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VLF를 활용한 전력케이블 진단 시뮬레이터 구현
Implementation of Power Cable Diagnostic Simulator using VLF 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.8, 2020년, pp.593 - 602  

김국 (한국전기안전공사) ,  어익수 (호남대학교 전기공학과)

초록
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국내 공장이나 지중에 설치되어 있는 전력 케이블은 제조과정, 설치, 사용 중의 환경여건에 따라 사고가 발생할 수 있는 필연성을 갖고 있다. 전력 케이블에서 사고가 일어났을 때 막대한 경제적 손실과 사회적 혼란을 야기할 수 있어 이를 미연에 방지하고자 진단을 통한 케이블의 예방관리의 중요성이 증대되고 있다. 이에 본 논문에서는 현장에서 발생 될 수 있는 케이블의 설치나 제조결함, 경년열화로 문제가 될 수 있는 부분을 모의하여 진단시료 케이블을 제작하였고, 최근 도입되어 적용되고 있는 VLF(Very Low Frequency)장비를 사용하여 유전정접(tan 𝛿 ; TD), 부분방전(Partial Discharge ; PD)시험을 실시하였고, 0.1Hz 주파수를 갖는 VLF전원을 가압을 한 후 HFCT(High Frequency Current Transformer)를 이용한 부분방전과 AC(상용주파)내압 장비를 이용하여 가압한 후 PD측정을 수행하였다. 그 결과, VLF를 통한 2.0U0 전압에서 B, C상 결함시료에서는 내부 부분방전을 측정할 수 있었으며 A상 정상시료에서는 0.5~2.0U0 전압에서 모두 노이즈로 측정되었다. 또한, 상용주파수의 AC(60Hz) 내압장비를 통한 1.5U0전압에서 측정하여 그 실효성을 검증하였다. 활선상태에서의 부분방전은 1.0U0의 사용전압에서 측정 되어지며, 장비를 설치할 때 위험성이 있고, AC내압장비는 부피나 무게 등에 의해 이동의 어려움이 있어 사선상태의 VLF를 통한 진단방법이 안전과 실효성이 있음을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Power cables installed in domestic factories or underground can cause accidents depending on the manufacturing process, installation, and environmental conditions during use. When an accident occurs in a power cable, it can cause enormous economic loss and social confusion. Hence, the importance of ...

주제어

표/그림 (23)

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문제 정의

  • 이에 따라 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 전력 케이블에 대한 예방점검·진단은 필수적인 부분이 되었다. 이에 본 논문에서는 전력 케이블에서 예상되는 사고의 종류와 원리를 알아보고, 점검할 수 있는 각종 진단방법을 소개하였으며 그 중에서도 최근 도입되어 사용되고 있는 VLF 및 HFCT-PD를 통한 진단방법에 대해서 케이블 진단시료를 통한 시뮬레이터를 구현, 측정하여 DATA를 분석하여 비교해 보고 이를 통해 전력 케이블의 예방점검 방법, 진단방법을 검토하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
XLPE 절연재료의 비유전율은 어느정도인가? 절연체의 내부에 보이드가 형성되거나 불순물의 유입되면, 유전율이 낮은 보이드에 유전체 분극현상이 용이하게 발생하여 전계집중이 일어나고, 이에 따른 국부적인 절연파괴는 절연체에 부분방전을 일으키고, 국부적인 발열과 전기적인 탄화채널의 형성을 유발하여 결국에는 절연파괴가 발생한다. 참고로 XLPE 절연재료의 비유전율은 2.4 정도이며 공기의 유전율은 1이다. 두 번째, CFR(Constant Failure Rate)은 과부하나 자연재해 등 우발적으로 발생하는 결함으로 볼 수 있다.
부분방전이란 무엇인가? 부분방전은 고압 설비에서 발생되는 국부적인 전기 방전 현상으로, 절연물 내부에 위치한 전극이나 도체의 돌출 부분에 극히 불평등한 전계가 집중된 부분에서 방전과 노출된 도체부의 표면이 공기 중에서 발생하는 코로나 방전으로 분류할 수 있다. 부분방전의 종류로는 절연체 내부의 보이드나 불순물에서 발생하는 내부 방전, 기체 절연체에 의한 전계 집중으로 발생되는 코로나 방전, 절연체 표면의 연면 방전, 절연체 내부 크랙이나 전기트리 진전으로 인한 전기트리 방전 등으로 볼 수 있다[7].
본 연구에서 현장모사형 케이블 진단시료를 통한 시뮬레이터를 제작하여 전력 케이블에서 발생할 수 있는 사고를 구현하여 VLF TD·PD와 VLF와 HFCT-PD 장비, AC 내압과 HFCT-PD 장비를 통하여 부분방전도 측정한 결과는 어떠한가? 1) VLF TD는 A, B, C상 케이블 모두 TD(1.0Uo)는 기준(≤1.0) 이내로 정상, DTD(1.5Uo-0.5Uo)값이 B상 1.10, C상 0.81로 분석되어 관심단계인 B(DTD 기준≤1.2)로 최종 판정하였다. 이는 TD(1.0Uo)값 만으로 판정해서는 안되며, DTD 등의 기준을 종합 분석하여 판정하는 것이 필요함을 알 수 있었다. 2) VLF PD는 먼저 500pC 칼리브레이션을 통해 시료의 길이는 A상 89.1m, B상 89.1m, C상 91.1m로 측정되어 제작된 시료에 오차가 거의 없었으나, 중간접속재의 위치와는 3~5m의 오차가 발생되는 것을 알 수 있었다. 그리고, 0.5Uo~2.0Uo까지 단계적으로 전원을 인가하여 A상 케이블은 1개의 결함 Cluster가 측정되었으나 분석결과 Noise, B상 케이블은 5개의 결함 중 1번 Cluster가 내부 부분방전, C상 케이블은 6개의 결함 중 4,5,6번 Cluster 가 내부 부분방전으로 각각 판정하였다. 이 결과는 시료 결함에 약 5m 이내로 VLF PD를 통한 케이블의 결함 위치를 찾는데 실효성이 있음을 알 수 있었다. 3) 그리고, 각 케이블에 1.0, 1.5, 2.0U0를 VLF를 통하여 인가하고 HFCT를 사용 부분방전 측정을 한 결과, B, C상 케이블은 2.0U0에서 내부 부분방전의 측정치를 얻을 수 있었고, AC 상용주파 내전압 전원으로 1.5U0를 인가하여 내부 부분방전의 결과를 얻어 VLF전원을 이용하는 것에 대한 실효성을 검증하였다. 활선상태에서는 1.0U0 고정전원에 의해서만 부분방전을 측정하는 점(내부 결함에 대한 부분방전이 발생되지 않을 수 있음)과 장비 연결 시의 감전, 정전 등의 위험성 등이 존재한다. 이 때문에 사선상태에서 부분방전을 실시하고자 할 때 AC 상용주파(60Hz) 내전압이 가지고 있는 전원용량, 장비 무게 등의 제약성을 VLF(0.1Hz)를 전원으로 사용하여 효과적으로 극복할 수 있음을 알 수 있었다.
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참고문헌 (11)

