 감안하여 열화측정 기법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 또한 여러가지 이론을 활용한 설비들도 개발되어 실용화되고있다.2.3.1 열화진단 기술의 평가 고압케이블의 열화진단 방법은 2단계로 나눌 수 있다. 우선 개략적인 진단방법인 절연저항 측정으로 고압케이블의 절연열화 상태를 1차로 점검한 후, 다음에 보다 고정밀도의 계측기를 사용하여 정밀진단을 실시한다.이에따라 1차 점검에서 절연불량으로 판정될 경우에는 고압케이블을 신품등으로 조속히 교환하여야 하며, 주의가 필요하다고 판단된 경우에도 다음의 고정밀도 측정기로서 정밀진단을 실시하여 정상, 불량상태를 판단하고 주기적으로 점검할 필요가 있다. 또한, 실선로에의 적용에 있어서 효용성, 신뢰도, 검출감도등 많은 보완의 필요성이 대두되어 현재 앞에서 설명한방법외에도 많은 검출기술이 검토되고 있다. 표3.과 표4.에 현재 검토되고있는 각 열화진단법의 종류및 특징을 요약하여 정리하였다. 표 3. 현재까지의 열화진단 방법[1]사선 진단방법 측 정 법
특징직류누설시험직류누설 측정법은 용이하게 실시가능하고,측정정도가 높아 현재 케이블 열화판정 및 보수의 판정에 널리 채용되고 있다.유전정접(Tanδ)시험1)고압케이블에서 널리 채용되고 있는 측정방법이지만,케이블 용량에 맞는 교류전원이 필요하면 고압전원에서 유도 받기 쉽기때문에 검출정도가 떨어져 직류누설전류시험에 비해 약간 열세인 면이 있다.2)CABLE전체 열화가 평균되어 나타나므로 국부적 열화를 알기가 어렵다.내전압 시험1)직류내전압법과 교류내전압법이 있으나 전원의 간편성에서 직류내전압법이 많이 사용된다.2)전압에 견디는지의 여부 시험이므로 수TREE열화정도 및 잔존수명을 확인하기는 어렵다.3)직류내압치로서 잔존수명을 보증직류 역흡수 시험직류전압을 일정시간 인가하고 일정시간 접지한 후의 역흡수 전류를 측정직류잔류전압시험1)직류전압을 일정시간 인가하고 일정시간 접지한 후 접지단을 개방하면 시간경과에 따라 전압이 회복되어가능데 이 전압을 측정한다.2)역흡수전류시험에 비해 잡음영향이 없다.직류전위감쇄시 험직류를 과전후 도체와 접지선간을 개방하고 CABLE절연체의 절연저항에 의존하는 시간에 따라 감소하는 도체전위를 측정잔류전하 시험직류전압 인가후 일정시간 접지후 절연체 중에 남아있는 전하를 교류전압에 의해 과도직류 전류성분으로서 얻어 시간의 적분량, 즉 전하량을 열화판정에 이용부분방전 시험보이드(void)등 결함검출법으로서 이전부터 사용,수TREE열화검출에는 부적절한 방법[2]활선 진단방법 측 정 법특징직류중첩법배전선에 직접 또는 접지변압기(GPT)의 중성점에서 직류전원으로 직류전압을 중첩시켜 활선상태에서 절연체에 흐르는 직류전류 성분을 측정한다.
직류성분법1)교류전압인가시에 충전전류중에 미약한 직류성분이 포함되는데 이를 활선상태에서 차폐동TPAE와 대지간의 접지선에서 측정
2)직류중첩법과 달리 특별한 전원장치가 필요없어 측정이 간편하다.
활선Tanδ법1)고압케이블에 분압기를 접속하여 측정한 선로전압과 절연체중에 흐르는 전류와의 위상차에서 Tanδ구하는 방법
2)활선상태에서 Tanδ를 측정하므로 특별한 고압전원장치가 불필요하지만 전압측정을 위해 충전부에 접촉할 필요가 있다.
