케이블의 절연과 열화


케이블의 절연과 열화

http://ftz.kr/2021/02/2830/

우리나라의 지중배전용 케이블로서 주로 사용되고 있는 CV케이블은 운전 실적이 20년에 이르고 있으며. 이러한 CV케이블을 지중에 설치한 한후 6~8년이 경과하면 수트리라고 하는 열화 현상이 발생한다

즉, 케이블 내부의 수분이 생성 잔존 침입상태에서 장기간 사용하면 절연체 내에 수트리현상이 발생하여 절연 성능이 현저하게 저하된다

요인과 원인

1)열화요인과 메커니즘

  • 전기적 요인
    상시의 운전전압 외에 사고 시의 지속성 과전압 개폐서지 뇌서지 전압등의 이상전압이 있다. 이들 이상전압이 열화의 동기를 제공한다
  • 열적요인
    • 열팽창 수축에 의한 차폐동 Tape와 절연체의 계면에 공극에 의한 열화
    • 지락, 단락에 수반하는 온도 상승과 과도고온에 의한 열화
  • 환경적 요인
    포설 상태의 Cabel에 침입하는 것으로 물, 황산화물, 화학약품류가 있고, 또 단말에서는 자외선, 오존, 오손(염분, 먼지)의 영향이 열화의 원인
  • 기계적 요인
    포설 시 또는 포설 후에 생길 수 있는 굴곡, 측면압력, 충격하중, 외상에 의한 열화
  • 기타 요인
    • 동물에 의한 시스가 손상을 받아 그곳으로 수분이 침입하여 열화
    • 단말 혹은 접속부 등의 시공 불량에 의하여 공극이 발생하여 수분이 침입하여 열화

2)열화의 형태(전기열화)

전기트리 열화
  • 케이블 절연체 내부 또는 반도전층과의 경계면에 있어서 국부적인 고전계부가 형성되어 파괴가 진행되어 트리(tree) 모양으로 전개
  • 부분방전 열화
    절연체 중의 기포, 절연체와 반도전층의 경계의 공극 등에서 발생한 부분 방전에 의해서 케이블의 전체가 열화되는 현상으로 방전이 반복하여 절연체의 침심, 절연성능을 저하시킴
  • 전기트리 열화
    케이블 절연체 내부 또는 반도전층과의 경계면에 있어서 국부적인 고전계부가 형성되어 파괴가 진행되어 트리(tree) 모양으로 전개
  • 수트리 열화
    • 내부 및 외부 반도전층과 절연체의 경계에 물이 침투되어 전계가 걸리면서 tree 모양으로 성장하여 절연성능의 저하
    • 종류
      • 벤티드 트리(Vented tree): 반도전층을 기점으로 발생, 내도 트리, 외도 트리
      • 보우타이 트리(Bow-tie tree): 절연물내의 이물질, Void 기점으로 발생
    • 수트리 열화의 특징
      • 수트리는 물과 전계가 동시에 존재하는 조건에서 발생
      • 전기트리에 비해서 저전계(6kV/mm)에서도 발생
      • 절연체의 오염물, Void 또는 절연층과 반도전층 사이의 계면의 돌기 등과 같은 결함에 의해서 발생
      • 수분이 건조되어 없어지면 수트리는 사라지고, 수분이 다시 유입되면 재발생
      • 일반적으로 수트리는 전기트리를 유도한다.
    • 아크열화
      개폐기 및 차단기의 개폐 시 아크 방전에 의해서 절연물의 도전성 탄화로의 형성
전기트리 열화

3)열화의 형태

  • 화학적인 열화
    포설상태의 케이블에 황화물, 화학약품류에 의해서 열화
  • 열적인 열화
    열팽창 수축에 의한 차폐 동테이프와 절연체의 계면에 공극에 의한 열화
  • 트래킹 열화(Tracking)
    수분, 먼지, 금속성 분진 등에 의한 누설전류 증가 → 발열, 절연열화 촉진 → 미소 발광방전 → 절연체 표면 탄화 → 절연열화 촉진 → 절연파괴(단락, 지락발생)
    그 밖에 화학적인 열화, 열적인 열화가 있다.

