[논문]장간유리애자 파손시 절연파괴 특성

정종욱; 정진수; 김영석

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 파손된 장간유리애자를 수거 하여 국제기준에 준해 상용주파전압을 이용한 건조 및 주수섬락시험과 정.부극성의 충격전압을 인가한 50[%] 섬락전압을 각각 측정하였다.
본 논문은 불특정 원인에 의해 파손된 장간유리애자의 전기적 절연파괴 특성을 건전시료와 비교하여 분석하였다. 이를 위해 건조시 및 주수시의 상용주파 절연파괴전압 및 50[%] 섬락전압을 측정하였으며, 절연파괴가 애자 표면상의 어떠한 경로를 통해 발생하는지 관찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 장간유리애자의 절연파괴 특성을 알아보기 위해 건전시료 및 현장에서 수거한 파손시료를 이용하여 시험 장치를 구성하고 건조시와 주수시의 상용주파 절연파괴전압 및 건조시 5아:%] 섬락전압을 측정하였다. 본 시험을 위해 사용한 장간유리애자는 shell 1개의 직경 이 255[mm] 높이가 146[mm]인 것으로서, 총 4개의 shell을 지 닌 장간유리애자 3종을 준비하였으며, 상세 사양을 표 4에 나타내었다.
본 연구에서는 장간유리애자의 절연파괴 특성을 알아보기 위해 건전시료 및 현장에서 수거한 파손시료를 이용하여 시험 장치를 구성하고 건조한 상태에서 상용주파 절연파괴전압을 측정한 결과를 그림 9에 나타내었다.
그러나 고속 전차선로에 적용되어 있는 장간유리애자의 양적 규모 및 시설의 국가적 중요성을 감안하면, 이에 대한 전기적, 기계적 제반 특성을 파악하는 등의 노력이 경주되어 야 한다. 특히, 장간유리애자의 shell이 어떠한 원인에 의해 파손된 후의 전기적 성능은 파손 전에 비해 저하될 것이 자명하며, 이 저하의 정도가 건전상태에 비해 어느 정도가 되는지에 대한 이해를 통해 선로 운전전압에 대한 여 유도도 파악해 두어 야 할 것이다. 장간유리애자에 사용되는 유리는 열처리에 의해 고도로 강화된 유리로서, 자기애자나 폴리머애자와는 다른 기계적 파괴 특성을 나타내며, 이 특성이 장간유리애자의 전기 적 파괴 에 영향을 미 칠 수도 있다.

제안 방법

측정된 각 절연파괴전압은 상호 비교를 통해 분석 되 었으며 , 마지 막으로 건조시 와 주수시 장간유리애자에서 발생하는 절연파괴의 진행메카니즘 및 양상을 비교하여 도해하였다. 또한, 섬 락이 발생한 장간유리애자의 표면을 관찰한 결과, 도전로가 형성된 것을 발견하였으므로, 누설전류가 진행하는 경로에 대한 고찰도 병행하였다. 최종적으로 모든 시험결과 및 분석을 토대로, 전기적 제반 원인 이장 간유리 애자에 부정 적 으로 기 여 하는 영향도 검토하였다.
정.부극성의 충격전압을 인가한 50[%] 섬락전압을 각각 측정하였다. 측정된 각 절연파괴전압은 상호 비교를 통해 분석 되 었으며 , 마지 막으로 건조시 와 주수시 장간유리애자에서 발생하는 절연파괴의 진행메카니즘 및 양상을 비교하여 도해하였다.
. 상용주파 내 전압시험 이 완료된 후 인가전압만을 충격전압으로 바꾸어 정극성 및 부극성의 50[%] 섬락전압을 측정하였다. 건조한 상태에서의 모든 시험이 완료된 후 도전율이 100[uS] 정도인 물을 45^。 하방으로 시료에 뿌려 충분히 젖게 한 후 건조시와 동일한방법으로 상용주파 절연파괴전압을 측정하였다.
시험은 시료 A, 시료 B 및 시료 C의 순서로 진행되었으며, 그림 5와 같이, 상부에 전압을 인가하고 하부를 접지하였다. 상용주파 절연파괴전압을 측정하기 위한 모든 세팅이 완료된 후, 전압을 3[kV/s]의 속도로 증가시키면서 절연파괴 되는 순간의 전압을 10회 측정하였다. 10 개의 데이터 중 최대값과 최소값을 제외한 8개 시험값의 평균값을 절연파괴전압으로 취 하였디.
이를 위해 건조시 및 주수시의 상용주파 절연파괴전압 및 50[%] 섬락전압을 측정하였으며, 절연파괴가 애자 표면상의 어떠한 경로를 통해 발생하는지 관찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이와 같이 준비된 시료에 대해 우선 상용주파 절연파괴전압을 측정하였다. 시험은 시료 A, 시료 B 및 시료 C의 순서로 진행되었으며, 그림 5와 같이, 상부에 전압을 인가하고 하부를 접지하였다.
또한, 섬 락이 발생한 장간유리애자의 표면을 관찰한 결과, 도전로가 형성된 것을 발견하였으므로, 누설전류가 진행하는 경로에 대한 고찰도 병행하였다. 최종적으로 모든 시험결과 및 분석을 토대로, 전기적 제반 원인 이장 간유리 애자에 부정 적 으로 기 여 하는 영향도 검토하였다.
부극성의 충격전압을 인가한 50[%] 섬락전압을 각각 측정하였다. 측정된 각 절연파괴전압은 상호 비교를 통해 분석 되 었으며 , 마지 막으로 건조시 와 주수시 장간유리애자에서 발생하는 절연파괴의 진행메카니즘 및 양상을 비교하여 도해하였다. 또한, 섬 락이 발생한 장간유리애자의 표면을 관찰한 결과, 도전로가 형성된 것을 발견하였으므로, 누설전류가 진행하는 경로에 대한 고찰도 병행하였다.
상용주파 내 전압시험 이 완료된 후 인가전압만을 충격전압으로 바꾸어 정극성 및 부극성의 50[%] 섬락전압을 측정하였다. 건조한 상태에서의 모든 시험이 완료된 후 도전율이 100[uS] 정도인 물을 45^。 하방으로 시료에 뿌려 충분히 젖게 한 후 건조시와 동일한방법으로 상용주파 절연파괴전압을 측정하였다. 모든 시험은 온도 5.

