내유도·고지락 저항 대응형 케이블 사고점 측정기 개발

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내유도·고지락 저항 대응형 케이블 사고점 측정기 개발

2012년 8월 7일 (화) 22:25:53 | 지면 발행 ( 2012년 7월호 - 전체 보기 )

도시 지역이나 시가지의 전력 공급에 지중 송전 선로를 최근 많이 개설한다. 지중 송전
선로는 태풍이나 눈 등 자연 재해로 말미암은 피해가 적다는 장점이 있는 반면, 지락 등으로 말미암은절연 파괴 사고가 발생하면 사고 개소를 찾는 데 특별히 시간이 필요하다는 단점이 있다.
간사이전력㈜는 지중 송전 선로의 사고점 검출에머레이 루프법(Murray's Loop Method)을 이용한사고점 측정기를 많이 사용했다. 그러나 선로가 점차 고전압·장거리로 바뀌고 동일 루프의 다회선화로 인접 케이블로부터 상당히 높은 유도 전압이 중첩해 사고점을 정확히 검출하기 어려운 경우도 있다. 또한, 지중 송전 케이블도 그동안 사용해 온 유침지油浸紙절연의 OF 케이블에서 최근 플라스틱 절연의 CV 케이블을 채용함에 따라 절연 파괴 사고가일어나도 지락 저항이 높아 기존 사고점 측정기로는 측정하기 힘든 경우도 있었다.

이에 높은 내耐유도 전압 성능에다, 고高지락 저항아래서도 측정할 수 있는 새로운 케이블 사고점 측정기를 개발했기에 여기에 소개한다.

사고점 측정기의 현재 상태와 문제점
지중 송전 케이블의 사고점 측정은 <그림 1>에서보듯이, 케이블의 종단 접속부에 측정기를 접속해케이블 끝에서 사고점까지 거리를 측정하는 것으로사고 종별, 지락 저항 값, 측정 회로의 구성 조건 등을 고려해 가장 적합한 측정 방법을 선택한다. 측정방법은 크게 ① 케이블의 도체 저항을 이용한 머레이 루프법, ② 사고점의 펄스 반사를 이용한 펄스레이더법(Pulse Radar Method), ③ 케이블 정전용량을 이용한 정전용량법 등 3가지로 분류할 수 있다
(<표 1> 참조).

각 측정기는 흔히 10㏁ 이하인 지락 사고에는 고압 브리지 측정기 등 머레이 루프법을 적용하고, 10㏁ 초과인 지락 사고나 방전성 지락 사고, 단선 사고에는 펄스 레이더법을 적용한다.
한편, 간사이전력㈜는 케이블 사고 대부분이 일선지락 사고이기에 측정 정밀도가 높은'고압 브리지측정기'를 가장 많이 사용하며, 지락 저항이 높은사고라도 직류 고전압을 인가하고 소성燒成해 지락저항을 낮춘 후 측정한다.

고압 브리지 측정기의 원리는 <그림 2>에서 보듯이, 사고상과 건전상에 의한 루프 회로에서 그 사고상과 건전상에 측정 저항 변을 접속해 브리지 회로를 구성한다. 이 회로에 직류 고전압을 인가하고평형 상태의 저항 비를 통해 사고점까지 거리를 산출하는 것이다.
그러나 높은 유도 전압이 중첩한 선로에서 검류계G의 지시가 안정되지 않아 측정하기 어려우며, 최악의 경우 측정 저항 변이 소손할 우려도 있다. 이 때문에 높은 유도 전압이 중첩했을 땐'FAPOA(FaultPoint Analyzer) Ⅱ'라 불리는 디지털식 측정기를
사용했다(현재는 생산·유지 보수 서비스를 모두 종료했다).
FAPOA Ⅱ는 과거에 간사이전력㈜와 제조사가 공동 개발한 측정기로, 측정원리는 <그림 3>과 같다.
회로만 봤을 때 고압 브리지 측정기와 마찬가지로 사고상과 건전상에 의한 루프회로를 구성해 측정하는 머레이 루프법의 일종이나,FAPOA Ⅱ는 DC 6V의 직류 전압을 케이블에 직접인가해 루프 전류를 흘리고 그때 발생하는 전위 강하를 측정함으로써 선로 전체길이의 도체 저항에서 차지하는 측정단에서 사고점까지 도체 저항 비를 통해 사고점을 산출한다.
유도 대책으로 전압 측정부에 저역 필터(LowpassFilter) 회로를 설치했으며, 또한 측정한 값을
평균화 처리해 100V 정도의 유도 전압을 제거한다.
FAPOA Ⅱ의 또 다른 장점으로 마이크로컴퓨터 등을 이용한 디지털 회로로 자동 측정하며, 스위치 투입만으로 사고점을 퍼센트 값으로 표시함으로써 취급이 용이하고 측정에 숙련된 기술이 필요치 않은점 등이 있다.
이처럼 FAPOA Ⅱ는 내유도성과 조작성 면에서우수하나, 지락 저항에 맞춰 모드를 설정해야 하고지락 저항이 1㏁ 이상인 선로에선 오차가 커지는결점이 있어 고지락 저항 사고 시 측정하기 어려웠다. 또한, 측정값을 0.5% 단위로밖에 표시하지 못하는 것이나 0~100% 이외 결과에서 에러 램프만점등할 뿐인 것 등 디지털식 특유의 사용에 불편함도 있다.
이상 고압 브리지 측정기와 FAPOA Ⅱ 모두 장·단점이 있어 유도 전압이 중첩한 상태에서 일어난 고지락 저항 사고 시 사고점을 측정하기란 힘들었다.

