허재원
(Jae-Won Hur)
1iD
최은혁
(Eun-Hyeok Choi)
†iD
-
(Ph.D Course, Dept. of Electrical engineering, Kyungil University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Breakdown characteristics, Power facilities, Radiated electromagnetic waves, SF6 gas, Solid insulators
1. 서 론
1.1 연구의 배경
도시의 공간 활용시 효율적인 측면에서 전력설비들의 소형화, 신뢰화가 요구되고 있다. 현재 SF6 가스를 활용한 전력설비는 공급범위가 확대되면서, SF6
Gas가 온실가스로 지정되어 사용을 줄이거나 금지하는 것을 국제규약 지정되었다. 국내외적으로 SF6 Gas를 대체 위하여 연구가 오래전부터 진행되어
왔다. 절연재인 SF6 Gas 보다 절연능력이 우수한 기체를 개발하기 위하여 1970년대부터 활발하였다(1-3). 이러한 연구의 노력으로 많은 기술이 축적되어 대체 물질로 연구된 물질을 활용한 절연설계에서 절연재에 따라 최적의 성능을 유지하기 위하여 각 매질에
적합한 주변 환경적 요인과 전극설계, 절연물 파괴특성, 매질에 따른 결함 등 고려해야 될 사항이 많이 발견되었으며, 이런 사항들이 복합적이고 상호작용적으로
절연성능에 영향을 미쳐 각 요소에 대한 연구에 많은 노력과 시간이 소요하게 되었다. 이에 친환경적인 절연재의 개발의 필요성이 요구되고 있는 상황이다(4-7).
본 논문에서는 친환경절연매질인 건조공기를 사용하여 다양한 고체절연물의 절연특성을 구명(究明)하기 위하여 고체절연물의 연면파괴전압을 측정하고 절연파괴시
방사되는 방사전자파를 측정하여 향후 친환경절연재를 활용한 전기시설물의 설계시 활용가능성을 확인하였다.
2. 실험장치 및 방법
논문의 실험은 전극을 실험챔버에 수직으로 설치 후 진공펌프로 5×10-4 Torr로 배기 시킨 실험챔버에 기체절연매질을 일정압력까지 주입하여 전원장치(Jiang-Su
Leiyu High Voltage Equipment)을 이용하여 전압을 단계별 인가 시 절연파괴특성을 확인․분석하였다.
실험에 사용된 전원은 AC 400kV, 3A을 가지는 장치를 사용하였으며. 실험용 챔버(두께 t=20mm의 스테인레스, 내직경 Φ=250mm, 높이
H=400mm)의 체적은 V=20ℓ이며, 10기압 300kV까지 인가 가능한 구조로 제작되었으며, 실험용 챔버에 충진된 기체절연매질의 압력은 WISE
압력계를 이용하여 측정하였다
고체절연물에 따른 전기 절연파괴특성실험은 기체 절연매질을 건조공기를 사용하여, 수직배치전극은 상부 구전극(지름 41mm)와 하부 평판전극 (지름 59mm,
두께 반경 6.3mm)을 사용하여 상하부의 전극간 갭 사이에 이종 고체절연물 3T 70Φ (테프론-Teflon, 폴리에틸렌-PE, 베클라이트-Bakelite,
폴리카보네이트-PC)을 두고 AC전압을 계단상승법 (전압상승시간 / 전압유지시간 / 전압상승속도)에 따른 연면 전기 절연파괴전압을 측정과 연면방전로를
관찰하였다.
전기 절연파괴특성 실험시 초기방전전압의 기준으로 리더방전으로 측정하였으며, 리더방전은 그림 1과 같이 실험챔버 내 부분방전 진전 시에 전류-전압파형에서 전압파형이 급감, 전류의 파형이 급증할 때의 전압을 측정, 본 논문의 전기 절연파괴전압으로
선정하였다.
Fig. 1. Current․voltage waveform follow discharge progress
Fig. 2. Schematic diagram
그림 2는 고체절연물의 절연파괴시 방사되는 방사전자파를 측정하기 위한 실험장치의 개략도를 보여주고 있다. 절연파괴진전시 방사되는 전자파의 측정과 분석을 위하여
EMI/EMC 측정용 BiConiLog 안테나(EMCO 3142, 0.26～1.5GHz 대역) 및 스펙트럼 분석기를 이용하였다. 절연파괴시 방사전자파를
측정하기 위하여 절연파괴 현상이 발생하는 전극사이와 안테나 간의 거리는 절연파괴시 발생되는 전자파의 감쇄특성 과 안전거리 등을 감안하여 1.5m로
고정하여 실험을 진행하였으며, 안테나의 각도는 전류의 흐름방향과 같은 대지와 수직 설정하여 전계강도 측정하였다. 고체절연물의 절연파괴시 방사되는 방사전자파
측정실험에서는 건조공기를 활용하였다.
