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문제 정의
- 본 논문에서는 6.6kV급 권선형기기인 전동기의 고정자 권선 및 몰드변압기의 고압권선에서 발생되는 부분방전을 on-line으로 측정하여 절연열화 진단에 이용하고자, 고전압용 ceramic coupler(CC)를 제작하여 센서로서의 특성 및 운전중 장기사용 안정성을 입증하기위한 실험 및 전기적 열화 수명 평가를 실시한 결론은 다음과 같이 나타났으며, 종합적 결론은 현장 적용상 상당한 신뢰성의 부여가 가능한 것으로 판단되어 진다..
- 본 연구를 통하여 개발된 그림 3의 CC에 대한 센서의 품질 신뢰성을 보증하기 위한 장기 안정성 평가를 위하여 장기 가속 열화 모델을 수립하였다. 장기 안정성 평가는 기계적 진동, 열적 열화 및 전기적 열화를 고려하였다.
- 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 본 논문에서는 6.6kV급 회전기 고정자 권선의 부분방전을 on-line으로 측정하는 capacitive coupler로 세계 최초로 ceramic coupler를 적용하기 위하여 이를 설계ㆍ제작 및 평가를 실시하였다. 또한, 본 연구를 통하여 제작된 ceramic coupler를 6.
제안 방법
- 부분방전을 측정하는 ceramic compounds. 개발되는 소체는 EMC 센서의 특성중 제일 주요 특성인 주파수 응답특성을 만족하면서 다른 전기적 특성을 만족하도록 설계되어졌다. 이를 위하여 유전율이 300 근처인 SrTiO3에다 적정 첨가재를 배합하여 소체를 원통형으로 수십 kg/cm2의 압력으로 성형하였다.
- 025mm)을 부착하여 직병렬회로를 구성한 형태에 외부까지 에폭시로 함침하여 구성하였다. 그러나 이러한 구조는 마이카 및 금속전극을 일정 크기로 적층하는 제조공정이 어렵고, 제작과정에서 공극이 발생될 가능성이 높으며, 가격이 높아 새로운 capacitive coupler인 ceramic coupler를 검토하여 개발하게 되었다.
- 기계적 및 열적 안정성 평가를 위하여 사용된 센서 시료 A 및 B 중에서 A 시료는 파괴분석용으로 이용하고, 열화 시료 B 및 새로운 시료 C를 가지고 전기적 안정성을 평가하기 위하여 시료 양단에 13kV의 전압을 인가한 상태에서 1500 시간을 유지시켰다. 전압 가속 열화에 따른 안정성을 평가하기 위하여 초기상태, 인가 중간 상태 및 최종 시점에서 부분방전 및 유전정접 시험을 실시하였다.
- 9~68MHz이며, 전동기용으로 요구되는 내전압 특성은 15kVㆍrms 이상, 8kV 전압 인가시 부분방전 발생량이 3pC 이하의 특성을 요구하는 것으로 나타나 있다. 또한 EMC 의 구조는 capacitor 부분은 마이카 절연(t=0.3mm)에 금속전극(t=0.025mm)을 부착하여 직병렬회로를 구성한 형태에 외부까지 에폭시로 함침하여 구성하였다. 그러나 이러한 구조는 마이카 및 금속전극을 일정 크기로 적층하는 제조공정이 어렵고, 제작과정에서 공극이 발생될 가능성이 높으며, 가격이 높아 새로운 capacitive coupler인 ceramic coupler를 검토하여 개발하게 되었다.
- 센서 A 및 B를 대상으로 113회의 기계적 진동 주기가 인가되었다. 또한, 기계적 진동 55 주기부터는 기계적 진동 중간에 열 충격을 16회 실시하였다. 그림 5를 통하여 부분방전 개시전압 특성을 고찰하면, 초기 상태의 부분방전 개시전압은 14kV 및 9kV였으나, 113회의 기계적 진동시험 및 16회의 열충격 시험 후에도 두 시료 모두 7kV 근처의 부분방전 개시전압을 유지하고 있는 것으로 나타났다.
- 회전기의 열적수명 평가시 인가되는 기계적 진동 주기는 10 - 20 주기 사이이나, 본 연구에서는 113회의 진동 주기를 그림 4와 같이 진동 테이블 위에서 실시하였다. 또한, 기계적 진동 55주기 실시된 시료에다, 기계적 진동 중간에 열적 열화 및 열 충격을 모의하기 위하여 180℃로 유지된 항온조에 3시간을 넣은 후 상온에다 방치하는 것을 한 주기로 하여 16회 실시하였다.