개발 목표
새로운 케이블 사고점 측정기 개발에 앞서 높은 유도 전압이 중첩한 선로에서고저항 지락 사고가 발생해도 1대로 대응하는, 현재측정기보다 대폭 향상한 성능을 목표로 했다(<표 2>참조).
유도 전압의 경우, 154㎸이상인 초고압 케이블 선로가 증가함에 따라 유도 전압 100V를 넘기는 선로도 많고 최대로 약 300V인선로도 존재한다. 이 때문에 간사이전력㈜의 지중송전 선로 대부분에 적용하는 것을 목표로 내유도전압 성능을 300V로 정했다.
지락 저항의 경우, 10㏁을 넘는 등 지락 저항 값이큰 사고는 직류 고전압을 인가해 소성하고 지락 저항을 낮추는 방법을 현재 이용한다. 그러나 CV 케이블 선로에서 케이블부에 지락 사고가 일어나면 지락저항 값이 수백㏁이 되는 경우도 있어 소성 작업에긴 시간이 필요하다. 이 때문에 가능한 한 지락 저항값이 클 때도 측정할 수 있는 것이 바람직하나, 장치쪽 절연 대책에 큰 영향을 미치기에 고압 브리지 측정기에서 대응할 수 있는 저항 값 이상을 목표로 측정 가능 지락 저항을 100㏁으로 정했다.

신형 측정기 개요
신형 케이블 사고점 측정기의 기본 원리는 <그림4>와 같다. FAPOA Ⅱ의 측정 원리를 바탕으로 하나, 그 외 장치 구성에서 내부 회로에 이르기까지모두 새롭게 했다.

장치의 기본 시스템이 되는제어·측정·연산부는 제어반 등에서 사용하는 범용 시퀀서(PLC)를 채용하고, 조작·표시부는 터치패널 액정화면을 사용한 일체형으로했다. 이 장치의 핵심인 필터
유닛으로 내유도 전압 성능과 고지락 저항 측정 성능을함께 갖춘 다단 액티브 필터를 개발했다. 신형 케이블 사고점 측정기 개요는 <그림 5>와 같다.
사고점 측정까지 과정은 사고상과 건전상의 원단遠端쪽을 점퍼선(Jumper Wire)으로
연결해 측정단에 접속한 통전용 리드선을 사이에 두고 직류전압(약 5.6V)을 인가한다.마찬가지로 측정단에 접속한전압 측정용 리드선에서 필터유닛을 사이에 두고 사고상과건전상의 각 전압을 동시에 PLC에 넣어, 값이 포화한 단계에서 샘플링하고 평균화 처리 등을 한 후에연산한다. 덧붙여 사고점 연산에선 미주迷走전압이나 바이어스 전압 등 아주 작은 값의 직류 전압이 미
치는 영향을 배제하고자 극성 변환 유닛에서 통전 극성을 바꿔 양극성의 전압 값에서 사고점을 산출한다.
<그림 6>은측정과정의한예다.여기에다 유도 전압이 측정 중에 변동해 측정하지못할 경우 사고상과 건전상 2상뿐 아니라 다른 1상인 건전상(예비상)에서 변동하는 유도 전압 값을 측정해 사고상과 건전상의 측정 전압에서 유도 전압의 변동 분을 제거하는 기능도 부가했다.