대상 데이터

및 건조시 5아:%] 섬락전압을 측정하였다. 본 시험을 위해 사용한 장간유리애자는 shell 1개의 직경 이 255[mm] 높이가 146[mm]인 것으로서, 총 4개의 shell을 지 닌 장간유리애자 3종을 준비하였으며, 상세 사양을 표 4에 나타내었다.

데이터처리

상용주파 절연파괴전압을 측정하기 위한 모든 세팅이 완료된 후, 전압을 3[kV/s]의 속도로 증가시키면서 절연파괴 되는 순간의 전압을 10회 측정하였다. 10 개의 데이터 중 최대값과 최소값을 제외한 8개 시험값의 평균값을 절연파괴전압으로 취 하였디..

성능/효과

(1) 건조시 및 주수시 에 실시한 상용주파 절연파괴전압은 건전한 장간유리애자가 파손된 애자에 비해 각각 L3배 및 1.6배 정도 높은 값을 나타내었다. 이때 건전시료에서 발생하는 방전 초기의 스트리머는 대지로부터 시작되어 애자 상부를 향해 교락되었으며, 교락시에는 대부분 애자 shell의 말단을 잇는 기중 절연파괴의 형태를 나타내었으나, 상부 3 번째 애자까지를 제1경로로 하고 이 애자로부터 접지까지를 제2 경로로 하는 형태의 절연파괴도 빈번히 관찰되었다.
(2) 건조시 5아:%] 섬락전압은 건전시료의 경우 부극 성이 정극성보다 1.2배 정도 높은 값을 나타내었으며, 파손된 장간유리애자의 경우에는 거의 비슷한 값을 나타내었다. 또한, 상용주파전 압에 의한 절연파괴시 와 마찬가지로 접 지 측으로부터 발달한 스트리머에 의해 기중절연이 파괴되어 교락 되는 것을 알 수 있었다.
(3) 모든 시험이 종료된 후 장간유리애자의 표면 상태를 관찰한 결과, 방전로가 장간유리애자의 표면에 부분적 으로누렇게 탄화된 흔적이 애자 표면의 주물선과는 무관하게 남아 있었다.
(4) 고속전차선로에서 절연과 지지물의 기능을 담당하는장간유리애자의 경우, 건전한 시료라면 전기적 절연파괴에 의해 소손되지 않을 가능성이 크며, 일단 어떠한 원인에 의해 장간유리애자가 파손되었을 경우, 이 애자의 절연파괴전압을 초과하는 전압 인가시 파손된 부위가 확대될 가능성이 있을 것으로 사료된다.
또한, 절대값으로 보면 부극성의 5아:%] 섬락전압이 정극성에 비해 건전시료인 A의 경우 약 122[%], 파손시료인 C의 경우 105[%] 정도 높은 것을 알 수 있었으며, 이는 직류나 충격전압에 적용되는 극성효과에 의한 것임을 알 수 있었다 . [5] 장간유리애자 표면에서 시 작한 연면방전이 완전한 절연파괴로 이어지는 순간을 촬영한 사진으로부터 알 수 있듯이, 접지측으로부터 발달한 스트리머가 전압 인가측으로 진행하고 이로 인해 기중절연이 점차 파괴되어 교락으로 이어지는 것을 알 수 있다. 이 과정을 그림 14에 나타내었다.
2배 정도 높은 값을 나타내었으며, 파손된 장간유리애자의 경우에는 거의 비슷한 값을 나타내었다. 또한, 상용주파전 압에 의한 절연파괴시 와 마찬가지로 접 지 측으로부터 발달한 스트리머에 의해 기중절연이 파괴되어 교락 되는 것을 알 수 있었다.
9[%]의 충격전압에서 측정되었다. 또한, 절대값으로 보면 부극성의 5아:%] 섬락전압이 정극성에 비해 건전시료인 A의 경우 약 122[%], 파손시료인 C의 경우 105[%] 정도 높은 것을 알 수 있었으며, 이는 직류나 충격전압에 적용되는 극성효과에 의한 것임을 알 수 있었다 . [5] 장간유리애자 표면에서 시 작한 연면방전이 완전한 절연파괴로 이어지는 순간을 촬영한 사진으로부터 알 수 있듯이, 접지측으로부터 발달한 스트리머가 전압 인가측으로 진행하고 이로 인해 기중절연이 점차 파괴되어 교락으로 이어지는 것을 알 수 있다.
5BV]로 환산되었다. 실험 결과로부터 상용주파전압에 의한 절연파괴전압은 파손된 시료 C가 건전시료 A에 비해서는 약 73.6[%], B에 비해서는 약 80.4[%]를 나타내었으며, 4번째 shell 의 크기가 작은 시료 B는 shell의 크기가 동일한 시료 A에 비해 약 91.5[%]의 전압에서 절연파괴되는 것을 알 수 있었다. 건조시 상용주파 전압에 의한 절연파괴는 전압 인가 초기에는 상.
