전력케이블에 있어 부분방전 PD신호 전파(Propagation)특성(2b)-PD신호크기 감쇄관련 외국자료 검토

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지중전력케이블에서의 부분방전감시(PD Monitoring ) 검토자료

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전력케이블에 있어 부분방전PD신호 전파특성(2b)
PD크기 감쇠(Attenuation)관련 외국자료 검토

2014년 12월 20일 검토자: 김보경

[ 외국 자료 ]

B. [ 외국 자료-일본 外 ]

①<출전: Insitu Partial Discharge Detection in Power Plant Cables, 1998년 10월, NUREG/CP-0166 Vol. 3>

중 략

PD in solid insulation gives rise to electromagnetic pulses having a rise time ranging from few ns to several 10's ns. These pulses become attenuated as they propagate.

As a result, the rise time of a pulse degrades rapidly after a few feet of propagation, suffering a slower degradation thereafter.

중 략

The attenuation and propagation of the PD pulses depends on the impedance of the cable.

PD detected at several

검토의견: 1)1998년도의 미국 원자력 발전소 관련하여 작성된 전력케이블의 PD검출자료를 보면

                     -. PD Pulse는 케이블을 따라 전파하면서 감쇠하고, PD Pulse의 rising time은
   케이블을 수m만 전파하여도 급격히 증가

-. PD검출을 종단 접속부에서 측정할 때에 PD발생지점이 조금만 떨어져 있어도
       검출되는 PD Pulse모양은 크게 변화

  -. PD발생지점이 PD검출센서로부터 떨어져 있을 때는 PD의 고주파성분은
       PD검출센서에 도착하기 전에 감쇠되어 질 것임.

  -. PD Pulse의 감쇠와 전파특성은 케이블의 임피던스에 따라 달라진다고
      기술하고 있음.

-. 그림과 같이 PD발생지점에서 떨어질수록 검출된 PD크기는 감소,
     또한 주파수가 높은 부분의 PD신호는 검출되지 않고 있음.

2) 케이블 거리에 따른 크기 감쇠가 어떤 형태로 이루어지는 지는 기술하지 않고 있지만

급격히 감쇠되는 형태이고 Pulse형태도 급격히 변화, PD검출센서가
PD발생지점으로부터 많이(?) 떨어지면 PD의 고주파성분은 검출되지
않을 정도로 감쇠 & 변형.

3) 미국에서는 1998년도에 케이블의 PD측정시의 PD Pulse의감쇠 및
왜곡때문에, PD발생 지점으로부터 멀리 떨어진 장소에 PD검출센서를
설치시의 문제점을 어느 정도 파악.

② <출전: Developments for On-Line Partial Discharge Detection in Cables, in Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC 2001)

attenuation in paper and xlpe cagles

Fig.4: Attenuation in paper and XLPE cables

clamping sensor vs HFCT

Fig.5: Clamping sensor vs HF-CT.

The rise-times of the PD pulses vary in the order of nano-seconds to several tens of ns.
The pulse widths can extend from a few ns to some hundreds of ns.
중 략
However, the high frequencies in both paper/oil and extruded cables are quickly attenuated.This is shown in Fig.4 for the clamping sensor. The attenuation is much higher in paper/oil cable.It should be noted that the allowable PD level in paper cables is also much higher.
Also, since the HF-CT can measure the lower frequency components, its signal attenuation characteristic is better than that for the clamping sensor (Fig.5).

중 략

검토의견: 1) 2001년 오스트레일리아에서 발표된 자료를 보면
-. 그림4에서 고주파는 Paper/Oil, CV케이블에서 급격히 감쇠
-. 감쇠정도는 Paper/Oil케이블이 CV케이블보다 크다.
-. Paper/Oil케이블이 CV케이블보다 PD허용Level이 높다.
-. 그림5에서 HFCT가 Clamping Sensor보다 감쇠특성이 양호하고,
PD검출센서로부터 멀리 떨어진 위치에서도 Clamping Sensor보다 효과적

2) 본 자료는 케이블 길이에 따라 PD신호의 전파시에 크기의 감쇠형태가
지수함수적으로 감쇠하고 있다는 사실을 대략적이나마 나타낸
가장 오래된 자료임.
따라서 외국에서는 2000년대초부터 고주파PD신호가 케이블을 따라 전파시
지수함수적으로 감쇠된다는 사실을 인지하고 있었던 것으로 추정된다.

3) 그리고, 지금부터 약 13년전의 검토사항으로써는 HFCT가 Clamping Sensor
보다 주파수 특성이 좋기 때문에 멀리 떨어진 위치에서 PD발생시에도
적용가능성이 있다는 사항이며,

4) 지금까지 약13년 동안의 HFCT를 이용한 CV케이블의 PD검출측면에 있어서
어느 정도의 기술발전과 효과가 있었을까?

향후에도 거리에 따른 감쇠 및 파형변형의 문제를 HFCT는 해결할 수 있을 까?????

