Study on Multi Parameter Measurement and Analysis of Distribution High Voltage Cable Connection Part

배전용 특고압 케이블 접속재의 다변수 측정 분석 연구

송기홍

ㆍ배영철

ㆍ김이곤

Study on Multi Parameter Measurement and Analysis of Distribution High Voltage Cable Connection Part

Ki-Hong Song

ㆍYoung-Chul Bae

ㆍYi-Gon Kim

요 약

고전압 CV 케이블은 편의성과 도시적 미관으로 인해 지하에 널리 설치되고 있습니다. 그러나 케이블 사고 는 조립불량과 자연 열화로 인해 자주 발생하고 있다. 본 논문에서는 고전압 케이블 접속부의 최적 진단을 위 한 다변수 측정 방법을 제안하고 그 기술적 유용성을 검증한다. 다변수 측정은 부분방전과 함께 진동과 열화 상을 동시에 사용하여 케이블 연결 부품의 성능 저하를 진단하기 위한 기술이다. 다변수 측정의 유용성을 확 인하기 위해 차폐 실험실에서 가속열화 실험을 수행하였고, 실험은 케이블 접속부의 열화를 12가지 유형으로 정의하여 각 열화 샘플을 제작하였다. 실험 결과, 진동신호 방법은 열화 진행과의 상관관계가 있는 결함 종류 를 확인할 수 있었다. 열화상 검사의 경우 일부 결함의 진행과 관련하여 일관성이 발견되었다. 본 논문에서 제 안된 방법은 현장에서 유용할 것으로 판단된다.

ABSTRACT

High voltage CV cables have been widely installed underground due to their convenience and urban aesthetics.

However, cable accidents have occurred frequently owing to poor construction and natural degradations. This paper proposes the method to measure the multi parameter measurement for optimum diagnostics of high voltage cable connection parts and verifies its technical usefulness. This measurement is intended to diagnose degradations of cable connection parts by using simultaneous vibration and thermography as well as partial discharge(PD). The experiment in a shielded laboratory was carried out to verify the usefulness of the multi parameter measurement. The experiment defined the degradation of the cable connection part as 12 types, and produced each degradation sample. As a result of experiment, it was possible to check the correlation of vibration signals with regard to progress in some defects. In the case of thermography, the coherence with regard to the progress of some defects was found. We figure that the proposed method would be useful also in the noise environment.

키워드

Multi Parameter, Cable Connection Part, Diagnostic, CV Cable 멀티 파라미터, 케이블 접속재, 진단, CV cable

* 전남대학교 전기 및 반도체공학과

** 교신저자 :

ㆍ접 수 일 : 2020. 11. 21

ㆍ수정완료일 : 2021. 01. 04 ㆍ게재확정일 : 2021. 02. 17

ㆍReceived : Nov. 21. 2020, Revised : Jan. 04, 2021, Accepted : Feb. 17, 2021 ㆍCorresponding Author : Ki-Hong Song

　Dept Electrical and Semiconductor Eng., Chonnam National University.

Email : [email protected] 　

http://dx.doi.org/10.13067/JKIECS.2021.16.1.53

Ⅰ. 서 론

배전용 특고압 케이블은 전력회사에서 생산한 전기 를 수용가에 전달하기 위하여 사용하는 전력선의 한 종류로, 전력사용이 대단위로 사용되는 대도시의 전력 망, 공장, 산업단지 등에 지중으로 연결하는 특고압 전력선이다. 전력설비의 대규모화와 함께 환경적, 미 관상 많은 장점으로 배전용 특고압 케이블이 많이 사 용되고 있다. 하지만 최근 사용량의 증가와 기포설된 케이블의 노후화로 인하여 특고압 케이블의 사고가 빈번히 발생하고 있다[1-6].

특고압 케이블로 주로 사용되는 XLPE케이블(이하 CV케이블)의 사고는 케이블의 설치환경 및 사용조건 에 따라 다르지만, 대부분 사고가 발생한 케이블의 경 우는, 초기에는 시공 불량에 의한 결함이 발생하고 이 후 결함으로부터 열화가 진전되어 발생한다고 판단되 고 있다[3-6].

