케이블 부분 방전 감지 기술 공유

상하이 데믹스 파워 테크놀로지 유한회사

케이블 절연 상태에 대한 핵심 이해

전력 시스템에서 전기 에너지 전송의 핵심 매개체인 케이블의 절연 성능은 전력 공급의 안정성과 안전성을 직접적으로 좌우합니다. 장기간 운행 시 케이블 절연은 점차 열화되는데, 주요 원인으로는 열화, 전기적 열화, 수목 현상 등이 있습니다. 또한 외부 충격, 방사선 침식, 화학적 부식 또한 절연 노화를 가속화하여 결국 케이블 고장 및 정전으로 이어질 수 있습니다.

전기장의 영향 하에서, 부분 방전 절연체의 특정 취약 부위(예: 공극, 불순물 또는 계면 손상 부위)에서 전기장 강도가 절연 파괴 강도에 도달하면 부분 방전이 발생할 수 있습니다. 이 방전은 전압이 인가된 두 전극 사이를 관통하지 않으므로 불완전 절연 파괴 상태로 간주됩니다. 그러나 부분 방전은 케이블 절연 열화의 중요한 신호이며, 절연 열화의 원인이자 결과이기도 합니다. 또한 XLPE 및 EPR과 같은 유기 절연 재료의 노화를 가장 빠르게 진행시키는 메커니즘입니다.

간단히 말해, 케이블에 절연 결함이 있으면 부분 방전이 필연적으로 발생합니다. 부분 방전이 지속되면 절연층이 침식되어 절연 성능이 지속적으로 저하되고, 결국 케이블 절연 파괴 및 도체 용융과 같은 심각한 고장으로 이어집니다. 따라서 부분 방전 신호를 적시에 감지하고 케이블 절연 상태를 정확하게 평가하는 것은 전력 운영 및 유지 보수에 있어 매우 중요합니다.

부분 방전 감지의 핵심적인 중요성

케이블 절연 상태 평가의 핵심 방법인 부분 방전 감지는 주로 다음 네 가지 측면에서 유용하며, 케이블 수명 주기 전체에 걸쳐 적용됩니다.

잠재적 케이블 고장의 적시 감지: 부분 방전 신호를 감지함으로써 케이블 절연의 취약점 및 잠재적 결함을 사전에 파악할 수 있어 고장 발생 전에 맞춤형 문제 해결 조치를 취할 수 있습니다. 이를 통해 예기치 않은 정전 발생을 효과적으로 줄이고 전력 시스템의 지속적이고 안정적인 운영을 보장할 수 있습니다.

신규 케이블의 공정 품질 모니터링: 새 케이블을 가동하기 전에, 부분 방전 테스트 케이블 생산 및 시공 과정의 합리성을 검증하고, 시공 중 부적절한 접합 처리 및 절연 손상과 같은 잠재적 문제를 식별하며, 시공 관리에 대한 과학적 기준을 제공하고, 부적합 케이블의 사용을 방지할 수 있습니다.
노후 케이블의 작동 상태 평가: 장기간 사용된 노후 케이블의 경우, 부분 방전 감지를 통해 절연 노화 정도를 정확하게 파악할 수 있습니다. 이는 케이블 자산 관리, 고장 진단 및 교체 결정에 필요한 데이터를 제공하여, 무분별한 교체로 인한 자원 낭비를 방지하고 절연 불량으로 인한 고장 발생을 예방하는 데 도움이 됩니다.
운영 및 유지보수 모델의 전환과 업그레이드를 촉진합니다. 부분 방전 감지를 통해 케이블 상태를 실시간으로 모니터링하고 정확하게 평가할 수 있으므로, 기존의 "계획 유지보수" 모델을 보다 과학적이고 효율적인 "상태 기반 유지보수" 모델로 전환하여 운영 및 유지보수 비용을 절감하고 효율성을 향상시킬 수 있습니다.


