KR20050029599A - 전력케이블 침수과통전 시험장치 - Google Patents

전력케이블 침수과통전 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력케이블 침수과통전 시험장치에 관한 것으로서, 소정의 수조 내에 시험품인 전력케이블을 설치하고, 침수환경에서 시험전압과 시험전류를 인가하여 전력케이블의 열화특성을 시험하기 위한 장치인 것이다.
본 발명의 시험장치는 최근 고무플라스틱 전력케이블인 XLPE 케이블에 대한 장기 신뢰성에 대한 문제점이 발생되고 있으며, 또한 현장에서 전력케이블의 장기 신뢰성에 대한 목표수명(약 30년)까지 시험할 수 없는 현실을 고려하여 국제적인 시험규격에 따라 높은 온도와 과전상태에서 전력케이블을 가속으로 열화시키는 장치인 것이다.

Description

전력케이블 침수과통전 시험장치{Accelerated water treeing test facility for power cables}
본 발명은 전력케이블 침수과통전 시험장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 전력케이블은 지중 배전선로에 설치되어 전력을 공급하는 도체 역할을 수행하는 바, 본 발명은 고압이상의 전력계통에서 사용하는 전력케이블을 대상으로 하는 열화 특성 시험에 필요한 가속열화 시험장치에 관한 것이다.
지중선로용 전력케이블은 역사가 오랜 함침절연지를 절연체로 사용하는 LPOF(Low Pressure Oil Filled) 케이블과 XLPE(Cross Linked Poly Ethylene)으로 대표되는 고분자 절연재료를 사용한 플라스틱 절연 전력케이블로 구분할 수 있다.
LPOF 케이블의 경우 오랜 사용경험을 기초로 많은 기술적 발전이 있어 높은 신뢰성을 갖고 있으나, 구조적으로 절연유를 사용하기 때문에 운전을 위한 설비가 복잡하고, 환경오염의 문제가 있으며, 포설이 어려워 경제성이 좋지 못하다. 따라서 비용이 많이 들고 관리가 어려워도 신뢰성을 필요로 하는 송전용 지중선로에 주로 사용되고 있다.
XLPE와 같은 고분자 플라스틱 절연 전력케이블의 경우 대량생산으로 인한 경제성과 포설 및 운영의 편의성을 장점으로 갖고 있다. 그러므로 3.3㎸ 고압 전력계통에서부터 22.9㎸ 특별고압 전력계통까지 주로 배전선로에 많이 사용되고 있으며, 최근에는 송전선로에도 사용되고 있다. 이렇게 사용량이 증가하고 있는 플라스틱 절연 전력케이블의 경우 가장 큰 문제점은 장기 신뢰성이 미흡하다는 점이다. 특히, 다량의 수분이 존재하는 환경에서는 정상 운용상태의 전기적 스트레스(stress)보다도 낮은 전기적 스트레스에서도 수년 정도의 기간에 급속히 열화되어 절연파괴사고가 발생한다는 점이 플라스틱 절연 전력케이블의 가장 중요한 문제점으로서 제기되어 왔다.
배전급 XLPE 케이블의 경우 장기 신뢰성에 대한 문제점이 실제로 발생하고 있고, 열화특성이 안정되어 있지 않기 때문에 케이블의 목표 수명을 입증하기 위해서는 상당한 기간의 실증시험이 요구되나, 현실적으로 어려운 문제이다. 그러므로 열화특성 시험기간을 단축하고, 신뢰성 있는 시험 결과를 도출하기 위하여, 전력케이블에 대한 열화시험 방법 및 시험 장치가 필요한 실정이다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 수분이 존재하는 환경에서 전력케이블의 열화특성을 단시간에 평가할 수 있도록 일정한 크기의 수조 내에 전력케이블 완제품을 설치하고 실제 선로에서 사용되는 부하환경에서 가해지는 전기적 스트레스 조건을 높여, 단시간에 장기간 사용한 전력케이블과 같게 가속 열화시킬 수 있는 전력케이블 침수과통전 시험장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적으로 실증시험을 실시하는 과정은 한국전력공사의 구매규격인 ES126-640~647의 참고규격으로 사용되는 AEIC CS5-87 "Specifications for Cross-Linked Polyethylene insulated shielded power cables rated 5 through 46㎸"의 시험 방법에 충분히 적용될 수 있도록 되어 있다.
