윤성호
(Sung-Ho Yoon)
*iD
이권준
(Kwon-Joon Lee)
*iD
최진욱
(Jin-Wook Choe)
†iD
-
(Power Cable Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute, Republic
of Korea. E-mail : shyoon@keri.re.kr, kjlee93@keri.re.kr)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers
Key Words
Submarine cable, Metallic sheath, Reflectometry, TDR, FDR, TFDR, Cable diagnostics
1. 서 론
해상풍력 발전은 탄소 중립 목표 달성을 위한 핵심 재생에너지원으로 전 세계적으로 빠르게 확산되고 있다. 해상풍력 설비 용량은 최근 10년간 연평균
약 10%씩 성장하였으며, 향후 2030년까지 연간 설치량이 크게 늘어날 것으로 전망된다[1]. 단일 해상풍력 단지에는 터빈 간 연결을 위한 내부망 해저케이블과 해상변전소에서 육상 계통까지 이어지는 외부망 해저케이블 등 수십 킬로미터 이상의
해저케이블이 설치되며, 이들 해저케이블의 신뢰성은 발전단지 경제성에 직결된다[2].
해저케이블은 운용 기간 동안 다양한 기계적·환경적 하중에 노출된다. 그 중 세굴(scour)은 해류, 조류, 파랑에 의해 해저면 퇴적토가 제거되는
현상으로, 고정식 해상풍력 하부구조물 주변이나 해저 지형이 고르지 않은 구간에서 집중적으로 나타난다[3]. 그림 1은 세굴에 의해 케이블 하부 퇴적토가 유실되고 자유경간(free span)이 형성되는 과정을 나타낸 것으로, J-tube 출구부 및 하부구조물 주변과
같이 케이블이 구속되는 지점과 자유경간 사이의 경계부에 조류(current)에 의한 와류 진동(vortex induced vibration)으로 반복적인
굽힘 하중이 집중되어 금속 시스 손상을 유발할 수 있다[4]. 더불어 부유식 해상풍력용 다이나믹 해저케이블의 경우 파랑과 바람 하중에 의해 수백만 회 이상의 굽힘 사이클이 작용할 수 있으며[5], 이로 인해 금속 시스에 균열과 파단이 발생할 수 있다.
금속 시스는 방수, 전기적 차폐, 고장전류 귀로 등 복합적인 기능을 담당한다. 건식 해저케이블은 각 코어가 납합금으로 개별 밀봉되어 있어 손상되면
해수 침투 경로가 형성되고, XLPE 절연체에서 수트리(water tree)가 발생할 가능성이 높아진다[6],
[7]. 또한 침투한 해수는 전기화학적 반응을 통해 금속 시스를 추가로 부식시켜 손상을 가속화한다[7]. 습식 해저케이블은 구리 와이어로 구성된 금속 시스가 방수 기능은 없으나 전기적 차폐, 고장전류 귀로, 인장 하중 분담 등 복합적인 기능을 담당한다.
와이어 손상이 진행되면 차폐 불균일에 따른 절연체 전계 집중, 잔존 와이어의 부식 가속 및 기계적 피로 가속, 해수 침투 경로 확대에 따른 절연 열화
등 복합적인 열화가 진행될 수 있다.
해저케이블 고장이 발생하면 전문 선박과 인력, 예비 자재 확보에 상당한 시간이 걸려 장기간 발전 중단으로 이어진다. 특히 해상풍력 해저케이블은 현재
모니터링 기술로 검출되지 못하는 고장 원인이 전체의 약 70%에 이르며, 해류와 조류에 의한 케이블 이동, 세굴에 따른 마모·부식 등 해저 환경에
의한 외적 손상이 그 주된 원인으로 지목된다[8]. 이 때문에 고장 발생 전에 케이블 상태를 파악하여 계획적으로 수리하는 것이 발전 손실 최소화 측면에서 중요하며, 비파괴·비접촉 방식의 케이블 상태
진단 기술 개발이 요구된다.
반사파 계측법은 케이블 한쪽 끝에서 전기 신호를 주입하고 임피던스가 바뀌는 지점에서 되돌아오는 반사 신호를 분석하여 결함 위치와 특성을 파악하는 기법이다[9]. 시간영역 반사파 계측법(TDR), 주파수영역 반사파 계측법(FDR), 시간-주파수영역 반사파 계측법(TFDR)은 신호 영역과 여기 방식이 각각
달라 검출 감도와 적용 조건에서 서로 다른 특성을 보인다[10]–[12]. 그러나 건식/습식 해저케이블에 세 기법을 동시에 적용하여 손상 정도에 따른 반사파 신호 변화를 체계적으로 비교한 연구는 지금까지 보고된 바 없다.
