Important key technologies of high-$T_c$ superconducting (HTS) transformer may include the HTS wire technology, bushing technology, cooling technology, AC loss, reduction technology, large current technology, and cryogenic temperature insulation technology. From among others, the cryogeni...
Important key technologies of high-$T_c$ superconducting (HTS) transformer may include the HTS wire technology, bushing technology, cooling technology, AC loss, reduction technology, large current technology, and cryogenic temperature insulation technology. From among others, the cryogenic temperature insulation technology may be specifically a core technology for ensuring reliability for the smaller size, stability, economic efficiency, and power supply of a transformer. Therefore, the electric insulation technology of a superconducting transformer should be prerequisite. Such relevant studies are ongoing, but still, they are very insufficient for establishing the cryogenic insulation technology as of yet. Therefore, this paper simulated HTS transformer applied with continuous transposed conductor (CTC), which has been studied as a way of reducing AC loss. Also, the paper analyzed the insulation configuration of HTS transformer and bushing, and, accordingly, reviewed various characteristics of insulation breakdown out of liquid nitrogen. Thus, the paper constituted insulation database, and it is going to design the insulation of a transmission class HTS transformer and bushing.
Important key technologies of high-$T_c$ superconducting (HTS) transformer may include the HTS wire technology, bushing technology, cooling technology, AC loss, reduction technology, large current technology, and cryogenic temperature insulation technology. From among others, the cryogenic temperature insulation technology may be specifically a core technology for ensuring reliability for the smaller size, stability, economic efficiency, and power supply of a transformer. Therefore, the electric insulation technology of a superconducting transformer should be prerequisite. Such relevant studies are ongoing, but still, they are very insufficient for establishing the cryogenic insulation technology as of yet. Therefore, this paper simulated HTS transformer applied with continuous transposed conductor (CTC), which has been studied as a way of reducing AC loss. Also, the paper analyzed the insulation configuration of HTS transformer and bushing, and, accordingly, reviewed various characteristics of insulation breakdown out of liquid nitrogen. Thus, the paper constituted insulation database, and it is going to design the insulation of a transmission class HTS transformer and bushing.
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제안 방법
154 kV급 고온초저도 변압기의 절연설계를 위한 턴 간 절연은 nomex 절연지 3층으로 절연하며' 층간은 GFRP 연면길이 3 mm이며 이상, 차 권선 간 절연이격거리는 160mm 이상, 2-3차 권선간 절연 이격거리는 21mm 이상이다. 고온초전도 변압기용 부싱의 절연설계를 위한 공기 중 절연 거리는 상전도 부싱기술을 적용하여 총 누설거리 는 1450 mm이고, 부싱 길이는 600 mm로 설계하였다. 액체질소 중에서의 연 면 절연 거리와 부싱바디의 절연두께는 실험결과를 바탕으로 각각 1800 mm와 21 mm 이상으로 설계하였다.
미니모델은 반경 15 mm 구리봉에 GFRP 두께 15 mm 제작하였다. 구리 도체에 고전압을 인가하였고 GFRP 표면에 스테인레스강 재질의 테이프로 접지전극을 연결했다. 각 점의 분포범위를 통해 실험 오차를 구할 수 있으며, 각 연면거리에 대한 10회의 실험 결과들은 약 20~30 kV의 오차 범위를 가지는 것을 알 수 있다.
따라서 본 논문에서는 교류 손실 저감 방법 중 하나 로 연구되는 연속 전위도체(CTC) 도체를 적용한 변압기 및 중성 점용 60 kV급 부싱의 절연구성을 분류하였으며, 각 절연구성에 따른 모의 실험 결과를 토대로 극저온 절연 데이터베이스를 구축하고 이를 활용하여 154 kV급 고온초전도 변압기 및 60 kV급 고온초전도 변압기용 부싱의 절연설계를 수행하였다.
특성을 나타낸다. 배리어 한 개를 침전극 쪽에 고정시킨 후 침전 극과 평판 전극 사이의 간격을 변화시키면서 절연파괴 전압을 측정하였다. 전극 간 거리 G 가 커짐에 따라 절연파괴 전압은 증가한다.
결정된다. 본 논문에서는 옥내용 부싱으로서 중간 등급인 20 mm/kV로 설정하였다. Ume 계통 최고전압이며, kd는 부싱의 평균 지름에 따른 수정요소로서 지름이 300 mm 이하의 경우는 1이다.
실험에 의하여 구해진 액체질소 중에서의 nomex 절연지, GFRP, 배리어 등의 절연파괴와 연 면 방전의 복합적인 기초절연파괴 특성을 이용하여 basic insulation level (BIL) 750 kV를 만족하는 154 kV급 고온초전도 변압기의 권선 절연설계를 수행하였다. 절연설계는 구해진 실험적 결과의 Weibull 통계처리를 통해 0.