특히 배전용 특고압 케이블의 접속부 사고는 시공 과정에서 결함에 의해 발생하는 경우가 많다. 이에 따 라, 사선상태와 활선상태에서 결함을 진단하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다[2-7]. 기존 사선상태 진단방식으로는 직류누설시험, 등온완화전류분석법, VLF tanδ 등이 적용되고 있다. 하지만 정확도는 상 대적으로 높지만 전원공급을 멈추고 장시간 측정을 해야 하는 번거로움으로 현장에 적용하기 쉽지 않다.

또한 활성상태진단은 전기적 방법에 기초하고 있어 [4,6,8], 주변에서 발생하는 다양한 잡음과 센서 취급 의 어려움으로 인해 종종 케이블 접속부의 결함을 사 전에 검출하지 못하고 있는 실정이다.

따라서 본 논문에서는 케이블 접속재의 고장 메커 니즘에 따라 수트리에서 전기적 트리로 변경될 때 그 리고 전기적트리가 진전되면서 발생할 수 있는 서로 다른 물리적 성분인 부분방전(partial discharge : PD), 진동, 열을 동시에 측정하여 다양한 결함종류에 서 열화가 진전됨에 따라 더 민감하게 방출되는 물리 적 특성을 분석하고, 현장에서 적용하기 위하여 주변 환경의 영향을 최소화하기 위한 다변수 측정법을 제 안한다. 제안한 방법은 향후 실시간 데이터/수집/분석 /처리가 가능하도록 CT를 이용한 접지에 흐르는 부 분방전[이하 PD(CT)], 소형, 광대역이 가능한 UHF 대역의 비접촉식 부분방전[이하 PD(UHF)], 진동, 열

화상을 활용하여 다변수 측정기를 구성하고, 제안한 다변수 측정법의 유용성을 검증하기 위하여 케이블 접속재의 열화 진전은 상기 측정법 중 차폐 실험실 내의 접지에 흐르는 부분방전량을 측정하는 PD(CT) 을 기초로 하여 다변수 측정의 유효한 결함들을 구분 하고 이를 통해 다변수 측정법의 유효성을 제시하고 자 한다[12-13].

Ⅱ. 케이블 접속재 모의 결함 및 다변수 측정 실험

배전 계통에 가장 많이 사용되고 있는 CV 케이블 의 XLPE 절연재료는 장기간의 전기적 스트레스, 열 적 스트레스, 환경적 요인, 기계적 요인 등에 의해 초 기의 물성치를 유지하지 못하고 변질되며, 극단적인 경우 절연성능 저하로 파괴되기도 하는데 이것을 열 화라고 하며, 이로 인해 수명이 저하하게 된다. 고압 케이블의 열화요인은 전압, 기계적, 열적 스트레스, 보 이드, 돌기, 이물질 등이 있다. 이러한 원인이 단독 또 는 복합된 형태로 열화를 일으키며 열화형태로서는 부분방전, 전기트리, 수트리 등을 들 수 있다[9-10].

케이블 사고의 위치에 따른 고장을 한국전력공사 1991년 고장에 의한 분석에 따르면 케이블은 약 36[%], 접속재는 약 64[%]로 나타나 케이블 접속재에 의한 고장이 더 많이 발생하고 있다. 케이블 접속재의 고장원인으로는 시공불량이 약 56[%], 열화가 약 37[%]로 대부분의 고장이 시공불량과 열화에 의한 고 장으로 판단하고 있다[6].

케이블 접속부의 고장원인을 정리하면 다양한 분석 이 있을 수 있다. 하지만, 본 논문에서는 케이블 접속 부의 결함을 시공 및 자연열화에 의한 12가지로 정의 하였다[11]. 이때 열화시료를 만들기 위해 사용한 케 이블은 국내에서 제작된 22.9[kV] 트레이용 가교폴리 에틸렌 난연 전력케이블로 절연체는 XLPE, 외피는 난연 PVC, 차폐층은 동 테이프이고, 내부·외부 반도 전층으로 구성이 되어있다.

표1에서 제시한 케이블 접속재 열화를 측정하기 위하여 케이블 종단부를 12가지 시료로 제작하였다.

그림 1은 본 논문에서는 제안한 다변수 측정법의 개

략도이다.

