GIS 립 스페이서에 대한 전계해석 및 절연특성 개선에 관한 연구 A Study on the Electric Field Analyses and Improvement of Insulation Characteristics on the Ribbed Spaced for GIS원문보기
본 논문에서는 전계해석을 통하여 금속성 파티클이 GIS 스페이서의 여러 위치에 부차되었을 경우 립이 파괴전압특성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 립-스페이서의 여러 위치에 금속성 파티클을 부착하고 립의 모양, 길이, 두께 등의 변화에 따라 얻은 파괴진압특성 실험결과를 전계해석의 결과와 비교·검토하였다. 전계해석의 결과 립의 연면에서의 전계집중이 다른 부분에 비하며 완화되어 절연파괴시 발생된 스트리머의 진전이 억제될 수 있다는 것을 알 수 있었으며, 실험을 통하여 파괴전압이 상승된다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 립의 길이와 두께 등에 따라서도 파괴전압 특성이 달라짐을 알 수 있었다. 또한 립의 끝단을 라운드 처리함으로써 파괴전압 특성을 더욱 향상시킬 수 있음을 전계해석과 실험을 통하여 알 수 있었다.
본 논문에서는 전계해석을 통하여 금속성 파티클이 GIS 스페이서의 여러 위치에 부차되었을 경우 립이 파괴전압특성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한, 립-스페이서의 여러 위치에 금속성 파티클을 부착하고 립의 모양, 길이, 두께 등의 변화에 따라 얻은 파괴진압특성 실험결과를 전계해석의 결과와 비교·검토하였다. 전계해석의 결과 립의 연면에서의 전계집중이 다른 부분에 비하며 완화되어 절연파괴시 발생된 스트리머의 진전이 억제될 수 있다는 것을 알 수 있었으며, 실험을 통하여 파괴전압이 상승된다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 립의 길이와 두께 등에 따라서도 파괴전압 특성이 달라짐을 알 수 있었다. 또한 립의 끝단을 라운드 처리함으로써 파괴전압 특성을 더욱 향상시킬 수 있음을 전계해석과 실험을 통하여 알 수 있었다.
This paper analyzed the effect of ribs on the breakdown characteristics when a metallic particle attaches on the various spot of GIS spacer, using electric field analysis. Also, it was compared with the experimental result of breakdown voltage characteristics for the spacer with a metallic particle ...
This paper analyzed the effect of ribs on the breakdown characteristics when a metallic particle attaches on the various spot of GIS spacer, using electric field analysis. Also, it was compared with the experimental result of breakdown voltage characteristics for the spacer with a metallic particle on its various spot and with the shape, the length, and the thickness of the ribs varying. The results of electric field analysis show that the electric field concentration of the rib is more weakened than other parts and therefore it restrains the proceeding of streamer, which occurs at the breakdown. And it is verified through experiments that the breakdown voltage of the spacer with rib is higher than that of the spacer without rib. The breakdown characteristics depend on the shape, the length, and the thickness of the rib as well. Also, it is confirmed by the electric field analysis and the experimental results that the electric breakdown characteristics could be improved by rounding the rib edge.
This paper analyzed the effect of ribs on the breakdown characteristics when a metallic particle attaches on the various spot of GIS spacer, using electric field analysis. Also, it was compared with the experimental result of breakdown voltage characteristics for the spacer with a metallic particle on its various spot and with the shape, the length, and the thickness of the ribs varying. The results of electric field analysis show that the electric field concentration of the rib is more weakened than other parts and therefore it restrains the proceeding of streamer, which occurs at the breakdown. And it is verified through experiments that the breakdown voltage of the spacer with rib is higher than that of the spacer without rib. The breakdown characteristics depend on the shape, the length, and the thickness of the rib as well. Also, it is confirmed by the electric field analysis and the experimental results that the electric breakdown characteristics could be improved by rounding the rib edge.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 보다 정확한 전계해석을 위하여 실제의 GIS 전극에 가깝게 직경이 충분히 큰 전극을 모의하여 여러 형상의 립-스페이서에 대한 전계 해석을 수행하였으며, 실험을 통하여 얻은 절연 파괴 전압 측정 결과를 전계 해석의 결과와 비교. 검토함으로써 립-스페이서의 전반적인 특성을 밝히고자 하였다 [6, 7].
제안 방법
립은 실험의 목적에 따라 스페이서에서의 위치, 두께 등을 달리하여 다양한 형태로 제작하였다. 단, 전계 해석시에는 실제 스페이서에 사용되는 재질인에폭시를 적용하였다.
따라서, 본 논문에서는 보다 정확한 전계해석을 위하여 실제의 GIS 전극에 가깝게 직경이 충분히 큰 전극을 모의하여 여러 형상의 립-스페이서에 대한 전계 해석을 수행하였으며, 실험을 통하여 얻은 절연 파괴 전압 측정 결과를 전계 해석의 결과와 비교. 검토함으로써 립-스페이서의 전반적인 특성을 밝히고자 하였다 [6, 7].
본 논문에서는 GIS의 스페이서에 금속성 파티클이 부착되었을 경우 GIS의 절연파괴 특성 저하를 최대한 억제할 수 있는 방법 중의 하나인 립-스페이서에 대한 전계 해석과 절연 파괴 실험을 통하여 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
본 논문에서는 유한 요소법(FEM)을 이용한 전계 해석 프로그램인 MAxwell을 이용하여, 선형도전성파티클(직경 : 057[<皿], 길이 : 2[皿], 재질: 구리) 이 립-스페이서에 부착되었을 경우, 립의 길이와 두께 및 모양 등의 변화에 따른 전계 분포 변화를 검토하였다.
