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지중 배전케이블의 고장분석 및 품질 향상한전전력연구원 배전설비그룹 이재봉 선임연구원한국 사회의 산업발전이 급속히 진행되어 온 지난 30여 년간 전력수요도 꾸준히 증가하여 왔다. 또한 도시화로 인하여 전력수요의 밀도가 높아지고 환경에 대하여 민감해 지면서 도심의 전력설비는 지중화가 증가되고 있다. 2004년에는 전체 배전선로 중 지중선로가 처음으로 10%를 초과하게 됐다. 지중 설비의 증가와 더불어 선로의 고장도 지중선로에서 발생하는 고장이 11% 정도를 차지하고 있다. 한전에서는 지중설비가 꾸준히 증가되고 있고, 특히 전력수요가 많은 도시지역에 지중화가 증가하고 있어 지중 설비의 중요성이 커져가고 있음을 인식하고 지중설비의 고장을 줄이기 위한 여러 가지 노력을 기울이고 있다.본고에서는 첫째, 배전 케이블의 고장 방지를 위하여 한전이 시행하고 있는 노력에 대하여 설명하고, 두 번째, 케이블의 수명성능 향상을 위하여 새로 개발한 TR CNCE-W 케이블에 대하여 설명하며, 세 번째, 한전이 시행 중이거나 검토 중인 케이블 열화진단 기술에 대하여 설명한다.   지중선로의 핵심 설비이면서 지중 고장의 60% 정도를 차지하고 있는 지중 배전 케이블에 대하여 최근 한전에서는 많은 투자를 하여 고장을 줄여가고 있다. 케이블 고장 원인은 주로 외상 고장과 자연열화가 대부분을 차지하고 있다. 외상 고장 방지를 위하여 선로 주변에 공사가 있는지 확인하기 위한 지중선로의 순시를 강화하였으며, 케이블을 신규로 포설할 때 케이블 위쪽에 강도를 높인 시트를 덮어 굴착 작업에 의한 케이블 손상을 방지하도록 하였다. 이러한 노력이 효과를 나타내 2003년에 72건이나 발생했던 외상 고장이 2004년에는 48건으로 줄었다. 또한 자연열화에 의한 고장은 80년대 초에 포설된 노후 케이블을 교체하거나 절연보강 시공을 통하여 열화에 의한 고장을 미연에 방지하고자 하였다. 이러한 노력으로 자연열화에 의한 고장건수도 2002년 60건이었으나 2003년부터는 30여 건 수준으로 줄었다. 한편, 제작불량에 의한 고장은 오히려 소폭 증가하였다. 2003년 3건 발생하였던 제작불량이 2004년에는 8건으로 증가하여 제조업체의 품질관리가 다소 미흡해진 것으로 추정된다.2004년부터 2005년 8월까지 전력연구원에서 분석한 케이블 고장 원인을 나타낸 표를 보면 대략 50% 정도는 고장원인을 밝히지 못했으나, 원인이 밝혀진 것의 대부분은 절연체 중의 보이드가 원인이 된 것이다. 보이드는 대체로 제조과정에서 발생하는 것으로 보여진다. 고장원인 분석사례를 구체적으로 살펴보면, 2001년에 제작된 FR CNCO-W 325㎟ 케이블의 내부반도전층과 절연층 사이에 커다란 보이드가 생성되어 있는 것이 발견되었다. 보이드의 내부가 약간 탄화되어 있는 것으로 보아 보이드 내부에 부분방전이 지속적으로 발생하고 있다가 절연고장으로 발전된 것으로 추정된다.다음은 케이블 시공 중에 발견된 제조결함으로써 외부반도전층의 모양이 심하게 일그러진 경우이다. 조사 결과 제조공정 중에 케이블의 장력을 적절히 유지하지 못하는 상황이 발생하여 가교반응을 일으키는 가류관 벽면에 케이블이 접촉하여 약 180m 정도가 생산된 것으로 파악되었다. 다행히 시공 중에 발견되어 정전을 유발하지 않았으나 제조업체의 품질관리가 보다 철저하게 이루어져야 함을 보여주는 사례이다. 