표4. 현재 연구중 또는 시험중인 열화진단 방법 측 정 법특징맥동검출법 교류전압 과전상태에서 수TREE 열화부의 정전용량이 변화하여 발생하는 상용주파수보다 낮은 주파수의 전류를 맥동으로서 검출하는 것
접지선 전류법수TREE(water tree)열화에 의해 cable의 정전용량이 증가하는 것에서 이것에 대응하는 cable접지선 전류의 증가경향을 얻는 것
저주파 중첩법배전선로에 저주파 전압을 인가하고 cable접지선에 흐르는 저주파 전류 가운데 유효분 전류를 검출하고 절연저항을 구하는 것
2.3.2 절연열화 진단기술의 검토전력케이블의 열화진단방법으로서 초기에는 메가로서 측정하였으나, 메가로서는 측정전압이 낮아 1000MΩ이상은 정확히 측정 할 수 없어, 실제 현장에서 적용하고 있는 측정법은 사선과 활선으로 나누어 점검을 실시하고 있다.가. 사선 진단기술의 검토표 5는 현재 일본에서 비교적 널리 사용되고 있는 사선 진단장치의 정밀도, 적용성, 실적등을 정리한 것으로 일본에서는 여러 가지 사선 열화진단 방법중 케이블 도체에 직류고압을 인가하여 직류누설전류를 측정하여 Cable의 절연열화를 진단하는 직류누 설 시험법을 가장 많이 사용하고 있다. 특히 최근에는 직류누설시험 진단장치의 교류입력전원(AC 100V 또는 AC 200V)의 변동에 의한 Cable도체에 인가되는 직류고압의 변동에 의한 누설전류치 변동, 성극지수 및 킥현상 판독오류를 방지하기 위해 진단장치의 입력전원으로 축전지를 사용하는 추세에 있다.표5. 일본에서 많이 사용중인 사선 진단장치의 적용성절 연 특 성현장에서의 평가정 밀 도현장 적용성실적간이측정1,000V 메가측정기절연체 절연(도체-차폐간)△⊙⊙쉬스 절연(차폐-대지간)⊙정밀측정직류누설전류측정기누설전류 절대치⊙○⊙성극지수킥현상약점비불평형율Tanδ측정기⊙○⊙부분방전측정기직류전압 인가○△⊙초저주파 또는준삼각파 인가△주) 정 밀 도 : ⊙ 우수, ○ 양호, △ 낮거나 기준 미확립 현장적용성 : ⊙ 우수, ○ 양호, △낮음 실적 : ⊙ 많다, ○ 보통, △ 작거나 없슴한편, 국내 현장에서 배전용 고압 CV케이블의 절연열화를 정전상태에서 진단하는 방법으로서 가장 많이 사용하고 있는 방법은 일본에서 참고치로 사용하는 1,000V 메가 방법이고, 그 다음이 케이블 준공시험에서 일반적으로 사용하는 내전압 시험기를 사용 하여 직류 누설전류 절대치로 절연열화 상태를 판정하고 있으며 tanδ 측정방법은 거의 사용하지 않고 있는 실정이다.여기서 내전압 시험기는 일본에서 가장 많이 사용하는 직류누설전류 측정기와 원리는 유사하지만 측정기의 입력전원으로 교류 를 사용하기 때문에 누설전류 절대치 이외의 킥현상 , 성극비등은 거의 판독할수 없는 실정이며, 케이블 도체에 인가하는 전압을 낮은 전압부터 STEP별로 측정하지 않고 상용 내전압치에서 측정하는 경우가 대부분이어서직류고압 인가로 인한 케이블 절연체의 열화를 촉진시킬 우려가 많다.또한, 1000V 메가는 고압케이블의 절연열화 상태가 매우 나쁜경우에는 측정이 가능하지만 초기열화 상태의 경우는 메가로 측 정할수 없는 경우가 많고 측정조건에 따라 측정치가 다른 경우가 많이 있으며 판정기준이 달라 회사마다 판정기준을 달리 하고있 다. 직류누설전류법이 일반적으로 열화판정및 보수에 가장 많이 사용되고 있으며, 비교적 측정정도가 높고 용이하게 사용할 수 있 고 수트리의 관통경로가 생기면 즉시 확인이 가능하다.Tanδ 측정은 큰 용량의 교류 전원이 필요하여 변전실등 협소한 공간에서 작업하기 어려운점등 제약이 많다.