김태훈
(Tae-Hoon Kim)
†iD
박진엽
(Jin-Yeub Park)
1
차지현
(Ji-Hyun Cha)
1
강민구
(Min-Goo Kang)
1
-
(Electrical engineering Group at KHNP CRI, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
VLF-TD, MV Cable, Insulation
1. 서 론
VLF-TD(Very Low Frequency-Tangent Delta)시험은 절연체에 초저주파수의 전압을 인가하고 Tanδ(용량성 전류와 저항성
전류의 비)를 측정하는 방법으로 고압케이블과 전동기의 절연체 열화진단 방법으로 많이 사용된다. VLF-TD 시험시 고압케이블과 전동기의 등가회로는
[그림 1]과 같이 절연체의 커패시턴스(C)와 절연저항(R)이 병렬로 연결되어 있는 형태로 표현되고 절연체의 열화가 진행될수록 저항성 누설전류(IR)가 증가해
Tanδ값이 높게 나타난다(1).
고압케이블과 전동기를 연결한 상태에서 VLF-TD시험을 수행할 경우 전동기의 절연체에서 발생하는 누설전류가 영향을 미칠 수 있기 때문에 지금까지 고압케이블의
VLF-TD시험은 전동기를 분리한 상태에서 측정하였다. 고압케이블 진단을 위해 고압케이블과 전동기를 분리하는 과정은 생각보다 많이 번거로운 작업이다.
인력과 시간이 소요되고 출입제한구역이거나 고소지역일 경우 상황에 따라 작업이 불가능할 수도 있다. 본 논문에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 고압케이블과
전동기가 연결된 상태에서 고압케이블의 VLF-TD 시험방법을 제안하고 실험을 통해 확인하였다.
그림. 1. 케이블 절연체의 등가회로 및 벡터도(1)
Fig. 1. The equivalent circuit and vector diagram of Cable Insulation(1)
2. 본 론
2.1 이론
케이블과 전동기가 연결된 상태에서 측정된 VLF-TD는 케이블 절연체의 누설전류와 전동기 절연체의 누설전류가 합성된 값이다. 따라서 전체 누설전류와
전동기 누설전류의 벡터차를 통해 케이블의 누설전류를 계산 할 수 있고, 이를 바탕으로 VLF-TD를 산출할 수 있다. 이와 같은 방법이 가능하려면
케이블과 전동기가 연결된 상태에서 전동기의 VLF-TD를 측정할 수 있어야 한다. 본 절에서는 케이블과 전동기가 연결된 상태에서 전체회로의 VLF-TD를
측정하는 방법 및 케이블과 전동기가 연결된 상태에서 전동기의 VLF-TD를 측정하는 방법을 소개하고 등가회로를 이용해 케이블의 VLF-TD를 산출하는
방법에 대해 설명하였다.
2.1.1 전체회로의 VLF-TD 측정방법
전체회로의 VLF-TD는 케이블과 전동기가 연결된 상태에서 TD Test Set을 이용해 케이블 한상에 전압을 인가하여 [그림 2]와 같이 측정한다. 이를 등가회로로 표현하면 [그림 3]과 같이 케이블과 전동기의 절연체에 대한 임피던스가 병렬로 연결된 형태로 나타낼 수 있고, 이때 측정된 VLF-TD는 [그림 4]와 같이 케이블의 절연체를 통해 흐르는 누설전류(Icable)와 전동기의 절연체를 통해 흐르는 누설전류(Imotor)가 벡터적으로 합성되어 나타난다.
그림. 2. 전체회로의 VLF-TD 측정
Fig. 2. The VLF-TD measurement of the whole circuit diagram
그림. 3. 전체회로의 VLF-TD 측정시 등가회로
Fig. 3. The equivalent circuit of the whole circuit
그림. 4. 전체회로의 VLF-TD 측정시 전류 벡터도
Fig. 4. The vector diagram of the whole circuit
2.1.2 전동기의 VLF-TD 측정방법
케이블과 전동기가 연결된 상태에서 전동기의 VLF-TD를 측정하기 위해서는 케이블 쉴드접지를 통해 전원측으로 귀로되는 누설전류가 VLF-TD 측정결과에
영향을 미치지 않도록 해야 한다. B社에서 제작한 VLF-TD 측정장비(Frida TD)의 경우 VSE(Virtual Safety Earth) 단자가
있는데, 전체 출력전류에서 VSE 단자로 유입된 전류를 제거한 후 VLF-TD를 측정하게 된다. 이러한 기능을 이용해 [그림 6]과 같이 케이블 쉴드접지선을 VSE 단자로 연결하여 회로를 구성하면 [그림 7]과 같이 등가회로가 구성되고 고압케이블의 절연체로 흐르는 누설전류와 전동기의 절연체로 흐르는 누설전류가 분리되어 전동기의 VLF-TD 측정이 가능하다.
