전력공급의 안정성 및 신뢰도 향상을 위해 각종 전력설비의 예방진단에 관한 연구개발이 활발하다. 가스절연개폐장치와 변압기와 같은 단위 기기의 절연진단기술은 빠르게 발전하고 있으나, 전력케이블에 있어서는 단순히 결함의 유무와 부분방전을 측정할 뿐, 세부적 특성에 대해서는 거의 연구되고 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 XLPE 케이블에서 보이드의 크기와 위치에 따른 부분방전 특성과 결함의 위치추정에 관한 연구를 수행하였다. 보이드의 크기 및 위치에 따른 4종의 결함계를 모의하였으며, 부분방전펄스는 주파수 대역 150kHz~30MHz의 고주파변류기로 검출하였다. 실험결과, 도체에 인접한 결함일수록 방전전하량이 크고, 정극성에 비해 부극성의 방전펄스 수가 약 20% 많게 나타났다. 또한 TDR 방법으로 결함위치를 산출하였으며, 50m 케이블에서 1m 이내로 결함의 위치를 추정할 수 있었다.
전력공급의 안정성 및 신뢰도 향상을 위해 각종 전력설비의 예방진단에 관한 연구개발이 활발하다. 가스절연개폐장치와 변압기와 같은 단위 기기의 절연진단기술은 빠르게 발전하고 있으나, 전력케이블에 있어서는 단순히 결함의 유무와 부분방전을 측정할 뿐, 세부적 특성에 대해서는 거의 연구되고 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 XLPE 케이블에서 보이드의 크기와 위치에 따른 부분방전 특성과 결함의 위치추정에 관한 연구를 수행하였다. 보이드의 크기 및 위치에 따른 4종의 결함계를 모의하였으며, 부분방전펄스는 주파수 대역 150kHz~30MHz의 고주파변류기로 검출하였다. 실험결과, 도체에 인접한 결함일수록 방전전하량이 크고, 정극성에 비해 부극성의 방전펄스 수가 약 20% 많게 나타났다. 또한 TDR 방법으로 결함위치를 산출하였으며, 50m 케이블에서 1m 이내로 결함의 위치를 추정할 수 있었다.
Research on condition monitoring and diagnosis of power facilities has been conducted to improve the safety and reliability of electric power supply. Although insulation diagnostic techniques for unit equipment such as gas-insulated switchgears and transformers have been developed rapidly, studies o...
Research on condition monitoring and diagnosis of power facilities has been conducted to improve the safety and reliability of electric power supply. Although insulation diagnostic techniques for unit equipment such as gas-insulated switchgears and transformers have been developed rapidly, studies on monitoring of cables have only included aspects such as whether defects exist and partial discharge (PD) detection; other characteristics and features have not been discussed. Therefore, this paper dealt with PD characteristics against void sizes and positions, and with defect localization in XLPE cable. Four types of defects with different sizes and positions were simulated and PD pulses were detected using a high frequency current transformer (HFCT) with a frequency range of 150kHz~30MHz. The results showed that the apparent charge increased when the defect was adjacent to the conductor; the pulse count in the negative half of the applied voltage was about 20% higher than that in the positive half. In addition, the defect location was calculated by time-domain reflectometry (TDR) method, it was revealed that the defect could be localized with an error of less than1m in a 50m cable.
Research on condition monitoring and diagnosis of power facilities has been conducted to improve the safety and reliability of electric power supply. Although insulation diagnostic techniques for unit equipment such as gas-insulated switchgears and transformers have been developed rapidly, studies on monitoring of cables have only included aspects such as whether defects exist and partial discharge (PD) detection; other characteristics and features have not been discussed. Therefore, this paper dealt with PD characteristics against void sizes and positions, and with defect localization in XLPE cable. Four types of defects with different sizes and positions were simulated and PD pulses were detected using a high frequency current transformer (HFCT) with a frequency range of 150kHz~30MHz. The results showed that the apparent charge increased when the defect was adjacent to the conductor; the pulse count in the negative half of the applied voltage was about 20% higher than that in the positive half. In addition, the defect location was calculated by time-domain reflectometry (TDR) method, it was revealed that the defect could be localized with an error of less than1m in a 50m cable.
본 논문에서는 지중배전선로에서 주로 이용되는 22.9kV-y CNCV-W 케이블로 결함을 모의하였고, 고주파변류기(High frequency current transformer, HFCT)로 방전펄스를 검출하였다. 절연 진단의 위험도를 판단하는 기초자료로 활용하기 위해, XLPE 케이블에서 대표적으로 발생되는 보이드의 크기 및 위치에 따른 PD 특성을 분석하였다.
제안 방법
본 논문은 XLPE 지중케이블을 대상으로, 절연체 내부의 기하학적 구조에 따른 결함의 PD 특성과 TDR 방법을 기반으로 PD 펄스를 이용한 결함 위치추정에 관하여 연구를 수행하였다. 보이드의 크기 및 위치에 따른 PD 특성의경우, 방전전하량 및 방전횟수는 결함이 클수록 증가하는 경향을 보였으며, 펄스 수는 도체에 인접할수록 부극성이 정극성보다 약 20% 많게 발생하였다.
9kV-y CNCV-W 케이블로 결함을 모의하였고, 고주파변류기(High frequency current transformer, HFCT)로 방전펄스를 검출하였다. 절연 진단의 위험도를 판단하는 기초자료로 활용하기 위해, XLPE 케이블에서 대표적으로 발생되는 보이드의 크기 및 위치에 따른 PD 특성을 분석하였다. 또한 PD 펄스를 이용하여 운전 중 결함위치를 추정하였으며, 이는 예방진단 시 결함의 크기 변화와 생성, 고장 시 절연파괴 위치를 파악할 수 있어 신속한 복구에 활용될 수 있다.
