케이블의 절연과 열화✶

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전력케이블의 열화 원인과 측정⁕

케이블의 절연과 열화

우리나라의 지중배전용 케이블로서 주로 사용되고 있는 CV케이블은 운전 실적이 20년에 이르고 있으며. 이러한 CV케이블을 지중에 설치한 한후 6~8년이 경과하면 수트리라고 하는 열화 현상이 발생

케이블 내부의 수분이 생성 잔존 침입상태에서 장기간 사용하면 절연체 내에 수트리현상이 발생하여 절연 성능이 현저하게 저하

요인과 원인

1)열화요인과 메커니즘

• 전기적 요인
  상시의 운전전압 외에 사고 시의 지속성 과전압 개폐서지 뇌서지 전압등의 이상전압 이상전압이 열화의 동기를 제공
• 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, 화학약품류
  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 불량에 의하여 공극이 발생하여 수분이 침입하여 열화

2)열화의 형태(전기열화)

• 케이블 절연체 내부 또는 반도전층과의 경계면에 있어서 국부적인 고전계부가 형성되어 파괴가 진행되어 트리(tree) 모양으로 전개
• 부분방전 열화
  절연체 중의 기포, 절연체와 반도전층의 경계의 공극 등에서 발생한 부분 방전에 의해서 케이블의 전체가 열화되는 현상으로 방전이 반복하여 절연체의 침심, 절연성능을 저하시킴
• 전기트리 열화
  케이블 절연체 내부 또는 반도전층과의 경계면에 있어서 국부적인 고전계부가 형성되어 파괴가 진행되어 트리(tree) 모양으로 전개
• 수트리 열화
  • 내부 및 외부 반도전층과 절연체의 경계에 물이 침투되어 전계가 걸리면서 tree 모양으로 성장하여 절연성능의 저하
  • 종류
    • 벤티드 트리(Vented tree): 반도전층을 기점으로 발생, 내도 트리, 외도 트리
    • 보우타이 트리(Bow-tie tree): 절연물내의 이물질, Void 기점으로 발생
  • 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 유도
  • 아크열화
    개폐기 및 차단기의 개폐 시 아크 방전에 의해서 절연물의 도전성 탄화로의 형성

3)열화의 형태

• 화학적인 열화
  포설상태의 케이블에 황화물, 화학약품류에 의해서 열화
• 열적인 열화
  열팽창 수축에 의한 차폐 동테이프와 절연체의 계면에 공극에 의한 열화
• 트래킹 열화(Tracking)
  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 열화

4)트리 발생원인

• 수트리
  케이블 내에 수분이 존재하며 국부적으로 고전계가 발생되는 그곳으로 응집되어 나무 모양으로 발전하는 트리를 생성함
• 화학트리
  황화물이 존재하는 부위에 포설된 케이블의 경우 황화물이 PE층을 투과하여 도체인 동과 반응하여 황화동을 만들고 운전중에 이러한 분자들이 외부로 나가면서 나무모양의 트리를 만들어 감
• 전기트리
  케이블 내 결격지점에서 부분방전에 의해 부분적으로 절연파괴가 발생하여 나뭇가지모양으로 진전되는 트리로, 궁극적으로 벤티드 트리가 되면 절연파괴에 이르게 됨

열화방지 대책

• 도체와 절연체의 경계면을 매끄럽게 제작
• 케이블의 반도전층을 균일하게 배치
• 수분이 침투하지 않도록 단말처리를 철처
• 전계 집중을 완화하기 위해서 Voltage Stabilizer(전압안정화장치)를 첨가
• 제작방법은 건식으로 하고 절연층을 균일하게 제작
• 케이블 포설 시 기계적인 스트레스 및 손상에 주의
• 열화진단 방법(사선진단방법, 활선진단방법)을 적절하게 사용하여 사고를 미연에 예방

절연열화 진단법(열화 판정방법)

1)사선 진단방법

• 절연저항계법(메거)
  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(직류고전압 인가법)
  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

항목	양호	보통	불량	비고
누설전류 [mA]	10이하	11~50	50이상	직류30[kV] 인가
성극비	1이상		1미만
절연저항 [MΩ]	2000 이상
선간 불평형전류	200[%] 미만		200[%] 이상

• 유전 정접법(tan δ법)
  • 전력 케이블에 대지전압에 상응하는 상용주파 교류전압을 인가하여 tanδ의 값을 측정하여 열화를 판별하는 방법으로 케이블이 흡습이나 수트리가 발생되면 tanδ가 증가하는 특성을 갖는다.
  • 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.
  • 일반적으로 tanδ는 온도가 상승하면 증가하는 경향이 있으며, 열화 된 절연물은 양호한 것에 비해 어느 정도 낮은 온도에서 급격히 증가하는 경향이 있다.
  • 케이블이 긴 경우 전자유도에 의한 전류의 영향으로 오차가 크게 발생되고, 케이블이 긴 경우 국부적인 열화가 발생해도 tanδ가 작게 측정되며, 장비가 대형이라는 단점을 가진다.
  • 판정기준

	양호	주의	불량
tanδ	0.2% 미만	0.2~0.5%	0.5% 초과

• 충격전압시험
  1.2×50[μs]를 표준충격전압 파형으로 사용한다. 이와 같은 표준충격전압 파형을 가지고, 파고치가 해당기기의 BIL과 같은 크기의 충격파 전압을 충전부와 대지 간에 음양 각 3회씩 인가해서 시험한다

• 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.
  • 초음파 센서인 AE센서를 이용한 방법
  • HFCT를 통한 누설전류 측정을 측정하여 분석하는 방법
  • 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.

2)활선 상태진단법

• 열화상 진단법
  케이블의 접속함의 온도를 주기적(6개월 정도)으로 점검하여 국부적으로 온도차이(2℃)가 발생한 경우에 점검대상으로 삼는다.

• 직류성분 측정법(활선)
  • 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.
  • 별도의 전압원이 필요없고 측정시 충전부에 직접 접촉할 필요가 없어 간편하고, 안전하며, Sheath가 불량한 경우는 진단이 불가능하다. (6kV급 케이블 적용)
  • 판정

	양호	주의	불량
직류 전류	10nA 미만	10nA~100nA	100nA 초과

• 직류전압 중첩법(활선)
  • 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)
  • 판정

	양호	주의	중주의	교체대상
절연 저항	1,000 MΩ 이상	100MΩ 이상	10MΩ 이상	10MΩ 미만

• 영상전류에 의한 방법
  열화 시 흐르는 영상분을 영상변류기 또는 접지변압기를 통해 검출하는 방식

• 활선 tanθ 법
  고압 측 분압기에서 전압원 검출, CT에서 케이블접지선 전류를 검출하여 위상차로 tanθ 측정

• 등온완화전류법
  • 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
  • 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
  • 한전에서는 KDA-1 장비를 이용하여 측정하고 있다.
  • 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.
  • 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)

결론

1)열화 발생 시 특성치 변화

• 직류누설의 변화
• 유전완화의 변화
• 부분방전 발생

2)위의 특성치 변화를 이용하여 검출 분석하여 열화를 진단

★사용기기의 선정(전선)

동심중성선 케이블
초전도 케이블
케이블의 절연과 열화
수트리
케이블의 단절연
케이블 손실
케이블 시험 대표항목
누설동축케이블
케이블 화재 및 대책