실험결과로부터 .알 수 있듯이, 정상적인 시료의 경우에 비해 파손된 시료의 50[%] 섬락전압은 정극성이 약 69.2[%], 부극성이 약 59.9[%]의 충격전압에서 측정되었다. 또한, 절대값으로 보면 부극성의 5아:%] 섬락전압이 정극성에 비해 건전시료인 A의 경우 약 122[%], 파손시료인 C의 경우 105[%] 정도 높은 것을 알 수 있었으며, 이는 직류나 충격전압에 적용되는 극성효과에 의한 것임을 알 수 있었다 .
절연파괴의 양상 또한 건조시와 다르게 나타났으며, 건조시 상용주파 전압에 의한 절연파괴는 단발성 절연파괴 양상을 띠는데 반해 주수시에는 절연파괴가 2~3회에 걸쳐 나타나는 등의 현상이 관찰되었다. 이는 장간유리애자의 젖은 표면을 연하는 경로가 누설전류로 인해 건조와 젖는 과정을 반복함으로 인해 발생하는 것으로서 건조시 절연파괴가 주로 각 shell의 말단을 잇는 기중절연파괴의 양상을 띠는데 반해 주 수시 절연파괴는 누설전류의 경로가 각 shell의 rib 상에도 형성되어 보다 길어지기 때문인 것으로 사료되었으며, 최종방전 직전의 부분방전 발생과정에서 모든 shell의 표면에서 미약하나마 신틸레이션이 발생하는 것을 관찰함으로써 확인되었다. 한편, 절연파괴의 양상은 건조시와 유사하게 건전 시료의 경우에는 장간유리애자의 shell을 잇는 기 중 방전이나 애자 상부로부터 3번째 애자를 경유하는 방전이 발생하며, 파손된 애자의 경우에는 파손된 애자를 경유하는 방전이 나타나는 것을 알 수 있었디' 그러나 장간유리애자의 shell을 잇는 기중방전의 경우, 건조시의 시험에 비해 그림 17과 같이 장간유리애자 표면을 따라 진행하는 방전로의 길이가 증가하는 것을 알 수 있었으며, 이를 그림 18에 도해하였다.
즉, 파손된 시료의 절연파괴전압은 건전 시료의 약 60[%] 정도로서, 이는 건조시 건전시료에 대한 파손시료의 절연파괴전압 감소폭보다 증가한 것이다. 절연파괴의 양상 또한 건조시와 다르게 나타났으며, 건조시 상용주파 전압에 의한 절연파괴는 단발성 절연파괴 양상을 띠는데 반해 주수시에는 절연파괴가 2~3회에 걸쳐 나타나는 등의 현상이 관찰되었다. 이는 장간유리애자의 젖은 표면을 연하는 경로가 누설전류로 인해 건조와 젖는 과정을 반복함으로 인해 발생하는 것으로서 건조시 절연파괴가 주로 각 shell의 말단을 잇는 기중절연파괴의 양상을 띠는데 반해 주 수시 절연파괴는 누설전류의 경로가 각 shell의 rib 상에도 형성되어 보다 길어지기 때문인 것으로 사료되었으며, 최종방전 직전의 부분방전 발생과정에서 모든 shell의 표면에서 미약하나마 신틸레이션이 발생하는 것을 관찰함으로써 확인되었다.
하부의 교락으로 직접 진행하는 양상을 나타내며, 이는 후술할 주수시의 방전 메카니즘과는 "건조대” 형성이 생략되었다는 점에서 차이를 보인다. 한편, 그림 11에 보인 바와 같이, 상용주파전압에 의한 절연파괴시 시료 A와 시료 B의 경우, 방전 초기의 스트리머는 대지로부터 시작되어 애자 상부의 전압인가부를 향해 교락되었으며, 교락시에는 대부분 애자 shell의 말단을 잇는 기중 절연파괴의 형태를 나타내었으나, 상부로부터 3번째 애자까지를 제1경로로 하고 상부 3번째 애자로부터 접지까지를 제2경로로 하는 형태의 절연파괴도 빈번히 관찰되었으며, 이는 결국 장간유리애자가 절연파괴될 경우, 다른 shell에 비해 3번째 shell이 경험하는 충격이 클 것이라는 가정을 가능하게 한다. 이에 대한 보다 상세 한 고찰은 장간유리애자에 대한 전계 분포를 해석 함으로써 가능할 것으로 사료되며, 본 연구에서는 전계해석은 고려대상에서 제외하였다.