Abbrevia

tion Defect definition Degradation kinds 1 air gap

electric field concentration due to occurrence of gap

with cable

electrical degradation 2 shrink burnout due to poor heat

treatment shrinkage of joint

electrical degradation 3 thickness burnout due to poor cable

insulation thickness

electrical degradation 4 foreign

matter

foreign matter inside the cable

electrical degradation 5 ground

fault

ground fault between conductive and ground layer

electrical degradation 6 moisture rain and moisture

penetration, water tree inside the cable

environment degradation 7 flame burnout by external flame environment degradation 8 blade

trace

electric field concentration due to blade trace during

construction

mechanical degradation 9 cut damage caused by

installation equipment

mechanical degradation 10 pressed damage caused by

external work

mechanical degradation 11 pushed electric field concentration

due to cable push

electrical degradation 12 void insulation breakdown due

to void

electrical degradation 표 1. 케이블 접속부 결함의 종류

Table 1. Types of cable connection defects

그림 1. 다변수 측정법 개략도 Fig. 1 Schematic diagram of the multi

parameter measurement

그림 1에서 보는 것처럼 케이블 접속재의 열화 기 준은 기존의 접촉식 PD(CT) 방법을 적용하였으며,

다변수 측정법은 전기적 열화의 경우 UHF 부분방전 에 의한 방법, 열적 열화의 경우 적외선 카메라 방법, 그리고 기계적 열화 측정은 케이블 접속부의 진동신 호를 측정하였다.

앞에서 제시한 시료를 시험하고 검증하기 위하여 케이블을 접속하고, 전원 공급 장치를 이용하여 전원 을 공급하였다. 이때 사용한 전원은 최대 100[kV]까 지 전원공급이 가능한 코로나 프리(Corona free) 전원 발생 장치이다. 또한, 전원상승속도는 1[kV/sec]의 속 도로 천천히 올려가며 안전성을 확보하였다. 그림 2는 모의시험 전원장치 및 시료를 보여준다.

그림 2. 모의시험 전원장치 및 시료 Fig. 2 Power supply and a sample for tests

케이블 접속부를 가속열화 시키기 위하여 전압을 더 높여 가며 가속으로 열화 시킨 후 다변수 센서를 활용하여 측정하였다. 이때 기준전압(U

)을 13.2[kV]

로 하였으며, 2[kV]씩 전원을 인가하며 최대 2U

이 상 까지 측정하였다. 기준전압 아래로는 부분방전이 발생하는 전압을 기준으로 측정하고, 미 발생 시에는 5[kV]에서 측정하였다.

Ⅲ. 다변수 측정 실험 결과

모의한 시료 별 결함을 측정하고 분석하기 위하여

12가지를 결함으로 정의하고 분석하였다. 이때 결함에

기준이 되는 신호는 CT를 이용한 접촉용 부분방전

센서를 기준으로 하였으며, 비접촉 센서인 PD(UHF)

, 진동, 열화상을 이용하여 측정 분석하였다. 그림 3

은 다변수 측정방법에 의해 계측된 예로 케이블 접속

부 열처리 수축불량 결함 시 30[kV]를 인가하여 발생

하는 다변수 측정의 파형을 나타낸 것이다.

(a) PD(CT)

(b) PD(UHF)

(c) Vibration

(d) Thermal image 그림 3. 열처리 수축불량에 의한 다변수 측정 예 Fig. 3 Example of the multi parameter measurement

due to poor heat treatment shrinkage of the joint 측정된 신호는 열화의 기준 값인 접촉식 PD(CT) 을 기준으로 비접촉 PD(UHF), 진동과 열화상이 유효 하게 분석이 가능한지를 검토하였다.

그림 4는 결함종류 별 인가전압에 따른 PD(CT), 비접촉 PD(UHF)와 진동신호의 결과를 나타내었다. 1 차 Y축은 진동신호[mV], 2차 Y축은 부분방전의 방전 량[pC]이다. 그림 4에서 보는 것처럼 수축, 이물, 두께 에서 기준이 되는 PD(CT)와 진동이 매우 유사하게 증감하는 것을 볼 수 있다. 하지만, 지락, 수분 등과 같은 경우 서로 무관하게 진행함을 알 수 있다.