본 연구에서는 해상풍력용 건식/습식 해저케이블에 0~100% 범위로 단계적 금속 시스 손상을 가하고, TDR·TFDR·FDR 세 기법으로 반사파 신호를
측정하여 케이블 형식 및 손상 정도에 따른 기법별 검출 특성을 비교하였다. 아울러 각 손상 단계에서 금속 시스의 직류 저항을 함께 측정하고, 반사
특성 변화와의 정량적 상관관계를 분석하였다.
그림 1. 해저면 세굴 현상 및 케이블 자유경간 발생 모식도
Fig. 1. Schematic of seabed scour and free spanning cable formation
2. 측정 방법
2.1 반사파 계측 기법
세 기법 모두 케이블의 전송선로 특성에 기반한다. 케이블을 따라 전파되는 신호가 특성임피던스 $Z_{0}$의 불연속점을 만나면 반사파가 생기며, 해당
위치 x에서의 전압 반사계수는 식 (1)과 같다.
여기서 $Z_{L}(x)$는 위치 x에서의 국부 임피던스이며, $Z_{0}$는 케이블의 특성임피던스로 식 (2)와 같이 표현된다.
금속 시스가 손상되면 단위길이당 R, L, G, C 파라미터가 변하여 $Z_{0}$가 달라지고, 이에 따라 반사 신호의 특성이 바뀐다[10].
TDR은 상승시간이 짧은 구형파 신호를 케이블에 주입하고 반사 신호의 왕복 시간을 측정하여 결함 위치를 계산한다. 결함까지의 거리 d는 식 (3)으로 구한다.
여기서 $V_{p}$는 케이블 내 신호의 전파 속도를 말한다. TDR은 구조가 단순하고 현장 적용이 용이하나, SNR 특성상 임피던스 변화가 상대적으로
작은 부분 손상의 경우 신호 변화가 노이즈에 묻힐 수 있다[11].
FDR은 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하여 넓은 주파수 범위에서 $S_{11}$ 반사 파라미터를 측정하고, 역 푸리에 변환(IFFT)으로 거리
방향 반사 특성을 얻는다. VNA는 커플러가 입사 신호와 반사 신호를 직접 분리하여 $S_{11}$을 계측하는 광대역 임피던스 스펙트럼(BIS) 방식으로
비교적 높은 SNR을 확보할 수 있어, 미소한 임피던스 변화에도 민감하게 반응하는 특성을 가진다[13],
[14].
TFDR은 가우시안 포락선을 가진 처프(chirp) 신호를 케이블에 주입하고, 입력 신호와 반사 신호의 시간-주파수 분포(time-frequency
distribution)를 각각 구하여 두 분포 간 유사도를 비교함으로써 결함 위치를 추정한다. 다만 시간-주파수 분석 과정에서 교차항(cross
term) 간섭이 나타날 수 있어, 반사원이 근접한 환경에서는 결함 위치 판별 정확도에 영향을 줄 수 있다[15],
[16]. TFDR은 반사 신호와 기준 신호의 위그너-빌 분포 간 시간-주파수 교차 에너지를 두 신호의 총 에너지로 정규화한 시간-주파수 상호상관계수(Time-Frequency
Cross-Correlation, TFCC)로 표현되며, 식 (4)와 같이 0~1 사이의 값으로 정규화된다.
여기서 $W_{x}$, $W_{y}$는 각각 반사 신호와 기준 신호의 위그너-빌 시간-주파수 분포, $E_{s}$, $E_{r}$은 각 신호의 총
에너지이다. 이하 본문에서 제시하는 TFDR 그래프는 정규화된 시간-주파수 상호상관계수를 의미한다.
2.2 금속 시스의 직류 저항 측정
금속 시스의 직류 저항은 4단자 측정법으로 계측하였다. 전류는 양 끝 단자에서 인가하고, 전압은 내측 두 단자에서 측정하여 접촉 저항의 영향을 없앴다.
측정은 IEC 60228[17]에 따라 수행하였으며, 측정값은 식 (5)를 이용하여 20℃, 1km 기준으로 환산하였다.