- 6kV급 회전기 고정자 권선의 부분방전을 on-line으로 측정하는 capacitive coupler로 세계 최초로 ceramic coupler를 적용하기 위하여 이를 설계ㆍ제작 및 평가를 실시하였다. 또한, 본 연구를 통하여 제작된 ceramic coupler를 6.6kV급 고압 전 동기 고정자 권선 및 몰드변압기 고압측에 연결하여 발생하는 부분방전을 측정함에 있어서 가장 중요한 장기 사용상 절연파괴 가능성을 평가하는 신뢰성 실험을 실시하였다. 그 과정에서 운전 중 예상되는 온도상승에 대한 유전손실 문제 및 장기사용 안정성을 평가한 결과 기기의 운전수명인 30년보다 2배 이상의 수명을 세라믹 센서가 지니는 것으로 나타났으므로, 현장 적용에 문제가 없는 것으로 추정된다.
- 이를 위하여 유전율이 300 근처인 SrTiO3에다 적정 첨가재를 배합하여 소체를 원통형으로 수십 kg/cm2의 압력으로 성형하였다. 또한, 소체의 양쪽 전극 면에 은(Ag)으로 프린팅 후 800℃로 소성한 금속 전극 층을 형성하는 구조로 하여 기계적 접착력을 높였다. 그림 1은 개발과정을 거쳐 설계 제작된 105pF의 CC 소체로서, 그림에서 보는 것과 같이 105pF 소체는 210pF 소체 2개를 직렬로 연결한 구조로 구성되었다.
- 소체에 가해지는 인가전압은 교류 60Hz로 IkV/sec로 전압을 상승시켜 부분방전 발생을 파악하는 것으로 하였다. 부분방전 실험은 부분방전 측정기(NIHON model CD-5)로 부분방전 개시전압, 부분방전 크기 및 부분방전 소멸전압을 측정하였다. 측정 결과 105pF CC 소체의 부분방전 개시전압은 17kV로 나타났다.
- 소체의 부분방전 특성 파악을 위하여 연면방전이 발생되지 않게 실리콘유 속에다 넣고 차폐실에서 실험을 실시하였다. 소체에 가해지는 인가전압은 교류 60Hz로 IkV/sec로 전압을 상승시켜 부분방전 발생을 파악하는 것으로 하였다. 부분방전 실험은 부분방전 측정기(NIHON model CD-5)로 부분방전 개시전압, 부분방전 크기 및 부분방전 소멸전압을 측정하였다.
- 소체의 부분방전 특성 파악을 위하여 연면방전이 발생되지 않게 실리콘유 속에다 넣고 차폐실에서 실험을 실시하였다. 소체에 가해지는 인가전압은 교류 60Hz로 IkV/sec로 전압을 상승시켜 부분방전 발생을 파악하는 것으로 하였다.
- 앞서 설명된 그림 6 및 그림 8의 유전특성을 고찰하기 위하여, 1500시간의 전압 열화후 시료를 대상으로 상온 및 운전중 센서가 취부될 지점의 최고 추정 온도인 55℃ 부근에서의 유전정접 특성을 파악하였다. 온도 변화 및 전압에 대하여 유전정접 변화를 나타낸 것이 그림 9와 그림 10이다.
- 완성된 CC 제품 센서의 외부는 에폭시 수지로 성형되어 있고 옥내에 설치되어 이용될 센서이므로, 상용주파 건조 섬락전압 시험을 ANCI C29.ll 8-2에 따라 시료 2개에 대하여 실시하였다[12]. 이에 따라 시험된 결과는 표 2에 나타낸 것과 같이 보정된 건조 섬락 전압치는 46kV로 나타났으며, 나머지 시료도 동일한 결과로 나타났다.
- 개발되는 소체는 EMC 센서의 특성중 제일 주요 특성인 주파수 응답특성을 만족하면서 다른 전기적 특성을 만족하도록 설계되어졌다. 이를 위하여 유전율이 300 근처인 SrTiO3에다 적정 첨가재를 배합하여 소체를 원통형으로 수십 kg/cm2의 압력으로 성형하였다. 또한, 소체의 양쪽 전극 면에 은(Ag)으로 프린팅 후 800℃로 소성한 금속 전극 층을 형성하는 구조로 하여 기계적 접착력을 높였다.
