전력케이블 절연진단

왜 배우는가: 전력케이블은 지중·수중 등 점검이 어려운 곳에 설치되어 절연 열화가 사고로 이어지기 전에 미리 발견해야 한다. 전력케이블 절연진단은 정전 상태와 활선 상태에서 쓰는 여러 방법을 포함하며, 기술사 시험에서는 각 진단법의 원리와 적용 조건을 구분해 묻는 문항이 반복해서 나온다.

출제 이력: 제131회 3교시 5번, 제123회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전력케이블 절연진단은 케이블의 절연체 상태를 전기적 시험으로 측정해 열화 정도를 판정하고 절연파괴 전에 보수 시기를 정하는 기술이다.

• 절연열화
• 부분방전(PD)
• 유전정접(tanδ)
• VLF 시험
• 내전압시험
• 정전·활선 진단

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 케이블 속 절연체가 낡아 가는 정도를 전기 신호로 읽어 내는 일이다. 절연체에 전압을 걸었을 때 흐르는 누설전류, 손실 비율, 부분방전의 크기를 재서 상태를 나눈다.

정식 정의는 다음과 같다. 전력케이블 절연진단은 케이블의 절연층이 운전 중 받는 전기적, 열적, 기계적 스트레스로 생기는 열화를 시험 전압과 측정값으로 평가하여, 잔여 수명과 교체 여부를 판단하는 절차이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

절연열화는 수트리(water tree)나 전기트리(electrical tree) 같은 결함이 절연체 안에 생겨 절연 성능이 떨어지는 현상이다. 물이 침투한 가교폴리에틸렌(XLPE) 케이블에서 수트리가 특히 문제 된다.

부분방전(PD)은 절연체 내부 공극이나 결함에서 국부적으로 일어나는 방전이다. 전체 절연이 깨지기 전에 나타나므로 조기 진단 지표가 된다.

유전정접(tanδ)은 절연체가 흡수하는 에너지 중 열로 소비되는 비율이다. 절연이 나빠지면 값이 커지므로 열화 지표로 쓴다. 손실 비율이라는 뜻이며 탄젠트 델타라고도 한다.

VLF(Very Low Frequency) 시험은 0.1Hz 정도의 극저주파 전압을 케이블에 걸어 측정하는 방법이다. 정격 주파수 60Hz 교류보다 낮은 주파수를 써서 시험 장비를 작게 만들 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전력케이블은 가공선과 달리 지중이나 관로에 묻혀 외관으로 상태를 확인하기 어렵다. 사고가 나면 고장점 탐지와 복구에 시간과 비용이 많이 든다. 따라서 사고 전에 절연 상태를 주기적으로 확인하는 방법이 필요해졌다.

과거에는 절연저항 측정이나 직류 내전압 시험이 주로 쓰였다. 그런데 직류 시험은 절연체 내부에 공간 전하를 남겨 오히려 열화를 촉진할 수 있다는 문제가 지적되었다. 이 때문에 교류에 가까운 시험 전압을 쓰는 진단법이 발전했다.

전력케이블 절연은 폴리머 계열 재료가 대부분이다. 재료 특성상 시간이 지나면 유전 특성이 변하고 손실이 증가한다. 손실이 몇 자릿수 단위로 커질 수 있어 tanδ 측정이 열화 판정에 유효하다는 연구가 있다.

이런 배경에서 설비를 정전시키지 않고 진단하는 활선 진단법과, 정전 후 정밀하게 시험하는 정전 진단법이 함께 쓰이게 되었다. 중압 이상 배전 케이블에서는 VLF 시험이 현장 적용의 대표 방법으로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

전력케이블 VLF 진단은 정전 상태에서 케이블에 초저주파(0.1Hz 안팎) 교류 전압을 인가하고, 절연체의 유전정접(tanδ)과 부분방전(PD)을 측정하는 방식이다. 시험 장치는 고전압 전원, 시험 대상, 전류·tanδ 측정부, 부분방전 측정부, 데이터 처리부로 나뉜다.

