[논문]고전력 케이블의 잔여 수명 예측을 위한 부하 전류 및 온도 연구

엄기홍; 이관우

doi:10.7236/jiibc.2015.15.4.199

초록
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산업의 발전과 더불어 전력에 대한 수요량이 증가하고 있다. 이에 따라 전기의 생산 및 송전 용량이 커지고 시설이 대규모화될 뿐만이 아니라 높은 신뢰성으로써 동작할 것을 요구받고 있다. 전기의 생산 및 공급 과정에서 요구 되는 높은 신뢰성은 산업 사회의 필수적인 요소라고 할 수 있다. 설비의 사고 및 정전 사고 등은 높은 전기적 의존을 가진 고도 산업 사회에 막대한 경제적 손실 및 장애를 가져다준다. 이 논문에서 운전 중 케이블의 부하 전류와 수명과의 상관 관계에 대한 기초 연구를 제시한다. 본 연구를 위하여, 절연 저항과 부하 전류를 측정하기 위한 CT와 온도 측정 장치를 운전 중인 6.6 kV 케이블 시스템에 설치하였다. 측정 장치는 동작한지 약 20년이 경과한 케이블 시스템에 설치 운영 중이다. 대부분 케이블의 절연 저항은 한계 이상의 값을 나타내었으므로, 잔여 케이블 수명을 발견하기 어려웠으며, 부하 전류는 거의 변동이 없는 시스템이었다. 주변 온도는 $15{\sim}25^{\circ}C$로서 변동폭은 매우 적었다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the development of industry these days, the demand for electric power increases and the larger capacity for power transfer is required. The scales of facilities should become larger; and the relative systems are required to operate with a higher degree of reliability. Therefore, stabilization o...

With the development of industry these days, the demand for electric power increases and the larger capacity for power transfer is required. The scales of facilities should become larger; and the relative systems are required to operate with a higher degree of reliability. Therefore, stabilization of electric power systems is an important issue. The high degree of reliability required in the process of production and supply of electric power is an essential part of industrial society. Accident such as blackouts causes a hugh amount of economic losses to the high-tech industrial society dependent upon electric power. This paper is about the basic study of the relations between the load current and lifetime of power cables in operation. In order to do the research, we installed a current transformer and an equipment for measuring temperature at the 6.6. kV cables in operation. The two equipments have been installed on the cable systems in operation for the last 20 years. Since the insulation resistance of most of the cables showed the value larger than the threshold, it was not easy to tell the remaining lifetime of cables. The load current of the cables was almost constant. The surrunding temperature was $15{\sim}25^{\circ}C$, little variation of temperature values.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

우리는 이 논문에서 발전소에서 설치 한 후 20여 년 동안 운전하고 있는 6.6 kV 활선 케이블의 동작 특성을 나타내는 절연 저항을 데이터를 측정하고 해석하였다. 절연 저항값이 여전히 큰 값을 유지 하고 있었으므로, 동작을 신뢰할 수가 있다.
실제 측정한 절연 저항 측정 값은 기준 한계치 보다 훨씬 큰 값을 나타내었으며, 케이블이 설치된 지 약 20 년이 경과 하였으나, 잔여수명을 확인할 수 있을 정도의 측정값을 나타내지 않음을 확인할 수 있었다. 우리는 이 연구에서 케이블의 부하 전류에 의한 절연 저항의 변화의 상관 관계를 분석함으로써 케이블 시스템의 잔여 수명을 과학적으로 예측하고자 한다.

제안 방법

여러 가지 요인에 의하여 매우 복잡한 특성을 나타내는 절연 저항을 표현하기가 쉽지 않으므로 열화 판단을 위한 하나의 참고 자료로서만 사용되었다. 값이 작은 절연 저항은 쉽게 측정할 수 있으나, 고압 전원에 의한 절연 저항은 측정하기가 매우 어렵다는 이유로 지금까지 측정 실시된 적이 없었으나, 저자들은 이 값을 분석하여 데이터로 작성하였다. 운전 중인 고전압 케이블 시스템에서 얻어 낸 절연 저항 데이터는 매우 불규칙하므로 이 데이터의 의한 절연 저항 특성을 쉽게 파악할 수가 없었다.

대상 데이터

부하 전류가 흐르는 케이블 시스템에서는 열이 발생하여 열화 촉진의 주요 원인이 되고 있으나, 부하 전류에 의한 열화 현상이 케이블의 수명에 어떤 영향을 미치는 지를 확인할 수 있는 방법은 현재로서 없는 실정이다. 우리가 연구한 케이블은 기중 포설되어 있으며 허용전류 555(A)를 갖고 있는 케이블이다. 실제 케이블에 흐르고 있는 전류는 40(A) 정도이다.

