오늘날 전력사용이 급증하면서 부하가 대용량화되는 추세에 따라 전기설비의 규모는 점차 대규모화 되고, 사회는 점점 고도정보화 사회로 발전되고 있다. 따라서, 설비의 사고 및 정전 등은 높은 전기적 의존도를 가진 고도 산업사회에 막대한 경제적 손실 및 장애를 가져다준다. 한편, 도시 환경의 미화차원에서 지중배전선로는 점차 증가하고 특히, 전력 케이블은 주로 공장 또는 대도시의 도로지반하에 분포하고 있어 사고시 복구에 많은 시간이 필요하며 교통 및 산업활동에 막대한 피해를 끼치게 된다. 이러한 반면에 우리나라에서는 배전용 케이블로 CV 케이블을 포설하기 시작한지 20여년이 경과되어 최근에 사고가 점증하고 있는 추세이다. 그리고, 근래에 포설한 케이블이라 할지라도 시공불량 및 기타 열악한 환경에 놓여 있게 되면 단시간에도 사고에 이를 수가 있어 설비 및 수용가에 원활한 전력공급 및 사고의 미연 방지를 위해 케이블의 열화상태를 정기적으로 진단할 필요가 있으며, 이를 위한 예방진단 기술의 연구가 필요로 하게 되었다. 본 논문은 이러한 배경하에서 케이블에서의 열화사고 현황, 절연 열화요인과 열화 process 그리고 절연진단기술의 현황 등을 알아보고, 국내 배전선로 계통인 3.3kV 및 6.6kV급 CV 케이블의 열화 진단기술 현황 및 향후 전망에 대하여 기술하였다.
1968년에 최초로 선진공업국가에서 케이블 열화에 의한 지중 Power Cable의 사고가 발생된 후, utility company는 여러 연구기관과 협력하여 지중배전용 케이블을 수거하여, 케이블의 열화가 계통사고의 원인이 된다는 것을 입증하였다. 또한 고전압 전력계통에 설치된 기존의 OF케이블(oil filled power cable)은 점차로 절연층이 매우 두꺼운 polymer insulated extruded power cable로 대체되어 가는 것이 세계적인 추세이다. 국내에서도 이러한 extruded power cable의 매설이 증가되고 있어, 이에 의한 사고가 발생될 수 있는 potential이 커지고 있기 때문에 우선 전력케이블이 어떠한 이유로 열화되고 어떠한 형태로 나타나는가에 대해 많은 해외연구기관의 연구들을 토대로 간단히 살펴보기로 한다. 열화진단시험방법이나 열화원인분석을 위한 물리화학적 mechanism에 대해서는 다음 기회에 언급하기로 한다.
본 고에서는 케이블 시스템 진단을 위하여, 열화 현상의 확인, 관련된 성질 변화의 측정과 검출방법의 개발 및 운전 지침등에 대해, 관련 문헌에 대한 조사를 토대로 정리하였으며, 이론적인 접근보다는 실제적인 것을 채택하고 케이블 사용자에 적용될 수 있는 방법을 제시하고자 하였다. 진단 시험에 대해서는, 진단법을 다루었거나, 현장이건 아니건 다양한 시험을 고려할 때 진단 시험으로서 정의 -"운전조건에서 케이블이나 액세서리의 사고에 원인이 될 수 있는 열화 현상을 평가하고 찾아내는 것"- 할 수 있다면 본 고에 포함시켰다. 따라서, 사고가 발생되어 교체된 케이블 샘플에 대한 실험실 시험과 현장에서의 비파괴 시험은 모두 진단시험으로 간주하여 정리하였다. 본 고에서는 고전압 OF 케이블과 사출케이블 및 액세서리에 대해 다루었으며, 열화 현상보다는 진단법에 주력하였고 DC 케이블은 제외하였다.이블은 제외하였다.
본 논문에서는 22.9kV급 지중 전력 케이블의 열화에 의한 특성 변화를 분석한다. 케이블이 실제 선로로 포설될 경우 케이블에는 고전압이 흐르게 되고, 이로 인해 열이 발생하게 된다. 이와 같이 발생한 열에 의한 절연체 이상은 케이블 사고로 이어지므로 케이블의 열화 특성 분석은 사고를 미연에 방지하기 위해서 필요하다. 따라서 본 논문에서는 실제 선로에 사용된 후 교체된 케이블의 감쇠 상수를 구하여 열화가 진행된 정도에 따른 감쇠상수의 변화를 분석한다. 이 때, 네트워크분석기의 S-파라미터를 이용하여 감쇠 상수를 구하고, 정상 상태 케이블과 폐 케이블의 감쇠상수를 비교하여 열화에 의한 케이블의 특성을 분석한다.
