[논문]HVDC 해저케이블 TDR 시험을 통한 전파속도 검증

정채균; 박준우; 문경희; 양병모; 강지원

문제 정의

따라서 본 논문에서는 장거리 해저케 이블의 신속하고 정확한 온라인 고장점 탐지를 위해 SWT(Stationary Wavelet Transform)-®- 이용한 고장신호 필터를 거쳐 출력되는 신호를 이용해 고장점을 탐지할 수 있는 기법을 제시하고자 한다. 본 논문에서 제시되는 고장점 탐지 알고리즘은 고장 발생 시 케이블 양단에서 멀티스케일 웨이브렛 계수의 상호관계를 이용해 진행파를 포함한 과도신호가 양단 모선에서 반사되는 시점의 Time Delay를 이용해 고장점을 탐지하는 기법으로 TDR 시험법과 마찬가지로 정확한 전파속도의 적용은 고장점까지의 계산 오차를 줄이기 위해 필수적이다.
따라서 본 논문에서는 케이블의 반도전층을 고려한 Simplified approach# 통해 TDR 실증시험을 통해 실측한 전파속도를 검증하는 과정을 거쳤다. 먼저 CUMI 800 mm 의 일반적인 절연체 커패시턴스는 식 (2)와 계산되어 0.
본 논문에서는 제주-해남간 HVDC 해저 케이블 #1 Pole 의 실계통을 대상으로 TDR 실증시험을 통해 전파속도를 측정하였으며, 이론 값 및 제조사에 제공한 전파속도와의 상호비교와 이론적 검증 과정을 거쳐 이를 장거리 해저케이블에서 신속하고 정확한 온라인 고장점 탐지를 위해 제안된. 고장점 추정 알고리즘에 적용하여 전파속도를 검증하였다.

가설 설정

알고리즘에 적용하였다. 고장점 탐지 알고리즘 테스트는 EMTP/ATP 모델링 결과를 바탕으로 하였으며, 고장은 각각 전원단으로부터 4 km, 20 km, 40 km, 60 km, 80 km, 100 km 지점에서 도체-시스간에 지락고장이 발생하는 것으로 가정하였다. 여기서 고장신호의 샘플링 주파수는 1 MHz 이다.

제안 방법

그러나 그림 5에서처럼 제조사가 제공한 전파속도와 TDR 실증시험을 통한 전파속도, 이론 값이 서로 상이한 값을 보여 실제 제주~해남간 HVDC 해저케이블에서 고장발생시 전파속도 값 적용에 있어 많은 혼선이 발생할 것으로 우려된다. 따라서 본 논문에서는 케이블의 반도전층이 유전율에 미치는 영향을 검토한 CIGRE WG 21-05의 Prject Memo "The effect of lossy insulation (paper-oil) and semiconductive layers on wave propagation in cables"[5]의 연구결과를 이용해 실측값과 이론값의 오차 원인을 분석하였다.
그러나 제주~해남간 해저케이블의 전파속도는 제조사에서 제시한 전파속도와 기존 사고 발생시 측정한 값이 서로 상이하여 실제 고장발생시 적절한 전파속도 값 적용 하는데 많은 혼선이 우려되고 있는 상황이다. 따라서 본 논문에서는 해저케이블의 정기 예방진단 기간을 이용해 Cable test van(Teleflex MX) 장비를 이용해 제주~해남간 #1 Pole의실계통을 대상으로 TDR 시험을 수행하였으며, 기존의 전파속도와 비교 및 이론적 검증과정, 온라인 고장점추정 기법의 적용을 통해 적정 전파속도 값을 선정하였다.
03의 오차에 불과해 실증시험에 의해 실측된 전파속도와 유전율은 CIGRE Simplified approach에 의한 이론값과 거의 일치하였다. 따라서 본 논문에서는고장점 추정 알고리즘 검증을 위해 실측값인 137.2 m/ μs의 전파속도를 적용하였다.
본 논문에서는 #1 Pole을 대상으로 TDR 실증시험을 실시하였으며, 실증시험 결과를 바탕으로 정확한 전파속도를 측정하고 이를 검증하는 과정을 거쳐 장거리 해저케이블에서 신속하고 정확한 온라인 고장점 탐지를 위해 제안된 고장 점 탐지 알고리즘에 적용하였다. 고장점 탐지 알고리즘 테스트는 EMTP/ATP 모델링 결과를 바탕으로 하였으며, 고장은 각각 전원단으로부터 4 km, 20 km, 40 km, 60 km, 80 km, 100 km 지점에서 도체-시스간에 지락고장이 발생하는 것으로 가정하였다.
본 논문에서는 고장 발생시 나타나는 과도신호에 대한 Multi-scale 웨이브렛 분석을 통해 검출된 신호의 상호관계 (correlation)를 이용해 노이즈를 제거하는 고장신호 필터를 제시하였다. 고장신호 필터는 Multi-scale Correlation을 이용한 기법으로 첫 번째와 두 번째 스케일에서의 Detail 성분은 그림 8에서처럼 직접 곱하여 'C=Dp<D2'를 생성하고, 다음으로 C_new의 Correlation 방정식을 얻는다.
본 논문에서는 그림 2와 같은 Cable Test Van(Teleflex MX)을 이용해 제주~해남간 #1 Pole 해저케이블에서 TDR 실증시험을 실시하였다.
실증시험은 해남 변환소에서 실시하였으며 그림 3의 TDR 시험 회로도에서처럼 제주 변환소 말단을 각각 개방하고 접지한 상태에서 전파속도를 측정하였다.
이처럼 국내에서 기존에 적용하고 있는 모든 고장점 추정 방법은 대부분 오프라인에서 적용하는 방식이나, 본 논문에서는 웨이브렛 기법을 적용한 고장신호 필테6-기와 그림 7 의 Bewely lattice diagram으로 도식화된 진행파 특성에서처럼 양단에서 측정된 첫 번째 신호 도달시간의 지연시간을 이용해 고장거리를 환산하게 된다.

