KR101410737B1

KR101410737B1 - 전력케이블용 부분방전 검출장치

Info

Publication number: KR101410737B1
Application number: KR1020120132709A
Authority: KR
Inventors: 이상화; 선종호; 강동식; 손채화; 윤영우; 조국희; 황돈하
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-06-24
Also published as: KR20140065803A

Abstract

본 발명은 전력케이블 시스를 변형하거나 제거하지 않은 상태에서 전력케이블 시스의 외부에 설치하여 전력케이블의 고전압 운전 중에도 안전하고 간편하게 부분방전을 검출할 수 있도록 한 전력케이블용 부분방전 검출장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 XLPE 전력케이블의 측정하고자 하는 어느 부분이라도 코일이 감겨진 절연체와 외부 금속박을 포함하는 부분방전 검출장치를 배치하여, 전력케이블의 시스층 외부로 유도된 자기장을 코일 및 외부 금속막에서 부분방전 펄스신호로 검출할 수 있도록 함으로써, 전력케이블의 시스를 변형하거나 제거하지 않은 상태에서 전력케이블의 어느 부분에서도 안전하고 간편하게 부분방전을 검출할 수 있는 전력케이블용 부분방전 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

전력케이블용 부분방전 검출장치{Partial discharge detector installed on the power cable sheath}

본 발명은 전력케이블용 부분방전 검출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력케이블 시스를 변형하거나 제거하지 않은 상태에서 전력케이블 시스의 외부에 설치하여 전력케이블의 고전압 운전 중에도 안전하고 간편하게 부분방전을 검출할 수 있도록 한 전력케이블용 부분방전 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로, 부분방전(Partial Discharge)이란 절연물 표면에서 고전계에 의한 부분적인 표면 방전 또는 절연물 내부에 존재하는 공극이나 기포에 발생하는 내부 방전, 강한 불균일 전계(inhomogeneous)가 인가될 때 기체 중에서 발생하는 코로나 방전, 고체 유전체에서 방전의 지속적인 영향에 의하여 발생되는 전기트리 방전 등을 포함하며, 이러한 부분방전시 전압 스트레스에 의한 절연물의 열화가 발생되는 것으로 알려져 있다.

특히, 고전압 전력을 공급하기 위한 전력케이블에서도 부분방전이 발생되고 있는데, 그 원인을 보면 제조시 발생하는 불량 현상, 배설후에 가해지는 외부 충격, 마모, 열, 습기 등에 의한 노후 현상 등으로 인하여, 점차 전력케이블의 절연내력이 낮아지게 되면서 절연파괴에 도달하게 됨으로써, 절연파괴와 동반하여 전력케이블로부터 부분방전이 발생하고 있다.

이렇게 고전압에서 동작하는 전력케이블의 절연물들은 시간이 지나면서 열화를 하게 되고, 이러한 열화로 인하여 부분방전이 발생하며, 이때의 부분방전은 절연체를 추가로 열화시키는 악 순환이 일어나게 되어, 종국에는 전력케이블의 절연파괴와 그 주변 부품의 고장을 일으키게 된다.

그리므로, 전력케이블과 같은 절연체의 열화 정도를 감시하고 그 수리시기를 예측하는 것은 매우 중요하며, 부분방전의 측정 및 감시로 수리시기에 대한 예측과 관리가 가능하다.

따라서, 부분방전 검출을 위한 고주파 변류기(HFCT: High frequency current transformer), 용량성 박센서(capacitive foil sensor), 방향성 결합기 (directional coupler) 등 다양한 종류의 케이블용 부분방전 측정장치들이 사용되고 있다.

첨부한 도 1은 위와 같은 부분방전 검출 및 측정장치가 전력케이블의 종단 및 직선접속재에 장착된 예를 설명하는 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 전력케이블(10)의 종단 및 직선접속재(12,14)에 전력케이블에 인가되는 고전압 AC 위상을 추출하는 기능 및 부분방전을 검출하는 기능을 겸비한 부분방전 검출장치인 박형 센서(16)가 장착된다.

이때, 절연물인 접속재가 시간이 지남에 따라 열화되어 부분방전이 많이 발생하는 부분이고, 반면 접속재를 지나면 부분방전 신호의 감쇠가 심하고 전력케이블 피복이 차폐되어 있으므로, 각 접속재 근처의 전력케이블에 부분방전 검출장치인 박형 센서(16)를 장착하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 부분방전 검출장치인 박형 센서(16)는 첨부한 도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같이, 전력케이블(10)을 감싸는 동박 포일(foil)과 포일(foil)부의 소정 위치에 부착되는 검출기를 포함하는 구조로서, 종단접속재(12) 및 직선접속재(14)로부터 3 m 이내의 전력케이블(10)에 장착하여, 부분방전을 펄스신호로 용이하게 측정하도록 한다.

