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문제 정의
- 본 논문에서는 산업 현장 및 기타 여러 설비에 사용되는 저압용 PVC (poly vinyl chloride)2코어 연심 케이블을 열적으로 정상상태, 부분적 열화상태 및 전체적 열화 상태로써 각각 다른 비율로 열화 시켜 실제 각기 다른 케이블 설치 환경 하에서의 부분적인 열열화 조건을 모의하였다. 이러한 시료 케이블 각각의 코어에 전극을 연결하여 인가전압을 일정하게 상승시키며 부분방전 특성을 실험하였다.
제안 방법
- 모든 실험 사전 데이터 셋팅이 완료된 후 컴퓨터상에서 실험데이터를 자동 저장 및 기록한다. V-Q 측정 시는 최대인가 전압 7 KV 까지 서서히 인가시키며 측정하였으며, Q-N 측정은 측정전압 7 KV 인가 후 입력 전압의 감쇄율 변화에 따른 방전계수를 측정하기 위하여 INPUT ATT= 1/1에서 시작하여 INPUT ATT= 1/1,000까지 INPUT ATT를 감쇄시키면서 값을 측정한다. 이 동작을 500 ms의 속도로 10회 반복 측정하였다.
- 케이블 가공은 케이블을 10 cm를 기준으로 100%, 200%, 300%의 비율로 변화시켜 그 실험 결과를 비교하기위해 정상 피복 부 기준 10 cm, 20 cm, 30 cm로 절단하고 전극 연결을 위해 케이블 양쪽으로 내피 1 cm와 도체 연선 1 cm로 제작하였다. 또한 전체 길이 대비열화 부분의 비율 변화를 모의하기 위하여 20 cm (비열화 10 cm+열열화 10 cm= 50% 열화), 30 cm (비열화 10 cm+열열화 20 cm= 67% 열화), 30 cm (열열화 30 cm= 100% 열화) 케이블로 시료를 각각 준비 제작하였다. 케이블의 열열화 방법은 단시간 가속열화 시키기 위하여 실험용 오븐으로 200℃에서 40분간 가열함으로써 열열화 조건을 부여하였다.
- 케이블의 열열화 방법은 단시간 가속열화 시키기 위하여 실험용 오븐으로 200℃에서 40분간 가열함으로써 열열화 조건을 부여하였다. 또한 케이블의 전체 길이에 대한 열열화 부분을 비율적으로 변화시킴으로써 케이블의 열화비율 변화조건을 모의하였다 [2,3]. 그림 1은 실험용 시료의 사진이다.
- 이에 대한 결과로써 인가전압에 따른 방전전하량 (V-Q)측정을 통해 개시전압 및 소멸전압을 확인하였으며, 방전 전하량에 따른 방전발생빈도수 (Q-N)의 변화를 측정하였다. 또한, 케이블의 열적열화 온도별 외부 절연체 표면과 내부 절연체 열화상태의 비교 및 케이블의 열적 스트레스의 노출 시간에 따른 외부 절연체 표면과 내부 절연체 열화표면상태의 비교를 위하여 SEM 촬영을 실시하였다.
- 실험 주요순서로써 우선 측정기의 상태확인 및 장치의 교정상태를 점검 후에 컴퓨터의 CD6-AU1을 실행하여 실험 명, 시료 명, 교정치 입력, 온도, 습도 등의 실험정보를 입력하여 저장한다. 본 실험에서는 시료를 연결한 뒤 NPG-2 (20pC)와 오실로스코프를 사용하여 교정치 값 1,000 pC/V을 적용하였다. 모든 실험 사전 데이터 셋팅이 완료된 후 컴퓨터상에서 실험데이터를 자동 저장 및 기록한다.
- 본 연구에서는 케이블의 길이변화 및 길이에 따른 열화 비율 조건을 변화시킨 케이블의 부분방전 V-Q 측정과 Q-N측정을 실시하였다.
- 부분 방전 측정 시 실험실온도 15℃∼18℃, 습도 40%∼55%의 환경에서 실시하였다. 실험 주요순서로써 우선 측정기의 상태확인 및 장치의 교정상태를 점검 후에 컴퓨터의 CD6-AU1을 실행하여 실험 명, 시료 명, 교정치 입력, 온도, 습도 등의 실험정보를 입력하여 저장한다. 본 실험에서는 시료를 연결한 뒤 NPG-2 (20pC)와 오실로스코프를 사용하여 교정치 값 1,000 pC/V을 적용하였다.
- 열열화 비율은 케이블의 전체 길이에 대한 열화된 부분의 비율로써 산정하였으며, 실험 결과는 아래의 그래프에서와 같이 개시전압은 3.79 kV∼3.25 kV까지, 소멸전압은 2.07 kV∼3.19 kV로 측정되었다.
