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배전전력케이블에서의 부분방전진단(PD Diagnosis) 검토자료

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전력케이블에 있어 부분방전PD신호 전파(Propagation)특성(2a)
PD
크기 감쇠관련 일본자료 검토


2014년
12 20                                                                                            검토자: 김보경

[ 외국 자료 ]

  
A. [ 외국 자료-일본 ]

<출전: CV케이블용 Prefab형 접속부 및 부분방전 측정방법, 일본1992년 후루까와사 특허출원>

부분 방전 측정 방법은, 부분 방전 발생시에 발생하는 시스간의 전압을 검출하는 것으로써 부분 방전을 검출하기 위해, 시스의 일부가 완전하게 절연 되고 있는 절연 접속부에서만 부분 방전을 측정할 수 있었다. 하지만, 실제의 케이블 선로에서는, 시스의 절연부가 없는 접속부도 많이 사용되고 있어 그 부분에서 부분 방전이 발생한 경우, 부분 방전 펄스는 케이블 내부를 전파 하는 동안에 감쇠하고, 이 경향은 특히 고주파 성분일수록 높아진다. 따라서, 예를 들면, 절연 접속부로 부터 수백 m~km 멀어진 장소에 있는 통상의 접속부에 있어서의 부분 방전을 검출하는 경우의 감도는 현저하게 저하하는 것이 보통이고, 경우에 따라서는 측정이 불가능하기도 함.

검토의견: 1990년대 초반기에 일본 후루까와에서는 부분방전 펄스(고주파 대역보다
                감쇠특성이 좋은 저주파 대역일 것이다
.)
             케이블을 따라 전파해가면서 감쇠한다고 기술하고 있다
.
    
                그리고 수백
m이상 떨어진 위치에서 PD발생하여 케이블을 따라 전파해서와
                검출된
PD신호는
측정이 불가능할 수 있다고 기술하고 있다.

<출전: 부분방전위치표정방법, 일본1996년 스미토모&중부전력사 특허출원>

부분 방전은 케이블 선로내를 전파 하는 동안에 고주파 성분만큼 크게 감쇠한다. 그 때문에, 검출 신호는 케이블전파거리가 길어질수록 파형형태가 변한다.

케이블내의 전파 속도는 주파수 의존이 있다
. 부분 방전 발생 개소가 측정위치에 가까운 경우에는, 부분 방전 펄스중의 고주파 성분도 검출되기 위해, 그 펄스의 평균적인 전파 속도는 빨라진다. 한편, 방전 발생 개소가 측정위치로 부터 떨어져 있는 경우에는 고주파 성분이 감쇠하기 때문에, 그 펄스의 평균 전파 속도가 늦어진다.

, 오차를 최소로 하는 최적 펄스 전파 속도는, 부분 방전 발생 위치에 의해 변화한다. 그리고, 어디서 부분 방전이 발생하는가를 미리 예상하는 것은 불가능하다.

<출전: 부분방전위치표정방법, 스미토모 & 중부전력 일본특허 1996년 출원>

부분 방전은 케이블 선로내를 전파 하는 동안에 고주파 성분만큼 크게 감쇠한다. 그 때문에, 검출 신호는 케이블전파 거리가 길어질수록 파형이 무디어지고(왜곡되고), 검출되는 전파시간차이는, 진짜 첫번째의 Pulse와 시간차이가 발생하여 다른 값이 된다.

동일 개소에서의 방전을 측정했을 경우에서도, 방전의 크기에 의해서 검출되는 전파 시간차이를 일으킨다. 케이블내의 전파 속도는 주파수 의존이 있다. 부분 방전 발생 개소가 측정점에 가까운 경우에는, 부분 방전 펄스중의 고주파 성분도 검출되기 위해, 그 펄스의 평균적인 전파 속도는 빨라진다. 한편, 부분방전 발생개소가 측정점으로 부터 떨어져 있는 경우에는 고주파 성분이 감쇠하기 때문에, 그 펄스의 평균 전파 속도가 늦어진다.

, 오차를 최소로 하는 최적인 펄스 전파 속도는, 부분 방전 발생 위치에 의해 변화한다. 그렇지만, 어디서 부분 방전이 발생할까를 미리 예상하는 것은 불가능하다. 그 때문에 실용상은 적당한 일정치의 전반 속도를 가정해 이용하게 되지만, 이 가정한 전파 속도가 오차를 최소로 하는 최적인 전반 속도와는 다르기 때문에 여전히 오차를 일으킨다.