본 실험에 사용한 B社의 VLF-TD 측정장비에 대한 구성도와 사양은 [그림 5] 및 [표 1]과 같다.
그림. 5. B社의 VLF-TD 측정장비(2)
Fig. 5. B Company's VLF-TD measurement equipment(2)
표 1. VLF-TD 측정장비 사양(2)
Table 1. The VLF-TD equipment specifications(2)
|
구분
|
사양
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|
VLF 정현파 전압
|
1 ~ 24[kV]
|
|
Tan Delta 측정 주파수
|
0.1[Hz]
|
|
부하 범위
|
10[nF] ~ 8[μF]
|
|
분해능
|
$1\times 10^{-5}$
|
그림. 6. 전동기의 VLF-TD 측정
Fig. 6. The VLF-TD measurement of the motor
그림. 7. 전동기의 VLF-TD 측정 등가회로
Fig. 7. The VLF-TD equivalent circuit of the motor
2.1.3 케이블의 VLF-TD 산출
(1) 3상 케이블의 VLF-TD 산출
케이블의 VLF-TD는 전체회로의 VLF-TD와 누설전류(Itotal)를 용량성 및 저항성 누설전류로 분리하고, 전동기의 TD와 전류(Imotor)를
용량성 및 저항성 누설전류로 분리하여 벡터차를 이용해 산출할 수 있다. TD Test Set에는 인가전압, TD, 전류, 정전용량이 측정결과로 나타난다.
이를 이용해 전체회로와 전동기의 측정결과를 저항성 전류와 용량성 누설전류로 표현하면 (1),(2)와 같고, 3상 케이블의 VLF-TD는 (3)과 같이 구할 수 있다.
$$
\begin{aligned}
여기서, \enspace & I_{R-T otal} : \text{전체회로 저항} &I_{C-T otal} : \text{전체회로 정전용량}\\
&TD_{T otal} : \text{전체회로 VLF-TD} &I_{R-Motor} : \text{전동기 저항}\\
&I_{C-Motor} : \text{전동기 정전용량} &TD_{Motor} : \text{전동기 VLF-TD}\\
&I_{R-Cable} : \text{케이블 저항 } &I_{C-Cable} : \text{케이블 정전용량}\\
&TD_{Cable} : \text{케이블 VLF-TD}
\end{aligned}
$$
(2) 각 상별 케이블의 VLF-TD 산출
실제로 VLF-TD를 이용한 케이블 진단은 각 상(phase)별로 측정하고 평가하기 때문에 정확한 케이블 진단을 위해서는 각 상(phase)별 케이블의
VLF-TD를 산출할 수 있어야 한다. 예를 들어 케이블과 전동기가 연결된 상태에서 A상의 케이블의 VLF-TD를 측정하기 위해서는 먼저, 전체회로의
VLF-TD 측정하고, [그림 8]과 같이 B,C상 케이블 및 전동기의 VLF-TD를 측정한 후 두가지 측정결과의 벡터차를 이용해 (4)와 같이 케이블 A상에 대한 VLF-TD를 계산할 수 있다. 이때 등가회로는 [그림 9]과 같다.
그림. 8. 각 상별 케이블의 VLF-TD 측정
Fig. 8. The VLF-TD measurement of the each phase cable
그림. 9. 각 상별 케이블의 VLF-TD 측정시 등가회로
Fig. 9. The VLF-TD equivalent circuit of each phase cable
2.2 실험
2.2.1 실험조건
케이블과 전동기가 연결된 상태에서 케이블의 VLF-TD의 측정이 가능한지 확인하기 위해 [그림 10]와 같이 4.16[kV], 460[HP]의 고압전동기가 설치된 계통을 선정하였다. 케이블은 5[kV] EPR(Ethylene Propylene Rubber)
Pink 절연 케이블로 포설길이는 약 40[m]이다. 본 계통에 대해 전동기가 분리된 상태에서 3상 케이블의 VLF-TD를 측정하고, 본 논문에서
제안한 방식으로 전동기가 연결된 상태에서 측정 및 계산된 3상 케이블의 VLF-TD 결과를 비교하였다. VLF-TD의 시험전압과 판정기준은 [표 2]와 같이 IEEE Std. 400.2-2013을 적용하였다.
