3.2.1 실험계
그림 3.11은 TDR 방식을 기반으로 부분방전 펄스를 이용한, 케이블 내 결함 위치추정의 실험계 구성도이다. 도체와 시스 사이에 연결된 변압기 를 통해 고전압을 인가하였으며, 분압기를 이용하여 전압을 측정하였다.
고주파변류기는 고압 인입부로부터 1 m 떨어진 위치에 설치하여 방전펄 스를 검출하였으며, 이를 측정지점으로 선정하였다. 결함은 길이 50 m 케 이블을 통해, 측정지점으로부터 2 m 떨어진 위치에 모의하였다. 또한 실 험의 유효성을 입증하기 위하여, 케이블 길이 및 결함지점을 변화시켜 수행하였다. 오실로스코프에서 측정된 방전펄스 및 반사펄스를 통해 펄스 간의 시간차를 분석하였으며, 식 3.3에서 도출한 공식을 적용하여 결함위 치를 산출하였다.
그림 3.11 결함 위치추정을 위한 실험계 구성
Fig 3.11 Experimental setup for a defect localization
그림 3.12와 같이 부분방전에 의한 펄스는 결함지점을 기준으로, 케이블 양 끝단을 향해 동시에 진행하게 된다. 식 3.2는 방전펄스 및 개방된 케이 블 끝단에서 발생한 반사펄스의 시간차를 나타내며, 전파속도와 펄스간의 이동거리를 통해 도출할 수 있다. 식 3.3은 상기의 식을 이용해 측정지점 으로부터 결함지점까지의 거리(
)를 표현한 것으로, 케이블의 전장(
), 펄 스의 전파속도(
) 및 측정된 시간차(∆
)를 적용하여 산출할 수 있다. 하 지만 케이블을 따라 진행하는 펄스의 전파속도 및 거리에 대한 감쇠특성 을 사전에 고려할 필요가 있으며, 본 연구에 앞서 이를 수행하였다.∆
(3.2)
×
(3.3)그림 3.12 결함의 위치추정 원리
Fig 3.12 Principle of defects localization
3.2.2 전파속도 산출
결함위치를 추정하기 위해서는, 케이블을 따라 진행하는 펄스의 전파속 도(Velocity of propagation,
)가 요구된다. 빛의 속도(
) 및 절연체의 비 유전율(Relativity permittivity,
)을 이용하여 산출할 수 있으며, 대상 케 이블의 자료를 참조하여, 식 3.4에 나타내었다.
×
×
(3.4)또한 10 m 이격시킨 두 고주파변류기를 통해, 펄스간의 시간차를 측정 하여 전파속도를 구하였다. 그림 3.13과 같이 시간차는 50 ns로 나타났으 며, 전파속도는 2×108m/s로 산출되었다. 비 유전율을 통한 결과와 거의 유사함을 보였고, 오실로스코프의 수평분해능(Horizontal resolution)이 충 분히 높다면, 동일한 결과가 나타날 것이라 판단된다. 본 연구에서는 고주 파변류기를 통해 산출된 전파속도를 적용하여 실험을 수행하였다.
그림 3.13 펄스의 시간차
Fig. 3.13 Time interval between two pulses
3.2.3 감쇠특성 분석
펄스가 케이블을 따라 진행하게 되면, 저항 및 리액턴스 성분에 의해 크기 및 위상이 변화하게 된다. 이를 전파정수(Constant of propagation,
)를 통해 확인할 수 있으며, 식 3.5와 같이 케이블의 임피던스(
) 및 어 드미턴스(
)를 이용하여, 산출할 수 있다. 식 3.6은 상기의 식을 복소수 화 한 것으로 실수분(
)은 펄스크기에 대한 감쇠정도를, 허수분(
)은 위 상의 변화정도를 나타낸다[27].
(3.5)
(3.6)부분방전 펄스 및 반사펄스의 검출 용이성을 판단하기 위해 진행거리에 따른 감쇠율을 분석하였으며, 측정 가능한 최대거리를 도출하였다. 전파정 수를 이용한 방식은 케이블의 임피던스 및 어드미턴스 값이 필요하며, 이 를 위해 부가적인 실험절차가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 부분방전 펄스와 유사한 임펄스를 케이블에 발생시켜, 거리에 따른 펄스의 크기를 측정하였다.
함수발생기를 통해 크기 5 V, 폭 40 ns 및 상승시간 20 ns로 구성된 펄 스를 케이블에 주입시켰으며, 특성임피던스(Characteristic impedance)의 변화에 따른 반사를 고려하여 실험장치 및 케이블에 동일 임피던스를 매 칭시켰다. 고주파변류기를 이용하여 10 m 간격으로 최대 50 m까지 펄스를 검출하였으며, 그림 3.14는 케이블 인입부(0 m)와 50 m 지점에서 측정된 펄스의 파형을 나타낸다.
