2.1 전력용 케이블 종류 및 구조

우리나라에서 사용하는 전력용 케이블은 분야별로 초고압 케이블, 가공선, 중⋅저압 케이블 및 산업용 특수 케이블 등으로 나누어진다. 초고압 케이블은 최근 전력수요의 증가에 따른 송전 용량의 대용량화, 유지보수의 편리성과 전력공급의 신뢰성, 안전성의 요구로 인하여 지중화되고 있다(Bae, 2015; Park and Lee, 2015). 가공선으로는 강심 알루미늄 연선(Aluminium-conductor Steel-reinforced Cable)과 이에 비해 많은 전력공급이 필요한 경우에 사용되는 증용량 케이블(High Capacity Conductor) 및 통신기능을 포함한 광복합 가공지선(Optical Ground Wire) 등이 사용된다. 22.9 kV 용으로는 일반적으로 CN/CV, CN/CV-W, FR CN/CO-W, TR CN/CE-W, OC-W, ABC-W 등이 사용되며, 사용전압 6.6 kV 이하로는 CV 등이 주로 사용된다.

일반적인 22.9 kV 전력케이블은 도체(Conductor), 도체차폐층(Conductor Screen: 내부 반도전층), 절연체(Insulator), 절연차폐층(Insulation Screen: 외부 반도전층), 중성선(Neutral Wire) 및 외피(Sheath)로 구성되며, 이 중 반도전층은 내부에 걸리는 전계 및 방사 전기장를 균일하게 하고, 공기층 발생을 방지하여 케이블의 절연을 유지시킨다. 사고가 발생한 정관에너지 변압기에 연결된 케이블은 FR-CV로서 내부 구조는 아래 Fig. 1과 같다(LS Cable & System Ltd.; Taihan Electric Wire Co. Ltd.).

Fig. 1

Cable Structure (FR-CV)

2.2 케이블 종단접속부

고압 및 특고압 케이블 접속에 있어 케이블 차폐층 종단부가 케이블의 절연 효과를 해칠 우려가 있는 경우에는 접속재 등을 이용하여 충분한 절연을 보강해야 하며, 접속재를 미설치하거나 불량시공시 케이블 종단과 접속부의 열화를 촉진시키는 원인이 되어 케이블 사고를 일으킬 수 있다.

케이블 종단의 반도전층 끝부분은 전계가 집중되어 절연파괴가 쉽게 일어날 수 있지만, 단말처리가 되면 전계가 균일하게 분포되어 절연체 파괴 방지의 효과가 있고, 케이블 접속부의 오염과 습기를 방지하여 트래킹(Tracking) 등에 의한 사고를 방지할 수 있다(Kim et al., 2009). 케이블 종단접속부는 Fig. 2와 같은 구조이며, 내아크성 재질로 구성된다.

Fig. 2

Structure of Cable Head

3.1 화재 개요

2017년 2월 9일 10:23경 부산 기장군 정관신도시 소재 부산정관에너지의 전기공급이 9시간 동안 중단되는 사고가 발생하였다. 화재 초기 언론에서는 변압기 폭발로 정관신도시 내 22,800여 가구 및 공공 상업시설에 정전이 발생하여 주민들이 큰 불편을 겪었다고 보도하였으며, 이후 부산광역시 지방경찰청은 정전사고와 관련된 인원 9명을 불구속 입건하였다. 부산정관에너지(주)는 구역전기사업자로서 27,000여 가구 및 공공 상업시설에 전력 및 열을 공급하며, 전력설비는 154/22.9 kV 주 변압기 1대, 소내동력용 변압기 2대, 발전기 4대(G/T 2대, S/T 2대)로 구성되고, 계통은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3

Single Line Diagram

사고 당시 G/T 1대(G/T #2)를 운전하여 정관 택지에 공급하고 잉여전력은 한전측으로 역송전 중이었으며, G/T #2 선로의 계전기에서 지락이 감지되어 CB4144가 차단되면서 G/T #2 발전기가 정지하고 발전 전원의 공급이 중단되었다. 이후 주변압기 전원측의 계전기(51)에서 과전류가 감지되면서 CB617이 차단되고, 한전 전원의 공급이 정지되어 발전소 및 수용가 전체에 정전이 발생하였다.

3.2 현장조사

화재가 발생한 부분은 옥외에 설치된 변압기 설비로써, Fig. 4와 같이 변압기 및 가스절연개폐기에서 탄화 및 소훼 형상은 확인되지 않고, 154/22.9 kV 변압기 2차측 철제함 내부의 케이블 종단접속 부분을 중심으로 탄화된 형상이 확인되었다.

