[논문]Dry Air Gas를 적용한 초고압 Switchgear 절연특성연구

정동훈; 정영환; 서경보; 김태한; 김정배; 이학성

문제 정의

확보할 수 있었다. SF6가스를 대체하기 위한 Dry Air Insulated Switchgear (DAIS) 기술에 대한 해석과 특성시험을 실시하여 170kV DAIS E/DS Test Model의 절연설계기준을 수립하고 High Voltage 급에 Dry Air가스 및 절연특성 향상을 위한 기술을 설명하고자 한다.
SF6가스에 비해 1/3정도의 절연성능을 가진 Dry Air 가스를 주입하여 전압을 인가하여 구성품 및 Dry Air 가스의 절연 특성과 성능을 확인하기 위한 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 High Voltage급인 170kV급에서 상용화 되고 있는 E/DS Chamber에 Dry Air 가스를 적용하여 전계해석을 통한 형상변경, 절연소재별, 가스압력, 02 혼합비에 대한 전략으로 절연성능을 확보하는 연구를 수행하였다.
이에 절연코팅 소재별 연구를 진행하였다.

제안 방법

170kV DAIS 용 E/DS 1차 Prototype에 대해 절연시험 전 현재 구조에서 절연 내력을 파악하고 해석 결과와 절연시험 결과 비교를 하기 위해 170kV DAIS E/DS Test 모델 각 부분의 전계 해석을 실시하였으며 전계강도 llpu]로 하여 절연설계기준에 부합 여부를 확인하고 Dry Air의 설계 기준을 수립 코자 한다. 이때 기준전계강도는 SF6 가스 기준이며 Dry Air의 경우는 대략적으로 0.
Bushing 부분은 SF6 가스를 주입하고 E/DS 부분에는 진공 후에 Dry Air 가스를 주입하고 가스압력은 가설정된 최소보증압력을 기준으로 설정 하였다.
도달하지 못했다. Epoxy 코팅 절연을 통한 성능보완을 추가적으로 실시한 Prototype을 제작하고 시험을 하였다.
못한 결과였다. 따라서 Dry Air에 대한 적정압력을 선정하기 위하여 가스압력 상승에 따른 시험을 실시하였다. Dry Air 가스의 유전특성은 부극성 일 때보다 정극성 일 경우에 특성이 좋다.
절연특성을 연구한 결과이다. 복합 절연을 적용하여 정격의 110%까지 절연성능을 확보 하였다.
본 논문에서는 High Voltage급에서 170kV급 상용화 중인 E/DS Chamber에 Dry Air 가스를 적용하여 전계해석을 통한 형상변경, 절연소재별, 가스압력, 02 혼합비에 대한 절연성능을 확보하여 복합절연으로 Prototype을 설계 제작하였다. 시험에 앞서 가설정된 보증압력을 Chamber에 주입하고 지속적인 시뮬레이션을 통하여 F.
제작하였다. 시험에 앞서 가설정된 보증압력을 Chamber에 주입하고 지속적인 시뮬레이션을 통하여 F.0 발생지점을 미리 예상하여 시험 진행을 원활히 하였다.
Dry Air 가스의 유전특성은 부극성 일 때보다 정극성 일 경우에 특성이 좋다. 절연성능 검증을 위해 부극성일 때 시험을 진행 하였으며 가스압력에 따른 Breakdown 전압을 확인하기 위해서 동일한 챔버에 가스압력을 4~6[kg/cnf . G] 변경하여 뇌충격내전압시험을 하였다. 그림 10은 시험결과를 나타낸 그래프이며 15%~16%정도 가스 압력당 BDV값이 상승함을 알 수 있었다.
절연성능 향상 방안으로 1차 Prototype에서 절연 성능에 대한 검증을 실시한 결과를 바탕으로 4가지 방안, 즉 절연 코팅 및 해석을 통한 형상변경, Dry Air O₂혼합비, 가스 압력상승을 이용하여 2차 Prototype에서는 절연성능 확보 방안으로 복합절연을 적용 하였다.
절연성능이 뛰어난 절연코팅 4개사 제품에 대한 절연 성능검증을 하기 위하여 동일한 절연거리와 가스압력으로 시험챔버에 Dry Air를 주입하여 충격시험을 진행하였다.
u] 결과를 얻었으며, 전계치가 약 20% 정도 감소한 결과이다. 해석을 통한 설계 변경하여 수정하였다. 해석을 통해서 제작한 도체를 적용하여 충격시험을 한 결과 96%의 절연성능을 확보 할 수 있었으며 제작된 도체의 절연취약부에 W사의 코팅제를 적용하여 절연성능을 항상 시켜 가스 압력 5[kg/cirf .

