목차(케이블의 절연과 열화)
케이블의 절연과 열화
1️⃣케이블 열화 요인과 원인
1)열화요인과 메커니즘
- 전기적 요인
- 상시의 운전전압 외에 사고 시의 지속성 과전압 개폐서지 뇌서지 전압등의 이상전압이 있다. 이들 이상전압이 열화의 동기를 제공
- 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
- 생물적요인
- 동물에 의한 시스가 손상을 받아 그곳으로 수분이 침입하여 열화
- 화학적인 요인
- 단말 혹은 접속부 등의 시공 불량에 의하여 공극이 발생하여 오존과 수분이 침입하여 열화
- 케이블 토양중에 함유된 수분및 화학물질의 침투
2)열화의 형태
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 유도
- 아크열화
- 개폐기 및 차단기의 개폐 시 아크 방전에 의해서 절연물의 도전성 탄화로의 형성
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
2️⃣케이블 열화방지 대책
- 도체와 절연체의 경계면을 매끄럽게 제작
- 케이블의 반도전층을 균일하게 배치
- 수분이 침투하지 않도록 완벽한 단말처리
- 전계 집중을 완화하기 위해서 Voltage Stabilizer(전압안정화장치)를 첨가
- 제작방법은 건식으로 하고 절연층을 균일하게 제작
- 케이블 포설 시 기계적인 스트레스 및 손상에 주의
- 열화진단 방법(사선진단방법, 활선진단방법)을 적절하게 사용하여 사고를 미연에 예방
3️⃣케이블 절연열화 진단법(사선진단)
1)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
2)절연저항 시험(MegaOhmTest)
- 메거(Mega)를 이용하여 절연저항 측정하는 방법으로 개략적인 열화진단에 사용
- 케이블의 이상 유·무 판단 정도를 간편하게 판별하는데 사용
- 전압에 한계가 있고 정밀 진단은 미흡함
3)직류누설전류 시험(직류 고전압 인가법)
- 측정이 간편한 장점이 있으나, 시험전압 높아서 반복 측정하는 경우 케이블의 손상에 우려가 있는 방식
- 다음그림과 같이 이상케이블은 ①누설전류의 절대치가크고, ②킥현상이 있으며 ③전류가 증가하는 현상이 나타난다.
- 직류 고전압 시험의 절연열화 판단기준
- 측정: 5년에1회
- 측정장비: 절연내력 시험기
- 시험전압: 30[kV]인가하여 누설전류의 크기 밒 전류의 시간적인 변화를 측정함
- 절연저항=인가전압/누설전류
- 선간 불평형률: 3상 누설전류(최대-최소)/3상 누설전류 평균치*100%
\[성극비(성극지수)=\frac{전압 인가 후 1분 후 전류치}{전압 인가 후 10분 후 전류치}\]
| 항목 | 양호 | 보통 | 불량 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 누설전류 | 10이하 | 11~50 | 50이상 | 직류30[kV]인가 |
| 성극비 | 1이상 | 1미만 | ||
| 절연저항 | 2000[MΩ]이상 | |||
| 선간불평형전류 | 200[%]미만 | 200[%]이상 |
4)유전 정접시험(tanδ법)
- tanδ
- tanδ는 충전전류(Ic)/손실전류(Ir)의 비
- 전력 케이블에 대지전압에 상응하는 상용주파 교류전압을 인가하여 tanδ의 값을 측정하여 열화를 판별하는 방법
- 케이블이 흡습이나 수트리가 발생되면 tanδ가 증가하는 특성을 갖는다.
- 시험방법
- 실험실측정: 셰링 브리지법
- 현장 측정: 역 셰링 브리지법
- 시험설비가 대형이라는 제조사에서 국한적으로 사용한다.
- 판정기준
| 양호 | 주의 | 불량 | |
|---|---|---|---|
| tanδ | 0.2% 미만 | 0.2~0.5% | 0.5% 초과 |
5)부분방전 시험(코로나시험)
(PD: Partial Discharge) (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.
4️⃣케이블 절연열화 진단법(활선진단)
1)직류 성분 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
| 양호 | 주의 | 불량 | |
|---|---|---|---|
| 직류 전류 | 10nA 미만 | 10nA~100nA | 100nA 초과 |
2)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)
- 직류전압 중첩의 목적은 수트리의 정류작용에 의한 직류 성분을 크게 검출하는것이다
- 판정
| 양호 | 주의 | 중주의 | 교체대상 | |
|---|---|---|---|---|
| 절연 저항 | 1,000 MΩ 이상 | 100MΩ 이상 | 10MΩ 이상 | 10MΩ 미만 |
3)영상전류에 의한 방법
- 열화 시 흐르는 영상분을 영상변류기 또는 접지변압기를 통해 검출하는 방식
4)활선 tanθ 법
- 고압 측 분압기에서 전압원 검출, CT에서 케이블접지선 전류를 검출하여 위상차로 tanθ 측정
5)열화상 진단법
- 케이블의 접속함의 온도를 주기적(6개월 정도)으로 점검하여 국부적으로 온도차이(2℃)가 발생한 경우에 점검대상으로 삼는다.
