22kV급 이상 CV 케이블에서 물트리 열화를 검출하는 방법의 하나로 잔류 전하법에 착안해 현장에 적용하기 위한 개량 및 정밀도 향상에 관해 검토했다. 이번 호에는 경년 CV 케이블의 열화 진단에 적용해 많은 측정 실적을 가지고 있는 본 기술에 대해서 소개한다.
CV 케이블의 물트리 열화 진단
CV 케이블은 포설 및 보수관리가 쉽기 때문에 설비량은 비약적으로 증가하고 있다. 원래 CV 케이블은 전기 특성에 뛰어난 장기 내구성을 가지고 있지만 경년 열화가 전혀 없는 것은 아니다. <그림1>에서 보듯이 물트리라고 불리는 특유의 절연 열화 형태가 발생하는 경우가 있어 아주 드물게 절연 파괴 사고를 일으키기도 한다.
필자 등은 경년에 의한 물트리 열화에 따른 절연 파괴를 미연에 방지하기 위해 비파괴, 고정밀도로 열화를 진단하는 여러 기술을 개발, 실용화해 왔다.
이에 따라 CV 케이블의 열화 진전 상황을 적확하게 파악할 수 있어 상황에 맞게 열화가 진행된 설비를 계획적으로 개수해 안정 공급을 확보하고 있다.
잔류전하법
물트리는 <그림2>에서 보듯이 전압과 전류의 관계가 옴 측에 상관없이 비선형 성질을 가지고 있고 상술한 방법의 대부분은 기본적으로는 모두 이 비선형 전도 특성을 이용한 방법이다.
필자 등은 락수트리 검출에 유효한 방법의 하나로 ‘잔류 전하법’에 착안, 현지 적용을 위해 이를 개량·개발했다.
잔류 전하법 원리를 <그림3>의 등가 회로를 이용해 나타낸다. 물트리 열화부는 물트리의 저항 R과 건전부의 정량 용량 C의 직렬접속에, 물트리 열화하고 있지 않은 건전부의 정량 용량 Cx가 병렬로 접속되어 있다.
지금 절연체에 직류전압 Vdc가 인가되었다면 <그림3 (a)>에서 보듯이 유전율과 도전율이 서로 다른 물트리와 건전부의 계면에 공간 전하가 축적되어 동시에 도체와 차폐층에 전하가 나타난다.
다음으로 도체와 차폐층 간을 단락 후 접지하면 <그림3 (b)>에서 보듯이 도체 및 차폐상의 전하는 곧바로 재결합해 소멸한다. 그러나 절연체 내의 공간 전하는 등가 회로의 시 정수(≒CR)가 수십 시간 정도로 아주 크기 때문에 곧바로 소멸하지 않고 대부분이 잔류한다.
<그림3 (c)>에서 보듯이 회로 내에 검출기와 교류 발생기를 접속해 절연체에 교류 전압 Vac를 인가하면 물트리가 가진 비선형 전도 특성 때문에 R의 저하와 함께 시 정수가 감소하고 공간 전하의 이동·소멸 현상이 촉진된다. 이 때 회로 내에는 큰 직류 성분이 나타난다. 잔류 전하법은 이 직류 성분을 열화 신호로 검출한다.
열화 신호와 오차 신호의 차이
이론적으로는 유전율과 도전율이 다른 절연체끼리 접속하고 있는 계면에서는 직류과전에 의해 공간 전하가 반드시 축적된다. 즉 XLPE 절연체에서 물트리와 건전부의 계면 이외, 예를 들어 고무/에폭시와 고무/XLPE 등의 접속부 계면 또는 공기/자기(또는 실리콘 고무)의 계면이 존재하는 종단부 표면 등 물트리 열화와 관계없는 곳에도 전하의 축적이 있을 수 있다.
또 본 방법의 목적은 절연 파괴 사고의 원인이 되는 유해성 높은(절연 후 두께에 대한 길이의 비율이 높고 내부도전율이 높다) 물트리를 검출하는 것이지만 절연 성능으로의 영향이 작은 미소한 물트리에도 전하는 축적된다.