직류 내전압시험은 전원의 간편성으로 일반적으로 사용되지만, 이 시험은 전압에 견디는가의 여부를 판단하는 방법으로, 수트 리가 진전중인 케이블의 경우 직류전압의 인가후 수트리의 발생부위에 공간전하가 생겨 축적되고, 쉽게 빠져나가지 않기때문에 전압 인가시 케이블의 절연파괴의 원인이 될 수 있다. 나. 활선 진단기술의 검토표6.은 현재 일본에서 사용하고 있는 고압케이블의 활선 진단방법을 정리한 것으로 CV고압전력케이블의 효과적인 활선절연진 단을 위해서 일본은 최근 수년동안 연구를 진행해 왔고, 그 결과 유용한 여러 가지의 절연진단 장치를 개발하여 실험장에서 전력 케이블의 절연진단을 실시하거나 그 유용성을 확인하고 있다.또한, 계측기의 정밀도와 진단장치 조작의 용이성을 개선시킨 새로운 진단법을 개발하는 것을 여전히 중요한 과제로 하고 있 다.표6. 배전용 케이블의 활선 절연진단법의 사용현황측 정 방 법열 화 형 태수트리전기트리직류전압 중첩법AA직류 성분법AA활선 Tanδ법A저주파 중첩법BA접지선 전류법AA맥동전류 파형법AB주)A : 실적, 현장 측정자료 있음 B : 연구중, 시작품과 측정자료 있음한편, 현재 국내의 활선열화 진단장치의 개발은 케이블 회사를 중심으로 검토 또는 진행중에 있다. 국내의 배전계통 사정에 맞는 진단장치는 직류성분법, 직류중첩법, 활선 tanδ 법 등을 이용한 활선 열화진단장치인 것으로 검토되고 있으며, 그중 일부 는 개발이 진행중이거나 현재 개발이 완료되어 실현장에서 사용되는것도 있으나, Cable 시스 접지방식이 22.9kV급 배전용 CV케이 블의 경우, 전력회사는 다중접지를 하고 있고, 민간업체에서는 주로 편단접지 또는 양단접지를 하고 있으며 3.3, 6.6kV의 경우는 대부분 편단접지 또는 양단접지를 사용하고 있으므로 케이블 시스의 접지를 사용하여 도체와 시스 사이에 흐르는 누설전류를 측 정하여 절연열화를 진단하는 직류성분법, 직류중첩법, 활선 tanδ법 등의 활선 열화진단방법은 편단접지나 양단접지방식(편단접 지로 변경용이)에서는 사용상 문제가 없으나, 다중접지 방식에서는 편단접지로의 변경이 어렵기 때문에 절연측정이 곤란하다. 따 라서 고압전력 케이블의 진단장치 에 있어서 이부분에 대한 지속적인 연구가 필요하다. 직류전압 중첩법은 배전선에 직접 또는 접지변압기를 통하여 별도 전원에의한 직류전압의 중첩이 필요하여 측정장치 설계시 직접접지.저항접지계통의 지락전류의 사전검토가 필요하지만, 절연측정감도가 높고 DATA가 절연저항으로 표시되고 또한 케이블 에 연결된 접속재도 동시에 열화정도를 측정할 수 있다.Tan δ법은 평균적 열화검출에는 유효하지만 국부적열화의 경우 건전부분의 값과 평균화되어 검출되는 결점이 있으며, 활선상 태에서 고압측에 Lead선 연결의 위험등이 있다. 그렇지만, 직류누설 전류및 직류성분법의 국부열화에 국한되지않고, 열화부의 절 대량 측정이 가능하여 평균열화진단에 유용하다.직류성분법은 특별한 전원장치가 필요없고, 측정이 간단하고, 안전하여 현장적용성이 우수하며,시스의 절연저항도 동시에 측 정함으로써 시스의 이상유무,열화정도를 확인할 수 있다. 반면 실제 측정시 운전중 차폐의 접지선을 분리하여 측정기에 접속하여 야 하는 문제가 있다.2.4 절연 열화진단의 향후전망2.4 절연 열화진단의 향후전망최근에는 고압케이블의 절연열화 Data의 처리를 완전 자동화하여 진단을 행하는 방법이 활용되고 있는데, 이는 상시로 케이블 의 운전상태를 감시하고 이상발생시 경고등으로 이상을 통지하고 또한 정규진단시 생기는 인력 및 기타자원의 소비를 줄이는 새 로운 응용기술이다. 