대상 데이터
스페이서-C는 립이 없는 일반적인 스페이서를 모의한 것이다. 절연파괴 시험을 위한 립-스페이서의 재질은 아크릴로 제작하였으며, 립을 제외한 각 스페이서의 직경 및 높이는 각각 30[皿1]로 하였다. 립은 실험의 목적에 따라 스페이서에서의 위치, 두께 등을 달리하여 다양한 형태로 제작하였다.
성능/효과
1) FEM을 이용한 3차원 전계 해석의 결과 립의 중간 부분에서의 전계 분포가 다른 부분보다 현저히 낮음을 확인할 수 있었다.
2) 전 계해석을 통하여 립의 길이를 길게 할수록 립 중간 부분의 저전계 영역이 길어짐을 알 수 있었으며, 파괴 전압 실험 결과 립의 길이가 길어질수록 파괴 전압이 상승함을 확인할 수 있었다.
3)가상스트리머를 이용한 전계 해석의 결과, 가상 스트리머가 립의 중간까지 진전되었을 경우에 그 주위의 전계 분포가 가상스트리머가립의 시작단과 끝단에 도달하였을 때보다 낮게 나타났다.
4) 파괴 전압 실험 결고卜, 립-스페이서를 사용함으로써 금속성 파티클이 스페이서에 부착될 경우 립이 없는 스페이서보다 파괴 전압이 높게 나타났다.
5) 전 계해석을 통하여 립의 끝단을 라운드 처리할 경우 가상스트리머에 의하여 립의 끝단에 전계가 강하게 집중되는 것이 완화됨을 확인할 수 있었으며, 파괴 전압 실험을 통하여 립의 끝단을 라운드 처리한 립-스페이서가립의 끝단을 라운드 처리하지 않은 립-스페이서보다 파괴 전압이 높게 나타남을 알 수 있었다.
6) 전 계해석을 이용하여 립의 두께가 얇은 경우 가 립의 두께가 두꺼운 경우보다 립주위에서의 전계 집 중이 강하게 나타났으며, 이를 통하여 립의 두께가 두꺼울수록 파괴 전압이 상승할 수 있다는 것을 추정할 수 있었다.
그림 7은 그림 6의 실험장치를 이용하여 얻은 스페이서-A와 립의 끝단을 라운드 처리한 스페이서-B, 그리고 립이 없는 일반적인 형상의 스페이서-C에 대한 절연 파괴 실험 결과를 보여준다. 결과에서 나타난 바와 같이, 립이 없는 스페이서-C보다는 립의 형상을 가지고 있는 스페이서들에서 파괴 전압이 전체적으로 증가한 것을 볼 수 있다.
그림 8은 립의 길이 변화에 따른 파괴 전압 특성을 살펴보기 위하여 스페이서-A형의 립-스페이서를 이용하여 얻은 파괴 전압 실험 결과이다. 결과에서 볼 수 있듯이 립의 길이가 증가할수록 파괴 전압이 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 앞에서 설명한 바와 같이 립의 길이가 길어질수록 저전계 영역을 가지고 있는 립에 의한 방전 경로가 늘어나기 때문이다.
그림을 살펴보면 파티클의 끝단에 전계가 집중되며 립은 스페이서의 몸통보다 상대적으로 전계 분포가 완만하게 분포하며, 특히 립의 중간 부분에서 전계 집중이 가장 완만하게 분포되는 것을 볼 수 있다. 따라서 스페이서에 립의 형상을 만들어 줌으로써 스페이서에서의 방전거리를 중가시킴과 더불어 립 자체가 스페이서의 연면을 따라 진행하게 되는 스트리머의 진전을 억제흐-는 역할을 하게 되며, 립의 길이가 길어질수록 이리한 효과는 더욱 커질 수 있음을 추정할 수 있다.[8]
이상의 전계 해석과 파괴 전압 실험을 통하여 스페이서에 립의 형상을 만들어 줌으로써 립이 없는 스페이서보다 파괴 전압특성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 립의 길이를 길게 하고 립에서 각이지는 부분을 둥글게 라운드 처리함으로써 립의 효과를 더욱 크게 할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상의 전계 해석과 파괴 전압 실험을 통하여 스페이서에 립의 형상을 만들어 줌으로써 립이 없는 스페이서보다 파괴 전압특성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 립의 길이를 길게 하고 립에서 각이지는 부분을 둥글게 라운드 처리함으로써 립의 효과를 더욱 크게 할 수 있음을 확인할 수 있었다.
참고문헌 (8)
권동진 외, "변전설비 진단기술 개발 연구(최종보고서)", 전력연구원, pp. 69-108, 1998.
윤덕량 외, "GIS 무정전 점검기법 연구(최종보고서)," 한국전기안전공사, pp. 1-131, 1996.
Fumihiro Endo et al, "Enhancement of Insulation Reliability of GIS", Japan-Korea Symposium on ED and HVE, pp. 5-10, 1997.
Tokio Yamagiwa et al, "Particle-initiated Breakdown Characteristics on a Ribbed Spacer Surface for $SF_6$ Gas Insulated Switchgear", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 3, No. 3, pp. 954-960, 1988.
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