1.1 연구 배경

발전소의 전력케이블 시스템에서 사고가 발생할 경우, 초래되는 경제적 손실이 매우 클 뿐만이 아니라, 복구하는 데에 많은 시간이 소요된다. 그러므로 케이블 시스템의 사고를 예측하고 방지하는 기술이 필요하다.

과거 전력케이블의 국내 활선진단의 기술발전은 꾸준히 이루어져 있지만 해외 활선진단장비의 신뢰성, 가격, 기술들의 문제로 국내 기술에 만족할만한 수준에 이르지 못하고 있다.

전력수요의 증대는 전력설비의 고전압과 대용량을 요구하게 되었다. 설비의 고전압과 대용량화는 전력의 안정적 수급을 필요로 하므로, 설비사고를 예방할 수 있는 절연감시 시스템의 보강과 절연설계 개선, 새로운 절연재료 개발 및 관리와 운영에 대한 투자가 지속해서 이루어지고 있다. 따라서 설비사고를 예방하고 감시를 위한 방법의 하나로 설비의 진단기술이 필요하게 되었다. 그러나 설비의 유지관리 방법의 하나인 진단기술은 설비의 종류와 상태 등에 대한 정확한 자료의 제공이 미흡하여, 설비의 시공 후 일정 시간이 지나면 일괄적으로 설비의 보수와 교체를 시행하고 있다. 따라서 설비의 운용에 불필요한 비용의 손실을 초래하거나, 적절한 보수와 교체시기를 예측하지 못하여 사고가 발생하는 등 설비의 유지관리가 매우 비효율적이었다^(1-3).

현재 고전압 전력설비 진단기술의 하나인 절연 열화 진단법은 고전압 설비의 수명을 결정하는 절연상태를 진단하고, 남은 수명을 분석ㆍ추정하여 설비의 적절한 보수와 교체시기를 결정하는 상태 기준 진단기법이다. 전력케이블과 변압기, 발전기, 전동기 등의 전력설비 한 상태를 분석ㆍ평가하고 보수하는데 정확한 설비의 상태를 제공함으로써, 설비의 적절한 유지보수와 수명연장 및 상태평가를 하고, 설비운영의 신뢰성 확보에 목적이 있다 ^(4-6). 또한 고압 케이블을 운전 부하전류를 증가시키면서 가속열화시험을 수행하여 케이블 도체 온도를 추정하고, 케이블의 수명을 예측한 보고 자료는 없는 것으로 파악되어져 있다^(4-5).

본 연구는 전력케이블의 온도 및 전류 변동과의 상관관계분석을 통한 절연체의 열화와의 상관관계를 분석하고 고압 케이블 시스템에 연결된 단말접속부에서 이상발생시, 절연저항, 측정장치에서 검출하는 누설전류data로 단말접속부의 절연상태 검출 기초연구 및 현장 절연저항 장치의 측정data와의 비교분석을 한다.

즉, 온도 및 전류와의 상관관계 분석을 통한 케이블의 도체 크기의 최적화에 대한 전용량 확대가 필요하며 발생하는 고조파를 검출하기 위해 일본의 M사 와 중국의 E사의 전류 측정 센서를 이용하여 측정을 하였다. 이를 비교 분석하여 어떠한 차이가 발생하는지 보고 진단의 정확성과 신뢰성을 확보하기 위하여 새로운 진단 Facto 발굴과 센서를 제작 도입이 필요하다.

2.1 조명시뮬레이션 소프트웨어 개요

XLPE 케이블 절연파괴 사고에 이르는 원인 중에서 외부요인을 제외하면 대부분은 수트리 열화에 의한 것이다. 수트리 열화는 케이블 절연체 내에 수분과 국부적인 전계 집중이 원인으로서 절연체 내 수지상의 결함이 발생한 절연열화 현상이다.

기본적으로 수트리는 습기와 결함이 전기장의 영향으로 절연체에 미세한 나무 형태로 형성되는 채널 형태의 구조물이다. 육안으로 거의 보이지 않는 이 수트리의 전기적 상태는, 건전한 주위 절연체와 다르다. 수트리는 수년간에 걸쳐 진행되며 절연에 영향을 크게 미치지 않고 케이블에서 계속 발생 할 수 있다⁽⁶⁾.

2.2 부분방전

부분방전(Partial Discharge : PD)은 절연 시스템에서 발생하는 국부적인 전기 방전 형상으로 고전압 스트레스로 인하여 절연체 내부 또는 외부에서 전계가 집중된 부분을 중심으로 부분적인 방전이 나타나게 된다.