  1. Introduction to underground cable deterioration and diagnosis, Korea Electric Power Corporation distribution center, Oct. 2010. 

  2. Carlos Ferrer, Joseba Koldo Gamez, Antoni Villalonga, "Improving Cable System Reliability with Monitored Withstand Diagnostics - Featuring High Efficiency at Reduced Test Time", 9th International Confernce on Insulated Power Cables , Jicable, 2015. https://www.jicable.org/TOUT_JICABLE/2015/2015-C2-3 

  3. Minghui Bao, Shiying Tang, JunjiaHe, Xiaogen Yin, Qian Wang, GaolinWu, YanYang, "The Initiation Phenomena of Electrical Treeing in XLPE Cable Insulation", International Confernce on High Voltage Engineering and Application, pp.431-434, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/ICHVE.2012.6357142 

  4. G.Toman, Medium Voltage Cable Aging Management Guide, EPRI Report 1016689, Appendix C-2, 2008. 

  5. Jae-Bong Lee, Jong-Man Jeong, Chul-Bae Park, Jae-Wook Lee, Young-Soo Mok, "Results of Field Tree Deterioration Diagnosis Technology Field Test Results for Domestic Underground Distribution Cables," Proceedings of the 37th Summer Conference of the Korean Institute of Electrical Engineers A , pp. 506-507, July 2006. 

  6. Hernandez-Mejia, J. Perkel, J. Harley, R. Hampton, "Correlation between $Tan{\delta}$ Diagnostic Measurments and Breakdown performance at VLF for MV XLPE Cables", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.16, pp.162-170, 2009. DOI: https://doi.org/10.1109/TDEI.2009.4784564 

  7. Weiwei Li, Jianying Li, Guilai Yin, Shengtao Li, Jiankang Zhao, Benhong Ouyang, Yoshimichi Ohki, "Frequency dependence of breakdown performance of XLPE with different artificial defects", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.19, No.4, pp.1351-1359, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/TDEI.2012.6260011 

  8. S. M. Kim, "The Influence Estimation of Aging Factor in MV Cable Using Weibull Distribution and Neural Networks", IEEE Condition Monitoring and Diagnosis, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/CMD.2012.6416382 

  9. Jung Woo-Sung, A Study on VLF $tan{\delta}$ Status Criteria for Power Cables , Ph.D dissertation, Mokpo National University Graduate School, pp.32-33, 2020. 

  10. "IEEE Draft Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz)," in IEEE P400.2/D13 August 2012, pp.1-56, 7 Oct. 2012. 

  11. "IEEE Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems Rated 5 kV and Above," in IEEE Std 400-2012 (Revision of IEEE Std 400-2001), pp.1-54, 5 June 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2012.6213052 

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