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문제 정의
- 본 논문에서는 진단장치 성능 평가를 위해 현장에서 수트리 열화된 케이블 선로를 선정하고 케이블의 절연성능 회복을 위해 실리콘 주입 기술을 적용한 후 운전시간에 따른 케이블의 성능변화를 완화 전류 측정장치를 통해 확인하기로 하였다. 실리콘 주입 기술은 수트리 열화된 케이블의 절연성능 회복을 위해 사용되는 방법으로서 실리콘액이 절연층으로 확산되면서 수트리와 반응하여 수트리 내의 수분을 고분자 물질로 변환시켜 케이블이 절연성능이 향상시키는 기술이다[5]
- 본 연구에서는 국내에서 사용 중인 완화 전류 측정 장치의 신뢰성 평가를 위해 실선로에서 노후 케이블을 선정하여 진단 결과와 절연파괴 전압 및 특성 분석 결과 사이의 상관성을 분석함으로써 최적 유지보수 기준을 수립하고자 한다.
제안 방법
- 이 가운데 ① 구간은 실리콘 주입 이전에 각 상별 케이블의 초기 상태 평가를 위해 현장 진단 후 발취하여 교류절연 파괴시험 및 절연제 분석을 실시하였다. 각 상별 케이블의 초기 상태를 평가한 후 나머지 구간(②+③ +④)중 A상과 B상은 실리콘 주입을 시행하였고 C상은 초기 상태 그대로 운전을 재개하였다. 실리콘 주입 후 6개월 경과한 시점에서 2구간에 대한 현장 진단 및 절연파괴 시험을 실시하고 1년 경과된 시점에서 3구간 시험을 시행하였다.
- 수조에 보관하였다. 또 현장 진단 후 절연 파괴시험 및 분석을 위해 철거한 구간에는 새 케이블을 포설하여 운전을 계속하였다.
- 우선 도체 및 중성선의 부식 정도를 관찰하였으며, 제조 결함 유무의 확인을 위해 계면 불규칙 관찰 및 hot oil test, 가교도 분석을 실시하였다. 또한 수트리 및 화학 구조 결함을 분석하여 열화 정도를 파악하였다.
- 시험대상 케이블의 초기 상태를 평가하기 위해 ①구간 케이블에 대해 교류 절연 파괴 시험과 절연체 특성 분석을 실시하였다. 우선 도체 및 중성선의 부식 정도를 관찰하였으며, 제조 결함 유무의 확인을 위해 계면 불규칙 관찰 및 hot oil test, 가교도 분석을 실시하였다.
- 각 상별 케이블의 초기 상태를 평가한 후 나머지 구간(②+③ +④)중 A상과 B상은 실리콘 주입을 시행하였고 C상은 초기 상태 그대로 운전을 재개하였다. 실리콘 주입 후 6개월 경과한 시점에서 2구간에 대한 현장 진단 및 절연파괴 시험을 실시하고 1년 경과된 시점에서 3구간 시험을 시행하였다. 시험 후 철거된 구간에는 새 케이블을 설치하여 계속 운전하였다.
- 실제로는 이보다 더 낮은 절연파괴 전압을 불량의 기준으로 정해도 문제가 없을 것으로 생각되지만 현재까지 확보된 데이터가 제한적이므로 불량 기준을 과도하게 낮게 산정하는 것은 불시정전의 가능성을 높이는 결과를 초래할 수 있어 우선 160 kV를 불량 기준으로 정하였다. 이 기준은 향후 많은 현장 데이터가 확보되는 대로 보완될 것이다.
- 완화전류 측정장치는 진단 후 Aging Factor와 함께 케이블의 잔여 파괴 전압을 함께 제시한다. 그러므로 진단 장치에서 제시하는 파괴 전압과 실제 케이블의 절연 파괴 전압을 직접 비교하여 적합성 여부를 검토할 필요가 있다.
- 우선 도체 및 중성선의 부식 정도를 관찰하였으며, 제조 결함 유무의 확인을 위해 계면 불규칙 관찰 및 hot oil test, 가교도 분석을 실시하였다. 또한 수트리 및 화학 구조 결함을 분석하여 열화 정도를 파악하였다.
