2.1 지중 배전용 케이블 일반현황

우리나라 전국에 전력을 공급하기 위하여 KEPCO에서 관리하는 22.9kV-y급 배전용 케이블은 2021년 12월말을 기준으로 약 49,850 C-km에 이른다. 전국의 지중화율은 2005년에는 11.7% 였으나, 2021년 연말 기준으로 20.1%로 도시화와 지방자치단체의 요청에 의해서 매년 약 0.5% 정도 늘어나는 추세이다^[4].

2.2 배전용 케이블의 구조

국내에서 주로 사용되고 있는 22.9kV급 지중 배전용 케이블의 대표 규격은 그림 1과 같이 CNCV로, 도체(Conductor), 도체 차폐층(Conductor Shield : 내부반도전층), 절연체(Insulator : XLPE), 절연 차폐층(Insulation Shield : 외부반도전층), 중성선(Neutral Wire), 외피(Jacket)으로 구성되어 있다^[5].

그림 1. CNCV 케이블의 구조

Fig. 1. Structure of CNCV cable

2.3 배전용 케이블 선종 변천사

KEPCO에서 사용하는 배전용 케이블의 선종 변천사를 살펴보면 표 1과 같다. 1970년 7월 국내에서 처음으로 개발된 CV 케이블은 22kV급 비접지 방식으로 중성선은 구리(Cu) 테이프 방식으로 제작하였으며, 1973년 이후 CV 케이블을 본격적으로 사용하여, 1983년 9월에 22.9kV-y CNCV(Concentric Neutral Cross linked Polyethylene Insulated Vinyl Sheathed Cable, 동심중성선 가교폴리에틸렌 절연 비닐 시스 케이블) 케이블 표준규격을 제정하였다^[6].

최근에는 도체 내부로 물이 들어가지 않도록 수밀성을 강화하고, 수트리에 의한 고장을 줄이기 위해 절연체를 트리 억제형(Tree Retardant)으로 보강하고, 수밀 특성이 뛰어난 난연성 폴리에틸렌(PE)을 외피로 사용한 그림 2와 같은 구조의 TR-CNCE-W(구리)와 가격이 상대적으로 싼 TR-CNCE-W/AL(알루미늄) 케이블을 주로 사용하고 있는 추세이다^[7].

그림 2. TR CNCV-W 케이블의 구조

Fig. 2. Structure of TR CNCV-W cable

2.4 CNCV 케이블 최초 적용 시기

과거 배전계통에서 승압의 역사를 살펴보면 1965년 10월에 22.9kV-y 다중접지방식을 경북 약목변전소에 최초로 적용하였으며, 1970년 4월에 22.9kV-y를 배전전압 공급의 원칙으로 결정하였다^[8]. 22.9kV-y 접지계통에 동심중성선 타입의 CNCV 케이블이 언제 최초로 적용되었는지 분명하지 않지만, 구매규격 제정(1983년 9월) 시기 보다 훨씬 더 빠른 1978년에 최초로 적용하였다고 기술한 보고서도 있다^[9]. 최근 신배전정보시스템(NDIS : New Distribution Information System)에서 추출한 배전용 케이블 운영데이터를 살펴보면, 1971년~1982년에 제작한 CNCV 케이블도 현장에서 소량 운영중이다. 따라서 제작년도가 1971~1977년 사이일 경우에는 제작년도가 오류이거나 케이블 선종이 CV로 추정된다.

3.1 배전용 케이블 사용기간과 고장빈도

22.9kV급 지중 배전용 케이블의 고장원인을 사용기간에 따라 분류하면 그림 3 및 표 2와 같이 초기고장, 우발고장, 열화고장으로 나눌 수 있다^[10]. 주로 10년 이내의 초기고장은 케이블의 제조결함, 시공 및 운반과정에서 발생하는 외상이 대부분을 차지한다. 우발고장은 굴착 공사 등 작업자 부주의로 케이블에 물리적인 손상을 일으켜서 발생하는 고장이다.

CNCV 케이블의 설계수명은 30년을 기준으로 절연설계를 하고 있지만^[11], 제조결함과 외상을 제외하면 통상 15년 정도부터 고장이 발생하기 시작한다. 배전용 케이블의 경년 열화고장은 대부분 수트리(Water Tree) 열화이며, 주로 15년 내외에서 고장이 발생하는 특성을 가진다.

