KR20210085091A - 고압 전력케이블의 pd 측정 및 위치추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법은 PD 검증용 지중케이블을 설치하고, 케이블 접속재 내부 모의 결함을 가공하며, 고압 개폐기에 모의 결함 케이블을 연결하는 결함 선로 설치 단계와; PD 측정 검증시험을 위하여 활선 계통을 투입하며, 케이블 접속재 내부에 모의 결함을 재가공하는 결함 가공단계와; 3상 활선 PD 측정 장치를 사용하여 PD를 확인하고, PD를 분석하는 활선 PD 진단 단계와; 직접펄스와 반사파를 활용한 방전 위치를 추정하여 PD 위치를 추정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 고압 전력 케이블 부분방전 진단을 PD 시험 기준을 규격화할 수 있고, 각 시험기관별로 상이한 시험 방법들을 효율적으로 할 수 있다.

Description

고압 전력케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법{PD Measurement and Location Estimation of High Voltage Cables}

본 발명은 고압 전력 케이블의 PD(Partial Discharge: 부분방전, 이하 “PD”라 한다)측정 및 위치추정 방법에 관한 것으로, 전력 케이블의 부분방전을 측정하는 절차에 관한 방법발명에 관한 기술이다. 활선에서 전력 케이블을 진단할 수 있는 PD 측정은 매우 중요한 진단요소이다.

PD 진단은 전력 케이블 절연 진단에 매우 중요한 역할을 하고 있다. PD 진단 방법을 적용하여 공장에서 케이블 생산 후 품질검사를 위한 PD 측정 시험, 이후 건전성 시험, 수명 평가에 적용하기도 하며, 케이블 제품의 품질 평가에도 매우 유용하게 이용하고 있는 방법이다.

이 시험 방법으로 케이블을 포함한 부속 자재의 절연상태 정보를 얻을 수 있다. 전력 케이블은 전압이 높아질수록 전력 전송 효율은 높아지지만 절연 케이블의 절연체 수명에는 크게 영향을 줄 수 있다.

고압 전력 케이블 부분방전 진단은 활선에서 케이블의 절연열화를 진단할 수 있는 유용한 방법이다. 현재 국내ㅇ외에서 주로 이용하고 있는 전력 케이블 부분방전 측정 방법은 사선 시험법과 활선 시험법이 있다.

사선 시험법은 전력 케이블이 설비계통과 분리된 상태에서 시험용 내압기로 고압을 공급하고 부분방전을 측정하는 방법이고, 전력 케이블의 사용 전압보다 높은 전압까지 가혹한 시험을 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 시험을 통과한 전력케이블이 스트레스에 의하여 절연체 손상의 가능성이 있다.

활선 시험법은 전력 케이블이 설비 계통에 연결된 상태에서 운전 중에 부분방전 신호 발생 여부를 측정하는 방법이다. 활선 시험 방법은 전력 케이블 사용 중에 부분방전 발생 여부를 측정할 수 있으므로 케이블이 스트레스를 받지 않고 비파괴 진단을 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 실험실에서의 노이즈가 조절될 수 있는 부분방전 측정과 달리 실 선로에서의 부분방전 측정은 외부 노이즈를 조절 할 수 없으며 측정 할 때 노이즈를 제거할 수 있는 다양한 기술을 필요로 한다. 실 선로에서 노이즈를 감소시키기 위한 방법은 펄스 분석법과 주파수 동조 증폭 방법을 사용하고 있다.

전력 케이블의 사고는 접속부에서 주로 나타나는데 대부분의 고장 요인은 공극, 오염 물질 및 절연체의 돌출부로 인하여 전계가 집중되어 절연 파괴가 된다. 결함 요인에 의해 PD가 발생되어 관측이 될 경우 절연체의 이상을 감지할 수 있는 좋은 방법임은 그동안 많은 연구에서 알려져 왔다.

PD 시험은 IEC 60270 규격에 따른 고압 충전부에 커플러 커패시터(Coupler Capacitor)를 연결하여 검출하는 일반적인 PD 검출 방법이 있다.

