지중 송전선은 현재 500㎸까지 실용화돼 도시부의 계통 구성상에서 중요한 위치를 자치하면서 그 설비량이 증대하고 있다. 한편, 고도 성장기에 대량으로 설치한 지중 송전 설비는 운전을 시작한 지 수십 년이 지남에 따라 앞으로는 점검과 진단, 수리 등과 같은 보수 기술이 불가결하다. 요컨대, 점검과 진단 등 보수를 통해 사고를 미연에 방지하고, 또 사고 시에는 조기 대응하는 일이 앞으로 점점 더 중요해질 것이다. 여기서는 지중 송전 설비 중에서 ▲케이블 보수 기술 ▲케이블의 사고점 측정 기술 ▲관로·동도洞道보수 기술 중 일부를 소개한다.
케이블의 순찰·점검은 주로 외관을 점검한다. 케이블부에서는 오프셋Offset 상태, 굽힘 반지름(Bend Radius) 등을, 접속부에서는 손으로 처리한 방식부, 접속함 이동, 접지·크로스 본드 상태 등을 점검한다. 이 외에 OF 케이블에서는 연공 부분의 오일 누출 유무, 급유조의 유량·유압 감시 등을 점검한다.
이상·열화 진단 기술
CV 케이블의 장기 열화는 수트리가 중요 열화 요인이다. 이 열화 상태를 파악하는 각종 진단 방법을 검토하고, 케이블 철거 조사를 통해 잔존 성능을 확인한다. 최근에는 케이블에 차수층을 채용하고 있다. CV 케이블접속부에서도 경년30년을넘긴설비가 나오고 있다. 케이블 프리몰드 절연체의 석출물이나 실리콘 탈유 등으로 보이는 경년 열화 상황을 트러블 데이터분석등을통해파악하는일이 중요하다.
CV 케이블의 열화 진단 기술｜CV 케이블에서는 수트리 열화 진단을 비파괴로 검출하는 손실 전류법, 잔류 전하법을 검토·측정한 사례가 있다.
● 손실 전류법: 케이블 절연체에 흐르는 충전 전류 중 손실 전류 제3고조파 성분을 열화 신호로 이용하는 진단 방법으로, 제3고조파 성분의 진폭과 위상에 따라 열화를 판정한다. 또한, 사용 기기를 4톤 트럭에 적재해 측정한다.
● 잔류 전하법: 소정의 직류 전압을 과전해 접지한 후, 교류 전압을 과전해 방출되는 전하를 측정·평가함으로써 열화 상황을 진단하는 방법으로, 잔류 전하가 검출된 교류 과전 전압에 따라 열화 정도를 평가한다. 한편, CV 케이블 접속부의 진단 기술로 비파괴 진단법인 부분 방전 측정을 들 수 있다. 부분 방전 측정은 현지 시공 결함을 검출하는 데 주안을 두며, 초고압 선로에서 측정한 사례가 있다. 그 밖에 파괴 진단법으로 내전압법이 있다. 이상 CV 케이블의 주요 진단 방법을 <표 1>에 정리했다.
OF 케이블의 이상 진단 기술｜OF 케이블의 이상 현상으로는 진동·열 신축으로 말미암은 코어 밀림과 방전에 따른 가스 발생 등이 있다.
● 유중가스분석: 순찰로는 발견할 수 없는 케이블 내부 이상을 진단하는 방법으로, 접속함 등에서 채취한 절연유를 분석하는 방법이 효과적이다. 이상 징후가 있다고 판단한 설비를 꾸준히 관리한다.
● 코어 밀림 측정: OF 케이블의 알루미늄피는 그 구조상 케이블 코어와의 사이에 틈이 약간 있다. 경사지 등에 부설한 경우, 양자 간 상대 이동이 발생해 접속함 내 세미스톱부에서 절연지가 어긋나거나 손상이 생기든지, 차폐층 혼란에 따른 접지부 방전 발생으로 절연 파괴를 일으키는 코어 밀림 현상이 생긴다. 이에 대한 대책으로 접속함 내부를 X선 촬영해 코어 밀림 정도를 측정한다. 다만 X선 촬영은 정전을 해야 하기에, 활선 채유로 오일을 채취·분석하는 것으로 대체한 사례가 있다.
● 유량·유압 감시: OF 케이블의 외상이나 금속피로로 금속 시스에 아주 작은 균열 등이 생기는데, 여기서 발생하는 오일 누출 이상을 조기에 발견하기 위한 수단으로 급유조의 유량·유압 저하 감시가 효과적이다. 센서, 통신 수단을 범용품으로 쓰면 낮은 비용으로 시스템을 구축할 수 있어 최근에는 급유조에 센서를 설치해 그 정보를 보수 사업소에서도 받아 감시하는 시스템을 채용한 사례가 있다. OF 케이블의 주요 진단 방법을 <표 2>에 정리했다.
