1. 서 론

최근 사회·경제적 손실을 동반하는 대규모 안전사고들이 지속적으로 발생하고 있으며, 안전을 확보하기 위한 제도 및 기술개발이 요구되고 있다. 특히, 특고압 전기설비는 공동주택부터 대규모 생산시설까지 대부분의 장소에서 시설·사용되고 있으며, 사고시 대규모 인적·물적 피해를 유발할 수 있기 때문에 사고 예방을 위한 진단/검사 등의 조치가 필수적이다. 이러한 전기설비들은 설치되면 수십년을 사용하지만, 설비 및 계통의 건전성을 확인하기 위한 정기검사는 3년 또는 4년 주기로 정전 상태에서 진행하기 때문에 사고 예방 효과가 미미하며, 더욱이 생산시설의 경우 큰 사용자 불편을 초래하게 된다. 특히, 반도체 회사와 같은 공장 같은 경우, 정전으로 인해 수억대의 경제적 피해가 발생된다. 따라서 활선 상태에서도 진단할 수 있는 무정전 진단 기술과 온라인으로 상시 감시할 수 있는 시스템 및 기술개발에 대한 요구들이 나날이 증대되고 있다.

활선 상태에서 전기설비의 건전성을 확인할 수 있는 가장 대표적인 방법으로는 부분방전 측정이 있다. 이는 다양한 센서들을 이용하여 결함이 보내는 이상신호를 측정하고 분석하여 전기설비의 이상 유무를 확인하는 방법이며, 특고압 케이블에 대한 부분방전 검출은 전기적 방법과 비전기적 방법으로 구분할 수 있다. 전기적인 방법은 UHF(Ultra High Frequency), HFCT(High Frequency Current Transformer) 등의 센서를 설비에 부착하거나 접지선에 체결하여 이상신호를 검출하는 방법이며^(1-4), 비전기적 방식은 초음파·자외선 코로나 탐지기나 적외선 열화상 측정장비와 같은 원거리 진단장비를 활용하여 이상 신호를 검출하는 방법이다^(5-7). 그러나 이와 같이 이상 신호를 검출하여 분석하는 전기적·비전기적 방식들은 결과를 분석하는데 있어 전문적 지식이 필요하며, 특히 부분방전 센서들을 이용하여 이상 신호를 검출하고 분석하는 방식은 결함이 발생한 위치를 명확하게 파악할 수 없다는 문제점이 존재한다. 테라헤르츠파는 주파수 1THz, 광자에너지 4 meV, 파장 0.3 mm인 전자기파로 마이크로파와 적외선 사이 영역에 있으며, 세라믹, FRP, 고분자 등과 같은 절연 물질을 잘 투과하는 특성이 있다. 이상 신호 기반 결함검출 방식의 한계로 인해 최근에는 전력 설비 중 XLPE 케이블에 테라헤르츠파를 이용한 비파괴 검사를 적용하려는 연구가 시도되고 있다^(8-10). 그러나 기존의 연구들은 단지 절연물 재료에 대한 시료 단위에서 테라헤르츠파를 적용하고 그 결과를 기술한 것으로, 실제 XLPE 케이블이나 몰드변압기 같은 완전한 구조의 전기설비에 대해서는 테라헤르츠파를 활용한 절연 결함 검출 연구가 수행된 바 없다.

XLPE의 경우 고압 케이블에서 제일 안쪽에 있는 절연물로써, 활선 상태에서의 XLPE를 검사하기 위해서는 XLPE를 보호하고 있는 다른 절연물들을 투과해야한다. 그러나 ⁽¹⁰⁾의 경우 현장에서 측정할 경우를 고려하지 않고, XLPE 자체의 투과 검출에 대한 연구만을 진행한 것이기 때문에 현장 적용성을 검토하고자 본 논문에서는 연구를 진행하였다.

본 논문에서는 절연 결함에 대하여 이상 신호에 의존하는 방식에서 벗어나, 이미지를 통해 검출하는 방식의 가능성을 확인하고자 테라헤르츠파를 적용하고 그 결과를 분석하였다. 이미지 검출 방식의 장점은 절연 결함에 있어 내부 물리적인 결함으로 인한 이상 신호에 대하여 이미지는 직관적인 파악이 가능하며, 전문가가 아닌 설비의 소유자에게도 유지 보수에 대한 정당성을 설명하기가 쉬운 장점이 있다.

