고압케이블의 사고통계와 절연열화진단(일본편)

전기는 공기나 물과 마찬가지로 당연히 존재하는 것으로 손쉽게 콘센트를 통해 생활기기의 전원을 얻을 수 있다. 그러나 전기도 한정되어 있는 자원이다. 또한, 지구온난화방지를 위해서라도 물 부족 시의 절수와 마찬가지로 절전에 신경을 써야 한다. 전기사고로 인한 정전시간은 서구 선진국들에 비해 일본은 훨씬 짧지만, 일단 정전이 되면 막대한 손해와 최악의 경우에는 인명을 잃을 수도 있다. 따라서 고압자가용 전기설비의 정전사고에 대해 그 원인과 대책을 파악하는 것은 중요한 일이다. 이에 월간전기에서는 최근 일본의 (재)간사이전기보안협회에서 실시하고 있는 절연감시시스템을 소개한다. <편집자 주> 고압자가용 설비에서 발생하는 정전사고의 원인 고압자가용 발전설비에서 발생하는 사고는 본래 배전선으로 파급되지 않도록 보호장치를 시설하지만, 보호범위 밖에 있는 고압인입케이블 등에서 사고가 발생하거나 보호 장치의 결함, 변전소 계전기와의 협조불량 등으로 인해 배전선을 정전시켜버리는 파급사고가 발생한다. <그림 1>에 최근 5년간 중부 긴키산업 보안감독부 긴키지부 관내에서 발생한 파급사고의 전기공작물별 상황을 나타내었다. 그림에서와 같이 고압인입케이블이 원인이 되어 발생하는 파급사고는 전체 파급사고 원인의 약 34%를 차지하고 있다. 또한, (재)간사이전기보안협회(이하, 본 협회라 함) 고객의 파급사고를 포함한 정전사고의 원인 가운데 약 60%가 지락사고, 나머지가 단락사고이다. 또한, 최근 5년간 발생한 파급사고 가운데 약 33%, 구내사고에서는 4.2%가 고압케이블의 지락사고에 의한 것이었다. 사고원인은 <그림 2>와 같다. 2004년도에는 태풍의 내습횟수가 특히 많아 풍우 수해에 의해 고압케이블이 피해를 입어 정전된 구내사고 발생건수가 예년의 수배에 이른 것이 특징이었다. <그림 2>에서 자연열화에 따른 정전을 미연에 방지할 수 있다면 고압케이블이 원인으로 발생하는 정전사고의 약 30%를 감소시킬 수 있다. 고압케이블의 절연열화 진단방법에 대해 고압의 전기설비에서 발생하는 정전사고의 주요 원인인 고압케이블의 절연열화 진단방법에 대해 본 협회가 실시하고 있는 대표적인 방법을 <표 1>에 소개한다. 1. 절연저항측정 현재, 고압회로의 정전을 동반하는 연차점검에서 본 협회는 고압설비의 절연저항측정은 10kV의 절연저항계를 표준사양으로 하고 있다. 이는 6.6kV 회로에서 1선 지락 시에 고압케이블의 대지전압 파고치는 √3×3,810V×√2≒9,330V가 되는 점, 6.6kV 회로의 최대사용전압은 6,900V로 그 파고치는 √2×6,900V ≒9,760V 로 약10kV가 되는 점, 또한 통계상 상시 대지전압 파고치 √2 3,810V≒5,400V에서는 이상이 없지만 6kV 이상의 전압인가에서 열화된 고압케이블은 전류값에 이상이 발생하는 경우가 많으므로 10kV의 절연저항계를 표준사양으로 하고 있다. ① G단자 접지방식(G방식), E방식에 대해 G방식은 현재 고압수전설비규정에도 표준화되어 일반적으로 보급되고 있는데, 본 측정방법은 본 협회 직원이 1985년경에 고안한 측정방법으로, 당시 종래의 방식(E방식)으로 측정한 결과, 고압케이블의 양끝에 접속된 AS와 VCT를 포함한 절연저항값이 낮을 경우, 전력회사로 주상기기 분리의뢰나 고객에게 재차 정전교섭을 하는 등으로 시간을 들이고 있다가 케이블이 절연 파괴되어 버린 일 등의 교훈을 살려 이 방법을 고안했다. 본 측정방법은 고압케이블과 함께 접속되어 있는 AS와 VCT 등의 고압기기를 분리하지 않고 고압케이블 단체의 절연저항을 측정할 수 있는 방법이다. 다만, 고압케이블시스의 절연저항값이 1㏁ 이상이어야 한다. 이 값 미만인 경우에는 종래의 E방식으로 실시하는데 필요에 따라 기기를 회로에서 분리할 필요가 있다. Rc : 절연체(케이블 심선과 금속차폐 층간)의 절연저항 Rs : 시스(금속차폐 층간과 대지간)의 절연저항 Rn : 애자, 고압기기 등의 대지간의 절연저항 Ro : 측정기의 내부저항 = 10[㏀] (2)식에서 RO=10㏀, RS=1㏁로 하면 RS≫RO가 되므로, IO=IC가 된다, 따라서 측정부의 읽음이 고압케이블 절연체의 누설전류와 같게 된다. ② 직류누설전류측정 고압케이블에 직류전압(6kV 케이블에서는 10kV, 3kV 케이블에서는 5kV)을 인가하고 이때의 누설전류를 펜 레코더로 차트지에 기록하여 누설전류값의 대소, 증감정도, 킥현상을 포함하는 파형 등을 관찰하여 열화상태를 판정한다. 