여기서 $R_{meas}$는 측정 저항($\Omega$), $\alpha_{20}$은 20℃ 기준 온도계수(납합금(lead alloy) : 0.004/℃,
구리 : 0.00393/℃), T는 측정 시 온도(℃)이다.
3. 실험 구성
3.1 해저케이블 시료
본 연구에는 해상풍력용 건식/습식 단심(single core) 해저케이블 시료를 각각 1본 사용하였다. 건식 해저케이블 시료는 66kV, 600mm²
XLPE 절연 케이블로, 납합금 시스가 각 단심을 개별 밀봉하는 구조이다. 습식 해저케이블 시료는 66kV, 200mm² 케이블로, 33가닥의 구리
와이어가 나선으로 감긴 형태의 금속 시스를 가진다. 두 케이블의 개략도는 그림 2c, 2d에 나타내었다.
두 해저케이블 형식에서 가장 중요한 구조적 차이는 금속 시스의 형태이다. 건식 해저케이블은 연속된 납합금 튜브 구조로 방수 기능을 가지며, 습식 해저케이블은
개별 와이어 33가닥이 나선으로 배열된 구조로 방수 기능은 없으나 전기적 차폐와 고장전류 귀로 역할을 담당한다. 이 구조적 차이가 손상에 따른 반사파
신호 변화 특성을 결정짓는 핵심 요인이다.
그림 2. 반사파 계측 시스템 구성 및 해저케이블 단면 구조: (a) FDR 측정 시스템 (VNA), (b) TDR/TFDR 측정 시스템, (c)
건식 해저케이블 (납합금 시스), (d) 습식 해저케이블 (구리 와이어 시스)
Fig. 2. Reflectometry measurement system configuration and cable cross sectional structures:
(a) FDR measurement system using vector network analyzer; (b) TDR/TFDR measurement
system; (c) Dry type cable (lead sheath); (d) Wet type cable (copper wire sheath)
3.2 금속 시스 손상 적용
금속 시스 손상은 반사파 측정 지점과 케이블 종단 반사 신호를 공간적으로 분리하여 볼 수 있도록, 시료 길이의 약 2/3 지점에 적용하였다. 표 1에 시료 구성과 손상 단계를 정리하였다.
표 1. 실험 시료 구성 및 손상 단계
Table 1. Specimen configuration and damage levels
Cable
Type
|
Metallic
Sheath
|
Length
(Fault
Location)
|
Damage
Level
|
Note
|
|
Dry
|
Lead alloy
sheath
|
9.24m
(6.24m)
|
0~100%
|
41mm increments
(~20% each)
|
|
Wet
|
Copper
wire sheath
(33 wires)
|
9.28m
(6.28m)
|
0~81.8%
|
7 wires cut per step
|
|
~100%
|
1 wire cut per step
|
건식 해저케이블 시료(전체 길이 9.24m)의 손상 위치는 측정단 기준 6.24 m이며, 납합금 시스 전체 둘레(약 205 mm)를 41mm씩 단계적으로
절단하여 20%, 40%, 60%, 80%, 100% 손상을 만들었다. 100%에서 납합금 시스는 완전히 끊어져 개방(open) 상태가 된다.
습식 해저케이블 시료(전체 길이 9.28m)의 손상 위치는 6.28m이며, 구리 와이어를 순차적으로 끊는 방식으로 손상을 가하였다. 초기에는 7가닥씩
절단하여 21.2%(7가닥), 42.4%(14가닥), 63.6%(21가닥), 81.8%(27가닥) 단계를 구성하였다. 이후 80% 이상 손상 구간에서는
손상 진행에 따른 반사파 신호의 변화 추이를 세밀하게 관찰하기 위해 1가닥씩 절단하여 84.8%(28가닥), 87.9%(29가닥), 90.9%(30가닥),
93.9%(31가닥), 97.0%(32가닥), 100%(33가닥 전체) 손상을 구현하였다. 그림 2c, 2d에 두 시료의 손상 사진을 나타내었다.
건식 해저케이블의 손상률은 납합금 시스 둘레 길이 대비 절단 길이의 비율로, 습식 해저케이블의 손상률은 전체 33가닥 중 절단된 와이어 가닥 수의
비율로 각각 산정하였다. 두 손상률은 산정 기준이 상이하여, 동일한 손상률(%)이라도 두 케이블 형식 간 실제 도체 단면적 감소 및 임피던스 변화
정도는 서로 다른 의미를 가진다.