4)트리 발생원인

  • 수트리
    케이블 내에 수분이 존재하며 국부적으로 고전계가 발생되는 그곳으로 응집되어 나무 모양으로 발전하는 트리를 생성함
  • 화학트리
    황화물이 존재하는 부위에 포설된 케이블의 경우 황화물이 PE층을 투과하여 도체인 동과 반응하여 황화동을 만들고 운전중에 이러한 분자들이 외부로 나가면서 나무모양의 트리를 만들어 감
  • 전기트리
    케이블 내 결격지점에서 부분방전에 의해 부분적으로 절연파괴가 발생하여 나뭇가지모양으로 진전되는 트리로, 궁극적으로 벤티드 트리가 되면 절연파괴에 이르게 됨

열화방지 대책

  • 도체와 절연체의 경계면을 매끄럽게 제작한다
  • 케이블의 반도전층을 균일하게 배치한다
  • 수분이 침투하지 않도록 단말처리를 철처하게 한다
  • 전계 집중을 완화하기 위해서 Voltage Stabilizer(전압안정화장치)를 첨가한다
  • 제작방법은 건식으로 하고 절연층을 균일하게 제작한다
  • 케이블 포설 시 기계적인 스트레스 및 손상에 주의한다
  • 열화진단 방법(사선진단방법, 활선진단방법)을 적절하게 사용하여 사고를 미연에 예방한다

절연열화 진단법(열화 판정방법)

1)사선 진단방법

  • 절연저항계법
    ① 메거(Mega)를 이용하여 절연저항 측정하는 방법으로 개략적인 열화진단에 사용
    ② 케이블의 이상 유·무 판단 정도를 간편하게 판별하는데 사용
    ③ 전압에 한계가 있고 정밀 진단은 미흡함
  • 직류누설전류 측정법(직류고전압 인가법)
    ① 시험전압 30[kV]를 인가하여 케이블의 절연체에 직류 고전압을 인가하여 검출된 누설전류의 크기 및 시간적인 변화를 측정
    ② 측정이 간편한 장점이 있으나, 시험전압 높아서 반복 측정하는 경우 케이블의 손상에 우려가 있는 방식
직류누설전류 측정법
항목양호보통불량비고
누설전류10이하11~5050이상직류30[kV]
인가
성극비1이상1미만
절연저항2000[MΩ]
이상
선간
불평형전류
200[%]
미만
200[%]
이상
\[성극비(성극지수)=\frac{전압 인가 후 1분 후 전류치}{전압 인가 후 10분 후 전류치}\]

열화진단법(유전 정접법(tanδ법))
  • 유전 정접법(tan δ법)
    • 전력 케이블에 대지전압에 상응하는 상용주파 교류전압을 인가하여 tanδ의 값을 측정하여 열화를 판별하는 방법으로 케이블이 흡습이나 수트리가 발생되면 tanδ가 증가하는 특성을 갖는다.
    • 유전체의 열화정도에 따라서 유전체 손실이 증가하게 된다. 이것에 대한 지표로 tanδ을 사용한다. tanδ는 충전전류(Ic)와 손실전류(Ir)의 비의 특성을 가지고 있으며, 손실비가 증가는 유전체 손실(Wd=EIr=EIc tanδ)의 증가를 의미하며 동시에 tanδ가 증가를 의미한다.
    • 일반적으로 tanδ는 온도가 상승하면 증가하는 경향이 있으며, 열화 된 절연물은 양호한 것에 비해 어느 정도 낮은 온도에서 급격히 증가하는 경향이 있다.
    • 케이블이 긴 경우 전자유도에 의한 전류의 영향으로 오차가 크게 발생되고, 케이블이 긴 경우 국부적인 열화가 발생해도 tanδ가 작게 측정되며, 장비가 대형이라는 단점을 가진다.
    • 판정기준
 양호주의불량
tanδ0.2% 미만0.2~0.5%0.5% 초과
  • 충격전압시험
    1.2×50[μs]를 표준충격전압 파형으로 사용한다. 이와 같은 표준충격전압 파형을 가지고, 파고치가 해당기기의 BIL과 같은 크기의 충격파 전압을 충전부와 대지 간에 음양 각 3회씩 인가해서 시험한다
  • 부분방전(PD: Partial Discharge) 측정법(활선)
    부분방전 전하를 PD센서를 이용하여 측정을 통하여 절연물의 열화나 보이드, 도전성 이물질의 함유와 같은 결함부분을 검출하기 위한 목적으로 사용되며, 초고압 설비의 열화진단에 광범위하게 적용하는 방법이다.
    • 초음파 센서인 AE센서를 이용한 방법
    • HFCT를 통한 누설전류 측정을 측정하여 분석하는 방법
    • UHF(Ultra High Frequency) PD 센서를 통한 패턴별 진단하는 방법으로, 최근에는 “UHF PD 센서”의 적용이 일반적인 추세이며, 특징은 아래와 같다.
      • 노이즈의 영향에 강하다.
      • 경험의 축적으로 신뢰도 향상 및 데이터 패턴화로 분석이 용이해짐
      • 비접촉식으로 초고압 응용이 가능하다.
      • 타 방식에 비해서 검출감도가 양호하다.
부분방전

