전력케이블 열화진단

왜 배우는가: 전력케이블은 지중화 확대로 설비 수명이 길어지고, 열화를 조기에 찾지 못하면 지락·단락 사고로 이어져 정전 범위가 커진다. 열화진단은 정전 상태와 활선 상태 방법을 구분해 묻는 문제로 반복 출제되므로, 열화 원리와 진단 개념을 먼저 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제123회 4교시 1번, 제117회 1교시 11번, 제90회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력케이블 열화진단은 절연체 내부의 수트리·전기트리·트래킹 등 열화 상태를 측정 신호로 판정하여 사고 전에 교체·보수 시기를 정하는 기술이다.

• 전력케이블 열화진단
• 절연열화
• 수트리(Water tree)
• 전기트리(Electrical tree)
• 유전정접(tanδ)
• 등온완화전류(IRC)법
• 부분방전(PD)
• 활선진단

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 케이블 절연물이 전기와 수분 때문에 서서히 망가지는 과정을 측정으로 알아내는 일이다. 절연이 나빠지면 전류가 새고, 작은 방전이 생기고, 그 흔적이 나뭇가지 모양으로 자란다. 진단은 이 흔적을 전기적 신호로 잡아내는 것이다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력케이블 열화진단이란 절연체의 열화 원인과 진행 정도를 전기적·물리적 특성 변화로 평가하여 절연 상태를 판정하는 일련의 시험 방법을 말한다. 열화는 절연재료가 열, 전계, 수분, 기계적 응력, 화학물질에 의해 특성을 잃는 현상이다.

핵심 용어를 정리한다. 수트리는 수분이 존재하는 절연체에서 국부 고전계 부위로 모여 나무 모양으로 자라는 트리다. 전기트리는 결함 지점의 부분방전으로 생기는 가지 모양의 절연파괴 경로다. 유전정접(tanδ)은 케이블의 용량성 전류와 저항성 손실전류의 비로, 열화가 진행되면 값이 커진다. 등온완화전류(IRC)법은 직류 전압을 인가한 뒤 트랩된 전하가 방출되는 미소 전류를 분석하는 방법이다. 부분방전(PD)은 전극 사이를 완전히 연결하지 않고 유전체 일부에서 일어나는 국부 방전이다.

진단 방법은 정전 상태에서 하는 방법과 활선 상태에서 하는 방법으로 나뉜다. 정전 상태 방법은 절연저항 측정, 직류누설전류법, 직류내전압시험, tanδ 측정, IRC 등이 있다. 활선 상태 방법은 전압을 인가한 채 진단하므로 무정전으로 진행할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

케이블은 가공선과 달리 땅속이나 관로에 매설되어 외부에서 상태를 직접 보기 어렵다. 고장이 나면 고장점을 찾고 굴착·복구하는 데 시간과 비용이 많이 든다. 따라서 고장 전에 열화를 알아내는 진단 기술이 필요해졌다.

초기 열화 원인은 주로 절연체 제조 결함, 설치 시 손상, 수분 유입이었다. 특히 XLPE 절연 케이블에서 수분에 의한 수트리가 주요 열화 요인으로 알려져 있다. 한편 전기트리는 수트리가 진전된 뒤 또는 결함에서 직접 발생하여 절연파괴에 이르게 하는 경로다. 이처럼 열화 형태가 다양하므로 한 가지 시험만으로는 상태를 모두 판단하기 어렵다.

또한 부분방전 측정은 열화의 국부 위치를 찾아낼 수 있어 사고 예방에 효과가 크다. 이런 이유로 정전 진단과 무정전(활선) 진단을 함께 활용하는 체계가 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

전력케이블 열화진단은 케이블 절연층의 상태를 측정해 열화 정도를 판정하는 기술이다. 진단은 케이블을 정전시키고 시험하는 사선(정전) 진단과 운전 중에 측정하는 활선 진단으로 나뉜다. 두 방식 모두 측정값을 열화 지표로 바꾸고, 지표를 판정 기준과 비교해 교체 시기를 정한다. 아래에서는 진단 체계의 구성요소, 원리, 절차를 순서대로 정리한다.

진단 체계는 크게 세 부분으로 이뤄진다. 첫째는 열화 원인을 찾는 열화 메커니즘이다. 수트리, 전기트리, 화학트리, 트래킹이 여기에 속한다. 둘째는 열화를 수치로 드러내는 측정 지표다. 유전정접(tanδ), 등온완화전류(IRC)의 열화계수(Aging Factor), 부분방전(PD) 크기와 발생 빈도가 대표적이다. 셋째는 측정값을 판정하는 판정 기준이다. 측정 지표마다 기준값이 따로 있다.

표의 측정법은 측정 원리가 서로 다르다. 한 지표만으로 판정하지 않고 여러 지표를 함께 본다. 이 점이 진단의 신뢰도를 높인다.