그림 3. 배전용 케이블 사용기간과 고장빈도

Fig. 3. MV cable usage period and failure frequency

3.2 배전용 케이블 고장원인별 점유율 분석

그림 4. 배전용 케이블 고장원인별 점유율

Fig. 4. Share by MV cable failure cause

그림 4의 배전용 케이블 고장원인별 점유율은 지난 18년간(2003년~2020년) 배전선로에서 발생한 케이블 고장 중에서 KEPCO내 고장분석 전문부서에서 분석한 결과를 요약한 것이다. 배전용 케이블 159건에 대한 고장원인 분석결과 외상 69건(43%), 수트리(Water tree) 열화 44건(28%), 제조결함 27건(17%), 원인불명 12건(7.5%) 등의 순이며, 상위 3가지 원인이 전체의 88%를 점유하고 있다. 상위 3가지 원인에 대한 구체적인 사례는 아래에서 자세히 살펴보겠다.

3.2.1 제조결함 고장

제조결함 유형은 크게 3가지로 보이드(Void), 돌기, 이물질로 구분하며 경우에 따라서는 2가지 이상의 결함이 복합적으로 나타나는 경우가 많다. 절연체 내의 보이드를 흔히 공극(空隙)이라고 부르기도 하는데, 순수하게 보이드만 생성되는 경우는 거의 없고 보이드와 돌기가 동시에 생성되는 경우가 대부분이다. 보이드 내부에는 공기(Air) 또는 가스(Gas)로 차 있어 전기적인 스트레스 집중으로 부분방전(Partial Discharge)이 지속되어 고장으로 이어진다. 보이드 결함은 최소 수개월 ~ 최장 13년, 돌기 결함은 5년 ~ 17년 정도 경과되어 고장으로 진전되었다. 돌기의 끝부분은 절연물로 채워져 가압 초기에는 부분방전이 발생하기 어렵고, 고장이 임박한 경우에 부분방전이 발생하면서 절연파괴에 이르게 된다. 이물질 고장은 1 ~ 14년 정도 소요되었으며 이물질 주변에 보이드가 생성되는 경우가 많았다. 위의 3가지 결함에 대한 고장사례와 전계해석 결과는 그림 5~7과 같다^[12].

그림 5. 보이드 결함사례 및 전계해석

Fig. 5. Void defect case and electric field analysis

그림 6. 돌기 결함사례 및 전계해석

Fig. 6. Protrusion defect case and electric field analysis

그림 7. 이물질 결함사례 및 전계해석

Fig. 7. Foreign matter defect case and electric field analysis

3.2.2 외상 고장

그림 8은 배전용 케이블에 외상이 발생해서 고장으로 진전된 사례이다. 외피와 절연체에 외상의 흔적이 관찰되었으며 시공 후 수년이 경과하여 고장이 발생하였다. 통상 절연체가 기계적 손상을 많이 받으면 현장에서 즉시 절연파괴 고장으로 이어지나, 절연체의 일부만 손상된 경우에는 수년이 경과한 후에 고장으로 이어지는 경우도 있다. 외상에 대한 전계해석 결과는 그림 8의 우측과 같이 절연체와 외부반도전층이 접하는 경계면에서 부분방전이 지속되어 고장으로 진전된다^[13].

그림 8. 외상 사례 및 전계해석

Fig. 8. External damage case and electric field analysis

3.2.3 수트리 열화 고장

케이블 열화고장의 대부분은 수트리에 의한 고장으로, 수트리는 절연체 내에 유입된 수분이 불평등 전계의 영향으로 전계방향으로 진동하여 절연체 내에 미세한 공극이 형성된 것을 말한다. 절연체를 수직으로 가공한 후 염색을 하면 형상은 나뭇가지(Tree) 또는 붓끝 모양을 하고 있다.

현재까지 수트리 열화가 관찰되었고 또한 수트리 열화로 고장이 발생한 케이블은 CNCV, CVCV-W 2개의 선종이 있으며 주로 침수구간의 케이블에서 발생하였다. 수트리 열화를 예방하기 위하여 트리 억제형 절연체를 전 세계 다른 나라에서도 널리 적용하고 있다^[14]. 현재까지 절연체의 종류가 트리 억제형(TR-XLPE)인 TR CNCV-W와 화재 예방을 위해 전력구에 주로 사용하는 FR CNCO-W에서는 수트리 열화고장이 발생하지 않았다.

