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문제 정의
- UV카메라 개발 및 부싱의 열화진단을 위해 코로나 방전 모델의 방전 특성에 미치는 금속 및 이물질의 영향과 자외선 이미지에 관해 연구하였다.
- 이와 같은 관점에서, 본 논문에서는 첫 단계로 고분자 부싱을 대상으로 GFRP 고분자 판상위에 침전극과 평판전극을 설치하고 오염물질을 인위적으로 부착하여 오염된 부싱 모델을 모의하여 방전 특성과 자외선 이미지 영상을 검토하고 UV 카메라 개발 및 적용연구의 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 에틸알코올로 GFRP 표면을 세척, 건조시킨 후 전극계를 설치하여 표준상태 (이물질이 없는 경우)와 오염상태 (이물질이 있는 경우)를 모의하여 설치하고 대기 중에서 AC 및 DC 전압을 인가하여 전기적 특성 및 UV 이미지를 관측하였다. DC 전압은 + 및 -극성을 바꿔가면서 전극간격에 따른 방전 특성을 측정하였다. 전압상승은 약 2 kV/s의 속도로 수동으로 일정간격으로 전압을 상승하여 인가하였으며, 측정치는 10회 이상의 값을 평균하여 사용하였다.
- 자외선 이미지는 주변 자외선의 간섭이 없도록 조명을 소등하고 암막으로 태양광을 차단한 상태에서 측정하였으며, UV 사진촬영은 시료에서 1, 2 및 3 mm 떨어진 거리에서 촬영하면서 영상을 저장한 후 분석하였다. 또한 사진촬영은 GFRP 시료면에 수직인 위치에서 촬영하였다.
- 또한 절연파괴용 전극계는 SUS 침 전극평판 전극을 수직배치하고 전극간격은 10∼70 mm로변화시켰다.
- 염분은 소정의 농도의 오염물을 삽입시켰다. 비는 전극 간에 물을 뿌려 모의했으며, 염분은 GFRP 표면에 NaCl 3.2 wt%용액을 뿌린 후 60℃에서 24시간 건조시켰으며, 전극 간에 가습기를 이용하여 시간당 350 cc의 안개를 모의했다. 또한 금속성 이물질은 Al 금박지이며, 형상은 원형 (10 mmΦ)과 사각형 (가로, 세로 1 mm) 및 막대형 (50 mm), 전극 간에 부착 위치는 삼각전극 근처, 중앙, 평판전극 근처이며, 개수는 1, 2 및 3개이다.
- 에틸알코올로 GFRP 표면을 세척, 건조시킨 후 전극계를 설치하여 표준상태 (이물질이 없는 경우)와 오염상태 (이물질이 있는 경우)를 모의하여 설치하고 대기 중에서 AC 및 DC 전압을 인가하여 전기적 특성 및 UV 이미지를 관측하였다. DC 전압은 + 및 -극성을 바꿔가면서 전극간격에 따른 방전 특성을 측정하였다.
- 그림 3(a) 및 3(b)에 각각 연면방전용 및 절연파괴용 전극계를 나타낸다. 연면방전용 전극계는 그림 3과 같이 5[mm] 두께의 GFRP판 상에 0.3[mm] 두께의 스테인레스 강 (SUS)의 삼각 전극 (선단각: 60도)-평판 전극을 붙이고 수평배치 하였다. 평판전극의 단부는 전계집중을 피하기 위하여 곡률반경을 10[mm]로 처리하였다.
- 오염물질은 염분, 흙먼지, 안개, 비를 모의하여 전극 간에 이물질을 삽입시켰다. 염분은 소정의 농도의 오염물을 삽입시켰다.
- 전압상승은 약 2 kV/s의 속도로 수동으로 일정간격으로 전압을 상승하여 인가하였으며, 측정치는 10회 이상의 값을 평균하여 사용하였다. 자외선 이미지는 주변 자외선의 간섭이 없도록 조명을 소등하고 암막으로 태양광을 차단한 상태에서 측정하였으며, UV 사진촬영은 시료에서 1, 2 및 3 mm 떨어진 거리에서 촬영하면서 영상을 저장한 후 분석하였다. 또한 사진촬영은 GFRP 시료면에 수직인 위치에서 촬영하였다.