먼저 외피, 반도전층, XLPE 등 XPLE 전력케이블을 구성하는 개별 요소들에 대하여 테라헤르츠파를 적용하였고, 외피에서 중심도체까지 테라헤르츠파를 적용하여 다층 구조일 때의 투과 경향을 확인하였다. 또한, 대표적 고체 절연물인 에폭시에 대한 테라헤르츠파 투과 특성의 상세 분석을 위해 시료를 제작하고 파의 투과 성능을 분석하였으며, 마지막으로 몰드변압기를 테스트에 적합한 크기로 절단하여 테라헤르츠파를 적용하고 그 결과를 분석하였다. 연구 결과를 통해 XLPE 케이블을 구성하는 각 요소들에 대한 테라헤르츠파 투과는 가능한 것으로 확인되었으나, 차폐선의 방해, 출력의 한계 등으로 케이블 외피부터 중심도체에 이르는 구간을 테라헤르츠파가 투과하기는 어려움을 확인하였다. 또한, 에폭시 평판 시료를 대상으로는 결함 검출 및 이미지화가 가능함을 확인하였으나 몰드변압기의 두꺼운 절연물에 대해서는 마찬가지로 투과성의 한계로 인해 적용의 한계점이 있음을 확인하였다.

2. 실험 구성

그림 1은 본 논문에서 사용된 테라헤르츠파의 시스템 구성을 나타낸다. Femtosecond Laser와 반사 방식의 THz scanner를 이용하였다. 반사 방식이 투과 깊이 측면에서 투과 방식보다 짧지만 실제 전기설비를 검사에 적용할 경우 안전과 검사 방법에 있어 투과 방식보다 반사 방식이 더 적합하기에 반사 방식으로 채택하여 실험하였다. 시험에 사용된 펄스 신호의 주파수는 0.3 THz이며, 출력은 75 dB이다. 주파수를 0.3 THz으로 택한 이유는 통상적으로 절연물들을 잘 투과하는 주파수이기 때문이다. 그림 2는 설명된 구성품의 Set-up 사진이다. 시료의 경우 로봇 팔을 이용하여 정확한 측정이 되도록 하였다.

그림 1 테라헤르츠파 시스템의 구성

Fig. 1 Configuration of terahertz wave system

그림 2 테라헤르츠파 시스템 Set-up

Fig. 2 Terahertz wave system set-up

그림 3은 XLPE 케이블의 단면 사진과 계층별로 구조를 설명한 것이다. XLPE 케이블은 여러 계층으로 구성되어 있으며, 지름은 22.9 kV 케이블 기준으로 약 4 cm 이다. 구성은 가장 바깥에서부터 PVC – 부풀음 테이프 – 실드선 – 반도전성 부풀음 테이프 – 외부반도전층 – XLPE – 내부반도전층 – 수밀도체로 구성되어 있다. 특이점은 수밀도체를 제외하고 실드선이라는 금속 도체가 있는 점이다. 그림 4는 XLPE 케이블의 구성품들을 분리하여 나타낸 것이다. 이 시료들을 사용하여 각각 절연체별 또는 XLPE 케이블 자체에 테라헤르츠파를 적용하여 실험하였다.

그림 3 XLPE 케이블의 구조

Fig. 3 Structure of XLPE cable

그림 4 XLPE 케이블의 계층별 구조 사진

Fig. 4 Photos of layered structure of XLPE cable

테라헤르츠파는 공기 중으로부터 나아가 다른 물성에 닿을 때 굴절이 발생하게 되고 반사되어 되돌아오는 신호를 이용하여 이미지를 생성한다. 그림 5는 XLPE 케이블에 계층별로 테라헤르츠파가 투과되는 경로를 나타낸 것이다. 외피부터 XLPE까지의 경로이며 빨간 신호는 Emitter, 녹색 신호는 Detector이다. 적용한 테라헤르츠파의 θ는 8도이다.

이와 같은 테라헤르츠파 시스템으로 XLPE 케이블의 테라헤르츠파 적용 가능성을 확인하기 위해 계층별로 각각 A-scan을 측정하고, 케이블 자체에 A-scan을 측정하여 비교하였다. 또한, 케이블 C-scan 방법으로 내부 이미지를 검출하여 결과를 분석하였다.