그림 9는 2013년 6월 VLF 진단장비를 사용하여 tanδ를 측정한 결과 불량으로 판정되었고, 부분방전(PD)이 4,661pC 발생하였다. 케이블의 선종은 22.9kV급 CNCV 325㎟로 1996년 제품으로 현장에서 약 18년 정도 운전한 것으로 추정된다.

그림 9. VLF 진단장비(좌) 부분방전 발생 위치(우)

Fig. 9. VLF diagnostic equipment (left) Partial discharge occurrence location (right)

운전한 설비를 철거 및 해체하여 관찰하면 그림 10의 좌측과 같이 흰색 반점의 수트리가 관찰되며, 메틸렌 블루 용액으로 염색시험한 결과 수트리(보라색)가 거의 100% 정도 성장했으며 내부반도전층 끝부분에서 전기트리(흑색)가 진행되고 있었다^[15].

그림 10. 수트리(좌) 수트리 및 전기트리(우)

Fig. 10. Water tree (left) Water tree and electric tree (right)

3.3 배전용 케이블 고장원인별 소요기간 분석

배전용 케이블 운전기간 중 고장으로 진전되는 평균 소요기간은 표 3과 같이 제조결함 4.9년, 외상 8.4년, 원인불명 8.3년, 수트리 열화는 20.6년이다. 제조결함 고장은 대부분 하자기간 5년 이내에 발생하였으며, 매우 특이한 경우는 돌기 결함이 있었음에도 불구하고도 최장 17년만에 고장이 발생한 경우도 있었다. 외상 고장은 굴삭기나, H빔 천공 작업 등 현장에서 원인이 명확하게 드러나는 경우는 제외하였으며 외부반도전층 또는 절연층 일부가 손상된 상태에서 수년간 운전 중에 부분방전으로 고장이 발생한 경우에 해당한다. 자연열화는 과전류 통전에 의한 절연체 변색 흔적이 없고 또한 수트리가 미관찰된 경우에 해당한다.

표 3 및 그림 11 같이 고장 소요기간을 살펴보면 제조결함은 0.4~17년, 수트리 열화는 10~29년으로 제조결함 소요기간과 서로 중복되는 기간(10~17년)이 존재한다. 고장원인별 평균 소요기간을 살펴보면 제조결함은 4.9년, 시공과 관련된 외상은 8.4년이므로, 초기고장은 주로 10년 이내에 발생한다고 할 수 있다.

그림 11. 원인별 고장 소요기간

Fig. 11. Failure time by cause

4.1 시간 및 고장 특성을 나타내는 Bathtub Curve

OMRON은 일반적으로 Solid-state Relay의 기대수명에 관하여 그림 12와 같이 순간고장률 [=위험률(Hazard rate, h(t))]이 상승하기 시작하고 마모 고장기간으로 들어가는 Bathtub Curve의 지점(Point)’으로 정의하였다^[16].

배전용 케이블의 경우 기대수명은 정상운전 조건에서 정상적으로 작동할 것으로 예상하는 시간이다. 배전용 케이블의 기대수명은 침수 등 운전환경, 재료의 순도, 가교도 등 여러가지 요인에 의해서 달라지며, Bathtub Curve에서 순간고장률이 상승하기 시작하고, 마모고장으로 들어가는 시점이다.

그림 12. Bathtub Curve의 기대수명

Fig. 12. Life expectancy of the Bathtub Curve

4.2 배전용 케이블의 수명평가 종류

케이블의 기대수명을 평가하기 위해서 가속열화, 전압상승, 열화진단, 누설전류 측정 등의 시험으로 예측은 하지만 정확하게 검증하기는 어렵다. 최근에는 선진국의 자산관리 기술이 도입되면서, 통계적 기대수명 산출의 중요성이 부각되고 있다.

케이블의 수명평가 종류는 크게 3가지로 고장 및 운영데이터 Weibull 분석을 통한 “통계적 기대수명”, VLF 등 진단데이터를 활용하여 잔여수명을 예측하는 “상태수명”, 부하전류에 의한 절연체의 열화정도를 판단하는 “운전수명”이 있다.