성능/효과

170kV DAIS E/DS Model의 각 부분을 해석한 결과 수동 ES의 도체부분이 전계치가 가장 높은 것으로 나타났다. 해석 결과를 바탕으로 수동ES 도체부분에 대해 설계변경을 실시하여 절연성능이 13% 향상된 것으로 제작을 하였다.
Bushing 쪽에는 SF6 가스를 E/DS 구간에는 Dry Air 가스를 적용하였다. 1차 절연시험에서는 그림 13의 (a)에 대해 가스 압력과。2 혼합비 전략을 적용하여 2차 Prototype의 절연성능에 대해 검증하였으나 정격의 93% BDV값을 얻을 수 있었다. 100%성능을 확보하기 위해서는 여전히 부족한 결과였다.
것이다. AC내전압시험 결과 정격의 105% Breakdown Voltage 성능이 었으며 충격시험결과는 4[kg/cnf . G]와 5[kg/cnf . G]의 가스 압력을 비교한 결과 76% Breakdown Voltage 향상을 알 수 있었다. 하지만 정격에 비해 여전히 부족한 절연내력을 가지고 있었다.
Dry Air 절연설계기준을 정립하고 해석의 신뢰도를 높이기 위하여 해석과 실험을 통한 Data를 비교분석을 통하여 110% 성능을 확보 할 수 있었다.
Dry Air 절연설계기준을 정립하고 해석의 신뢰도를 높이기 위하여 해석과 실험을 통한 Data를 비교분석하여 110% 성능을 확보할 수 있었다. SF6가스를 대체하기 위한 Dry Air Insulated Switchgear (DAIS) 기술에 대한 해석과 특성시험을 실시하여 170kV DAIS E/DS Test Model의 절연설계기준을 수립하고 High Voltage 급에 Dry Air가스 및 절연특성 향상을 위한 기술을 설명하고자 한다.
3가지 절연가스에 대해서 절연내력을 비교하면 SF6 가스를 100이라 했을 때, 대략 N₂ 가스가 37, Dry-Air가 39정도로 요약할 수 있다. Dry Air의 구성 풀질은 N/02 로 되어 있으며 o2 배합을 변화시키는 것으로 공기보다도 절연성이 우수한 가스를 만들 수 있는 가능성이 있으며 실제 절연물에 대한 연면전계는 SF6의 가스중과 절연물표면 비를 Hp.u]라 할때 Dry Air의 비는 약 5% 높은 것으로 나타났다. 만약 Dry Air Gas가 SF6 Gas의 절연성능을 가지고 있다면 절연물 표면에서는 F.
전압을 나타낸 그래프이다. 기존 Dry Air 가스를 주입하고 시험하였을 경우를 기준으로 하여 약 3%의 BDV값상승을 확인할 수 있었다.
하지만 정격에 비해 여전히 부족한 절연내력을 가지고 있었다. 본 시험을 통하여 Dry Air는 AC 내전압에 대한 절연성능은 105%로 양호하나 뇌충격 내전압에 대한 절연 특성은 상대적으로 취약함을 알 수 있었다.
전계해석을 통하여 형상을 변경(Type I)하였을 때 약 12[%] 절연성능이 향상되었고, Epoxy 코팅을 적용하였을 경우 약3[%] BDV값이 상승하였다. 이와 같이 Epoxy Coating 에 의한 효과가 미비한 것은 절연거리가 Coating에 의해 거리가 축소되었기 때문에 에폭시 코팅을 하였을 때 큰 효과를 보지 못한 것으로 판단된다.
112%의 BDV값을 얻었다. 코팅제별 절연 코팅제의 두께를 200㎛이상으로 하여 시험모델을 제작하였으며 R사의 전기절연 강도가 높음에도 불구하고 BDV값이 낮은 이유는 액상 도료로 제작 후 표면접착이 되지 못하고 흘러내리기 때문에 표면 고르기가 거칠게 제작되었기 때문이라 사료되며 절연시험을 한 결과 W사의 코팅제가 Switchgear에 적용되었을 때 가장 높은 절연성능을 가짐을 알 수 있었다.
해석 결과를 바탕으로 수동ES 도체부분에 대해 설계변경을 실시하여 절연성능이 13% 향상된 것으로 제작을 하였다.
해석을 통한 설계 변경하여 수정하였다. 해석을 통해서 제작한 도체를 적용하여 충격시험을 한 결과 96%의 절연성능을 확보 할 수 있었으며 제작된 도체의 절연취약부에 W사의 코팅제를 적용하여 절연성능을 항상 시켜 가스 압력 5[kg/cirf . G]에서 100%와 6[kg/ctf . G]에서 110% 의 절연성능을 확보 할 수 있었다.

후속연구

앞으로 SF6 가스를 대체하는 복합절연을 제품화에 적용하기 위하여 신뢰성 높은 해석과 지속적인 실험을 통하여 절연설계기준 신뢰성을 검증하고 온도 및 열적 특성에 관한 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.

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