이론/모형

고장신호 필터는 Multi-scale Correlation을 이용한 기법으로 첫 번째와 두 번째 스케일에서의 Detail 성분은 그림 8에서처럼 직접 곱하여 'C=Dp<D2'를 생성하고, 다음으로 C_new의 Correlation 방정식을 얻는다.
제안된. 고장점 추정 알고리즘에 적용하여 전파속도를 검증하였다. 본 논문의 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

성능/효과

1) TDR 실증시험결과 제주-해남간 해저케이블의 전파속도는 137.2 m/us로 측정되어 해저케이블 절연체인 MI paper에 대한 유전율 43을 적용한 144.67 m//zs와는 5.44 %의 오차를 보였고, 제조사에 제공한 141 m/μs와는 2.77 %의 오차를 보여 서로 상이한 특성을 보였다. 2) 전파속도가 감소할수록 해저 케이블 고장점까지의 계산거리는 증가하며, 전파속도가 증가하면 고장 점까지의 계산 거리가 감소하는 등 진행파를 이용한 고장점 탐지 방법에서 전파속도는 정확한 고장점 탐지를 위해 매우 중요한 요소로 작용한다.
77 %의 오차를 보여 서로 상이한 특성을 보였다. 2) 전파속도가 감소할수록 해저 케이블 고장점까지의 계산거리는 증가하며, 전파속도가 증가하면 고장 점까지의 계산 거리가 감소하는 등 진행파를 이용한 고장점 탐지 방법에서 전파속도는 정확한 고장점 탐지를 위해 매우 중요한 요소로 작용한다.
3) 케이블의 내부 반도전층과 외부 반도전층의 특성을 고려 한 CIGRE Simplified approach에 의해 해 저 케 이 블유전율은 4.81 로 계산되었으며, 이를 전파속도로 환산하면 136.79 m/μs가 되어 실측값 대비 0.41 m/“s에 불과 했으며, 실측된 전파속도를 유전율로 환산하면 478 로 CIGRE Simplified approach에 의해 계산된 결과와 비교해 0.03의 오차에 불과해 실증시험에 의해 실측된 전파속도와 유전율은 CIGRE Simplified approach에 의한 이론값과 거의 일치하였다. 따라서 본 논문에서는고장점 추정 알고리즘 검증을 위해 실측값인 137.
4) 본 논문에서는 HVDC 해저 케이블 고장점 추정 알고리즘을 위해 고장 발생시 나타나는 과도신호에 대한 Multi-scale 웨이브렛 분석을 통해 검출된 신호의 상호관계를 이용한 노이즈 제거용 고장신호 필터를 제시하였으며, 고장신호 필터를 통해 양단 모선의 첫 번째 도달 신호인 TApi과 TBpi도달 시간이 명확히 검출된다.
5) TDR 실증시험을 통해 측정한 전파속도와 이론값, 제조사에서 제공한 전파속도를 적용한 제주~해남간 HVDC 해저 케이블에서 고장위치 별 고장점 추정을 실시한 결과 CIGRE Simplified approach에 의해 검증된 TDR 실측에 의한 전파속도를 적용한 고장점 추정 결과는 오차거리가 0.004 km ~ 0.14 km로 매우 정확하게 계산되는 반면, 이론값과 제조사가 제공한 전파속도를 적용할 경우에는 각각 최대오차가 2.7986 km와 1.469 km로 오차거리가 커지는 것을 알 수 있다. 따라서 향후 제주~해남간 해저 케이블 구간에서 고장 발생 시 정확한 고장점 추정을 위해 본 논문을 통해 검증된 137.
6) 본 논문에서 제시한 알고리즘은 고장이 발생하는 즉시고 장신 호를 탐지하여 고장점을 탐지하는 온라인 기법으로 고장복구 시간을 최소화 할 수 있으며, 신호 검출이 유리하고, 고장신호에 포함된 노이지 성분은 고장 신호 필터에 의해 효과적으로 제거 되므로 정확도 측면에서 기존의 TDR보다 훨씬 유리하다.
