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전력케이블의 열화 원인과 측정
CV 케이블의 열화원인(4가지 이상) 및 그 대책을 기술하시오
전압이 인가된 전력케이블의 열화진행 상태를 무정전 상황에서 알 수 있는 방법을 설명하시오.
전력구 화재에 대한 예방 및 방재대책의 중요성이 높아지고 있다. 전력구를 감시하는 제어시스템에 대하여 설명하고, 전력구내에 사용하는 난연 케이블에 대하여 기술하시오.
가교폴리에틸렌 케이블의 Treeing 열화의 원인과 Treeing 열화의 종류에 대하여 설명하시오.
개요
1) 전력 케이블은 지중에 포설 후 6~8년이 경과하면 열화가 발생되는데, 열화는 외적으로 나타나지 않고 서서히 진행되는 경향이 있어서 예측하기에 곤란한 점이 있음
2) 열화는 전기적, 열적, 기계적, 화학적, 생물적인 요인에 의해서 발생되는데, 일반적으로 이들의 요인이 복합적으로 작용하여 열화가 발생되는 경향이 있다.
열화를 일으키는 요인
전기적 요인
상시의 운전전압 외에 사고 시의 지속성 과전압 개폐서지 뇌서지 전압등의 이상전압이 있다. 이들 이상전압이 열화의 동기를 제공한다
열적요인
- 열팽창 수축에 의한 차폐동 Tape와 절연체의 계면에 공극에 의한 열화
- 지락 단락에 수반하는 온도 상승과 과도고온에 의한 열화
환경적 요인
포설 상태의 Cabel에 침입하는 것으로 물, 황산화물, 화학약품류가 있고, 또 단말에서는 자외선, 오존, 오손(염분, 먼지)의 영향이 열화의 원인
기계적 요인
포설 시 또는 포설 후에 생길 수 있는 굴곡, 측면압력, 충격하중, 외상에 의한 열화
기타 요인
- 동물에 의한 시스가 손상을 받아 그곳으로 수분이 침입하여 열화
- 단말 혹은 접속부 등의 시공 불양에 의하여 공극이 발생하여 수분이 침입하여 열화
전기적인 열화의 형태
전기트리 열화
케이블 절연체 내부 또는 반도전층과의 경계면에 있어서 국부적인 고전계부가 형성되어 파괴가 진행되어 트리(tree) 모양으로 전개
수트리 열화
① 내부 및 외부 반도전층과 절연체의 경계에 물이 침투되어 전계가 걸리면서 tree 모양으로 성장하여 절연성능의 저하
- 제작과정에서 습식가교방법에 의한 것은 수분이 잔류하는 경우
- 단말부의 호흡작용: 단말처리 불량이나, 장기간 사용 중 수분의 침투
- 케이블 외피를 통한 수분의 침투
② 종류
- 벤티드 트리(Vented tree): 반도전층을 기점으로 발생, 내도 트리, 외도 트리
- 보우타이 트리(Bow-tie tree): 절연물내의 이물질, Void 기점으로 발생
③ 수트리 열화의 특징
- 수트리는 물과 전계가 동시에 존재하는 조건에서 발생
- 전기트리에 비해서 저전계(6kV/mm)에서도 발생
- 절연체의 오염물, Void 또는 절연층과 반도전층 사이의 계면의 돌기 등과 같은 결함에 의해서 발생
- 수분이 건조되어 없어지면 수트리는 사라지고, 수분이 다시 유입되면 재발생
- 일반적으로 수트리는 전기트리를 유도한다.
부분방전 열화
절연체 중의 기포, 절연체와 반도전층의 경계의 공극 등에서 발생한 부분 방전에 의해서 케이블의 전체가 열화되는 현상으로 방전이 반복하여 절연체의 침심, 절연성능을 저하시킴
아크 열화
개폐기 및 차단기의 개폐시 아크 방전에 의해서 절연물의 도전성 탄화로의 형성
트래킹 열화
트래킹(Tracking) 현상이란 대표적인 절연열화 현상으로 전력설비의 전극사이 또는 전극과 대지사이의 절연물 표면이 경년변화나 습기, 먼지, 금속성 분진 등으로 절연 성능저하로 이어지며, 이로 인하여 단락 또는 지락사고를 유발시킨다.
트래킹 열화와 고장의 발생경로는 다음과 같다.
수분, 먼지, 금속성 분진 등에 의한 누설전류 증가 -> 발열, 절연열화 촉진 -> 미소 발광방전 -> 절연체 표면 탄화 -> 절연열화 촉진 -> 절연파괴(단락, 지락발생)
그 밖에 화학적인 열화, 열적인 열화가 있다.
열화 방지 대책
- 도체와 절연체의 경계면을 매끄럽게 제작한다
- 케이블의 반도전층을 균일하게 배치한다
- 수분이 침투하지 않도록 단말처리를 철처하게 한다
- 전계 집중을 완화하기 위해서 VoltageStabilizer(전압안정화장치)를 첨가한다
- 제작방법은 건식으로 하고 절연층을 균일하게 제작한다
- 케이블 포설 시 기계적인 스트레스 및 손상에 주의한다
- 열화진단 방법(사선진단방법, 활선진단방법)을 적절하게 사용하여 사고를 미연에 예방한다
- 심선내에 고압의 열풍을 가하여 수분을 축출하고 유동성 실리콘 절연물질을 압입하는 케이블 큐어라는 상품이 등장하여 시범으로 사용 중
열화 진단방법
사선진단방법
절연저항계법
① 메거(Mega)를 이용하여 절연저항 측정하는 방법으로 개략적인 열화진단에 사용
② 케이블의 이상 유·무 판단 정도를 간편하게 판별하는데 사용
③ 전압에 한계가 있고 정밀 진단은 미흡함
직류누설전류 측정법
① 시험전압 30[kV]를 인가하여 케이블의 절연체에 직류 고전압을 인가하여 검출된 누설전류의 크기 및 시간적인 변화를 측정
② 측정이 간편한 장점이 있으나, 시험전압 높아서 반복 측정하는 경우 케이블의 손상에 우려가 있는 방식
유전 정접법(tanδ법)
① 전력 케이블에 대지전압에 상응하는 상용주파 교류전압을 인가하여 tanδ의 값을 측정하여 열화를 판별하는 방법으로 케이블이 흡습이나 수트리가 발생되면 tanδ가 증가하는 특성을 갖는다.