케이블의 각종 상태를 측정하여 계측기기에서 일정한 주기로 여러 측정항목에 대하여 자동으로 측정을 행하 고 이 결과를 광화이바를 통해 상위 시스템 또는 중앙제어실 컴퓨터로 전송하여 Data의 기록과 평가등을 하여 사고의 예측 및 방 지를 하는 것이다. 또한 케이블의 절연열화진단을 통한 판정기준은 열화현상의 요인에 따라 다르고 포설환경, 제조형식에 의해서 도 좌우되어 명확한 기준이 확립되어 있지않다. 일본 전기학회 조사에 의하면 많은 케이블 관리자들이 현재 절연진단 방법상 기술적인 애로사항으로서 판정기준 및 측정오차에 의한 절연진단의 어려움이 있다는 것이 대부분을 차지하고 있다.따라서, 현재에는 각 분야의 진단전문가의 경험과 독자적인 판정기준에 근거하여 판정을 하고 있는 상황이다.그러나 최근 전문기술자 및 현장경험이 풍부한 숙련자의 확보가 어려워지기 때문에, 이 분야에서도 전문가 시스템(Expert Syst em)의 필요성이 대두되어 급속도로 실용화되고 있다. 그리고 여기에다 종래에 판정기준의 경계부근에서의 판단이 명확히 구분되 는 단점을 보완하여 요즈음은 각 측정항목의 판정경계 전후값의 여유치를 고려하여 케이블의 상태를 판정하는 FUZZY이론을 도입 하고 있다. 이 시스템의 실행결과 전문기술자의 진단결과와 상당히 일치하는 효과를 얻고 있다고 보고되고 있다.한편, 케이블의 사고방지를 위한 열화진단의 필요성이 크게 대두되면서 위에서 언급했던 여러 가지 기술들을 종합적으로 활용 하여 각각의 진단대상의 포설환경에 맞게 그리고 케이블의 종류에 따라 활용이 용이하도록 여러 진단설비가 하나의 차량에 설치 된 이동용 진단차량의 개발 및 활용도 활발히 실용화되고 있다.
전력CABLE 열화진단기술(결론)3. 결 론사회의 고도화 및 사용전력의 대용량화에 따라 지중배전선로가 늘어나면서 케이블 이상으로 인한 열화사고의 미연방지가 철저 히 요구되고 있다. 이런 사고의 사전방지를 위한 열화진단 기술의 현황을 요약하면 다음과 같다.비활선 열화진단 방법이 현재까지 많은 Data의 축적과 함께 신뢰성이 높은 기술로 활용되고 있으며 대표적인 것으로 직류누설 전류법과 유전정접법이 있다. 그리고 최근 정전을 하지않고 행하는 진단기술의 요구가 높아져 활선상의 열화진단 기술이 활발히 연구가 진행되어 직류성분법, 직류중첩법등 몇몇 기술은 실용화되어 Data의 축적단계에 있는것도 있다. 또한 최근에 발달한 컴퓨 터 기술 , 광 기술 및 FUZZY이론을 도입한 전문가 시스템이 활발히 개발되고 있다.향후의 케이블 열화진단 기술의 전망은 선로를 정전하지 않고 진단을 행하는 활선 열화진단 방법으로 꾸준한 발전이 예상되며 또한 새롭게 발전되어 오는 각종 센서의 기술과 컴퓨터를 이용한 정확한 계측기술의 확립으로 연구가 진행되리라 전망한다. 그리 고 통계적 Data 처리기술을 응용하여 측정되어진 케이블 잔존수명을 정확히 예측하는 기술도 필수 불가결한 해결요소가 되고 있 다.참고문헌[1]. 전기학회, "전기설비의 진단기술", '91. 10.[2]. 한국전기 안전공사, "케이블 무정전 점검기법 및 성능진단 기법연구" '94. 11.[3]. 대한전선, LG전선, 전기연구소, "산업용 고압전력 케이블 현장 진단장치 기술개발에 관한연구(1)", 1995, 1. [4]. 전기학회지, "지중 배전케이블의 활선 열화진단 기술, 1993. 4.[5]. 전기협동 연구회, "열화진단 매뉴얼", 1991. 9.[6]. 오옴사, "전기와 공사", 1993. 8.