신형 측정기 특징
개발한 측정기는 <그림 7>과 같이 측정기 본체와통전용 전원 장치로 구성된다.
통전용 전원은 FAPOA Ⅱ에서 납축전지를 사용했으나 항상 충전을 관리해야 하고 측정 중에 전지가 전압 강하를 일으켜 오차가 커지는 문제가 있었다. 이 때문에 측정기 개발에 맞춰 AC-DC 컨버터를 사용한 전용 전원 장치를 개발했다.
측정 조작은 FAPOA Ⅱ와 같이 숙련된 기술 없이도 다루는 것을 목표로 원 터치로 측정할 수 있는자동 측정 시스템에다가, 평소 측정으론 어려운 고도의 측정에도 대응하도록 임의로 각종 설정을 할수 있는 모드, 전압 측정 상황을 확인하면서 샘플링시작부터 완료까지 수동으로 할 수 있는 모드도 장비해 초심자에서 숙련자까지 기술에 따라 폭넓게측정할 수 있는 시스템을 구축했다. <그림 8>과 같이 조작 표시부를 터치패널 방식으로 해 취급이 우수할 뿐 아니라 ▲지금까지 수작업으로 별도 작업한 사고점까지 거리 연산 기능 ▲측정 전압의 시계열 그래프 표시 기능 ▲측정 결과 자동 기록 기능▲USB 등을통한외부기록매체로전송기능등도부가해기존사고점측정기에없는편리성을반영했다.

신형 측정기의 성능 평가
신형 케이블 사고점 측정기의 1차 성능 평가로 <그림 9>와 같이, 2㎟의 IV선 300m에 통전용 CT에서 유도 전압 300V를 중첩시킨 모의 선로를 간사이전력㈜ 전력기술연구소에 구축해 필터 유닛의 성능을 확인했다.

100m 지점(약 66.7%)에 사고점을 만들고 측정한 결과, 유도 전압 300V, 지락 저항 100㏁에서 최대 67.28%로 내유도 전압 성능, 고지락 저항 측정성능 모두에서 충분한 성능을 확인했다.
다음으로 신형 케이블 사고점 측정기의 실용 성능을 확인하고자 실제 선로에서 측정 시험을 했다.
우선 유도 전압이 중첩하지 않은 선로의 성능 평가로 제거 공사 중이었던 당사 3심 OF 케이블 선로(77㎸ OF 3×150㎟, 선로 길이 1008m)에서 측정시험을 했다. 시험은 신형 측정기의 건전성을 확인하기 위해 고압 브리지 측정기와 비교했다. 한편,사고점은 선로 도중에 있는 맨홀 내에서 케이블에못을 박아 지락 상태(지락 저항 0Ω)를 모의했다.그 결과, 설정 사고점 38.1%에 대해 신형 측정기는37.8%로 고압 브리지 측정기의 37.5%와 동등한결과를 얻어 실제 선로에서도 측정 성능에 문제가없음을 확인했다.
이어 유도 전압이 중첩한 선로의 성능 평가로 <그림 10>과 같이 약 130V인 유도 전압이 중첩한 CV케이블 선로에서 실제 선로 측정 시험을 했다. 그결과, 사고점 100%에 대해 지락 저항 0Ω의 측정결과가 100.05%, 100㏁의 측정 결과가 99.98%로유도 전압이 중첩한 고저항 지락 상태라도 충분한성능을 확인했다.
또한, 오실로스코프에서 필터 통과 전후의 유도전압 파형을 측정했더니 필터 통과 전은 130V, 60㎐ 기본파에 수V 정도의 고주파가 중첩한 파형이필터 통과 후는 수㎷로까지 감쇄한 것을 확인했다.이상의 결과에서 신형 케이블 사고점 측정기의 내유도 성능은 300V, 측정 가능 지락 저항은 100㏁,측정 정밀도는 0.5% 이하로 우수한 측정 성능을 확인했다. 제품화까지 간사이전력㈜는 관내 십여 선로에서 측정 시험을 하고 성능 평가와 개량을 반복해 왔다.
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신형 케이블 사고점 측정기는 2008년부터 간사이전력㈜ 내에 순차 도입해 현재 지중 송전의 보수 담당 부문이 있는 전체 11개 사업소와 사원 교육을 하는 능력개발센터에 총 12대를 배치했다. 사용 실적은 실용화한 2007년 이후부터 지금까지 지락 사고가 발생한 3선로에서 신형 케이블 사고점 측정기를사용해 모두 고정밀도로 사고점을 검출했다.앞으로 이 신형 케이블 사고점 측정기를 사용해높은 유도 전압이 중첩한 선로 사고나 고지락 저항사고 등 지금까지 측정이 까다로웠던 선로 조건에서도 신속히 사고점을 찾아 지중 송전 설비 사고의조기 복구에 공헌하길 기대한다.電⃝