1. 서 론

2021년 한 해 동안 전체 전기설비에서 발생한 사고는 3,220건으로서 이중 특고압 설비는 1,299건이 확인됐다. 시기적으로는 여름철에 사고가 많았고, 관리가 소흘하기 쉬운 토요일과 일요일에 집중됐다. 사고원인은 약 20가지로 세분하여 통계를 관리하고 있으나 원인 불명확 등의 사유로 인해 기타로 분류된 사고가 793건으로서 전체 특고압 설비 사고의 60%를 차지하며 가장 높게 나타난다. 자연열화, 절연불량에 의한 사고가 각각 91건, 66건으로 다음을 차지한다. 설비별로는 개폐기와 변압기에서 각각 199건, 146건으로 가장 많이 집계되며, 수배전반과 고압배선은 각각 17건, 2건으로 발생빈도가 낮은 편에 속한다. 그럼에도 불구하고 수배전반은 원인을 특정하기 어려운 경우 등이 13건(76%)으로 집계되어 명확한 원인파악에 어려움이 큰 설비중 하나로 꼽힌다.

옥내 전기실은 계절과 날씨에 관계없이 온·습도 관리가 상대적으로 쉽고 분진 등 이물질과 각종 생물의 침입을 방지하기가 수월하기 때문에 또한 작업자의 출입과 동선 등을 확인할 수 있기 때문에 다른 형태에 비해 안정적인 전기설비 운용환경을 제공한다. 그럼에도 불구하고 불시에 일어나는 사고를 완전히 예방하기에는 한계가 있기에 꾸준한 유지관리와 정밀한 예방진단 기술의 가치가 점차 높아지는 실정이다.

전력케이블은 사고 시 특히 생산시설의 경우 막대한 손실을 초래하게 된다. 이러한 중요성으로 인해 전력케이블은 제조 공정에서 정밀한 작업을 요하며, 절연결함 검출을 위한 부분방전 측정 관련 연구들이 지속적으로 수행되어 왔다^(1-3). 그러나 케이블 단말에서 지속적으로 사고가 발생하고 있는 상황이며, 명확한 원인이 규명되지 않는 경우가 많다. 따라서 국내외적으로 케이블 단말 결함에 대한 원인을 분석하고 사고를 예방하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다 ^(4-6).

본 논문에서는 이러한 결함의 한 유형을 모의하기 위하여 22.9kV CN-CV 케이블 단말에 인위적으로 이격을 발생시키고 단계별 전압을 인가한 후 측정되는 부분방전 특성을 분석하였다. 먼저 테스트를 위한 시료제작을 위해 22.9kV CN-CV 케이블을 3m 길이로 절단하였으며, 양 끝을 단말처리하고 한쪽 단말은 결함을 모의하기 위해 스트레스콘 끝부분과 방수캡 하단 워셔 사이를 5mm 정도 이격하였다. 동일한 환경에서 정상 케이블과의 비교를 위해 결함 케이블 1종 및 정상 케이블 2종 총 3종을 대상으로 진행되었으며, 전압은 최초 상전압인 13.2 [kV]에서 20 [kV]까지 인가하였다. 전압 인가는 50kV 교류 내압기를 이용하여 케이블 한쪽 끝 단말에 전원을 연결한 후 진행되었으며, 부분방전 측정은 HFCT(High Frequency Current Transformer)를 접지선에 체결하여 수행하였다. 측정 결과의 분석은 Techimp의 Aauila 모델을 활용하였다. 부분방전 측정 결과, 결함 케이블에서는 13.2 [kV]에서 미세한 표면 방전이 발생하였으며 18 [kV]에서는 내부방전이, 20 [kV]에서는 내부방전과 표면방전이 동시에 검출되었다. 반면 정상 케이블 2종에서는 20 [kV]에서만 미세한 표면방전이 검출되었다. 인위적으로 제작된 케이블 단말 결함시료에 대한 부분방전 측정 결과로부터 단말부 이격에 의해 내부 및 표면방전이 발생함을 확인하였으며, 본 논문에서는 또한 전압의 증가에 따라 표면방전→내부방전→표면방전으로 진행되는 현상을 확인하고 이를 분석하였다.

2. 케이블 단말 결함시료 제작

특고압 수배전반에서는 22.9kV CN-CV 케이블이 주로 사용되며, 현장 여건에 따라서 케이블 단말처리는 수작업으로 이루어지는 경우도 있다. 특고압 케이블의 단말처리는 먼저 케이블을 절단하고 단말 처리할 부분의 외피 및 부풀음 테이프를 제거한다. 다음으로 쉴드선을 모아서 한쪽으로 모은 뒤, 스트레스콘이 삽입되는 부분의 외부 반도전층을 깎아내고 XLPE 부분만 남겨둔다. 마지막으로 XLPE 위에 스트레스콘을 삽입하고 방수캡을 씌운 뒤 러그를 도체에 밀착시켜 마무리한다.