누설전류값의 판단기준으로 10㎂ 이하를 양호, 1.0∼10㎂를 요주의, 10㎂ 이상을 불량으로 보는데, 누설전류파형의 시간적 추이도 고려하여 전체적으로 판단한다. 또한, 케이블의 포설연수에 따라서는 측정전압을 고려할 필요가 있다. 2. 성극지수 정상적인 고압케이블이라면 전압인가 후의 누설전류는 시간의 경과와 함께 감소되며 최종적으로 누설전류값으로 나타난다. 긍장이 200m 이하인 고압케이블에서 흡수전류의 감쇠는 1분 이내에 완료되는 경우가 많고 케이블 길이가 짧은 것에서는 참고값으로 한다. 성극지수 = [전압인가 1분 후의 전류값] / [전압인가 1분 후의 전류값] 3. 약점비 인가전압별 절연저항 측정값의 비(약점비)로, 절연열화의 상태를 판단합니다. 약점비 = [제1 스텝전압의 절연저항값(㏁)] / [제2 스텝전압의 절연저항값 (㏁)] × 100(%) 판정값 : 약점비가 300% 이상은 위험 4. 상간 불평형률 동일한 재료, 환경, 연수에 놓여 있는 고압케이블이 각 상간에서 절연저항값에 차이가 없음을 확인합니다. 누설전류가 작은 범위의 불평형은 문제가 되지 않기 때문에 누설전류가 1㎂ 이상인 경우에 채택하면 효과적입니다. 상간 불평형률 = [상간 누설전류 최대치 - 누설전류 최소치]/ [상간 누설전류의 평균치] 판정값 : 200%를 넘는 것은 위험한 상태로 판단 고압절연감시장치(DAS)에 대해 본 장치는 ‘Data Acquisition System’의 머리글자를 딴 것으로, 앞서 언급한 고압케이블진단은 절연을 단편적으로 진단하는 것이지만, 본 DAS 시스템은 충전상태에서 고압케이블을 포함한 고압기기의 절연상태를 연속적으로 감시할 수 있다. 본 장치는 본 협회가 새로운 발상으로 고압전기설비의 절연 감시와 현상의 원인을 규명하기 위해서 자동해석프로그램과 고장응동을 조합한 것이다. 본 장치는 4건의 특허를 취득했으며 또한 이들 해석프로그램은 저작권등록이 되어 있다. <그림 5>는 DAS-400(단회로용)의 구성이다. 그 밖에 DAS-800(다회로용)이 있는데, 고압수전설비규정에 활선절연진단법으로 소개되어 있다. 본 장치는 지락계전기가 작동하기 전단계의 징후를 검출하여 이상신호를 담당기술센터로 송신하고 이를 받은 기술센터는 파형을 해석하여 절연열화 개소를 한정한 후, 울트라폰 등을 이용하여 불량 개소 탐사나 또는 필요에 따라 정전점검을 실시하고 개수를 의뢰하여 정전사고를 미연에 방지하는 장치다. 2005년 6월말 현재, 본 DAS 시스템은 간사이 일대에서 759대가 설치되어 있다. <그림 6>은 DAS에서 검출한 절연이 열화경향에 있는 고압지중케이블의 절연이상검출파형 사례다. 상단의 파형은 영상전류파형, 중간은 영상전압파형, 하단은 구내, 구외판정파형이다. 사전에 고압케이블의 불량을 검출하여 파급사고에는 이르지 않았다. 멀티모니터(M, M)시스템에 대해 이 멀티모니터(Multi-Monitor)는 앞서 언급한 DAS 시스템을 비롯해 저압의 절연감시, 수전전력의 디멘드 감시나 온도센서, 입출력 접점센서 등이 포함된 감시시스템으로 Dopa망에 의해 집중감시수신센터를 경유하여 본 협회의 담당기술센터에 이상신호를 송신하여 필요에 따라 사고에 대처하는 하는 집중감시시스템이다. 또한, 옵션으로 경보 발생시에 고객의 컴퓨터나 휴대전화로 경보가 전자메일로 전송되는 서비스나 고객이 인터넷을 통해 데이터를 관람할 수 있는 MM서비스(Mieru·관람엑세스서비스)도 전개하고 있다. 2005년 6월말 현재, 121대가 설치되어 있다. 맺음말 고압케이블의 갱신은 본 협회는 (사)일본전기공업회에서 장려하는 갱신년도인 2003년을 기준으로 교체를 권장하고 있지만, 앞으로는 부설상황(가공케이블, 지중케이블)이나 케이블 반도전층의 구조(T-T, E-T, E-E)에 따라 장려 갱신년도를 세분화해 나갈 필요가 있을 것이라 판단된다. 또한, 고압케이블의 절연진단방법은 정전을 동반한다. 정전점검의 필요성을 아무리 고객이 이해해주었다 하더라도 실제로 제반 사정에 의해 정전이 곤란한 고객이 증가하고 있는 실정이다. 어디까지나 수전설비는 보안규정에 의거하여 정기적으로 정전하여 점검을 하는 것이 최선의 방법이지만, 충전상태에서 상시 케이블을 포함한 고압전기설비의 절연감시를 할 수 있는 DAS 시스템은 지락에 의한 정전사고를 미연에 방지하는 데에 유효한 감시장치다. 그리고 MM시스템도 고·저압회로의 절연감시 및 온도감시 등의 기타 센서를 갖춘 집중감시시스템이라는 점을 밝힌다.