가교 폴리에틸렌 절연 케이블(CV 케이블)은 1959년에 3.3kV 배전용 전력 케이블로서 실용화되었다. 그 후 물트리 등의 열화요인의 발견과 그 대책을 실시한 결과 전기성능이 향상되어 현재에는 OF 케이블을 대신해 초고압 선로에도 많이 채용되고 있다. 최근, 안정적인 전력공급의 관점에서 CV 케이블 선로에도 열화진단의 필요성이 높아지고 있다. 여기에서는 CV 케이블 선로의 트러블 사례와 그 대책의 변천, 그리고 최근의 열화진단법에 대해 소개한다.
번역·정리 김대근 기자
CV 케이블의 트러블 사례
케이블 선로의 열화형태에는 다음과 같은 종류가 있다
[전기적 요인]
케이블 선로의 고장은 비교적 적지만, 그 중에서는 비교적 많이 발견되는 요인이다. 크게 나누어 보면, 절연체의 부분방전 열화와 물트리 열화로 구분된다. 물트리 열화의 예를 [사진 1(a)]에 트래킹 방전에서의 트러블 사례를 [사진 1(b)]에 나타냈다.
[화학적 요인]
현재 주류의 비닐 시스는 비교적 내약품성(耐藥品性, Chemical Resistance)이 높지만, 만능이 아니라는 사실이 확인되었다. 케이블 포설장소에 황화물이 혼입된 폐액과 구리가 반응하여 절연체에 설파이드(Sulfide) 트리라고 불리는 화학 트리 열화를 일으키는 사례가 보고되어 있다. [사진 1(c)]의 케이블 시스는 약품에 의해 팽윤된 사례이다.
[열적 요인]
[사진 1(d)]는 부식과 통전에 의한 발열로 떨어져 나간 동테이프 차폐이다. 또 종단부 접촉자의 도금 마모로 인해 접촉저항이 상승하여 케이블 절연체를 변형시킨 사례를 [사진 1(e)]에 나타냈다.
[기계적 요인]
케이블 종단부의 굽힘에 의한 응력으로 종단부 구성부품인 에폭시 절연통의 기계강도가 서서히 약해져 그에 따른 균열의 발생으로 절연가스가 새나온 사례가 보고되고 있다.
[소동물에 의한 피해]
최근에는 외래종의 흰개미와 쥐 등 소동물에 의한 피해 관련 보고가 나오고 있는데 특히, 흰개미에 의한 피해지역이 점차 확산되고 있다.([사진 1(f)] 참조)
CV 케이블 절연재료의 변천
물트리 열화 대책의 변천
물트리 열화 현상은 1967년 일본 국내에서 최초로 발견되어 소개되었다. 이 발견은 수중에서 사용되는 폴리에틸렌 절연전선이 예상외의 단시간에 절연파괴를 일으켜 그 절연층에 수지(樹枝, 트리) 모양의 결함을 확인한 것이 계기가 되었다. 더욱이 1970년에는 6600V CV 케이블에서도 이와 같은 모양의 트리 현상이 발견돼 처음으로「물트리」라는 용어가 사용되기 시작했다. 그리고 이 물트리는 이물질 및 보이드(Void: 미소한 공극) 등이 기점이 된다는 사실, 가교 폴리에틸렌 절연체의 흡수량(吸水量)이 열화를 촉진한다는 사실 등이 차례차례로 밝혀졌다. 최초의 물트리 대책은 물트리의 기점이 되는 이물질 및 보이드의 제거였다. 다음으로 촉진작용이 강한 절연체 안의 수분을 제거하기 위해 가교방식을 수증기 가교에서 가스(건식) 가교로 변경했다. 또 외부 반도전층에 사용되고 있는 테이프 섬유의 보풀 발생이 물트리의 기점이 되고 있다는 점도 확인했기 때문에 반도전층을「3층 동시 압출」로 변경하는 대책이 채용되어 케이블 제조단계에서의 물트리 요인은 제거됐다. 그러나 이 케이블은 지중(地中)의 고습도 환경하에서 사용되는 경우가 많아 포설 후의 외부 침수에 의한 열화요인을 제거하기 위해 최종적으로 케이블 비닐 시스 안쪽에 금속제의 차수층(遮水層)을 만든 사양을 채용하기에 이르렀다. 이 모든 대책을 시행한 케이블이라면 물트리에 대한 걱정과 우려는 상당히 낮아지겠지만, 실제로는 물트리와 무관한 환경에 포설되는 경우도 있기 때문에「비용과 리스크」를 파악하여 적절한 케이블을 선택하고 있는 것이 실정이다.
