전력케이블 트리현상

왜 배우는가: 전력케이블 트리현상은 XLPE 등 고압 지중케이블 절연 열화의 대표 원인으로, 지중 선로 사고와 열화진단의 출발점이 된다. 전기트리·수트리·화학트리의 구분은 진단법 선택과 대책 수립의 근거라서 기술사 시험에 반복해 출제된다.

출제 이력: 제110회 3교시 5번, 제96회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

트리현상은 고체 절연체 내부에서 부분방전 등에 의해 나뭇가지 모양의 열화 통로가 진전되어 절연이 파괴되는 현상이다.

핵심 키워드

• 트리현상(Treeing): 고체 절연체 내부에 나뭇가지 모양의 열화 경로가 생기는 현상
• 부분방전(Partial Discharge): 절연체 내부 공극에서 국부적으로 발생하는 방전
• 수트리(Water Tree): 수분과 고전계에 의해 생기는 트리
• 전기트리(Electrical Tree): 부분방전에 의해 생기는 트리, 파괴 직전 단계
• 화학트리(Chemical Tree): 황화물 등 화학물질 반응으로 생기는 트리
• 벤티드 트리(Vented Tree): 전기트리가 성장해 절연파괴에 이르는 형태
• XLPE 절연체: 가교폴리에틸렌 절연 재료

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 케이블 절연체 속에 생긴 작은 흠에서 시작해 가지가 뻗듯 열화가 번지는 현상이다. 처음에는 눈에 잘 보이지 않다가 서서히 진행되므로 예측이 어렵다.

정식 정의는 다음과 같다. 트리현상은 고체 절연체, 특히 고압 지중케이블 절연체에서 부분방전 또는 수분·화학작용에 의해 나뭇가지 모양의 열화 경로가 진전되는 현상이다. 위키백과 자료에서도 지중 고압케이블 절연의 대표적 파괴 기구이자 지중 전력케이블 고장의 원인으로 설명된다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

트리(Tree) 는 절연체 내부에 생기는 가지 모양의 열화 통로다. 전계가 집중된 곳에서 시작해 전계 방향으로 성장한다.

부분방전(Partial Discharge) 은 절연체 내부 공극이나 결함에서 전극 사이를 완전히 잇지 않고 일어나는 국부 방전이다. 전기트리를 진전시키는 직접 원인이다.

수트리(Water Tree) 는 수분이 침투한 상태에서 전계가 걸려 생기는 트리로, 수분을 제거하면 사라질 수 있다. 전기트리를 유도하는 경우가 많다.

전기트리(Electrical Tree) 는 부분방전에 의해 절연이 국부적으로 파괴되며 진전하는 트리로, 채널이 수트리보다 크고 뚜렷하다.

화학트리(Chemical Tree) 는 케이블 주변 황화물이 절연체를 투과해 도체 구리와 반응하며 생기는 트리다.

3. 등장 배경과 필요성

지중케이블은 포설 후 상당 기간 운전하면서 절연 열화가 누적된다. 열화는 외관에 드러나지 않고 서서히 진행되어 사고가 갑작스럽게 나타난다. 이 때문에 열화 원인과 진행 형태를 미리 파악하는 것이 중요하다.

XLPE는 1950년대에 개발된 이후 고압·초고압 케이블 절연에 가장 많이 쓰이는 재료다. 그러나 절연 재료가 우수하더라도 제조 중 생긴 공극, 불순물, 반도전층 돌기 같은 결함에서 전계가 집중되면 부분방전이 시작된다. 트리현상은 이러한 결함이 누적되어 나타나는 현상이다.

트리현상이 문제가 되는 이유는 다음과 같다.

• 상시 운전전압만으로도 열화가 진행될 수 있다.
• 이상전압(뇌서지, 개폐서지)은 열화를 개시시키는 계기가 된다.
• 열화가 진행되면 사고 전에 발견하기 어렵다.

따라서 설계 단계에서 결함을 줄이고, 운전 중에는 부분방전 측정 같은 열화진단으로 트리 진전을 감시하는 체계가 필요하다.