진단 원리는 손실 전류의 변화에 있다. 케이블 절연체는 커패시터처럼 동작하며 그 전류는 용량성 성분과 저항성 성분으로 나뉜다. 저항성 성분이 바로 손실 전류이고, 두 성분의 비가 유전정접이다. 수트리가 성장하면 절연체 안에서 전하가 트랩되었다가 다시 방출되며 손실이 커진다. 따라서 tanδ가 올라간다. 식은 다음과 같다.

$\tan\delta = \frac{I_r}{I_c}$

여기서 I_r은 저항성(손실) 전류[A], I_c는 용량성 전류[A]다. 유전체 손실은 W_d = E I_r = E I_c \tan\delta이며, 인가 전압 E[V]가 같을 때 tanδ가 커질수록 손실이 커진다. 온도가 오르면 tanδ가 증가하는 경향이 있고, 열화된 절연체는 양호한 절연체보다 낮은 온도에서 급격히 증가한다. 그래서 시험 온도를 함께 기록해야 한다.

등온완화전류법의 원리는 트랩 전하의 방전 시간 차이다. 절연물은 특정 에너지 준위에서 전하가 트랩된다. 트랩 에너지 준위에 따라 방전되는 시간이 다르고, 그 차이를 열화계수로 나타낸다. 시험은 DC 1kV를 약 30분 인가한 뒤 5초간 정전용량 성분을 방전시키고, 남은 미소 완화전류를 분석하는 순서다.

부분방전 측정의 원리는 방전 시 발생하는 에너지의 변환을 감지하는 것이다. 전기적 임펄스 전류, 전자파, 소리, 가스 압력 변화, 화학 반응이 그 신호다. 측정된 방전 크기와 위치로 보이드나 트리의 위치를 찾는다. 측정 데이터는 인수시험 값이나 공장 품질 기준과 비교해 신품, 열화 진행, 불량으로 분류한다.

정전 진단의 절차는 다음과 같다.

• 케이블을 전원에서 분리하고 접지해 잔류 전하를 완전히 방전한다.
• 절연저항, 직류누설전류, 유전정접 등 시험 항목을 정하고 시험 전압과 온도를 기록한다.
• 시험 전압을 단계적으로 인가하고 각 단계의 측정값을 기록한다.
• 측정값을 열화 지표로 환산하고 판정 기준과 비교한다.
• 판정 결과에 따라 보수, 부분 교체, 전체 교체를 결정한다.

활선 진단은 운전 중 케이블에 전압이 걸린 상태에서 측정하므로 절차가 다르다. 측정 신호를 선로 전원 성분과 분리해야 하며, 분리 방법은 각 기법마다 다르다. 활선 진단은 정전 없이 계속 운전할 수 있다는 장점이 있고, 측정 노이즈 제거 기술이 정확도를 좌우한다.

열화 진단은 손실 전류 증가와 부분방전 발생을 측정 지표로 삼아 열화를 판정하는 것이다.

tanδ = I_r / I_c는 진단의 핵심 식이다. 정전 진단에서는 시험 온도를 함께 기록해야 측정값을 비교할 수 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

전력케이블 열화진단의 판정 기준은 국내 기관 지침과 측정장비 매뉴얼에 주로 정해져 있다. 전기설비 기준으로는 한국전기설비규정(KEC)이 시설 조건을 정하고, 진단 방법과 판정 기준은 한국전력공사의 케이블 유지보수 기준이 사용된다. 개별 조문 번호는 여기서 쓰지 않는다.

등온완화전류법의 열화 판정 기준은 다음과 같다. 열화계수는 측정 케이블의 상태를 네 단계로 나눈다.

열화계수 1.85 이상 요주의, 2.3 이상 불량이 판정의 기준이다. 측정 장비는 KDA-1, CDS 등이 쓰인다. 한국전력공사는 1997년부터 IRC 분석 자료를 케이블 유지보수 기준으로 삼고 있다.

유전정접법은 상용주파 대지전압을 인가해 tanδ를 측정한다. 케이블이 흡습하거나 수트리가 생기면 tanδ가 증가한다. 판정은 같은 케이블의 인수시험 값이나 동일 규격 기준값과 비교한다. 극저주파(VLF) 유전정접법은 0.01~1Hz 극저주파 정현파를 인가해 측정한다. 저주파에서는 장비 용량과 전원 요구량이 줄어들고, 저항성 손실의 분해능이 높아진다.

부분방전 측정의 기준은 케이블 인수시험 값과 공장 품질 기준이다. 측정 결과는 신품, 강하게 열화, 불량의 세 범주로 분류한다. 방전 크기와 빈도가 기준 이상이면 결함 위치를 찾아 보수한다.