일반 케이블의 등가 모델	불량 케이블 등가 모델

III. 케이블 부분 방전 감지를 위한 핵심 기술 및 솔루션

다양한 시나리오와 케이블 유형에 따라 서로 다른 검출 방식이 필요합니다. 그중에서도 케이블 진동파 검출 기술은 고전압 케이블 및 배전망 케이블 분야에서 전체 공정(시험 검증, 고장 분해, 결함 제거, 구조 분석 검증)을 포괄하는 효과적인 폐쇄 루프 시스템을 구축할 수 있는 유일한 케이블 결함 위치 탐지 기술입니다. 온라인 모니터링, 실시간 검사 등의 방법과 결합하여 완벽하고 효율적인 케이블 상태 모니터링 관리 및 유지보수 시스템을 구축할 수 있습니다.

(I) 핵심 테스트 솔루션의 분류

온라인 모니터링(중요 회선에 적합): 케이블 작동 중 부분 방전 신호를 실시간으로 수집하여 24시간 중단 없는 모니터링이 가능하고, 갑작스러운 결함을 적시에 감지할 수 있어 주요 회선 및 중요 부하 회선의 장기 운영 및 유지 보수에 적합합니다.
활선 검사(일반 조사선에 적용): 케이블에 전기가 흐르는 상태에서 선로를 종합적으로 검사하여 부분 방전 위험이 있는 케이블 구간을 신속하게 식별하고, 후속적인 정확한 탐지 및 결함 제거를 위한 지침을 제공하며, 운영 및 유지보수 효율성을 향상시킵니다.

케이블 진동파 오프라인 위치 측정(정밀 위치 측정에 적합): 케이블에 감쇠 진동 전압을 오프라인으로 인가하여 절연 결함 부위에 부분 방전을 발생시켜 정밀한 결함 위치 측정을 가능하게 합니다. 이는 고장 진단 및 결함 검증의 핵심적인 방법입니다.

(II) 고성능 고주파 부분 방전 검출 시스템의 매개변수

QGDW 11304.5-2023 표준 "전력 설비용 활선 시험 장비 기술 사양 제5부: 고주파"에 따르면 부분방전 검출기고성능 고주파 부분 방전 검출 시스템은 검출 정확성과 신뢰성을 보장하기 위해 다음과 같은 핵심 매개변수를 충족해야 합니다.

입력 포트: 1~4채널 감지를 지원하며, 온도, 습도, 순환 등의 보조 매개변수를 수집하도록 확장하여 다차원 데이터 동기 분석이 가능합니다.
테스트 기능: 최소 5초 동안 3상에 걸쳐 최소 2000개의 펄스를 연속적으로 획득할 수 있습니다. 펄스 반복 트리거 데드 타임이 2μs 이하이므로 중요한 방전 신호를 놓치지 않습니다. 다양한 테스트 시나리오에 맞춰 단일 사이클 연속 획득 모드와 펄스 트리거 모드를 모두 지원합니다. 주파수 영역 필터링 및 웨이블릿 필터링과 같은 다양한 노이즈 감소 기능을 통합하여 간섭 신호를 효과적으로 제거하고 검출 정확도를 향상시킵니다. 3상 동기 부분 방전 획득을 지원하여 3상 케이블의 절연 상태를 종합적으로 파악합니다. BeiDou 트리거링 및 부분 방전 시간 영역 펄스 특성 트리거링 기능을 통해 트리거링 정확도와 응답 속도를 더욱 향상시킵니다.

(III) 케이블 부분 방전 문제의 오프라인 정밀 위치 파악을 위한 핵심 기술

상대적으로 발전된 지역에서는 케이블의 안전성 평가 및 정기 유지보수에 일반적으로 공진 내전압, 진동파 부분 방전, 정현파 초저주파 유전 손실의 세 가지 방법을 상호보완적으로 활용합니다. 이 세 가지 방법은 서로 대체할 수 없으며, 단일 방법으로는 모든 상황을 포괄할 수 없습니다. 오프라인 테스트와 온라인 모니터링을 결합하면 현장 문제에 대한 종합적인 해결책을 마련할 수 있습니다.

케이블 진동파 오프라인 위치 측정의 핵심 원리는 다음과 같습니다. 케이블에 직류 전원을 공급하여 인덕터를 통해 충전한 후, 고속 스위칭을 통해 직류를 교류로 변환하여 검사 대상 케이블에 감쇠 진동 전압을 발생시킵니다. 이 감쇠 진동 전압은 케이블 절연 결함 부위에서 부분 방전을 유발하고, 검출 시스템은 펄스 전류 방식을 이용하여 이 부분 방전 신호를 포착함으로써 정확한 결함 위치를 파악합니다.

