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문제 정의
- 특히 SF6 가스는 100[%] 회수가 곤란하여 중전기기 제작사의 공장 검수시험시 약 30[%], 한전의 설비 유지보수 및 증설시 약 20[%]가 미회수되어 대기중으로 배출되고 있어 SF6 가스 절감대책에 대한 연구가 절실한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 공장 시험시 대기중으로 배출되는 약 30[%]의 SF6 가스 미회수를 막기 위해 대체 방법으로 N2 가스와 O2 가스가 혼합된 건조공기의 적용 가능성을 확인하고자 하였다 [3-5].
- 본 논문에서는 실제 한전에서 사용하는 170[kV] GIB에서 기존 SF6 가스 대신 건조공기를 사용하여 상용주파전압에 의한 절연파괴 특성을 연구하였다. 상용주파전압을 인가하여 건조공기와 SF6 가스의 절연파괴전압을 비교하여 등가성을 확인하고 건조 공기에 대해서 상용주파 절연파괴 실험에 의한 전압과 전계해석에 의한 절연파괴전압을 비교하여 실험 데이터의 정합성을 검증하여 건조공기에 대한 상용주파 절연파괴 실험식을 산출하였다.
- 이상의 실험결과 본 논문에서는 SF6 가스 사용량을 감축하기 위하여 170[kV] GIB의 공장 검수시험시에 SF6 가스 대신 대체 절연가스인 건조공기의 적용 가능성을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 170[kV] GIB의 절연매체로 SF 6 가스와 건조공기 사용시 전계해석을 통하여 건조공기의 대체 적용 가능성을 검토하였으며, 한전 현장에서 설치 운영하고 있는 GIS의 약 67[%]를 점유하고 있는 효성중공 업에서 제작한 170[kV] 상분리형 GIB와 상일괄형 GIB를 대상으로 상용주파전압을 인가하여 건조공기의 압력변화에 따른 상용주파 절연파괴 실험을 통하여 측정한 절연파괴전압과 SF6 가스 사용시의 절연파괴전압을 비교하고 등가성을 분석하여 건조 공기 사용시 절연파괴전압 실험식을 산출하였다. 또한 산출된 절연파괴전압 실험식으로부터 상용주파 내전압 시험 기준식을 도출하고 적합도를 검증하기 위하여 전계해석상의 취약한 부위에 이물질을 부착하여 실제 절연파괴가 내전압 시험기준 값 이하에서 발생하는지를 확인하였다[6-10].
- 건조공기와 SF6 가스를 1에서 5[Bar]의 조건으로 충진한 후 내부 가스의 수분을 측정하여 10[ppm] 이하를 유지하였다. AC 내전압 시험기를 통하여 60[Hz]의 인가전압을 1[kV]씩 증가하며 절연파괴전압을 측정하였다. 각 실험후 GIB를 분해 점검하여 절연파괴 위치를 육안으로 확인하고 보수점검 및 재조립하여 가스를 충진하고 재실험 하였다.
- AC 내전압 시험기를 통하여 60[Hz]의 인가전압을 1[kV]씩 증가하며 절연파괴전압을 측정하였다. 각 실험후 GIB를 분해 점검하여 절연파괴 위치를 육안으로 확인하고 보수점검 및 재조립하여 가스를 충진하고 재실험 하였다. AC 내전압 시험기의 인가전압 상승은 예상파괴전압의 70[%]까지는 직선상승법을 적용하고, 이후는 1[kV/s]의 계단상승법을 적용하여 실험하였다.
- 건조공기 절연인 경우의 상기 AC 상용주파 절연파괴 실험식과 SF6 가스 사용시 전계해석에 의해 각각 계산된 절연파괴전압을 압력에 따라 그림 6와 같이 비교하여 등가성을 확인하였으며, 표 3에서 실제 실험에 의한 절연파괴전압과 전계해석에 의한 절연파괴전압을 비교하여 실험 데이터의 정합성을 검증하였다.
- AC 내전압 시험기의 인가전압 상승은 예상파괴전압의 70[%]까지는 직선상승법을 적용하고, 이후는 1[kV/s]의 계단상승법을 적용하여 실험하였다. 건조공기의 압력은 1, 3, 5[Bar]을 적용하였으며 비교 실험인 SF6 가스절연의 경우 순도 95[%] 이상의 가스를 1[Bar]로 충진하여 실험하였고 절연파괴특성 실험에서 전압인가 횟수는 매 조건에서 30회 이상으로 하였다. 건조공기 사용시 AC 상용주파 절연파괴 실험결과는 표 3과 같이 나타내었다.
