 케이블 산업의 신기술 및 동향 ③
손실 전류법을 이용한 66㎸급 CV 케이블
수트리 열화 진단 기술의 실용화
CV 케이블의절연 파괴 사고를 미연에 방지하고 계획적 갱신을 위해 일반적으로 비파괴 진단법인 손실 전류법이 사용되어 왔다. 그러나 손실전류법의 진단 시 피뢰기나 계기용 변압기에서 발생하는 노이즈를 제거하기 위한 GIS 종단개방 작업은 비용과 작업 용이성의 확보가 어렵다는 한계점을 가져왔다. 새로운 ES과전법은 이러한 작업 난점을 해결하면서도 기존 방법의 노이즈를 줄여준 공법으로 현장에서 성공적으로 적용되고 있다.
번역·정리 전화영 객원기자
글 도쿄전력㈜ 후지타 마나부(藤田學{), 나카데 마사히코(中出雅彦) ㈜비스카스 곤 히로유키(今博之), 야기 유키히로(八木幸弘)
참조 ≪전기평론≫ 제94권 11호
고도 정보화 사회로 변모한 오늘날, 안정된 전력 공급은 매우 중요한 책무이다. 이러한 사회 정세에 입각해 적확하게 CV 케이블을 진단함으로써 절연 파괴 사고를 미연에 방지하고, 거기에다 경년 CV 케이블을 계획적으로 갱신하기 위한 지표를 얻을 목적으로 필자들은 66㎸급 CV 케이블의 비파괴 진단법인 손실 전류법을 개발했다.
2002년 현장에 적용한 이후, 사내에서 약 470회선, 사외에서 약 110회선을 진단한 실적이 있으며(2008년 말 현재), 지금도 사내외에서 널리 사용 중이다. 그러나 손실 전류법으로 가스 개폐 기기 장치(GIS) 등이 연결된 선로를 진단할 경우, 피뢰기(LA)나 계기용 변압기(PT)에서 발생하는 노이즈의 영향이 염려스러웠다. 노이즈의 영향에서 벗어나려면 진단 전후로 이러한 부대 설비를 분리하는 등 부대 작업을 해야 해 부담이 컸다.
또한, 선로의 양단 말이 GIS인 경우, 과전구課電口를 확보하고자 GIS종단(CH부)을 개방하는 작업을 해야 하기에 일손과 비용, 부대 작업에 따른 선로 정지 기간 확보 등이 큰 부담으로 뒤따랐다. 이에 본고에서는 LA나 PT, 접지 기구(ES)로부터 시험 전압이 인가될 때 진단 신호에 미치는 영향을 명확히 하는 동시에, 이 영향을 제거하는 새로운 진단 방법을 보고한다.
손실 전류법 개요
CV 케이블의 절연 열화｜CV 케이블은 절연체에 가교 폴리에틸렌(XLPE)을 사용한 전력 케이블로, 지중 송전 선로의 전력 케이블에 널리 쓰인다. 원래 CV 케이블은 장기 내구성을 가지고 있으나, 금속피 등과 같은 물막이 구조가 없는 경우 물이 존재하는 환경에서 장기간 사용하면 절연체 안 이물이나 보이드Void, 반도전층 돌기 등의 전계 집중부에 <그림 1>과 같이‘수트리(Water Tree)’라 부르는 열화부가 형성된다. 수트리는 전계와 수분의 영향을 받아 진전하며, 케이블의 절연 성능을 떨어뜨린다. 이에 운전 전압 하에서 절연 파괴에 이르는 사례가 드물게 일어난다.
수트리열화진단의원리｜손실 전류법은 수트리의 신호를 비파괴 상태에서 측정해 수트리 열화의 진전 정도를 평가하는 진단법이다. 가교 폴리에틸렌 안에 발생한 수트리부는 비선형인 전류-전압 특성이 있으며, 이에 CV 케이블에 교류 전압을 인가할 때 흐르는 접지선 전류의 저항성 전류 Iloss에는 수트리의 비선형성에 기인한 고조파 성분을 포함한다. 고조파 성분 중에서도 특히 제3고조파와 관련성이 강해 진단 신호로 이용하고 있다. 저항성 전류 Iloss는 전력 손실과 관계가 있어‘손실 전류’라고 부른다.
손실 전류는 시험 전압을 V=V₁sinωt로 했을 때 (1)식으로 나타난다. 여기서 제3고조파 성분이란 (1)식에서 n=3일 때 파형을 가리킨다. 필자들은 제3고조파의 진폭 I₃및 기본파와 제3고조파의 위상차 θ₃이 수트리 열화의 발생·진전과 높은 관련성이 있음을 확인했다.
 ..(1)식
이 진단 방법을 현장에 적용하기 위해 개발한 장치가 <그림2>다. 시험 전압에 포함된 고조파 전압이 수트리 열화 신호에 영향을 주는 것을 억지하기 위해 파형 발생 장치에 의한 정현 파형, 그리고 전력 증폭기와 낮은 왜형 트랜스를 이용해 증폭·승압한 전압을 시험 전압으로 쓴다.
손실전류법의과제
진단에 뒤따르는 부대작업｜손실 전류법으로 진단할 때 과제라면, 진단 선로가 LA나 PT를 내장한 GIS에 연결된 경우 부대 작업이 필요하다. LA나 PT에서 발생하는 노이즈의 영향을 염려해 <그림3>과 같이 진단 전에 GIS의 가스 처리 작업을 하고 선로에서 이 기기들을 분리하는 작업을 해야 했다. 마찬가지로 선로의 두 끝부분이 GIS인 경우도 과전구를 확보하고자 가스 처리를 하고 GIS를 개방해야해 현장에 큰 부담이었다.