이들은 열화 진단에서 오차가 되어 측정의 신뢰성을 저하시킨다. 이들을 제거하고 유해한 물트리에서 발생하는 열화 신호만을 검출하려면 열화 신호와 다른 신호와의 사이에 존재하는 특성의 차이를 명확히 할 필요가 있다.
열화 신호와 오차 신호의 각각의 특징(시간 특성)을 조사한 결과, 유해한 물트리를 기원으로 하는 잔류 전하는 교류 전압에 대한 응답이 빠르고 소수 정도로 이동·소멸이 완료된다는 것이 판명됐다. 검토 결과의 예를 <그림4>에 나타낸다.
<그림4 (a)>는 1000~1700㎛ 이상의 장대한 내도트리가 다수 발생하고 있는 중도의 열화 시험(11kV CV)에 의한 신호다. 잔류 전하의 응답 시간(완화 시간)이 현저하게 빠르고 교류 승압 완료와 거의 동시에 잔류 전하가 포화해 교류 전압을 유지해도 잔류 전압은 거의 증가하지 않는다. 이 시료의 교류 파괴 전압은 30kV였다.
<그림4 (b)>에 이용되고 있는 시험은 신품 케이블을 강제적으로 열화시키는 것으로, 100㎛ 정도의 미소한 물트리가 다수 존재하고 있지만 <그림3 (a)>의 시료에 비해 열화 정도는 작다.
이 시료 신호는 전하의 완화 시간이 느리고 1분 정도의 교류 과전으로는 완화가 멈추지 않는다. 또 이 시료의 교류 파괴 전압은 180kV 이상이고 절연 성능의 현저한 저하가 나타나지 않았다. 유사한 잔류 전하는 흡습한 테이프 감기 접속부 시료에도 관측되고 있다.
<그림4 (c)>는 신품 케이블 시료를 이용한 경우의 잔류 전하로, 고습도하에서 측정함에 따라 기중 종단부 표면에서 발생하는 오자 전하를 모의하고 있다. 교류에 대한 전하의 반응 속도는 <그림4 (b)>보다 더 느리다.
열화 신호와 오차 신호의 변별 방법
이상의 식견에 기초해 응답이 빠른 전하만 선택적으로 추출하는 수단을 교류 과전 방법의 개량 및 검출 회로의 개량으로 달성했다.
1. 단시간 승강법
<그림5>에 개량된 교류 과전 방법(단시간 승강법) 및 이에 따라 나타나는 잔류 전하를 나타낸다.
이 방법은 교류를 소정의 전압 Vac까지 승압한 후 바로 강압하는 작동(약 10초)을 3회 계속하고 그 후 1분간 연속해서 과전하는 방법이다.
각 단시간 과전에서 나타나는 전하를 △Q1~△Q2로 하면 위에서 서술한대로 유해한 물트리는 수 초 이내에 나타나기 때문에 △Q1에만 포함되는 한편 반응이 느린 오차 전하는 △Q1~△Q3 모두에 포함된다. 여기에서 식(1)의 근사식을 이용해 △Q 1 중에 포함된 진짜 열화 신호 Q0을 산출할 수 있다.
그리고 1분간의 연속 과전은 통상 잔류 전하 측정만으로는 검출할 수 없는 국부적인 극도 열화를 검출하는 것을 목적으로 하고 있고 연속 과전 중에 잔류 전하가 불규칙한 거동을 나타낸 경우에는 내부의 부분 방전에 따른 교락 상태 등의 극도 열화가 발생하고 있다고 하는 식견에 기초하고 있다.
2. 전하 직독법
종래의 잔류 전하 측정 회로에서는 교류 과전 시의 직류 성분을 로퍼스필터로 추출한 후 적분기를 이용해 전하로 변화했다. 그리고 앞서 서술한 대로 응답이 빠른 전하를 정밀도 높게 검출하기 때문에 <그림6>에 나타나는 회로를 이용해 직류 성분을 검출용 콘덴서 Cd에 축적하고 Cd 양단의 전압 Vd를 읽어내어 전하 Qd=Qd×Vd로 직속하는 방식(전하 직속법)으로 개량했다.