- 단위로 구분되었다. 이 가운데 ① 구간은 실리콘 주입 이전에 각 상별 케이블의 초기 상태 평가를 위해 현장 진단 후 발취하여 교류절연 파괴시험 및 절연제 분석을 실시하였다. 각 상별 케이블의 초기 상태를 평가한 후 나머지 구간(②+③ +④)중 A상과 B상은 실리콘 주입을 시행하였고 C상은 초기 상태 그대로 운전을 재개하였다.
- 이 중 3차 진단의 3구간 측정의 경우에는 접속재를 절단하고 양단에 종단접속재를 설치한 후 측정한 결과로써, 접속재 시공 상태에 의한 영향이 반영되었을 가능성이 있어 실험실에서 종단 접속재를 절단하고 케이블 상태에서만 재진단을 실시하였다. 그 결과 현장 측정과는 다른 결과를 나타냄으로서 현장 적용에서 노이즈, 접지 상태, 단말 등의 환경 영향이 진단결과에 영향을 크게 미침을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 현재까지의 시험 중 진단장치로부터 Aging Factors와 잔여 파괴 전압을 구한 데이터는 6개이다. 이 결과 중 실제 케이블 상태와 상반되는 결과를 나타낸 3차 측정시의 3구간 B상 케이블에 대한 결과를 제외한 후 진단장치에서 제시한 잔여 전압과 실제 케이블의 잔여 전압의 상관 관계를 보면 그림 10과같다.
성능/효과
- 1차 시험 후 케이블 실리콘 처리된 A, B 상은 6개월 후 실시한 2차 진단에서 성능이 향상된 것으로 측정되었으며, 그 후 다시 6개월 뒤에 실시된 3차 진단에서는 측정 결과에 큰 변화가 나타나지 않았다. 한편 실리콘 처리를 시행하지 않은 C상은 최초 상태와 유사한 측정 결과를 보여줌으로서 진단 장치가 케이블의 절연 상태 변화를 어느 정도 반영하는 것으로 나타났다.
- 이 중 3차 진단의 3구간 측정의 경우에는 접속재를 절단하고 양단에 종단접속재를 설치한 후 측정한 결과로써, 접속재 시공 상태에 의한 영향이 반영되었을 가능성이 있어 실험실에서 종단 접속재를 절단하고 케이블 상태에서만 재진단을 실시하였다. 그 결과 현장 측정과는 다른 결과를 나타냄으로서 현장 적용에서 노이즈, 접지 상태, 단말 등의 환경 영향이 진단결과에 영향을 크게 미침을 알 수 있었다.
- 그리고 교체 기준을 2.3으로 현재까지 운용한 결과 불량률이 과다한 것으로 보고되고 있으며, 본 연구에서도 Aging Factor 2.3을 가지는 케이블의 실제 절연파괴 전압은 200 kV 이상을 나타내고 있어 조정을 필요한 것으로 판단된다.
- 그러므로 진단 장치에서 제시하는 파괴 전압과 실제 케이블의 절연 파괴 전압을 직접 비교하여 적합성 여부를 검토할 필요가 있다. 또한 Aging Factor가 실제 케이블 상태와 잘 일치하는가를 확인하였다. 이 진단 장치는 케이블의 전체적인 상태를 측정하는 장치이므로 진단 결과와 케이블의 절연파괴 전압을 직접 비교하기는 어렵다.
- 중성선에는 부식 현상이 나타나지 않았다. 또한 계면 불규칙 관찰에서 내부 반도 전층에 약간의 굴곡이 존재하였으나 기준치 이하인 것으로 나타났으며, hot oil test에서 보이드와 같은 결함은 발견되지 않았다. 또한 그림 6의 가교도 분석 결과처럼 외부 반도 전층 근처에서 가교도가 다소 감소하지만 문제는 없는 것으로 나타났다.
- 시험용 변압기의 용량 문제로 인해 1년 경과한 A, B 상 케이블은 240kV 이상 전압을 인가하지 못하였으며 대부분의 케이블이 파괴되지 않았다. 열화 진단 결과를 살펴보면 실험실 측정값은 실제 케이블의 상태를 잘 반영하고 현장 측정에서는 주위 환경에 따라 민감하게 반응하여 오진단하거나 재현성이 떨어지는 경우가 있는 것으로 나타났다.