주로 전력 케이블과 고압 설비를 생산한 후의 절연 성능 시험이나 전력 케이블의 절연 상태 판정을 위해 시험 평가를 목적으로 적용한다. 전력 케이블을 시공 후에 사용 전 점검으로 내전압(High Voltage Test) 시험은 설비의 운전 전압과 동일한 전압을 신설 케이블에 인가하여 수 시간에서 수일간 시험운전을 하여 케이블의 건전성을 점검하는 방법과 운전전압보다 높은 전압을 수 시간 인가하여 시험하는 방법이 있다. 전력 케이블을 시공 후의 시험 방법 중에 외부의 고압 전원을 공급하여 내전압 시험을 하여 시공 상태의 건전성 평가를 하고 있는데 최근에는 내전압 시험을 하는 동안 PD 측정 시험을 동시 적용하는 사례가 늘고 있다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 등록특허공보 제10-0451254호(공고일: 2004. 10. 20) “전력케이블의 부분방전 측정 시스템”이 공개되어 있다.

상기 특허공보에 공개된 발명은 전력케이블의 부분방전 측정 시스템에 관한 것으로서, 운전 중인 전력케이블의 수MHz에서 수십MHz 의 고주파 부분방전 신호를 측정할 때 기중종단 접속부 등에서 발생되는 고압부 코로나 방전신호나 다른 위상의 전력케이블 혹은 접속함에서 발생하는 방전신호를 차단하여 정확한 부분방전 신호측정의 감도를 향상시키고 부분방전 발생위치를 보다 정확하게 판별할 수 있는 이점이 있다.

전력 케이블은 상시 운전 중에도 절연 건전성 여부를 관리할 필요가 있는데 활선 중에 진단 할 수 있는 방법이 활선 PD 진단이다. 활선에서 PD 측정은 노이즈가 혼합되어 신호가 검출될 수 있으며, 노이즈를 저감시키고 PD 신호를 검출하기 위한 많은 방법들이 연구되고 있다. 최근 전력 케이블 PD 측정에서 노이즈를 저감시키고 PD 신호 검출을 향상시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 많이 연구되고 있는 방법 중에는 PD 펄스의 형태 분석과 측정대역의 주파수를 선택하여 신호를 검출하는 방법이 있다.

최근 많은 연구를 통하여 케이블 절연 건전성 평가를 위한 내전압 시험 제안은 규격화 되어 있으나, PD 시험 기준은 규격화 되어 있지 않고, 각 시험기관별 시험 방법들도 상이하다.

송배전 전력 케이블 실 계통에 사용되는 PD 측정 센서는 현장의 계통에 따라 다양한 센서의 형태와 주파수 특성이 있어 측정 방법 및 센서 설치 방법도 상이한 문제들이 있다. 사선에서 PD 측정법은 고압 충전부와 직접 접촉된 커플러 커패시턴스 센서를 적용하고 있고 활선에서는 활선 가압 전에 커플러 커패시터 센서를 고압 충전부에 접촉 설치하거나, 활선 가압 후에는 고압 충전부에 접촉하지 않고 측정 케이블의 고압 충전부와 직접 접촉되지 않은 케이블 표면이나 접지에 센서를 설치하여 측정하는 간접 측정법을 이용하고 있다.

전력 케이블 PD 측정 방법은 장비 개발 업체나 연구기관의 자체 시험 방법으로 측정 수치나 열화 판정 기준의 차이가 있으며 국내에서 시험방법으로 66kV 이하 지중 배전 케이블 시공 후 사용 전 점검으로 내전압 시험과 병행하여 PD 측정 시험법을 적용하고 있다. 345kV 이상의 지중 송전 케이블을 대상으로 시공 후 PD모니터링 장치를 설치하는 것을 기본으로 운용하고 있다.

