2.1 적외선 열화상 진단 개념

적외선 열화상 진단은 전력기기에서 방출되는 적외선 에너지를 거의 손실 없이 열화상카메라를 통해 비접촉에 의해 검출한 후 전력기기의 온도를 측정하여 전력기기의 이상 유무를 진단하는 기법이다. 즉 정전상태가 아닌 활선 상태에서 접촉 불량, 과부하, 절연열화 등을 진단해 전력기기의 사고원인을 조기에 발견해 대처가 가능하고 이상 부분이라고 판단되는 지점을 추적 진단함으로써 설비의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 적외선 열화상 진단에는 전기설비들의 최고허용온도를 기준으로 진단하는 온도 패턴법과 3상 전원을 사용하는 전기설비에서 각 상간 상대적인 온도 차이를 이용해 진단을 하는 3상 비교법이 있다.

2.2 3상 비교법

전기설비의 안전점검업무를 수행하는 전기안전관리자는 기후에너지환경부 제2025-15호 직무고시에 준해서 업무를 수행해야 한다. 전기안전관리법 제22조 제6항 및 같은 법 시행규칙 제30조 제3항에 따라 고시한 기후에너지환경부 고시 제2025-15호에 따르면 전기안전관리자는 분기 점검 시 적외선 열화상 진단을 필수적으로 하도록 되어 있다. 그리고 적외선 열화상 진단기법은 3상 비교법에 의해 ‘정상’, ‘요주의’, ‘이상’으로 판정하도록 되어 있다. 비접촉에 의해 측정하는 적외선 열화상카메라는 측정 거리에 따라 측정온도가 영향을 받기 때문에 절대값에 의한 이상 유무 판단보다는 각 상간의 상대 온도차를 이용하는 3상 비교법에 의해 열화상 진단을 하도록 한 것으로 판단된다. 3상 비교법은 전력기기의 각 상간의 최고-최저 상대적 온도 차를 Table 1의 3상 비교법 판정 기준에 따라 판정을 내리는데 판정 결과에서 ‘요주의’ 결과는 주기적인 진단으로 지속 관찰이 필요한 것을 나타내고, ‘이상’ 결과는 정밀 진단을 통해 심각한 손상이 있을 경우는 개수가 필요함을 나타내고 있다^[10]. 본 논문에서는 공동주택 피뢰기 대상 열화상 진단, 누설전류 및 절연저항 측정 등 열화 판정 실증 실험으로 3상 비교법에 대한 신뢰성을 확인하고자 한다.

3.1 3상 비교법에 의한 피뢰기 안전진단

22.9kV 수용가 MOF반 피뢰기 외형을 Table 2 사양의 FLIR 사 T-420 열화상카메라를 이용해서 3상 비교법으로 진단한 결과 Fig. 1(a)의 L2 상이 31.7℃, L3 상이 26.1℃로 (c), (d)와 같이 5.6℃ 온도 차가 발생하는 ‘요주의’ 결과를 보였다. Fig. 1(a)에서 L3 상이 L2 상과 색상 및 외형에서 구분되듯이 기존 L3 상 열화 사고로 긴급히 1개만 교체한 것으로 추정할 수 있다.

피뢰기는 열화가 진행되지 않은 정상 상태에서는 누설전류가 매우 적게 흐르지만 낙뢰, 장기 운전전압 인가 등에 의한 열화 시에는 누설전류가 크게 증가한다. 피뢰기의 열화 인자는 낙뢰에 의한 서지, 계속적으로 인가되는 운전전압, 피뢰기 내부결함에 의한 부분방전 및 환경적 요인에 의한 습기침투가 있으며, 열화 요인은 방전전류, 운전전압, 화학적 및 환경적 열화 요인으로 나눌 수 있다. 피뢰기 진단 시 이러한 열화 인자 및 열화 요인이 분석되어야 유지관리가 용이하다. 따라서 5℃ 초과∼10℃ 미만 범위 내의 온도 차가 발생하고 있다는 것은 L2 상 피뢰기에 열화 및 절연 불량 등이 발생했을 확률이 높다고 판단할 수 있다.

Fig. 1. Temperature distribution of normal and deterioration arrester

3.2 피뢰기 누설전류 측정

피뢰기는 Fig. 2와 같이 콘덴서와 저항으로 등가화 된다. 따라서 피뢰기에 교류전압이 인가되면 콘덴서를 통하여 용량성 누설전류($I_c$)가 흐르고 저항을 통하는 저항성 누설전류($I_r$)가 흐른다. 용량성 누설전류는 피뢰기의 충전전류로 전체 누설전류의 대부분(0.2∼3㎃)을 차지하며 한계 수명까지 일정하게 유지된다. 반면 저항성 누설전류는 열화 상태를 나타내는 인자로 피뢰기 열화 시 증가(10∼600㎂)하고 그에 따라 고조파를 발생시킨다.

