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MV Power Cable의 부분방전진단(PD Monitoring)관련 검토자료

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2012년 이후 한국내의 전력케이블의 부분방전 측정시 감쇠 관련 참고자료

2015년 11 21                                                                            검토자: 김보경

1. 출전: 지중XLPE전력케이블의 고주파신호 전송특성측정,
       2013년 전기학회
, 한국전기연구원(이상화,선종호), 포항공과대학(신동식, 박위상)

지중XLPE전력케이블의 고주파신호 전송특성측정_2013년 전기학회 한국전기연구원 포항공과대학


 

검토자 개인의견:

1) 출전의 게재된 일부 참고내용:  ( 출전: 지중XLPE전력케이블의 고주파신호 전송특성측정, 2013년 전기학회, 한국전기연구원(이상화,선종호),포항공과대학(신동식, 박위상)

IEC60270 규정에 따르면, 전력케이블 부분방전 측정의 주파수는 광대역 측정일 경우 30 kHz ∼ 500 kHz 이고 협대역 측정일 경우는 50 kHz ∼ 1MHz 로 실 선로 측정 주파수보다 비교적 낮은 대역에서 이루어진다.

그러나 실 선로에서 적용 시 케이블의 길이가 길어 용량성이 크기 때문에 감도가 낮고, 옥외나 전원을 통해서 잡음이 측정 시스템에 심하게 유입되어 부분방전측정이 매우 곤란하다.

따라서 현재는 잡음이 심한 주파수 대역을 피하여 점차 고주파 대역에서 고감도로 부분방전 신호를 측정하고자 하는 추세에 있으며 최근에는 수백 MHz의 초고주파 대역을 이용한 측정시스템이 일부 개발적용되고 있다[8].

그러나 부분방전 측정 시스템의 동작 주파수가 올라가면, high frequency current transformer (HFCT)로 대표되는 케이블 진단용 부분방전 센서의 경우 감도는 낮아지고 가은 상승게 되, 케이블 접속부에서 부분방전 신호의 감쇠가 지고 예측이 어려워져 적용에 곤란을 겪고 있다.

또한 고주파로 갈수록 반도전체와 케이블 도체의 표피효과로 인하여 케이블의 리액턴스와 저항 성분이 변하게 된다. 이와 같은 변화는 케이블 해석에 어려움이 있다.

2)   검토자의 개인 검토의견 (2015 1121) :

앞에서 외국 및 한국자료에서 검토하였던 자료들의 내용과 같이,

현장 실선로에서 부분방전 발생위치가 부분방전
(PD)측정 센서로부터 먼 위치에 있을 때는 부분방전 발생위치로부터 부분방전 신호가 케이블을 따라 전파하면서 크기가 감쇠하여
부분방전 검출센서에서 검출되는 신호감도가 낮아지고 현장에서는 잡음이 부분방전측정시스템에 심하게 유입되어 부분방전 측정이 매우 곤란하다는 사항과
,

현장 외부 잡음이 심한 주파수 대역을 피하기 위해 검출 주파수 대역을 높이려는 시도가 있지만,
주파수 대역이 높아지면
PD측정센서에 검출되는 크기감도는 낮아지고, PD센서의 Cost가 증가되고 또한 고주파로 갈수록 케이블의 반도전층과 도체의 특성이 변화하여 부분방전 해석이 어렵다고 기술하고 있다.

또한, 한국내에서도 2012년이후 케이블에 있어 부분방전 측정시에 부분방전 발생위치로부터 부분방전 센서가 멀리 떨어져 있을 때에 크기 감쇠와 노이즈 때문에 부분방전이

어렵다는 사항과 노이즈 문제를 해결하기 위해 측정주파수를 높일수록 검출감도 낮아지고 센서
cost는 상승하고 또한 감쇠도 커진다는 사항이 기술되어 있는 자료들이 많이 발표하고 있음이 확인되고 있다.


2. 출전: XLPE케이블 접속재 모델의 부분방전 펄스파형 분석,
          2014년
12월 대진대, 이한우 석사논문

XLPE케이블접속재모델의 부분방전 펄스파형분석_2014년 대진대 이한우석사논문

 

XLPE케이블접속재모델의 부분방전 펄스파형분석_2014년 대진대 이한우석사논문

검토자 개인의견:


1)   출전의 게재된 일부 참고내용: 

(출전: XLPE케이블 접속재 모델의 부분방전 펄스파형 분석,2014 12월 대진대, 이한우 석사논문)

전력케이블에 있어 현장에서 부분방전 진단을 시행하는 경우 가장 큰 문제점은 센서의 설치 및 외부Noise의 유입정도이다.

