[논문]초고압 XLPE 케이블 접속함의 부분방전 펄스파형 시뮬레이션

김정태

doi:10.5370/kiee.2018.67.1.75

문제 정의

본 연구에서는 지중송전 XLPE 케이블 시스템의 EBA 및 PMJ에서 부분방전 현상에 대한 이해와 측정의 정확성을 향상 시키기 위해 부분방전 펄스파형 시뮬레이션을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 따라 본 연구에서는 대표적인 지중송전 XLPE 케이블 시스템의 접속함인 EBA 및 PMJ에서 발생하는 부분방전 펄스파형에 대해 시뮬레이션을 수행하고 현장 측정결과와 비교하여 현장 부분방전 측정의 정확성을 높이고자 하였다.

제안 방법

부분방전 펄스는 발생 후 케이블 시스템의 양쪽 방향으로 전파하게 되므로 +z축 방향 및 –z축 방향에 대해 시뮬레이션 한 뒤 2가지 경우를 합성하였다. EBA에서 부분방전 펄스 시뮬레이션 파형을 확인하고 센서 설치 위치에 대한 적절성 파악을 위하여, 현장 측정에서 전자파 센서의 경우 EBA 하단 동박스에 부착하여 측정하고 HFCT(High Frequency Current Transformer)의 경우에는 접지선에 장착하므로 이를 감안하여 그림 4(b)와 같이 센서 위치에 대해 동박스에 3곳 및 접지선에 4곳을 고려하여 비교하였다.
본 연구에서는 ‘FDTD Solutions’ 범용 S/W를 이용하여 부분방전 특성해석을 처음 시도하였기 때문에 기본적으로 케이블에 적용될 수 있는지 다음과 같은 사전 검증을 수행하였다.
전술한 EBA와 유사하게 XLPE 케이블의 도체는 1200mm² 로 하여 그림 9와 같이 PMJ를 모델링하였고 여기에 적용한 각 부분의 물성치는 표 2와 같다. 부분방전 펄스도 가장 고장이 많이 발생하는 반도전 디플렉터 부분에 주입하였으며, 펄스는 +z축 방향 및 –z축 방향의 양쪽으로 전파하도록 하여 각각 시뮬레이션 한 뒤 2가지 경우를 합성하였다. 한편, 그림 9에 나타낸 바와 같이 PMJ 동박스 표면의 4곳에 센서 설치위치를 선정하여 접속함 각각의 측정위치에 따라 펄스 파형이 어떻게 달라지는지 확인하였다.
송전 XLPE 케이블 PMJ(Pre-Moulded Joint)에서 부분방전 펄스파형 시뮬레이션을 위한 모델링을 실시하였다. 전술한 EBA와 유사하게 XLPE 케이블의 도체는 1200mm² 로 하여 그림 9와 같이 PMJ를 모델링하였고 여기에 적용한 각 부분의 물성치는 표 2와 같다.

대상 데이터

송전 XLPE 케이블 EBA에서 부분방전 펄스파형 시뮬레이션을 위한 모델과 적용한 물성치를 각각 그림 4 및 표 2에 나타내었다. XLPE 케이블 도체의 단면적은 1200 mm²로 하였으며, 그림4와 같이 XLPE 케이블 시스템에서 가장 고장이 많이 발생하는 접속함의 스트레스 콘(SRC) 3중점 부분에 모의 부분방전 펄스를 주입하였다. 부분방전 펄스는 발생 후 케이블 시스템의 양쪽 방향으로 전파하게 되므로 +z축 방향 및 –z축 방향에 대해 시뮬레이션 한 뒤 2가지 경우를 합성하였다.
부분방전 펄스 전파 시뮬레이션을 위한 부분방전 펄스 파형은 그림 2와 같이 펄스 폭 1ns를 갖는 가우시언형 펄스를 사용하였다. 일반적으로 결함 자체에서 발생하는 부분방전 펄스 파형은 매우 빠른 파형으로 주위 매질에 따라 0.
송전 XLPE 케이블 PMJ(Pre-Moulded Joint)에서 부분방전 펄스파형 시뮬레이션을 위한 모델링을 실시하였다. 전술한 EBA와 유사하게 XLPE 케이블의 도체는 1200mm² 로 하여 그림 9와 같이 PMJ를 모델링하였고 여기에 적용한 각 부분의 물성치는 표 2와 같다. 부분방전 펄스도 가장 고장이 많이 발생하는 반도전 디플렉터 부분에 주입하였으며, 펄스는 +z축 방향 및 –z축 방향의 양쪽으로 전파하도록 하여 각각 시뮬레이션 한 뒤 2가지 경우를 합성하였다.

