KR20200014183A - 지하 전력 케이블의 부분 방전 모니터링 - Google Patents

지하 전력 케이블의 부분 방전 모니터링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 지하 전력 케이블(10)에서의 부분 방전을 모니터링하기 위한 시스템을 개시한다. 지하 전력 케이블에는 조인트(14)가 있으며; 케이블 조인트(14)에서의 보호 피복은 동축 본딩 케이블(20)을 통해 지면 레벨 근처에 위치한 링크 박스(102)에 전기적으로 연결된다. 링크 박스(102) 내부에서, 각각의 본딩 케이블(20) 내의 2 개의 도체(22, 24)는 연장 바(131, 132, 133; 또는 131a, 132a, 133a)에 의해 연결된다. 고주파 변류기(high frequency current transformer : HFCT)(150)가 각각의 연장 바 주위에 배치되거나 HFCT(150a)가 각각의 본딩 케이블(20) 주위에 배치되어 관련 지하 전력 케이블 각각에서 발생할 수 있는 부분 방전을 검출한다.

Description

지하 전력 케이블의 부분 방전 모니터링{PARTIAL DISCHARGE MONITORING OF AN UNDERGROUND POWER CABLE}
본 발명은 케이블 조인트 및/또는 케이블 절연체에서 절연 결함을 검출하는 지하 케이블의 부분 방전 모니터링에 관한 것이다. 특히, 부분 방전 모니터링은 링크 박스에 구성되어, 케이블 조인트에 가까운 지면까지 부분 방전 모니터링을 편리하게 제공한다.
고전압 전력 케이블은 종종 지하에 묻혀 있고; 외관상, 지하 케이블 사용의 이점은 전계 방출 감소, 환경 영향 감소, 보안 및 안정성 향상 등이다. 그러나, 지하 전력 케이블의 고장은 수리하는 데 시간이 더 걸린다. 이 전력 케이블은 미리 정해진 길이, 예를 들어 3km 길이로 공급되고; 이 케이블은 케이블이 놓여질 때 작업 현장에서 연결된다. 이 케이블은 항상 공장에서 테스트되고; 설치 중 기계적 응력으로 인해 국부적으로 케이블 절연체가 손상될 수 있어, 고전압 응력에 노출되면 시간이 지남에 따라 열화될 수 있고; 조인트의 케이블 절연체는 종종 완벽하지 않으며 전력 케이블을 따라 약한 절연 지점이 생기고; 더 빈번하게, 절연재료는 시간이 지남에 따라 열화된다. 따라서 케이블 절연체가 열화되면 부분 방전이 발생하고; 이러한 부분 방전은 케이블 절연체를 더욱 침식시키고 장기간의 부분 방전은 국부적인 폭발 및 케이블 고장을 초래할 수 있고; 그러므로 계획된 유지 보수가 필요하며, 결함이 있는 케이블을 주기적으로 교체하거나 케이블의 일부를 수리하거나 교체해야 한다.
지하 케이블 절연체의 열화를 보다 잘 모니터링하기 위해, 전력 케이블을 보호하는 케이블 피복(sheath)이 케이블 조인트에서 링크 박스로 전기적으로 연장되고; 이 링크 박스는 종종 모니터링을 쉽게 진행하기 위해 지상 근처에 위치된다. 이 링크 박스 내부에는 임의의 부분 방전을 검출하고, 찾아내고, 분석하기 위해 다양한 기술이 사용되고; 이들 기술 중 일부는 음향 방출 검출, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환, 케이블 절연체의 위치 및 조건을 결정하기 위해 디지털 신호를 처리, 이들 처리된 디지털 신호를 광 신호로 변환하여 광섬유를 통해 이들 신호를 모니터링 스테이션으로 전송을 포함하고; 때로는 처리된 디지털 신호가 모니터링 스테이션에 무선으로 전송될 수 있고; 이러한 종래의 모니터링 시스템은 제너럴 일렉트릭(General Electric)에 허여된 미국특허 제8,868,360호, 한국전력에 허여된 미국특허 제8,547,105호, ABB 리서치사(ABB Research Ltd.)에 허여된 미국특허 제8,390,302호에 개시되어 있다.
