지난 83년 154kV XLPE케이블이 개발된 이후 약 30년만에 345㎸ XLPE케이블이 개발됐고 영서∼영등포S/S 구간에 가압됨으로써 지중송전 케이블 건설능력을 한차원 끌어올리는 계기를 마련한 것이다. 특히 이번 건설구간은 국내 최초로 조립접속식(Prefabricated Joint, PJ)공법으로 건설함으로써 지중 송전 케이블 접속 공법의 새로운 전환점을 마련했다는 데에 큰 의의가 있다는 찬사를 받았었다.
그리고 최근 한전은 345kV 영서∼영등포 지중 T/L 건설공사 현장에 국내 최초로 개발, 조립접속식 공법으로 시공된 345kV XLPE 케이블의 품질을 확보하고, 서울 영등포 및 여의도 지역 전력공급을 위한 대용량 케이블의 안정성을 확보한다는 차원에서 부분방전(Partial Discharge, PD) 측정, 검토에 나섰다.
이번 측정은 345kV XLPE 케이블 자체가 처음 개발됐고, 처음 시도된 공법으로 설치됐다는 점을 감안, 그에 따른 고장 가능성 등을 사전에 미리 제거하고 각종 기초 데이터를 수집하는 차원에서 실시된 것이다. 345kV XLPE 케이블 부분방전 측정 검토와 관련한 자세한 사항을 요약, 정리해봤다.
▲PD 측정 필요성
지난 2000년 11월에 착공된 영서∼영등포 지중T/L 건설공사(345㎸×2회선)는 신설 345㎸ 영등포 변전소 전원을 공급하기 위해 진행됐다. 특히 이번 지중선 공사는 국내 최초로 개발된 345㎸ XLPE케이블을 조립식접속(PJ) 공법으로 건설했는데, PJ 공법은 기존 OF케이블에 비해 접속기간이 약 4일 정도 단축되며 가격 또한 저렴하다는 평가를 받았다.
특히 PJ 공법을 위해 접속재와 금구류 등을 접속자재를 모두 새로 개발, 적용했으며 행거 등도 특수제작 했고, 품질 확보를 위해 접속원의 접속숙련도유지와 터널내의 접속텐트사용으로 이물질 혼입 방지를 위해 Clean Booth를 설치, Clean 도를 반도체공장 수준으로 유지함으로써 최고의 시공 품질을 확보할 수 있었다.
그런데 최근 한전에서는 케이블 자체가 공장에서 PD 측정을 포함해 각종 품질시험 단계를 통해 엄격한 품질관리 하에서 생산되어지고는 있으나, 케이블 뿐 아니라 모든 접속자재들이 새롭게 개발됐고, 새로운 공법을 통해 설치된 만큼 현장 시공후 케이블 접속부 등의 고장 개연성을 사전에 제거할 필요가 있다고 판단, 별도의 PD 측정을 실시하게 된 것이다.
이와 아울러 XLPE 케이블의 절연열화 진단 및 수명예측을 위한 기초자료를 축적하는 의미도 있다. 한전 송변전건설처 지중선팀 관계자에 따르면 XLPE 케이블의 초기결함을 검출하고 절연진단을 위해서는 PD 측정이 가장 효율적이라는 설명이다.
▲외국의 PD측정 현황
일본, 유럽국가 등에서는 PD 측정을 준공시험에 포함해 시행하고 있다.
일본의 경우 275kV 이상의 XLPE 케이블에서 시행하고 있는데, 전 접속개소를 동시에 온라인으로 지속 측정한다. 반면 독일에서는 400kV XLPE 케이블에서 측정하며, 스위스 및 네덜란드는 AC 내전합 시험시, 그리고 말레이시아 등은 준공 시험시 시행하고 있는 것으로 나타났다.
이러한 국가들은 PD 측정결과 일부 접속함의 결함을 발견하고, 사전에 고장요인을 제거함으로서 품질을 확보하고, 안정적인 전력공급을 확보 할 수 있었다. 독일은 60개소를 측정해 1개소에서 PD가 검출돼, 접속함을 교체하는 조치를 했으며, 일본은 21개소 선로를 측정, 3개소에서 검출된 것으로 조사됐다.
▲PD 측정방안 검토
한전에서는 이번 PD 측정 방안을 노이즈의 최소화를 위해 고주파 측정방식을 적용한다고 밝혔다.