(a) air gap (b) shrink

(c) thickness (d) foreign matter

(e) ground fault (f) moisture

(g) flame (h) blade trace

(i) cut (j) pressed

(k) pushed (l) void 그림 4. 전압에 따른 부분방전과 진동신호

변화추이

Fig. 4 PD and vibration signal change according to the increase of voltage

부분방전과 열화상의 경우를 그림 5에 나타내 었다. 그림에서 인가전압에 따른 PD(CT), PD(UHF)와 열화상온도와의 결과를 나타낸 것이 다. 1차 Y축은 온도[℃], 2차 Y축은 부분방전의 방전량[pC]을 나타낸다.

(a) air gap (b) shrink

(c) thickness (d) foreign matter

(e) ground fault (f) moisture

(g) flame (h) blade trace

(i) cut (j) pressed

(k) pushed (l) void 그림 5. 전압에 따른 부분방전과 열신호

변화추이

Fig. 5 PD and thermal signal change according to the increase of voltage

그림 5에서 보는 것처럼 이물, 지락, 수분, 칼 집 등은 PD(CT)와 열화상 온도가 매우 유사하게 증감하는 것을 볼 수 있다. 하지만, 공극, 수축, 이물 등과 같은 경우 PD(CT)과 온도가 서로 무 관하게 진행함을 알 수 있다.

케이블 접속재의 열화가 진전되는 것을 접촉식 센 서의 부분 방전량을 기준으로 하여 다변수 측정이 어 떻게 변화하는 지를 살펴보았다. 그림 6은 실험결과 중 이물에 의한 영향에 의해 나타나는 진동, 열화상, PD(UHF)의 변화를 나타낸 것이다.

그림 6. 방전량 증가에 따른 진동, 열, PD(UHF) 추이 Fig. 6 Vibration, thermal and PD(UHF) trends

according to the increase of discharge

그림 6에서 보는 것처럼 케이블 접속부의 열화에 따라 부분방전 뿐만 아니라 진동, 열화상의 값이 선형 적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 이를 활용하면 케 이블 접속재 이물의 경우 다변수 측정이 진단의 정확 도를 높이는데 유용하게 활용될 수 있음을 보여주고 있다. 진동과 열화상, PD(UHF)의 다변수 측정 진단 을 위하여 열화정도에 따른 변화를 살펴보았다. 열화 의 기준을 CT로 측정한 기준 부분방전량으로 정의하 고, 최고값을 기준으로 방전량이 30[%], 70[%], 100[%]로 산정하여 이 때 해당되는 평균값을 초기, 중기, 말기로 정의하고 케이블 접속부가 열화하면서 계측 값이 어떻게 변화하는지를 살펴보았다.

그림 7은 케이블 접속부의 열화에 따른 진동, 열 PD(UHF)의 특성을 보여준다.

(a) Vibration

(b) Thermal signal

(c) PD(UHF)

그림 7. PD(CT) 방전량 증가에 따른 다변수 분석 Fig. 7 Multi parameter measurement signal analysis

according to the increase of PD (CT)

그림 7에서 보는 것처럼 진동에 의해 공극, 수축결 함, 이물결함 등이 구별이 되며, 두께의 경우 방전량 이 포화되는 현상으로 인해 말기가 줄어들었지만, 방 전이 발생하면 진동신호에 의해 열화를 쉽게 파악할 수 있다. 열화상에 의한 결함 진단은 이물, 지락, 수 분, 칼집은 열화정도에 따라 명확하게 구별할 수 있 다. 또한, 화염, 찍힘, 눌림, 밀림 등도 미세하지만 열 화가 진행되면서 열이 증가하고 있음을 알 수 있다.

PD(UHF)에 의한 결함진단은 수축, 이물, 지락, 화염, 눌림 등에서 열화정도에 따라 명확하게 구별할 수 있 다. 또한, 공극, 수분 등도 변화가 있지만, 열화가 진 행되면서 부분방전이 증가하고 있음을 알 수 있다.

표 2는 상기결과를 요약하요 나타낸 것이다. 표 2 에서 알 수 있듯이, PD(UHF)와 진동&열을 이용한 다변수 측정 진단 시스템을 구축하면 케이블 접속부 에서 발생하는 대부분의 결함들을 교번하여 측정할 수 있는 시스템을 구축할 수 있을 것으로 판단된다.