케이블 보수 과제
CV 케이블 보수 과제｜앞서 설명한 것처럼 열화 경향을 파악할 수 있는 방법을 검토하고 있으나, 부분 방전 측정 외에는 선로를 정지한 상태에서 행하는 측정으로 한정된다. 또한, 측정 정밀도나 열화 위치 특정이 어려운 과제가 있어, 앞으로는 지금보다 더 측정 정밀도를 높이고 열화 위치를 특정할 수 있는 비파괴 진단 기술의 개발이 필요하다.
OF 케이블 보수 과제｜현재로서는 절연유 분석이 이상 진단 기술의 주를 이룬다. 절연유의 유중 가스 분석의 판정 기준 정밀도를 더욱 높이고, 또한 이를 위한 데이터 축적이 필요하다. 한편, 신설하는 케이블은 CV 케이블이 주체가 되
면서 OF 케이블 공사가 줄고 있다. 이에 따라 접속 기술의 유지와 계승이 점점 어려워질 것으로 보이며, 그에 대한 대응도 향후 과제다.
케이블의 사고점 측정 기술 사고점 측정 기술｜지중 송전선은 거의 모든 부분을 지중에 매설하기에 육안으로 점검할 수 있는 범위가 극히 한정돼 있다. 따라서 한 번 사고가 발생하면 고장 개소를 발견하기 어려워 고장 개소를 종단 부분부터 특정한다. 한편, 지중 송전 선로 사고는 다양한 사고 양상을 보이기에 이에 맞는 측정 방법을 선택해야 한다(<그림 1> 참조).
다양한 사고점 측정 방법｜측정 방법은 사고 종별(지락·단선), 지락 저항 값 등을 고려해 가장 적합한 것으로 선정해야 한다. 주요 측정 방법을 소개한다.
● 머리 루프법(Murray Loop Method, 10㏁ 이하의 낮은 지락 사고): 원리는 휘트스톤 브리지 Wheatstone Bridge의 평형을 이용한 것으로, 루프회로를 구성한 사고상과 건전상에 비례변 저항을 접속하고 직류 전압을 인가하면서 비례변 저항을 조절해 구한 브리지의 평형 조건에서 선로 전체 길이의 도체 저항과 사고점까지의 도체 저항의 비율을 구해 산출한다(<그림 2> 참조). 지중 케이블 고장의 대부분이 1선 지락이어서 사고점 측정에 이 머리 루프법을 가장 많이 사용하며, 오차가 1% 이하로 측정 정확도도 높다.
● 펄스 레이더법(Pulse Radar Method, 단선 사고·높은 지락 사고): 원리는 사고상에 반복적으로 펄스 전압을 인가해 사고점에서 반사해 오는 펄스 전압을 오실로스코프로 관측해 왕복 전파傳播시간으로부터 사고점까지 거리를 산출하는 것이다. 이 방법은 건전상이 없어도 측정이 가능하다는 특징이 있으나, 펄스 파형이 전파 중에 일그러져 왕복 시간 판독에 숙련을 요하며, 측정 오차가 1~4%라는 단점도 있다. 한편, 머리 루프법으로 측정이 불가능한 높은 저항 측정용으로, 직류 고압을 사고상에 인가하고 서서히 승압해 사고점의 대지 방전으로 발생하는 펄스를 이용한 방전 검출 펄스 레이더법도 있다.
새로운 사고점 측정기 개발｜최근 지중 송전 구역이 확대함에 따라 동일 루트의 다회선화, 장거리화도 함께 이뤄져 병설 케이블로부터 높은 유도를 받는 경우가 있다. 측정 실적이 높은 기존 머리 루프법을 이용한 유도 전압 중첩 선로 측정은 다음 두 가지 이유에서 어렵다.
① 비례변 저항의 소손
② 브리지의 불평형(검류계 지시가 불안정)
이에 대한 대책으로 비례변 저항을 사용하지 않고 직접 사고상 전압·건전상 전압을 측정해 그 비율에서 사고점 거리를 산출하는 측정기를 개발했다(<그림 3> 참조). 이 측정기는 유도 전압을 차단하는 저역 필터와 측정 전압 증폭 회로를 장착해 내유도 전압 300V, 측정 가능 지락 저항 100㏁ 이하다.
관로, 동도 보수 기술관로·동도 설비에서도 기존 설비의 수명을 늘리는 일은 중요한 과제다. 그렇기에 점검과 이상 진단 등을 적절히 시행해 설비 상황 파악에 최선을 다하고 있다. 이상 진척 상황에 따라서는 수리 등의 대책도 실시하고 있다. 보수 기술에는 순찰·점검, 이상 진단, 수리가 있으며, 이러한 기술로 각 설비 기능을 유지한다. 여기서는 설비 이상을 발견하고 수리 유무를 판단하는 순찰·점검과 이상 진단, 설비를 건전한 상태로 유지하기 위한 수리 기술을 소개한다.
순찰·점검 기술
관로나 맨홀, 동도 등 지중 송전 설비의 대부분은 일반 도로 아래에 매설돼 있어 직접 눈으로 확인하는 일이 어렵다. 이 때문에 지중 송전에서는 지상루트 위를 순찰해 공사 상황을 파악하고 사고를 미연에 방지하기 위해 힘쓰고 있다. 또한, 설비 점검으로 이상 개소의 조기 발견에도 노력하고 있다.