일반적인 전기적 스트레스 상태에서 전력케이블의 목표 수명을 30년 정도로 하고 있으나, 현실적으로 운용 가능한 기간 안에 시험하는 가속 열화시험에서는 정상적인 전기적 스트레스보다 어느 정도 높은 전기적 스트레스를 전력케이블에 가하여야하고, 전기적 스트레스는 전압 스트레스와 전류 스트레스를 별도로 인가하여야 하며, 수분상태를 만들기 위하여 수조에 시험용 전력케이블을 침수하고, 상기의 전압, 전류의 전기 스트레스의 상태 및 제어는 제어반에서 하고, 시험장소에서 떨어진 원격에서 시험 데이터인 온도, 전압, 전류 및 기타 시험 데이터를 기록하는 감시반을 가지게 해야 한다.
전력케이블이 침수되어 있는 수조의 물 온도 및 전력케이블 내부의 온도를 측정하여 열화상태를 조정하는 온도조절 설비도 포함되도록 해야 한다.
본 발명의 전력케이블 가속열화시험에 사용되는 전력케이블 침수과통전 시험장치는 전력케이블을 설치할 수 있고, 전력케이블인 시험품을 침수상태로 유지하여 열화시험을 가능하게 하는 수조부; 상기 수조부 내 물의 온도를 가열하기 위한 히터부와 물의 온도를 측정 및 제어할 수 있는 온도조절기부; 상기 전력케이블의 전압 스트레스를 인가할 수 있는 과전압용 고전압변압기부와 시험전압 조정기로 구성되는 전압원용 조정기부; 상기 전력케이블의 전류 스트레스를 인가할 수 있는 통전전류용 부하변류기부와 시험전류 조정기로 구성되는 전류원용 조정기부; 상기 수조 내부의 전력케이블에 인가하는 전압 및 전류를 제어하는 제어반부; 및 수조 내 물의 온도, 전력케이블 온도, 전력케이블에 인가되는 전압 및 전류의 변화량을 기록하는 원격 감시반부로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 시험장치는 최근 고무플라스틱 전력케이블인 XLPE 케이블에 대한 장기 신뢰성에 대한 문제점이 발생되고 있으며, 또한 현장에서 전력케이블의 장기 신뢰성에 대한 목표수명(약 30년)까지의 시험할 수 없는 현실을 고려하여 국제적인 시험규격(AEIC CS5-94 Accelerated Water Treeing Test) 등에 따라 높은 온도와 과전상태에서 전력케이블을 가속으로 열화시키는 시험장치이다.
본 발명의 시험장치는 국제적인 시험규격과 해외 각 연구기관의 시험 방법 등을 우리의 실정에 맞게 적용 개발한 것으로, 본 발명의 시험장치를 이용하여 전력회사는 사용하는 전력케이블의 신뢰성 검수시험 장치로, 전력케이블 개발업체는 신개발케이블의 문제점을 사전에 발견하여 개선할 수 있는 시험장치로, 학계 및 연구소에서는 연구목적의 가속열화 시험장치로 활용될 수 있으므로, 본 발명의 시험장치는 활용도가 높으며, 차후 유사 기술 적용 범위가 산·학·연으로 확대될 가능성이 높다고 할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부 도면 중 도 1은 본 발명이 적용되는 전력케이블 침수과통전 시험장치의 전체적인 기본 구성도이고, 도 2는 기본 시험 회로도이다. 본 발명의 시험장치는 시험품인 전력케이블을 설치할 수 있고, 이 시험품을 침수상태로 유지할 수 있는 수조(100)와 상기 수조 내에 설치된 시험품에 과전압, 과전류 등의 스트레스를 인가하기 위한 부속 장치부들로 구성되어 있다.
상기 장치의 수조(100) 내에 설치된 시험품에 가속 열화 스트레스를 인가하기 위한 부속장치에 공급되는 전기적 제어양은 도 3에 나타낸 바와 같이 원격 제어반(501, 502)에 의해 제어된다.