액체질소 중에서 nomex 절연지, GFRP, 배리 어의 절연파괴와 연면방전의 복합적인 기초절연파괴 특성을 Weibull 분포에 의하여 구해진 0.1% 절연파괴 확률을 가지는 절연파괴 전압을 이용하여 154 kV급 고온초전도 변압기 및 중성 선용 부싱을 위한 전기절연 설계를 하였다. 154 kV급 고온초저도 변압기의 절연설계를 위한 턴 간 절연은 nomex 절연지 3층으로 절연하며' 층간은 GFRP 연면길이 3 mm이며 이상, 차 권선 간 절연이격거리는 160mm 이상, 2-3차 권선간 절연 이격거리는 21mm 이상이다.
고온초전도 변압기용 부싱의 절연설계를 위한 공기 중 절연 거리는 상전도 부싱기술을 적용하여 총 누설거리 는 1450 mm이고, 부싱 길이는 600 mm로 설계하였다. 액체질소 중에서의 연 면 절연 거리와 부싱바디의 절연두께는 실험결과를 바탕으로 각각 1800 mm와 21 mm 이상으로 설계하였다.
본 연구의 모델이 되는 중성 선용 60 kV 부싱은 급격한 온도변화에 따른 전류 리드의 수축팽창으로부터 기밀을 유지하기위하여 몰드 절연 방식을 사용하였다. 이때 부싱의 공기 중 절연은 기존 상전도 부싱의 절연데이터를 활용하여 설계하였다. 공기 중 절연은 총 누설 거리 (creepage distance)와 부싱바디의 길이(body length)로 나뉜다.
절연설계는 구해진 실험적 결과의 Weibull 통계처리를 통해 0.1%의 절연파괴 전압을 계산하고 목표 전압인 BIL 750 ”7을 만족하는 절연두께 및 이격거리를 계산하는 방식으로 이루어졌다’ 154 kV급 변압기의 절연을 위한 턴 간 절연은 nomex 절연지 3층으로 하며, 층간은 GFRP 연면길이 3 mm 이상, 1-2차 권선 간 절연 이격거리는 160 mm 이상, 2-3차 권선 간 절연 이격거리는 21 mm 이상으로 설계되었다.
턴간 절연은 nomex 절연지를 40%의 중첩율로 지권하였으며, 절연지의 풀림을 방지하기 위하여 1, 2층과 3층 의지권 방향을을 다르게 제작하였다’
평판 전극은 직경 30 mm의 SUS 전극을 사용하였으며, 전계 집중부를 모의하기 위하여 선단반경 17 网, 선단 각도 18°인 침전극인 불평등 전계시스템을 사용하였다. 평판전극과 침전 극은 전극 홀더에 부착하였고, 전극 홀더는 GFRP로 제작하였다. 주 절연부인 고압-저압 권선 간은 전계가 가장 강하게 작용하는 곳으로 권선 부를 지지하여 충분한 이격 거리를 유지하기 위한 권선 간에 얇은 절연물인 배리 어로 구성하는 절연방식이 유력하며 배리어의 효율적인 사용은 기기의 소형화와 직접적인 관련이 있다.
대상 데이터
미니모델은 반경 15 mm 구리봉에 GFRP 두께 15 mm 제작하였다. 구리 도체에 고전압을 인가하였고 GFRP 표면에 스테인레스강 재질의 테이프로 접지전극을 연결했다.
5 mm인 경우배리어 위치에 따른 임펄스 절연파괴 특성 곡선을 나타낸다. 시험용 전극 계는 평판 전극, 침 전극, 전극 홀더 및 배리어로 구성된다. 평판 전극은 직경 30 mm의 SUS 전극을 사용하였으며, 전계 집중부를 모의하기 위하여 선단반경 17 网, 선단 각도 18°인 침전극인 불평등 전계시스템을 사용하였다.
턴 간 절연 시험용 모델은 12 mm 폭의 알루미늄선재 10가닥을 서로 연속 전위시킨 CTC 소선으로 제작하였다. 턴간 절연은 nomex 절연지를 40%의 중첩율로 지권하였으며, 절연지의 풀림을 방지하기 위하여 1, 2층과 3층 의지권 방향을을 다르게 제작하였다’
시험용 전극 계는 평판 전극, 침 전극, 전극 홀더 및 배리어로 구성된다. 평판 전극은 직경 30 mm의 SUS 전극을 사용하였으며, 전계 집중부를 모의하기 위하여 선단반경 17 网, 선단 각도 18°인 침전극인 불평등 전계시스템을 사용하였다. 평판전극과 침전 극은 전극 홀더에 부착하였고, 전극 홀더는 GFRP로 제작하였다.