부분방전의 검출은 방전 중에 발생되는 에너지의 변환에 근거를 두고 있다. 이러한 변환은 전기적 임펄스 전류, 전자파 방사, 소리, 기체 압력의 증가, 화학적 반응 등으로 나타나므로 어떠한 현상과 관측하느냐에 따라 부분방전측정방법이 결정된다⁽⁷⁾.

2.3 부분방전 검출 신호

절연체에서 발생하는 부분방전을 측정하는 방법은 노이즈를 제거 후 신호의 패턴을 분서하는 방법을 사용하고 있다. 부분방전의 신호는 결함 요인에 있어 그 요인에 따라 방전 현상이 일관되게 관찰할 수 있다.

PD 측정 방법 중 대표적인 방법은 PRPDA법이 있다. 기존의 PD 측정 방법은 IEC60270에 규정되어 있는 1MHz 이하의 주파수를 검출하는 것으로 신호가 크지만 노이즈 또한 더 크기 때문에 현장 측정에는 적용이 되어지지 않는다. 하지만 고조파 주파수 측정법을 이용하여 방전펼스의 고조파 영역에서 주파수를 검출하며, 이 주파수 대역을 통해 S/N비를 높여 현장에서 측정이 가능하다^(7-8).

3.1 고조파 검출시험 및 측정

고압케이블의 절연체의 수트리열화가 발생하면, 수트리열화부분에 고조파전류가 발생한다. 특히 3고조파의 성분이 크게 발생한다. 이 고조파 성분의 크기를 검출하기 위해 별도로 고조파 검출기를 제작하여, 성능을 시험 검토하여 보았다.

Fig. 1. Harmonic Detector Appearance

고압케이블의 쉬스 접지선에 흐르는 고조파 전류를 검출하기 위한 전류센서를 다음의 사진과 같이 일본 M사의 센서와 중국의 E사 센서를 사용하여 고조파 검출능력을 검토 및 비교하였다.

3.1.1 시험방법 및 측정

측정 센서의 전류 검출을 확인하는 시험이다. 시험 구성은 그림 4와 같다. 측정 센서를 Power Source의 Port 1을 센서 1차 측에 연결하고 Port 2 를 출력단자에 연결을 한다. Programmable DC/AC Signal Source를 사용하여 60Hz와 180Hz의 전류 측정 시험을 하였다. 허용전류 대비 낮은 수준의 전류에서 허용전류의 150% 정도까지 인가를 하였다.

주파수는 60Hz, 180Hz, 300Hz를 이용하였으며 전류를 0.1mA에서 최대 50mA로 하여 측정하였다.

Fig. 2. Current Measurement Design Plot

3.1.2 시험방법 및 측정

케이블에서 발생하는 고조파를 검출하기 위하여, 일본 M사 와 중국 E사의 전류센서를 사용하여 측정. 비교하였다.

Fig. 3. Analysis of current measurement test

그림 5을 통해 알 수 있듯이 (Ch1)보다 전류센서(Ch2)가 양호하며 미소전류 또한 분해 능력이 (Ch1)보다 (Ch2)가 양호하였다.

Fig. 4. Three harmonics, 60Hz, 180 Hz current test Linearity analysis by current sensor of (0.1mA ~ 50mA)

그림 6은 Ch1과 Ch2의 전류센서는 3고조파인 60Hz와 180Hz의 전류가 전류센서를 통하여 흐르도록 하여 고조파 검출기에서 검출량을 분석한 것으로, Ch1과 Ch2의 검출량은 거의 동일하고 직선성도 매우 양호한 것임 알 수 있다. 다만, 기본파에서는 입력과 검출 값이 거의 1.00인 것에 비해, 3고조파 검출량은 입력 값에 비해 1.18배 정도 크게 검출되었다.

Fig. 5. 5 Harmonic 300 Hz Current Test Linearity analysis by current sensor (0.1mA ~ 50mA)

그림 7에서는 Ch1과 Ch2의 전류센서는 일본의 M사와 중국E사를 사용하여 5고조파인 300Hz의 전류가 전류센서를 통하여 흐르도록 하여 고조파 검출기에서 검출량을 분석한 것으로, Ch1과 Ch2의 검출량은 거의 동일하고 직선성도 매우 양호한 것임을 알 수 있다. 다만, 기본파에서는 입력과 검출 값이 거의 1.00인 것에 비해, 5고조파 검출량은 입력 값에 비해 1.20배 정도 크게 검출되고 있다.