따라서, 지하 전력 케이블의 부분 방전을 모니터링하는 다른 시스템의 필요성이 존재함을 알 수 있다. 기존 링크 박스 내의 이러한 부분 방전 모니터링 시스템을 개조할 필요가 있다.
다음은 본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위한 간략화된 요약을 제시한다. 이 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니며, 본 발명의 주요 특징을 식별하기 위한 것이 아니다. 오히려, 본 발명의 창의적인 개념 중 일부를 후술하는 상세한 설명의 서두로서 일반화된 형태로 제시하는 것이다.
본 발명은 지하 전력 케이블의 부분 방전을 모니터링하기 위한 시스템을 제공하고자 한다. 바람직하게는, 각 케이블 조인트에서의 지하 케이블의 보호 피복은 동축 본딩 케이블을 통해 표면 레벨 근처에 배치된 링크 박스에 전기적으로 연장된다. 각 동축 본딩 케이블의 도체는 관련 연장 바(extension bar)를 통해 연결된다. 고주파 변류기(high-frequency current transformer : HFCT)는 각 연장 바 주위에 배치되어 보호 피복에 유도된 각각의 지하 전력 케이블에서 발생할 수 있는 임의의 일시적인 부분 방전을 검출한다. 일 실시 예에서, 기존 링크 박스는 높이가 연장되고 HFCT로 개조된다.
다른 실시 예에서, 본 발명은 지하 전력 케이블의 부분 방전을 모니터링하기 위해 개조된 링크 박스를 제공한다. 복수의 링크 박스는 이 링크 박스 내에 놓이는 전력 케이블의 일부를 따라 임박한 고장을 찾아낼 수 있도록 부분 방전이 모니터되는 서브스테이션에 연결될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 비제한적인 실시 예에 의해 기술될 것이다.
도 1a는 케이블 조인트를 갖는 지하 전력 케이블의 일부를 도시하고, 케이블 조인트에서의 보호 피복은 동축 본딩 케이블을 통해 링크 박스에 전기적으로 연장되고;
도 1b 내지 도 1d는 3상 전력 케이블 시스템에서 유도 전압을 상쇄시키기 위해 보호 피복이 순환 방식으로 전기적으로 크로스-오버(cross-over)되는 공지된 링크 박스를 도시하고;
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3 개의 본딩 케이블 각각의 선단 주위에 배치되는 고주파 변류기(HFCT)를 수용하도록 개조된 링크 박스를 도시하고;
도 2b는 도 2a에 도시된 실시 예의 변형 예에 따른 3 개의 본딩 케이블 각각의 말단 주위에 배치되는 고주파수 변류기(HFCT)를 수용하도록 개조된 링크 박스를 도시하고;
도 2c는 도 2a 또는 도 2b에서 사용된 링크 박스 연장을 도시하고;
도 2d는 본딩 케이블의 도체와 전기적으로 직렬로 연결되는 연장 바를 도시하고, 도 2e는 HFCT를 도시하며;
도 3은 3 개의 본딩 케이블 각각의 주위에 배치되는 HFCT를 수용하도록 재구성된 링크 박스를 도시한다.
본 발명의 하나 이상의 특정 및 대안적인 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 세부사항없이 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 일부 세부사항은 본 발명을 모호하게 하지 않도록 길게 기술되지 않을 수도 있다. 참조를 용이하게 하기 위해, 공통의 참조번호 또는 일련의 숫자가 도면에 공통적인 동일하거나 유사한 특징을 언급할 때 도면 전체에 사용될 것이다.
