XLPE 케이블 열화

왜 배우는가: XLPE 케이블은 고압·초고압 지중 전력망의 주력 절연재이므로 열화의 원인과 진단 방법을 알아야 설비 고장을 예방할 수 있다. 열화는 외형에 드러나지 않고 서서히 진행되는 현상이어서 시험에서 원인, 형태, 대책을 함께 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제136회 4교시 4번, 제110회 1교시 11번, 제97회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

XLPE 케이블 열화는 가교폴리에틸렌(XLPE) 절연체가 전기적·열적·기계적·화학적·생물적 요인으로 절연성능을 잃어 결국 절연파괴에 이르는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 가교폴리에틸렌: 폴리에틸렌에 가교 반응을 주어 열경화성 구조로 바꾼 절연재이다.
• 수트리: 수분이 침투한 절연체 경계면에서 나무 가지 모양으로 성장하는 열화이다.
• 전기트리: 결함 지점의 부분방전으로 절연체가 나뭇가지 모양으로 파괴되며 진전하는 열화이다.
• 화학트리: 황화물과 도체인 구리의 반응 생성물이 나무 모양 트리를 만드는 열화이다.
• 부분방전: 공극이나 결함에 전계가 집중되어 절연체가 국부적으로 방전하는 현상이다.
• 보이드: 절연체 내부에 생긴 공극으로, 전계가 집중되는 대표적인 결함이다.
• 절연파괴: 열화가 누적되어 절연체가 전류를 막지 못하고 관통되는 최종 상태이다.

2. 개념 풀이

케이블 열화는 절연체가 운전 중 받는 전기적·열적·기계적·화학적·생물적 스트레스로 절연 성능이 점차 떨어지는 현상이다. 열화는 외형에 드러나지 않고 서서히 진행되므로 사고가 나기 전에는 상태를 파악하기 어렵다. 따라서 열화의 원인과 형태를 구분해 이해해야 진단과 대책을 연결할 수 있다.

열화 원인은 크게 다섯 가지 요인으로 나뉜다.

• 전기적 요인: 뇌서지와 개폐서지 같은 이상전압으로 열화가 시작되며, 상시 운전전압에 의해 진행되는 경우가 일반적이다.
• 열적 요인: 열에 의한 절연체의 수축, 팽창, 변형이 반복되어 계면에 공극이 생긴다.
• 기계적 요인: 포설 과정의 인장, 충격, 굴곡, 외상이 절연체와 차폐층을 손상시킨다.
• 화학적 요인: 토양의 수분과 화학물질이 침투하며, 단말부에서는 오존, 수분, 염분에 의해 부식이 일어난다.
• 생물적 요인: 개미, 쥐 같은 생물이 케이블 외피를 손상시킨다.

이들 요인은 하나만 작용하기보다 복합적으로 작용하는 경우가 많다. 열화의 원리는 절연체 내부의 국부 고전계부에서 출발하며, 결함 생성, 부분방전, 트리 성장, 절연파괴의 순서로 진행한다.

XLPE의 비유전율은 2.4이다. 공극은 XLPE보다 비유전율이 낮아 전계가 공극 쪽으로 몰린다. 공극, 불순물, 반도전층의 돌기 같은 결함은 이렇게 전계를 집중시키는 원인이 된다. 집중된 전계에서 부분방전이 발생하고, 부분방전이 반복되면 절연체가 탄화되어 전기트리가 성장한다. 전기트리가 벤티드 트리 단계에 이르면 절연파괴가 급속히 진행된다.

부분방전은 절연체 내부의 공극이나 결함에서 국부적으로 일어나는 방전이다. 절연파괴 사례 대부분이 부분방전과 밀접한 관계를 가지므로 열화 진단의 핵심 현상으로 본다.

수트리는 내부 또는 외부 반도전층과 절연체의 경계에 수분이 침투한 상태에서 전계가 걸려 트리 모양으로 성장하는 열화이다. 수분이 건조되면 수트리는 사라지지만 수분이 다시 유입되면 재발생하며, 일반적으로 수트리는 전기트리를 유도한다.

전기트리는 결함 지점의 부분방전으로 절연체가 나뭇가지 모양으로 진전하는 열화이다. 절연파괴 직전 단계에 해당하며, 탄화채널이 생기면 파괴 속도가 급격히 빨라진다.

화학트리는 황화물이 폴리에틸렌층을 투과하여 도체인 구리와 반응해 황화구리를 만들고, 운전 중 이 생성물이 빠져나가면서 나무 모양 트리를 만드는 열화이다. 황화물이 존재하는 환경에 포설된 케이블에서 주로 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

절연재 분야는 종이, 광유, 천연고무 같은 천연재를 합성폴리머가 대신하는 방향으로 발전해 왔다. 합성폴리머 가운데 폴리에틸렌(PE)은 전기적 특성이 우수하지만 열가소성 재료이므로 허용운전온도가 70℃로 제한된다.

PE에 가교 반응을 주면 분자 구조가 바뀌어 열경화성 재료인 XLPE가 된다. 가교 반응을 거치면 허용운전온도가 90℃인 열경화성 재료가 된다. 전력케이블에서 허용운전온도가 올라간다는 것은 같은 도체에 더 큰 송전전류를 흘릴 수 있다는 뜻이다. 그래서 XLPE는 송전 용량과 효율을 높이는 절연재로 자리 잡았다.