IEEE 400.2에 제시된 방법(IEEE 400.2: IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF))은 사선 VLF(Very Low Frequency) PD 측정으로 22.9kV 이하의 배전 케이블 진단으로 활발히 적용되고 있다. 사선 PD 측정은 케이블 내부 도체의 고압 충전부에 커플러 커패시터를 직접 접촉하여 케이블에서 발생된 PD 펄스 신호를 검출하는 방법이다.

사선 VLF PD 측정의 검출 감도는 PD 펄스를 직접 검출한 효과로 인하여 감도가 매우 우수한 장점을 가지고 있다.

그러나 종래 고압 전력 케이블 부분방전 진단 방법은 전력 케이블 절연 건전성 평가를 위한 내전압 시험 제안은 규격화 되어 있으나, PD 시험 기준은 규격화 되어 있지 않고, 각 시험기관별 시험 방법들도 상이하다는 문제점이 있다.

등록특허공보 제10-0999575호(공고일: 2010. 12. 8.) 등록특허공보 제10-1531641호(공고일: 2015. 7. 6.)

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 고압 전력 케이블 부분방전 진단 방법에 있어서, 케이블 절연 건전성 평가를 위한 내전압 시험 제안은 규격화 되어 있으나, PD 시험 기준은 규격화 되어 있지 않고, 각 시험기관별 시험 방법들도 상이하여, PD 시험 기준을 규격화할 수 있고, 각 시험기관별로 상이한 시험 방법들을 효율적으로 할 수 있는 방법을 제시하는 데에 있다.

상기한 선행기술의 문제제점들을 해결하기 위한 본 발명의 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법은, (a) PD 검증용 지중케이블을 설치하고, 케이블 접속재 내부 모의 결함을 가공하며, 고압 개폐기에 모의 결함 케이블을 연결하는 결함 선로 설치 단계와, (b) PD 측정 검증시험을 위하여 활선 계통을 투입하며, 케이블 접속재 내부에 모의 결함을 재가공하는 결함 가공단계와, (c) 3상 활선 PD 측정 장치를 사용하여 PD를 확인하고, PD를 분석하는 활선 PD 진단 단계와, (d) 직접펄스와 반사파를 활용한 방전 위치를 추정하여 PD 위치를 추정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 3상 활선 PD 측정 장치를 사용하여 PD를 확인하고, PD를 분석하는 활선 PD 진단단계는 변압기측에서 PD를 확인하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 3상 활선 PD 측정 장치를 사용하여 PD를 확인하고, PD를 분석하는 활선 PD 진단단계는 PRPD / T-F Mapping을 활용하여 PD를 분석하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 PD 검증용 지중케이블은 CN-W 60㎟인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 PD 검증용 지중케이블의 길이는 26m 또는 100m인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법에 의하면, 고압 전력 케이블 부분방전 진단을 PD 시험 기준을 규격화할 수 있고, 각 시험기관별로 상이한 시험 방법들을 효율적으로 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 전력 케이블 내에서 발생된 PD 펄스 해석 원리를 나타내는 도면.
도 2(a)는 PD 신호와 코로나 동시 발생 후 측정한 T-F Map.
도 2(b)는 PD 신호와 코로나 위상분해 부분방전 분석 패턴.
도 3은 모의 결함 PD 신호 위치추정 중 펄스 시간차 방향 추정 도면.
도 4는 모의 결함 PD 신호 위치추정 중 PD 펄스 위치추정 도면.
도 5는 반사 펄스 시간차 위치추정의 시간차 분석 도면.
도 6은 본 발명의 실증 시험장에서 모의 결함 PD 측정 구성도.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 전력 케이블 내에서 발생된 PD 펄스 해석 원리를 나타내는 도면이고,도 2(a)는 PD 신호와 코로나 동시 발생 후 측정한 T-F Map이다.

도 2(b)는 PD 신호와 코로나 위상분해 부분방전 분석 패턴이고, 도 3은 모의 결함 PD 신호 위치추정 중 펄스 시간차 방향 추정 도면이다.