케이블 사고의 주요 원인은 케이블 자체 또는 내·외적으로 전기적, 기계적, 화학적, 열적, 수분침입 등으로 인한 열화의 가속화로 절연성능 감소되고 절연파괴가 발생하여 케이블 사고를 유발하게 된다. 케이블 사고는 과전압, 과전류의 영향으로 절연이 불량한 부분에서 발생할 수 있으므로, 변압기, 차단기의 이상여부, 상간불평형에 의한 지락사고 등을 종합적으로 분석할 필요성이 있다. 케이블의 절연파괴에 의한 지락사고는 케이블 자체의 결함, 케이블 시공불량 뿐만 아니라 운영상의 영향, 전기설비(개폐기, 차단기 등)의 운전 시 아크 등에 의해 발생할 수 있어 사고시점을 전후로 운전 데이터 및 사고 이력에 대한 분석이 필요하다. 이 연구에서는 국내의 한 공장에서 발생한 케이블 사고의 분석을 통하여 케이블 사고의 원인을 고찰하고자 한다.
최근 사회적인 여건변화와 전산계산기등의 보급으로 인하여 배전선로를 휴전시키기가 곤란하고, 휴전작업의 계획시 장기간이 소요되며, 진단에 필요한 장비가 상당하고, 원상복구후 송전에 장시간이 피룡하며, 열화진단시 직류 고전압인가(인가전압이 낮으면 불량케이블을 검출할 수 없음)에 따른 케이블의 열화촉진 및 절연파괴사고의 유발 등 현행 방법과 같은 휴전에 의한 직류고전압 열화진단 방법에도 문제가 많다. 따라서 수용가에 대한 봉사수준을 향상하고, 휴전작업으로 인한 정전시간을 경감하며, 열화진단에 소요되는 장비와 인력을 경감시키기 위하여 케이블 절연성능의 열화진단을 활선상태(교류전압이 인가되어 운전중인 상태)에서 실시하여야 할 필요성이 매년 높아가고 있다.
본 논문에서는 육상의 지중전력케이블에 비해 유지보수가 힘들고 사고의 파급효과나 사고복구에 큰 어려움이 따르는 해저케이블을 대상으로 진단시험 및 유지보수에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구의 목적은 사고위험이 높은 해저선로에 대한 경제적이고 효율적인 열화진단 및 유지보수에 있다. 진단시험 결과, 해저케이블의 열화정도는 매우 심각하며 열화가 계속 진전되고 있음을 확인하였다. 단말부 교체시공 후 재 진단시험을 실시한 결과, 전체적인 열화상태가 개선되었음을 확인하였으며 단말부 및 케이블 절연부에 대한 전기적 특성시험과 화학구조분석 시험 결과, 전체 케이블 시스템의 열화는 주로 단말부 열화에 기인함을 알았다. 상기 결과에 따라 본 연구에 사용된 진단기법 및 유지보수 절차가 해저케이블시스템의 경제적인 관리에 매우 효과적임을 학인하였다.
본고에서는 OF케이블의 gas분석에 관한 언급을 제외하고는 주로 CV케이블의 전기적 특성면에서의 절연열화 진단에 관하여 가장 실용화에 접근한 시험법과 측정결과를 개략적으로 기술하였다. 그러나 소개하지 못한 연구시험중에 있는 신기술도 많이 있다. 다만, 이 여러가지 시험법과 이론이 증명하듯이 최근 전력 케이블의 열화진단 기술을 확립하려는 많은 노력이 경주되고 있다는 것이다. 앞으로 머지않아 이 결과들이 정리되어 최적의 케이블 진단기술이 확립될 것이며 이에따라 전력케이블의 절연파괴 사고를 미연에 방지하므로써 전력공합신뢰도 향상에 이바지 하게 될것으로 확신한다.
우리 나라에서 발전소가 전기를 생산하고 고전압 전력을 공급하기 위하여 채택한 XLPE 케이블(또는 CV케이블)은 포설된지 40년에 이르고 있다. 설치환경 및 사용조건에 다르겠지만, 설치 후 운전 상태에 있는 CV 케이블은 6~8년의 기간이 경과하면 열화가 발생하기 시작하고, 상태가 나빠지는 경우, 절연 파괴현상으로 인한 휴전 및 화재 사고가 발생한다는 많은 사례 보고가 있다. 근래에 포설한 케이블이라 할지라도 시공 불량이나 기타의 열악한 주변 환경으로 인한 악조건 상태에 노출되는 경우, 6~8년 미만의 시점에서도 사고가 발생할 수가 있다. 사고를 미연에 방지하기 위하여 케이블의 동작상 태를 정기적으로 감시 확인하여야 한다. 우리는 케이블의 사고를 체계적으로 감시 및 예방하기 위하여 측정 장비를 개발하였다. 이 논문에서 케이블의 절연 상태의 열화 상태를 감시하기 위하여 한국서부발전 주식회사(Korean Western Power Co. Ltd.)에 설치하여 운영 중에 있는 장비의 설계와 그 장비를 사용하여 측정한 결과즉, 케이블의 열화 과정을 나타내는 결과를 제시한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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