또한 2002년에 제작된 CNCV-W 케이블의 절연체에서 이물질이 발견된 사례이다. 이물질은 SiO2(규소) 성분으로써 목재나 흙먼지 종류로 추정되었다. 제조과정에서 청정도 관리가 제대로 이루어지지 않아 불순물이 유입된 것으로 추정된다.1991년도에 생산된 CNCV 케이블에서는 수트리가 발견되었다. 케이블 수명을 20여 년 이상으로 볼 때 수트리는 정상적인 케이블의 수명을 단축시키는 요인이 되고 있다.이와 같이 케이블의 주요 고장원인이 외부의 물리적 손상을 제외하면 주로 내부반도전층의 전계집중, 보이드, 수트리이다. 국내에서 지중 배전선로에 케이블이 사용되기 시작한 후로 계속 케이블이 개발되어 왔으나, 여전히 약점이 남아있었다. 케이블의 외피 소재로 PVC가 사용되어 왔는데 PVC는 수분을 차단하는 능력이 약하여 케이블 내부로 수분을 유입시킨다. 또한 내부 반도전 재질도 개선하여 제조공정 중에 돌기가 발생하지 않도록 해야 한다.  전력연구원에서는 이러한 케이블의 주요 약점을 보완할 수 있는 케이블을 2000년 10월부터 개발하여 2004년 4월까지 성능검증까지 마쳤다. 그리고 TR CNCE-W 케이블로 명칭을 정하고 규격을 2005년 4월에 정하였다. 이 케이블의 특징은 첫째 케이블 외부로부터 수분 흡수를 차단하기 위하여 외피의 재질을 LLDPE로 바꾸고 난연성을 부여하였다. 또한 Encapsulating 구조를 적용하여 중성선을 외피 내부로 넣었다. 두 번째로 절연체는 수트리 억제형 XLPE를 사용하도록 하였다. 외피의 차수성능을 크게 향상시켰으나 완벽한 차수성능을 가진 것은 아니므로 절연체도 수트리 억제 성능을 갖도록 하였다. 세 번째로 내부 반도전층의 재질을 Super Smooth급으로 상향시킴으로써 생산공정에서 돌기의 발생 확률을 크게 감소시켰다. 이와 같이 개선된 재질과 구조를 적용함으로써 케이블의 수명이 40여 년 정도가 될 것으로 기대하고 있으며, 신개발 TR CNCE-W 케이블은 2006년부터 사용하기 시작하고, 기존 CNCV-W와 TR CNCVW는 점차 사용을 줄여 나가 2010년 부터는 관로에 TR CNCE-W 케이블만 사용하게 될 것이다.케이블의 고장은 장시간의 정전을 수반할 수 있으므로 고장이 발생하기 전에 열화상태를 파악하여 위험한 상태에 있는 케이블을 교체하는 것이 필요하다. 케이블의 열화진단을 위한 방법으로 세계적으로 여러 가지 방법이 제안되어 사용되고 있으며, 현재 한전에서는 등온완화전류측정법의 원리를 적용한 KDA-1 장비를 사용하고 있다. 본 진단방법은 우수한 효과에도 불구하고 현장에서 측정할 때 장시간이 소요되고 측정이 안되는 경우도 발생하여 개선이 요구되고 있다.  비파괴 열화진단 방법으로 새롭게 검토 중인 방법은 VLF tan-delta 측정법이다. VLF 진단방법은 2004년에 IEEE Std 400.2로 제정되어 국제적으로 공신력을 얻고 있는 진단방법이다. 또한 전력공급을 차단하지 않고 활성상태에서 케이블의 이상 유무를 진단하는 On-line 진단 방법에 대해서도 검토 중이다. 케이블의 성능 향상과 더불어 새로운 진단방법도 도입하여 케이블의 고장을 사전에 차단하는 노력을 지속할 예정이다. 
<Energy News>
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