(iv) 세 가지 주요 오프라인 검출 방법 비교

탐지 방법	핵심 기능
진동파	장점: 소형 및 경량, 비파괴 검사 방식, 대부분의 고전압 및 배전망 케이블과의 호환성, 편리한 현장 작업. 단점: 절연 파괴 전압과의 등가성은 추가 검증이 필요하며, 일부 극한 결함 상황에서는 검출 정확도를 높이기 위해 다른 검사 방법과 병행해야 함.
AC 공진	장점: 전통적이고 고전적인 시험 방법을 사용하며, 시험 결과가 케이블 공장 시험 결과와 유사하고, 전체 절연 내력 시험의 정확도가 높습니다. 단점: 장비의 전력 소모가 크고 크기와 무게가 무거워 운송 및 현장 설치가 어렵고, 시험 시간이 길며 유지 보수 비용이 높습니다.
DC 내전압	단점: 장시간 고전압 직류를 인가하면 케이블 내부에 전하가 축적되어 XLPE와 같은 유기 절연 케이블에 돌이킬 수 없는 추가 손상을 초래합니다. 이 방법은 대부분의 지역에서 명시적으로 금지되어 있습니다.

(v) DC 발진기 파형(DAC) – DC 위험 평가

직류 진동파(DAC) 시험의 안전성과 관련하여, 본 연구는 물리적 메커니즘, 임계 조건, 공학적 대책, 표준 승인이라는 네 가지 측면에서 DAC 시험의 효과를 입증합니다. 이를 통해 DAC 시험이 케이블에 손상을 주지 않으며 현장 시험에 안전하다는 점을 명확히 합니다.

논증 수준	핵심 콘텐츠
물리적 메커니즘 수준	XLPE 절연재는 매우 긴 이완 시간 상수(약 2035초)를 가지는 반면, DAC 테스트는 수십 초밖에 걸리지 않습니다. 테스트 동안 케이블은 항상 정전 용량 분포가 지배적인 영역에 있으며, 전기장 스트레스는 교류 특성을 가지므로 직류 정상 상태 스트레스 발생 조건을 충족하지 못하여 절연재 손상을 유발하지 않습니다.
임계 조건 수준	케이블 내부에 상당한 양의 공간 전하가 축적되려면 "전기장 강도 > 10~12kV/mm"와 "수분 동안 일정한 전압 유지"라는 두 가지 핵심 조건이 동시에 충족되어야 합니다. 그러나 DAC 테스트는 이 두 조건을 동시에 충족할 수 없으므로 대량의 공간 전하 축적을 발생시키지 못합니다.
공학적 대응책	100초 여기 제한 및 양극 충전 절차는 고전압, 고용량 케이블의 DAC 테스트를 위한 명확하고 안전한 기술 경로를 제공하여 테스트 중 전기장 스트레스를 효과적으로 제어하고 절연 손상을 방지합니다.
표준 인정 수준	IEEE 400.4-2015 표준은 DAC(감쇠 교류)를 케이블 현장 테스트를 위한 성숙한 방법으로 확립하고, 그 안전성과 효과를 명확히 하며, 현장 테스트를 위한 표준 기반을 제공합니다.

(vi) 부분 방전 신호의 전파 특성

케이블의 특정 지점에서 부분 방전이 발생하면, 방전 지점 전후의 케이블 임피던스는 동일하다고 볼 수 있습니다. 이때, 부분 방전 펄스 신호 에너지의 절반은 테스트 단자로 전달되고, 나머지 절반은 케이블의 반대쪽 끝으로 전달됩니다. 신호가 케이블 반대쪽 끝의 개방 회로 지점에 도달하면 전반사가 발생하고, 반사된 신호는 케이블 전체를 통해 다시 테스트 단자로 전달됩니다.