- 장기 안정성 핑가에 이용된 시료는 최종 개발과정에서 제작된 15개 시료 중 에폭시 성형과정중 소체와의 계면에서 기포 발생 등으로 부분방전 특성이 낮게 나타난 시료 3개에 대하여 실시하는 것으로 하였으며, 가속 열화 중에 부분방전 개시전압 및 유전정접 특성을 측정하였다. 실험에 이용된 센서 중 센서 A 및 센서 C는 부분방전 개시전압이 14kV로 나타난 시료이며, 센서 B는 부분방전 개시전압이 9kV로 나타난 시료로서 그림 3과 같은 최종품 제작과정에서 초기 특성이 제일 나쁘게 나타난 시료이다.
- 기계적 및 열적 안정성 평가를 위하여 사용된 센서 시료 A 및 B 중에서 A 시료는 파괴분석용으로 이용하고, 열화 시료 B 및 새로운 시료 C를 가지고 전기적 안정성을 평가하기 위하여 시료 양단에 13kV의 전압을 인가한 상태에서 1500 시간을 유지시켰다. 전압 가속 열화에 따른 안정성을 평가하기 위하여 초기상태, 인가 중간 상태 및 최종 시점에서 부분방전 및 유전정접 시험을 실시하였다. 기계적ㆍ열적 열화를 인가하지 않은 C 시료의 경우는 부분방전 개시전압 보다 낮은 전압이 인가되었으나, 기계적ㆍ열적 열화 과정을 마친 B 시료는 부분방전 개시전압보다 높은 전압이 인가되었다.
- 제작된 105pF의 정전용량 값을 가지는 CC 소체에 대한 주파수 응답특성, 유전정접 특성 및 부분방전 시험을 실시하였다.
- 완성품은 높이 90mm, 큰 shed 최대 외경 70mm로 제작되어졌다. 제작시 소체 외부의 연면방전 방지를 위하여 고진공 속에서 탈기 후 에폭시로 molding하였으며, 공기중 외부 섬락을 고려한 누설거리를 고려하여 절연 구조를 설계하였다. 본 구조는 제작공정이 단순하여 저가격의 생산이 가능한 장점도 지니고 있다.
- 5 중력 가속도)로 1시간 동안 진동을 인가하는 조건을 반복하는 것으로 하였다[6]. 회전기의 열적수명 평가시 인가되는 기계적 진동 주기는 10 - 20 주기 사이이나, 본 연구에서는 113회의 진동 주기를 그림 4와 같이 진동 테이블 위에서 실시하였다. 또한, 기계적 진동 55주기 실시된 시료에다, 기계적 진동 중간에 열적 열화 및 열 충격을 모의하기 위하여 180℃로 유지된 항온조에 3시간을 넣은 후 상온에다 방치하는 것을 한 주기로 하여 16회 실시하였다.
대상 데이터
- 또한, 소체의 양쪽 전극 면에 은(Ag)으로 프린팅 후 800℃로 소성한 금속 전극 층을 형성하는 구조로 하여 기계적 접착력을 높였다. 그림 1은 개발과정을 거쳐 설계 제작된 105pF의 CC 소체로서, 그림에서 보는 것과 같이 105pF 소체는 210pF 소체 2개를 직렬로 연결한 구조로 구성되었다.
- 본 연구에서 개발한 CC에 이용된 ceramic compound는 온도보상용 계열로서 온도에 따른 용량변화가 직선적이며 유전율의 온도의존성도 적은 재료를 선택하였으며, 제조조건을 고려하여 6.6kV급 105pF의 정전용량을 가지는 것으로 제작되어졌다.
- 장기 안정성 핑가에 이용된 시료는 최종 개발과정에서 제작된 15개 시료 중 에폭시 성형과정중 소체와의 계면에서 기포 발생 등으로 부분방전 특성이 낮게 나타난 시료 3개에 대하여 실시하는 것으로 하였으며, 가속 열화 중에 부분방전 개시전압 및 유전정접 특성을 측정하였다. 실험에 이용된 센서 중 센서 A 및 센서 C는 부분방전 개시전압이 14kV로 나타난 시료이며, 센서 B는 부분방전 개시전압이 9kV로 나타난 시료로서 그림 3과 같은 최종품 제작과정에서 초기 특성이 제일 나쁘게 나타난 시료이다.