그림. 10. 실험을 위한 4.16[kV] 고압전동기 계통도
Fig. 10. The single line diagram of the 4.16[kV] motor for experiment
표 2. EPR Pink 절연 케이블의 VLF-TD 판정기준(3)
Table 2. The VLF-TD criteria of the EPR Pink insulation cable(3)
|
상태
판정
|
VLF-TD at U0
[10-3]
|
VLF-DTD
1.5U0 - 0.5U0
[10-3]
|
VLF-TDTS at U0
[10-3]
|
|
Tangent Delta
|
Difference TD
|
TD Time Stability
|
|
No Action Required
|
<20
|
<4
|
<0.1
|
|
Further Study Advised
|
20~100
|
4~120
|
0.1~1.0
|
|
Action Required
|
>100
|
>120
|
>1.0
|
2.2.2 실험결과
(1) 전동기가 분리된 3상 케이블의 VLF-TD
3상 케이블의 VLF-TD를 측정하기 위해 [그림 11]과 같이 전동기와 케이블을 분리하여 회로를 구성하고 0.5U0, 1.0U0, 1.5U0의 전압을 인가였다. 그 결과 3상 케이블의 VLF-TD는
[표 3]과 같이 인가전압에 따라 4.16~4.32[10-3]으로 측정 되었고, IEEE의 판정기준을 적용할 경우 ‘No Action Required" 등급으로
절연체의 상태가 양호한 것으로 나타났다.
그림. 11. 3상 케이블의 VLF-TD 측정을 위한 회로 구성도
Fig. 11. The circuit diagram for 3phase cable VLF-TD measurement
표 3. 전동기가 분리된 상태에서 VLF-TD 측정결과
Table 3. Results of VLF-TD measurement with the motor disconnected
|
시험전압[kV]
|
1.2
|
2.4
|
3.6
|
|
VLF-TD[10-3]
|
4.1679
|
4.2254
|
4.3298
|
|
저항성 누설전류[10-7A]
|
9.807
|
19.892
|
30.644
|
|
용량성 누설전류[10-5A]
|
23.531
|
47.078
|
70.776
|
(2) 전동기가 연결된 3상 케이블의 VLF-TD
전동기가 연결된 상태에서 [그림 2] 및 [그림 6]과 같이 전체회로와 전동기의 VLF-TD를 측정하고 두가지 측정결과의 벡터차를 이용해 3상 케이블의 VLF-TD를 계산하였다.
표 4. 전동기가 연결된 상태에서 VLF-TD 측정결과
Table 4. Results of VLF-TD measurement with the motor disconnected
|
구분
|
시험전압[kV]
|
1.2
|
2.4
|
3.6
|
|
전체회로
측정결과
|
VLF-TD[10-3]
|
8.91
|
9.19
|
9.56
|
|
저항성 누설전류[10-7A]
|
24.69
|
50.81
|
79.36
|
|
용량성 누설전류[10-5A]
|
27.72
|
55.31
|
82.99
|
|
전동기
측정결과
|
VLF-TD[10-3]
|
26.87
|
28.70
|
31.44
|
|
저항성 누설전류[10-7A]
|
12.38
|
25.38
|
42.41
|
|
용량성 누설전류[10-5A]
|
4.61
|
8.84
|
13.49
|
|
3상 케이블
계산결과
|
VLF-TD[10-3]
|
5.33
|
5.47
|
5.32
|
|
저항성 누설전류[10-7A]
|
12.31
|
25.43
|
36.95
|
|
용량성 누설전류[10-5A]
|
23.11
|
46.47
|
69.50
|
그 결과 고압케이블 VLF-TD는 [표 4]와 같이 인가전압에 따라 5.317에서 5.472로 산출 되었고, IEEE의 판정기준을 적용할 경우 ‘No Action Required" 등급으로
절연체의 상태가 양호한 것으로 나타났다.