② 유전체의 열화정도에 따라서 유전체 손실이 증가하게 된다. 이것에 대한 지표로 tanδ을 사용한다. tanδ는 충전전류(Ic)와 손실전류(Ir)의 비의 특성을 가지고 있으며, 손실비가 증가는 유전체 손실(Wd=EIr=EIc tanδ)의 증가를 의미하며 동시에 tanδ가 증가를 의미한다.
③ 일반적으로 tanδ는 온도가 상승하면 증가하는 경향이 있으며, 열화 된 절연물은 양호한 것에 비해 어느 정도 낮은 온도에서 급격히 증가하는 경향이 있다.
④ 케이블이 긴 경우 전자유도에 의한 전류의 영향으로 오차가 크게 발생되고, 케이블이 긴 경우 국부적인 열화가 발생해도 tanδ가 작게 측정되며, 장비가 대형이라는 단점을 가진다.
⑤ 판정기준
| 양호 | 주의 | 불량 | |
| tanδ | 0.2% 미만 | 0.2~0.5% | 0.5% 초과 |
부분방전(PD: Partial Discharge) 측정법(활선)
부분방전 전하를 PD센서를 이용하여 측정을 통하여 절연물의 열화나 보이드, 도전성 이물질의 함유와 같은 결함부분을 검출하기 위한 목적으로 사용되며, 초고압 설비의 열화진단에 광범위하게 적용하는 방법이다.
(1) 초음파 센서인 AE센서를 이용한 방법
(2) HFCT를 통한 누설전류 측정을 측정하여 분석하는 방법
(3) UHF(Ultra High Frequency) PD 센서를 통한 패턴별 진단하는 방법으로, 최근에는 “UHF PD 센서”의 적용이 일반적인 추세이며, 특징은 아래와 같다.
– 노이즈의 영향에 강하다.
– 경험의 축적으로 신뢰도 향상 및 데이터 패턴화로 분석이 용이해짐
– 비접촉식으로 초고압 응용이 가능하다.
– 타 방식에 비해서 검출감도가 양호하다.
활선 상태진단법
적외선 열화상 측정방법(활선)
케이블의 접속함의 온도를 주기적(6개월 정도)으로 점검하여 국부적으로 온도차이(2℃)가 발생한 경우에 점검대상으로 삼는다.
직류성분 측정법(활선)
① 수트리가 발생되면 정류작용이 나타나서 미소한 직류성분이 흐른다. 직류성분 측정기는 케이블의 Shield와 접지사이에 연결하여 Low Pass Filter를 사용하여 충전전류 중에서 미소한 직류 성분(0.1[nA] 수준)만 하여 측정한다.
② 별도의 전압원이 필요없고 측정시 충전부에 직접 접촉할 필요가 없어 간편하고, 안전하며, Sheath가 불량한 경우는 진단이 불가능하다. (6kV급 케이블 적용)
③ 판정
| 양호 | 주의 | 불량 | |
| 직류 전류 | 10nA 미만 | 10nA~100nA | 100nA 초과 |
직류전압 중첩법(활선)
① 운전 중인 케이블에 직류 50[V]를 인가하여 접지선에 흐르는 직류전류(도체와 차폐층 사이에 흐르는 전류)를 측정하여 절연저항을 계산하여 열화여부를 판별하는 방식(22.9kV급 케이블에 적용)
③ 판정
| 양호 | 주의 | 중주의 | 교체대상 | |
| 절연 저항 | 1,000 MΩ 이상 | 100MΩ 이상 | 10MΩ 이상 | 10MΩ 미만 |
등온완화전류법
① 절연물 특성에 따라서 특정에너지 수준에서 전하의 흐름이 트랩(Trap)되는 원리를 적용한 것으로 트랩 에너지의 수준에 따라서 방전되는 시간이 다르며, 이를 열화계수(Aging Factor)로 나타내어 열화를 판정
② 시험 케이블에 DC 1kV를 약 30분 정도 인가한 다음 5초간 케이블의 정전용량 성분을 방전시켜 제거한 후 미소전류(완화전류)의 특성을 분석하여 전력케이블의 열화여부를 진단 판정
③ 한전에서는 KDA-1 장비를 이용하여 측정하고 있다.
④ 측정전압이 1[kV]로 낮아 케이블의 절연열화의 유발 가능성이 없는 장점이 있지만, 장시간 측정시간(3상 측정시 약 3시간소요), 전구간의 절연열화 판정하는 것으로 국부적인 열화 검출이 어려운 단점을 가진다.
⑤ 판정기준
| 양호 | 주의 | 불량 | |
| Aging Factor | 1.85미만 | 1.85~2.3 | 2.3초과 |
교류전압 중첩법(활선)
케이블의 차폐층에 상용주파수의 “2배+1Hz(121Hz)의 교류를 인가하여 1Hz의 열화신호를 검출하여 열화를 판정하는 방식이다. 수트리 열화된 부분에서 (상용주파수+1Hz)을 중첩시킬 때 열화신호가 큰 특성을 이용한 것이다.(6kV급 케이블 적용)
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