결함에서 발생하는 부분방전 신호는 케이블의 복합적인 매질을 통해 전파된다. 부분방전 신호는 케이블의 결함에 따라 차이는 있지만 대체적으로 발생시 수ns정도의 매우 짧은 형태를 지닌다. 하지만 현장에서 측정된 부분방전 펄스는 수us정도의 비교적 긴 파형이 측정된다. 이것은 부분방전 신호가 케이블의 매질을 통해 전파되어 센서로 측정되는 과정에서 전파 경로의 임피던스에 의해 부분방전 신호의 형태가 변화하기 때문이다.

부분방전 신호 전파에 있어서 전파경로의 임피던스가 변화할 경우 신호의 반사 및 투과파가 발생한다.

 


이렇게 발생된 반사 및 투과파는 부분방전 펄스에 중첩되어 나타나게 되고
측정 위치가 발생위치로부터 멀어 질수록 그 정도는 커진다. 다시 말해서 측정되는 펄스의 모양은 결함에서 발생한 부분방전 펄스와 전파경로의 임피던스 차이에 의한 반사 및 투과파의 합성으로 나타난다.

결함에서 발생한 부분방전 펄스의 경우 전파 경로의 임피던스에 의한 투과 및 반사파 보다 먼저 센서에 도착하기 때문에 부분방전 펄스의 첫번째 피크를 구성하는 요인으로 작용한다.

감쇠특성

부분방전은 광대역 주파수 특성을 가진 현상이다. 그러므로 센서와 방전이 발생하는 위치가 가까울 경우 GHz영역에 이르는 광대역의 부분방전 신호를 검출할 수 있다. 하지만, 현장에서 측정을 할 수 있는 위치는 제한적이기 때문에 부분방전 신호가 발생되면 케이블을 통해 센서까지 전파하게 된다일반적으로 전력케이블에서 전파하는 신호의 고주파수 성분은 저주파수 성분보다 많이 감쇠하게 된다. 그러므로 케이블 종단에 센서를 설치할 경우 측정 가능한 대역폭은 한계가 있다. 그림2.2.2에 나타낸 감쇠와 식(2.6)을 이용하여 계산하면, 그림2,2,3과 같은 거리에 따른 주파수별 부분방전 신호의 크기를 구할 수 있다. 20MHz이상의 신호는 100m만 전파해도 50%이하로 크기가 감쇠하며, MHz이내의 신호는 1km가 넘어도 측정 가능하다는 점을 알 수 있다.

한편 케이블 거리에 따른 부분방전 신호감쇠에 대해 현장에서 실측한 데이터는 그다지 많지 않으며, 측정방식에 따라 큰 차이를 보이면 케이블에 따라서도 차이를 나타낸다. 대체로 송전급XLPE케이블이 배전급 케이블보다 약간 덜 감쇠되는 경향이 있는데, 이는 케이블의 굵기가 더 굵어져 케이블의 임피던스가 달라지기 때문이다.

거리에 따른 부분방전 신호감쇠를 고려하면 보다 낮은 주파수에서 측정하는 것이 측정감도 측면에서 유리한 것으로 보인다. 하지만 Noise는 저주파 대역에서 더 크게 작용하므로 현장에서 저주파 대역의 측정은 어렵다. 이에 따라 측정주파수 대역의 선정은 신중히 고려하여야 하며, 대체로 최소한 1MHz이상 대역에서의 측정이 바람직하다.

또한 XLPE케이블 시스템의 결함에서 발생 부분방전은 대체로 기체 또는 액체절연체의 경우보다 매우 작은 방전량을 나타내므로, 발생된 부분방전 신호가 먼 거리를 전파할 경우 매우 작은 신호로 되어 노이즈에 묻혀 측정이 어려운 경우가 대부분이다. 따라서 XLPE 케이블의 경우라면 종단 1곳에서 측정할 것이 아니라 측정이 용이한 위치인 각각 종단 및 접속함에서 측정하는 것이 유리하다고 할 수 있다.

2)   검토자의 개인 검토의견 (2015 1121) :

이 출전의 논문의 주요 내용을 살펴보면,

   전력케이블에 있어 현장에서 부분방전 진단을 시행하는 경우 가장 큰 문제점은
 
센서의 설치 및 외부Noise의 유입정도이고,

부분방전 신호가 케이블의 매질을 통해 전파되어 센서로 측정되는 과정에서 전파 경로의
              임피던스에 의해 부분방전 신호의 형태가 변화하며, 부분방전 신호 전파에 있어서 전파경로의

               임피던스가 변화할 경우 신호의 반사 및 투과파가 발생한다.