그림 5 XLPE 케이블의 테라헤르츠파 투과 경로

Fig. 5 Terahertz wave transmission path of XLPE cable

3. 실험 결과

그림 6은 XLPE 케이블의 계층별로 A-scan을 적용한 결과 그래프이다. Peak to Peak 구간을 색깔로 구분하였으며, 두 번의 Peak 값이 측정되었다. Peak는 테라헤르츠파가 절연물에 입사하였을 때 발생하고 투과 후 발생하기 때문에 두 번의 Peak로 인한 Peak to Peak는 절연물을 완전히 투과한 것으로 증명된다. 표 1은 그림 6의 결과를 정리한 것이다.

그림 7은 케이블 전체를 A-scan을 적용한 결과 그래프이다. 케이블 전체로 측정하였을 때 각 계층별로 실험한 결과와는 다르게 반도전성 부풀음 테이프까지 투과됨을 확인하였다. 이는 계층별로 투과함에 있어 누적되는 굴절률과 XLPE까지의 거리가 증가하였기 때문으로 추정한다. 또한, 중간에 금속 도체인 실드선으로 인한 영향도 있을 것으로 판단된다. 실드선의 영향을 확인하기 위해 케이블 전체를 대상으로 실드선 유무에 따른 이미지 검출을 진행하였다.

표 2는 케이블 계층별과 전체를 A-scan한 결과를 비교한 것이다. 표 2에서 반도전성 부풀음 테이프에서 걸리는 Peak to Peak time이 거의 2배로 차이나는 것을 확인할 수 있다. 이는 (b)와 (c) 사이에 실드선이 있기 때문에 공간이 개별로 실험했을 때 보다 늘어났기 때문으로 판단된다.

그림 7 케이블 전체 A-scan 결과

Fig. 7 Cable overall A-scan results

그림 8 케이블 시료 및 C-scan 결과 이미지

Fig. 8 Cable sample and C-scan result image

그림 8은 케이블에서 실드선을 제거한 영역과 아닌 영역을 동시에 이미지 검출을 하기 위한 시료이다. C-scan의 이미지 결과 실드선 유무에 따라 영역의 이미지가 다름을 확인할 수 있었다. 이는 A-scan 결과처럼 실드선을 지나 반도전성 부풀음 테이프까지는 투과됨을 이미지로 증명되었다. 그러나 외피로부터 약 0.8 mm 거리에 있는 2 mm 드릴로 결함을 낸 부분은 검출되지 않아 실드선 유무에 관계없이 XLPE 내부까지는 투과되지 않음을 확인하였다.

4. 투과 깊이 향상을 위한 실험적 고찰

실험 결과를 통해 케이블 자체에 적용하였을 경우 반도전성 부풀음 테이프까지 투과됨을 확인하였다. 실험 조건은 0.3 THz, 75 dB이며, 측정 포인트의 간격은 1 mm로 측정한 결과이다. 해상도는 측정 포인트의 간격에 따라 달라지는데 1 mm의 경우 2×2 mm$^{2}$, 0.1 mm의 경우 0.5×0.5 mm$^{2}$ 까지 확보하는 것으로 확인된다. 이는 그림 9의 해상도 실험으로 확인하였다. 이 실험을 통해 그림 8의 드릴로 만든 결함은 이미지로 측정이 가능함을 알 수 있다. 그러나 이미지 검출이 되지 않았다는 것은 해상도 문제가 아닌 투과 깊이임을 증명할 수 있다.

투과 깊이를 확보하기 위해 첫째, 반사 방식이 아닌 투과 방식, 둘째, 테라헤르츠파의 크기를 증가, 셋째 테라헤르츠파의 투과 방법 등을 고려할 수 있다. 그러나 첫째 방식은 전력 설비의 진단 방법에 적당하지 않으며, 둘째 방식은 크기를 증가한 만큼 장비의 부피가 커질 것이며, 크기가 증가한다하여 XLPE까지 투과된다는 보장은 없을거라 추측된다. 그 이유는 그림 10과 같다. 그림 10은 본문에서 사용한 스캐너의 테라헤르츠파 투과 경로를 실드선 기준으로 표시하였다. 실드선의 거리는 약 5 mm 간격이다. 측정 포인트의 간격을 0.1 mm로 이미지 검출한다고 해도 그림 10의 (a)와 (c)의 경로처럼 실드선에 겹치는 경우 정확한 이미지 검출이 불가하게 된다. 그래서 실드선 간의 거리는 5 mm 이지만 실제로 (b)로 측정되어 XLPE까지 측정되는 영역은 적을 것으로 판단된다.

