증가하는 전력 수요량을 충족시키기 위하여 송전 설비의 전기적인 용량이 커져야 한다. 고전력의 전기를 생산하고 전달하는 설비들은 대규모화될 뿐만이 아니라 높은 신뢰성으로써 동작하여야 한다. 따라서 전기설비가 안정상태에서 동작해야 한다는 것은 매우 중요한 과제이다. 고전력을 전달하기 위한 유일한 수단으로 체택되고 있는 케이블에서 전류에 의하여 줄 열이 발생하며, 열에 의하여 케이블 시스템의 열화가 발생한다. XLPE 케이블의 경우 $90^{\circ}$에서 30년 수명을 보장한다는 조건으로 제작, 설치 및 운영 되고 있으나, 실제 30 년 사용한 시점에서 수명이 종료될 것이라는 보장이 현재로서는 없는 상태이다. 이 논문에서 기존의 수명 이론을 바탕으로 활선 상태의 6.6 kV 케이블 9회선의 온도를 측정하고, 케이블의 온도와 수명의 상관관계를 파악하기 위하여 우리가 제작하여 (주)서부발전에 설치하여 운영하고 있는 장치를 소개한다.
증가하는 전력 수요량을 충족시키기 위하여 송전 설비의 전기적인 용량이 커져야 한다. 고전력의 전기를 생산하고 전달하는 설비들은 대규모화될 뿐만이 아니라 높은 신뢰성으로써 동작하여야 한다. 따라서 전기설비가 안정상태에서 동작해야 한다는 것은 매우 중요한 과제이다. 고전력을 전달하기 위한 유일한 수단으로 체택되고 있는 케이블에서 전류에 의하여 줄 열이 발생하며, 열에 의하여 케이블 시스템의 열화가 발생한다. XLPE 케이블의 경우 $90^{\circ}$에서 30년 수명을 보장한다는 조건으로 제작, 설치 및 운영 되고 있으나, 실제 30 년 사용한 시점에서 수명이 종료될 것이라는 보장이 현재로서는 없는 상태이다. 이 논문에서 기존의 수명 이론을 바탕으로 활선 상태의 6.6 kV 케이블 9회선의 온도를 측정하고, 케이블의 온도와 수명의 상관관계를 파악하기 위하여 우리가 제작하여 (주)서부발전에 설치하여 운영하고 있는 장치를 소개한다.
In order to meet increasing power demands, electrical capacity of equipment for power transfers should become larger accordingly. The equipment used for producing and delivering high-voltage power is also required to operate with a high degree of reliability. The stable operation of power equipment ...
In order to meet increasing power demands, electrical capacity of equipment for power transfers should become larger accordingly. The equipment used for producing and delivering high-voltage power is also required to operate with a high degree of reliability. The stable operation of power equipment is a necessity, not an option. The current through the power cable, the only device to deliver high power, generates a Joule heat, which causes a deteriorating process on the cable system. The XLPE cable is manufactured in such a manner that it can operate for 30 years at $90^{\circ}$, but there is no guarantee that each cable will reach its projected lifetime of 30 years. In this paper, we have measured the temperatures of nine power cables in operation, based on the theory of cable longevity. In order to study the relationship between temperature and longevity, we have devised a new set of equipment and installed it at Korea Western Power Co., Ltd. located in Taean.
In order to meet increasing power demands, electrical capacity of equipment for power transfers should become larger accordingly. The equipment used for producing and delivering high-voltage power is also required to operate with a high degree of reliability. The stable operation of power equipment is a necessity, not an option. The current through the power cable, the only device to deliver high power, generates a Joule heat, which causes a deteriorating process on the cable system. The XLPE cable is manufactured in such a manner that it can operate for 30 years at $90^{\circ}$, but there is no guarantee that each cable will reach its projected lifetime of 30 years. In this paper, we have measured the temperatures of nine power cables in operation, based on the theory of cable longevity. In order to study the relationship between temperature and longevity, we have devised a new set of equipment and installed it at Korea Western Power Co., Ltd. located in Taean.
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문제 정의
케이블 시스템의 정상적인 동작을 저해하는 현상들의 원인은 주파수 불안정성, 전압 불안정성, 발전기의 진동, 전기의 과도 현상교란에 의한 비동기 특성 등이 있다[2,3,4]. 케이블의 두 도체가 전기적 절연 상태를 유지하도록 사용되는 절연체의 상태를 파악함으로서 케이블의 열화정도를 측정, 수명을 예측하고자 한다[5].
제안 방법
2. 운전 중인 케이블의 도체온도를 직접 측정할 수가 없어서, 표면온도를 도체온도로 환산하여 계산하였다.
3. 지금까지 운전 중 도체온도가 케이블 시스템에 수명 평가에 미치는 영향을 평가한 적 없으나, 이 방법을 통하여 케이블 도체온도에 의한 평가 방법 찾았다.