대상 데이터
6에 나타내었다. 50m 케이블 전장에서 고압 인입부로부터 1m 이격된 지점에 HFCT를 설치하였고, 이를 측정지점으로 선정하였다. 결함은 절연체에 직경 1mm의 보이드를 구성하였으며, 측정지점으로부터 각각 2m 및 30m 떨어진 위치에서 모의하였다.
22.9kV-y CNCV-W 케이블의 절연층 두께는 약 7mm이며, 1m 길이로 절단하여 결함을 모의하였다. 실제 케이블에서 발생되는 보이드는 직경 수 µm로 매우 작기 때문에 인위적인 제작은 어렵다[5].
데이터처리
5m 이격된 시스에 설치하였다. 오실로스코프(1GHz, 5GS/s, DL 9140) 및 DAQ(125MHz, 250MS/s NI 5114)를 이용하여 펄스를 수집하였으며, 결함별 PD 특성은 LabVIEW로 설계한 PRPD(Phase resolved partial discharge) 프로그램을 활용하였다.
성능/효과
케이블 내 PD 펄스의 전파속도는 2×108m/s이었으며, 결함에서 발생하는 PD펄스 및 반사 펄스의 시간차로부터 결함의 위치를 추정할 수 있었다. 본 실험에서 위치표정 오차는 1m이내 이었으며, 진행 펄스의 감쇄량으로부터 측정 가능한 최대 길이는 약 465m로 산출되었다. 위치표정의 정확도는 측정장치의 시간분해능(Sampling rate)이 높을수록 향상된다.
본 논문은 XLPE 지중케이블을 대상으로, 절연체 내부의 기하학적 구조에 따른 결함의 PD 특성과 TDR 방법을 기반으로 PD 펄스를 이용한 결함 위치추정에 관하여 연구를 수행하였다. 보이드의 크기 및 위치에 따른 PD 특성의경우, 방전전하량 및 방전횟수는 결함이 클수록 증가하는 경향을 보였으며, 펄스 수는 도체에 인접할수록 부극성이 정극성보다 약 20% 많게 발생하였다. 케이블 내 PD 펄스의 전파속도는 2×108m/s이었으며, 결함에서 발생하는 PD펄스 및 반사 펄스의 시간차로부터 결함의 위치를 추정할 수 있었다.
본 실험에서 위치표정 오차는 1m이내 이었으며, 진행 펄스의 감쇄량으로부터 측정 가능한 최대 길이는 약 465m로 산출되었다. 위치표정의 정확도는 측정장치의 시간분해능(Sampling rate)이 높을수록 향상된다. 본 연구 결과는 지중배전선로의 절연감시, 상태진단 및 결함 위치추정에 활용도가 높을 것으로 기대한다.
후속연구
위치표정의 정확도는 측정장치의 시간분해능(Sampling rate)이 높을수록 향상된다. 본 연구 결과는 지중배전선로의 절연감시, 상태진단 및 결함 위치추정에 활용도가 높을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지중선로 방식의 장점은?
오늘날 전력수요의 증가와 고품질 전력공급을 목표로, 전력망의 지중화가 확대되고 있다. 지중선로 방식은 가공선로에 비해 자연재해로부터 신뢰성이 높고, 배전선로 확장이 유리하다. 하지만 전기적 절연의 취약성과 사고 발생에 따른 파급효과가 크기 때문에, 전력설비에 대한 원활한 전력공급과 사고를 미연에 방지할 수 있는 다각적인 연구가 필요하다[1,2].
지중선로 방식은 전기적 절연의 취약성과 사고 발생에 따른 파급효과가 크기 때문에 어떤 연구가 필요한가?
지중선로 방식은 가공선로에 비해 자연재해로부터 신뢰성이 높고, 배전선로 확장이 유리하다. 하지만 전기적 절연의 취약성과 사고 발생에 따른 파급효과가 크기 때문에, 전력설비에 대한 원활한 전력공급과 사고를 미연에 방지할 수 있는 다각적인 연구가 필요하다[1,2]. 지중배전선로용 케이블은 전기적·열적 특성이 우수한 XLPE(Cross-linked polyethylene) 절연체를 사용하며, 제조공정에서 생성되는 절연체 내부의 보이드(Void) 및 불순물이나 운전중 진동 및 충격에 의한 결함발생으로 단락 및 지락사고에 이르게 된다.
중배전선로용 케이블어떤 절연체를 사용하는가?
하지만 전기적 절연의 취약성과 사고 발생에 따른 파급효과가 크기 때문에, 전력설비에 대한 원활한 전력공급과 사고를 미연에 방지할 수 있는 다각적인 연구가 필요하다[1,2]. 지중배전선로용 케이블은 전기적·열적 특성이 우수한 XLPE(Cross-linked polyethylene) 절연체를 사용하며, 제조공정에서 생성되는 절연체 내부의 보이드(Void) 및 불순물이나 운전중 진동 및 충격에 의한 결함발생으로 단락 및 지락사고에 이르게 된다. 이를 예방하기 위하여, 상태기반진단(Condition based maintenance, CBM)기술이 활발히 적용되고 있으며, 대표적 방법이 부분방전(Partial discharge, PD) 검출이다[3].
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