LA와 PT의 영향｜LA나 PT가 진단 신호에 미치는 영향을 조사하기 위해 <그림4>의 시험 회로를 이용해 다음 세 조건에서 시험했다. CV 케이블로 22㎸CVT×100㎟를 사용했다.
조건 ① : CV 케이블 단체單體
조건 ② : CV 케이블+LA
조건 ③ : CV 케이블+PT
측정결과는<그림5>와같다. LA의경우 진폭 I₃이 약30배, 위상차θ₃이약20°, PT의 경우 진폭 I₃이 약325배, 위상차 θ₃이 약 30°나 변해 진단에 미치는 영향이 크다는 사실을 확인했다. 이는 LA에 사용하는 산화아연 재료의 비선형 특성이나 PT를 구성하는 철심의 자화 특성이 원인으로 보인다.
LA·PT 영향억지법
영향억지법개발｜흔히 CV 케이블을 진단할 때는 누설 전류의 손실 전류(저항 성분)를 취득해 제3고조파 성분을 이용해 평가한다. 그런데 선로에 LA나 PT가 접속된 경우, LA나 PT에서 나온 누설 전류도 측정에 들어가기에 노이즈를 포함하고 만다. 이에 <그림 6>과같은 시험 회로를 고안했다. <그림 6>에서 보듯이 진단 케이블 및 LA, PT로부터의 합성 누설 전류를 측정 회로의 고압 측에 배치한 CT로 측정하면, 그와 동시에 LA나 PT의 접지선에 배치한 보정용 CT를 이용해 누설 전류를 포착한다. 이를 측정 회로에서 먼저 얻은 합성 누설 전류에서 산출함으로써 진단 케이블 신호만을 취하는 것이다. GIS 외부에 노출된 접지선을 이용해 신호를 얻을 수 있어 그동안 했던 진단 케이블과 LA 또는 PT의 분리 작업(GIS 가스 처리 작업)을 더 이상 하지 않아도 된다.
영향 억지법의 효과｜LA·PT 영향 억지법의 효과를 확인하기 위해 66㎸CVT 500㎟와 66㎸급 GIS용 실제 LA·PT를 이용해 <그림6>의 회로 구성에서 시험했다.
시험 결과는 <그림7>과 같다. LA, PT에서 발생하는 노이즈로 말미암아 열화 신호가 크게 바뀌었으나, 영향 제거법 적용으로 케이블 단체單體의 신호에 거의 일치하는 결과를 얻어 충분한 효과를 확인 했다.
적용확대기술전개
ES의 영향｜LA·PT 영향 억지법을 적용하려면 과전구(EB-A)와 GIS가 근처(보정용 CT 리드선400m)에 위치해야 한다. 400m가 넘는 선로의 경우, 가스 처리를 피하는 방법으로 GIS 외부에 노출된 ES에서 과전課電하는 방법을 생각할 수 있다. <그림 8>은 시험 회로다. 먼저 ES 접지‘OFF’상태에서 EB-A 측에서 측정하고, 다음으로 ES 접지 ‘ON’상태에서 측정했다. 이후 두 신호를 비교해 평가했다. 측정 결과는 <그림 9>와 같다. ES를 사이에 두고 진단했는데, 열화 신호에 큰 영향을 미치는 것을 확인했다. 이는 ES 유닛에서 50㎐의 신호가 발생해 제3고조파 성분이 영향을 주기 때문으로 보이며, 진단 시 어떤 대책이 필요하다 하겠다.
 ES 과전법의 개발과 효과｜ES 유닛이 미치는 영향을 억지하고, CV 케이블 신호만을 취하는 신기술을 검토했다. <그림 10>은 고안한 시험 회로다. 먼저 ES 접지‘ON’상태에서 진단 케이블과 ES, 더미Dummy 케이블의 신호를 취득한다. 더미 케이블(50m: 22㎸ CV 케이블 100㎟)은 정전 용량을 크게 해 ES의 영향을 완화하려고 사용했다. 다음으로 ES 접지‘OFF’상태에서 ES와 더미 케이블의 신호를 취득한다. 마지막으로 전자에서 후자의 신호를 빼 진단 케이블 신호만을 취한다. 새롭게 고안한 ES 과전법의 유효성 검증은 <그림10>의 시험 회로로 실제 ES 유닛과 케이블(10m: 66㎸ CV 케이블 150㎟)을 이용했다.
시험 결과는 <그림 11>과 같다. 참값인 케이블 단체의 신호(□)와 노이즈 제거법의 신호(△)가 거의 일치하며, ES 노이즈의 영향(○)과 비교해 노이즈가 많이 제거됐음을 알 수 있다.
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GIS에 연결된 CV 케이블에 손실 전류법을 적용할 경우, 그동안은 LA나 PT의 분리 작업, 과전구를 확보하기 위한 GIS의 가스 처리 작업을 해야 해 일손과 비용, 선로 정지 기간 추가 등이 현장에서 큰 부담으로 뒤따랐다. 이에 진단 시 수반됐던 GIS 가스 처리에서 벗어나는 기술을 개발했으며, LA나 PT의 영향 제거법은 2005년도부터, ES 과전법은 2008년도부터 이미 현장에 적용하고 있다.
<Energy News>
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