- 본 논문에서는 산업 현장 및 기타 여러 설비에 사용되는 저압용 PVC (poly vinyl chloride)2코어 연심 케이블을 열적으로 정상상태, 부분적 열화상태 및 전체적 열화 상태로써 각각 다른 비율로 열화 시켜 실제 각기 다른 케이블 설치 환경 하에서의 부분적인 열열화 조건을 모의하였다. 이러한 시료 케이블 각각의 코어에 전극을 연결하여 인가전압을 일정하게 상승시키며 부분방전 특성을 실험하였다. 이에 대한 결과로써 인가전압에 따른 방전전하량 (V-Q)측정을 통해 개시전압 및 소멸전압을 확인하였으며, 방전 전하량에 따른 방전발생빈도수 (Q-N)의 변화를 측정하였다.
- 케이블의 열적열화 온도별 외부 절연체 표면과 내부 절연체 열화상태의 비교를 위하여 SEM을 통한 촬영을 실시하였다. 이를 위하여 2코어 전력용 케이블 (1.5 mm 2 cross section)을 180℃, 200℃, 220℃에서 각각 40분간 가속열화 시킨 후 SEM 촬영을 실시하였다. 촬영에 사용된 현미경 장비는 Netherlands의 FEI 社에서 제작된 Quanta 400 (FE-SEM)이다.
- 이러한 시료 케이블 각각의 코어에 전극을 연결하여 인가전압을 일정하게 상승시키며 부분방전 특성을 실험하였다. 이에 대한 결과로써 인가전압에 따른 방전전하량 (V-Q)측정을 통해 개시전압 및 소멸전압을 확인하였으며, 방전 전하량에 따른 방전발생빈도수 (Q-N)의 변화를 측정하였다. 또한, 케이블의 열적열화 온도별 외부 절연체 표면과 내부 절연체 열화상태의 비교 및 케이블의 열적 스트레스의 노출 시간에 따른 외부 절연체 표면과 내부 절연체 열화표면상태의 비교를 위하여 SEM 촬영을 실시하였다.
- 케이블의 길이 및 열화 비율에 따른 부분방전 개시 전압 및 소멸전압을 측정하기 위하여 실험용 시료인 케이블을 각각 다른 길이로 가공하였다. 케이블 가공은 케이블을 10 cm를 기준으로 100%, 200%, 300%의 비율로 변화시켜 그 실험 결과를 비교하기위해 정상 피복 부 기준 10 cm, 20 cm, 30 cm로 절단하고 전극 연결을 위해 케이블 양쪽으로 내피 1 cm와 도체 연선 1 cm로 제작하였다. 또한 전체 길이 대비열화 부분의 비율 변화를 모의하기 위하여 20 cm (비열화 10 cm+열열화 10 cm= 50% 열화), 30 cm (비열화 10 cm+열열화 20 cm= 67% 열화), 30 cm (열열화 30 cm= 100% 열화) 케이블로 시료를 각각 준비 제작하였다.
- 케이블의 길이 및 열화 비율에 따른 부분방전 개시 전압 및 소멸전압을 측정하기 위하여 실험용 시료인 케이블을 각각 다른 길이로 가공하였다. 케이블 가공은 케이블을 10 cm를 기준으로 100%, 200%, 300%의 비율로 변화시켜 그 실험 결과를 비교하기위해 정상 피복 부 기준 10 cm, 20 cm, 30 cm로 절단하고 전극 연결을 위해 케이블 양쪽으로 내피 1 cm와 도체 연선 1 cm로 제작하였다.
- 케이블의 열적열화 온도별 외부 절연체 표면과 내부 절연체 열화상태의 비교를 위하여 SEM을 통한 촬영을 실시하였다. 이를 위하여 2코어 전력용 케이블 (1.
대상 데이터
- NPG-2는 부분방전 시험 시 부분방전 측정시스템 전체 및 측정기 본체의 교정을 위한 교정전하 생성기이며 방전 파형을 100 PPS (pulses per second)반복 주파수에서 발생하고, 교정전하는 0∼2,500 pC까지 임의로 생성할 수 있다. 본 실험에서는 50 pC로 설정하였다. CD-6는 컴퓨터상에서 전환범위 설정 확인, 펄스 계수 확인, 측정값 현시 및 펄스 카운터를 내장함으로써 카운트 신호 출력을 얻을 수 있다.
- 실험 장치는 일본 NKS사 (Nihon Keisokuki Seizosho co., ltd.)의 부분 방전 측정 시스템을 사용하였다. 부분 방전 측정 시스템은 HV-30K05 가변 저항기와 변압기, 커플링 콘덴서 (BL코일), 교정전하 생성기 NPG-2, 오실로스코프, 자동화 부분방전측정기인 CD-6, 부분방전 검출 임피던스 DI-21, AC전압 측정장치 ACU-1, 그리고 데이터 기록 및 원격 자동화 측정 소프트웨어 CD-6AU 및 결과 분석 프로그램인 PDANALA가 탑재된 노트북 컴퓨터로 구성된다.