- 6 정도가 된다. 이 결과로부터 현재 사용 중인 불량판정 기준을 변경한다면 Aging Factor로는 2.6 정도가 적합하고 잔여 파괴 전압으로는 약 8Uo 정도가 합당할 것으로 생각된다. 그러므로 현장에서 케이블을 진단할 때 Aging Factor와 절연파괴 전압이 동시에 제시되는데 이 두 값을 동시에 만족하는 경우에만 교체를 고려하는 것이 합당할 것이다.
- 이를 위해 본 연구에서 측정된 데이터만으로 분석한 결과 잔여 파괴 전압 추정치로는 약 8Uo, Aging Factor로는 2.6 정도가 불량판정 기준으로 적합한 것으로 나타났다. 이것은 160 kV 이하의 절연파괴 전압을 가지는 케이블을 불량으로 간주하여 산정한 값이다.
- 이상의 결과를 요약해보면 시험에 사용된 케이블은 장기간 사용에 의해 열화가 진행되고 있는 것으로 나타났으며, 특히 B상이 수트리 길이, 화학구조 결함 농도 및 절연 파괴 전압면에서 가장 열화된 것으로 케이블인 것으로 판단된다.
- 이상의 현장진단 시험과 절연 파괴 전압을 살펴보면 진단 장치는 케이블의 상태를 어느 정도 반영하고 있는 것으로 보이나 진단장치에서 제시하는 절연파괴 전압이 실제 절연파괴 전압과 차이가 분명히 있고, Aging Factor와 실제 케이블의 절연파괴 전압을 종합적으로 고려하면 판정기준이 가혹하게 선정되었음을 알 수 있으며 이의 조정이 필요한 것으로 나타났다.
- 초기 절연파괴 전압인 ①구간 결과는 5-6개의 시료의 파괴 전압으로부터 얻은 것이며, 나머지는 10개의 시료로부터 얻은 값을 평균한 것이다. 절연 파괴 전압으로 보면 케이블은 실리콘 주입에 의해 초기상태에서 2배 이상 절연 성능이 향상된 것으로 나타나고 있으며, 일부 오진단한 경우가 있지만 열화 진단 결과도 케이블의 상태를 반영하고 있는 것으로 나타났다. 시험용 변압기의 용량 문제로 인해 1년 경과한 A, B 상 케이블은 240kV 이상 전압을 인가하지 못하였으며 대부분의 케이블이 파괴되지 않았다.
- 변화가 나타나지 않았다. 한편 실리콘 처리를 시행하지 않은 C상은 최초 상태와 유사한 측정 결과를 보여줌으로서 진단 장치가 케이블의 절연 상태 변화를 어느 정도 반영하는 것으로 나타났다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 인접 선로와 공통 접지된 선로의 진단을 위해 접지를 분리해야 하므로 실제 진단에 소요되는 시간 외에도 추가적인 시간이 요구되는 문제가 있으며, 진단 후 분리된 접지를 다시 접속해야 하는 문제가 있다.
- 현재까지의 결과를 종합하면 진단장치는 일부 판정오류가 있으나 케이블의 절연 상태를 어느정도 반영하는 것으로 평가되었다. 이 장치를 현장적용 할 경우 고려해야할 사항은 측정 시의 노이즈로 인한 영향을 어떻게 줄이는가 하는 것과 국내에 적합하도록 판정기준을 정립하는 것이다.
후속연구
- 그러므로 현장에서 케이블을 진단할 때 Aging Factor와 절연파괴 전압이 동시에 제시되는데 이 두 값을 동시에 만족하는 경우에만 교체를 고려하는 것이 합당할 것이다. 그러나 현재까지 확보된 절연 파괴 시험 결과가 많지 않기 때문에 향후 더 많은 시험 결과를 축적하여 이를 수정 보완할 필요가 있다.
- 160 kV를 불량 기준으로 정하였다. 이 기준은 향후 많은 현장 데이터가 확보되는 대로 보완될 것이다. 그림 10과 같이 실제 160 kV(약 12Uo)의 절연파괴 전압을 가지는 케이블에 대한 잔여전압 추정치를 보면 대략 7.
- 그리고 현재까지의 측정결과 중 낮은 Aging Factor에서 낮은 잔여 전압을 제시하는 경우가 있었다. 이는 Aging Factor와 잔여전압이 반드시 비례 관계를 나타내지 않는 것을 의미하므로 진단시에 이 두 결과를 적절히 종합하여 판정할 필요가 있을 것으로 보인다.
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