4. 실험 결과
반사파 측정에서 검출된 손상 위치가 실제 손상을 가한 위치(6.24m, 6.28m)보다 약 0.1~0.3m 뒤에서 나타나는 경향이 있다. TDR의
경우 펄스의 유한한 상승시간(rise time)에 의한 것으로, 임피던스 불연속이 시작되더라도 반사 파형이 완전히 형성되기까지의 거리 오차는 식 (6)과 같다.
FDR과 TFDR에서도 각각 주파수 및 시간 분해능의 한계에 의해 유사한 위치 오차가 발생할 수 있다. 이 외에도 VOP 입력값의 분해능 한계, 반사
신호 시작점의 수동 지정 오차, 시료 길이 실측 오차 등이 복합적으로 작용한 것으로 판단된다. 이러한 절대 오차는 단거리 시료에서 전체 측정 거리
대비 상대적 비율이 크게 나타나나, 실제 해상풍력 해저케이블과 같은 장거리 선로에서는 그 영향이 상대적으로 미미할 것으로 예상된다. 이하 결과에서
검출된 손상 위치는 이 오차를 포함한 값이다.
4.1 건식 해저케이블 반사파 측정 결과
그림 3은 건식 해저케이블 시료의 반사파 측정 결과이다.
TDR 결과(그림 3a)에서 0~80% 손상까지 모든 곡선이 측정단에서 케이블 종단까지 거의 일치하여 정상과 신호 차이가 거의 나타나지 않는다. 100% 완전 파단 시에만
실제 손상 위치에서 약 0.26m 뒤인 6.5m 지점에서 반사 피크가 나타나고 종단 반사 전압이 상승한다.
TFDR 결과(그림 3b)에서는 측정 단(0m) 근방에서 뚜렷한 TFCC 피크가 나타난다. 0~80% 손상에서는 정상과의 차이가 거의 없으며, 100% 완전 파단 시 손상
위치(6.1m 부근)에서 정상 상태 대비 뚜렷하게 큰 폭으로 상승하는 새로운 TFCC 피크가 나타난다. 케이블 종단(9.24m) 부근의 TFCC 피크는
정상 대비 다소 낮아지는 경향을 보인다.
FDR 특성임피던스 결과(그림 3c)에서 0~80% 손상은 6.0~7.0m 구간에서 정상과 거의 겹친다. 100% 완전 파단 시 6.3m 지점부터 임피던스가 크게 올라가며, 반사계수의
크기(그림 3d)는 6.3m 이후 0에 가깝게 떨어져 완전 파단에 의한 전반사 경계가 생겼음을 보여준다.
그림 3. 건식 해저케이블 반사파 측정 결과 : (a) TDR 반사 전압, (b) TFDR 시간-주파수 상호상관계수, (c) FDR 특성임피던스,
(d) FDR 반사계수의 크기
Fig. 3. Reflectometry measurement results for Dry type cable: (a) TDR reflected voltage;
(b) TFDR TFCC; (c) FDR characteristic impedance; (d) Magnitude of FDR reflection coefficient
4.2 습식 해저케이블 반사파 측정 결과
그림 4는 습식 해저케이블 시료의 반사파 측정 결과이다.
TDR 결과(그림 4a)는 건식 해저케이블과 유사한 패턴으로, 0~80% 손상까지 6.0~7.0m 구간에서 정상과 신호 차이가 거의 나타나지 않으며 100% 완전 파단
시에만 약 6.38m 지점 근방에서 반사 신호 증가와 종단 반사 패턴의 변화가 관찰된다.
TFDR 결과(그림 4b)도 건식 해저케이블과 유사한 양상을 보인다. 0~80% 손상에서 정상과의 차이가 뚜렷하지 않으며, 100% 완전 파단 시 손상 위치(6.3m 부근)에서
뚜렷한 새로운 TFCC 피크가 나타난다. 케이블 종단 부근의 TFCC 피크는 정상 대비 다소 낮아지는 경향을 보인다.