전구(前驅)차단기술에 의한 결함 제거와 고전압화
CV 케이블의 절연성능을 결정하는 요인은「이물질」,「보이드」,「반도전층의 돌기」등으로 여겨지고 있었으나 그 증거가 되는 데이터는 거의 전무에 가까웠다. 케이블의 성능을 향상시키기 위해서는 파괴의 직접원인을 구체적으로 파악하고, 그것을 제거할 필요가 있었다. 그러나 절연파괴된 시료에서 그것을 찾아내기란 매우 어려운 일이었다. 이 난제를 해결로 이끈 것이 바로 전구(前驅)차단기술이다. 전구차단이란 절연파괴의 전구현상(전조현상)인 전기트리 방전을 검출하고, 과전(課電) 전원을 고속차단하여 검출된 펄스 파형의 특징으로부터 방전 발생원의 위치를 표정하는 것으로서 파괴 직전의 결함을 거의 온전한 상태로 적출하는 기술이다. [사진 2]는 절연두께 3㎜의 시험제작 케이블을 40kV/㎜(Gmean)의 과전 전계하에서 전구(前驅)차단 시 결함부의 모습이다. 반도체 내 돌기부에서 전기트리가 발생하였으며, 이 돌기부를 해체조사한 결과, 내부에 이물질이 있었다고 보고되었다. 이 전구차단기술에 의해 CV 케이블의 각 절연파괴의 직접원인이 차례차례로 해명되었으며, 그 결과의 피드백을 통해 절연성능이 비약적으로 향상되어 500kV급 CV 케이블은(당시의 275kV급과 동일) 27㎜의 절연두께로 실현되었다.
열화진단기술
물트리 열화진단기술
6kV 케이블은 절연파괴 전에 절연체를 관통할 정도로 물트리가 크게 성장하기 때문에 최소한 이 관통 물트리를 검지할 수 있으면 트러블을 회피할 수 있었다. 그러나 특고압급에서의 물트리 열화는 물트리가 절연체를 관통하기 전에 전기트리로 변하여 절연파괴를 일으킨다. 이 때문에 최근에는「미관통 물트리」를 대상으로 한 열화진단법의 제안이 주류를 이루고 있다. 미관통 물트리는 물트리와 직렬배치된 「잔존건전층(정전용량)」때문에 di/dt(전류의 시간변화)를 가지는 신호만 통과할 수 있다. 이 때문에 특고압급의 물트리 진단에서는「교류신호」및「직류 중에서도 과도적(過渡的)인 성분」을 검출하고 있다. 이하에 미관통 물트리를 대상으로 한 열화진단법을 몇 가지 소개한다.
[교류중첩법]
교류중첩법은 과전 전압에「과전 주파(周波)의 2배+1Hz」를 중첩하여 진단대상 케이블에 인가하는 방법이다. 이 특징적인 전압중첩은 변조작용에 의해 1Hz(교류) 성분의 물트리 열화신호를 새롭게 발생시켜 이것을 검출해 열화진단에 적용하고 있다.
[저주파 중첩법]
저주파 중첩법에서는 과거의 축적 데이터로부터「7.5Hz의 노이즈 레벨이 낮다」는 것을 발견하고, 7.5Hz를 중첩한 교류전압을 케이블에 과전하여 7.5Hz 성분의 손실전류를 검지해 열화판정을 하고 있다. 이 방법은 활선/정전 양쪽 모두 진단이 가능하며, 특히「활선 측정 시 열화검출능력이 높다」고 소개되어 있다.
[손실전류법]
케이블의 전기특성 중 하나인 유전정접은 [그림 1]에 나타나 있는 것처럼 변위전류(Ic)와 손실전류(Ir)의 비로 나타낸다. 물트리가 발생한 경우, 손실전류 파형은 기본파에 고조파가 중첩된 변형파(Distorted Wave)가 된다. 이 때문에 물트리는 일반적으로「저항과 반도체」의 조합으로 표현되고 있다. 이 방법은 직접 손실전류 파형을 검출하고 주파수 분석을 실시함으로써 고조파 성분의 차수 및 위상정보 등 유전정접 측정보다도 많은 정보를 취득해 그 특징으로부터 물트리 열화의 징후를 파악하는 것이다. 진단 시스템은 [사진 3]에서 보이는 것처럼 대형차에 탑재된 교류전원과 측정기의 조합으로 비교적 규모가 큰 편이다.
[잔류전하법]
잔류전하법은 직류과전에 의해 물트리 주변에 축적된 전하를 교류과전을 통해 방출시켜 그 축전 전하량의 특징으로부터 열화정도를 진단하는 것이다. 이것은 물트리 주변에 축적된 전하는 케이블 도체를 접지한 것만으로는 방출되지 않고, 교류과전을 통해 가까스로 방출시킬 수 있다는 특징을 이용한 것이다. 최근에는「긴 물트리에 축적된 전하는 고전압 과전이 아니면 방출되지 않는다」라는 특징을 이용한 판정기준도 제안되고 있다. 측정은 대형차에 탑재한 직류전원과 교류전원, 그리고 측정기로 구성되어 있으며, 손실전류법과 마찬가지로 비교적 규모가 큰 진단이다.