성능/효과

그림 2는 설치 후 200일 동안 동작하고 있는 케이블의 절연 저항이 변화하는 형태를 보여준다. 설치 후 20년 지난 활선 케이블의 절연 저항은 상한치인 30 Gohm을 초과하여, 6개월 경과한 후 100 Gohm으로 상향 조절하였다. 기간 1년 동안의 데이터를 측정한 결과, 케이블 시스템의 잔여 수명은 상한 한계치 이상으로 남아 있었다.
그러므로 케이블 시스템의 잔여 수명은 측정할 수 있는 한계값 보다 작은 값을 나타내어서는 안된다. 실제 측정한 절연 저항 측정 값은 기준 한계치 보다 훨씬 큰 값을 나타내었으며, 케이블이 설치된 지 약 20 년이 경과 하였으나, 잔여수명을 확인할 수 있을 정도의 측정값을 나타내지 않음을 확인할 수 있었다. 우리는 이 연구에서 케이블의 부하 전류에 의한 절연 저항의 변화의 상관 관계를 분석함으로써 케이블 시스템의 잔여 수명을 과학적으로 예측하고자 한다.

후속연구

절연 저항값이 여전히 큰 값을 유지 하고 있었으므로, 동작을 신뢰할 수가 있다. 이 결과를 해석하면 향후 6.6 kV 활선 케이블의 잔여 수명을 평가하는데 에 크게 기여할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면 절연 저항은 무엇인가?	절연 저항은 전력 케이블의 절연에 의한 열화 현상을 판단하기 위하여 사용하는 물리량이기 때문에, 값이 감소하면 누전이나 화재 등의 위험 상황이 발생할 수 있다. 절연체의 표면을 따라서 흐르는 전류를 표면 절연 저항(surface insulation resistance), 내부를 흐르는 전류를 체적 절연 저항 (volume insulation resistance)이라고 한다. 절연 상태가 유지되고 있다고 하더라도, 고전압이 인가 되거나 사용되는 절연 물질에 의한 불규칙적인 특성을 나타낼 경우 케이블의 절연 저항 또한 주변 환경의 영향을 많이 받아서 불규칙적으로 변화하게 된다[6].
	발전소에서 고전력 케이블이 사용되는 이유는 무엇인가?	발전소에서 전기 에너지를 생산 및 전달을 함에 있어서 기존 시설의 동작 및 운영의 효율성을 높여야 하고, 전력 전송을 하기 위하여 사용하는 고전력 케이블은 전력 사고를 사전에 방지하기 위하여 신뢰성 있게 동작을 하여야 한다. 가교 폴리에틸렌 (XLPE) 절연 케이블은 전기적으로 우수한 절연 내력 및 절연 특성을 갖는다는 등의 여러 가지 장점이 있어서 전력 케이블로서 거의 유일하게 사용되고 있다[2].
	각 전기기기의 절연 저항에 대한 기준은 무엇인가?	(1) 변압기류 : 100 MΩ 이상 (2) Condenser 류 : 1,000 MΩ 이상 (3) Cable 류 : 150 MΩ 이상 (4) 회전기류 : 정격전압. 정격출력 KW 또는 KVA+1,000 MΩ 이상

참고문헌 (10)

J. S. Lee, "Design and Structural Analysis of Electric Saver Box," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 13, No. 6 pp. 2435-2440, 2012.

원문보기 상세보기
K. W. Lee, Um, K. J. Lee, "A Study on the Deterioration Process of 22kV High-voltage Cables and Evaluating the Remaining Life of Cables in Operation", Fall Conference ,KIEE, 2012.
A. O. Desjarlais, "Which Kind Of Insulation Is Best?". Oak Ridge National Laboratory, May 5, 2013.
S. B. Choi, Industrial safety great dictionary, Gold. 2004. May, 2004.
K. S. Kim, "Diagnosis of Insulation Resistance in Stand-by Motor by Moisture", MS Dissertation in Electronics and Electrical; engineering, Graduate School of Industrial Enngineering, Pusan National University Feb., 2013. 2
F. J. Wyant, S. P. Nowlen, "Cable Insulation Resistance Measurements Made During Cable Fire Tests" Sandia National Laboratories, June 2002.
K. H. Um, K. W. Lee, "A Study on Cable Lifetime Evaluation Based on Characteristic Analysis of Insulation Resistance by Acceleration Factor of the Arrhenius Equation", Journal of the The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, vol.14, no. 5, pp. 231-236, Oct., 2014.

원문보기 상세보기
K. W. Lee, B. K. Kim. Y. S. Mok, K. H. Um, K. J. Lee, D. H. Park, "A Study on the Deterioration Process of 22kV High-voltage Cables and Evaluating the Remaining Life of Cables in Operation", Fall Conference, KIEE, 2012.
H. S. Shin, Y. S. Kim, H. J. Jeong, S. K. Ahn, "Calculating Method of Current Carrying Capacity of Power Cabled Based on the Series of KS C IEC60364", pp. 427-437, Nov. 2005, The Proceedings of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
K. W. Lee, K. H. Um, D. H. Park,. "Test Operation of Equipment for Evaluating the Relationship Between Load Current and Lifetime of 6.6kV Cable in Operation." 2014 Summer Conference, KIEE, Yongpyung, Korea.

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