- 도출된 170[kV] GIB의 상용주파 내전압 기준식을 검증하기 위해 인위적으로 그림 7과 같이 길이 1[cm], 직경 2[㎜]인 원통형 알루미늄 금속으로 이물질을 제작한 후 결함원으로 사용하여 그림 8과 같이 170[kV] 상분리형 GIB의 경우 3개소에 원형으로표시된 위치에 고정한 후 절연파괴 실험을 시행하고, 그림 9와 같이 170[kV] 상일괄형 GIB 내에 8개 소에 원형으로 표시된 위치에 이물질을 고정한 후절연파괴 실험을 시행하였다. 이물질의 부착위치는 전계해석결과 최고의 전계분포를 갖는 스페이서와 포스트 및 말단부에 부착하였다.
- 따라서 170[kV] 상일괄형 GIB의 상용주파 절연파괴 실험식에 실험데이터의 확률편차 σ(0.9983)와 효성중공업에서 상용주파내전압 계산시 적용하는 오차계수 K1(0.9)과 오손계수 K2(0.95)를 적용하여 상용주파 내전압 기준식을 다음과 같이 도출하였다.
- 가스 사용시의 절연파괴전압을 비교하고 등가성을 분석하여 건조 공기 사용시 절연파괴전압 실험식을 산출하였다. 또한 산출된 절연파괴전압 실험식으로부터 상용주파 내전압 시험 기준식을 도출하고 적합도를 검증하기 위하여 전계해석상의 취약한 부위에 이물질을 부착하여 실제 절연파괴가 내전압 시험기준 값 이하에서 발생하는지를 확인하였다[6-10]. 이상의 실험결과 본 논문에서는 SF6 가스 사용량을 감축하기 위하여 170[kV] GIB의 공장 검수시험시에 SF6 가스 대신 대체 절연가스인 건조공기의 적용 가능성을 제시하고자 한다.
- 가스 대신 건조공기를 사용하여 상용주파전압에 의한 절연파괴 특성을 연구하였다. 상용주파전압을 인가하여 건조공기와 SF6 가스의 절연파괴전압을 비교하여 등가성을 확인하고 건조 공기에 대해서 상용주파 절연파괴 실험에 의한 전압과 전계해석에 의한 절연파괴전압을 비교하여 실험 데이터의 정합성을 검증하여 건조공기에 대한 상용주파 절연파괴 실험식을 산출하였다. 이 실험식에 확률편차, 오차계수 및 오손계수를 적용하여 170[kV] GIB에 대해 상용주파내전압 시험시 기준식을 도출하였으며, 이물질에 의한 절연파괴 실험을 통해 상용주파 내전압 기준식에 대해 검증하였다.
- 가스 사용시 전계와 비교하기 위해 전계해석 프로그램인 Ansys사의 Maxwell 3D를 사용하여 해석하였다. 실제 한전에서 사용중인 효성중공업제의 170[kV] 상분리형과 상일괄형 GIB를 대상으로 하였으며 건조공기가 1, 3, 5[Bar]으로 충진된 경우를 가정하여 절연파괴에 가장 취약한 부위인 스페이서의 전계분포를 해석하였다.
- 알루미늄으로 제작된 금속 이물은 그림 10과 같이 고정부에 내부 도체 방향으로 Tape를 이용하여 수직으로 고정하였다. 실험대상인 170[kV] 상일괄형과 상분리형 GIB는 AC 내전압 시험기를 통하여 60[Hz]의 인가전압을 50[%]까지는 직선상승법을 적용하고, 이후는 1[kV/s] 의 계단상승법을 적용하여 절연파괴 시점까지 증가 하며 실험하였다.
- 실험을 통하여 절연파괴 실험식을 구하는 방법은 다양한 방법이 보고되고 있으나, 본 연구에서는 실험으로 얻어진 데이터의 정규분포를 확인하고 신뢰도 99.7[%]구간의 최소값을 사용하여 최소 절연파괴전압을 사용하여 Allometry방법으로 실험식을 도출하였다. 도출된 170[kV] 상분리형 GIB와 상일괄형 GIB 의 AC 상용주파 절연파괴 실험식은 다음의 식 1, 2와 같다.
- 상용주파전압을 인가하여 건조공기와 SF6 가스의 절연파괴전압을 비교하여 등가성을 확인하고 건조 공기에 대해서 상용주파 절연파괴 실험에 의한 전압과 전계해석에 의한 절연파괴전압을 비교하여 실험 데이터의 정합성을 검증하여 건조공기에 대한 상용주파 절연파괴 실험식을 산출하였다. 이 실험식에 확률편차, 오차계수 및 오손계수를 적용하여 170[kV] GIB에 대해 상용주파내전압 시험시 기준식을 도출하였으며, 이물질에 의한 절연파괴 실험을 통해 상용주파 내전압 기준식에 대해 검증하였다. 따라서 본 연구를 통해 도출한 170[kV] GIB에 대한 상용주파내전압 기준식을 이용하여 SF6 가스를 대체하여 건조공기를 사용한 상용주파내전압 시험 가능성을 제시함으로써 한전 및 중전기기 제작사의 공장 검수시험시 SF6 가스가 대폭 절감될 것으로 기대되어진다.