2)활선 상태진단법

직류성분 측정법(활선)
  • 직류성분 측정법(활선)
    • 수트리가 발생되면 정류작용이 나타나서 미소한 직류성분이 흐른다. 직류성분 측정기는 케이블의 Shield와 접지사이에 연결하여 Low Pass Filter를 사용하여 충전전류 중에서 미소한 직류 성분(0.1[nA] 수준)만 하여 측정한다.
    • 별도의 전압원이 필요없고 측정시 충전부에 직접 접촉할 필요가 없어 간편하고, 안전하며, Sheath가 불량한 경우는 진단이 불가능하다. (6kV급 케이블 적용)
    • 판정
 양호주의불량
직류 전류10nA 미만10nA~100nA100nA 초과
직류전압 중첩법(활선)
  • 직류전압 중첩법(활선)
    • 운전 중인 케이블에 직류 50[V]를 인가하여 접지선에 흐르는 직류전류(도체와 차폐층 사이에 흐르는 전류)를 측정하여 절연저항을 계산하여 열화여부를 판별하는 방식(22.9kV급 케이블에 적용)
    • 판정
 양호주의중주의교체대상
절연 저항1,000 MΩ 이상100MΩ 이상10MΩ 이상10MΩ 미만

  • 영상전류에 의한 방법
    열화 시 흐르는 영상분을 영상변류기 또는 접지변압기를 통해 검출하는 방식
  • 활선 tanθ 법
    고압 측 분압기에서 전압원 검출, CT에서 케이블접지선 전류를 검출하여 위상차로 tanθ 측정
  • 열화상 진단법
    케이블의 접속함의 온도를 주기적(6개월 정도)으로 점검하여 국부적으로 온도차이(2℃)가 발생한 경우에 점검대상으로 삼는다.
열화진단법(등온완화전류법)
  • 등온완화전류법
    • 절연물 특성에 따라서 특정에너지 수준에서 전하의 흐름이 트랩(Trap)되는 원리를 적용한 것으로 트랩 에너지의 수준에 따라서 방전되는 시간이 다르며, 이를 열화계수(Aging Factor)로 나타내어 열화를 판정
    • 시험 케이블에 DC 1kV를 약 30분 정도 인가한 다음 5초간 케이블의 정전용량 성분을 방전시켜 제거한 후 미소전류(완화전류)의 특성을 분석하여 전력케이블의 열화여부를 진단 판정
    • 한전에서는 KDA-1 장비를 이용하여 측정하고 있다.
    • 측정전압이 1[kV]로 낮아 케이블의 절연열화의 유발 가능성이 없는 장점이 있지만, 장시간 측정시간(3상 측정시 약 3시간소요), 전구간의 절연열화 판정하는 것으로 국부적인 열화 검출이 어려운 단점을 가진다.
    • 판정기준
 양호주의불량
Aging Factor1.85미만1.85~2.32.3초과
  • 교류전압 중첩법(활선)
    케이블의 차폐층에 상용주파수의 “2배+1Hz(121Hz)의 교류를 인가하여 1Hz의 열화신호를 검출하여 열화를 판정하는 방식이다. 수트리 열화된 부분에서 (상용주파수+1Hz)을 중첩시킬 때 열화신호가 큰 특성을 이용한 것이다.(6kV급 케이블 적용)

결론

1)열화 발생 시 특성치 변화

  • 직류누설의 변화
  • 유전완화의 변화
  • 부분방전 발생

2)위의 특성치 변화를 이용하여 검출 분석하여 열화를 진단한다.

사용기기의 선정
사용기기의 선정L(전선)

동심중성선 케이블
초전도 케이블
케이블의 절연과 열화
수트리
케이블의 단절연
케이블 손실
케이블의 시험에 대표적으로 적용되는 항목8가지


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