한전 측은 PD 측정 시스템에는 많은 방식이 있기는 하지만, 국내 케이블의 경우 일본과 유사해 현재 일본에서 적용하고 있는 고주파 외장형 금속전극 방식을 적용키로 했으며, 이미 전력연구원에서도 이 방법을 추천했고, 해외 각종 발표자료를 통해서도 많은 실측 결과가 소개되고 있다고 설명했다.
다만 한전은 고주파 외장형 전극방식과 동일이상의 성능일 경우에는 타 방식을 적용한다는 유연한 자세를 보이고 있다.
한편 외장형 금속전극에 의한 측정 방식은 케이블 및 접속함(기설케이블도 가능)을 대상으로 하며, 용량성을 검출원리로 채택하고 있다. 센서는 절연접속함과 종단접속함 표면에 부착된다.
▲시행계획
한전은 345kV 영서∼영등포 지중 T/L을 대상으로 2회선 총 9.8km에 이르는 345kV XLPE 케이블의 모든 접속개소를 측정한다.
총 접속개소는 54개소로 보통접속 18개소, 절연접속 32개소, 종단접속 4개소이다. PD 측정은 케이블 제작업체인 LG전선과 대한전선에서 시행하며, 올 7월에 1회 실시됐고, 11월경 2차 측정을 실시할 계획이다.
▲PD 측정절차 일반사항
△PD 측정 준비 : PD 측정을 위한 준비 및 박전극 취부시에 전극과 보호 동관사이의 적정 정전용량 값을 갖도록 작업해야 한다.
△감도조정(Calibration) : PD 측정시 최대한의 감도를 유지할 수 있는 주파수를 선정해야 하며 감도조정을 위해 측정설비의 결선, 측정조건 입력, 측정 주파수 선택 등을 한 후 감도조정을 해야 한다.
△PD 측정 : 선로에 전압이 인가된 후 선택된 주파수 대역에서 부분방전을 측정한다.
△측정감도 및 판정 : 부분방전 시험은 고주파 PD 측정법에 의하고 측정감도는 중간 절연접속함, 가스중 종단접속함의 경우 10pC 이하, 기타 접속함은 30pC 이하이어야 한다.
△기타 : 전력구내 장비 인출입 개소 등 케이블의 손상이 우려되는 부분에는 케이블 보호대책을 수립 후 작업에 임해야 한다. PD 측정후 결과물은 Calibration 결과, 부분방전 패턴, 측정감도, 측정 주파수, 양부 판정 등을 붙임양식을 참조해 작성, 제출해야 한다. PD 측정시 유도 및 기타 여건에 따른 제반 안전사고에 대비해 충분히 대책을 수립한 후 작업에 임해야 한다.
▲설비 구성 및 기능
△본제(PD Data Acquisition 및 Processing) △노트북PC(RS-232에 의한 PD 측정기 본체의 제어) △PD 측정용 S/W(PD 측정에 필요한 프로그램으로서 측정 조건의 입력, 주파수 선택, 교정, 측정으로 구성) △검출기(Detector, 센서로부터 검출된 PD 신호의 Coupling 및 증폭) △Probe Box(Pulse generator로부터의 교정 Pulse 주입용 Probe) △금속전극(2쌍의 동 판으로 구성돼 한 쌍은 PD 검출용 센서, 다른 한 쌍은 교정 Pulse 주입용 전극으로 이용) △Cable for Detector(BNC Audio 단자로 돼 있으며 Detector와 PD 검출용 센서를 연결) △Cable for Pulse Generator(BNC 단자로 돼 있으며 Probe box와 교정 Pulse 주입용 전극을 연결) △Pulse Generator(Calibration 용 Pulse 발생 장치) △위상동기 장치(PD 관찰을 위한 전압 동기 장치) △Cable for Phase Detector(Phase Detector와 Phase Shifter를 연결) △Phase Cable for voltage synchronization(Phase Shifter에서 변환된 위상신호를 오실로스코프 또는 본체로 연결) △디지털 오실로스코프(PD 신호의 시간영역 관찰)
▲측정절차
△센서(금속전극)의 부착
금속전극은 절연접속함과 종단접속함에 부착한다.
우선 알루미늄 호일을 적정 사이즈로 절단해 접속함 방식층에 취부하기 전에 먼지 또는 이물질을 깨끗이 제거해야 하며, 알루미늄 호일과 방식측 표면에 공극이 발생되지 않도록 밀착 상태를 확인해야 한다.