이렇게 케이블 단말처리가 되는 과정은 특히 수작업에서 다양한 형태의 결함이 발생할 수 있는데, 케이블 단말부 결함에 전기적 에너지가 집중되는 경우 절연파괴가 발생하고 대형 사고로 이어질 수 있다. 현재 전력케이블에 대한 온라인 모니터링 시스템 및 센서 기술의 발전으로 사고를 예방하기 위한 다양한 시도들이 계속되고 있으나, 이러한 갑작스러운 케이블 단말 사고를 예방하는데는 적절한 방법을 찾지 못해 어려움을 겪고 있다.

따라서 본 논문에서는 케이블 단말처리 수작업 과정에서 발생할 수 있는 단말부 결함을 제작하였다. 제작된 결함은 아래 그림 1과 같이 원래는 접촉되어야 하는 스트레스콘 끝부분과 방수캡 내 플레이트 워셔 사이를 5mm 이격한 사례로, 케이블 러그와 도체를 고정하는 작업까지 마무리가 되면 확인할 수 없는 결함이다. 그림 2는 결함케이블의 제작 과정을 나타낸다.

3. 실험 구성

실험은 HFCT (high frequency current transformer) 및 분석 장비를 활용한 부분방전 측정을 통해 수행됐으며, 비교군으로 제작한 케이블 외 2개의 정상케이블을 별도로 제작하여 동일한 환경에서 테스트를 수행했다. PD free 내압기를 활용하여 각 케이블에 13.2 [kV], 18 [kV] 및 20 [kV]의 전압을 순차적으로 인가하고 부분방전을 측정하였으며, 그림 3은 실험 구성을 나타낸다.

그림 1 결함케이블 X-ray 촬영 사진

Fig. 1 The picture of X-rays for the defect cable

그림 2 결함케이블 제작 과정

Fig. 2 The process of defect cable

4. 부분방전 측정 결과

부분방전 측정을 위해 상전압인 13.2kV부터 가압을 시작하였으며, 측정 회차에 따라 전압을 서서히 증가시켜가며 방전 추이를 관찰하였다. 부분방전 측정을 위해 Techimp사의 부분방전 측정 및 분석장비를 활용했다. 최대 75MHz까지 측정이 가능한 HFCT를 접지선에 체결하여 장비에 연결하고 부분방전을 측정한다.

측정결과를 종합하여 정리하면 표 1과 같다. 인가전압 13.2kV조건에서 실험용 케이블은 간헐적인 표면방전이 관찰됐다. 20 [kV]까지 인가전압을 증가시킨 결과 패턴이 명확한 내부방전이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 두 가지 정상 제작된 케이블의 경우에는 13.2 [kV], 18 [kV]에서는 부분방전이 관찰되지 않았으며, 20 [kV] 인가 시 미약한 표면방전이 측정되었다.

4.2 인가전압 18 [kV] 부분방전 측정 결과

결함 케이블에서 13.2 [kV] 및 18 [kV] 인가 시 차이를 보면, 일단 방전의 형태가 미약한 표면방전에서 내부방전의 형태로 변화하였으며, 최대값 등 모든 지표들이 증가된 결과가 나타났다.

결함이 발생한 케이블은 언제 사고가 발생할지 모르며, 결함에 의한 지속적인 전기에너지의 집중 등에 의한 사고는 대부분 사용 중에 발생한다. 사용 중인 상황에서 결함 케이블에 전압 스트레스가 가해지는 상황을 모의하기 위해 전압을 18 [kV]로 승압하여 인가하였으며, 2개의 정상 케이블에도 마찬가지로 동일한 전압을 인가하여 부분방전을 측정하였다.

정상 케이블 2종의 경우 13.2 [kV] 측정 결과와 마찬가지로 노이즈 패턴만 검출되었으며, 알고리즘에 의한 분석 결과도 노이즈로 판정되었다. 결함 케이블의 경우 확연한 내부방전 패턴을 나타내었으며, 신뢰도 95%로 추정한 내부방전 최대값은 82 [mV]로 상당히 높게 측정되었다. 분석 프로그램을 통해서도 100% 내부방전이 발생했음을 확인하였다. 부분방전 측정에 대한 세부 내용은 다음 그림 6, 7과 같다.

그림 4 정상케이블 부분방전 측정 패턴 및 판정 결과(13.2 [kV])

Fig. 4 Measurement pattern and judgement results of Partial discharge for normal cable at 13.2 [kV]

5. 시간에 따른 방전형태 변화에 대한 고찰

결함 케이블에 20 [kV]를 인가하고 시간에 따른 부분방전 측정을 수행했을 시 방전패턴의 변화가 나타났으며, 본 장에서는 이 현상에 대하여 고찰하였다.