FDR 특성임피던스 결과(그림 4c)는 건식 해저케이블과 뚜렷하게 다른 양상을 보인다. 63.6% 손상(와이어 21가닥 절단)부터 6.2m에서 정상 기준선을 벗어나기 시작하며, 손상이
커질수록 임피던스 상승이 점점 심해진다. 반사계수 크기(그림 4d)에서도 63.6% 손상부터 6.2m 근방에서 급격한 변화가 나타나고, 손상이 커질수록 그 변화폭이 넓어진다. 이는 와이어가 하나씩 끊어질수록 도체
단면적이 감소하여 단위 길이당 저항 R이 증가하고, 이에 따라 손상부의 특성임피던스 $Z_{0}$가 점진적으로 상승하기 때문이다. 식 (1)에서와 같이 반사계수의 크기는 위치 x에서의 국부 임피던스 $Z_{L}(x)$와 인접 정상 구간의 특성임피던스 $Z_{0}$의 차이에 의해 결정되므로,
와이어 절단이 진행될수록 손상부와 정상부 간 $Z_{0}$편차가 커져 반사계수가 비선형적으로 증가한다.
그림 4. 습식 해저케이블 반사파 측정 결과 : (a) TDR 반사 전압, (b) TFDR 시간-주파수 상호상관계수, (c) FDR 특성임피던스,
(d) FDR 반사계수의 크기
Fig. 4. Reflectometry measurement results for Wet type cable : (a) TDR reflected voltage;
(b) TFDR TFCC; (c) FDR characteristic impedance; (d) Magnitude of FDR reflection coefficient
4.3 금속 시스의 직류 저항 측정 결과
건식/습식 해저케이블의 금속 시스 환산 저항 측정 결과를 표 2에 정리하였다.
건식 해저케이블에서 환산 저항은 정상(0.42153 $\Omega$/km)에서 80% 손상(0.42854 $\Omega$/km)까지 누적 증가율이
1.66%에 그쳤으며, 100% 완전 파단 시 개방 회로(open connection)가 되었다.
습식 해저케이블에서는 정상(0.34893 $\Omega$/km)에서 80% 손상(0.39693 $\Omega$/km)까지 저항의 누적 증가율이 13.76%
증가하였으며, 와이어가 하나씩 끊어질수록 잔존 와이어의 병렬 합성 저항이 커지는 구조적 특성에 기인하여 특히 80% 이상 손상 구간에서 저항 증가폭이
빠르게 커진다.
표 2. 건식/습식 해저케이블 금속 시스 환산 저항 (20℃, 1km 기준)
Table 2. Converted DC sheath resistance of Dry/Wet type cables (normalized to 20℃
and 1km)
Damage
Level
(approx.)
|
Conv. Resistance ($\Omega$/km)
|
|
Dry type
|
Wet type
|
|
0 %
|
0.42153
|
0.34893
|
|
20 %
|
0.42177
|
0.35077
|
|
40 %
|
0.42261
|
0.35330
|
|
60 %
|
0.42454
|
0.36756
|
|
80 %
|
0.42854
|
0.39693
|
|
100 %
|
open connection
|
open connection
|
※ Damage levels for wet type cable are approximate values based on the number of wires
cut.
5. 고 찰
5.1 반사파 기법별 검출 특성
세 기법의 검출 감도는 FDR > TDR $\approx$ TFDR 순으로, 두 해저케이블 모두에서 FDR이 가장 높은 검출 감도를 보였다.
FDR의 경우 표 3에 제시한 반사계수 변화율을 기준으로 판단하였다. 건식 해저케이블은 80% 손상까지 반사계수 변화율이 1.18%에 그쳐 정상 상태와 뚜렷이 구분되지
않았으나, 습식 해저케이블은 손상 초기 구간(미손상~40%)에서 0.76~2.13% 수준이던 변화율이 63.6% 손상부터 4.08%로 커지면서 정상
상태와 뚜렷이 구분되었다. 본 연구에서는 이 시점을 FDR의 조기 검출 시점으로 판단하였다. TDR과 TFDR은 두 케이블 형식 모두에서 80% 손상
구간까지 반사 신호 파형이 정상 상태와 거의 동일하게 유지되어 손상 여부를 구분하기 어려웠으며, 100% 완전 파단 시에 나타나는 뚜렷한 신호 변화를
검출 시점으로 판단하였다.