상기 수조(100) 내에 물의 온도와 전력케이블의 온도는 각각의 센서로 계측되고, 이 측정 데이터는 원격 제어반의 기록장치에 기록된다. 순수의 온도를 높이기 위하여 수조(100) 내에 설치되는 히터(410)는 물의 온도를 측정 및 제어할 수 있는 온도조절부(400)에 의하여 제어된다.
그리고 상기 전기 스트레스 인가부분 중 전압은 고전압 변압기(200)에서 50㎸ 전압으로부터 100㎸ 전압까지 교류 내압을 전압원용 조정기(210)를 가변시켜 전력케이블의 단말 연결부분(201)을 통하여 시험품에 전압 스트레스를 인가함으로써 시험품을 과전압에 의해 가속 열화를 시키게 된다.
여기서, 고전압 변압기(200)는 장시간 과전압 열화시험전압인 40kV가 시험품에 인가될 수 있도록 최저 50㎸ 전압을 발생시키며, 장시간 내전압시험전압인 80kV가 시험품에 인가될 수 있도록 최고 100㎸ 전압이 발생될 수 있는 100kVA의 용량을 갖는 것을 제작하여 사용하는 것이 바람직하고, 전압조정기는 전동식 슬라이닥(Slaidac)으로 전압을 조정할 수 있다.
또한, 전기 스트레스 인가부분 중 전류는 관통형 변류기(300)에서 545A 전류로부터 2,000A 전류까지 교류 전류를 전류원용 조정기(310)에서 가변시켜 시험품의 연결부분구간(301, 302)의 부하전류용 리드선을 통하여 시험품에 전류 스트레스를 인가함으로써 시험품에 연속 전류를 흘려 전류에 의한 가속 열화를 시키게 된다.
여기서, 관통형 변류기(300)는 시험품에 최대 2,000A의 시험 전류를 흘릴 수 있는 변류기로서 변류기 용량은 120㎸A로 제작된 것이다. 전류원의 전류원용 조정기(310)는 전동식 슬라이닥(slidac)으로 전압을 조정하여 원하는 전류 값을 얻을 수 있다. 상기 관통형 변류기(300)는 시험전류 측정을 위하여 용량이 30VA, 변류비가 3000/5A이다.
한편, 시험품이 설치되는 수조(100)는 전력케이블이 침수상태로 환경을 조성하여야 함으로 순수와 전력케이블을 동시에 수조 내부에 설치할 수 있도록 되어 있고, 전력케이블에 전류를 흘려 전력케이블 도체에 온도가 변화됨에 따라 수조 내의 물의 온도도 변화할 수 있게 된다. 그러므로 수조(100)는 온도 변화와 시험품 및 물의 하중을 견딜 수 있고 부식에 강한 스테인리스강으로 제작되어 있다.
즉, 도 4에 나타낸 바와 같이 수조(100)는 전력케이블 단면적이 325㎟를 기준으로 단위 길이가 90m 시험품의 시험이 가능하도록 제작되어 있으며, 수조(100)의 크기는 예를 들어 1.5m ×4.6m 수직 벽이 물의 압력에 견디기 위해서 0.5m 간격으로 I 빔(도면에 도시하지는 않음)으로 보강되어 있다. 수조 내의 전력케이블에 고전압이 수개월 이상 연속적으로 인가되므로 유지보수가 적은 스테인리스강으로 되어있다.
또 수조(100)에는 뚜껑(도면에 도시하지는 않음)이 설치되어 있으며, 수조 내에 물을 연속 가열할 수 있는 히터(410)와 물의 온도측정 및 조절을 위하여 온도조절기(410)가 설치되어 있는 바, 전력케이블이 실 계통에서 사용될 경우 경부하시에는 전력케이블 도체 온도가 낮게 되고, 중부하시에는 전력케이블 도체 온도가 높게 되므로 수조 내의 물의 온도도 현장에서와 같은 형태로 만들어 주기 위하여 히터에 의해 24시간 이내에 20℃에서 90℃까지 상승된 후 뚜껑이 열린 상태에서 90℃ 유지가 가능한 단열구조로 되어있다.