도 1a는 고전압 지하 전력 케이블(10)의 일부를 도시하고; 이러한 전력 케이블(10)은 고전압, 예를 들어 33 내지 220 kV을 반송하며; 전형적으로, 전력은 3 상(R, Y, B)의 3 개의 전력 케이블 및 접지 상(E)의 제4 전력 케이블에 의해 교류로서 공급된다. 각각의 전력 케이블(10)은 길고, 직렬로 조인트된(14) 소정 길이의 케이블로 구성된다. 전력 케이블은 트렌치 내에 놓을 수 있고; 트렌치 위, 지면 레벨에서, 전력 케이블을 검사하거나 유지할 목적으로 커버를 갖는 맨홀(12)이 제공된다. 각 케이블 조인트(14)에서, 2 개의 조인트된 길이의 전력 케이블의 케이블 피복은 동축 본딩 케이블(20)을 통해 지면 레벨에 배치된 링크 박스(100)에 전기적으로 연결된다. 전형적으로, 각각의 케이블 피복을 링크 박스(100)에 연결시키는 4 개의 본딩 케이블(20)이 있다. 이들 링크 박스(100)는 방폭(explosion-proof)을 위해 설계된다. 각 링크 박스(100) 내부에서, 하나의 전력 케이블의 케이블 피복은 RYB 순환 방식으로 다른 전력 케이블의 케이블 피복에 전기적으로 크로스-오버되고; 이것은 다른 3상 전력 케이블에서 유도된 전압으로 하나의 전력 케이블의 케이블 피복에 유도된 전압을 상쇄시키는 것이다. 도 1b는 링크 박스(100)의 평면도를 도시하고, 도 1c는 링크 박스(100) 내부에서 본 측면도를 도시하며, 도 1d는 링크 박스(100)의 사시도를 도시한다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 위상 크로스-오버 접속은 점퍼 플레이트(111, 112, 113)에 의해 제공되고; 바람직하게는, 이들 점퍼 플레이트(111, 112, 113)는 구리로 제조되고 주석 층으로 마무리된다. 본 발명에서, 각각의 점퍼 플레이트(111, 112, 113)를 지지하는 각각의 점퍼 커넥터(121, 122, 123; 121a, 122a, 123a)는 관련 연장 바(131, 132, 133; 131a, 132a, 133a)에 의해 높이가 연장되고; 모두 6 개의 연장 바가 있으며, 점퍼 플레이트의 양단부의 각각에 2 개가 있다. 설명의 용이함을 위해 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 트레일 연장 바아(131a, 132a, 133a)는 본딩 케이블(20)의 코어 도체(24)에 전기적으로 연결되는 반면(예를 들어, 압축 슬리브를 사용하여), 리드 연장 바아(131, 132, 133)는 본딩 케이블(20)의 실드 도체(22)에 전기적으로 연결된다(예를 들어, 터미널 블록을 사용하여). 각각의 기존 링크 박스(100)는 연장 바를 수용하도록 높이 연장 유닛(140)을 제공함으로써 높이가 변경되고; 도 2c는 높이 조절부(H)를 갖는 높이 연장 유닛(140)를 도시하고; 이러한 방식으로 기존 링크 박스를 완전히 새로운 링크 박스로 교체하는 데 드는 비용과 문제가 최소화된다. 본 발명의 연장된 높이 링크 박스는 이제 102로 번호가 매겨진다.