데이터처리

기본적으로 XLPE 케이블에서 부분방전 펄스의 전파속도는165~170 [m/㎲] 정도이며[10], 도체, 절연체 및 반도전층의 두께와 물성치에 따라 달라진다. ‘FDTD Solutions’ 범용 S/W를 이용하여 이러한 결과가 도출되는지 검증하기 위해 표 1과 같이 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

이론/모형

일반적으로 정확한 근사해 값을 얻기 위한 Yee cell의 크기는 입력되는 펄스 파장의 1/10 정도의 Yee cell을 구성할 경우 비교적 정확한 근사해를 구할 수 있다. 본 연구에서는 FDTD 시뮬레이션을 위해 Lumerical 사의 범용 S/W인 ‘FDTD Solutions’를 이용하였다.
본 연구에서는 송전 XLPE 케이블 접속함의 부분방전 펄스파형에 대한 시뮬레이션으로 시간과 공간에 대한 전자파 전송을 다루어야 하므로 이에 가장 적절한 해석방법인 FDTD(Finite Difference Time Domain) 시뮬레이션 기법[9]을 적용하였다. FDTD 시뮬레이션 기법에서는 맥스웰 방정식의 편미분을 이용하여 직각 좌표계의 기하학적인 영역 내 구조물을 유한 개수의 Yee cell로 구성된 영역으로 나누고 이웃하는 각 cell 사이의 역학관계를 시간영역에 대해 반복적으로 계산하여 전자계를 분석한다.

성능/효과

본 연구에서 적용한 FDTD 시뮬레이션 기법은 펄스의 전파특성 및 파형 형성 측면에서 실제 측정결과와 비교할 때 전력케이블에 대한 부분방전 시뮬레이션에 적절한 것으로 나타났다. EBA에 대한 시뮬레이션 결과는 첫 번째 피크 이후 크지 않은 반대극성의 두 번째 피크가 나타나는 양상을 보였으며 EBA 동박스 하단 쪽이 측정감도가 가장 높은 것으로 분석되었다. PMJ에 대한 해석 결과에서는 반대극성의 두 번째 피크의 크기가 첫 번째 피크에 상당하는 정도로 크기 나타났으며 PMJ 동박스 끝 쪽의 측정감도가 가장 높은 것으로 분석되었다.
EBA에 대한 시뮬레이션 결과는 첫 번째 피크 이후 크지 않은 반대극성의 두 번째 피크가 나타나는 양상을 보였으며 EBA 동박스 하단 쪽이 측정감도가 가장 높은 것으로 분석되었다. PMJ에 대한 해석 결과에서는 반대극성의 두 번째 피크의 크기가 첫 번째 피크에 상당하는 정도로 크기 나타났으며 PMJ 동박스 끝 쪽의 측정감도가 가장 높은 것으로 분석되었다.
본 연구에서 적용한 FDTD 시뮬레이션 기법은 펄스의 전파특성 및 파형 형성 측면에서 실제 측정결과와 비교할 때 전력케이블에 대한 부분방전 시뮬레이션에 적절한 것으로 나타났다. EBA에 대한 시뮬레이션 결과는 첫 번째 피크 이후 크지 않은 반대극성의 두 번째 피크가 나타나는 양상을 보였으며 EBA 동박스 하단 쪽이 측정감도가 가장 높은 것으로 분석되었다.
그림 3은 표 1의 모델케이블에 대해 그림 2와 같은 펄스가 케이블의 0m 위치에 주입되었을 때 각각 1, 2, 3, 4m 위치에서 나타난 시뮬레이션 결과로서, 반도전층의 존재로 인해 크기가 크게 감쇄하는 것을 볼 수 있으며 이 때 계산된 펄스 전파속도는 약 165m/㎲로 계산되었다. 이러한 결과는 일반적인 XLPE 케이블에서 펄스 전파속도[10]에 해당하는 것으로 나타나 본 시뮬레이션이 타당함을 확인하였다.
현장 측정의 경우에 비해 그림 5의 시뮬레이션 파형은 상당히 높은 주파수 성분을 보이는 차이가 나타나고 있는데, 이것은 1ns 가우시언형 펄스를 주입하여 고주파 성분이 그대로 시뮬레이션 되었고, 현장에서는 케이블 구조 및 재질의 차이와 설치형태의 다양성, 시스외부에서의 TEV(Transient Earthing Voltage) 발생과 전파 및 센서의 측정원리 및 주파수 특성 등으로 인해 측정파형이 달라지기 때문으로 해석된다. 이러한 부분을 감안하면 본 연구의 시뮬레이션은 현장 측정과 상당한 유사성을 가져 시뮬레이션이 효과적인 것으로 판단된다.
이상의 결과는 현장 측정결과와 상당한 유사성을 보여 본 시뮬레이션이 매우 적절하였다고 판단되며, 현장 부분방전 측정에 매우 유용할 것으로 사료된다. 향후 보다 실제적인 구조 및 타설비가 설치된 상태에서의 부분방전 펄스파형 시뮬레이션을 통해 전력 케이블의 부분방전 현상 해석에 기여하고자 한다.

