Classification of PD Patterns in XLPE Cables Under Various Soil Conditions using Statistical Technique (통계기법을 이용한 다양한 토양 상태 아래에 있는 XLPE 케이블에서 의 PD Pattern 분류) 출처 : IEEE 논문 April 7-10, 20002 Muhamad Mansor, Ahmad Basri Abdul Ghani, Dr. Prodipto Sankar Ghosh (말레이시아)

Abstract 실험 (Partial Discharge)이다. 지중 케이블을 포함한 고전압 장치에서 절연 저하의 원인이 되는 중요한 Factor는 PD (Partial Discharge)이다. 본 논문은 Underground Power Cables에서 PD가 진행되고 있을 때 Soil Thermal Resis- tivity의 영향을 조사하였다. 실험 Purpose : To study the effect of various soil conditions on the level of PD -. Straight Detection Method 사용 -. PD 측정장비 : Haefely Trench TE 571 -. 11kV, single core, 240mm2 XLPE cable 사용 * 통계적 기법을 사용하여 Elliptical Waveform PD Pattern을 얻었다. * Statistical Pattern Recognition Technique는 실험을 통하여 얻은 Various Soil Conditions 상태에서 PD Pattern들을 분류하는데 적용되었다.

Abstract * PD Pattern의 Classification은 독특한 Soil Condition에서의 Discharges의 Recognition을 위한 것이다. 이 정보는 PD LEVEL에 대한 토양의 열적 특성의 해로운 효과를 추정하는데 매우 중대 하고 Backfill Meterial의 재조절과 Cable loading의 조절을 결정한다. Thermal Resistivity(열전도저항) 열전도를 방해하는 성질 => 균일한 물체 내부의 경우에는 열전도와 역수 관계에 있는 성질이라고 할 수 있지만 실제로는 경계면 이나 접촉면의 성질을 의미하는 경우가 많다. 물체의 접촉면에는 반드시 틈이 존재하는데, 대부분의 경우 이러한 좁은 틈 사이의 공기층에 때문에 열전달율이 감소한다. 따라서 접촉면이 부드럽거나 접 촉면이 강하게 밀착될수록 접촉 열저항이 작아진다. 예를 들어 확실하게 붙어 있는 것처럼 보이는 고 체와 고체 사이나 액체와 고체 사이에도 포논이 에너지교환을 하지 않고 반사하는 경우(카피차 저항) 가 있다. 이와 같은 열전도저항은 물질이 가지고 있는 성질적인 면에서나 실용적인 면에서 매우 중요 하다. 출처 두산대백과사전 XLPE(Cross Linking-Polyethylene)란? XLPE는 폴리에틸렌(Polyethylene:PE)에 유기가황제를 혼합하여 가교설비로 폴리에틸렌(PE)을 가황 (가교)시켜 폴리에틸렌 구조를 결합상태(가교 상태)로 만들어 폴리에틸렌에 열경화성의 점탄성 성질을 부여한 재료로 고전압 절연재료에 많이 사용된다. 전기 공급 시 변전소에서 가정 공급전까지에 사용되 는 전선의 절연용 재료로 사용됨.

INTRODUCTION 내부PD로 인한 절연체 결함 발생 (절연체의 ageing, service life 감소) 고전압 전력설비(케이블 포함) 경제적 손실 다양한 STRESS (고온,과전압,기계적인 힘, soil thermal condition 등등) 실험 Purpose : To study the effect of various soil conditions on the level of PD -. Straight Detection Method 사용 -. PD 측정장비 : Haefely Trench TE 571 -. 11kV, single core, 240mm2 XLPE cable 사용 > Cable 온도 변화 > soil thermal resistivity 변화 Statistical Technique로 PD 분류 > Backfill Material 재조정 > Cable Loading 조절

EXPERIMENTAL SET UP 실험 시료 PD 측정장비 : 11kV, single core, 240mm2 XLPE cable(길이 6m) Dry sand로 채워진 U-shaped cable trench에 놓임. trench : 1.4m wide, 1.8m height, 5.4m in total length. Cable trench와 current transformer를 포함한 실험 Set는 TNB Research High Voltage Testing Laboratory 에 Shielded enclosure안에 놓인다. XLPE cable Dry Sand로 채워진 U-shaped cable trench PD 측정장비 : -. Haefely Trench TE571(PD측정방법 Straight Detection Method를 사용) -. 100kV, 1000kVA, 50Hz Resonant Test System에 의해 Power가 공급됨. Fig 1. Equivalent Circuit Diagram for PD Measurement