검출 정확도를 향상시키기 위해 일반적으로 알려진 전하량을 가진 부분 방전(PD) 아날로그 신호를 측정 대상 케이블의 측정단에 주입합니다. 아날로그 신호의 전파 특성을 분석하여 케이블을 따라 전파되는 PD 펄스의 파속, 감쇠 계수 및 분해능 계수를 계산합니다. PD 신호는 전파 과정에서 "진폭은 감소하고 펄스 폭은 증가하는" 특성을 나타내는데, 이는 검출 정확도에 상당한 영향을 미치는 요소이므로 특수 장비와 알고리즘을 사용하여 보정 및 수정해야 합니다.

케이블의 특정 지점에서 방전이 전파되는 과정을 나타낸 개략도

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1: 케이블 진동파 결함 위치 파악과 고장 위치 파악의 차이점은 무엇입니까?

A: 케이블 진동파 결함 위치 탐지는 예방적 검사입니다. 검사 전 케이블은 특정 절연 특성을 갖추어야 합니다. 핵심 목적은 아직 절연 파괴가 발생하지 않은 절연 결함을 식별하여 "조기 발견 및 조기 제거"를 달성하는 것입니다. 반면 케이블 고장 위치 탐지는 이미 고장이 발생한 케이블에 대한 검사입니다. 주로 케이블 절연 파괴 및 도체 용융(접지 고장, 단락 고장, 개방 회로 고장, 섬락 고장 및 복합 고장 포함)과 같이 정전을 유발하는 고장을 다룹니다. 핵심 목적은 고장 지점을 신속하게 찾아 전력 공급을 복구하는 것입니다. 관련 차이점에 대해서는 DL/T 1576 표준 6.2절을 참조하십시오.

Q2: 진동하는 파동의 진동 주파수는 얼마입니까?

A: 케이블 진동파는 공진 내전압 및 초저주파 장치와 유사하며, 부분 방전 검출을 위한 여기 전압 소스로만 사용됩니다. 20Hz~850Hz의 넓은 등가 주파수 범위 내에서 부분 방전 신호를 수집하고 결함을 찾아낼 수 있습니다.

Q3: 진동파 감지 장치는 얼마나 긴 케이블까지 감지할 수 있습니까?

A: 케이블 진동파 검출 장치의 최대 측정 가능 용량은 6μF입니다. 단면적이 300mm²인 8.7/10kV 케이블을 예로 들면, 이론상 측정 가능 거리는 16km에 달합니다. 그러나 TDR(시간 영역 반사 측정법) 원리의 한계로 인해 케이블 용량이 너무 작을 경우(0.05μF 이상) 파형 중첩이 발생하여 검출 정확도가 저하될 수 있습니다. 이 경우 보조 검출을 위해 병렬 보상 장치가 필요합니다.

Q4: 케이블의 감쇠율과 최소 측정 가능 길이는 얼마입니까?

A: 케이블의 신호 감쇠는 길이, 수명 및 절연 상태와 밀접한 관련이 있습니다. 일반적으로 케이블 길이가 길수록, 그리고 사용 기간이 길수록 신호 감쇠가 커집니다. 케이블의 측정 가능한 최단 거리는 주로 테스트 장비의 대역폭 선택에 따라 달라집니다. 선택 가능한 주파수 대역이 넓고 시간 영역 해상도가 높을수록 측정 가능한 케이블 길이 범위가 넓어집니다. 예를 들어, 35미터 길이의 단거리 케이블을 테스트할 때 고대역폭 장비를 사용하면 선명한 측정 파형을 얻을 수 있어 정확한 테스트가 가능합니다.

부분 방전 감지 사양 및 표준

(a) 인수인계 테스트 중 부분 방전 감지 요구사항

케이블 인계 시험에서 주 절연체의 부분 방전 검출은 진동파, 초저주파 정현파, 초저주파 코사인 사각파의 세 가지 전압 여기 방법을 사용하여 수행할 수 있습니다. 검출 방법은 IEEE Std 400.2 및 IEEE Std 400.4의 관련 표준을 준수해야 합니다. 구체적인 시험 요구사항은 아래 표에 나와 있습니다.