- 전극간격은 25 mm, V′가 90%인 AC 전압을 인가하고, 전극계와 UV 카메라와의 측정거리는 1 m, 2 m 및 3 m로 변화하였다.
- 그림 7은 이물질 종류에 따른 AC 연면방전 특성을 나타낸다. 전극간격은 70 mm이고, 이물질의 종류는 염분, 흙먼지, 안개, 비 등이며, 이물질이 없는 경우인 표준상태와의 연면방전 전압을 비교하였다. 염분, 흙먼지 경우의 연면방전 전압은 표준상태의 경우와 유사하나, 안개와 비의 경우는 방전전압이 특히 낮아짐을 알 수 있었다.
- 그림 8은 대기 중 연면방전시의 이물질의 종류에 따른 자외선 이미지를 나타내었다. 전극간격은 70 mm이고, 전압원은 AC를 사용하였으며, 전극계와 UV 카메라와의 측정거리는 2 m로 하였다. 전극 간에 부착된 이물질은 염분, 흙먼지, 빗물, 안개 및 금속성 이물질이다.
- 지금까지 필자들은 대기 중에서 침-평판 전극의 모의 연면방전 모델을 선정하고, AC 및 DC 인가전압에 대한 자외선 발생량 및 형상, 코로나 발생 개수를 측정하였다. 또한, UV 카메라의 자외선 이미지와 연면 절연파괴와의 상관관계를 도출하여 열화를 진단할 수 있는 기법에 대한 기본적인 방향을 제시하였다 [6].
대상 데이터
- )를 사용하였다. 또한 UV 카메라는 이오시스템(주)에서 개발 중인 시제품과 디지털카메라를 이용하였다.
- 또한 금속성 이물질은 Al 금박지이며, 형상은 원형 (10 mmΦ)과 사각형 (가로, 세로 1 mm) 및 막대형 (50 mm), 전극 간에 부착 위치는 삼각전극 근처, 중앙, 평판전극 근처이며, 개수는 1, 2 및 3개이다.
- 그림 10은 금속 이물질의 위치, 개수, 형상에 따른 연면방전 전압특성을 나타내었다. 삼각-평판 전극의 연면방전에 대하여 측정하였으며, 전극간격은 70 mm 이고, 측정거리는 2 m이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 금속 이물질은 전극 간에 위치하고, 이물질의 개수가 많고, 형상은 고전계를 형성하는 부분이 있으면 표준상태 보다 연면방전 전압이 낮아짐을 알 수 있었다.
- 그림 2에 실험 장치의 개략도를 나타낸다. 실험 장치는 크게 모의전극계, 고전압발생기, UV 카메라 및 영상저장장치로 구성된다. 시료에 인가되는 전압은 최대전압 100[kV의 AC및 DC의 고전압 발생장치 (Kyonan Elect.
데이터처리
- DC 전압은 + 및 -극성을 바꿔가면서 전극간격에 따른 방전 특성을 측정하였다. 전압상승은 약 2 kV/s의 속도로 수동으로 일정간격으로 전압을 상승하여 인가하였으며, 측정치는 10회 이상의 값을 평균하여 사용하였다. 자외선 이미지는 주변 자외선의 간섭이 없도록 조명을 소등하고 암막으로 태양광을 차단한 상태에서 측정하였으며, UV 사진촬영은 시료에서 1, 2 및 3 mm 떨어진 거리에서 촬영하면서 영상을 저장한 후 분석하였다.
성능/효과
- 전극간격은 25 mm, V′가 90%인 AC 전압을 인가하고, 전극계와 UV 카메라와의 측정거리는 1 m, 2 m 및 3 m로 변화하였다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 측정거리가 짧은 1 m인 경우 (그림 (a)) 자외선 이미지 형상의 반경은 크게 나타났으며, 측정거리가 2, 3 m로 (그림 (a), (b)) 멀어지면 크기는 작아지지만 밀도가 높아져서 진한 색상으로 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 가까운 거리에서는 침전극 주위를 둘러싼 도넛 형상인데 반해, 먼 거리에서는 침전극의 끝에 구 형상으로 나타났고, 이러한 경향은 DC의 경우에서도 유사한 현상이 나타났다.