그리고 수조 양측 1.8m면에서 시험품인 전력케이블을 고정할 수 있는 고정구조물(101, 102)이 설치되어 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 전력케이블 침수과통전 시험 장치를 이용하여 전력케이블의 가속 열화시험을 수행할 경우, 전력케이블이 현장 설치 조건에서 받을 수 있는 환경 스트레스를 단시간에 인가할 수 있어, 장시간 운전특성을 단시간에 평가할 수 있으므로 전력케이블의 성능 향상을 가능하게 하고 현장 설치시의 수명특성을 파악할 수 있다.
또 전체 전압 스트레스에 의한 열화와 전류 스트레스에 의한 열화 조건을 다양하게 조절이 가능하므로 현장 설치 전력케이블에서 발생할 수 있는 열화 조건들을 다양하게 모의하여 적용할 수 있다.
한편, 본 발명의 장치는 기존 전력케이블의 열화 특성에 나타나는 중요한 자료와 신개발 전력케이블의 열화 특성을 동시에 파악할 수 있어, 전력회사는 물론 학계 및 산업발전에 파급효과가 클 것으로 생각된다.
도 1은 본 발명에 따른 전력케이블 침수과통전 시험장치의 기본 구성도이다.
도 2는 기본 시험 회로도이다.
도 3은 전압원 및 전류원 기본 회로도이다.
도 4는 수조 내 시험품 배치도이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
100 : 수조, 200 : 고전압 변압기,
201 : 단말 연결부분, 210 : 전압원용 조정기,
300 : 관통형 변류기, 301,302 : 연결부분,
310 : 전류원용 조정기, 400 : 온도조절기,
410 : 히터, 501,502 : 제어반.

Claims (6)

  1. 전력케이블을 설치할 수 있고, 전력케이블인 시험품을 침수상태로 유지하여 열화 시험을 가능하게 하는 수조부(100);
    상기 수조부 내 물의 온도를 가열하기 위한 히터부(410)와 물의 온도를 측정 및 제어할 수 있는 온도조절기부(400);
    상기 전력케이블의 전압 스트레스를 인가할 수 있는 과전압용 고전압 변압기(200)와 시험전압 조정기로 구성되는 전압원용 조정기부(210);
    상기 전력케이블의 전류 스트레스를 인가할 수 있는 통전전류용 부하변류기(300)와 시험전류 조정기로 구성되는 전류원용 조정기부(310);
    상기 수조 내부의 전력케이블에 인가하는 전압 및 전류를 제어하는 제어반부(501,502); 및
    수조 내 물의 온도, 전력케이블 온도, 전력케이블에 인가되는 전압 및 전류의 변화량을 기록하는 원격 감시반부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력케이블 가속 열화 시험에 사용되는 전력케이블 침수과통전 시험장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수조부(100)는 수직 벽이 물의 압력에 견디도록 하기 위해 일정 간격으로 I 빔으로 보강되어 있는 스테인리스강으로 되어 있고, 그 내부의 물을 가열할 수 있도록 히터가 설치되어 있되 20℃에서 90℃까지 온도 상승 후 수조 뚜껑이 열린 상태에서 90℃로 유지가 가능한 단열 구조로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력케이블 침수과통전 시험장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 수조부(100)는 그의 양측에 시험품인 전력케이블을 고정할 수 있는 고정구조물(101, 102)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전력케이블 침수과통전 시험장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 고전압 변압기부(200)는 장시간 내전압시험전압인 80㎸ 시험품에 인가될 수 있도록 최고 100㎸전압 발생시키며, 장시간 과전압 열화시험전압인 40㎸가 시험품에 인가될 수 있도록 최저 50㎸가 발생될 수 있도록 그의 용량이 100㎸A로 제작되어 있고, 상기 전압원용 조정기부(210)는 전동식 슬라이닥으로 전압을 조정하도록 된 것을 특징으로 하는 전력케이블 침수과통전 시험장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 통전 전류용 부하변류기부(300)는 전류원의 시험전류 측정을 위하여 용량이 30VA, 변류비가 3000/5A인 것을 특징으로 하는 전력케이블 침수과통전 시험장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 통전 전류용 부하변류기부(300)는 시험품에 최대 2,000A의 시험 전류를 흘릴 수 있는 관통형 변류기로서 그의 용량은 120㎸A로 제작되어 있고, 상기 전류원용 조정기는 전동식 슬라이닥으로 전압을 조정하여 원하는 전류 값을 얻도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전력케이블 침수과통전 시험장치.
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