전력케이블 절연열화

왜 배우는가: 전력케이블 절연열화는 지중 배전망의 정전·사고를 가장 많이 일으키는 원인이라 현장 진단과 유지보수의 출발점이 된다. 수트리·전기트리·트래킹 같은 열화 형태를 구분하지 못하면 진단법과 대책을 연결할 수 없어 기술사 시험에서 원인·진단·대책을 묶어 반복해 묻는다.

출제 이력: 제132회 3교시 6번, 제129회 2교시 1번, 제128회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력케이블 절연열화는 전계·수분·부분방전·열 등의 스트레스로 절연체의 절연성능이 점차 저하되어 결국 절연파괴에 이르는 현상이다.

핵심 키워드

• 절연열화
• 수트리(Water Tree)
• 전기트리(Electrical Tree)
• 화학트리(Chemical Tree)
• 부분방전(Partial Discharge)
• 트래킹 열화
• 직류성분법
• 교류중첩법

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 케이블 절연체가 오래 쓰이면서 조금씩 약해지는 현상이다. 처음에는 눈에 보이지 않는 미세한 결함에서 시작하고, 그 결함이 자라서 어느 순간 사고로 이어진다.

정식으로 정의하면 절연열화는 전기적·열적·화학적·기계적 스트레스가 절연체에 누적되어 절연내력이 저하되는 과정이다. 열화가 진행되면 누설전류가 늘고, 결국 단락이나 지락 사고가 발생한다.

핵심 용어를 나눠 보면 다음과 같다.

수트리는 케이블 내부에 존재하는 수분이 고전계 부위로 모여 나뭇가지 모양으로 자라는 트리다. 수분이 있어야 발생하므로 수분이 제거되면 사라지지만, 다시 수분이 들어오면 재발생한다. 저전계에서도 나타나는 것이 특징이다.

전기트리는 결함 지점에서 부분방전이 반복되어 절연체가 국부적으로 파괴되며 나뭇가지 모양으로 진전하는 트리다. 최종적으로 벤티드 트리가 되면 절연파괴에 이른다.

화학트리는 황화물이 PE층을 투과해 도체인 구리와 반응해 황화동을 만들고, 이 분자가 빠져나가며 나무 모양의 트리를 만드는 현상이다.

부분방전은 절연체 중의 기포나 반도전층 경계의 공극에서 국부적으로 일어나는 미세한 방전이다. 방전이 반복되면 절연체가 침식되어 절연성능이 떨어진다.

트래킹 열화는 절연물 표면에 습기·먼지·금속분진이 쌓여 누설전류가 증가하고, 발열과 미소 발광방전을 거쳐 표면이 탄화되는 열화다.

3. 등장 배경과 필요성

도시 전력수요가 늘면서 지중배전 케이블의 비중이 커졌다. 지중케이블은 가공선과 달리 포설 후 외부에서 직접 관찰하기 어렵기 때문에 열화를 미리 알아내는 진단 기술이 필요해졌다.

초기 전력케이블의 절연재인 종이·기름 절연은 점차 PE, 그리고 가교폴리에틸렌(XLPE)으로 바뀌었다. XLPE는 PE보다 허용운전온도가 높아 송전용량을 키울 수 있다. 다만 제조 초기에는 수트리 문제가 나타났고, 이를 해결하기 위해 제조기술과 열화 진단기술이 함께 발전했다.

사고 측면에서도 절연열화는 정전 범위를 넓히고 복구 비용을 키운다. 열화가 진행된 케이블을 사고 전에 찾아 교체하는 예방보전이 경제적이므로, 열화 원인과 진단법을 체계적으로 정리하는 것이 필요하다.

수트리 열화에 관한 현장 사례 분석에서는 지중 선로에서 포설 후 약 7년이 지나면 수트리가 발생하기 시작하고, 수년 뒤 절연파괴로 이어지는 것으로 보고되어 있다. 따라서 포설 후 일정 기간이 지나면 직류성분법으로 주기적 진단을 하는 관리 방식이 쓰인다. 이 기간의 세부 값은 현장 조건에 따라 달라지므로 답안에는 '포설 후 수년 경과 시부터 주기적 진단'으로 쓴다.

4. 구성요소·원리·절차

전력케이블은 도체, 내부 반도전층, 절연층, 외부 반도전층, 차폐층(금속 시스), 외장으로 구성된다. 절연층은 운전 전계를 견디고 부분방전과 트리 진전을 막는 것이 핵심이다. 구성요소별 역할과 열화 취약점은 다음과 같다.

열화 원리는 세 갈래로 정리된다. 첫째, 수분과 전계가 함께 있으면 수트리가 생긴다. 수트리는 물과 전계가 동시에 존재하는 조건에서 발생하며 저전계(6kV/mm)에서도 진전한다. 둘째, 절연층 내 기포나 계면 공극에서 부분방전이 반복되면 절연체가 침식된다. 셋째, 황화물이 도체와 반응하면 화학트리가 발생한다. 세 경로 모두 결국 절연파괴로 이어진다.

열화 진행 절차는 다음과 같다.

• 도체·반도전층 계면 결함(돌기, 공극, 이물질)이 전계 집중점이 된다.
• 수분 침투 또는 부분방전이 결함에서 시작된다.
• 수트리 또는 전기트리가 나무 모양으로 진전한다.
• 벤티드 트리가 절연층을 관통하면 절연파괴(지락·단락)에 이른다.

도식의 흐름을 답안에 옮길 때는 결함 → 전계 집중 → 트리 진전 → 절연파괴 순서를 지킨다. 진단은 이 흐름의 앞 단계에서 결함을 찾는 것이 목적이다.

수트리가 발생하는 조건도 공식처럼 정리한다. 수트리는 수분과 전계가 동시에 있어야 한다. 전기트리는 부분방전이 필요하므로 전계가 상대적으로 높다. 두 트리 모두 진행하면 벤티드 트리 형성 시 절연파괴 임박으로 판단한다.

그림의 구조는 열화 경로를 보이는 흐름도이며, 공식은 절연파괴 조건인 전계 E = V/d(E: 전계[kV/mm], V: 인가전압[kV], d: 절연층 두께[mm])로 쓴다. 전계가 높은 곳일수록 트리가 빨리 진전한다.

5. 관련 법령·기준·표준

케이블 절연열화를 다루는 기준은 전기설비 기술기준과 한국전기설비규정(KEC), 지중선로 관련 기준이 중심이다. 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)이 적용되며, 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'은 대체됐다. 절연열화 진단은 법적 기준값보다 진단 방법의 판정 기준이 실무에서 쓰인다.

표의 값은 진단 방법과 대상의 구분을 보이는 것이다. 정전 진단은 절연저항·직류누설·유전정접처럼 회로를 끊고 측정하고, 활선 진단은 부분방전 신호와 직류성분을 운전 중에 측정한다. 부분방전 검출 대역폭은 측정 장비의 사양이므로 답안에서는 방법의 종류를 중심으로 쓴다.

개정 연혁은 2021-01-01 KEC 시행이 핵심이다. 열화 진단 방법 자체는 기술기준 개정과 별개로 실무 표준이 발전해 왔다.

한 가지 기억할 점은 수트리는 수분과 전계의 공존에서 발생하고, 전기트리는 부분방전으로 진전한다는 구분이다. 이 구분을 흐름도와 함께 쓰면 채점 기준을 충족한다.

6. 유형과 비교

전력케이블 절연열화는 발생 원인과 진행 형태에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 열화 유형을 구분해야 진단 방법과 대책을 정확히 고를 수 있다. 아래 표는 주요 열화 유형의 원인과 특징을 정리한 것이다.