③ <출전: LIMITATIONS IN THE APPLICATION OF ON-LINE AND OFF-LINE PD MEASUREMENT SYSTEMS, CIRED 2005 18^th International Conference on Electricity Distribution>

Attenuation of PD Pulses Along A Uniform Cable

A fast partial discharge pulse is rich in both high and low frequency content when it is represented in the frequency domain. However, the high frequency content cannot propagate through the cable for reasons already described and is increasingly attenuated as a function of cable length. Both the magnitude and the shape of the pulses therefore change as they propagate with a finite velocity along a cable.

중 략

measured signal versus distance

그림1. Measured signal versus distance

Minimum detectable PD level

그림2 Minimum detectable PD level

With any form of measurement, but particularly for on-line techniques, continuous ‘white’ noise-levels of at least a few mV can be expected within a substation environment although transient power electronic noise present on cable sheaths can be magnitudes higher than this level.
The consequence of this noise is to limit the level of PD that can be detected at the substation.

중 략

검토의견: 1) 2000년대 중반기인 2005년에 CIRED(국제 배전기술협의회)회지에 발표한
자료를 보면

그림1과 같이 PD검출센서로부터 멀리 떨어진 위치에서 PD발생시에 케이블을
                     따라 전파하면서 PD검출센서에 검출되는 PD신호크기가 지수함수 형태로
                 감쇠한다고 구체적으로 기술

                PD발생위치의 신호의 크기가 2,000mV인 경우에 400m떨어진 위치에서
                PD검출시, PD검출센서에는 800mV검출(약60%가 감쇠하고 약40%정도만 검출).

2) 한편, 그림2에서는 완전히 제거할 수 없는 노이즈가 약50mV인 상태에서
                    케이블 길이가 600m위치에서 PD발생시에 최소로 측정할 수 있는
                    PD Level이 1,000pc.

                3) 노이즈 Level관련하여 발표된 자료를 보면 2003년도 한양대 박사논문에서
                    변전소내 케이블 단말부에서는 노이즈 Level이 약50mV정도의 크기로
                     검출되고 있다고 기술.
                      (현재 2014년에는 전자설비의 증가로 노이즈 Level은 더욱 증가 추정)

4) 그러면 CV케이블에 있어 판정기준중 교체에 해당하는 100pc~500pc정도를
                 검출하는 경우,
                 노이즈가 약50mV Level에서 그림2을 보면 약100m위치에서
                 500pc의 PD발생해도 검출할 수 있을 까???

             5) 참고: CV케이블의 PD판정기준중 교체Level
                   한국원자력- 100pc초과,   EMERSON사 – 500pc초과 (PLIC는 10,000pc초과)

④ <출전: Characteristics of partial discharge pulses propagation in shielded power cable, Elhanafi Ouatah 외, Electric Power Systems Research 99 (2013) 38– 44>

Fig 1. PD pulse relative amplitude A(%) as a function of
the propagated distance L at 28 MHz frequency.

pd level as a function of the propagated distance

Fig 2. PD level as a function of the propagated distance L at 28 MHz frequency.

검토의견: 1) 최근 2013년도에 Electric Power Systems Research학술지에 발표한 자료를
                    보면, 그림1과 그림2는 XLPE케이블 50m의 시료를 사용하여 시험과 Simulation한
                   data로
                  거리에 따라 PD신호가 케이블 따라 전파하면서 검출되는 PD신호크기가
              지수함수 형태로 감쇠하는 것을 시험과 Simulation으로 확인한 자료

                2) 본 자료에서는 차폐동Tape의 영향을 고려하지 않은 것이지만,
                    그림1과 그림2에서 PD발생지점에서 100이라는 크기가 발생하면
                   100m떨어진 위치에서는 약40%의 크기검출
                   200m떨어진 위치에서는 약 25%의 정도의 크기를 검출할 수 있는 것으로 추정.

                  3) 따라서 본 자료에 의하면, HFCT를 변전소의 단말측에 설치하여 케이블의
                      부분방전(PD) 상태를 감시하는 경우에 XLPE케이블이 변전소로부터
                  200m정도 떨어진 위치의 XLPE케이블에서 100pc정도의 부분방전(PD)가
                     발생하고 있다면 변전소에 설치된 HFCT에서는 25pc의 PD크기를
                 검출할 수 있을 것이다. (Noise 및 다른 특성 고려않고)

                  4) 한편, 변전소에서 설치된 PD센서인 HFCT에서 25pc정도의 PD크기를
                  검출했다면

                  변전소로부터 100m위치에서는 약62.5pc 크기의 PD발생한 값에 해당하고,
                      200m떨어진 위치에서는 약100pc 크기의 PD발생한 값에 해당하고,
                      400m떨어진 위치에서는 약160pc 크기의 PD발생한 값에 해당하는데,,,,

                       PD가 발생한 위치를 모르는 상태에서는
                 25pc, 62.5pc, 100pc, 160pc 어느 것인지???