부분방전 열화진단기술
실제 케이블 선로의 부분방전 시험은 1989년에 세계 최초의 초고압 장거리 선로(275kV, 9.5km)의 운전 개시에 맞춰 일본 국내에서 시도되었다. 당시, 케이블 자체는 제조업체의 출하검사로 건전성의 확인이 가능했지만, 현지 시공되는 접속부에는 결정적인 건전성 확인 기술이 없었다. 이 때문에 중간 접속부의 건전성 확인 기술로 [그림 2]에 나타낸 부분방전 검출기술이 개발되었다. 그 후 일본 국내에 있는 초고압 선로 접속부의 거의 대부분이 이 방법으로 건전성을 확인하고 있다. 이 검출법은 부분방전 펄스의 주파수 성분이 GHz 오더까지 가지고 있는 점을 이용하여 이 중「MHz대」성분을 절연 접속부에서 정전결합에 의해 검출하고 있다.
① 측정 대상물의 가장 가까이에서 신호를 검출함으로써 방전 펄스의 감쇠를 최소화할 수 있다는 점.
② 접속부가 포설되어 있는 지하 맨홀에서는 케이블 끝단으로 전파되어 오는 외래 노이즈가 전파 시 감쇠하기 때문에 천연 실드룸으로서 작용한다는 점.
이러한 상승효과로 당시 기술로는 생각지 못했던 1pC의 검출감도를 현지에서 실현시켰다. 또한 초기의 건전성 확인을 마친 선로는 이후 문제가 발견되는 일이 매우 적기 때문에 정기적인 부분방전 시험은 자주 실시하지 않고 있다.
종단부의 가스분석
종단부와 같은 저전계하에서의 부분방전 열화는 간헐방전을 반복하면서 서서히 진전된다. 이 때문에 정기진단의 시기와 방전소멸의 시기가 일치되는 경우, 열화를 발견하지 못하고 놓칠 우려가 있다. 이 해결책의 하나로서 방전에 수반하는 생성가스(아세틸렌)의 축적량으로부터 열화의 징후를 포착하는 방법이 제안되고 있으며, [그림 3]에 그 결과를 나타냈다. 가스 분석은 유(油)절연의 설비에서는 일반적인 방법이지만 프리패브형(조립형) 케이블 종단부에 있어서도 효과적이며, 실제로「열화가 크다」로 판정된 설비의 내부에서 왁스화된 실리콘유가 관찰되고 있다.
기타 이상감시기술
접촉불량 및 방전 등에 의한 발열 검지로 적외선 카메라에 의한 열화상 관찰이 소개되고 있다. [사진 4]는 그 일례이다. 이것은 6kV 케이블 접속용 고무장치에서의 발열검지예로, 해당 제품을 과전함으로써 국부 발열이 관측되었으며, 과전전압을 상승시킨 결과 해당 발열부에서 절연파괴가 일어났다. 또한 이 제품은 반사효율이 높은 은(銀) 증착의 전용 렌즈를 이용함으로써 카메라의 사각을 줄일 수 있다.
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CV 케이블 설비는 초고압 선로의 실용화를 위한 품질 향상 및 물트리 대책에 의해 점검 및 보수가 필요 없는 메인터넌스 프리(Maintenance Free)에 가까운 상태가 되었으며 안정성능을 확보하게 되었다. 그러나 최근에 자산관리(Asset Management)의 개념이 확산되면서「한계까지 설비를 운영한다」는 요구가 높아지고 있다. 이 요구에 부응하기 위해 케이블 업계로서 이번에 소개한 진단기술의 개발을 진행하게 되었다. 진단기술의 현황과 향후의 니즈를 정리하면 다음과 같다.
[물트리 열화]
물트리 열화는 이제 특고압급까지 진단이 가능하게 되었다. 앞으로는 결함 위치 표정 기술과 자산관리를 위한 잔여 수명 추정의 고정밀화, 온라인 진단화에 대한 니즈가 높아질 것으로 예상된다. 또 가까운 미래에 물트리 대책용 케이블의 설비량이 전체 케이블 선로의 대부분을 차지하며 자연 및 물트리 문제가 해결될 것으로 전망된다.
[부분방전 열화]
건전성 확인 기술로서 이미 확립되어 있지만, 한층 간소화된 시험방법을 통해「정기진단」및 점검작업 시 파괴사고의 방지를 목적으로 한「사전 안전확인」등의 간이 모니터링에 대한 니즈가 향후 높아질 것으로 예상된다.
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