도 4는 모의 결함 PD 신호 위치추정 중 PD 펄스 위치추정 도면이고, 도 5는 반사 펄스 시간차 위치추정의 시간차 분석 도면이고, 도 6은 본 발명의 실증 시험장에서 모의 결함 PD 측정 구성도이다.

도 1은 전력 케이블 내에서 발생된 PD 펄스 해석 원리를 나타내는 도면이다.

본 발명에서는 케이블 거리에 따라 감쇄되는 PD 펄스를 증폭하고 측정된 신호를 분석하는 별도의 측정 장치를 준비한다. 측정 장치는 PD 펄스 모양과 주파수 성분을 분석 분류하는 방전펄스 분석법과 특정 주파수 대역을 선택 측정하는 주파수 동조 증폭 분석법을 이용한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 케이블 내에 발생된 펄스 A는 Near End에 먼저 이동하여 검출되고, 케이블 반대로 이동된 후 반사되어 돌아온 신호를 펄스 B로 도시한다. 펄스 C는 처음 검출된 펄스 A가 측정 쪽에서 반사되고 다시 케이블 반대쪽 끝에서 반사되어 되돌아오는 형태를 나타내고 있다.

각 펄스의 시간차를 구하게 되면 측정된 펄스 A와 C의 시간차는 케이블 총 길이를 왕복한 시간을 얻게 되고 측정된 펄스 A와 B의 시간차를 구하게 되면 케이블 내에서 발생된 신호인지 케이블 외부에서 유입된 신호인지를 추정할 수 있다.

도 2(a)는 PD 신호와 코로나 동시 발생 후 측정한 T-F Map이고, 도 2(b)는 PD 신호와 코로나 위상분해 부분방전 분석 패턴이다.

PD 신호와 코로나 동시 발생 후 측정한다. 직선 접속재 내부에 모의 결함과 케이블 단말의 모의 코로나를 동시 발생 시킨 후 PD 신호만을 분석하는 과정이다.

케이블 단말 끝에 코로나가 발생될 수 있도록 하고 전압을 인가한다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이 코로나 군집, PD 신호의 군집, 노이즈 군집 등 3개의 군집 영역이 만들어졌으며 군집된 신호를 선택하여 PD 신호를 찾아 도 2(b)와 같이 분류한다.

도 3은 모의 결함 PD 신호 위치추정 중 펄스 시간차 방향 추정 도면이다.

고압 전력 케이블 내부에서 발생된 PD 신호가 케이블 내부 도체를 통하여 방전 펄스가 이동되는 경우 전파속도에 의한 시간차가 발생한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 케이블 접속부 사이에 2개의 센서를 설치하고 측정하는 경우 검출된 펄스 신호는 측정 시간차가 발생한다. 만약 접속부 내부에 방전 펄스가 발생하는 경우 2개의 센서에서 검출된 펄스의 시간차는 거의 동일하게 나타나며, 센서 HFCT(High Frequency Current Transformer: 고주파 CT)1 방향 케이블에서 발생된 신호가 케이블을 타고 이동되는 경우 HFCT1과 HFCT2 센서의 간격만큼 시간차가 발생하게 된다.

검출된 신호의 시간차에 의해 센서 사이에서 발생된 신호인지, 두 센서의 바깥쪽 방향에서 발생된 신호인지를 확인할 수 있다. 실험실이나 실 선로에서 검출된 PD 신호의 위치추정에 많이 이용되는 방법이다.

도 4는 모의 결함 PD 신호 위치추정 중 PD 펄스 위치추정 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, HFCT PD 측정 센서를 사용하여 케이블 내 PD 신호 위치추정 시험을 한다. 100m 길이의 22.9kV XLPE(Cross-Linked Polyethylene) 배전 전력 케이블에 모의 펄스 신호를 주입 후 케이블 거리별 신호를 측정하여 위치추정을 한다. 케이블 한쪽 끝 단말에 모의 PD 펄스(calibrator)를 주입 후 거리별 센서를 설치하여 위치추정 시험을 한다. 모의 신호를 주입 후 거리별 검출된 펄스 성분에서 직접펄스와 반사펄스의 시간차를 분석하여 신호의 위치를 추정한다.