⑤ <출전: On-line Partial Discharge (OLPD) Monitoring of Complete High Voltage (HV) Networks in the Oil & Gas Industry, 2014년 10월, 영국HVPD사 기술자료>

pd pulse parameters with distance propagated

검토의견: 1) 최근 2014년에 PD장비 제조사인 영국 HVPD사의 기술자료에 공개된
                     자료와 같이,
                    그림과 같이 케이블의 거리에 따라 전파하면서 PD신호 크기가 감쇠하고,
                    또한 펄스가 변형되고 있다는 것을 간략하게나마 보여주고 있다.

                     그림에는 거리에 따라 지수함수적으로 감쇠되는 것을 표현되지 않았지만,
                     지금까지 국내, 일본, 국외자료의 최근까지의 자료를 보면 케이블 거리에 따라
                      급격히 감소하는 지수함수 형태로 감쇠된다는 사실은 분명하다.

                    그리고, 본 자료는 PD장비 제조사에서 케이블의 거리에 따라 전파되면서
                  PD Pulse의 감쇠 및 파형의 변형의 형태를 공개한 사실이 중요하고,

영국HVPD사의 다른 자료를 보면 2000년 하반기부터 크기의 감쇠와
                   파형의 변형에 대해 기술한 자료들이 있지만,
                   본 자료와 같이 한눈으로 PD신호의 감쇠와 파형변형을 쉽게
                   파악할 수 있도록 나타낸 자료는 본 자료이전에 공개된
                    HVPD사의 자료는 찾지 못했다.

                   최근에야 PD장비 Maker인 HVPD사가 공개한 것이. . . . .???

< 검토의견 종합 : 2014년 12월 19일

상기에서 일본과 일본외의 외국에서 연구 또는 공개된 자료를 보면,

케이블 선로에 있어 PD발생시 고주파 펄스의 PD신호가 케이블을 따라 전파하면서 발생하는 현상에 있어 지금부터 약 13년전인 2001년 이후부터 구체적으로 전력케이블에 있어 고주파PD펄스의 신호크기는 빠르게 감쇄하며, 다음 그림과 같은 형태로 PD Pulse신호의 크기가 감쇠경향을 가지는 것으로 파악하고 있었다.

부분방전(PD)신호감쇠예_지수함수

그림] 외국에서 2000년이후 발표된 연구자료의 케이블에 있어 PD신호크기 감쇄특성 예

PD발생위치와 PD검출센서와의 거리에 따른 감쇠정도에 관한 여러 자료를 검토한 결과,
① 시험 또는 Simulation시에 적용하는 PD Pulse신호의 waveform 및 Pulse width의 사양과,
② 시험 또는 Simulation에 적용한 케이블 종류(XLPE, PLIC등)과,
③ 시험 또는 Simulation에 적용한 케이블 차폐층구조종류(WIRE, TAPE)
④ 시험 또는 Simulation에 적용한 케이블의 길이 등에 따라 감쇠크기의 정도의 차이가
발생하는 것으로 추정되고 있지만,
(Simulation외 실험은 주로100m이하의 케이블 시료 사용,Noise작다)

근본적으로 상기의 그림과 같이 PD발생위치와 PD검출센서간의 거리에 대한 감쇠정도가
거리가 멀수록 지수함수 형태로 감쇠된다는 사항에 대해서는 모든 결과가 동일하였다.

2010년 이후에 발표된 일본자료를 포함한 외국자료를 종합분석한 결과,
동차폐구조를 가진 CV케이블과 동TAPE가 산화되지 않은 상태의 CV케이블에 있어
100m떨어진 위치에서 PD발생한 크기의 50%이상 감쇠되어 50%이하의 크기를
PD검출센서에서 검출할 수 있는 것으로 판단되며,
(200m 위치에서는 약70%이상 감쇠, WIRE SHIELD구조에서는 감쇠정도 증가)

장기간 사용으로 인한 차폐동TAPE의 산화가 발생한 케이블에서는
더더욱 감쇠정도 증가됨.

따라서 실제 현장에서 현장Noise가 발생하고 있고, 장기간 사용하고 있는 CV케이블의
부분방전(Partial Dischaarge, PD)검출시에 수십m이상 떨어진 위치에서 PD발생한 것을
PD신호의 케이블따라 전파시의 파형변형 특성을 제외하더라고, PD신호 크기의 감쇠 때문에
고주파PD검출센서 1개로 정상적으로 PD상태를 검출할 수 있을까 ???????

그리고, 향후 검토할 PD신호의 케이블 전파시의 파형변형특성을 추가 고려하면
고주파PD검출센서에 의해 수십m이상 떨어진 위치의 PD검출은 더더욱 ?????

1980년 이전부터 PD측정은 접속부분의 수m이내의 부분만 PD감시하기 위해
감시하고자 하는 부분에 PD센서를 설치하면 가능할 것이라는 사항이
근원적인 PD Signal 검출의 현상인데?

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

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