2.1 케이블 절연열화 검사방법

자가용 전기설비의 케이블 절연내력 시험방법은 전기설비 기술기준 및 판정기준 제 13조(전로의 절연저항 및 절연내력)에서 상기 케이블을 포함한 내용을 명시하고 있으나, 케이블의 신설 또는 사용 중인 케이블을 구분하고 있지 않다.

국내 22.9kV 배전계통은 CNCV(XLPE insulated, concentric neutral conductor with water blocking tapes and PVC sheathed power cable)를 적용하고 있으며, 절연내력에 관한 검사는 관련 법정검사기관의 사용전 검사와 정기검사를 통해 수행된다. 표 1과 같이 사용전 검사의 경우 신설된 케이블에 연속 10분간 최대 교류시험전압의 2배에 해당하는 직류전압을 인가한다. 정기 검사의 경우 3년마다 수행되며, 사용 중인 케이블의 열화 정도를 고려하여 사용전 검사 전압의 50～60%에 해당하는 30 kV 직류전압을 인가한다.

법정검사기관의 ‘검사업무 처리방법’에 명시된 케이블의 검사방법은 1,000V 또는 2,000V의 절연저항계를 이용하여 절연저항이 3MΩ 이상일 경우 수행하며, 케이블의 각 심선 간 및 대지 간에 시험전압을 연속하여 10분간 가하여 이에 견디어야 한다⁽¹⁾. 표 1과 같이 단계적으로 전압을 인가하여 최종시험전압 10분 후의 누설전류를 μA/km로 환산하며, 상간불평형률, 성극비(PI : polarization index) 산정을 위하여 최종시험전압을 인가한 후 1분경과 시 누설전류와 10분 후 누설전류를 측정 및 기록한다.

해당 검사방법의 판정기준은 국내의 경우 표 2와 같이 누설전류의 크기, 상간 불평형율, 성극비 중에서 요주의가 2개 이상인 경우 부적합으로 판정한다. 누설전류의 크기는 케이블 길이가 1 km 이내인 경우 10㎂, 케이블 길이가 1km 이상인 경우 1km로 환산한 값의 누설전류가 10 ㎂이상이면 요주의로 판정한다.

2.2 케이블 직류누설전류시험법

직류누설전류 측정법은 케이블의 도체 상호간 또는 연피 간에 직류 고전압을 가하고 전류의 변화와 크기를 측정방법으로 전선 내부의 열화 상태에 따라서 직류누설전류는 시간에 따른 변화 및 형태가 다르게 나타날 수 있다⁽⁴⁾. 케이블의 절연열화 시험 방법은 전원의 종류, 활선 여부에 따라 절연저항법, 직류누설전류시험법, 유전정접법(tanδ : dielectric tangent), 부분방전법(PD : partial discharge) 등 다양한 시험법이 존재하며, 측정 장비의 소형화, 휴대성을 장점으로 직류누설전류시험법이 가장 널리 적용되어 왔다.

현재 국내 자가용 설비의 특고압 케이블은 그림. 2와 같이 고감도 누설전류 측정 기능을 가진 비파괴 직류 고전압 장비(non- destructive DC HIPOT tester)를 활용하여 절연 상태를 주기적으로 관리 받고 있다. 측정은 해당 시료의 상황에 따라 측정 회로를 다르게 적용한다.

해당 장비(DAHP-6020)의 경우 가드(그림. 2의 G)와 접지(ground) 단자 간 점퍼결선(G 단자접지방식)과 리턴(그림. 2의 E)과 접지 단자 간 점퍼결선으로 구분된다. 전자의 경우 대지에 흐르는 누설전류를 제외한 실제 시험대상물의 누설전류 값만 측정가능하나, 시험대상이 접지되지 않은 경우에만 적용가능하다. 국내 케이블 실드의 경우 항상 접지되어 있기 때문에 접지-리턴 점퍼결선 시험방법을 적용한다.

상기 결선은 분리된 시험대상물 또는 안으로 흐르는 누설전류와 대지누설전류를 구분하지 못하지만 전체적인 누설전류 측정을 통한 전선의 내부 절연상태를 점검할 때 사용한다. 그림. 2와 같이 케이블 절연체의 절연저항(R_c)과 시스의 절연저항(R_s)에 의한 누설전류가 모두 전류계를 통해 측정된다.

2.3 피뢰기의 비선형 전압-전류 특성

피뢰기는 직렬갭 유무에 따라 갭형(gap)과 갭리스(gapless)형으로 구분된다. 최근 비직선성의 성능이 높고 방전내량이 큰 산화아연(ZnO : zinc oxide)을 특성요소로 하는 갭리스형 피뢰기가 배전계통에 주로 적용되고 있으며, 일반적으로 그림. 3과 같이 상용주파전압을 포함한 예비항복영역(pre-breakdown region)에서 수 ㎂ ~ 수십 ㎂의 미소누설전류가 발생한다.