(a) 케이블 인입부(0 m)
(b) 50 m
그림 3.14 케이블 거리에 따른 펄스파형
Fig. 3.14 Waveforms of a pulse to cable distance
케이블을 따라 진행하는 펄스의 감쇠특성을 표 3.2 및 그림 3.15에 나타 내었다. 10 m 간격으로 측정한 펄스크기를 통해 감쇠율을 분석한 결과, 2.15 %로 일정한 선형성을 유지하며 감쇠됨을 확인하였다. 이는 케이블 길이 당 동일한 R, L, C 성분을 포함하고 있기 때문이라 판단된다. 측정 가능한 최대거리를 분석한 결과, 약 465 m에서 펄스의 크기가 소멸됨을 확인하였다. 70 m 케이블에서 진행하는 펄스의 최대거리는 140 m로, 상기 의 과정을 통해 방전펄스의 검출의 가능성을 입증하였다.
표 3.2 케이블 거리에 따른 감쇠
Table 3.2 Attenuation to the cable distance
거리 [m] 크기 [mV] 감쇠율 [%]
0 37.2 -
10 36.4 2.15
20 35.6 4.3
30 34.8 6.45
40 34.0 8.6
50 33.2 10.75
그림 3.15 케이블 거리에 따른 감쇠
Fig. 3.15 Attenuation of a pulse to cable distance
3.2.4 결과 및 분석
그림 3.16은 50 m 케이블에서 측정지점으로부터 2 m 이격시킨, 결함지 점에 대한 펄스파형을 나타낸다. 방전펄스와 반사펄스의 크기는 각각 58 mV 및 17 mV로 발생하였으며, 두 펄스간의 시간차는 474 ns로 측정되었 다. 결함위치를 계산한 결과 식 3.7과 같이 2.6 m로 산출되었으며, 실제 결함지점과는 0.6 m의 오차를 보였다.
× ×
× ×
(3.7)
그림 3.16 50 m 케이블(결함지점 2 m)에서 결함 위치추정
Fig 3.16 Defect localization a 50 m long cable with defect at 2 m
그림 3.17은 70 m 케이블에서 측정지점으로부터 2 m 이격시킨, 결함지점 에 대한 펄스파형을 나타낸다. 방전펄스와 반사펄스의 크기는 각각 56 mV 및 18 mV로 50 m 케이블에서 수행한 것과 동일하였다. 두 펄스간의 시간차는 690 ns로 측정되었으며, 결함위치를 계산한 결과 1 m로 산출되 었다. 실제 결함지점과는 1 m의 오차를 보였다.
× ×
× ×
(3.8)
그림 3.17 70 m 케이블(결함지점 2 m)에서 결함 위치추정
Fig 3.17 Defect localization a 70 m long cable with defect at 2 m
그림 3.18은 50 m 케이블에서 측정지점으로부터 30 m 이격시킨, 결함지 점에 대한 펄스파형을 나타낸다. 방전펄스와 반사펄스의 크기는 각각 49 mV 및 14 mV로 발생하였으며, 두 펄스간의 시간차는 208 ns로 측정되었 다. 식 3.9는 측정된 시간차를 통해 결함위치를 계산한 결과로서, 29.2 m 로 산출되었으며 실제 결함과는 0.8 m의 오차를 보였다.
× ×
× ×
(3.9)
그림 3.18 50 m 케이블(결함지점 30 m)에서 결함 위치추정
Fig 3.18 Defect localization a 50 m long cable with defect at 30 m
표 3.3은 결함 위치추정에 대한 결과를 나타낸다. 실제 결함위치와 시간 차를 통해 산출된 위치를 비교한 결과, 각각 0.6 m, 1.0 m 및 0.8 m의 오차 를 보였으며, 최대 1 m 이내의 오차범위에서 실제 결함지점과 일치함을 확인하였다.
표 3.3 결함 위치추정의 결과
Table 3.3 Results of defect localization
구 분 시간차 [ns] 산출거리 [m] 오차 [m]
50 m(2 m) 474 2.6 0.6
70 m(2 m) 690 1.0 1.0
50 m(30 m) 208 29.2 0.8
제 4 장 결 론
본 논문에서는 XLPE 지중케이블을 대상으로, 부분방전 측정 및 분석에 관한 연구를 수행하였다. 지중배전선로에 활용되는 22.9 kV-y CNCV-W 케이블을 통해 결함을 모의하고, 고주파변류기를 이용하여 발생되는 방전 펄스를 검출하였다. XLPE 절연체의 주요결함인 보이드의 크기 및 위치에 따른 부분방전 특성을 PRPD를 이용하여 분석하였다. 또한 TDR 방식을 기반으로 방전펄스와 반사펄스간의 시간차를 측정하여, 케이블의 결함위 치를 추정하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 부분방전 특성
XLPE 절연체 내부에서 크기 및 위치에 따른 4종의 보이드 결함을 제 작하였으며, 결함별 부분방전 특성을 분석하였다. 50Ω 무유도 저항 및 고 주파변류기에서 측정된 펄스를 통해 각각의 방전전하량을 비교하였으며, 약 2% 이내의 오차로 거의 동일하였다. 또한 고주파변류기의 검출감도는 38.5 pC/mV 산출되었으며, 이를 통해 고주파변류기의 측정시스템에 대한 신뢰성을 입증하였다.
