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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 케이블 접속 후에 수행되는 부분방전의 진단시 정확한 판단을 하기 위해, 실계통을 모의한 계면에 여러 결함을 개입시켜 절연파괴와 부분방전의 패턴을 고찰 그 결함에 따른 상관관계를 파악 분석하였다.
제안 방법
- 측정된 Data의 저장과 분석은 Power Diagnosis 사의 ICM system을 이용하였다. 또한 동일 시험 조건 하에서 결함이 개입되지 않은 건전 시료의 경우, 80kV 까지 인가하여 부분방전이 발생하지 않음을 확인하였고, PD 의 측정은 시편의 조립 후 1시간 경과시킨 후 전압을 인가 하여 실험을 행하였다.
- 시험 챔버 내의 절연은 SF6를 충진하여 절연하였고, 실험시의 전압인가는 분당 5kV씩 상승하여 실험전압에 도달토록 하였다. 본 실험에 이용한 PD 측정방법은 그림 4에서와 같이 접치 측에 고주파 CT를 설치하여 접지측에 흐르는 PD전류 Pulse를 검출하였다. 측정된 Data의 저장과 분석은 Power Diagnosis 사의 ICM system을 이용하였다.
- 본 실험에서는 이와 같은 계면에서 결함에 의해 부분방전이 발생하는 경우를 분석하기 위하여, 에폭시와 고무재료의 모의계면에 접속함 내부에서의 전계와 동일한 전계분포를 갖도록 하기 위해 그림 2와 같은 전극 시스템을 모의한 실험 시료를 구성하였다.
- 5kgf/cm2)을 가하여 시료를 설치하였다. 시험 챔버 내의 절연은 SF6를 충진하여 절연하였고, 실험시의 전압인가는 분당 5kV씩 상승하여 실험전압에 도달토록 하였다. 본 실험에 이용한 PD 측정방법은 그림 4에서와 같이 접치 측에 고주파 CT를 설치하여 접지측에 흐르는 PD전류 Pulse를 검출하였다.
- 우선 본 실험에 앞서 계면 간의 압력이 가해질 수 있는 구조로 시험 챔버를 제작하였고, 압력과 계면파괴 결과와의 분석을 통해 최적의 계면압력을 선정하는 실험을 행하였다. 이후 결함이 개입된 시료 전극을 시험 챔버 내에 넣고 앞서 선정된 적정압력(4.
- 이후 전극 및 시료의 표면을 솔벤트 등을 이용하여 깨끗이 닦은 후, 실조립 상태의 조건과 같게 하기 위해 실리콘 오일을 적절히 균일하게 계면에 도포한 다음, 모의 전극상의 전계를 해석하여 전계가 가장 높은 위치(그림 3의 등전위선 부위)의 에폭시/고무 계면 간에 표 1과 같은 결함을 각각 모의하여 개입시켰다. 여기서 실리콘 오일을 도포하면 도포하지 않은 경우보다 계면의 인가 압력이 증가함에 따라 최대 25% (4kgf/cm2 의 경우) 정도 높은 전압에서 부분방전이 개시되는데, 이는 이물 등의 결함이 있을 때 그 계면에서의 공극을 오일이 채워줌으로써 보이드성에 의한 부분방전 개시를 억제해 주기 때문이다[1].
성능/효과
- 1) Void 의 결함에서 부분방전이 발생하는 경우, 방전개시 이후 부분방전은 시간경과에 따라 감소하거나 사라지며, 인가전압 상승시 방전량은 점차 증가하고 부분방전의 발생 위상은 0° 쪽으로 이동한다. 그리고 부분방전의 발생 패턴은 극성에 관계없이 대칭성을 갖는다.
- 2) 금속이물(동분)이 존재할 경우, 부분방전 개시전압에서 시간이 경과에 따른 방전 패턴은 방전량의 크기와 개수는 점차 줄어들지만 보이드에서와는 달리 완전히 소멸하지는 않는다. 또한 부분방전이 개시된 전압에서부터 인가전압을 상승할 경우, 부분방전의 발생 위상의 변화는 없으며, 초기 부분방전이 발생되는 위상의 폭은 매우 좁게 나타나며 부분방전의 발생형태가 비대칭성을 갖지만, 일전전압 이상 에서는 대칭적인 발생 패턴을 보여주며 발생 위상의 폭도 넓어진다.
- 3) 절연성 이물의 경우, 부분방전의 패턴은 정부극성에 대칭성을 갖으며, 인가 시간 경과에 따라 짧은 시간 내에 소멸해 버린다. 그러나 부분방전 개시 전압은 상대적으로 상당히 높다
- 4) 수분함유 절연성 이물의 경우, 부분방전은 상대적으로 낮은 전압에서 개시되며 대칭성을 갖는 방전패턴을 나타낸다. 그리고 시간 경과에 따라서 부분방전량은 꾸준히 증가되며 방전개시 이후 급속히 파괴로 진전해 버린다.
