[논문]전력케이블 열화진단을 위한 극저주파 탄델타 판정기준의 통계적 해석

정우성; 김성민; 임장섭; 이진

doi:10.4313/jkem.2020.33.1.1

전력케이블 열화진단을 위한 극저주파 탄델타 판정기준의 통계적 해석
A Statistical Analysis to the VLF Tanδ Criteria for Aging Diagnosis in Power Cables 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.1, 2020년, pp.1 - 5

정우성 (목포대학교 전기공학과) , 김성민 (한국전력공사 전력빅데이타센터) , 임장섭 (목포해양대학교 해양메카트로닉스학부) , 이진 (목포대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the objective is to improve the criteria used for statistical comparison of the VLF tanδ (TD) database and failure rate according to water-tree degradation in underground distribution power cables. The aging condition of the KEPCO criteria is divided into 6 levels using the Weibull distribution, and the "failure imminent" condition is quantified by using the statistical end-point of the lifetime parameter of the VLF big-data group obtained from KEPCO. Moreover, new criteria with a 2-dimensional combination of TD, DTD, and a statistical normalized factor are suggested. These criteria exhibit high reproducibility for the detection of cables in an imminent failure state. Consequently, it is expected that the adoption of the extended VLF-2019 criteria will reduce the asset management cost of cable replacement compared to the VLF-2012 criteria of KEPCO.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Criteria of VLF TD (IEEE Std. 400.2-2013). [×10^-3]
표 Table 2. VLF TD criteria (KEPCO-2012). [×10^-3]
표 Table 3. VLF TD criteria (KEPCO-2019). [unit: ×10^-3]
그림 Fig. 1. STD [1.5 Uo] vs VLF TD [1.5 Uo].
그림 Fig. 2. Skirt [1.5 Uo] vs VLF TD [1.5 Uo].
그림 Fig. 3. DTD2 vs VLF TD [1.5 Uo].
그림 Fig. 4. DTD3 vs VLF TD [1.5 Uo].

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 전력케이블의 정확한 상태판정과 측정결과의 신뢰성 향상을 위한 것으로, 현장 운용되는 배전급 전력케이블의 VLF tanδ (TD) 누적 특성값을 통계적으로 재해석한 다음, 그 기존 기준레벨의 판정인자 확장 및 레벨 수정을 하고자 하였다. 와이블 분포함수를 이용한 통계적 접근 방법이 수행되었고, 분석의 결과를 통하여 상대적인 정량적 평가와 열화진행 예측을 위한 영역별 모델링을 수행하여 판정 신뢰도의 향상을 목표로 한다.
본 연구는 전력케이블의 정확한 상태판정과 측정결과의 신뢰성 향상을 위한 것으로, 현장 운용되는 배전급 전력케이블의 VLF tanδ (TD) 누적 특성값을 통계적으로 재해석한 다음, 그 기존 기준레벨의 판정인자 확장 및 레벨 수정을 하고자 하였다. 와이블 분포함수를 이용한 통계적 접근 방법이 수행되었고, 분석의 결과를 통하여 상대적인 정량적 평가와 열화진행 예측을 위한 영역별 모델링을 수행하여 판정 신뢰도의 향상을 목표로 한다.

제안 방법

XLPE 전력케이블의 열화상태 진단을 위하여 측정된 VLF TD의 값을 와이블 분포함수로 해석하고 새로운 판정기준을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 기존 VLF 2012 기준에 따라 축적된 데이터베이스를 기반으로 판정 기준값의 개선, 추가 판정인자의 개발 및 비적합 인자에 대한 보류 등을 고찰하였다. 본 연구에 사용된 데이터는 수트리의 열화로 인하여 1999년 상용화가 중지된 CNCV 지중배전 케이블로서 현장의 운전기간이 20년 이상 운용된 케이블의 VLF TD측정데이터이다.

대상 데이터

본 연구에서는 기존 VLF 2012 기준에 따라 축적된 데이터베이스를 기반으로 판정 기준값의 개선, 추가 판정인자의 개발 및 비적합 인자에 대한 보류 등을 고찰하였다. 본 연구에 사용된 데이터는 수트리의 열화로 인하여 1999년 상용화가 중지된 CNCV 지중배전 케이블로서 현장의 운전기간이 20년 이상 운용된 케이블의 VLF TD측정데이터이다.

이론/모형

그러나 이 방법은 너무 많은 케이블의 불분명한 판정 단계가 존재하여, 세분화 분류의 요구와 각각의 인자에 대한 통계적인 분포 해석을 필요하게 되었다. 따라서 한국전력은 새로운 판정 기준을 수립하여 사용하고 있으며, 이 방법은 기존의 한국전력의 VLFTD 데이터베이스에 와이블 통계분포를 이용하였다.