- 실험용 시료는 산업용 케이블로 널리 쓰이고 있는 Thomas사 (France)의 PVC 2코어 전력용 케이블 (2cores×1.5 mm2cross section)을 실험 시료로 사용하였다.
- 5 mm 2 cross section)을 180℃, 200℃, 220℃에서 각각 40분간 가속열화 시킨 후 SEM 촬영을 실시하였다. 촬영에 사용된 현미경 장비는 Netherlands의 FEI 社에서 제작된 Quanta 400 (FE-SEM)이다. 이에 대한 결과는 180℃에서 부터 온도가 상승 할수록 해리현상을 통해 염산가스 발생하였다.
- 5 mm2cross section)을 실험 시료로 사용하였다. 케이블의 절연재료로 사용된 PVC 분자 구조는 ―CH2-CHCl―n이다.
데이터처리
- 이 동작을 500 ms의 속도로 10회 반복 측정하였다. 실험 종료 후 컴퓨터에 저장된 결과 데이터를 PDANALA 프로그램을 통하여 확인 및 고찰하였다.
성능/효과
- Q-N 측정 결과 케이블의 길이와 열열화 비율이 증가 할수록 부분방전 전하량 (Q)이 증가하고 발생 빈도수 (N) 또한 변화가 상대적으로 심하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- SEM 촬영을 통한 케이블의 열적열화 온도별 외부 절연체 표면과 내부 절연체 열화 표면 상태를 비교한 결과 180℃에서 부터 온도가 상승할수록 염산가스 발생하면서 PVC 내·외부 피복재의 해리가 급격히 진행되었으며 220℃에서는 거의 용융되는 현상을 보였다.
- V-Q 측정 결과 비열화 케이블의 길이가 증가함에 따라 개시전압 및 소멸전압이 감소하는 패턴을 보였으며, 열열화 케이블의 경우에도 열열화 비율이 증가할수록 개시전압이 감소하였다. 하지만 소멸전압의 경우 일부 감소하는 패턴을 보이다가 다시 상승하는 패턴을 보이기도 하였다.
- 또한, 열적으로 노출된 시간이 클수록 PVC 내·외부 피복재의 해리현상 및 열분해로 인한 표면 및 재질 변화 정도가 매우 크게 나타났다.
- 비열화 케이블의 길이별 부분방전의 Q-N측정결과는 그림 6, 7, 8과 같다. 비열화 케이블의 Q-N 측정 결과, 길이가 증가함에 따라 방전 전하량과 발생빈도수 모두 증가하는 패턴을 관찰하였다. 이 또한 케이블의 길이가 증가함에 따라 절연재 속에 존재하는 보이드 및 이물질의 증가로 방전 전햐량과 발생 수가 증가한 것으로 생각된다.
- 실험결과, 그래프에서와 같이 개시전압은 4.72 kV∼3.93 kV까지, 소멸전압은 3.99 kV∼3 kV로 감소됨을 확인 확인할 수 있었다.
- 열열화 케이블의 열화 비율별 부분방전의 Q-N측정 결과는 그림 12, 13, 14와 같다. 열열화 케이블의 Q-N 측정 결과, 열화비율이 증가함에 따라 방전 전하량과 발생빈도수 모두 증가하는 패턴을 관찰하였다.
- 99 kV∼3 kV로 감소됨을 확인 확인할 수 있었다. 즉, 비열화 케이블의 V-Q 측정 결과, 길이가 증가함에 따라 개시전압과 소멸전압이 동시에 감소하는 패턴을 관찰하였다. 이는 길이가 길어짐에 따라 절연체에 존재하는 보이드 및 이물질이 증가하기 때문인 것으로 생각된다.
- 19 kV로 측정되었다. 즉, 열열화 케이블의 V-Q 측정 결과 열화 비율이 증가함에 따라 개시전압이 감소하고 반면에 소멸전압은 증가하는 패턴을 관찰할 수 있었다. 이는 열열화에 따른 절연재의 해리 현상으로 인해 보이드가 증가하였고 이로 인해 방전개시 전압이 감소하였고 상대적으로 소멸전압은 증가한 것으로 보인다.
- 특히, 비열화 케이블에 비해 열열화를 상태를 모의한 케이블이 상대적으로 개시전압이 낮게 측정되었으며, 소멸전압 또한 그 변화가 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 상기와 같은 배경에 따라 케이블의 열화 요인 중 열적 요인에 기인한 사고를 미연에 방지하기 위한 절연 진단 기술로써 부분방전 측정을 통한 열화 진단에 관한 연구의 필요성이 있다.
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