3. 본 론
3.1 고체절연물의 전기 절연파괴전압 특성
Fig. 3. Electrical insulation breakdown characteristics of solid insulators
그림 3은 AC전압 설정치 전압상승시간 0.3, 전압유지시간 0.3 sec, 전압상승속도 3.15kV/sec로 하여 계단상승법에 따른 전원 인가시 고체절연물
종류에 의한 연면방전특성을 보여준다. 계단 상승에 따른 연면특성은 선형적으로 상승에 따른 연면방전특성과 유사한 특성을 보였으면, 연면절연파괴전압값은
평균 5% 정도 감소함을 확인하였다. 이와 같은 실험을 통하여 고체절연물에 따른 연면절연파괴전압값을 선형적인 수식으로 표 1과 같이 도출하였다.
Table 1. The surface discharge characteristics equation of solid insulator
|
고체
절연물
|
수식
|
a
|
b
|
P
[atm]
|
오차
[%]
|
|
Teflon
|
$a + b P$
|
39.0
|
1.0
|
압력
|
0.78
|
|
PE
|
37.3
|
1.2
|
0.88
|
|
PC
|
34.9
|
1.2
|
0.68
|
|
Bakelite
|
31.7
|
1.1
|
0.66
|
3.2 고체절연물 절연파괴시 방사전자파특성
고체절연물의 절연파괴시 방사전자파 특성은 건조공기 3atm에서 고체절연물별 구 대 평판전극에서 고체절연물별 시료를 사용하여 전압은 5kV 간격으로
인가, 절연파괴시 방사전자파를 측정하였다. 고체절연물별 연면파괴전압(kV)은 Teflon 58, PE 54, PC 52, Acrylic 49으로 측정되어
기기의 보호를 위하여 각각의 고체절연물에 대한 연면파괴전압 2kV전까지 인가하여 측정하였다. 방사전자파 측정값은 방사전자파 신호 MAX의 신호를 취합하였으며,
취합된 방사전자파치는 배경잡음을 제거한 방사전자파 신호를 표시하였다. 절연파괴진전시 100MHz 이하의 대역에서는 고체절연물의 절연파괴진전에 따른
특성을 규정할 수 없어 100MHz 이상 대역에서 방사전자파를 확인하였다.
Fig. 4. Surface radiated electromagnetic characteristics of Teflon by applied voltage
그림 4는 테프론을 고체절연물로 사용시 인가전압별 연면절연파괴진전시 방사전자파를 측정한 그래프이다. 초기방전은 5kV 인가일때 1080MHz 대역일 때 5dBμV/m가
확인되었다. 중기단계는 15kV일 때 550, 650MHz 대역에서 3dBμV/m 검출되었으며 연면방전이 진행됨에 따라 30kV 일 때 180MHz
대역에서 신호가 검출되었고 연면절연파괴 직전 말기신호가 41kV 일 때 방사전자파가 510MHz 대역일 때 7dBμV/m 확인되었다. 이에 건조공기을
적용한 테프론 고체절연물 연면방전시 방사전자파가 초기, 말기 진전형태에 따른 절연진단이 가능함을 확인하였다.
그림 5는 PE을 고체절연물로 사용시 방사전자파를 측정한 그래프이다. 초기방전 20kV 인가시 100MHz 대역일때 3dBμV/m, 중기방전 35kV인가시
100, 150MHz 대역에서 7, 8dBμV/m, 연면절연파괴 직전단계 말기신호가 40kV 인가시 380, 450, 530MHz 대역에서 9, 4,
4dBμV/m신호가 검출되었다.
Fig. 5. Surface radiated electromagnetic of PE by applied voltage
Fig. 6. Surface radiated electromagnetic of PC by applied voltage
Fig. 7. Surface radiated electromagnetic of acrylic by applied voltage
그림 6은 PC 절연파괴진전에 따른 방사전자파를 측정한 그래프이다. 초기방전 15kV인가시 1080MHz 대역일 때 3dBμV/m, 중기방전 30kV인가시
130MHz 대역일 때 8dBμV/m, 말기신호가 39kV 일 때 160, 190MHz 대역에서 4dBμV/m 신호가 확인되었다.