이렇게 발생된 반사 및 투과파는 부분방전 펄스에 중첩되어 나타나게 되고 측정 위치가 발생위치로부터 멀어 질수록 그 정도는 커지므로, 결함에서 발생한 부분방전 펄스의 경우 전파 경로의 임피던스에 의한 투과 및 반사파 보다 먼저 센서에 도착하기 때문에 부분방전 펄스의 첫번째 피크를 검출하여야 한다고 기술하고 있다.

  그리고, 감쇠특성에서는 일반적으로 전력케이블에서 전파하는 신호의 고주파수 성분은 저주파수 성분보다 많이 감쇠하게 된다. 그러므로 케이블 종단에 센서를 설치할 경우 측정 가능한 대역폭은 한계가 있고, 20MHz이상의 신호는 100m만 전파해도 50%이하로 크기가 감쇠한다고 기술하고 있다.

거리에 따른 부분방전 신호감쇠를 고려하면 보다 낮은 주파수에서 측정하는 것이 측정감도
              측면에서 유리한 것으로 보인다. 하지만 Noise는 저주파 대역에서 더 크게 작용하므로

              현장에서 저주파 대역의 측정은 어렵다.

               이에 따라 측정주파수 대역의 선정은 신중히 고려하여야 하며, 대체로 최소한 1MHz이상

              대역에서의 측정이 바람직하다고 기술하고 있다.

또한 XLPE케이블 시스템의 결함에서 발생 부분방전은 대체로 기체 또는 액체절연체의
             경우보다 매우 작은 방전량을 나타내므로
,
발생된 부분방전 신호가 먼 거리를 전파할
              경우 매우 작은 신호로 되어 노이즈에 묻혀 측정이 어려운 경우가 대부분이다.

 따라서 XLPE 케이블의 경우라면 종단 1곳에서 측정할 것이 아니라
            측정이 용이한 위치인 각각 종단 및 접속함에서 측정하는 것이 유리하다.


앞에서 외국 및 한국자료에서 검토하였던 자료들과 이 출전의 논문을 함께 검토하면
,

추후에 검토할 내용이지만 전력케이블에서 부분방전이 발생하면 PD신호가 케이블을 따라
 전파이동하면서 접속개소나 단말에서 신호의 반사 및 투과파가 발생하고 중첩되어

PD신호가
PD센서에 검출되기 때문에 해석이 곤란하다는 문제점이 있어,
부분방전 펄스의
첫번째 피크를 검출하면 정확한 부분방전 현상을 분석할
수 있다고 기술하고 있고

앞에서 이미 검토한 자료와 같이
PD검출주파수가 높을수록 PD신호의 감쇠정도가 커지고

 20MHz이상의 PD검출주파수에서 PD신호를 검출하는 경우에 부분방전 발생위치에서

 PD센서까지 100m정도 떨어져 있을 경우, PD발생위치에서 PD신호가 케이블을 따라

 이동전파하면서 PD신호의 크기가 감시하여 PD센서에서는 PD발생크기의 약 50%정도만

 PD신호 크기를 검출할 수 있다고 기술하고 있다.

그리고, 부분방전 신호가 케이블을 따라 PD측정센서까지 먼 거리를 전파할 경우
매우 작은 신호로 되어 노이즈에 묻혀 측정이 어려운 경우가 대부분이기 때문에

전력케이블에서는 종단
1곳에서 PD측정하는 것보다는 부분방전 측정이 용이한

각각 단말의 종단부 및 직선 접속함에서 측정하는 것이 바람직하다고 기술하
고 있다.

따라서, 전력케이블에서의 PD측정은 PD신호의 전파감쇠특성, 반사특성, 노이즈 문제 등을 종합고려하면,
PD
측정센서를 1곳의 장소에서 PD검출하는 것보다는 PD가 발생하기 쉬운 단말,접속부등에서 가까운 장소에 PD측정센서를 설치하여 PD상태를 진단하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. (이 사항은 앞에서 외국 및 한국자료에서 검토자료의 내용과 거의 같은 내용)
 

 

본 자료들은 허락없이 인쇄물/site에 공개해서는  안됩니다만,
본 사이트 또는 검토자를 명확하게 기재하는 경우에는 공개 가능합니다.
. 2015 1121


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