XLPE 절연체의 비유전율은 관련 기준이 정한 값을 따른다


4. 구성요소·원리·절차

전력케이블의 트리현상은 절연체 내부 또는 계면의 국부 고전계에서 시작해 나뭇가지 모양으로 진전하는 전기적 전 파괴 현상이다. 트리가 자라는 원인과 경로를 구성요소별로 나누어 이해하면 답안 구성이 쉬워진다.

절연체의 구성 요소와 역할은 아래 표와 같다.

표의 내용은 절연체 결함의 위치와 전계 집중 경로를 보여 준다. 반도전층의 돌기와 들뜸이 가장 흔한 결함으로, 제조 단계의 품질이 열화 속도를 결정한다.

원리는 다음과 같다. 절연체 내부에 공극이나 불순물이 있으면 유전율이 낮은 공극에 전계가 집중한다. 이 부분에서 부분방전(Partial Discharge)이 일어나면 침식 생성물과 탄화 채널이 만들어진다. 부분방전이 반복되면 채널이 연결되어 트리가 성장하고, 결국 절연파괴에 이른다. 트리는 부분방전이 누적되어 나뭇가지 모양으로 진전하는 절연파괴 전 단계 현상이다.

트리는 열화 원인에 따라 세 가지로 발전한다. 수트리(Water Tree)는 수분과 전계가 함께 작용해 생기고, 전기트리(Electrical Tree)는 부분방전으로 생기며, 화학트리(Chemical Tree)는 황화물과 도체 구리가 반응해 생긴다. 수트리는 전기트리를 유도하는 경우가 많다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 제조 결함이나 기계적 손상으로 절연체에 공극·불순물·돌기가 생긴다.
• 결함 부위에 전계가 집중되어 부분방전이 발생한다.
• 부분방전으로 절연체 표면이 침식되고 탄화 채널이 형성된다.
• 수분과 전계가 함께 작용하면 수트리가 성장해 전기트리로 전이한다.
• 전기트리가 연결되어 보우타이 트리 또는 벤티드 트리가 되면 절연파괴에 이른다.

전기트리의 진전은 절연체 내 전계 세기와 부분방전 에너지에 비례해 빨라진다. 이를 단순화한 관계는 아래와 같다.

$$ E_{\max} = \frac{V}{r \ln(r_2/r_1)} $$

여기서 E_{\max}는 도체 표면의 최대 전계(kV/mm), V는 인가 전압(kV), r_1은 도체 반지름(mm), r_2는 절연체 외반지름(mm)이다. 결함 주변에서는 이 평균 전계보다 훨씬 큰 국부 전계가 생기므로, 국부 전계 집중이 트리 발생의 핵심이 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

전력케이블 트리현상과 직접 관련된 기준은 케이블 제조 기준과 시험·진단 기준으로 나뉜다. 국내에서는 전력케이블의 설계와 시공을 한국전기설비규정(KEC)이 규정하고, 절연 시험과 열화 진단은 전기설비 점검 기준을 따른다. 아래 표는 기준값과 조건을 정리한 것이다. 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓰고, 값은 널리 알려진 기준으로 쓴다.

표의 값은 케이블 절연 기준의 대표 수치다. 정격 온도와 단락 정격은 열화 원인을 판단할 때 과열 여부를 가리는 기준이 된다. XLPE의 비유전율은 공극의 전계 집중을 설명할 때 쓰는 기준이며, 공극의 비유전율은 1에 가까워 절연 강도가 낮다.

열화 진단 기준은 부분방전 측정과 tan δ(유전정접) 측정으로 나뉜다. 부분방전 측정은 트리와 결함을 찾는 데 쓰고, tan δ 측정은 수트리 같은 넓은 열화의 경향을 보는 데 쓴다. 두 방법을 함께 쓰면 열화 판정 정확도가 높아진다.

케이블 설계에서 전계 완화를 위해 반도전층을 균일하게 배치하고 차폐를 접지하는 것이 기본 기준이다. 차폐 접지는 전계를 균등하게 만들고 누설전류를 대지로 흘려보낸다. 응력 완화 원추는 차폐 끝단에 적용해 국부 전계를 줄인다.