관로｜관로 점검은 관로 내 높이 차이나 벌어짐, 이물질 혼입 등과 같은 이상 유무를 확인하려는 목적으로 실시하며, 관로 내에 시험봉을 도통시키는 방법이 일반적이다. <그림 4>는 관로의 도통 시험을 나타낸 것이다. 이를 통해 관로의 도통 여부를 확인하고, 시험봉의 연공 구슬 부분에 생기는 흠집 등에서 이상 유무를 판단한다.
맨홀·동도｜맨홀·동도는 콘크리트 구조물로, 점검은 주로 콘크리트에 발생하는 균열(금)의 폭이나 크기 등에 주목해 정량적으로 관리한다. 또한, 슈미트 해머Schmidt Hammer로 간단히 강도도 측정한다. <그림 5>는 균열 측정을 나타낸 것이다.
이상 진단 기술 이상 진단 기술은 순찰 점검에서 발견한 이상을 구체적으로 조사해 수리 여부를 판단하기 위한 기술이다. 각 설비의 이상 진단 기술을 소개한다.
관로｜관로의 이상 진단 기술은 진단 목적에 따라 3가지—관 내 상태 확인, 매설 위치 확인, 단심 케이블용 철관 확인으로 분류한다. 각각 CCD 카메라를 이용한 직접 촬영, 자이로Gyro 측정을 이용한 위치 측정, 철관 센서를 이용한 재질 측정 등이 있으며, 이러한 기술을 사용해 관로의 이상을 진단한다. 이상 진단 기술의 일례로 <그림 6>은 관 내 이상을 집적 촬영하고 진단하는 CCD 카메라를, <그림7>은 그 촬영 화상을 나타낸 것이다. 이 방법은 촬영 화상을 통해 관 내 높이 차이나 벌어짐, 파손, 이물질 혼입 등과 같은 이상 상태를 확인하며, 관 내 이상 진단으로는 가장 일반적인 방법이다. 한편, CCD 카메라를 이용한 직접 촬영 진단에서는 빈 구멍의 경우와 관에 케이블이 들어 있는 경우 실시 방법이 다르다. 빈 구멍의 경우, 관 전체 길이에 대해 인입 측정이 가능하지만, 케이블이 들어 있는 구멍의 경우, 관과 케이블 사이의 아주 좁은 틈을 통과해야 하기에 케이블을 따라 한 쪽에서 집어넣을 수 있도록 어댑터를 붙인 CCD 카메라로 측정한다.
맨홀·동도｜맨홀·동도의 이상 진단은 콘크리트 구조물의 이상 진단이기도 하다. 이 진단 기술에는 색소 주입이나 초음파를 이용한 균열 깊이 측정, 코어 채취를 이용한 압축 강도 측정, 철근 부식 검토에 이용하는 염분량 측정 등이 있으며, 이상 내용에 따라 적절한 진단 방법을 택해 조사한다. 한편, 새로운 진단 평가로 3차원 비선형 유한 요소 해석(FEM 해석)을 이용한 맨홀의 내하耐荷성능을 평가한 검토 사례가 있다. <그림 8>은 FEM 해석 결과를 나타낸 것이다. 2차원 해석에서 강도 부족으로 나타난 것이 3차원 해석에서 벽의 영향으로 강도에 여유가 있음으로 나타났다.
수리 기술
수리는 이상 상태에 따라 적절한 방법으로 실시하는 것이 중요하다. 각 설비의 수리 기술을 소개한다.
관로｜관로 수리는 대처 방법에 따라 개착에 의한 불량 개소 제거 공법과 비개착에 의한 관 내면 수리 공법으로 나눠 이상 상황과 수리 비용 등을 고려해 적절한 공법으로 실시한다. <그림 9>는 비개착으로 할 수 있는 관 내면 수리 방법을 나타낸 것이다. 관내면 수리에는 전체 수리와 부분 수리가 있다.
맨홀·동도｜맨홀·동도 수리에는 균열 개소에 충전재를 주입하는 방법과 피복해 보강하는 방법 등이 있다. 주입 공법은 균열에 진척이 없고 깊이가 얕은 경우에 효과적이며, 균열 등의 이상으로 몸체 강도가 부족한 경우에는 탄소 섬유 시트로 보강한 사례가 있다. 이 공법은 섬유 시트를 맨홀 벽면에 붙여 몸체의 인장 강도를 보강하는 방법이다(<그림 10> 참조).
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지중 송전 설비의 보수 기술로 케이블 보수 기술, 케이블의 사고점 측정 기술, 관로·동도 보수 기술을 소개했다. 앞으로는 경년으로 말미암아 개수가 필요한 지중 송전설비가늘어날것이다. 각각의 상태를 파악해 최적의 방법과 시기로 설비를 개수하는 일이중요하다. 본고에서 소개한 보수 기술은 설비 고경년화가 진행되는 향후 그 중요성이 한층 높아질 것으로 생각한다.
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