TDR은 SNR 특성상 임피던스 변화가 상대적으로 작은 부분 손상의 경우 신호 변화가 노이즈에 묻힐 수 있다[11]. TFDR은 처프 신호를 사용하지만, 손상부와 종단에서 반사된 신호가 함께 존재하는 환경에서 시간-주파수 분석 과정에 교차항 간섭이 나타날 수 있어
부분 손상 구분 정확도에 영향을 줄 수 있다[15],
[16]. 반면 FDR은 VNA의 커플러가 입사 신호와 반사 신호를 분리하는 광대역 임피던스 스펙트럼 측정 방식으로[13], 비교적 높은 SNR을 확보할 수 있어 임피던스 변화가 작은 부분 결함에도 민감하게 반응하는 특성을 가진다[14].
건식/습식 해저케이블 사이의 검출 감도 차이는 금속 시스의 구조에서 비롯된다. 건식 해저케이블의 납합금 시스는 연속된 튜브 구조여서, 일부를 잘라도
잔존 단면으로 인해 전송선로 파라미터를 거의 그대로 유지하므로 완전히 끊어지기 전까지는 임피던스 변화가 미미하다. 반면 습식 해저케이블은 와이어가
하나씩 끊어질 때마다 분포 저항이 조금씩 바뀌어 특성임피던스가 누적 변화하므로, FDR로 약 60% 손상부터 감지할 수 있다.
5.2 저항 변화와 반사계수 관계
전송선로 이론에 따르면 케이블의 특성임피던스 $Z_{0}$는 식 (2)로 표현된다. 금속 시스 손상에 의해 단위길이당 저항 R이 증가하면 $Z_{0}$가 변화하고, 이에 따라 식 (1)의 반사계수 $\Gamma$도 함께 변한다. 습식 해저케이블에서 와이어 n가닥이 끊어진 경우, 남은 가닥의 병렬 저항 $R_{s}(n)$은 식 (7)과 같다.
여기서 $R_{wire}$는 와이어 1가닥의 단위길이당 저항, $N$은 전체 와이어 가닥 수(33가닥)이다. $n$이 커질수록 $R_{s}(n)$이
빠르게 증가하여 $Z_{0}$가 올라가고, 결과적으로 손상 구간의 반사계수가 커진다. 이것이 습식 해저케이블에서 저항 증가율과 반사계수 변화율이 함께
오르는 원인이다. 표 3과 그림 5에 두 지표의 손상률에 따른 변화를 나타내었다. 반사계수 크기 변화율은 각 손상 단계에서 손상 위치 부근 구간의 반사계수 크기 최대값을 산출하고,
이를 정상 상태의 동일 구간 최대값과 비교하여 백분율로 산정하였다.
두 케이블 형식 간 저항 증가율의 차이는 금속 시스의 구조적 특성에서 비롯된다. 건식 해저케이블의 납합금 시스는 연속 튜브 구조로 둘레 일부가 절단되더라도
잔존 단면 전체가 전류 경로로 유지되므로 저항 변화가 미미하다. 반면 습식 해저케이블은 33가닥의 구리 와이어가 병렬로 연결된 구조 위에 약 100μm
수준의 얇은 동테이프가 반대 방향 나선형으로 감겨 각 와이어를 전기적으로 연결하고 있다. 그러나 동테이프의 단면적이 극히 작아 와이어 절단 시 우회
경로로서의 전류 분담 기여가 미미하므로, 와이어가 하나씩 절단될수록 유효 도체 단면적이 점진적으로 감소하고 잔존 가닥 수가 줄수록 저항 증가폭이 커진다.
이러한 구조적 차이가 표 3과 그림 5에서 두 케이블 형식 간 저항 증가율의 뚜렷한 차이로 나타나며, 반사계수 크기 변화율에도 동일하게 반영된다. 결과적으로 건식 해저케이블은 완전 파단
전까지 임피던스 변화가 미미하여 FDR을 포함한 세 기법 모두 조기 손상 감지에 한계가 있다. 반면 습식 해저케이블은 와이어 절단이 진행될수록 임피던스가
점진적으로 변화하므로, 한쪽 단자를 계통에서 분리하는 정전 작업만으로 FDR을 통해 금속 시스 손상 진행을 비파괴적으로 진단할 수 있다.