- 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 측정거리가 짧은 1 m인 경우 (그림 (a)) 자외선 이미지 형상의 반경은 크게 나타났으며, 측정거리가 2, 3 m로 (그림 (a), (b)) 멀어지면 크기는 작아지지만 밀도가 높아져서 진한 색상으로 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 가까운 거리에서는 침전극 주위를 둘러싼 도넛 형상인데 반해, 먼 거리에서는 침전극의 끝에 구 형상으로 나타났고, 이러한 경향은 DC의 경우에서도 유사한 현상이 나타났다. 따라서 UV카메라 촬영거리에 따른 자외선 이미지의 크기와 형상을 통해 코로나 발생정도를 예측하는 기초자료로써 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 측정거리에 따른 자외선 이미지는 가까울수록 도넛 형상의 자외선 이미지의 형상이 크게 나타났으며, 멀어지면 구 형상으로 크기는 작아지지만 밀도가 높아져서 진한 색상으로 나타나는 것을 알 수 있었다. 이러한 경향은 DC의 경우에서도 유사한 현상이 나타났다.
- 한편, 비를 모의해 물을 뿌린 상태에서의 자외선 이미지는 저전계에서 삼각전극 선단 근처에서 흰점인 소량의 자외선이 발생되나 매우 짧은 시간에 반대편의 평판전극에서도 자외선이 검출되면서 전체적으로 분포되고 빗물을 통해 전극 간을 단락되는 것을 확인하였다. 이와 같은 현상은 안개의 경우에서도 유사하나 코로나 바람 (corona wind)의 영향으로 저전계에서는 자외선 발생이 약하고, 진행속도가 느렸다.
- 전극간격은 70 mm이고, 이물질의 종류는 염분, 흙먼지, 안개, 비 등이며, 이물질이 없는 경우인 표준상태와의 연면방전 전압을 비교하였다. 염분, 흙먼지 경우의 연면방전 전압은 표준상태의 경우와 유사하나, 안개와 비의 경우는 방전전압이 특히 낮아짐을 알 수 있었다.
- 한편, 비를 모의해 물을 뿌린 상태에서의 자외선 이미지는 저전계에서 삼각전극 선단 근처에서 흰점인 소량의 자외선이 발생되나 매우 짧은 시간에 반대편의 평판전극에서도 자외선이 검출되면서 전체적으로 분포되고 빗물을 통해 전극 간을 단락되는 것을 확인하였다. 이와 같은 현상은 안개의 경우에서도 유사하나 코로나 바람 (corona wind)의 영향으로 저전계에서는 자외선 발생이 약하고, 진행속도가 느렸다.
- 흙먼지, 염분의 자외선 이미지는 표준상태의 현상과 유사하나 염분의 경우는 양전극 간에서 연면 전체적으로 분포됨을 확인하였다. 비를 모의해 물을 뿌린 상태에서의 자외선 이미지는 저전계에서 삼각전극 선단 근처에서 흰점인 소량의 자외선이 발생되나 매우 짧은 시간에 반대편의 평판전극에서도 자외선이 검출되면서 전체적으로 분포되고 빗물을 통해 전극 간을 단락되는 것을 확인하였다.
후속연구
- 또한 가까운 거리에서는 침전극 주위를 둘러싼 도넛 형상인데 반해, 먼 거리에서는 침전극의 끝에 구 형상으로 나타났고, 이러한 경향은 DC의 경우에서도 유사한 현상이 나타났다. 따라서 UV카메라 촬영거리에 따른 자외선 이미지의 크기와 형상을 통해 코로나 발생정도를 예측하는 기초자료로써 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 자외선 이미지는 표준상태와 유사하나 전극 외에 이물질의 고전계가 형성되는 부분에서도 자외선이 발생된다. 이들의 코로나 방전 모델의 방전 특성과 자외선 이미지에 미치는 AC 및 DC 인가전압의 영향, UV카메라의 측정거리, 금속 및 이물질의 영향에 관한 연구는 UV카메라 개발과 더불어 부싱을 비롯한 각종 전력설비의 열화진단을 예측하는 기초자료로써 적극 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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