후속연구

파손”이 없이 “건전상태”를 유지하거나 "파손상태”로만 판정되는 특성을 지니므로, 열화가 서서히 진행되는 자기애자나 폴리머애자와는 달리 원거리에서 육안으로 건전성 여부를 쉽게 판정하기 위한 용도로 매우 적합하므로, 국내의 경우 주로 전차선로에 채용되며, 케이블카의 삭도 등에도 가끔 사용되고 있다. 본 연구에서는 유리애자의 규격이 자기애자의 규격과 완전히 일치하지 않는 관계로 두 대상을 비교하여 설명하지는 않았지만, 실험 결과주절연재의 절연파괴전압은 어느 정도 유사하다는 것을 자기애 자의 절연파괴전압을 언급한 기존 문헌과 비교하여 확인하였으몌6], 실험 결과로부터 알 수 있었듯이 향후에는 각 shell에서의 전계집중과 크기를 해석하여 장간유리애자의 형상설계에 반영할 필요가 있을 것으로 사료된다.
한편, 그림 11에 보인 바와 같이, 상용주파전압에 의한 절연파괴시 시료 A와 시료 B의 경우, 방전 초기의 스트리머는 대지로부터 시작되어 애자 상부의 전압인가부를 향해 교락되었으며, 교락시에는 대부분 애자 shell의 말단을 잇는 기중 절연파괴의 형태를 나타내었으나, 상부로부터 3번째 애자까지를 제1경로로 하고 상부 3번째 애자로부터 접지까지를 제2경로로 하는 형태의 절연파괴도 빈번히 관찰되었으며, 이는 결국 장간유리애자가 절연파괴될 경우, 다른 shell에 비해 3번째 shell이 경험하는 충격이 클 것이라는 가정을 가능하게 한다. 이에 대한 보다 상세 한 고찰은 장간유리애자에 대한 전계 분포를 해석 함으로써 가능할 것으로 사료되며, 본 연구에서는 전계해석은 고려대상에서 제외하였다. 한편, 시료 C의 경우에는 시료의 파손된 부분을 경유하여 교락이 진행되었으며, 시험 후 파손 부위에는 그림 12와 같이 작게 조각 난 알루미나 시멘트와 강화유리 파편이 관찰되었다.

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