이론/모형
- Endicott와 Eyring는 Daldn[8]이 주장한 화학반응의 활성화 에너지가 부분방전 전계강도에 따라 감소하여 작용한다고 고려한 내용을 이용하여, 화학반응속도 정수 중의 스트레스 함수를 변형하여 통상적으로 전기적 열화를 표현하는데 이용되는 과전수명 식(2)를 도출하여 나타내었다.
성능/효과
- 1. 세라믹 재질을 이용한 105pF 소체는 주파수 응답특성, 부분방전 개시전압, 유전정접 및 건조섬락 전압을 실시한 결과 초기 성능이 매우 우수한 것으로 나타났다.
- 25% 근처로 나타났으나, 열화 960시간까지는 미세한 증가 현상을 보이다 낮아지는 현상으로 나타났다. 1500시간의 13kV 전압열화 후에도 두 시료 모두 유전정접 값이 초기상태에 비하여 큰 증가없이 나타나 매우 안정적인 것으로 평가된다.
- 2. 운전중 장기사용 안정성을 평가하기 위한 기계적 및 열적 복합실험에서도 장기사용상 안정적인 특성을 지니는 것으로 나타났다.
- 3. 전기적 열화수명 평가결과 최소 조건을 상정한 전압열화 수명 계산에서도 기계적ㆍ열적 열화와 관계없이 모두 60년 이상의 수명이 산출되어졌다.
- 3.2항의 측정을 통하여 확인된 소체로 완성된 CC 제품의 주파수 응답 특성은 소체의 경우와 동일하게 나타났으며, 정상적인 완성품에서는 부분방전 특성 실험 결과 부분방전 개시전압이 20kV 이상으로 나타났다.
- 각 소체의 내전압 파괴 특성 파악을 위하여 실리콘유 속에다 그림1의 소체를 넣고 IkV/sec로 전압을 상승시켜 절연 파괴 수준을 파악한 결과 105pF CC 소체는 50kV 이상에서 연면섬락이 발생하였다. 이는 앞서 언급한 6.
- 6kV급 80pF EMC의 요구 부분방전 특성인 8kV 전압 인가시 부분방전 발생량이 3pC 이하보다 2배 이상의 높은 부분방전 초기 성능을 지니는 것을 나타낸다. 각종 전기적 특성을 파악하기 위하여 사용된 시료는 5개 이상으로서 모두 ±5% 이내의 측정 결과를 보여 제조상 품질도 균일한 것으로 나타났다.
- 6kV급 고압 전 동기 고정자 권선 및 몰드변압기 고압측에 연결하여 발생하는 부분방전을 측정함에 있어서 가장 중요한 장기 사용상 절연파괴 가능성을 평가하는 신뢰성 실험을 실시하였다. 그 과정에서 운전 중 예상되는 온도상승에 대한 유전손실 문제 및 장기사용 안정성을 평가한 결과 기기의 운전수명인 30년보다 2배 이상의 수명을 세라믹 센서가 지니는 것으로 나타났으므로, 현장 적용에 문제가 없는 것으로 추정된다.
- 그림 6을 통하여 유전정접 전압 특성을 고찰하면, 초기 상태의 유전정접 값은 0.25% 근처로 나타났으나, 99회의 기계적 진동시험 및 14회의 열충격 시험 후에는 두 시료 모두 0.1% 이하의 유전정접 값이 나타났으나, 113회의 기계적 진동시험 및 16회의 열충격 시험 후에는 유전정접 값이 증가되는 것으로 나타났다. 이는 향후 그림 10으로 설명될 세라믹 소체가 지니는 민감한 온도 특성 및 제품 안정화와 상관성이 있는 것으로 판단되어진다.
- 그림 7을 통하여 부분방전 개시전압 특성을 고찰하면, 초기 상태의 부분방전 개시전압은 i4kV 및 7.2kV였으며, 1500시간의 13kV 전압열화 후에도 두 시료 모두 동일한 부분방전 개시전압을 유지하고 있는 것으로 나타나, 가속전압 장기인가 후에도 부분방전 열화의 성장이 없는 것으로 나타나 매우 안정적인 것으로 평가된다.
- 그림 9 및 10의 결과를 토대로 기계적 및 열적 안정성 평가를 실시한 그림 6에서 나타난 유전정접 값이 낮게 측정된 진동주기 44회부터 99회까지의 결과를 검토하면, 동절기로서 측정시 실온이 상대적으로 낮은 영향이 있는 것으로 판단되나, 이의 영향 보다는 제품 안정화와 상관성이 높은 것으로 판단된다. 이는 1500시간 전압 가속열화 후에 나타난 2 시료의 유전정접 값이 20-30℃부근에서 최소 값을 나타내며, 이 값도 0.