데이터처리
154 kV급 고온초전도 변압기의 전기적 절연설계를 위하여 각 절연구조별 모의 전극 계를 이용하여 절연파괴 전압을 측정한 후 Weibull 통계 처리를 통해 0.1% 절연파괴 전압값을 구하였다.
하부 단부와 절연두께 절연설계는 구해진 실험적 결과의 Weibull 통계처리를 통해 0.1%의 절연파괴 전압을 계산하고 목표 전압인 BIL 325 kV을 만족하는 절연두께 및 이격거리를 계산하는 방식으로 이루어졌다. 부싱 하부의 액체질소 중 절연은 연면방전 0.
이론/모형
5 kV로 나타났다. 본 연구의 모델이 되는 중성 선용 60 kV 부싱은 급격한 온도변화에 따른 전류 리드의 수축팽창으로부터 기밀을 유지하기위하여 몰드 절연 방식을 사용하였다. 이때 부싱의 공기 중 절연은 기존 상전도 부싱의 절연데이터를 활용하여 설계하였다.
성능/효과
구리 도체에 고전압을 인가하였고 GFRP 표면에 스테인레스강 재질의 테이프로 접지전극을 연결했다. 각 점의 분포범위를 통해 실험 오차를 구할 수 있으며, 각 연면거리에 대한 10회의 실험 결과들은 약 20~30 kV의 오차 범위를 가지는 것을 알 수 있다. 전극간 거리가 길어짐에 따라 연면방전전압이 나란하게 상승하였다.
1%의 절연파괴 전압을 계산하고 목표 전압인 BIL 325 kV을 만족하는 절연두께 및 이격거리를 계산하는 방식으로 이루어졌다. 부싱 하부의 액체질소 중 절연은 연면방전 0.1% 전압의 결과를 바탕으로 60 kV급 부싱의 하부 길이를 구하기 위해 추세선의 수식으로부터 BIL인 325 kV에 대해 여유치를 적용하여 1800 mm 이상이며, 절연두께는 GFRP 관통파괴 0.1% 전압의 결과를 바탕으로 21 mm 이상이다.
이상의 결과들을 종합하여 고온초전도 변압기용 60 kV 부싱의 기초절연설계는 극저온용기 외부의 공기 중 절연은 1450 mm의 총 누설 거리와 600 mm의 부싱 길이를 가지며, 극저온용기 내부의 액체질소중 절연은 BIL인 325 kV에 만족하기 위하여 GFRP 연 면 절연 거리는 1800 mm 이상이며 부싱바디의 절연두께는 21 mm 이상으로 설계되었다.
전극 간 거리 G 가 커짐에 따라 절연파괴 전압은 증가한다. 이상의 사실로부터 전극간 거리 G 및 배리어 위치변화에 따라 방전 경로가 길어져서 절연파괴 전압이 상승한 것으로 판단된다.
후속연구
그러나 절연신뢰성 향상을 위한 수명 특성 및 광범위한 절연파괴 데이터 확보의 추가연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
이상의 결과들은 고온초전도 변압기 및 부싱뿐 아니라 여러가지 초전도 기기 절연의 기초절연설계를 위한 데이터로써 응용이 가능할 것으로 기대된다. 그러나 절연신뢰성 향상을 위한 수명 특성 및 광범위한 절연파괴 데이터 확보의 추가연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
참고문헌 (8)
B. W. McConnell, S. P. Mehta, and M. S. Walker, "HTS Transformers," IEEE Power Engineering Review. Vol. 20. pp. 7-11, June 2000.
W. S. Kim. S. Y. Hahn, K. D. Choi. H. G. Joo. and K. W. Hong, "Design of a 1 MVA High Tc Superconducting Transformer." IEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 13. No. 2. pp. 2291-2293. JUNE 2003.
S. M. Baek, J. M. Joung, J. H. Lee, and S. H. Kim. "Electrical Breakdown Properties of Liquid Nitrogen for Electrical Insulation Design of Pancake Coil Type HTS Transformer." lEEE Trans. Appl. Supercond., Vol. 13. No.2. pp.2317-2320, June 2003.
S. H. Kim, S. M. Baek, Y. S. Kim, S. Y. Chung, and J. M. Joung. "Surface flashover characteristics in liquid nitrogen for application of superconducting pancake coils." Cryogenics. Vol. 42. No. 6-7. pp. 415-418. 2002.
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