고전압 전력 케이블에서 부분 방전이 발생하면, 고주파 과도 전류 펄스가 나타나서 나노초에서 마이크로 초 동안 지속되고, 그 다음에 전압 사인파가 제로 크로싱(zero-crossing)을 통과함에 따라 사라지고 다시 나타난다. 일단 시작되면, 부분 방전은 케이블 절연체의 점진적인 열화를 초래한다. 부분 방전의 심각성은 버스트의 단부와 다음 버스트의 시작 사이의 버스트 간격을 측정하여 결정된다. 버스트 간격은 실질적으로 2 나노초의 임계 버스트 간격에 도달할 때까지 계속적으로 단축되고, 풀-블론(full-blown) 방전이 발생하고; 풀-블론 방전은 전력 케이블을 완전히 고장낼 수 있다. 이러한 부분 방전 버스트의 작은 크기 및 짧은 지속시간을 검출하기 위해, 각각의 리드 연장 바(131, 132, 133) 주위에는 고주파 변류기(HFCT)(150)가 배치되고; 이 실시 예는 도 2a에 도시되어 있다. 다른 실시 예에서, 각각의 고주파 변류기(HFCT)(150)는 각각의 트레일 연장 바아(131a, 132a, 133a) 주위에 배치되고; 이것은 도 2b에 도시되어 있다. 일 실시 예에서, 리드 연장 바(131,132,133)는 트레일 연장 바(131a, 132a, 133a)보다 약간 더 길고; 길이의 약간의 차이를 제외하면, 연장 바(131, 131a 등)는 직경(d)의 원통으로 도 2d에 도시되어 있고, 스테인리스 강, 구리 등의 전기 도체로 제조되며, 양단부가 나사를 수용하기 위해 동축으로 스레디드(threaded)되고; 또한 연장 바에는 나사 또는 볼트가 스레디드 단부에서 조여질 때 스패너가 그립할 수 있는 2 개의 플랫부(flat)(AF)가 있다. 도 2e는 HFCT(150)가 도넛 형상을 형성하기 위해 전선/필라멘트의 권선(winding)으로 구성되고, 직경(d)의 중심 구멍, 외경(D), 길이(l) 및 전선/필라멘트의 단부에 대한 단자를 갖는 것을 도시한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, HFCT의 단자는 관련 동축 케이블(152)을 통해 L자형 출구 파이프(154)를 통해 높이 연장 유닛(140)의 외부에 연결되고; 바람직하게는, 높이 연장 유닛(140) 내의 L자형 출구 파이프(154)는 상방을 향하고; L자형 출구 파이프(154)는 또한 높이 연장 유닛(140)의 본딩 케이블(20)과 동일한 측면 상에 위치되는 것이 바람직하다. 일 실시 예에서, 리드 및 트레일 연장 바(131, 132, 133; 131a, 132a, 133a)는 실질적으로 35 mm의 직경(d) 및 약 80-100 mm의 길이를 가지며, HFCT(150)는 35 mm의 내경(d), 실질적으로 80 mm의 외경(D) 및 약 30 mm의 길이(l)를 제공하기 위해 전기 코일의 다수의 턴(turns)을 가진다.
다시 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 높이 연장 유닛(140)의 상부 에지 주위에는 역 L자형 프레임(141)이 부착된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 역 L자형 프레임(141)은 상부 에지와 플러시(flush) 되도록 배치되고, 폐쇄 커버(140a)는 높이 연장 유닛(140)의 상부 에지와 역 L자형 프레임(141) 둘 모두와 접촉하여 위치한다. 연장 링(142)은 또한 높이 연장 유닛(140)의 하부 에지의 내부 표면 주위에 부착되고; 연장 링(142)은 하방으로 연장되어 링크 박스 몸체(100a)의 상부 에지와 내부 칼라로서의 역할을 한다. 역 L자형 프레임(141) 및 연장 링(142)은 폭발이 발생할 경우 폭발력에 의해 직접 영향을 받지 못하도록 높이 연장 유닛(140)의 상부 및 하부 에지에서 각각 인터페이스 조인트를 차폐하기 위해 제공된다. 또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 동축 케이블(152)을 피복하기 위한 L자형 출구 파이프(154)는 높이 연장 유닛(140)의 측면 상에 위치된다. L자형 출구 파이프(154)는 임의의 폭발이 발생할 때 출구 파이프(154)를 통한 가스의 직접적인 방출을 최소화하도록 제공된다.
또 다른 실시 예에서, 각각의 HFCT(150a)는 링크 박스(100a) 내로 진입한 후에 본딩 케이블(20) 각각의 주위에 배치되고; 이 실시 예는 도 3에 도시되어 있다. 점퍼 플레이트(111, 112, 113, 111a, 112a, 113a)에 의해 제공되는 크로스-오버 연결로 인해, 본딩 케이블에서 발생하여 검출될 수 있는 임의의 과도 전압은 크기가 낮을 수있고; 그 결과, HFCT(150a) 내의 코일의 수는 HFCT(150) 내의 코일의 수 보다 매우 높아야 한다. 다른 단점은 본딩 케이블(20) 사이의 피치 거리가 HFCT(150a)의 외경 크기를 제한할 수 있다는 것이다.