표 3. 건식/습식 해저케이블의 손상률별 금속 시스의 직류 저항 증가율 및 FDR 반사계수 크기 변화율
Table 3. Metal sheath resistance increase rate and magnitude of FDR reflection coefficient
change rate as a function of damage level for Dry/Wet type cables
Damage
Level
(approx.)
|
Resistance Increase Rate (%)
|
Reflection Coefficient
Change Rate (%)
|
|
Dry
|
Wet
|
Dry
|
Wet
|
|
0 %
|
0
|
0
|
0.13
|
0.76
|
|
20 %
|
0.06
|
0.53
|
0.17
|
0.82
|
|
40 %
|
0.26
|
1.25
|
0.23
|
2.13
|
|
60 %
|
0.71
|
5.34
|
0.28
|
4.08
|
|
80 %
|
1.66
|
13.76
|
1.18
|
9.45
|
|
100 %
|
open
connection
|
open
connection
|
81.36
|
96.6
|
그림 5. 손상률에 따른 금속 시스의 직류 저항 증가율 및 반사계수 크기 변화율 그래프
Fig. 5. Metal sheath resistance increase rate and magnitude of FDR reflection coefficient
change rate as a function of damage level
6. 결 론
본 논문에서는 해상풍력용 건식/습식 해저케이블을 대상으로 금속 시스 손상 단계별 반사파 신호 특성을 TDR, TFDR, FDR 세 기법으로 측정하고,
금속 시스의 직류 저항 변화와의 관계를 분석하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 세 기법 중 FDR이 가장 높은 검출 감도를 보였으며, 습식 해저케이블에서 약 60% 이상 손상부터 완전 파단 전에 특성임피던스 상승과 반사
신호 변화를 통해 조기 검출이 가능하였다. TDR과 TFDR은 두 해저케이블 모두에서 100% 완전 파단 시에만 유의미한 신호 변화가 나타났다.
(2) 건식 해저케이블은 세 기법 모두 완전 파단 전까지 반사파 신호 변화가 미미하였다. 이는 납합금 시스의 비저항이 높아 절대 저항값이 크고, 연속
튜브 구조로 인해 부분 절단 시에도 전류 우회 경로가 유지되며, 전체 케이블 길이 대비 손상부가 차지하는 비율이 작아 전송선로 파라미터 변화가 미미하기
때문이다. 반면 습식 해저케이블은 와이어가 절단되면 동 테이프를 통한 미소한 우회 경로만 남아 실질적인 전류 유효 단면적이 감소하므로, 손상률에 비례하여
임피던스가 누적 변화하며 FDR 기반 조기 검출이 가능하였다.
(3) 습식 해저케이블에서 손상률에 따른 금속 시스의 직류 저항 증가율과 FDR 반사계수 크기 변화율이 유의미한 상관성을 보였다. 현장에 설치된 해저케이블은
직류 저항 측정이 사실상 불가능하므로, 한쪽 단자 분리만으로 수행 가능한 FDR 계측을 통해 습식 해저케이블의 금속 시스 손상을 비파괴적으로 검출할
수 있음을 실험적으로 확인하였다는 데 본 연구의 실용적 의의가 있다. 다만 반사파 계측 기반 케이블 진단의 실용화를 위해서는 측정 분해능 확보가 중요한
과제이므로, 보다 긴 구간에서의 손상 및 열화 조건에 대해 최소 검출 분해능을 검토하는 후속 연구가 필요하다.
Acknowledgements
This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and
Planning (KETEP) grant funded by the Korea government (MOTIE) (RS-2024-00449926, Development
of Reflectometry-Based Diagnostic Technology for Detecting Aging in Wet Type Submarine
Cables for Offshore Wind Power)
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저자소개
He received his Ph.D. degree from the Department of Electrical Engineering, Daejin
University, in 2023. He is currently a Postdoctoral Researcher with the Power Cable
Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute (KERI), where his research
focuses on the analysis of insulation aging mechanisms and diagnostic technologies
for HVAC and HVDC power cable systems.
He received his B.S. degree with a double major in Physics and Chemical Engineering
from Kyungpook National University in 2020. He is currently a Research Associate with
the Power Cable Research Center, Korea Electrotechnology Research Institute (KERI),
where his research focuses on the analysis of degradation characteristics in submarine
cables.
He worked at the Product & Technology Research Center of LS Cable & System from 2009
to 2021. He received his Ph.D. degree in Electrical Engineering from Kyungpook National
University in 2021. Since then, he has been a Principal Researcher at the Korea Electrotechnology
Research Institute (KERI), where his research interests include HVAC/HVDC power cable
systems, joint technologies and diagnostic techniques.