특히, 상기 박형 센서(16)는 부분방전을 펄스신호로 측정하는 기능 이외에 전력케이블에 인가된 고전압 AC 위상을 추출하는 기능을 겸비하되, 약 60 Hz의 고전압 위상을 측정하는 기능을 겸비하게 된다.

따라서, 상기 박형 센서(16)로부터 측정된 전력케이블(10)의 고전압 AC 위상신호 및 부분방전 발생시 부분방전 펄스신호 등이 동축케이블(32, 신호전송라인)로 연결된 부분방전 측정장치(30)로 전송된다.

부분방전 측정장치(30)와 동축케이블(32)로 연결되는 대부분의 박형센서(16)는 도 1에서 보듯이, 전력케이블(10) 종단의 종단접속재(12) 또는 그 인접위치, 그리고 전력케이블(10) 중간의 직선접속재(14) 또는 그 인접위치에 설치되고, 종단접속재 및 직선접속재 등과 같은 접속부가 없는 케이블 중간에는 설치될 수 없다.

참고로, 상기 전력케이블(10)의 중간 부분 단면 구조에 대한 일례를 첨부한 도 3을 참조로 살펴보면, 내부층에서부터 외부층까지 구리(copper) 재질의 도체(1, Inner Conductor(r₁=4.65 mm)), 내부 반도전층(2, Inner semiconducting layer(r₂=5.65 mm)), XLPE 절연층(3, XLPE dielectric layer(r₃=12.25 mm)), 외부 반도전층(4, Semiconducting insulation screen(r₄=13.25 mm)), 중성선 수밀층 또는 반도전성 부풀음 테이프(5, Semiconducting screen bed(r₅=13.6 mm)), 에어(air)층인 중성선 공간(6, Neutral wire space(r₆=14.8 mm)), 직경 1.2 mm의 헬리컬 와이어 구조로 된 총 18개의 중성선 또는 연동선(9, Neutral wire), 중성선 수밀층 또는 부풀음 테이프(7, screen bed(r₇=15.05 mm)), 흑색 비닐층인 PVC 시스층(8, Polyethylene jacket(r₈=18.05 mm)), 등이 차례로 배열되어 있다.

위와 같의 단면 구조를 갖는 접속부가 없는 전력케이블의 중간 부분에 부분방전 검출장치의 박형센서를 설치할 수 없는 이유는 접지된 도체인 중성선(9)과 외부 반도전층인 중성선 수밀층 또는 반도전성 부풀음 테이프(5)에 의해 전력케이블(10) 내부의 부분방전 신호가 차폐되어 외부에서 측정이 불가능하기 때문이다.

반면, 상기 전력케이블(10)의 종단 및 직선 접속재(12,14) 및 그 인접 부분에서는 외부 중성선(9)에 의한 차폐가 제거되어 케이블 중심도체(1)로부터의 전자기적인 커플링이 일어날 수 있고, 종단 및 직선 접속재 근처에서는 중성선(9)과 외부 반도전층인 중성선 수밀층 또는 반도전성 부풀음 테이프(5) 외부에 고주파 누설전류가 흘러 부분방전 측정이 가능하다.

그러나, 전압이 인가된 상태에서 접지된 외부 중성선으로 차폐되지 않은 접속부재(12,14) 등에 박형센서(16)를 설치하는 일은 위험성이 따를 수 밖에 없고, 접속부재(12,14)가 아닌 접속부재와 인접한 전력케이블에 박형센서(16)를 설치하는 경우에도 외부시스 및 중성선을 일부 제거하거나 변형하여야 하므로, 시공자가 전력케이블의 절연에 손상을 줄 경우 대형사고로 이어질 위험이 있다.