피뢰기는 낙뢰 또는 개폐 써지 등의 이상전압을 일정치 이하로 저감시켜 변압기 등의 피 보호기기의 절연 파괴를 방지하고 방전한 후 상용주파전압에 흐르는 속류(following current)를 신속히 차단하여 계통을 정상적인 상태로 유지시키는 기능을 가진다. 이와 같이 속류를 차단할 수 있는 상용주파 교류전압의 실효치를 피뢰기의 정격전압(Vrated : rated voltage)으로 정의하며 시스템의 접지방식에 따라 결정한다. 피뢰기의 비선형동작특성은 상용주파 방전개시전압(power frequency spark over voltage) 또는 제조사별 직류 허용개시전압을 기준으로 이하에서는 절연체로 동작하며 초과 시 도체로 동작한다. 피뢰기 단자 간에 연속적으로 공급되는 상용주파 최대전압의 실효치를 최대연속운전전압(MCOV : maximum continuous operating voltage)으로 정의한다.

배전선로용 피뢰기의 경우 그림. 3과 같이 정격전압은 18 kVrms이며, MCOV는 15.3kVrms를 가진다. 또한 예비항복영역에서는 피뢰기가 절연체로 동작하기 때문에 최대 수십 ㎂의 누설전류만 접지 측으로 흐르게 된다. 그러나 누설전류 값을 아무런 기준 없이 무작정 인정해 줄 경우 소자에 흐르는 열로 인해 MOV 소자가 절연체로서의 역할을 상실하는 경우가 발생한다. 따라서 일반적으로 1㎃를 기준전류로 설정하고 피뢰기에 걸리는 전압을 기준전압(Vref : reference voltage)으로 정하고 누설전류의 허용치를 관리하게 된다⁽⁵⁾.

3.1 실험조건 및 구성

본 연구에서는 표 3과 같이 피뢰기 기기 특성 및 케이블 접속 실증실험을 사례연구로 수행하였다. 실험은 표 4와 같이 비파괴 직류고전압 시험기(DAHP 6020)을 이용하여 미소 누설전류 측정이 가능한 전류계로 3 kV 단위의 단계별 시험전압에 따른 누설전류를 측정하였다.

피뢰기 및 케이블 시료 사양을 포함한 실험조건에 대한 상세 내용은 표 4에 나타내었다. 기기 특성실험은 LA의 1, 2차 측을 각각 그림. 2의 실험장비의 L 단자와 E 단자에 연결하여 총 9개의 시료에 대해 10회 반복 측정하였다.

피뢰기가 접속된 케이블의 실제 검사현장을 실증하기 위한 실험환경은 그림. 4와 같이 설계하고 그림. 5와 같이 피뢰기 접속 유무에 따른 실험을 수행하였다.

실험방법은 그림. 2와 같이 실험장비의 케이블 심선과 접지에 각각 L 단자와 E 단자를 연결하여 최대 30kV의 직류전압을 연속 1분간 3kV 단위로 승압하였다. 여기서 인가시간은 케이블 길이를 고려한 전체 측정전류(IT)의 안정화 시간으로 실험적 데이터를 통해 선정하였다.

3.2 실험결과

최대 30 kV의 직류전압에 따른 ZnO 피뢰기 누설전류의 측정결과는 그림. 6(a)에 나타내었다. 측정 결과 최대 시험전압에서 최대 985 ㎂의 누설전류가 발생하였고, 피뢰기의 전압인자인 최대 상용주파전압(18.6 kVp), MCOV(21.6 kVp) 그리고 정격전압(25.5 kVp)에 해당하는 시험전압 영역에서 최대 수십 ㎂의 누설전류가 발생함을 확인하였다. 또한, 케이블 절연열화 판정기준인 10 ㎂과 비교할 경우 약 24kV의 직류전압 이상에서 측정결과가 판정기준 값을 초과하였다. 그림. 6(b)는 누설전류 증가율을 도식화 한 것으로 특정 전압 이상에서 뚜렷한 증가 양상을 나타내었다.

케이블 실증실험 환경에서 피뢰기의 접속 유무에 따른 직류누설전류 측정결과는 그림. 7과 같이 나타내었고, 표 5와 같이 누설전류비율을 분석하였다. 그림. 7(a)는 피뢰기가 분리된 케이블만 실험한 경우로 모든 시험전압 값에서 검사 판정기준인 10 ㎂를 충족하는 것을 확인하였다 그림. 7(b)는 피뢰기가 접속된 사례로 피뢰기의 사용 연수가 긴 경우 상대적으로 많은 누설전류가 흐르는 것을 확인하였다. 이는 피뢰기의 염분 등의 오손 및 지속적인 전기적 스트레스에 의한 열화로 특성요소 내 전위분포가 변화되어 초기 기준전압이 변동되었을 것으로 추정된다.

표 5의 누설전류 비율 분석결과 시험전압이 높아질수록 피뢰기의 누설전류 비율이 증가하여 최대 시험전압인 직류 30 kV에서 사례 B에 의한 누설전류는 사례 D 대비 약 0.16 %만 차지하며, 이는 해당 시험 결과가 대부분 의존한다는 것을 의미한다.

그림. 8은 실증실험 결과를 일반적인 피뢰기의 전압전류 특성곡선에 도식화 한 것으로, 예비항복영역에서 인가전원의 특성 상 기존 AC 전원에 비해 완만한 누설전류 곡선을 가지는 것을 확인하였다.

기기 실험과 실증 실험을 종합적으로 분석해 볼 때 피뢰기를 접속한 경우 케이블 직류시험전압의 최댓값은 케이블 절연열화 판정기준인 10 ㎂ 초과 여부를 고려하여 MCOV의 첨두값인 21.6 kVp 이하로 하향 선정할 필요가 있다.