Vibration Thermal PD (UHF)

air gap ● - ◎

shrink ● - ●

thickness ◎ - -

foreign matter ● ● ●

ground fault - ● ●

moisture - ● ◎

flame - ◎ ●

blade trace - ● ○

cut - ◎ ○

pressed - ◎ ●

pushed - ◎ ◎

void - △ ○

표 2. 다변수 측정법과 PD(CT) 연동성 비교 Table 2. Comparison of the multi parameter

measurement method and PD(CT)

●Very strong, ◎Strong, ○Usually, △Weak, -None

Ⅳ. 결론 및 향후 연구

본 논문에서는 배전용 케이블 접속부의 최적 안전 관리를 위하여 다변수 측정법을 제안하였다. 다변수 측정법은 기존에 활용중인 부분방전 측정법뿐만 아니 라 진동과 열을 추가하여 분석하는 기법이다. 유용성 을 검증하기 위해 케이블 접속부의 결함 종류를 12가 지 시료를 제작하여 가속열화 실험을 실시하였다.

다변수 측정법의 실험결과를 분석해본 결과, 인가 전압 증가에 따른 부분방전 신호와 진동신호에서는 수축, 두께, 이물 결함에서 상관관계를 보였으며, 인가 전압 증가에 따른 부분방전 신호와 열화상 신호에서 는 이물, 지락, 수분, 칼집이 시각적으로 상관관계가 나타나고 있음을 알 수 있었다.

다변수 측정법의 유용성 검토를 위하여 열화의 기

준을 PD(CT)으로 하고, 최대 방전량의 30%, 70%,

100%를 열화의 초기, 중기, 말기로 정의하고, 각 단계

별 진동, 열화상, 부분방전의 상관관계를 조사해 본

결과 진동에서는 공극, 수축, 이물 결함이, 열화상에서

는 이물, 지락, 수분, 칼집 결함이, 그리고, PD(UHF)

에서는 수축, 이물, 지락, 화염, 눌림 결함이 상관관계

를 보이고 있음을 알 수 있었다.

본 논문에서 제시한 다변수 측정법을 적용하면 부 분방전 만으로 케이블 접속부의 결함 검출이 어려웠 던 부분을 진동과 열화상으로 상호 보완, 보충되어 궁 극적으로 케이블 접속부에서 발생하는 대부분의 결함 들을 측정할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 결함 의 종류가 다양한 형태로 존재하고, 결함의 열화 조건 은 각각의 현장마다 다르기 때문에 모든 사이트에서 일정한 결과를 얻을 수 없지만, 상기 결과를 기반으로 다양한 형태의 접속재 결함 빅데이터를 구축하고 진 단한다면 현장에서도 더 효과적으로 활용 할 수 있을 것으로 사료된다.

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저자 소개

송기홍(Ki-Hong Song) 1993년 원광대학교 전기공학과 졸업(공학사)

2018년 전남대학교 대학원 전기 공학과 졸업(공학석사)

2018년∼현재 전남대학교 전기 및 반도체공학과 박사과정

※ 관심분야 : 전력설비진단, 스마트 팩토리

배영철(Young-Chul Bae) 1984년 광운대학교 전기공학과 졸업(공학사)

1986년 광운대학교 대학원 전기 공학과 졸업(공학석사)

1997년 광운대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학 박사)

1986∼1991년 한국전력공사

1991∼1997년 한국과학기술정보원구원 책임연구원 1997∼2006년 여수대학교 전자통신전기공학부 부 교수

2006∼현재 전남대학교 전자통신전기공학부 교수

※ 관심분야 : 비선형 역학, 카오스 역학, 로봇제어, 지능형 시스템 및 모터제어

김이곤(Yi-Gon Kim) 1985년 동아대학교 전자공학과 졸업(공학사)

1988년 한국항공대학교 대학원 전자공학과 졸업(공학석사) 1993년 전남대학교 대학원 전자공학과 졸업(공학 박사)

1995∼현재 전남대학교 전자통신전기공학부 교수

※ 관심분야 : 퍼지 모델링, 고장진단 및 수명평가