또한, 상기한 접속부재 및 그 근처의 전력케이블에 센서를 설치할 경우 접속부가 없는 케이블 중간에서 발생한 미세한 크기의 고주파 부분방전 펄스는 접속부에 도달하기 전에 그 크기가 잡음 수준으로 감쇄되어 검출이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 전력케이블 시스를 변형하거나 제거하지 않은 상태에서 전력케이블 시스의 외부에 설치하여 전력케이블의 어느 부분에서도 안전하고 간편하게 부분방전을 검출할 수 있도록 한 전력케이블용 부분방전 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: XLPE 전력케이블의 최외곽층인 시스층의 외경부에 배치되는 절연체와, 전력케이블의 시스층 외부로 유도되는 자기장을 부분방전 펄스신호로 검출하기 위하여 절연체에 권선되는 코일 및 코일이 감겨진 절연체의 외경부에 일정 간격으로 배치되는 외부 금속박를 포함하고, 상기 코일 및 외부 금속박을 동축케이블을 매개로 부분방전 측정장치에 신호 전송 가능하게 연결시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 전력케이블용 부분방전 검출장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 절연체에 감겨진 코일의 일끝단은 동축 케이블의 중앙도체와 도전 가능하게 연결되는 동시에 타끝단은 외부 금속박에 연결되고, 상기 외부 금속박은 동축 케이블의 원통형 도체와 도전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 외부 금속박은 실린더 형상이면서 저부가 절개되어 개방된 형태로 구비되고, 상기 코일이 감겨진 절연체도 실린더 형상이면서 저부가 절개되어 개방된 형태로 구비된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 코일은 절연체에 대하여 세로, 가로, 대각선 방향 중 선택된 방향을 향하여 감겨진 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, XLPE 전력케이블의 측정하고자 하는 어느 부분이라도 코일이 감겨진 절연체와 외부 금속박을 포함하는 부분방전 검출장치를 배치하여, 전력케이블의 시스층 외부로 유도된 자기장을 코일 및 외부 금속막에서 부분방전 펄스신호로 검출할 수 있도록 함으로써, 전력케이블의 시스를 변형하거나 제거하지 않은 상태에서 전력케이블의 어느 부분에서도 안전하고 간편하게 부분방전을 검출할 수 있다.

도 1은 종래의 부분방전 검출 및 측정장치가 전력케이블의 종단 및 직선접속재에 연결되어 구성된 예를 설명하는 개략도,
도 2a 및 도 2b는 종래의 박형 센서 및 그 장착 구조를 설명하는 개략도,
도 3은 전력케이블의 단면 구조에 대한 일례를 보여주는 단면도,
도 4는 XLPE 전력케이블 주변의 자기장(H-filed) 분포를 측정(실제 측정한 것은 아니며 상용 고주파 전자기 해석 프로그램으로 시뮬레니션 한 결과)한 데이터 이미지,
도 5는 XLPE 전력케이블을 감싸는 형태의 외부도체가 존재할 경우, 자기장 이 시스층 외부로 유도되어 분포하는 것을 측정(실제 측정한 것은 아니며 상용 고주파 전자기 해석 프로그램으로 시뮬레이션 한 결과)한 데이터 이미지,
도 6은 본 발명에 따른 전력케이블용 부분방전 검출장치를 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 전력케이블용 부분방전 검출장치의 절연체에 코일이 감기는 실시예를 보여주는 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

전력케이블 중, 특히 XLPE(Cross Linking-Polyethylene) 전력케이블의 중간부분의 내부에 전류가 흐를 때, 첨부한 도 4는 XLPE 전력케이블 주변의 자기장(H-filed) 분포를 측정한 데이터에서 보듯이 전력케이블(10)의 최외층인 시스(sheath)층(8) 외부에는 전기장 및 자기장이 거의 분포하지 않고, 전력케이블의 내부도체에 흐르는 전류 진행방향과 수직을 이루는 평면과 평행한 자기장(도 4의 화살표)이 매우 미약하게 분포한다.

따라서, 상기와 같이 종래에는 전력케이블의 접속부재 또는 그 인접 위치에 부분방전 검출장치인 박형센서가 설치되지만, 박형센서를 전력케이블의 중간부분의 외부에 장착하여 부분방전을 측정할 수 없었다.

이때, 위와 같이 XLPE 전력케이블을 감싸는 형태의 도체가 존재하면, 즉 전력케이블(10)의 시스층(8)에 실린더 형태의 외부도체(21)가 일정 간격을 유지하며 감싸여진 상태이면, 첨부한 도 5에서 보는 바와 같이 전력케이블(10)의 내부도체 전류 진행방향과 평행한 자기장(도 5에서, 시스층과 외부도체 사이의 화살표)이 시스층의 외부에 유도되고, 또한 시스층(8)의 외부에 감싸여진 외부도체(21)의 외부에도 자기장(도 5에서, 외부도체 외부의 화살표)이 유도된다.