다시 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 가요성 주석을 입힌 구리 편조형(braided) 케이블(160)은 각각의 점퍼 커넥터(121a, 122a, 123a)를 서지 전압 리미터(162)에 조인트시킨다. 각각의 서지 전압 리미터(162)는 2 개의 단부 단자(163, 164)를 가지고; 제1 단부 단자(163)는 점퍼 커넥터(121a, 122a, 123a)에 연결되는 반면, 반대쪽 단부 단자(164)는 접지 링크 플레이트(170)에 연결되고; 접지 링크 플레이트(170)는 접지 케이블(E)에 전기적으로 연결된 본딩 케이블(20N)의 코어 도체(24)에 차례로 연결된다. 번개 또는 심한 부분 방전과 같은 전압 서지의 경우, 서지 전압 리미터(162) 등급을 초과하는 전압은 연관된 케이블 피복에 나타나고, 서지 전압 리미터(162)는 파괴될 것이고; 따라서 서지 전압 리미터(162)는 고전압 서지에 의한 손상으로부터 링크 박스(102)에 대한 제1 보호 레벨을 제공한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 실시 예의 이점은 기존 링크 박스(100)가 관련 HFCT (150)와 함께 리드 및 트레일 연장 바(131, 132, 133; 131a, 132a, 133a)를 설치하고 높이 연장 유닛(140)을 추가함으로써 개조될 수 있다는 것이다. 따라서, 높이가 연장된 링크 박스(102)를 제공함으로써, 개조의 재료 비용이 낮아지고; 개조없이는 기존 링크 박스 및 내부 전기 연결을 교체하는 데 보다 많은 시간과 문제가 발생한다.
전력 공급 케이블이 각각 유한 길이 또는 케이블 섹션의 직렬 조인트로 구성되기 때문에, 동축 케이블(152)을 수개의 링크 박스(102)로부터 부분 방전 신호가 동시에 모니터링되는 서브스테이션으로 연장할 수 있다. 예를 들어, 부분 방전 신호의 크기의 차이로부터, 연관된 링크 박스(102)로부터의 임박한 고장의 위치를 추정할 수 있으며 임박한 고장의 위치를 확인하기 위해 관련 맨홀에서 추가 검사가 수행될 수 있다. 동축 케이블(152)을 서브스테이션까지 연장하는 대신에, 무선 수단을 통해 또는 광 케이블을 통해 서브스테이션으로 부분 방전 신호를 중계하는 것도 가능하다.
특정 실시 예가 설명되고 예시되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면 서 본 발명에 많은 변경, 수정, 변형 및 이들의 조합이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 3 개의 동축 케이블(152)을 사용하는 대신에, 차폐된 다중 코어 케이블이 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 박스 본체 및 박스 본체에 착탈가능하게 장착되어 방폭의 내부 공간을 제공하는 박스 연장 유닛으로 구성된 링크 박스로서, 링크 박스는,
    박스 본체를 관통하여 종단할 수 있는 3 개의 동축 본딩 케이블의 단부로서, 각 동축 본딩 케이블의 외부 및 내부 도체가 3 개의 관련 (RYB) 전력 케이블 조인트 박스 및 접지 케이블 각각을 둘러싸는 각각의 케이블 피복과 전기적으로 연결되는, 상기 동축 본딩 케이블의 단부;
    관련 동축 본딩 케이블의 각각의 외부 도체와 전기적으로 연결될 수 있는 리드 연장 바;
    관련 동축 본딩 케이블의 각각의 내부 도체와 전기적으로 연결될 수 있는 트레일 연장 바;
    리드 연장 바를 트레일 확장 바와 (RYB) 순환 방식으로 연결할 수 있는 크로스-오버 점퍼 플레이트 세트;
    리드 연장 바 또는 트레일 연장 바 각각의 주위에 배치될 수 있는 고주파 변류기;
    고주파 변류기의 각각의 두 말단을 종단하기 위해 박스 본체의 일측 상에 배치될 수 있는 전기 단자; 및
    링크 박스의 내부가 방폭을 유지하도록, 박스 본체의 내면에 배치되어 전기 단자 및 관련 동축 통신 케이블 각각을 차폐하는 L자형 파이프를 포함하는, 링크 박스.