CABLE의 절연열화와 절연시험(1)이 자료는 일어 번역상 미숙한 면이 있을 것으로 생각되지만, 우리나라의 전력CABLE의 효율적 관리를 위하여 1984년 일본 전기학회 기술보고의 일부를 번역하여 게제합니다.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.CABLE의 절연열화와 절연시험(2)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) 비고1002005005001,0002,0000.02~200.05~500.1~1001~1,0002~2,0005~5,0000.5122050100측정단자전압은앙눈금에서정격전압의90%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 STEP제 2 STEP인가전압(-KV)인가시간(분)인가전압(-KV)인가시간(분)3.36.65107781677열화케이블에서는 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.CV구조 및 자연열화XLPE(CV) CABLE구조
CV CABLE수명: 정상사용상태에서 20년 기준 설계
CV CABLE의 자연열화1) 정상적으로 운전시 n=9정도이고 t2 <; 30년 따라서 자연열화에 의한 수명감소는 거의 무시할 정도이나,2) 실제 선로에 있어서는 수년~10년 경과한 CABLE에서 사고 급증 CV CABLE의 TREE현상이 외적,내적요인에 의해 가속화되어 수명지수n이 급격히 떨어지고 있슴. CV 의 TREE 발생요인(1)water tree : cable내에 수분이 존재하면 국부적으로 고전계가 발생되는 그곳으로 응집되어 나무모양으로 발전하는 tree로, 불연속적인미소한 voide의 집합체로 생각되어짐.화학 tree: 황화물이 존재하는 분위기에 포설된 cable의 경우, 황화물이 PE층을 투과하여 도체인 동과 반응하여 황화동을 만들고 운전중에 이러한 분자들이 외부로 나가면서 나무모양의 tree를 만들어 감.전기 tree: cable내 결격지점에서 부분방전에 의해 부분적으로 절연파괴가 발생하여 나뭇가지 모양으로 진전되는 tree로, 궁극적으로 vented tree가 되면 절연파괴에 이르게 된다.CV 의 TREE 발생요인(2) - 구조적 요인과 외적인 요인
CV 의 TREE 발생요인(3) - CABLE의 열화상태CABLE의 열화상태
XLPE(CV) CABLE선로 사고유형(한국)1) 지중선 고장현황2) 연도별 고장 추이
고압 CABLE선로 사고유형(일본)1) 3.3KV, 6.6KV 배전선의 CABLE사고2) 6.6KV CV CABLE의 사용년수와 사고건수3) 6.6KV CV CABLE의 포설환경과 사고건수4) 6.6KV CV CABLE의 결함과 사고건수
CV CABLE의 절연진단 현상과 문제점(일본의 예)
CV CABLE의 절연진단 현상과 문제점(일본의 예) - 방안
6.6KV CV CABLE정전측정시 절연열화 판정기준(일본의 예)회사명관서전력중부전력동경전력신일본제철간이측정메가측정절연체--10MΩ불량양호2,000MΩ주의Sheath양호15%주의(*)정밀측정직류누설전류법인가전압2-4-6-8-10KV로STEP상승시키고10KV에서 10분측정10KV, 3분후 측정16KV, 7분후 측정6KV, 10KV에서5분 측정6KV,10KV에서10분 측정누설전류0.1uA양호0.1~1uA 주의1uA불량0.3uA양호0.3~5uA 주의5uA불량0.1uA양호1~10uA 주의10uA불량0.1uA양호1~10uA 주의성극비상승경향: 불량1.0불량1.0주의점증경향 : 불량1.0불량1.0주의킥현상있으면 : 불량있으면 : 주의있으면 : 불량있으면 : 주의불평형율--200%양호200%주의200%양호200%주의약점비---2.0양호2.0주의판정주의항목이 2개이상시 불량누설전류이외는참고치Tanδ판정(3.8KV)0.1%양호0.1~5.0% 주의5.0%불량0.5%양호0.5~5.0% 주의5.0%불량부분방전시험DC 10KV의 상승,강하 또는 준삼각전압을 인가,1,000pC 보다 큰 방전이 발생하면주의종합판정,기타종합판정A: 모두 양호B: A,C이외의 것C: 불량이 있을때
1. 주의가 2개이상이면 불량2. 10KV인가시는16KV중지
1. 주의는 1년 이내재측정2. 불량은 20.7KV내압시험하고미파괴시는 6개월 이내 재측정
(*) 초기치RS=(1 - ---------- )측정치x 100 (%)
출처 http://www.powercable.pe.krwww.shop-dwg.co.kr 구인, 구직 소개
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