- 보이드와는 다른 동분의 금속이물이 입자로서 분포되어 있는 경우를 검토해 보면, 초기 부분방전의 개시시 가장 높은 전계가 걸리는 위치의 이물입자에서 집중적인 전자의 방출이 일어나 부분방전 개시 지연시간 rs가 짧게 되고, 방출부위의 이물의 형상의 변화가 거의 없어 일정한 전압에서 부분방전 개시가 일어나는 것으로 판단되며, 이로 인해 그림 9에서 보듯이 금속이물이 입자로서 분포하는 경우 초기 부분방전이 발생하는 위상의 폭이 매우 좁게 되는 것으로 생각되어진다. 그러나 인가전압을 상승하면 점차 방전 위상의 폭이 넓게 발생하는데, 이는 실험 후 금속 이물 부위에 대해 조사한 결과, 낮은 전압에서는 국부적인 방전이 가지형으로 부분적으로 일어나는 흔적을 나타내나, 고압의 경우에는 상대적으로 금속이 물을 중심으로 주위에 넓게 방전부위가 형성된 경우로 보아, 발생위치에 따른 rs가 달라 방전 위상의 폭이 넓게 발생하는 것으로 판단된다.
- 이 계면은 조립과정에서의 이물의 혼입 또는 조립시 조립불량에 따른 공극의 존재 등의 이유로 인해 절연파괴의 주요 원인이 되는 부위이기도 하다. 따라서 이 부위에서의 결함 존재시 부분방전 발생 패턴을 분석하기 위해 조립된 상태에서 전계해석을 하여본 결과, 에폭시/고무 계면에서의 등 전위 분포는 계면 방향에 수직방향으로 형성되어 주로 계면 방향으로 전계가 형성되게 됨을 알았다.
- 그리고 수분이 함유된 경우, 부분방전 발생 위상 폭이 넓고 또한 부분방전량과 그 크기도 아주 현저하게 증가됨을 알 수가 있다. 또한 부분방전이 개시되고 있는 일정전압에서의 시간 경과에 따른 부분방전 특성은 절연 이물인 경우 짧은 시간(수십초)내에 소멸을 하지만, 수분 함유의 경우는 시간 경과에 따라 방전량이 꾸준히 증가하는 특성을 나타내었으며 또한 다른 결함보다도 상대적으로 낮은 30kV정도에서 부분 방전량이 크게 증가하다 그림 11에서와 같이 계면파괴로 진전되었다.
- 이 경우의 부분방전 패턴을 보이드에서와 비교를 하여 보면, 우선 부분방전이 개시된 부분방전 개시전압에서 시간이 경과에 따른 방전 패턴을 조사한 결과, 방전량의 크기와 개수는 점차 줄어들지만 보이드에서와는 달리 완전히 소멸하지는 않는 것으로 확인되었다. 또한 부분방전이 개시된 전압에서부터 인가전압을 상승할 경우, 초기 부분방전이 발생되는 위상의 폭이 매우 좁게 나타나 며 부분방전의 발생형태가 비대칭성을 갖지만, 점차 인가전압을 상승할 경우 일전전압 이상에서는 대칭적인 발생을 보여 주며 발생 위상의 폭도 넓어지고 있음을 확인 하였다.
- 그림 9는 금속이물로서 동분이 등전위선 (전계방향에 수직적으로 분포)을 따라 분포되어져 있을 때 측정된 부분방전 패턴으로서, 동분이 전계방향으로 배치된 경우도 이와 유사한 부분방전 패턴을 보여주고 있다. 이 경우의 부분방전 패턴을 보이드에서와 비교를 하여 보면, 우선 부분방전이 개시된 부분방전 개시전압에서 시간이 경과에 따른 방전 패턴을 조사한 결과, 방전량의 크기와 개수는 점차 줄어들지만 보이드에서와는 달리 완전히 소멸하지는 않는 것으로 확인되었다. 또한 부분방전이 개시된 전압에서부터 인가전압을 상승할 경우, 초기 부분방전이 발생되는 위상의 폭이 매우 좁게 나타나 며 부분방전의 발생형태가 비대칭성을 갖지만, 점차 인가전압을 상승할 경우 일전전압 이상에서는 대칭적인 발생을 보여 주며 발생 위상의 폭도 넓어지고 있음을 확인 하였다.
- 복수의 보이드인 경우도 인가전압이 일정수준 이상이 되면 그림에서 알 수 있듯이 단일 보이드에서와 같이 Double 방전 패턴을 보여 주는데, 단일 보이드와 다른 점은 위상에 비례하는 방전패턴 이 복수 개로 나타난다는 것이다. 이상의 결과들과 그림 5의 방전 원리를 고려하면, 위상에 비례없이 일정한 방전 크기를 갖는 하단부의 방전은 순수한 보이드의 방전으로 생각되고, 위상에 비례하는 방전 패턴은 보이드 벽면에서의 Bulk내로 Tree 또는 열화 현상의 진전에 의해 나타나는 방전에 기인하는 패턴으로 생각되어진다. 복수 보이드인 경우 두 개의 위상 비례 패턴이 나타나는 것은 보이드 내부 벽면의 특성 차이에 의해 발생되는 것으로 판단된다.
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