EXPERIMENTAL PROCEDURE 1) 첫번째 실험은 독특한 Thermal Resistivity값을 갖는 Dry Sand에서 수행. 2) Sand Thermal Resistivity의 reading은 Cable Trench Location 6에서 함. 3) PD의 첫번째 Reading은 ambient 온도에서 함. (5번 반복) -> Haefely Trench TE571 PD Measurement System에 Data 저장 4) 같은 Soil Thermal Resistivity에서 Cable 온도를 90℃ 올림(Current transformer 사용) 5) Cable 온도 90℃에서 PD Reading. 6) Second reading하기 전에 Cable 온도를 내린다. 7) 1)부터 6)번을 실험을 5번 반복. PD Reading 완료 후, Cable Trench안의 Cable에 일정한 양의 물을 넣어 Sand의 Thermal Resistivity 를 변화 시킴. -> Sand Thermal Resistivity의 Reading은 Cable Trench의 Location 6 에서 함. 전체적인 실험은 Cable Temperature를 다르게 하여 반복한다. 전체 실험에 대해, Voltage rise rate는 1kVrms를 유지한다. Test Voltage는 11kVrms이고 60초 동안 18kVrms 올린다. PD측정을 위해 다시 11kVrms로 낮춘다. 이 Procedure는 IEC 885 Part 2에 따른다. 변류기 [變流器, current transformer] 교류의 큰 전류에서 그것에 비례하는 작은 전류를 얻는 장치.

VARIATION OF THERMAL PARAMETERS Variation of Cable Temperature -. The variation of the cable temperature is done to replicate the loading of the cable during service. -. Cable의 Heating은 3-phase, 415V, 50Hz Current Transformer를 사용. -. Cable Temperature는 K-Type thermocouple을 사용해 측정. -. The cable temperature is simulating the percentage of the cable loading during service. -. Cable loading과 각각의 온도는 식 (1)을 사용해 추정한다. I = TC - TRT nrRTH 식 (1) TC : Conductor (core) Temperature(℃) TRT : Surrounding (soil) Temperature(℃) n : Number of Core r : Resistance of the conductor (core) (Ω/m) RTH : Sum of Thermal Resistivity(m℃W-1)

VARIATION OF THERMAL PARAMETERS Variation of Cable Temperature Thermocouple 두 가지 다른 금속 전도체(전기가 잘 통하는 물체)를 가까이 두었을 때 두 금속사이에 전류가 흐르며 온도에 따라 전류량이 변한다는 원리를 이용한 것이다. 다시 말해 고온 으로 올라 갔을 때 두 금속사이에 흐르는 전류의 양은 저온보다 많게 되고 이 전류의 양 을 계측기로 측정하여 온도로 환산하는 장치이다. Thermocouple의 특징은 응답이 빠르고 시간 지연에 대한 오차가 비교적 적으며, 적절 한 열전대를 선정하면 0 °C부터 2600°C 정도의 온도 측정이나 정점, 장소의 온도 측정 도 가능하다. 온도가 열기전력으로 검출되므로 측정 조절 제어 변환의 정보처리가 용이하며, 다른 온 도센서에 비하여 비교적 가격이 저렴하다. 일반적인 온도 검출 단은 열전대 소선이나 측온 저항체와 절연관,보호관,단자 등으로 구 성되어 있으며 유연성이 없는 보호관을 사용하여 보호관은 금속보호관과 비금속보호관 이 있고 유연성이 있는 형태는 시스라 하며 열전대 소선이나 측온 저항체와 사이에 MgO 라는 무기절연물로 고압 충전한 형태의 온도 검출 단이 있습니다.

VARIATION OF THERMAL PARAMETERS Variation of Cable Temperature -. Figure 2는 Cable loading과 Cable 온도 변화에 대한 그래프임. -. 계산 목적으로 Soil thermal resistivity 값은 1.2m℃W-1. 이 실험에서, Cable Temperature는 2 Sets인데 각각 90℃와 28℃(ambient temperature). -. The cable temperature of 28℃ is reflecting ambient temperature, which means the cable is energised without any load. -. The cable temperature of 90℃ is reflecting 100% loading of the cable under normal operating condition. Cable loading

VARIATION OF THERMAL PARAMETERS Variation of Soil Thermal Resistivity -. The soil thermal resistivity is varied in order to simulate different soil thermal condition in the field. -. 이 실험에서 Sand는 Cable Trench에 채우는데 사용. -. This is because sand is used as a backfill material in the cable trench in Tenaga Nasional Berhad, Malaysia. -. Sand thermal resistivity는 Cable Trench안에 물을 채움에 의해 변한다. -. Sand thermal resistivity는 KD2 Thermal Properties Analyzer에 의해 측정한다. -. The KD2 Properties Analyzer will give direct and instantaneous reading of the soil thermal properties. -. 실험에서 sand thermal resistivity 4 sets로 실험. Simulating very dry to very wet soil conditions. s1 = 6.320m℃W-1 s2 = 2.540m℃W-1 s3 = 0.977m℃W-1 s4 = 1.730m℃W-1

PROPOSED STATISTICAL PATTERN RECOGNITION TECHNIQUE -. Pattern recognition using statistical method is one of the established techniques in classifying PD signals. -. The calculation of parameters such as skewness, kurtosis, discharge factor, cross correlation factor and modified cross correlation factor allows us to determine the sharpness, shape and symmetry of the PD waveform from unknown origin. -. 이들 values는 PD waveforms을 분류하는데 매우 도움을 준다. -. 본 논문에서 PD waveforms는 처음에 언급한 PD Measurement System으로 부터 Elliptical form에서 얻었다. -. Elliptical waveforms의 예는 Figure 3에서 보여 준다. -. Elliptical waveform은 3000 phase windows로 나누어 졌다. -. Then we follow the phase related recognition technique to represent the average magnitude of the discharge impulses as a function of the phase angle. -. 이 Discharge 분포는 특색 있는 모양을 가지는데 Soil thermal resistivity와 Cable temperature에 따라 변 한다.

