3상 전력케이블시스템에 적용 가능한 PD 센서와 진단 알고리즘 개발 및 PD 위치 추정 기법 개발

Abstract

초고압 지중 전력케이블은 고장 시 대형고장으로 파급되는 경우가 많고, 복구에 많은 시간과 경제적 손실이 발생하므로 사전에 고장예방 진단이 필요하다. 이러한 이유로 전 세계적으로 초고압 XLPE (Cross-Linked Polyethylene) 전력케이블 절연진단 방법 개발 연구가 다양하게 이루어졌으며, XLPE 전력 케이블의 경우, 발생된 부분방전 측정에 근거한 절연 진단이 가장 효과적인 방법으로 받아드려져 있다. 전력케이블 실선로에 발생되는 부분방전의 경우, 고주파 부분방전 측정법 (HFPD : High Frequency Partial Discharge Measurement)이 1980년대 중반이후 제안되었으며, 초고압 XLPE 선로의 준공시험 및 열화진단에는 2000년대 초반부터 기술 선진국 중심으로 널리 적용되고 있다. 또한 다양한 부분방전 진단 시스템이 개발되어 상용화가 확산 추세이며, 국제대전력망회의 (CIGRE) Working group을 중심으로 2010년경부터 있는 실선로 부분방전 진단 기술들의 검증과 논의가 활발히 진행되어 국제규격을 만들고자 하는 실무진의 작업이 수 년에 걸쳐 진행되고 있다. 국내의 경우, 345kV XLPE 전력케이블이 설치되기 시작한 2003년 부터 준공시험 및 열화시험에 PD 진단기술의 적용 필요성이 인식되어 부분적으로 해외제품이 수입되어 사용되기 시작하였다. 국내 관련기술이 태동되고 성능이 향상되어 최근들어 온라인 모니터링 시스템의 설치가 초고압 선로에 적용되는 사례가 증가하고 있다. 전 세계적으로 지난 30여년간 지중전력케이블 상태진단을 위하여 개발되어 적용된 다양한 방법 중 부분방전 검출을 이용한 방법이 신뢰성이 높은 것으로 인식되고 있으나, 국내에 도입 적용된 PD 진단결과에 대해 지적되고 있는 사항은 다음과 같다. 첫째, 국내에 적용되고 있는 박센서 (Cupper Foil Sensor)는 고감도이나 적용 가능한 접속재 종류가 제한적이고 설치가 어려워 최근 들어 사용빈도가 낮아지는 추세이며, 50MHz이하 대역의 국내 HFCT (High Frequency Current Transformer) 센서는, 센서 설치 장소가 (종단 또는 중간 접속재) 많이 요구되는 모니터링 시스템에 적용되고 있으나, 최근 들어 EBG (End Box in Gas)와 EBA (End Box in Air) 경우, 신뢰성 있는 PD 진단을 위해서 고주파수 대역, 고감도의 HFCT 센서가 권장되고 있다. 둘째, 3상 초고압 케이블 시스템의 경우, 부분방전이 발생되는 상을 파악하기 위하여 3상에서 동시에 측정된 펄스 크기를 비교하여 부분방전이 발생한 상을 판단하는 3PARD (3Phase Amplitude Relation Diagram)분석 기법이 독일의 IPH에 의해 2000년대에 개발되었다. 그러나 전력계통에는 케이블과 다양한 전력기기 들이 상호 연계되어 있기 때문에 타 전력기기에서 발생된 PD 인지 케이블에서 발생하는 PD인지에 대한 것과 PD가 발생되는 절연시스템의 결함을 판단하기에는 미흡하기 때문에, 이 방법은 단지 부분방전이 발생된 상(Phase) 파악을 위하여 효과적이다. 아울러 일단 PD 가 검출되면, 발생위치 및 결함 종류가 분석되어야 한다. 이에 본 연구에서는 앞서 설명한 문제점을 개선하기 위해 고주파 대역, 고감도의 HFCT 센서 국산화 연구를 진행 하였으며, 3PARD에 PD 펄스 신호극성을 파라메터로 추가하여 독자적으로 3PPA (3Phase Polarity & Amplitude analysis) 를 개발하였다. 실험실에서 3상 150m 배전선로에 적용하여 발생상과 전력기기의 종류를 파악이 가능한 독자기술의 적합성을 확인하였고, 전력케이블의 치명적인 PD발생 결함원의 자동판단이 가능한 패턴분석 알고리즘 개발 및 위치 추정 기법을 개발하여 발생상에서의 결함의 위치파악도 가능하였다. 아울러, 개발된 기술과 시스템을 한국전력공사의 전력구에 설치 되어있는 22.9kV 배전선로와 154kV 및 345kV 송전선로에 적용하여 실 계통에 적용성을 확인하였다. 따라서 신뢰성 있는 지중 전력케이블시스템 운영에 필수적인 절연진단 및 상태감시 기술 역량 향상에 기여한 것으로 사료된다.