이후 금속전극을 알루미늄 호일 중앙 위치에 올려놓고 PVC 테이프로 2mm 정도 중첩해 금속전극 콘넥타 부위를 제외하고, 알루미늄 호일과 금속전극을 견고히 테이핑 해야 하며, 금속전극이 보호 동관, 케이블 Slider 등의 외부 금속관과 접촉이 되지 않도록 주의해야 한다.
△측정 설비의 결선
측정 설비를 결선할 때는 PD 측정기와 각 콘넥타 간 접속 상태 및 연결상태의 오결선이 있는지를 반드시 재확인하고 작업에 임해야 하며, 각 Detecter의 동축 케이블과 본체간 케이블이 서로 닿지 않도록 해야 한다.
△측정 조건의 입력
측정 일시, 측정 조건, 선로 명 등 측정대상에 대한 정보를 입력한다.
△측정주파수의 선택
노이즈 스펙트럼과 Calibration Pulse에 의한 스펙트럼이 중첩으로 표시되면 상부의 Cursor를 이동해 S/N 비가 가장 높은 주파수를 선택해 저장한다.
△감도조정
우선 Pulse Genertor로부터 Calibration 신호를 주입한다. 이후 화면에 Calibration Pulse가 나타나면 Cursor를 이동해 Pulse 끝단에 맞추고 저장한다. 이때 주입신호를 달리해 최소 4회 이상 감도조정을 해야 하는데, 4회의 주입신호는 각기 틀리게 신호를 입력해야 하며, 감도가 나쁠 경우 주입신호의 값을 더 크게 할 수도 있다.
△전압 인가 후 측정
선로에 가압이 인가된 후 선택된 주파수 대역에서 부분방전을 측정한다. 이 때 안전을 위해 박전극과 Probe Box, Detector의 콘넥타를 서로 연결시 신속하고 정확히 연결할 수 있도록 해야 한다.
또한 Pulse Generator, Detector, 본체, 오실로스코프 등의 측정설비의 결선이 오결선이 없도록 해야 하며 가능한 PD 본체와 케이블 접속함체는 20m 이상 충분히 이격을 시켜야 한다.
아울러 장비 설치 및 결선이 끝난 후 PD 측정이 시작될 때는 측정자 이외의 사람은 케이블 접속함체 주변에서 멀리 떨어져 있어야 한다.
주파수 스펙트럼 분석, 노이즈분석, 교정주파수 분석결과를 저장하고, 오실로스코프의 화면성 파형을 통해 PD 유무를 확인하거나 PD 측정 프로그램으로 PD 패턴을 저장한다.
▲부분방전 분석
측정기 또는 오실로스코프 상에 나타나는 패턴을 관찰해 PD 형태 Pulse 패턴이 나타날 경우 내부 부분방전이 발생하는 것으로 의심하고 위상 동기화, 초음파 측정, 인접 개소와의 패턴 비교 등 다양한 방식의 위치 검출 기법을 통해 최종 부분방전을 판정한다.
▲XLPE케이블은
기존의 345㎸ OF케이블보다 전력수송용량과 환경보전 측면 등에서 월등하게 우수한 345㎸ XLPE(Cross Linked Polyethylene Insulated Cable)케이블은 한전이 지난 97년 4월 경영혁신과제로 선정, 개발을 추진해 왔으며 약 5년여 만인 작년 6월28일에 대한전선(주)가, 7월19일에는 LG전선(주)가 개발시험 완료라는 결실을 맞게 됐다.
국내 지중송전케이블은 1978년에 154㎸ OF 케이블개발을 시작으로 1983년에 154㎸ XLPE, 1989년에 345㎸ OF케이블을 개발해 실용화하는 단계로 발전해 왔으며, 이번에 345㎸ XLPE 케이블을 개발 완료, 실구간에 시공, 가압됨으로써 세계 유수 전력회사와의 어깨를 나란히 할 수 있게 됐다.
345㎸ XLPE 지중케이블은 송전용량이 약 955㎹A로 기존 OF 케이블의 575㎹A에 비해 약 50% 증가와 손실 30% 저감, 그리고 Oilless化로 환경오염 방지 및 방재능력 강화 등으로 경영효율 제고에도 크게 기여할 수 있다.
이와 함께 향후 건설될 도심지 대용량 전력수송 송전선로에는 기술적으로 장애가 없는 사업에 대해서는 전량 사용될 예정이다.