V전압 형태	최대 테스트 전압 - 새 케이블	최대 테스트 전압 – 새 케이블 아님	최대 시험 전압 여기 주기/지속 시간	시험 요구사항 – 신규 설치 케이블 구간	시험 요구사항 – 신규 설치되지 않은 케이블 구간
진동파 전압	2.0U₀	1.7U₀	최소 5회	초기 부분 방전 전압은 1.2U₀ 이상이어야 하고, 본체의 부분 방전 감지 값은 100pC 이하이어야 하며, 커넥터의 부분 방전 감지 값은 200pC 이하이어야 하고, 단자의 부분 방전 감지 값은 2000pC 이하이어야 합니다.	본체의 부분 방전 감지 값은 100pC 이하이고, 커넥터의 부분 방전 감지 값은 300pC 이하이며, 단자의 부분 방전 감지 값은 3000pC 이하입니다.
초저주파 정현파 전압	3.0U₀	2.5U₀	최소 15분	초기 부분 방전 전압은 1.2U₀ 이상이어야 하고, 본체의 부분 방전 감지 값은 100pC 이하이어야 하며, 커넥터의 부분 방전 감지 값은 200pC 이하이어야 하고, 단자의 부분 방전 감지 값은 2000pC 이하이어야 합니다.	본체의 부분 방전 감지 값은 100pC 이하이고, 커넥터의 부분 방전 감지 값은 300pC 이하이며, 단자의 부분 방전 감지 값은 3000pC 이하입니다.
초저주파 코사인 사각파 전압	2.5U₀	2.0U₀	최소 15분	초기 부분 방전 전압은 1.2U₀ 이상이어야 하고, 본체의 부분 방전 감지 값은 100pC 이하이어야 하며, 커넥터의 부분 방전 감지 값은 200pC 이하이어야 하고, 단자의 부분 방전 감지 값은 2000pC 이하이어야 합니다.	본체의 부분 방전 감지 값은 100pC 이하이고, 커넥터의 부분 방전 감지 값은 300pC 이하이며, 단자의 부분 방전 감지 값은 3000pC 이하입니다.

(II) IEEE Std 400.4-2015 표준의 핵심 요구사항

IEEE Std 400.4-2015, "정격 전압 5kV 이상 차폐 전력 케이블 시스템의 감쇠 교류(DAC) 전압에 대한 현장 시험 지침"은 케이블 진동파 시험의 핵심 참조 표준입니다. 이 표준의 주요 적용 범위는 다음과 같습니다.

정격 전압 5kV 이상의 차폐 전력 케이블 시스템에 적용 가능하며, XLPE 및 EPR과 같은 주요 절연 유형을 지원하고, 전력 송배전과 같은 다양한 전력 시나리오에 적용할 수 있습니다.
시험 시나리오: 주로 설치된 케이블의 오프라인 현장 시험에 사용되며, 다음과 같은 내용을 포함합니다. ① 신규 케이블 인수인계 시험(시운전 전)을 통해 케이블 품질 및 시공 과정을 검증합니다. ② 운영 중인 케이블의 주기적인 상태 평가를 통해 절연 노화 정도를 파악합니다. ③ 고장 수리 후 케이블 절연 상태를 검증하여 고장이 완전히 제거되었는지 확인합니다.
핵심 기술: 감쇠 교류(DAC/진동파) 전압 조건에서의 내전압 시험 및 부분방전(PD) 진단 방법을 표준화했습니다. 이 기술의 핵심 장점은 기존 직류 내전압 시험에서 발생하던 XLPE 케이블의 비가역적 손상 문제를 해결하고, 비파괴 검사와 정확한 진단을 결합했다는 점입니다.

(III) 케이블 부분 방전 시험 및 유지보수에 대한 요구사항

부분 방전이 발생하는 케이블 회선의 경우, 케이블의 수명과 각 구성 요소의 부분 방전 진폭을 고려하여 맞춤형 유지보수 조치를 취해야 합니다. 구체적인 요구사항은 다음과 같습니다.