열화 신호와 절연 성능의 상관성
앞서 서술했듯이 개량을 하고 열화 신호와 절연 성능(교류 파괴 전압)의 상관성을 조사한 결과의 일례를 <그림7>에 나타낸다. <그림7>은 22kV CV 케이블 시료에 의한 데이터지만 열화 신호(응답이 빠른 전하 Q0)와 교류 파괴 전압과의 사이에는 좋은 상관을 볼 수 있다.
시스템 개요
1. 구성
<그림8>에 잔류 전하법에 의한 현지 열화 진단 실시 시의 구성을 나타낸다. 또 측정 장치를 <그림9>에, 사양을 <표1>에 나타낸다.
보통 22kV급 이상의 CV 케이블에 대한 절연 열화 진단에는 4t 차 클래스가 사용되지만 본 시스템은 좁은 곳에서도 자유로이 돌 수 있는 2t 차 클래스의 차량에 수납했다. 또 최대 부하 용량은 1.5㎌(22kV250㎟ CVT로 약 5㎞)로 거의 모든 22~66kV급 CV 케이블 선로에 대응 가능하다.
현지에서는 특별히 시간 및 스킬을 요하는 작업은 불필요하고 측정 대상 케이블의 단말 처리 및 리드선, 전원 코드의 연선과 접속하면 좋다.
현지 진단의 소요 시간을 <표2>에 나타낸다. 현지 상황에 따라 약간의 차이는 있지만 하루에 1~2회선의 진단이 가능하다. 또 리드선과 전원 코드는 모두 100m 이상으로, 필요한 전원은 단상 200V 30A(최대 부하 시)이다.
2. 현장에서의 노이즈 대책
실제 측정 현장 환경에는 전자 유도와 직류 미주 전류의 잡음 및 전원 노이즈 등 외적 요인이 존재한다.
본 방법은 직류 성분을 대상으로 하고 있기 때문에 강전자장에서의 측정에 따라 전자 유도 잡음의 영향은 전혀 받지 않는다는 것을 확인한다. 덧붙여 전원 노이즈는 노이즈 커트 트랜스를 이용해 대폭 저감할 수 있다.
현장 측정에서 직류 미주 전류 등에 의한 직류 노이즈가 존재하면 검출 감도를 큰 폭으로 저하시켜버릴 수가 있다는 것이 확인되고 있다. 직류 미주 전류는 동일한 포설 환경에서 케이블에 대해 거의 동일하게 침입하는 성질을 가지고 있어 3상 일괄형 케이블이라면 측정 대상 이외의 2상 중 1상을 노이즈 측정에 이용해 차동 연산으로 노이즈를 저감할 수 있다.
본 시스템은 노이즈 측정용 케이블과 검출기를 갖추고 2상 차동 연산에 의해 불규칙한 직류 노이즈 성분을 큰 폭으로 저감시킬 수 있다.
3. 현장 측정 결과의 예
<그림10>은 현지에서 잔류 전하법에 의한 열화 진단을 실시한 22kV CV 선로의 측정 결과의 일례다. 이 노선에는 직류 전화의 철도 노선이 근접해 있고 1~30nC 상당의 진폭에 따른 불규칙한 직류 노이즈가 잔류 전하 차트에 중첩되어 있다.
그러나 2상 차동에 의한 노이즈 저감을 처리한 결과 교류 과전 시의 전하 성분이 명료하게 나타나 직류 노이즈 환경 하에서도 고감도 측정을 할 수 있다는 것을 확인했다.
본 시스템은 1994년부터 2001년까지 연구개발을 하고 2002년 12월부터 실용화시키고 있다. 현장 측정 실적(2004년 10월 말 현재)은 <표3>대로 이미 많은 22kV급 이상의 CV 케이블 현장 선로에 대해 실적을 가지고 있다.
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