방전전하량 및 방전횟수의 경우 보이드가 크거나, 도체에 인접할수록 증가하는 경향을 보였다. 또한 도체와 가까운 위치에 있을수록 부극성에 서 발생되는 비율이 정극성보다 약 20 % 높게 확인되었다. 이는 결함의 크기가 클수록 전리(Ionization)되는 전자 수가 많고, 도체에 근접할수록 강한 전계에 의해 기인한 것으로 판단된다. 위상의 경우 평균적으로 정⋅
부극성에서 각각 55° - 120° 및 225° - 307°로 결함 모두 유사하게 분포하 였다.
2. 결함 위치추정
방전펄스 및 반사펄스의 시간차를 측정하여, 본 논문에서 기재된 공식 을 적용해 결함위치를 도출하였다. 케이블을 따라 진행하는 펄스의 전파 속도는 2×108 m/s로 측정되었다. 또한 펄스의 진행거리에 따른 감쇠특성 을 분석하였으며, 10 m당 2.15 %의 선형적인 감쇠율을 보였다. 이를 통해 측정 가능한 최대거리는 약 465 m로 확인되었으며, 방전펄스를 검출하기 위한 가능성을 입증하였다. 하지만 실제 지중배전선로의 경우 최대 450 m 의 케이블이 이용되고 있으며, 반사펄스는 최대 900 m까지 진행이 가능하 다. 이로 인해 펄스가 소멸되어 검출이 불가능할 수 있기 때문에, 케이블 의 양단에 각각의 고주파변류기를 설치하여 측정하거나, 증폭회로 설계를 통한 대안이 필요하다고 판단된다.
케이블 전장 50 m, 측정지점으로부터 2 m에 위치한 결함지점의 경우, 시간차는 474 ns로 관측되었으며 산출결과, 2.6 m로 실제 결함지점과 0.6 m의 오차를 보였다. 케이블의 길이 및 결함지점을 변화시켜 실험을 수행 하였으며, 각각 1 m 및 0.8 m의 오차가 발생하였다. 종합적인 분석결과, 최대 1 m 이내의 오차범위에서 실제 결함지점과 일치함을 확인하였다.
최종적으로 절연체 내부에서 보이드의 기하학적 구조에 따른 부분방전 특성을 확인하고, 방전펄스를 이용해 케이블 결함위치를 추정하였다. 상기 연구를 통하여 부분방전 진단기술에 있어 다양한 정보를 제공할 뿐만 아 니라 지중배전선로의 절연 감시 및 상태 진단을 수행하는데 활용될 수 있 을 것으로 기대한다.
참 고 문 헌
[1] 황광수, “KEPCO의 지중배전케이블 열화진단기술 적용방향”, Electrical world monthly magazine, pp.65-71, 2012.
[2] 송일근, 김주용, 이재봉, “고신뢰 지중 배전케이블 개발방향”, 조명⋅
전기설비 제17권 제2호, pp.3-10, 2003.
[3] 송재용, 서황동, 길경석, 한문섭, 장동욱, “전력케이블 진단을 위한 부 분방전 검출장치의 설계 및 제작”, 한국철도학회 학술발표대회논문집, pp.141-146, 2005.
[4] Tetiana Salivon, Xavier Colin, Raphael Comte, “Degradation of XLPE and PVC cable insulators”, IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp.656-659, 2015.
[5] KS C 3404, “22.9 kV 동심중성선 전력 케이블”, 2000.
[6] J.C. Hernandez-Mejia, J. Perkel, “Partial discharge(PD) HV and EHV power cable systems”, NEETRAC, pp.18-25, 2016.
[7] M.U. Zuberi, A. Masood, E. Husain and A. Anwar, “Estimation of Partial Discharge Inception Voltages Due to Voids in Solid Sheet Insulation”, IEEE Conference on Electrical Insulation, pp.124-128, 2013.
[8] Jean Carlos Hernandez Mejia, Joshua Perkel, “Partial Discharge(PD) HV and EHV Power Cable Systems”, NEETRAC, pp.16-29, 2016.
[9] H.A. Illias, M.A. Tunio, A.H.A. Bakar, H. Mokhlis, G. Chen,
“Partial Discharge Phenomena within an Artificial Void in Cable Insulation Geometry: Experimental Validation and Simulation”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol.23,