- 그림 8을 통하여 유전정접 전압 특성을 고찰하면, 기계적ㆍ열적 열화를 진행한 시료인 B의 유전정접 값은 열화 960시간까지 증가 현상을 보이다 안정화되는 것으로 나타났다. 반면, 열화되지 않은 C 시료의 초기 유전정접 값은 A 및 B 시료의 기계적ㆍ열적 열화전 초기 상태의 유전정접 값과 같은 0.25% 근처로 나타났으나, 열화 960시간까지는 미세한 증가 현상을 보이다 낮아지는 현상으로 나타났다. 1500시간의 13kV 전압열화 후에도 두 시료 모두 유전정접 값이 초기상태에 비하여 큰 증가없이 나타나 매우 안정적인 것으로 평가된다.
- 본 논문을 통하여 개발되는 ceramic coupler는 정지중 부분방전 측정에는 일부 사용되고 있으나, 운전중 부분방전 측정 센서로는 세계적으로 개발 및 실용화가 현재까지 이루어지지 않은 것으로 독창성 및 저가격의 생산이 가능한 것으로 판단되어졌다.
- 본 연구의 실험에서는 2 종류의 절연재료가 복합으로 사용되어지므로, 수명지수를 선정함에 있어서 적은 값을 기준으로 하고 여기에 시험상 안전율 20%를 감안하기로 하였다. 이렇게 선정된 수명지수 n은 4.
- 부분방전 개시전압을 통하여 장기 안정성을 고찰하면, 기계적 진동에 의하여 부분방전 발생원의 성장 가능성은 확인되어지나, 1500시간의 전압열화 후에도 두 시료 모두 동일한 부분방전 개시전압을 유지하고 있으므로 전압열화에 의한 부분방전 열화의 성장이 없는 것으로 나타나 매우 안정적인 것으로 평가된다.
- 완성된 CC 제품 센서의 상용주파 운전시 유전손실 특성을 파악하기 위하여 schering bridge(Tettex type 2809A)로 인가전압을 상승시키며 측정한 유전정접 특성 결과를 표 1에 나타내었다. 완성된 제품의 유전정접 특성시험 결과에 의하면, 전압 상승에 따른 유전정접의 의존성이 미약하며, 전체 제품의 운전전압에서의 유전정접 값이 0.25% 이하르 사용상 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
- 온도 변화 및 전압에 대하여 유전정접 변화를 나타낸 것이 그림 9와 그림 10이다. 이 실험 결과에 의하면 사용된 세라믹 소체는 온도에 매우 민감한 특성을 지니는 것으로 나타났으며, 전압변화에 의한 영향은 적은 것으로 판단되어진다.
- 전기적 안정성 평가 후의 유전정접에서도 두 시료 모두 유전정접 값이 초기상태에 비하여 큰 증가없이 나타나 매우 안정적인 것으로 평가된다.
- 전기적 열화수명 평가결과에서, 최소 조건을 상정한 전압 열화 수명 계산에서도 기계적ㆍ열적 열화와 관계없이 모두 60년 이상의 수명에서도 파괴가 발생되지 않는 것으로 나타나, 현장 적용상 문제가 없는 것으로 사료된다.
- 최소 조건을 상정한 전압열화 수명 계산에서도 기계적ㆍ열적 열화와 관계없이 모두 60년 이상의 수명에서도 파괴가 발생되지 않는 것으로 나타났다.
- 부분방전 실험은 부분방전 측정기(NIHON model CD-5)로 부분방전 개시전압, 부분방전 크기 및 부분방전 소멸전압을 측정하였다. 측정 결과 105pF CC 소체의 부분방전 개시전압은 17kV로 나타났다. 또한 이 전압값에서 소체 내부의 부 분방전이 아닌 연면방전의 특성을 지닌 것으로 나타났다.
후속연구
- 1% 이하의 유전정접 값이 나타났으나, 113회의 기계적 진동시험 및 16회의 열충격 시험 후에는 유전정접 값이 증가되는 것으로 나타났다. 이는 향후 그림 10으로 설명될 세라믹 소체가 지니는 민감한 온도 특성 및 제품 안정화와 상관성이 있는 것으로 판단되어진다.
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