도체의 온도를 측정할 경우, 전류가 흐르지 않는 광파이버를 도체 내부에 삽입하는 것이 가장 이상적이나, 광파 이버 접속, 광전력 복합케이블의 포설, 도체 접속의 기술적인 어려움 및 고비용문제로 아직까지 상용화되지는 않고 있다. 따라서, 케이블의 표면의 온도를 측정하고, 이를 도체온도로 환산하였다. 먼저 운전 중인 케이블 시스템의 표면 온도를 측정하고, 다음에 실험실에서 사이즈가 동일한 케이블의 도체에 전류를 흘려서 도체 온도를 측정한다.
따라서, 케이블의 표면의 온도를 측정하고, 이를 도체온도로 환산하였다. 먼저 운전 중인 케이블 시스템의 표면 온도를 측정하고, 다음에 실험실에서 사이즈가 동일한 케이블의 도체에 전류를 흘려서 도체 온도를 측정한다. 이 때, 표면온도를 측정하여 표면 온도가 같은 경우 도체온도를 역산하는 측정장치를 사용하고 있다.
통상의 전류센서는 이차 측이 개방되면 위험하지만, 우리가 사용한 측정센서는 Hall 방식의 전류측정 방식을 사용하기 때문에 개방되어도 문제가 없는 방식을 채택하였다. 발전소에서의 적용 가능성을 일차적으로 확인하기 위하여, 전류센서를 활선 상태에서 측정하였다. 그림 3은 부하전류 및 온도 측정 시스템을 나타낸다.
우리는 (주)서부발전(Western Power)에 설치하여 운전 중인 케이블에서 발생 중인 온도를 측정하였고, 케이블의 수명에 미치는 영향을 확인하였다.
이 때, 표면온도를 측정하여 표면 온도가 같은 경우 도체온도를 역산하는 측정장치를 사용하고 있다. 운전 중인 6.6 kV 케이블 시스템의 부하전류 및 온도측정 장치를 설치하고, 운전 중인 케이블시스템에서 얻어지는 데이터를 바탕으로 분석하였다.
이런 문제점을 해결하기 위하여, 유선망 대신 무선 통신을 이용하여 전력케이블을 감시 할 수 있도록 연구가 이루어지고 있다. 일차적으로 발전소에서 적용 가능성을 확인하기 위하여, 전류센서의 동작특성을 활선상태에서 측정 하였다.
대상 데이터
1. 6.6 kV 케이블 9회선에 대한 도체 및 절연저항 측정장치를 설치하여 데이터 획득하는 중이다.
이론/모형
온도에 의한 화학적 반응속도의 영향을 받는 시스템의 자연 수명을 계산하기 위하여 ‘아레니우스(Arrhenius) 법칙’을 이용한다.
성능/효과
(4) 물리화학적 변화; 고온 또는 산소에 노출됨으로써 절연체의 분자구조가 변하여 tanδ의 증가, 물리적 특성의 변화에 기인하며 부설환경이 나쁜 저압케이블에서 볼 수 있다.
두 직선을 연장한다면 절연저항의 임계값을 파악 파악함으로써 케이블 수명을 예측할 수 있다. 우리가 발전소에 진단 장치를 설치하여 고압케이블의 열화 특성을 분석한 바, 아레니우스 열화 이론과 일치하여 특성 변화를 나타내고 있음을 증명할 수 있었다.
시간이 경과함에 따라 절연저항의 열화 특성은 AD에서 WD로 변동하는 과정을 나타내고 있다. 즉, 절연특성의 감소현상은 정상적인 AD에서 과도상태의 열화인 WD를 따르는 것을 확인할 수 있엇으며 아레니우스 열화 이론과 일치하여 특성 변화를 나타내고 있음을 증명할 수 있었다.
후속연구
4. 향후 케이블 제조, 설치 및 운영의 원가절감효과 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
와이불 확률분포로 알 수 있는 것은 무엇인가?
와이불 확률분포(Weibull distribution, WD)는 금속 및 복합재료의 강도, 전자 및 기계 시스템의 고장률이 노후 등으로 시간에 따라 커지는 경우 수명 자료를 해석하기 위하여 가장 흔히 쓰이고 있다. 확률의 pdf와 cdf parameter에 의한 시간에 따라 WD의 특성과 일치하는 절연저항의 변화를 보여준다.
와이불 확률분포은 어디에 가장 많이 쓰이는가?
와이불 확률분포(Weibull distribution, WD)는 금속 및 복합재료의 강도, 전자 및 기계 시스템의 고장률이 노후 등으로 시간에 따라 커지는 경우 수명 자료를 해석하기 위하여 가장 흔히 쓰이고 있다. 확률의 pdf와 cdf parameter에 의한 시간에 따라 WD의 특성과 일치하는 절연저항의 변화를 보여준다.
참고문헌 (10)
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G. C. Philip,"A Generalized EOQ Model for Items with Weibull Distribution Deterioration", pp. 159-162, University Science Books. 2005.
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O. Petruk, R. Szewczyk, J. Salach, M. Nowicki, "Digitally Controlled Current Transformer with Hall Sensor", Advances in Intelligent Systems and Computing(Springer) pp.641-647, 2014.
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