이와 같이, 본 발명자들은 전력케이블의 시스층 외부에 외부도체가 존재하는 경우(도 5 참조)에는 전력케이블의 시스층 외부에 외부도체(21)가 존재하지 않는 경우(도 4)의 자기장 유도방향은 유사하나 자기장의 크기는 더 크게 유도됨을 알 수 있었다.

따라서, 상기 외부도체를 포함하는 부분방전 검출용 센서를 설계하면, 부분방전에 의해 발생하여 전력케이블의 내부를 통해 진행하는 임펄스 전류로부터 유도된 신호를 검출할 수 있고, 이 신호 검출을 통해 부분방전 펄스신호를 얻어낼 수 있으므로, 본 발명은 상기와 같이 전력케이블을 감싸는 형태의 외부도체를 포함하는 부분방전 검출용 센서를 제공하고자 한 것이다.

여기서, 본 발명의 전력케이블용 부분방전 검출장치에 대한 구성을 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 부분방전 검출장치는 부분방전 측정용 자기장 유도형 센서로서, 전력케이블의 시스층 외부 즉, 시스층과 외부도체 사이공간으로 유도되는 자기장을 적극적으로 측정하기 위하여 설계된 것이다.

이를 위해, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 부분방전 검출장치(20)는 XLPE 전력케이블(10)의 최외곽층인 시스층(8)의 외경부에 배치되는 절연체(22)와, 절연체(22)에 권선되는 코일(23)과, 코일(23)이 감겨진 절연체(22)의 외경부에 일정 간격을 유지하며 배치되는 외부 금속박(24)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 시스층(8)의 외경부에 코일(23)이 권선된 절연체(22)를 밀착 배열시키면 부분방전 검출 감도를 더 증가시킬 수 있다.

좀 더 상세하게는, 상기 절연체(22)는 전력케이블(10)의 시스층(8) 외경부에 끼워질 수 있도록 유연한 절연물질을 이용하여 일정 두께의 실린더 형상이면서 저부가 절개되어 개방된 형태로 구비되고, 상기 외부 금속박(24)도 마찬가지로 절연체(22)의 외경부에 벌어지며 끼워질 수 있도록 실린더(원통형) 형상이면서 저부가 절개되어 개방된 형태로 구비되며, 상기 코일(23)은 절연체(22)에 세로, 가로, 대각선 방향 등 여러방향 중 선택된 하나의 방향을 따라 감겨지게 된다.

이때, 위와 같은 구성을 포함하는 본 발명의 부분방전 검출장치(20)는 부분방전 측정장치(30)와 동축 케이블(32)을 매개로 신호 전송 가능하게 연결된다.

통상적으로, 동축 케이블(32)은 중심에 위치한 중앙도체(33)와, 중앙도체(33)의 외경부에 이격 배치된 원통형 도체(34)로 구성되고, 물론 중앙도체(33)와 원통형 도체(34) 사이는 절연물질이 배치되고, 원통형 도체(34)의 외경부에도 절연물질로 피복되어 있다.

따라서, 본 발명의 부분방전 검출장치(20)를 동축 케이블(32)을 매개로 부분방전 측정장치(30)에 신호 전달 가능하게 연결시키고자, 본 발명의 부분방전 검출장치(20)의 일 구성인 코일(23)의 일끝단은 동축 케이블(32)의 중앙도체(33)와 도전 가능하게 연결되는 동시에 타끝단은 외부 금속박(24)에 연결되도록 하고, 다른 구성인 외부 금속박(24)은 동축 케이블(32)의 원통형 도체(34)와 도전 가능하게 연결되도록 한다.

한편, 본 발명에 따른 부분방전 검출장치의 절연체(22)에 코일(23)을 감을 때, 첨부한 도 7에 도시된 바와 같이 가로, 세로, 대각선 등 다양한 방향을 향하여 감을 수 있고, 감긴 횟수가 증가할수록 부분방전 측정을 위한 주파수는 낮아진다.

상기 코일(23)을 가로 방향으로 감은 경우, 전력케이블의 내부도체에 인가된 전류의 진행방향과 평행한 자기장의 검출에 효과적이고, 세로방향 및 대각선 방향은 XLPE 전력케이블의 외부중성선의 비율에 맞추어서 선택적으로 적용할 수 있다.