도 5는 반사 펄스 시간차 위치추정의 시간차 분석 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 반사 펄스 시간차 위치추정의 시간차 분석에 관한 것이다. 도 5는 전력 케이블 외피에 거리별 센서를 취부하여 측정된 직접펄스와 반사펄스의 시간차 분석 과정이다. 100m 케이블에 모의 펄스 신호를 주입한 후 거리 10m 간격으로 센서를 케이블 외피에 접촉하여 주입된 펄스를 측정한다.

검출된 펄스의 형태를 분석하여 직접펄스와 케이블 반대편에서 반사된 펄스의 시간차를 관측하여 위치분석을 한다. PD 신호 발생상의 T-F MAP 군집에 따른 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge, 위상분해 부분방전) 분석에서 이상신호로 추정되는 펄스를 선택하여 분석한다. 선택된 펄스의 직접펄스와 반사펄스의 시간차를 분석하여 발생신호원의 위치추정을 한다.

도 6은 본 발명의 실증 시험장에서 모의 결함 PD 측정 구성도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 현장 실선로와 동일하게 구성된 전력 케이블 실증 시험장에서 PD 측정을 위하여 모의 결함 접속재를 연결하여 시험 환경을 구성한다.

모의 결함 케이블 접속재와 연결된 전력 케이블(22.9kV CN/CV XLPE 60㎟)은 100m와 26m를 연결하였다. 실선로 고압을 인가하여 PD 측정 및 PD 신호 위치추정을 한다. 지상 고압 개폐기와 변압기 엘보 접속은 결함요인이 발생되지 않도록 정상적인 접속 작업을 한다.

현장 실선로와 동일하게 계통 구성된 실증 시험장에서 시험을 시행한다. 케이블 단말 각 지상기기는 변압기와 개폐기로 구성되었으며 활선에서 고압 변압기 쪽을 선행 측정 후, 고압 개폐기 쪽을 측정한다. 시험 과정 중에 결함 크기를 조절하기 위해서 활선 계통 전압을 차단하고 결함을 가공한 후 반복하여 재측정한다.

모의 결함 PD 측정 및 PD 신호 위치추정 방법은 다음과 같이 한다.

이상, 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 동일한 기술적 사상 범위 내에서 다른 실시예로 수행될 수 있고, 균등물이 대체물로서 사용될 수 있으며, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 고압 전력 케이블 부분방전 진단 시스템은 활선에서 케이블의 절연열화를 진단할 수 있는 유용한 방법이므로 산업에 유용한 발명이다.

Claims (5)

1. 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법에 있어서,
   (a) PD 검증용 지중케이블을 설치하고, 케이블 접속재 내부 모의 결함을 가공하며, 고압 개폐기에 모의 결함 케이블을 연결하는 결함 선로 설치 단계;
   (b) PD 측정 검증시험을 위하여 활선 계통을 투입하며, 케이블 접속재 내부에 모의 결함을 재가공하는 결함 가공단계;
   (c) 3상 활선 PD 측정 장치를 사용하여 PD를 확인하고, PD를 분석하는 활선 PD 진단 단계;
   (d) 직접펄스와 반사파를 활용한 방전 위치를 추정하여 PD 위치를 추정하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 3상 활선 PD 측정 장치를 사용하여 PD를 확인하고, PD를 분석하는 활선 PD 진단단계는 변압기측에서 PD를 확인하는 것을 특징으로 하는 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 3상 활선 PD 측정 장치를 사용하여 PD를 확인하고, PD를 분석하는 활선 PD 진단단계는 PRPD / T-F Mapping을 활용하여 PD를 분석하는 것을 특징으로 하는 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 PD 검증용 지중케이블은 CN-W 60㎟인 것을 특징으로 하는 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 PD 검증용 지중케이블의 길이는 26m 또는 100m인 것을 특징으로 하는 고압 전력 케이블의 PD 측정 및 위치추정 방법.

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