후속연구

이상의 결과는 현장 측정결과와 상당한 유사성을 보여 본 시뮬레이션이 매우 적절하였다고 판단되며, 현장 부분방전 측정에 매우 유용할 것으로 사료된다. 향후 보다 실제적인 구조 및 타설비가 설치된 상태에서의 부분방전 펄스파형 시뮬레이션을 통해 전력 케이블의 부분방전 현상 해석에 기여하고자 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	케이블의 경우, 부분방전 펄스파형이 절연시스템의 구성에 따라 분류된 종류는?	이처럼 부분방전 펄스파형은 절연시스템의 구성에 따라 결정된다. 케이블의 경우, EBA(End Bushing in Air), EBG(End Bushing in Gas), EBO(End Bushing in Oil) 등의 단말 또는 PMJ(Pre-Moulded Joint)및 PJ(Prefabricated Joint) 등의 중간접속함에서 각각의 임피던스 특성이 다른 만큼 여기에 존재 가능한 결함에서 발생하는 부분방전의 파형은 각각 어느 정도 정형화될 수 있다고 추정된다.
	부분방전 진단의 종류는?	이러한 측면에서, TF(Time-Frequency) 기법[1], 펄스파형 특성분석기법[2] 등 부분방전 펄스파형의 특징을 추출하여 노이즈를 제거하거나, 3PARD(3 Phase Amplitude Related Diagram)기법[3] 등 3상 동시 측정신호를 비교하여 노이즈를 제거하는기법을 통해 현장 부분방전 패턴인식의 정확도를 제고하고 있다. 아울러, TDR(Time Domain Reflecto metry)[4] 또는 2개 센서를이용한 TOA(Time of Arrival) 기법 및 시간차 분석 기법[5] 등을 통해 부분방전 발생 위치에 대한 분석으로 부분방전 위치추정과 진단 정확도가 향상되고 있다.
	부분방전 펄스파형의 특징은?	부분방전 펄스파형은 결함의 종류에 따라 파형이 영향을 받지만 대체로 ns 수준의 매우 빠르고 짧은 펄스의 형태로서[6,7],실제 케이블에서 측정되는 ㎲ 수준의 긴 파형과는 다르다. 이것은 부분방전 펄스파형이 결함의 종류에 의한 것 보다는 전파 경로에 따라 크게 좌우되기 때문이다.

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