PROPOSED STATISTICAL PATTERN RECOGNITION TECHNIQUE -. Two-dimensional 표현의 예는 Figure 4에서 보여 준다. -. Sine wave에서 Positive half에 속하는 모양은 Negative half에 속하는 모양과 많이 다르다. -. 이들 분포의 모양은 다양한 Soil Condition 상태 의 XLPE Cable에서의 PD Pattern 분류하는데 “Operator”라는 통계적 파라메터로 분석하였다. -. [1] skewness(왜곡도, 비대칭도) SK = ∑(Xi - μ)3 Pi σ3 Xi : the recorded value Pi : the probability of frequency of appearance for that value Xi in time window I μ= ∑Xi Pi is the mean and σ is the variance σ2 = ∑(Xi - μ)2 Pi . -. Skewness is calculated for both negative and positive half cycle, which is showing how symmetry the distribution.

PROPOSED STATISTICAL PATTERN RECOGNITION TECHNIQUE -. [2] Kurtosis(첨예도) KU = ∑(Xi - 4)4 Pi σ4 첨예도(kurtosis)는 분포의 봉우리의 높낮이를 나타낸다. 정규분포의 경우 0으로 기준이 된다. Kurtosis 값이 양수라는 것은 정규분포에 비하여 봉우리가 낮고 펑 퍼짐하여 꼬리가 길다는 것을 뜻한다. -. Kurtosis는 분포의 Sharpness를 표현한다. -. [3] Cross Correlation Factor(cc) cc = ∑Xi Yi - ∑Xi ∑Yi / n [∑Xi2 - (∑Xi)2 / n] [∑Yi2 - (∑Yi)2 / n] Xi : the mean discharge magnitude in window i of the positive half cycle Yi : the mean discharge magnitude in the corresponding window in the negative half cycle n : the number of phase windows per half cycle cc : cross correlation factor Positive & negative half cycle에서 분포 모양의 차이를 보여 줄 때 사용.

mcc = Q.cc PROPOSED STATISTICAL PATTERN RECOGNITION TECHNIQUE QS- / N- -. [4] Discharge Factor(Q) Q = QS+ / N+ QS- / N- QS- and QS+ : the sum of the mean pulse height distribution in the positive and negative half cycle of the voltage cycle N- and N+ : the number of discharges of the mean pulse height distribution in the negative and positive half oh the voltage cycle -. Discharge factor is useful to describe the difference in the mean discharge level in the negative and positive distribution -. [5] Modified cross correlation factor(mcc) mcc = Q.cc -. The value of these operators corresponding to various PD distributions are then analysed to classify their patterns.

RESULTS AND DISCUSSION -. 실험에서, 4개의 Soil thermal resistivity, 2개의 cable temperature에 대해 실험 수행 -. 각 Cable온도에 대해 soil thermal resistivity값은 평균값으로 1.73m℃W-1로 선택. -> cable 제조자가 1.8 m℃W-1로 만들었기 때문. -. Soil thermal resistivity와 Cable Temperature에 대해 5번씩 반복 실험 -. [6] The standard error of the confidence interval N t.s | Sx | = s : the standard deviation of the statistical operator from a series of N observations of one and the same type of soil conditions at a given cable temperature t : a statistical test parameter depending on N -. Standard error (표준오차) Standard deviation (표준편차) standard value Soil thermal resistivity에 대해, Standard error < standard value : hit or 1 standard error = standard value : miss or X recognition rate

RESULTS AND DISCUSSION Analysis of recognition rate of PD at 90℃

RESULTS AND DISCUSSION Analysis of recognition rate of PD at ambient temperature -. S1과 S3가 Recognition Rate가 같다. 그러나 각각의 경우를 보면 Hitting Pattern은 다르다.

CONCLUSION -. PD Pattern 분류에 쓰이는 Statistical Operators, 1) Skewness 2) Kurtosis 3) Discharge Factor 4) Cross Correlation Factor 5) Modified Cross Correlation Factor -. Recognition Rate -. Soil Thermal Resistivity & Cable Temperature -> PD Activity에 중대한 영향을 미침. -> PD Pattern Classification (Statistical Technique)을 통하여 Backfill Meterial과 Cable Loading을 조절한다.