신규 설치 케이블 회선 및 가동 후 1년 미만인 케이블 회선의 경우 최대 시험 전압은 2U₀입니다. 접합부의 부분 방전이 300pC를 초과하거나 케이블 본체의 부분 방전이 100pC를 초과하는 경우 케이블을 즉시 교체해야 합니다. 단자의 부분 방전이 3000pC를 초과하는 경우 단자 부품을 즉시 교체해야 합니다.
가동 기간이 1년 이상인 케이블 라인의 경우 최대 시험 전압은 1.7U₀입니다. 접합부의 부분 방전이 500pC를 초과하거나 케이블 본체의 부분 방전이 100pC를 초과하는 경우 관련 부품을 즉시 교체해야 합니다. 단자의 부분 방전이 5000pC를 초과하는 경우 단자를 즉시 교체해야 합니다.

(iv) 다양한 시험 유형의 핵심 목표

테스트 유형	목적	평가 초점
DAC 내전압 테스트	케이블 절연체의 전반적인 내압 성능을 검증하고 치명적인 절연 결함을 식별합니다.	시험 중 절연 파괴나 섬락과 같은 파괴적인 결함은 발생하지 않았습니다.
부분 방전(PD) 감지	절연체 내부의 잠재적 결함(예: 공극, 불순물, 계면 손상 등)을 식별합니다.	부분 방전 개시 전압, 부분 방전 진폭 및 방전 위치를 정확하게 파악합니다.
시험 결과 평가	이는 케이블을 가동해야 하는지, 그리고 계속 가동해야 하는지를 판단하는 과학적 근거를 제공합니다.	결함 심각도 분류 및 고장 위험 예측

현장 적용 사례 공유

다음은 다양한 시나리오에서 케이블의 부분 방전 감지에 대한 몇 가지 현장 사례 연구로, 실제 운영 및 유지 보수에서 부분 방전 감지 기술의 적용 가치를 충분히 보여줍니다. 이 기술은 다양한 절연 결함을 정확하게 식별하고 고장이 확대되는 것을 방지할 수 있습니다.

베이징시 다싱구, 총 케이블 길이 1165미터, 연결 구간 395미터 헤드 부분에서 뚜렷한 원통형 집중 방전이 관찰되며, 공진 내전압 및 유전 손실도 함께 나타납니다. 검사에서는 이상이 발견되지 않았지만, 분해 결과 시공이 규정에 따라 이루어지지 않은 것으로 드러났습니다. 반도체 소재가 잘못 사용되었습니다.	구오넝 그룹 마탕 풍력 발전소: 10개의 잠재적 위험 요소가 감지되었으며, 주요 전력선이 직접적으로 절단되었습니다.

허베이성의 한 풍력 발전소에서는 케이블 도체는 알루미늄 합금으로, 압착관은 구리로 만들어졌는데, 과열로 인해 절연체가 열화되었고, 접합부에서는 일반적으로 과도한 방전이 발생했다.	저장성 해안가에 위치한 한 태양광 발전소에서 여러 곳의 집전선로에 고장이 발생했습니다. 잠재적인 결함 부위에 대한 정기적인 진단이 실시되었습니다.

보펑 태양광 풍력 발전소	광둥 링난 케이블 공장

VII. 기술 개요 및 핵심 가치

부분 방전 시험은 IEEE, IEC 및 국내 전력 산업 표준(예: GB/T 12706, DL/T 1253)에서 명시적으로 요구하는 케이블 시험 항목입니다. 시험 보고서는 프로젝트 승인 및 적합성 심사에 필수적인 문서이며, 케이블의 전체 수명 주기 동안 운영 및 유지 보수의 핵심 기반이 됩니다.

본질적으로 케이블 부분 방전 감지는 조기 경보와 정확한 진단을 결합한 비파괴 검사 기술입니다. 그 핵심 가치는 세 가지 측면에 있습니다. 첫째, 케이블 절연 결함을 사전에 식별하고 위치를 파악함으로써 케이블 유지보수를 수동적인 비상 수리에서 능동적인 예방으로 전환하여 예기치 않은 정전을 줄입니다. 둘째, 케이블 절연 상태를 정확하게 평가하여 자산 관리 및 부품 교체에 필요한 데이터를 제공함으로써 유지보수 비용을 절감합니다. 셋째, 과학적인 검사 및 유지보수를 통해 케이블의 수명을 연장하고 전력 공급 시스템의 신뢰성을 향상시켜 전력 산업의 안전하고 안정적인 발전을 보장합니다.