4.3 배전용 케이블의 통계수명 산출과정

통계적 기대수명 산출과정은 표 4와 같다. 먼저 고장데이터는 최근 14년(2008~2021년)간 정전통계시스템에서 추출하였다. 정제과정은 고장데이터에서 중복으로 입력된 고장을 삭제하고, 열화고장의 나이별 고장건수를 추출한다. 중복고장은 고장설비는 1개이나 재폐로 등으로 중복으로 입력된 고장으로 이를 제거하기 위해 사업소, 정전년월일, 변전소명, 회선명, 선종 5가지가 모두 일치할 경우에 중복고장으로 판단하고 첫 번째 1건만 포함하고 나머지는 제거하였다. 배전용 케이블 주요 선종의 운영데이터(2022년 5월) 나이별 긍장의 합계는 47,971,693 C-m이며, 이를 구간의 평균 긍장 76m로 나누면 평균 운영긍장 수량은 631,206개가 산출된다. 구간의 평균 긍장은 맨홀 ~ 맨홀, 맨홀 ~ 기기, 기기~입상주 등 구분이 가능한 설비들 간의 길이(C-m)의 합을 평균한 값이다.

4.4 배전용 케이블 고장나이 산출 순간고장률

그림 13. 평균 운영긍장(개) 대비 전체 고장 순간고장률

Fig. 13. Instantaneous failure rate for all failures with age and MV cable average operating length number(each)

배전용 케이블의 고장데이터에 제작년도가 입력되어 나이가 산출된 고장건수는 936건으로, 평균 운영긍장 수량 631,206개 대비 나이별 순간고장률로 표현하면 그림 13과 같다. 순간고장률은 초기고장 기간(3년 이내)에는 높고, 우발고장 기간(4~16년)에는 다소 지그재그로 변동하지만 일정수준을 유지하고, 마모고장 기간(16~22년)에 다시 증가하는 형상으로 Bathtub Curve와 유사하다. 다만, 나이 1~3년의 설비수량이 적고, 나이 1년의 순간고장률 h(t)이 낮은 것은 케이블을 현장에 설치하고 준공 처리하는 과정이 수개월 ~ 수년 정도 소요되기 때문으로 추정된다.

4.5 배전용 케이블 열화고장 순간고장률

그림 14. 평균 운영긍장(개) 대비 열화고장 순간고장률

Fig. 14. Instantaneous failure rate for deterioration failures and MV cable average operating length number(each)

고장나이가 산출된 936건중에서 열화고장은 483건으로, 평균 운영긍장 수량 631,206개 대비 나이별 순간고장률로 표현하면 그림 14와 같다. 곡선의 모양은 뾰족한 산 모양의 정규곡선과 유사하며, 나이 16년~22년까지 순간고장률이 급격히 상승하는 이유는 수트리 열화고장이 증가하기 때문으로 추정된다. 나이 22년 이후에 평균 운영긍장 수량과 순간고장률이 동시에 감소하는 이유는 KDA-1(비파괴 열화진단기) 및 VLF(0.1Hz, Very Low Frequency) 진단으로^[17] 제작 20년이 경과 및 고장이력이 많은 케이블(1988년)을 사전에 교체된 결과로 추정된다^[18].

5.1 Weibull++ 활용 기대수명 산출 및 초기고장 제거

케이블의 기대수명 산출을 위해 추측통계학과 확률분포 개념을 적용하였다. 본 연구에서는 연속형 확률분포인 Weibull 분포 분석 방법을 적용하였다.

그림 15. 초기고장 포함 순간고장률 그래프

Fig. 15. Instaneous failure rate graph with initial failure

그림 16. 초기고장 제거 순간고장률 그래프

Fig. 16. Instaneous failure rate graph with initial failure removed

그림 15~16은 Weibull++ 프로그램을 활용하여 FR CNCO-W 선종에 대하여 초기고장 포함 및 제거 후 각각에 대한 순간고장률 $h(t)$을 산출한 것이다. 그림 15는 척도모수(β)가 1.13으로 초기고장이 포함되어 열화고장의 특성을 볼 수가 없으나, 그림 16은 초기고장 10년을 제거하여 척도모수(β)가 3.54로 열화고장의 특성이 뚜렷이 보인다. 이는 Weibull 2-parameter 추정법에 의한 고장률 함수식(1)을 보면 알 수 있다^[19]. 순간고장률 그래프가 마모기 고장의 특성을 잘 나타내기 위해서는 형상모수(β)는 2 이상이 바람직하다.