그림 7은 아크릴 고체절연물에서 인가전압별 연면절연파괴에 따른 방사전자파를 보여주고 있다. 초기방전가 15kV 인가시 1080MHz 대역일 때 3dBμV/m,
중기방전형태에서는 신호가 미약하였지만, 절연파괴 직전 말기신호가 30kV 일 때 150과 190MHz 대역일 때 6dBμV/m신호가 확인되었다. 건조공기를
매질로 하는 Acrylic 고체절연물의 연면방전진전에 따른 방사전자파가 측정되어 연면절연파괴전 절연진단이 가능한 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 논문은 고체절연물의 종류에 따른 전기 절연파괴특성을 확인하기 위하여 기본적은 고체절연물의 연면절연파괴 전압을 실험, 분석하였으며, 이때 발생되는
방사전자파를 측정하였다. 고체 절연물의 종류에 따른 절연파괴전압은 선형적으로 상승에 따른 방전특성을 확인하였다.
상이한 고체절연물의 연면절연파괴 진전시 방사전자파의 패턴을 살펴보면, 건조공기일 경우는 테프론 일 때는 510, 550, 650, 1080MHz,
PE의 경우 350MHz, PC는 150, 1080MHz, 아크릴은 190MHz대역에서 전기절연파괴 진전에 의한 방사전자파가 확인되었다. 이에 이종고체절연물의
절연파괴진전 초기, 중기, 말기에 따른 방사전자파 대역이 상이하게 발생됨을 확인하였으며, 이러한 특성을 활용하여 절연진단센서를 설계시 향후 고체절연물을
적용한 전기설비의 진단에 있어 신뢰성을 확보가 가능할 것으로 생각된다.
References
Camilli G., 1960, Gas-insulated Power Transformers, Proc. IEE, Vol. 107a, pp. 375-382
Christophorou L. G., 1995, SF6 Insulation : Possible Greenhouse Problems and Solutions,
NISTIR 5686, Vol. nist, pp. 5
Siegenthaler U., 1991, Greenhouse Gases and Other Climate Forcing Agents, Climate
Change Science Impacts and Policy, pp. 47-57
Bernard N., 2001, How to use a Greenhouse Effect Gas while being Environmentally Friendly
: SF6 Case in Medium Voltage Distribution, CIRED 2001 IEE Coference Publication, No.
482, pp. 18-21
Okubo H., Beroual A., 2011, Recent Trend and Future Perspectives in Electrical Insulation
Techniques in Relation to Sulfur Hexafluoride(SF6) Substitutes for High Voltage Electric
Power Equipment, IEEE Electrical Insulation Magazine March/April, Vol. 27, No. 2,
pp. 34-42
Krause C., 2012, Power Transformer Insulation-History Technology and Design, IEEE
Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 19, No. 6, pp. 1941-1947
Kim K. C., Lee K. S., Lee D. I., 2000, Estimation of ESD Current Waveshapes by Radiated
Electromagnetic Fields, IEICE Trans. Commun, Vol. e83-b, No. 3, pp. 608-612
Kim Dong-Woo, 2013, Prevention Techniques of Electrical Fire and Electrical Shock
Caused by Leakage Current, KIIEE, Vol. 27, No. 6, pp. 82-87
Kim Jae-Hyun, Lim Young-Bea, Lee Sang-Ick, Kim Dong-Woo, 2013, The Effectiveness Analysis
of the Resistive Leakage Current Monitoring by Analyzing the Phase of the Body Current,
KIIEE, Vol. 27, No. 9, pp. 90-99
Cuttle C., 1983, People and Windows in Workplaces, Proceedings of the People and Physical
Environment Research Conference Wellington New Zealand, pp. 203-212
Biography
He received Bachelor’s degree in Department of Ship & Marine Engineering in 2005 from
Inha University.
Master’s degree in Department of Mechanical Engineering in 2007 from Inha University
Graduate School.
His research interests are reliability estimation of solder joint under random boundary
conditions.
He received B.S degree in electrical engineering from Kyungil University in 2003.
He received the M.S. and Ph.D. degree in electrical engineering from Yeungnam University
in 2005 and 2009.
He has been an Assistant Professor in the Department of electrical engineering, Kyungil
University.
His research interests are high voltage discharge, insulation diagnosis sensor and
power system analysis.