20 km 지점이다. 그림에서 처럼 전파속도가 137 m/0s에서 오차율 0.09 %로 정확한 고장점이 계산 되었으나, 전파속도가 120 m/μs 일 경우 계산거리는 23.91 km로오차율 3.91 %를 보여 전파속도가 감소할수록 계산 거리가 증가하면서 오차율도 상승하는 경향을 보이고 있으며, 전파속도가 150 m/μs로 증가할 경우도 계산 거리가 17.175 km 로 오차율 2.825 %를 보여 전파속도가 증가할수록 계산 거리가 감소하면서 오차율 또한 상승한다. 이 처럼 진행파를 이용한 고장점 탐지 방법에서 정확한 고장점 탐지를 위해서는 선로의 전파속도가 중요한 요소로 작용을 하게된다.
2 m/μs 전파속도를 본 논문에서 제시한 HVDC 해저 케이블 고장점 추정 기법에 적용한 결과에서 검증되었다. 또한 본 논문에서 제시한 알고리즘은 기존의 TDR처럼 고장발생 후선로에 펄스를 주입하여 고장점을 탐지하는 방법이 아니라고 장이 발생하는 즉시 고장신호를 탐지하여 고장점을 탐지하는 온라인 기법으로 고장복구 시간을 최소화 할 수 있으며, 인공 펄스에 비해 신호의 크기가 커 신호 검출이 유리하고, 고장신호에 포함된 노이지 성분은 고장신호 필터에 의해 효과적으로 제거 되므로 정확도 측면에서 기존의 TDR보다 훨씬 유리하다.
41 m/μs의 오차에 불과했다. 또한 실측된 전파속도를 유전율로 환산하면 4.78 로 CIGRE 에서 제시된 Simplified approach에 의해 계산된 식 (3)의 결과와 비교해 0.03의 오차에 불과해 실증시험에 의해 실측된 전파속도와 유전율은 Simplified approach에 의한 이론값과 거의 일치하는 것으로 판단할 수 있으며, 이 결과를 바탕으로 본 논문에서는 고장점 추정 알고리즘 검증을 위해 실측값인 137.2 m/μs 전파속도를 적용하였다.
그림 9(b)에서 검출된 양단 모선의 TAm과TB°i시간을 식 (4)의 고장거리 계산식에 적 용하면 식 (5)와 같이 고장 점까지의 거리가 계산된다. 여기서 전파속도는 TDR 실증시험을 통해 측정된 137.2 m/“s를 적용하였으며, 고장 점까지의 거리는 20.04 km로 계산되어 오차는 0.0003 %로 매우 정확하게 계산되는 것을 알 수 있다.
표에서처럼 CIGRE Simplified approach 에 의해 검증된 TDR 실측에 의한 전파속도를 적용한 고장점 주정 결과는 오차거리가 0.004 km ~ 0.14 km로 매우 정확하게 계산되는 반면, 이론값과 제조사가 제공한 전파속도를 적용할 경우에는 각각 최대오차가 2.7986 km와 1.469 km로 오차거리가 커지는 것을 알 수 있다. 장거리 케이블일 뿐 아니라 육안으로 고장지점 탐지 가 불가능한 HVDC 해저 케이블의 특성을 고려할 때 정확한 고장점 탐지는 매우 중요하며, 이를 위해 정확한 전파속도의 적용 또한 필수적이다.

후속연구

장거리 케이블일 뿐 아니라 육안으로 고장지점 탐지 가 불가능한 HVDC 해저 케이블의 특성을 고려할 때 정확한 고장점 탐지는 매우 중요하며, 이를 위해 정확한 전파속도의 적용 또한 필수적이다. 따라서 향후 제주~해남간 해저 케이블 구간에서 고장 발생 시 정확한 고장점 추정을 위해 본 논문을 통해 검증된 137.2 m/μs의 전파속도를 적용해야 될 것으로 사료된다. 이는 137.
469 km로 오차거리가 커지는 것을 알 수 있다. 따라서 향후 제주~해남간 해저 케이블 구간에서 고장 발생 시 정확한 고장점 추정을 위해 본 논문을 통해 검증된 137.2 nv0s의 전파속도를 적용해야 될 것으로 사료된다.

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