EPRI는 초기 10년을 전력설비의 초기고장 기간으로 선택할 것을 권고하고 있다^[20]. 초기고장 제거년수를 하자기간 5년으로 적용하면 예산 대비 교체 물량이 증가하여 자산관리의 효과가 떨어진다. 반대로 초기고장 제거년수를 15년으로 적용하면 최근에 납품한 제작사와 운전경험이 짧은 신종 케이블은 고장데이터 부족으로 기대수명 산출이 불가능한 단점이 있다. 따라서 위의 표 3의 고장원인별 소요기간과 5, 10, 15년 등 다양한 초기고장 제거년수를 적용한 결과 10년이 가장 적정해 보인다.

5.2 배전용 케이블 선종별 통계적 기대수명

케이블 고장은 복구 시간이 길고 또한 자재를 확보하기 힘들기때문에 본사 활용부서와 협의하여 보수적인 관점에서 누적 고장확률 B1(%)를 통계적 기대수명으로 선정했다. 배전용 케이블 선종별 B1(%) 기대수명은 표 5와 그림 17~20과 같다.

그림 17. CNCV B1(%) 기대수명 31.4년

Fig. 17. CNCV B1(%) life expectancy 31.4 years

그림 18. CNCV-W B1(%) 기대수명 38.1년

Fig. 18. CNCV-W B1(%) life expectancy 38.1 years

열화고장 건수는 전체고장 건수에서 초기고장 제거(Cut-off year)년수 10년을 적용한 결과이다. 전체고장 건수를 살펴보면 수십년간의 운전경험이 있는 2개 선종(CNCV, CNCV-W)의 고장 점유율이 약 82%(397건/483건)이다. 선종별 기대수명은 CNCV는 31.4년, CNCV-W는 38.1년, TR CNCV-W는 29.4년 전체 선종(7종)의 평균은 33.8년이 산출된다. FR CNCO-W는 전력구 또는 공동구에 설치되기 때문에 침수 운전의 가능성이 적기 때문에 수트리 열화의 가능성이 희박하여 51.2년으로 다른 선종에 비하여 더 길게 산출되었다. FR CNCO-W 선종의 기대수명은 51.2년으로 비교적 길게 나오지만, 운전경험과 고장데이터가 충분히 확보되어야 통계수명의 신뢰도가 높아질 것으로 보인다.

그림 19. TR CNCV-W B1(%) 기대수명 29.4년

Fig. 19. TR CNCV-W B1(%) life expectancy 29.4 years

그림 20. FR CNCO-W B1(%) 기대수명 51.2년

Fig. 20. FR CNCO-W B1(%) life expectancy 51.2 years

TR CNCV-W 선종의 수명의 목표는 1996년 연구개발 당시 약 45년(XLPE의 1.5배 이상)이었다. 표 5의 TR CNCV-W의 기대수명은 29.4년으로 CNCV 및 CNCV-W 보다 더 짧지만, 아직까지 운전경험이 충분하지 않고 고장데이터가 부족하기 때문으로 추정된다. TR CNCV-W의 특성은 수트리의 성장을 억제하는 친수성(Hydrophilic)의 첨가제가 들어가서 수트리의 성장을 방해하므로^[21], 적어도 기존의 CNCV 및 CNCV-W보다는 수명이 더 길어질 것으로 예상된다. 최근에 시공된 케이블(FR CNCO-W/AL, TR CNCE-W, TR CNCE-W/AL 3종)은 고장실적이 없어서 전체 평균을 적용하였으며, 향후 고장데이터가 축적이 된다면 선종별로 별도 적용이 가능할 것으로 추정된다.

5.3 배전용 케이블 운전환경별 통계적 기대수명

전력구 및 공동구에는 주로 외피가 난연 재질인 케이블(FR CNCO-W 등)이 사용되고 침수될 확률이 적고 수트리 열화의 가능성이 거의 없으므로 통계적 기대수명은 51.2년, 직매구간은 초기에 제작된 케이블(CNCV)이 대부분이므로 31.4년, 관로구간은 전체 평균을 적용하면 33.8년으로 추정된다. FR CNCO-W 선종의기대수명은 운전경험과 고장데이터가 충분히 확보되어야 신뢰도가 높아질 것으로 보인다.