Fig. 4

Photo of Fire Scene

2차측의 철제함 내부에는 Fig. 5와 같이 부싱 애자 4개와 Insulator support 3개가 설치되고, 각 상에는 3개의 FR-CV 1C × 400 mm² 케이블이 설치된 구조로써, 3상의 케이블 헤드에서 단락 과정에서 형성된 다수의 전기적 용융흔이 확인되었다. 또한, Fig. 6과 같이 철제함 내부 패널에서 B상의 케이블 헤드에 인접한 부분이 상대적으로 심하게 수열 및 열변색된 형상이 확인되었다.

Fig. 5

Electric Arc of Cable Head

Fig. 6

Fire Pattern of Panel

3.3 사고 데이터 분석

사고 당시의 G/T #2 feeder 측 과전류계전기 고장파형은 Fig. 7과 같으며, 2017년 2월 9일 10시 23분경 최초 B상에서 지락 고장이 발생하였으며, B상 지락 이후 약 63 ms 이후에 A상 지락, 약 137 ms 이후에 C상에서 지락이 발생하였다.

Fig. 7

Overcurrent Relay Data (G/T #2 feeder)

이벤트 로그 데이터 역시 10시 23분경에 발전기 기동용 전원 LOSS, 워터펌프 전원 LOSS 및 154 kV 가스절연개폐기 트립 등의 경보가 발생한 점을 고려할 경우, 변압기 2차측 배선 중, B상에서 최초 절연파괴에 따른 지락이 발생한 것으로 판단할 수 있다.

3.4 B상 케이블 검사

B상의 케이블 3선은 각각 B-1, B-2 및 B-3로 구분하였다. B상의 케이블 종단접속부는 Fig. 8과 같이 전체적으로 심하게 수열 및 변형된 형상이며, 특히 외관상 B-1의 케이블 헤드와 케이블 접속부의 절연테이프가 일부 소실되고, 심하게 탄화된 형상이 확인되며, 절연저항 측정 시 B-1 케이블은 0 MΩ, 나머지 B-2 및 B-3 케이블은 2,000 MΩ으로 B-1 케이블의 절연이 파괴된 것으로 확인되었다.

Fig. 8

Photograph of Power Cable (B phase)

B상 케이블 종단접속 부분에 대한 X-ray 검사시, Fig. 9와 같이 B-1 케이블 내부의 도체와 차폐층에서 전기적으로

Fig. 9

X-ray Inspection

용융된 흔적이 확인되고, 주변에서 도체의 비산형상이 식별되는 상태로서, 내부 도체에서 차폐층으로 지락이 발생한 것으로 판단된다.

케이블 종단접속 부분에 대한 분해 검사 시, B-1 케이블의 외부 반도전층 경계 부분을 중심으로 하여 절연체가 원형으로 천공된 형상이며, 천공된 내측의 도체가 전기적 발열에 의해 용융된 형상이 확인되었다. 특히 Fig. 10과 같이 절연체의 천공된 부위에서 도체에 수직방향으로 두께 약 1 ㎜ 정도의 공구에 의해 손상된 흔적이 확인되었다. 이는 케이블 종단접속 부분의 절단 과정에서 손상된 흔적으로 판단되며, 손상흔적으로 볼 때, 절연체의 천공된 부분은 절연체가 내부 도체가 확인될 정도로 심하게 손상되었을 것으로 추정된다.

Fig. 10

Melted and Damaged Shape of Power Cable B-1

3.5 변압기 이상 여부 검사

케이블 화재는 과전압, 과전류의 영향으로 절연이 불량한 부분에서 발생할 수 있으므로, 주변압기의 이상여부에 대한 검사를 제조사를 통해 확인하였다. Fig. 11과 같이 변압기 내부에서 탄화 및 열변형 등 절연손상이 발생했다고 판단할 만한 특이점이 확인되지 않았으며, 일반적으로 변압기 상태

Fig. 11

Photograph of Inside of the Transformer

진단 시 이용되는 변압기 유증 가스 분석 결과, 수소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 일산화탄소 및 이산화탄소가 Table 1과 같이 정상치로 측정됨으로써, 주변압기 이상에 의한 화재 가능성은 배제할 수 있다(Sun et al., 2005).

Table 1

Analysis data on Disolved Gases in Transformer