  2. 제1항에 있어서, 리드 연장 바 또는 트레일 연장 바는 구리로 제조되는, 링크 박스.
  3. 제1항에 있어서, 링크 박스의 내부에 배치된 상기 L자형 파이프는 상방을 향하는, 링크 박스.
  4. 제1항에 있어서, 박스 연장 유닛은 볼트 및 너트에 의해 박스 본체에 연결되는, 링크 박스.
  5. 제4항에 있어서, 박스 연장 유닛 상에 착탈가능하게 장착될 수 있는 상부 폐쇄 플레이트를 더 포함하는, 링크 박스.
  6. 제5항에 있어서, 박스 연장 유닛과 상부 폐쇄 플레이트 사이의 계면을 따라 배치된 역 L자형 프레임을 더 포함하는, 링크 박스.
  7. 제5항에 있어서, 박스 연장 유닛에 연결된 연장 링을 더 포함하고, 연장 링은 박스 연장 유닛과 박스 본체 사이의 내부 조인트 주위에 형성되는, 링크 박스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 링크 박스는 전력 케이블이 지하에 매설되고 전력 케이블의 두 섹션이 함께 결합되는 지면 근처에 배치되는, 링크 박스.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 링크 박스로부터의 전기 단자는 중앙 모니터링을 위해 서브스테이션으로 연장되는, 링크 박스.
  10. 고전압 3상(RYB) 전력 케이블의 두 섹션이 결합되는 위치에 배치된 링크 박스에서 케이블 방전을 모니터링하는 방법으로서,
    각 전력 케이블의 케이블 피복을 관련 동축 본딩 케이블의 외부 및 내부 도체에 연결하는 단계;
    동축 본딩 케이블의 외부 도체 각각을 리드 연장 바와 내부 도체 및 트레일 연장 바에 연결하는 단계;
    리드 연장 바를 트레일 연장 바에 RYB 순환 방식으로 링킹하는 점퍼 플레이트 세트를 연결하는 단계;
    리드 또는 트레일 연장 바 각각의 주위에 고주파 변류기(HFCT)를 배치하는 단계; 및
    HFCT가 HV 전력 케이블을 따라 발생할 수 있는 과도적인 부분 방전으로 인해 초래된 전압 스파이크를 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, HFCT의 모니터링 단계는 전압 스파이크 사이의 지속시간을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, HFCT의 모니터링 단계는 HFCT로부터의 단자를 원격 모니터링을 위해 서브스테이션까지 연장하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 동축 본딩 케이블의 도체를 RGB 순환 방식으로 링킹하는 크로스-오버 점퍼 세트를 갖는 기존의 링크 박스를 업그레이드하는 방법으로서, 상기 방법은,
    박스 본체와 폐쇄 플레이트 사이에 박스 박스 연장 유닛을 추가하여 기존 링크 박스의 높이를 연장시키는 단계;
    각 동축 본딩 케이블의 실드 도체와 관련된 커넥터 및 관련 점퍼 커넥터 사이에 리드 연장 바를 배치하는 단계;
    또 다른 동축 본딩 케이블과 관련된 점퍼 커넥터 및 관련 코어 도체 사이에 트레일 연장 바를 배치하는 단계;
    각 리드 연장 바 또는 각 트레일 연장 바 주위에 고주파 변류기(HFCT)를 배치하는 단계; 및
    박스 본체의 일측에서 HFCT의 단부를 종결시키는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제2항에 있어서, 박스 연장 유닛은 볼트 및 너트에 의해 박스 본체에 연결되는, 링크 박스.
  15. 제3항에 있어서, 박스 연장 유닛은 볼트 및 너트에 의해 박스 본체에 연결되는, 링크 박스.
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