그림 9 측정 포인트에 따른 해상도 측정 시험 결과

Fig. 9 Resolution measurement test results according to measurement point

또한, 외피에 입사되는 테라헤르츠파가 수직이 아니기 때문에 평판 시료일 경우보다 투과 깊이가 감소된다. 그래서 외피에 입사되는 방향을 곡률이 아닌 수직으로 입사할 경우 투과 깊이가 달라짐을 확인하기 위하여 그림 11처럼 스캐너의 방향을 회전하여 세팅하였다. (a)는 본문의 시험 결과에 적용했던 조건으로 외피에 입사되는 모양이 곡률이며, (b)는 스캐너를 90도 회전하여 입사되는 모양이 수직으로 되게 하였다. 그림 12는 그림 11의 조건을 확인하기 위한 시료와 결과 이미지이다. 에폭시 재질이며 외부 표면으로부터 2 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm 거리를 두고 2mm 드릴을 이용하여 구멍을 뚫었다.

그림 10 실드선으로 인한 투과 경로 case

Fig. 10 Transmission path case due to shield wire

그림 11 스캐너의 입사 방향

Fig. 11 Scanner incident direction

이미지 검출 결과 (b) 곡률 조건일 경우 2 mm 까지 투과가 되었으며, (c) 수직 조건일 경우 4 mm 까지 투과 됨을 확인하였다. 이는 테라헤르츠파의 입사 방법에 따라 투과 깊이가 향상 될 수 있음을 증명하였다. 더 나아가 빔스플리터 방식의 스캐너를 사용할 경우 입사각이 수직이기 때문에 같은 테라헤르츠파 조건에서 투과 깊이를 확보할 것으로 판단된다.

그림 12 시료와 결과 이미지

Fig. 12 Sample and result images

5. 결 론

본 논문에서는 테라헤르츠파를 전력설비에 적용 가능성이 있는지를 확인하기 위하여 XLPE 케이블, 에폭시 절연물, 몰드변압기를 대상으로 실험을 진행하고 그 결과를 분석하였다. XLPE 케이블의 경우 결론적으로 외피부터 내부까지 투과되지 못함을 확인하였으나, 스캐너의 활용 방법에 따라 같은 시험 조건에서도 투과 깊이를 확보할 수 있음을 확인하였다. 투과 깊이를 확보하기 위해서는 더 높은 출력이 필요하며, 절연물 이미지 검출에 적합한 주파수에 대하여 연구가 필요하다. 이는 향후 테라헤르츠파의 성능 개선 및 기술 발전과 전기 절연물에 대한 연구가 지속되면 전력케이블에 대한 절연결함 검출이 가능함을 시사한다.

전기설비에 대한 활선 진단에 있어서 가장 중요한 점은 감전을 예방하기 위한 안전거리의 확보이다. 현재의 테라헤르츠파 발생 시스템은 장비와 전기설비 표면의 이격이 8cm가 최대인 관계로 충분한 안전거리를 확보할 수 없다는 명확한 한계가 있으나, 테라헤르츠파의 출력 향상 등 성능적인 부분의 개선과 스캐너의 효율적인 활용 등을 통해 한계를 극복할 수 있는 여지를 확인하였다.

결론적으로 테라헤르츠파의 기술적 발전 및 성능 개선과 더불어 스캐너의 효율적 운용이 더해지면 테라헤르츠 기술의 전기설비 활선 진단 적용이 가능할 것으로 예상된다. 본 연구에서 확인한 결과를 기반으로 현재의 기술 수준을 고려하여 전기설비 사용전 검사에 적용할 수 있는 방안에 대한 연구를 수행할 계획이며, 향후 테라헤르츠 기술개발 추이에 따라 전기설비 활선 진단에 적용하기 위한 다양한 연구를 추진할 계획이다.