케이블 절연체는 이상적으로 콘덴서 역할을 한다. 열화가 진행되면 수분 트리(water tree) 등으로 저항성 누설 전류가 늘어난다. 유전정접은 용량성 전류에 대한 저항성 전류의 비다.

$\tan\delta = \frac{I_R}{I_C} = \frac{1}{\omega C R}$

I_R은 저항성 전류(A), I_C는 용량성 전류(A), \omega는 각주파수 2\pi f(rad/s), C는 시험 구간 정전용량(F), R은 등가 저항(Ω)이다. 주파수를 0.1Hz로 낮추면 같은 전압에서 흐르는 용량성 전류가 작아진다. 따라서 대용량 상용주파 시험설비 없이 긴 케이블을 시험할 수 있다. 이것이 VLF 방식의 핵심 이점이다.

부분방전은 전압을 올려 보이드·수트리 등 결함에서 방전이 시작되는 방전 개시전압과 방전이 멈추는 소멸전압을 측정한다. 방전량은 교정기로 기준을 맞춘 뒤 pC 단위로 표시한다. 방전 위치는 TDR(시간영역 반사) 기법으로 찾는다. tanδ는 전압 크기와 주파수에 따라 값이 달라지므로, 전압 상승 과정 전체를 기록해야 한다.

절차는 다음과 같다.

• 케이블을 정전하고 양단을 분리한 뒤 잔류 전하를 방전·접지한다.
• 시험 구간의 정전용량을 측정하고 목표 시험전압을 설정한다.
• 0.1Hz 전압을 단계적으로 올리면서 단계마다 tanδ를 측정한다.
• 목표 전압에서 tanδ와 PD(pC)를 기록하고, 필요하면 TDR로 방전 위치를 찾는다.
• 전압을 낮춘 뒤 방전하고 접지한다.
• 판정기준과 대조해 열화 단계와 조치(교체·보수·재시험)를 정한다.

인가전압이 높을수록 케이블 열화가 가속되므로 시험전압 기준을 엄격히 정해야 한다. 시험 중 절연이 파괴되는 사례도 보고되어 있어, 판정기준의 전압 수준 설정이 중요하다.

VLF 진단은 0.1Hz 저주파 교류로 tanδ와 PD를 함께 측정해 열화 단계를 판정하는 정전 시험이다

5. 관련 법령·기준·표준

VLF 진단은 법령으로 시험 방법을 정한 방식이 아니라 국제 가이드와 전력사 판정기준으로 운용된다. 시험 주파수·전압·판정 기준이 기준마다 다르므로 표로 구분해 쓴다.

위 표의 값은 기준별로 적용 대상과 전압 기준이 다르다. 한 기준의 값을 다른 기준에 그대로 옮기지 않는다. 한국전력은 현장 데이터 7,800여 개를 통계 분석해 판정기준을 정했고, 2009년에는 3단계 판정, 2012년에는 6단계 판정으로 세분화했다.

고장임박 방전량 기준을 넘으면 판정값과 무관하게 즉시 조치하는 기준이다. 전압 기준은 케이블 스트레스를 줄이려고 종전 배수 기준을 제외한 조정값이다. 2013년 IEEE 400.2 판정 체계는 tanδ의 전압 안정성(DTD)과 시간 안정성(STDEV)을 함께 보는 3차원 평가를 제시했다.

판정은 tanδ 단계와 PD 방전량 조건을 함께 보고, 기준 초과 시 판정값과 무관하게 조치한다

개정 연혁은 다음과 같이 정리한다. IEEE 400 계열은 현장 시험·평가 가이드로 유지되었고, 한국전력의 VLF 판정기준은 2009년 3단계에서 2012년 6단계로 바뀌었다. 최근에는 tanδ 패턴으로 절연 파괴의 전조를 찾고 잔여수명을 계산하려는 연구가 진행되고 있다.