성능/효과

1) 새로운 판정인자로서 DTD2, DTD3, skirt [1.5 U0]를 추가하여 보다 정확한 상태등급의 판정이 가능함을 확인하였다.
2) 표준편차(STD), 최대편차(DEV) 및 skirt 값의 등급변환에서는 1.0 Uo 판정보다 1.5 Uo 판정조건이 운전 중 파괴확률 예측에 더 우수함을 확인하였다.
3) 상기의 결과로부터 제안된 판정기준은 재현성이 우수하고, 기존의 기준과 비교하여 열화등급 판단에 대한 신뢰성이 향상되었다.
데이터베이스의 TD의 값과 skirt 및 DTD의 값을 고찰한 결과, 운전 중 파괴가 발생할 확률이 급격히 증대되는 구간을 확인할 수 있었으며, 동일한 극저주파 탄델타 값일지라도 측정반복에 따른 시간 안정성이 케이블 신뢰도에 중요한 요소로 관측되었다. 따라서 TD값과 skirt 및 DTD 값을 조합하여 판정요소로 활용하는 것이 판정의 신뢰도 향상에 도움이 될 것으로 판단된다.
현재, UCD 판정기준에서 중요인자 3개(TD, DTD, skirt)를 주된 수명관련 열화속도 예측 파라메타로 쓰고 있지만, 본 연구에서 제안된 네 번째 파라메타(DTD2)를 추가로 적용하여 열화 판정등급에서 애매한 경계치 등에서 보완이 가능하며, 판정 정확도 및 재현성을 향상시키는 것으로 판단된다.

후속연구

그러나 케이블은 상태 판정을 위하여 인가한 측정전압이 높아지면, TD값의 편차와 반복 시간의존성이 증가하고, 케이블의 열화 진행에 따라 이 값들의 변화가 가속될 것으로 추정된다. 따라서 1.5Uo에서 측정한 편차 기울기와 DTD를 판정에 추가하는 것이 판정의 신뢰도를 더 높일 수 있을 것으로 판단된다.
데이터베이스의 TD의 값과 skirt 및 DTD의 값을 고찰한 결과, 운전 중 파괴가 발생할 확률이 급격히 증대되는 구간을 확인할 수 있었으며, 동일한 극저주파 탄델타 값일지라도 측정반복에 따른 시간 안정성이 케이블 신뢰도에 중요한 요소로 관측되었다. 따라서 TD값과 skirt 및 DTD 값을 조합하여 판정요소로 활용하는 것이 판정의 신뢰도 향상에 도움이 될 것으로 판단된다. 또한 6.
상태판정요소를 추가하여 새롭게 제안된 2-D UCD Matrix를 사용하여 케이블 열화상태를 판정할 경우 케이블의 고장예방 등의 전력신뢰성 향상에 많은 기여를 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VLF tanδ (TD) 진단기술을 대체한 진단기술은?	그러나 이 기술은 20년 이상 운전된 국내 전력케이블의 상태판정에 적합하지 않으며, 진단의 신뢰성 등의 문제를 가지고 있다. 따라서 한국전력은 이를 보완하기 위한 KEPCO VLF-2012 버전을 제시하고, 이 진단기술을 현재까지 운영하고 있다 [2].
	수트리(water tree) 현상이란?	배전용 지중 전력케이블의 수명을 단축시키는 대표적인 열화현상은 수트리(water tree) 현상이다. IEEE는 2001년 최초로 고장의 예방을 위한 수트리 진단기술로 VLF tanδ (TD) 진단기술을 제정하였으며, 한국전력은 운용 중인 전력케이블의 진단에 이 방법을 적용하였다.
	독일의 표준 케이블시험은?	독일과 오스트리아 등 몇몇 유럽 국가들은 1988년부터 1995년까지 플라스틱 절연체를 가진 케이블의 내전압 시험법에 많은 연구를 수행하였다. 그 결과, 1995년 독일은 0.1 Hz의 초저주파 전원을 사용하는 3Uo의 내전압시험법을 케이블시험의 표준으로 채택하였고. 1996년부터는 유럽에서 상기시험을 전기시험 표준으로 채택하였다 [3].

참고문헌 (6)

IEEE Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems, IEEE Standard 400-2001, 2002. [DOI: https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2002.93394]
D. Kim, Y. Cho, and S. M. Kim, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 21, 940 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1109/TDEI.2014.6832235]

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IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz), IEEE Std. 400.2-2013. [DOI: https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2013.6517854]
S. Kim and T. Kwon, "VLF Tan $\delta$ Criteria for XLPE Insulated Power Cables in KEPCO," Presented at the 8th JICABLE, E.5.2.8, 2011.
S. M. Kim, B. S. Kim, W. S. Choi, Y. H. Jung, J. S. Lim, J. Lee, K. H. Lee, and T. W. Kim, Proc. 2012 IEEE International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis (IEEE, Bali, Indonesia, 2012) p. 1223. [DOI: https://doi.org/10.1109/CMD.2012.6416382]
J. C. Hernandez-Mejia, IEEE Trans. Dielectr. Electri. Insul., 16, 862 (2009). [DOI: https://doi.org/10.1109/TDEI.2009.5128527]

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