검토의견:  1) 1990년대 중반기에 일본 스미토모와 중부전력에서 특허 출원한 내용을 보면
케이블에서
PD발생하여 케이블을 따라 전파하면서 신호가 감쇠하고
, 또한 케이블 길이가 길수록 파형이 왜곡되어 PD신호인지 구분이 어렵다고 기술하고 있다.

                   2) 일본에서는 케이블을 따라 PD신호가 감쇠/왜곡의 영향때문에 PD를 집중감시하고자 하는 접속재와 같은 부분에 수백kHz주파수 대역의 박전극센서 또는 용량센서를 적용하고 있지 않은지???

<출전: Partial Discharge Measurement Techniques for Highly Aged XLPE Cable Systems-Propagation Characteristics of Pulse Signal, 일본전력중앙연구소, 2011년02월, 일본전기학회 DEI-1141>

1. PD펄스 신호는 케이블 내부를 전파하고, 장기간 사용한 고경년 CV케이블에서는 장기간에 걸쳐 외부로부터의 수분 침투에 의해, 차폐층 동테이프가 산화해, 표면이 절연성을 가지고 있는 것이 예상되지만, 이러한 상황에서의 고주파 펄스전파특성은 명확하지 않았다.

    중  략

그리고, 차폐층 동테이프의 표면이 검게 산화하는 형태 또는 녹청색의 산화하는 형태의 모양도 나타난다. 여기서 산화동은 전도성이 낮아 절연체로 취급할 있고 또한 변색의 정도는 산화동의 두께에 따라 달라 진다는 문헌도 있다. 따라서 경년(오래 사용한) CV케이블의 차폐층 동테이프는 절연막이 피복되어 있다고 생각 할 수 있다.

   중  략

오래 사용한 경년CV케이블의 차폐층TAPE의 산화열화를 모의한 ③과④의 시료에서는 6~7%/m의 감쇠가 나타나고 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 차폐층 동TAPE가 열화되지 않은 미가공 케이블 시료①과 비교하여 10배정도 크고, 표에는 나타내지 않았지만 Pulse전파속도는 차폐층 동TAPE가 산화열화된 ③과④의 시료에서는 열화되지 않은 시료①과 비교하여 10~20%정도 저하하였다.

검토의견:  1)2011년  일본 전력중앙연구소에서 오래 사용한 케이블에서 차폐층 동TAPE의 산화열화를 모의하여 시험결과 보면 , 차폐층 동TAPE가 산화열화한 케이블시료에서는 열화되지 않은 시료케이블보다  검출될 수 있는 PD Pulse의 피크치가 10배정도 감소하고 ,  PD Pulse전파속도는 차폐동tape가 산화열화된 케이블시료에서 10~20%정도 저하하였다고 기술.

                2) 본 자료는 차폐동tape의 산화열화정도에 따라 PD Pulse의 크기 감쇠 및
                 속도가
달라질 수 있다는 것을 의미하는 것이므로,
                 실제 현장에서는 CV케이블의 차폐동tape
산화열화정도를  파악하여
                  PD검출장비에 검출 PD량을 보정할 수 있을지?????


<출전: Soundness Verification for Whole Cable Line by Partial Discharge Measurement Only at Terminations-Considering with propagation Characteristics of High Frequency Signal, 일본전력중앙연구소, 2012년12월, 일본전기학회 EWC-12-015>

중  략

1. Specifications of the XLPE cable specimen

 

시료 A

시료 B

공칭
전압

66kV

77kV

도체
Size

600

250

내외도

동시압출(E-E)

동시압출(E-E)

차폐층
구조

와이어쉴드

Tape(2)

전체
길이

99.95m

99.76m

2. Pulse propagation characteristics obtained from pulse waveform measurement.

 

시료 A

시료 B

기준파고치(mV)
[시료입력pulse pick]

1899.8

2561.3

CV케이블 전파후의
파고치
(mV)

288.0

873.5

CV케이블 파고치
감쇠율
(dB/m)

0.164

0.094

전파속도(m/us)

173.9

184.3

감쇠율의 주파수에  대한 특성(dB/km)

10MHz

-65

-15

20MHz

-130

-35

50MHz

 

-90

1은 시료에 대한 설명이고, 2의 시료케이블 약100를 사용하여 시험한 결과DATA, DATA 살펴보면, 시료 B와 비교하여 시료 A는 파고치의 감쇠가 크고, 전파속도가 5%정도 저하하고 있다.