Fig. 2. Lightning arrester equivalent circuit and leakage current vector diagram

피뢰기의 고장은 저항성 누설전류 증가에 의한 온도 상승으로 열 방산 한계점을 초과하면 열 폭주 현상에 의해 발생한다. 피뢰기의 주요 열화 인자 및 열화 과정은 Fig. 3 ^[11]과 같다.

Fig. 3. Lightning arrester deterioration process

활선 상태에서 피뢰기 열화의 직접 인자인 저항성 누설전류를 측정하기는 어렵기 때문에 한전에서는 비교적 용이하게 측정할 수 있는 전체 누설전류와 제3 고조파 전류를 측정하여 피뢰기 열화를 판정하고 있다. 한전의 전력계통망에 사용 중인 피뢰장치는 송전선로 인입구 및 변압기 1, 2차 측에 설치되어 운영하고 있으며, 접지선에 누설전류를 측정하기 위한 누설전류계와 피뢰기의 동작을 확인하기 위한 계수기가 반드시 부착되어 있어야 한다. 그러나 이러한 계수기와 전류계는 아래와 같은 문제점을 가지고 있다. 첫째, 피뢰기의 누설 전류량은 정상적인 동작상태의 경우 200μA∼3㎃로 상당히 적은 양이 전류계에서 측정되어 지고 있다. 둘째, 누설전류만을 측정하는 계기로 피뢰기의 열화 정도를 파악하는데 한계를 가지고 있다. 셋째, 배전선로의 경우 누설전류를 전혀 측정하지 않고 있어 피뢰기의 운영 및 관리에 문제점을 내재하고 있다. 피뢰기 진단 방법에 대한 한전 배전설비에서 운영 중인 누설전류 판정 기준은^[12] Table 3과 같다.

따라서 수용가 열화상 진단으로 ‘요주의’ 결과 판정 후 Fig. 4(a)는 Table 4 사양의 MULTI 사 ALCL-40 피뢰기 누설전류계를 이용하여 활선 상태에서 수용가 누설전류를 측정하였다. Fig. 4(c)는 전 누설전류(It rms)로 287.9μA, Fig. 4(d)는 3고조파 누설전류(I3h) 32.1μA로 한전 누설전류 판정기준으로는 정상 판정 범위로 측정되었다.

Fig. 4. Lightning arrester leakage current measurement

추가로 피뢰기의 누설전류 특성을 비교하기 위해 타 수용가 3개소의 전 누설전류 측정사례를 Fig. 5에 나타내었다. A 수용가 152.2μA, B 수용가 154.4μA, C 수용가 158.7μA로 온도편차 및 이상 발열이 없는 경우 3개소의 전 누설전류 값은 정상범위였다. 다만, Fig. 4(c)의 전 누설전류 287.9μA 측정사례와 같이 피뢰기 열화 및 이상징후 발생 시 판정기준으로 정상범위지만 누설전류 값이 타 수용가 3개소보다 상대적으로 높게 측정되었다. 향후 실질적인 수용가 내 피뢰기의 누설전류 판정 기준, 실무 운영지침 수립 등을 위한 측정 및 사례연구가 필요하다고 판단된다.

Fig. 5. Lightning arrester leakage current measurement case

3.3 피뢰기 절연저항 측정

전로는 대지로부터 절연을 원칙으로 하여야 한다^[13]. 전기 사용 장소의 사용전압이 저압인 전로의 전선 상호 간 및 전로와 대지 사이의 절연저항은 개폐기 또는 과전류차단기로 구분할 수 있는 전로마다 다음 Table 5에서 정한 값 이상이어야 한다. 저압 전선로 중 절연 부분의 전선과 대지 사이 및 전선의 심선 상호 간의 절연저항은 사용전압에 대한 누설전류가 최대 공급전류의 1/2,000을 넘지 않도록 하여야 한다. 다만, 저압 전로에서 정전이 어려운 경우 등 절연저항 측정이 곤란한 경우 저항 성분의 누설전류가 1mA 이하이면 그 전로의 절연성능은 적합한 것으로 본다^[14].

하지만, 고압 및 특고압의 전로는 절연저항 수치가 아닌 전로의 종류에 따른 시험전압을 전로와 대지 사이에 연속하여 10분간 가하여 절연내력을 시험하였을 때 이에 견디어야 한다. 활선, 통전 중인 수용가의 절연내력 시험 제약으로 신품과 열화된 피뢰기의 절연상태를 비교하기 위해 Table 6 사양의 KYORITSU 사 12,000V 디지털 고압 절연저항계로 절연저항을 측정하였다. Fig. 6(a), (b)는 열화된 피뢰기 3개, 1조 교체 후 신품과 열화 피뢰기의 절연상태 측정 사진이다. Fig. 6(c) 열화 피뢰기의 절연저항은 1.52 GΩ, Fig. 6(d) 신품 피뢰기의 절연저항은 230 GΩ으로 3상 비교법으로 관측된 5.6℃ 온도 차 ‘요주의’ 결과 대비 약 150배 현격한 차이의 절연저항 값이 측정되었다.

Fig. 6. Normal and deterioration arrester insulation resistance measurement