대상 데이터
- 알루미늄으로 제작된 금속 이물은 그림 10과 같이 고정부에 내부 도체 방향으로 Tape를 이용하여 수직으로 고정하였다.
- 전계해석결과를 바탕으로 실험은 한전 현장에서 설치 운영하는 효성중공업제의 170[kV] 상분리형 GIB와 상일괄형 GIB를 대상으로 건조공기와 SF6 가스를 절연가스로 충진하여 실험하였다. 실험장치의 구성은 그림 5와 같으며 GIB에 전압을 가하는 내전압 시험기의 출력전압은 최대 800[kV]이며 GIB에 충진하는 건조공기의 성분은 표 2에 따른다.
데이터처리
- 170[kV] GIB에 절연매체로 N2 가스와 O2 가스가 혼합된 건조공기 사용시 내부 구조물에 분포되는 전계를 기존의 SF6 가스 사용시 전계와 비교하기 위해 전계해석 프로그램인 Ansys사의 Maxwell 3D를 사용하여 해석하였다. 실제 한전에서 사용중인 효성중공업제의 170[kV] 상분리형과 상일괄형 GIB를 대상으로 하였으며 건조공기가 1, 3, 5[Bar]으로 충진된 경우를 가정하여 절연파괴에 가장 취약한 부위인 스페이서의 전계분포를 해석하였다.
이론/모형
- AC 내전압 시험기의 인가전압 상승은 예상파괴전압의 70[%]까지는 직선상승법을 적용하고, 이후는 1[kV/s]의 계단상승법을 적용하여 실험하였다.
성능/효과
- 절연파괴전압도 최고전계강도와 같은 결과를 보였다. 따라서 건조공기로 절연한 경우가 SF6 가스절연과 비교하여 낮은 전계강도 분포와 절연파괴 전압 특성을 보임을 알 수 있었다. 또한 충진된 건조 공기 압력에 따라 170[kV] GIB 상일괄형 스페이서가 상분리형 스페이서보다 높은 전계강도와 낮은 절연파 괴전압을 보였다.
- 따라서 전계해석 결과 170[kV] GIB에 대한 상용주 파내전압 시험시 SF6 가스를 대체하여 건조공기의 사용 가능성을 알 수 있었다.
- 따라서 건조공기로 절연한 경우가 SF6 가스절연과 비교하여 낮은 전계강도 분포와 절연파괴 전압 특성을 보임을 알 수 있었다. 또한 충진된 건조 공기 압력에 따라 170[kV] GIB 상일괄형 스페이서가 상분리형 스페이서보다 높은 전계강도와 낮은 절연파 괴전압을 보였다.
- 가스 사용시 전계해석에 의해 각각 계산된 절연파괴전압을 압력에 따라 그림 6와 같이 비교하여 등가성을 확인하였으며, 표 3에서 실제 실험에 의한 절연파괴전압과 전계해석에 의한 절연파괴전압을 비교하여 실험 데이터의 정합성을 검증하였다. 이상의 실험결과 170[kV] GIB에 대한 상용주파내전압 시험시 SF6 가스를 대체하여 건조공기의 사용이 가능한 것으로 판단된다.
- 가스절연과 유사한 특성을 보인다. 즉 건조공기 절연의 전계강도가 기존의 SF6 가스절연과 비교하여 일정한 패턴을 갖고 있음을 확인하였다.
- 표 1의 전계해석 결과 건조공기 절연시 170[kV] 상분리형 GIB 스페이서의 최고전계강도는 SF6 가스절 연과 비교하여 압력에 따라 평균 41[%]의 값을 나타냈으며, 상일괄형 GIB 스페이서의 최고전계강도는 SF6 가스절연과 비교하여 압력에 따라 평균 51[%]의 값을 보였다. 절연파괴전압도 최고전계강도와 같은 결과를 보였다.
- 표 4에 금속 이물질에 의한 AC 상용주파 절연파괴 실험결과를 나타내었으며 상용주파 내전압 기준식에 의해 산출한 전압(179[kV])보다 낮은 전압에서 절연 파괴가 발생함을 확인함으로써 상용주파 내전압 기준식의 적용 가능성을 검증하였다.
후속연구
- 이 실험식에 확률편차, 오차계수 및 오손계수를 적용하여 170[kV] GIB에 대해 상용주파내전압 시험시 기준식을 도출하였으며, 이물질에 의한 절연파괴 실험을 통해 상용주파 내전압 기준식에 대해 검증하였다. 따라서 본 연구를 통해 도출한 170[kV] GIB에 대한 상용주파내전압 기준식을 이용하여 SF6 가스를 대체하여 건조공기를 사용한 상용주파내전압 시험 가능성을 제시함으로써 한전 및 중전기기 제작사의 공장 검수시험시 SF6 가스가 대폭 절감될 것으로 기대되어진다.
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