2.2.3 결과분석
VLF-TD 시험은 열화에 따라 용량성 누설전류의 변화가 작고, 저항성 누설전류의 변화가 큰 절연체의 특성을 이용한 시험방법이다. 케이블에 사용되는
XLPE(Cross-Linked Poly Ethylene) 절연체는 수명 말기까지 정전용량의 변화가 거의 없고, EPR 절연체의 경우 수분이 유입되더라도
수개월 이내에 정전용량이 안정화 된다(4). 따라서 제안된 방법을 통해 측정된 누설전류가 케이블과 전동기 중에서 어떤 기기에 대한 측정결과인지 확인하기 위해서는 안정적인 수치를 나타내는 용량성
누설전류를 기준으로 판정하는 것이 바람직하다. 전동기가 연결된 상태에서 측정된 용량성 누설전류와 전동기가 분리된 상태에서 측정된 용량성 누설전류의
오차율은 [표 5]와 같이 약 1.3[%]로 나타나 제안된 방법을 통해 전동기가 연결된 상태에서 케이블의 절연체를 통해 흐르는 누설전류 측정이 가능한 것으로 나타났다.
반면에 저항성 누설전류의 오차율은 약 21.7[%]로 매우 높게 나타났다. 이러한 결과는 본 실험을 수행한 케이블과 전동기가 바닷가 근처에 위치하고
있어 실험을 수행하는 동안 습도가 변동하였고, 습도에 민감한 저항성 누설전류가 영향을 받은 것으로 추정된다.
표 5. VLF-TD 측정결과 비교(전압 : 1.0U0)
Table 5. The Comparison of VLF-TD measurement results
|
구분
|
측정결과
|
오차율
|
|
전동기 분리
|
전동기 연결
|
|
VLF-TD[10-3]
|
4.2254
|
5.472
|
22.7[%]
|
|
저항성 누설전류[10-7A]
|
19.892
|
25.427
|
21.7[%]
|
|
용량성 누설전류[10-5A]
|
47.078
|
46.4686
|
1.3[%]
|
3. 결 론
본 논문에서는 유전정접 시험장치의 VSE(Virtual Safety Earth) 단자를 이용해 케이블과 전동기가 연결된 상태에서 케이블의 VLF-TD
측정방법에 대해 제안하고 시험결과를 비교하였다. 두가지 시험에서 용량성 전류가 유사하게 나타난 것을 통해 전동기가 연결된 상태에서 케이블에 대한 누설전류
및 VLF-TD 측정이 가능한 것으로 나타났다. 그러나 저항성 누설전류의 차이로 인해 VLF-TD의 정확도는 약 78[%]로 다소 낮게 나타났다.
향후 추가실험을 통해 오차가 발생하는 원인을 분석하여 정확도를 향상시킨다면 전동기가 연결된 상태에서 VLF-TD 측정이 가능할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 연구는 2018년도 산기평 산업기술혁신사업[자동차 산업 핵심 기술 사업]의 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.
References
Kwon Hyun Sook, 2011, Case on Actual Diagnosis of 4.16kV High Voltage Cables for Nuclear
Power Plant, KIEE Conf., pp. 521-522
BAUR社 BAUR TD diagnostics Guidelines
IEEE std. 400.2, 2013, IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems
Using Very Low Frequency(VLF)(less than 1Hz)
W. Johnson, 2019, Medium-Voltage Motor and Cable, VLF-TD testing from the cable termination,
EPRI TR 3002016077
저자소개
He received his Ph.D. degree from the Electrical engineering at Hongik university
in 2013. Currently,
He is a researcher in Electrical engineering group at KHNP CRI, Daejeon, Korea.
He received his M.S. degree from the Mechatronics (Electrical) at Ulsan university
of industry, Ulsan, Korea, in 2001.
Electrical & Fire protection Professional Engineer.
Currently, He is an Principal Engineer in Electrical engineering group at KHNP CRI,
Daejeon, Korea.
He got a bachelor's degree in electrical engineering at Dankook University in 2010.
Currently, He works as an expert in the protective relay at KHNP CRI, Daejeon, Korea.
He received his Master's degree from the Electrical Engineering at CHUNGNAM national
university, Daejeon, Korea, in 2019.
Currently, He is an Engineer in Electrical engineering group at KHNP CRI, Daejeon,
Korea.