6)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
| 양호 | 주의 | 불량 | |
|---|---|---|---|
| Aging Factor | 1.85미만 | 1.85~2.3 | 2.3초과 |
7)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)
7️⃣결론
1)열화 발생 시 특성치 변화
- 직류누설의 변화
- 유전완화의 변화
- 부분방전 발생
2)위의 특성치 변화를 이용하여 검출 분석하여 열화를 진단
목차(케이블의 절연과 열화)
케이블의 절연과 열화
💯기출문제(케이블의 절연과 열화)
○B17 22[kV]급 및 66[kV]급 CV케이블 열화요인과 열화형태를 약술하시오
○B18 전력케이블의 열화측정(진단법)을 5가지 이상 열거하시오
절연저항법,직류누설전류측정,유전정접법,부분방전법,충격전압시험,열화상진단,직류성분측정,직류전압중첩법
●B19 가교폴리에틸렌 전력케이블과 오일 필드 케이블의 절연방식과 전기적 특성을 설명하시오
가교폴리에틸렌(XLPE) 전력케이블
절연방식:
- 가교폴리에틸렌(XLPE): 폴리에틸렌에 가교 처리를 하여 열, 수분, 화학물질에 대한 내성을 높인 절연재를 사용합니다. XLPE는 우수한 전기적 특성과 기계적 강도를 가지고 있어 중·고압 전력 케이블에 널리 사용됩니다.
- 절연 구조: 도체 위에 반도전층, XLPE 절연층, 반도전층 순으로 겹쳐져 있으며, 외피는 일반적으로 PVC 또는 할로겐 프리 재료로 구성됩니다.
전기적 특성:
- 높은 절연 내력: XLPE는 우수한 절연 내력을 가지고 있어 고전압에도 견딜 수 있습니다.
- 낮은 유전율: 낮은 유전율로 인해 전력 손실이 적고, 고주파 특성이 우수합니다.
- 낮은 유전정접: 낮은 유전정접으로 인해 발열이 적고, 장기적인 안정성이 높습니다.
장점:
- 가볍고 유연하여 설치가 용이합니다.
- 내열성, 내수성, 내약품성이 우수합니다.
- 장기적인 안정성이 높습니다.
- 가격이 저렴합니다.
단점:
- 고온 환경에서 열화될 수 있습니다.
- 외부 충격에 약할 수 있습니다.
오일 필드 케이블
절연방식:
- 오일 절연: 도체 주위에 절연유를 채워 절연을 하는 방식입니다. 절연유는 높은 절연 내력과 방열성을 가지고 있어 대용량 전력 케이블에 주로 사용됩니다.
- 절연 구조: 도체 위에 반도전층, 절연지, 금속 테이프 등을 감아 절연층을 구성하고, 외피는 강관 또는 납으로 만들어져 있습니다.
전기적 특성:
- 높은 절연 내력: 오일은 높은 절연 내력을 가지고 있어 대용량 전력 케이블에 적합합니다.
- 우수한 방열성: 오일이 열을 효과적으로 분산시켜 케이블의 온도 상승을 억제합니다.
- 자기 치유 능력: 절연 파괴가 발생하더라도 오일이 다시 채워져 절연 성능을 회복하는 자기 치유 능력이 있습니다.
장점:
- 대용량 전력 전송에 적합합니다.
- 고온 환경에서도 안정적으로 운전 가능합니다.
- 과부하 시에도 안전하게 운전 가능합니다.
단점:
- 무겁고 설치가 까다롭습니다.
- 누유의 위험이 있습니다.
- 가격이 비쌉니다.
두 케이블의 비교
| 특징 | 가교폴리에틸렌 전력케이블 | 오일 필드 케이블 |
|---|---|---|
| 절연재 | 가교폴리에틸렌 | 절연유 |
| 장점 | 가볍고 유연, 설치 용이, 저렴 | 대용량 전송, 고온 환경에서 안정적, 자기 치유 능력 |
| 단점 | 고온 열화, 외부 충격에 약함 | 무겁고 설치 까다로움, 누유 위험, 고가 |
| 주요 용도 | 중·고압 전력 케이블 | 대용량 전력 케이블, 해저 케이블 |
○AF20 전력설비에 많이 사용되는 CV케이블의 절연열화의 원인, 판정방법, 최신기술동향에 대하여 설명하시오
○AF21 배선용케이블의 열화과정에 대하여 설명하시오
○AF22 전력설비에 사용되는 케이블의 열화진단기술에 대하여 설명하시오
○AF23 전력케이블의 열화특성(Vn-T=C)을 설명하시오
●AF24 전력용 케이블의 열화진단방법에 대하여 설명하시오
- 절연저항계법, 직류누설전류측정법,유전정접법,충격전압시험법,부분방전측정법
- 직류성분측정법, 직류전압충전법, 영상전류측정, 활선탄세법, 열화상진단, 등온완화전류법, 교류전압중첩법
●AF25 전로 등의 절연내력 확인방법을 설명하고 시험방법 및 판정기준을 설명하시오
●AF26 CV케이블의 열화원인과 대책
- 전기적요인
- 열적요인
- 환경적요인
- 기계적요인
- 기타요인
대책
- 도전체와 절연체의 경계면을 매끄럽게 제작
- 케이블의 반도전층을 균일하게 배치
- 수분이 침투하지 않도록 완벽한 단말처리
- 전계 집중을 완화하기 위해서 전압안정화장치를 첨가
- 제작방법은 건식으로 하고 절연층을 균일하게 제작
- 케이블 포설시 기계적인 스트레스 및 손상에 주의
- 열화진단방법을 적절하게 사용하여 사고를 미연에 예방
●AF27 케이블의 열화원인과 대책
- 원인
- 종류및 특징
- 발생억제
●AF28 전력케이블의 열화 요인과 형태, 방지대책 및 진단방법에 대하여 각각 설명하시오
목차(케이블의 절연과 열화)
케이블의 절연과 열화
🌐V1010Z24
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