따라서, XLPE 전력케이블(10)을 감싸는 형태의 도체로서, XLPE 전력케이블(10)의 최외곽층인 시스층(8)의 외경부에 코일(23)이 배치되고, 코일(23)이 감겨진 절연체(22)의 외경부에 외부 금속박(24)이 배치된 상태에서, 전력케이블(10)의 내부도체에 전류가 인가되면, 인가된 전류 진행방향과 평행한 자기장(도 5에서, 시스층과 외부도체 사이의 화살표)이 시스층의 외부에 유도되는 바, 이때 유도되는 자기장을 코일(23) 및 외부 금속박(24)에서 부분방전의 펄스신호로서 검출하게 된다.

보다 상세하게는, 상기 부분방전 펄스는 시간에 따라 빠르게 변하는 신호이고, 이것으로 인하여 시스층(8) 외부로 유도되는 자기장 역시 시간에 따라 빠르게 변함으로써, 상기 절연체(22)에 감겨진 코일(23)에 의해 생기는 폐곡면을 지나는 자기장이 시간에 따라 빠르게 변하게 되어, 패러데이의 법칙(Faraday’s law electromagnetic induction)에 따라 코일(23)에 기전력이 발생하고, 그에 따라 상기 임펄스 형태의 부분방전 신호가 동축 케이블(32)로 유기되어 측정될 수 있다.

이때, 상기 시스층(8)의 외부로 유기되는 자기장의 방향이 절연체(22)에 감겨진 코일(23)에 수직이면 가장 효과적으로 부분방전 펄스신호가 측정되지만, 전력케이블의 중성선이 감긴 정도 및 센서 취부 위치에 따라 유도되는 자기장의 방향이 다를 수 있으므로, 첨부한 도 7에서 보듯이 코일의 권선방향을 여러 가지 구비하여 대응하는 것이 바람직하다.

연이어, 코일(23) 및 외부 금속박(24)에서 검출된 부분방전 펄스신호는 각각 동축 케이블(32)의 중앙도체(33) 및 원통형 도체(34)를 통해 부분방전 측정장치(30)로 전송되고, 부분방전 측정장치(30)에서는 전력케이블에 인가된 고전압 위상과 측정된 부분방전 펄스 신호를 동기화시키는 등의 제반 부분방전 측정 로직을 진행하고, 측정된 결과는 원거리의 작업자가 모니터링 가능하도록 통신수단을 통행 서버(40)로 전송된다.

이와 같이, 전력케이블의 시스를 변형하거나 제거하지 않은 상태에서도 전력케이블 시스의 외부에 본 발명의 부분방전 검출장치를 손쉽게 설치하여, 전력케이블의 어느 부분에서도 안전하고 간편하게 부분방전을 검출할 수 있다.

8 : 시스층
10 : 전력케이블
12 : 종단접속재
14 : 직선접속재
16 : 박형 센서
20 : 부분방전 검출장치
21 : 외부 도체
22 : 절연체
23 : 코일
24 : 외부 금속박
30 : 부분방전 측정장치
32 : 동축케이블
33 : 중앙도체
34 : 원통형 도체
40 : 서버

Claims

XLPE 전력케이블(10)의 최외곽층인 시스층(8)의 외경부에 배치되는 절연체(22)와, 전력케이블(10)의 시스층(8) 외부로 유도되는 자기장을 부분방전 펄스신호로 검출하기 위하여 절연체(22)에 권선되는 코일(23) 및 코일(23)이 감겨진 절연체(22)의 외경부에 일정 간격을 유지하며 배치되는 외부 금속박(24)를 포함하고,
상기 코일(23) 및 외부 금속박(24)을 동축케이블(32)을 매개로 부분방전 측정장치(30)에 신호 전송 가능하게 연결시킬 수 있도록 하며,
상기 절연체(22)에 감겨진 코일(23)의 일끝단은 동축 케이블(32)의 중앙도체(33)와 도전 가능하게 연결되는 동시에 타끝단은 외부 금속박(24)에 연결되고, 상기 외부 금속박(24)은 동축 케이블(32)의 원통형 도체(34)와 도전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 전력케이블용 부분방전 검출장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 외부 금속박(24)은 실린더 형상이면서 저부가 절개되어 개방된 형태로 구비되고, 상기 코일(23)이 감겨진 절연체(22)도 실린더 형상이면서 저부가 절개되어 개방된 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 전력케이블용 부분방전 검출장치.
청구항 1에 있어서,
상기 코일(23)은 절연체(22)에 대하여 세로, 가로, 대각선 방향 중 선택된 방향을 향하여 감겨진 것을 특징으로 하는 전력케이블용 부분방전 검출장치.