그리고 주파수특성은 시료
A에서는 20MHz이상의 주파수 영역에서 100dB/km이상의 감쇠율이 발생되고 있고, 시료 B에서는 20MHz이상의 주파수 영역에 있어서 10dB/km이상의 감쇠율이 발생하고 있다.

 따라서 시료 A(와이어쉴드)과 비교하여 시료 B(Tape)쪽이 고주파영역의 신호가 보다 전파하기
 쉽다는 것이며, 이들의 차이는 차폐층의 구조에 기인하는 것으로 판단된다.

 CV케이블은 통신용의 동축케이블과 달리 내외도 반도전층이 있지만 이 반도전층은 고주파신호가 전파하는 절연체(유전체)에서 보면 저항성분으로 된다.

검토의견:  1)2012년  일본 전력중앙연구소에서 케이블 구조에 따른 PD신호의 전파특성을 시험결과 보면 , 차폐층이 와이어쉴드 케이블이 동TAPE케이블보다 감쇠가 크다.

-. 차폐층이 와이어쉴드 케이블(A시료)은 거리100m위치에서 PD신호크기가
                    약
85%감쇠
발생.

                -. 차폐층이 동
TAPE 케이블
(B시료)은 거리100m위치에서 PD신호크기가
                    약
66%감쇠
발생

2) 주파수에 대한 감쇠특성을 살펴보면
                     -. 와이어쉴드 케이블
(A시료) 20MHz이상의 주파수 영역에서
                         100dB/km이상의 감쇠율 발생,
                     -. TAPE케이블(B시료) 20MHz이상의 주파수 영역에서
                          15dB/km이상의 감쇠율 발생.

                 3) 따라서 차폐층 구조가 와이어쉴드 케이블(A시료)과 비교해서
                 동
tape케이블(B시료) 쪽이
 PD검출에는 다소나마 어느 정도 특성양호.
                 -->
수십m이상의 CV케이블이라도 차폐층 구조에 따른 PD Pulse
                      전파특성의 차이 때문에
,  
PD센서에 의해 검출된 PD크기와
                      실제 발생한 PD크기가 달라질 수 있다
.

                 4) 표2 DATA주변Noise를 고려하지 않은 환경조건에서 시험한 것으로,
                     PD검출센서로부터
100m떨어진 위치에서 100pc크기의 부분방전이 발생한
                  경우,
                     -.
A시료 케이블(차폐층이 와이어쉴드 케이블) PD검출센서에는
                         약
15pc
크기의 PD검출,
                    
-. B시료 케이블(차폐층이 동TAPE케이블) PD검출센서에는
                         약
34pc
크기의 PD검출되는데

              --> Noise가 있는 환경에서는 PD검출센서에는 어느 정도의 크기를
                 검출할 수 있을까?

 

일본자료 종합검토 : 상기에서 검토한 일본자료를 보면

      1)일본에서는 1990년 이전에 케이블에서 고주파PD신호가 케이블을 따라 전파해가면서
         감쇠가
 된다고 인지하고 있었던 것으로 생각되며, 이러한 감쇠특성 때문에,
         PD감시하고자 하는 부분에
 박막전극센서, 용량성 센서 등을 설치하여 PD상태를
         감시하고 있었던 것은 아니었을까???
.
    
      2) 최근, 일본 전력중앙연구소에서 전력케이블의 CV케이블의 구조특성 및 케이블의
          장기간사용으로 인한 차폐동
TAPE의 산화열화정도에 따른 PD신호의 감쇠특성관련
         시험한 결과를 보면
,

          CV케이블이라도 차폐층 구조(CNCV, CV)에 따라 감쇠특성 및 전파특성이
         다르고 CV케이블의 동TAPE의 산화특성에 따라 감쇠특성 및 전파특성이 다른데,
 
        수십m이상의 케이블의 부분방전(PD)검출시에 이러한 사항들을 고려하여
          PD 검출Data
추출해야 하는 것은 아닌지?
           (실제 현장에서는 어느 정도 가능성이 있을지는???)

 

본 자료들은 허락없이 인쇄물/site에 공개해서는  안됩니다만,
본 사이트 또는 검토자를 명확하게 기재하는 경우에는 공개 가능합니다.
. 2014년 12 20


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