그림 10은 결함 케이블에 20 [kV]를 인가하여 3차례에 걸쳐서 측정한 부분방전 세부 내용을 나타낸다. 전압을 인가한 후 바로 부분방전 데이터를 취득했을 시 100% 내부 방전으로 판정되었으며, 신뢰도 95%로 추정한 최대 방전량은 정극성 부극성 평균 156 [mV]로 매우 높은 값으로 나타났다. 5mm 이격시킨 내부 공간에 존재하는 자유전하의 양과 인가된 전압이 정격보다 높은 이유로 내부에서 방전 활동이 활발하게 일어난 것으로 분석된다.

그림 6 정상케이블 부분방전 측정 패턴 및 판정 결과(18 [kV])

Fig. 6 Measurement pattern and judgement results of Partial discharge for normal cable at 18 [kV]

2차 측정은 전압 인가 시점에서 30분이 경과된 후 진행되었으며, 부분방전 측정 결과 프로그램은 내부방전 96%, 표면방전 4%로 판정하였다. 이격 공간 내부에서만 발생하는 부분방전이 표면으로 확대되고 있다는 것을 의미하며, 패턴을 분석해 볼 때 표면방전 펄스가 부분적으로 증가한 것을 확인할 수 있다.

그림 8 정상케이블 부분방전 측정 패턴 및 판정 결과(20 [kV])

Fig. 8 Measurement pattern and judgement results of Partial discharge for normal cable at 20 [kV]

2차 측정에서 30분이 경과된 시점, 즉 최초 가압 후 1시간이 경과된 시점에서 3차 측정이 수행되었다. 부분방전 분석 프로그램은 내부방전 82%, 표면방전 18%로 판정하였으며, 시간이 경과함에 따라 점차로 표면방전의 비중이 늘어남을 확인하였다. 국내외적으로 이러한 유형의 단말 결함을 케이블 헤드에 직접적으로 생성하여 부분방전 측정을 수행한 사례가 드물다. 따라서, 이러한 부분방전 패턴 변화를 명확하게 설명하기는 어렵지만, 결함 부위에서 지속적으로 내부방전이 발생하다가 시간이 지남에 따라 표면방전으로 이어지는 현상은 케이블 단말부 중에서도 절연이 가장 취약한 부분에 영향을 미칠 수 있을 것으로 추정된다.

6. 결 론

본 논문에서는 케이블 단말부의 스트레스콘 말단-방수캡 아래 플레이트 워셔 사이를 인위적으로 5mm 이격한 후 단계적으로 전압을 인가하여 부분방전을 측정하였다.

그림 10 시간 경과에 따른 부분방전 패턴 변화 추이 : 20 [kV]

Fig 10. Changes in partial discharge patterns over time : 20 [kV]

전압은 13.2 [kV], 18 [kV] 및 20 [kV]를 차례로 인가하였으며, 동일한 환경에서의 비교를 위해 정상 케이블 2종을 결함 케이블과 같이 테스트하였다. 부분방전 측정 결과 결함 케이블에서는 13.2 [kV] → 18 [kV] → 20 [kV]의 전압이 차례로 인가되는 동안 미미한 표면방전 → 내부방전 → 표면방전으로 전환하는 형태의 내부방전 순으로 나타났으며, 정상 케이블의 경우는 20 [kV]를 인가했을 때 아주 미미한 표면방전이 일부 검출되었으며, 13.2 [kV] 및 18 [kV]를 인가하였을 때는 노이즈만 검출되었다.

특고압 수배전반의 경우 케이블은 조건에 따라 현장에서 직접 단말처리 하여 설치하는 경우가 많다. 수작업은 정밀한 공정과 비교할 때 결함을 발생시킬 확률이 높으며, 이러한 결함은 사고로 이어질 수 있어 특별한 주의가 요구된다. 본 논문에서 부분방전 측정을 위해 제작한 결함은 케이블 단말처리 수작업 시 발생할 수 있는 대표적인 결함이다. 전압 별 부분방전 측정 결과 20 [kV] 인가 시 내부방전에서 표면방전으로 전환하는 형태의 패턴이 확인됨으로써, 이러한 현상은 케이블 단말부 중에서도 절연이 가장 취약한 부분에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단되었다. 향후에는 다양한 형태의 결함을 제작할 예정이며, 특히 이격거리를 조정한 시료를 많이 만들어 부분방전을 측정하고 그 결과를 분석하여 좀 더 명확한 근거를 확보할 예정이다.