[논문]친환경 고압배전반 개발을 위한 dry air의 압력별 절연내력특성 분석에 관한 연구

남석호; 강형구

doi:10.5370/kiee.2011.60.8.1560

문제 정의

Dry air의 절연내력특성에 관한 실험을 수행하기 위하여 본 연구에서는 여러 가지 형상을 가지는 스테인레스 스틸 315 재질의 구 대 평판 전극시스템을 설계, 제작하였다. 스테인레스 스틸 315는 가공이 비교적 용이할 뿐만 아니라 기계적 강도가 우수하여 AC 및 뇌임펄스 절연파괴로 인한 전극 표면의 손상을 최소화할 수 있다.
그러나 공기는 수분이나 먼지 등으로 인한 열화현상에 의하여 고압배전반의 특성에 변화가 생길 수 있기 때문에 이와 같은 수분과 먼지 등의 영향을 최소화하기 위하여 dry air를 이용한 밀폐형 고압배전반을 개발하기 위한 연구가 시작되었다. 따라서 본 논문에서는 이러한 DAIS 개발의 요소기술로서 dry air의 절연내력특성 분석에 관한 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 최근 산업사회의 발달로 인하여 유발되고 있는 각종 환경오염을 최소화하기 위한 신기술 중의 하나로서 부각되고 있는 친환경 고압배전반인 DAIS의 요소기술개발과 관련된 연구를 수행하였다. DAIS의 절연매질로 사용되고 있는 dry air의 AC 및 뇌임펄스 절연내력특성에 관한 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다.
공기와 육 불화황과 같은 기체 절연매질의 절연파괴전압을 나타내는 실험식은 각 조건에 따라 이미 여러 연구자에 의하여 발표된 바 있다 [2]. 본 논문에서는 친환경 고압배전반 개발용기체 절연매질인 dry air의 AC 및 뇌임펄스 절연내력특성을 분석하기 위하여 구 대 평판 전극시스템에서의 전계해석을 수행하였다. 전계해석을 위해서 유한요소해석법을 사용하였는데 전극시스템의 구조는 구 대 평판으로서 비교적 간단하기 때문에 2차원 축대칭 해석을 하였다 [4].
이에 반하여 일본과 우리나라를 비롯한 국가 등에서는 육불화황을 대체할 수 있는 여러 가지의 절연매질에 관한 연구를 활발히 수행하고 있다. 본 논문에서는 친환경 배전반용 기체 절연매질로서 기체질소와 기체산소를 79:21의 비율로 혼합하고 수분을 제거한 dry air에 대한 절연내력 특성 분석에 관한 연구를 수행하였다. 이와 같은 dry air의 절연내력특성에 관한 연구는 DAIS와 같은 친환경 고압배전반 개발의 절연설계 데이터로서 이용될 수 있을 것이다.

제안 방법

그림 6과 그림 7에는 4기압 하에서 dry air의 구 전극의 직경별, 전극 간격 별 AC와 뇌임펄스 절연파괴전압의 변화를 각각 나타내었다. 4기압 조건에서의 절연파괴실험은 1기압과 같이 다양한 조건 하에서 실험을 수행하지 않고 전계평등도에 따른 개괄적인 E_MAX,VBD의 특징을 살펴보기 위하여 이용률의 범위가 0.1에서 0.7 이상까지 분포할 수 있도록 고려하여 선별적인 조건 하에서의 실험을 수행하였다. 4기압 조건 하에서 구 전극의 직경이 6mm이고 전극 간격이 10mm인 경우를 기준으로 할 때, AC 및 뇌임펄스 절연파괴전압은 1기압 조건 하에서의 값에 비하여 약 3배 이상 크다는 사실을 알 수 있었다.
그림 3에는 AC 및 뇌임펄스전압에 대한 절연파괴실험의 구성도를 나타내었다. AC 및 뇌임펄스 절연파괴실험을 위하여 실험챔버 안에 구 대 평판 전극시스템을 위치시킨 후에 로터리 펌프를 약 20분간 운전하여 챔버 내의 진공도를 10^-2Torr 이하로 하여 이물질에 의한 영향을 최소화하였다. 본 연구에서 사용된 압력조건은 실험의 기준이 되는 1기압과 실제 DAIS나 GIS 운전 조건과 유사한 4기압에 대한 절연내력특성을 측정하고 분석하였다.
본 논문에서는 최근 산업사회의 발달로 인하여 유발되고 있는 각종 환경오염을 최소화하기 위한 신기술 중의 하나로서 부각되고 있는 친환경 고압배전반인 DAIS의 요소기술개발과 관련된 연구를 수행하였다. DAIS의 절연매질로 사용되고 있는 dry air의 AC 및 뇌임펄스 절연내력특성에 관한 실험을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 1기압 조건 하에서 dry air의 AC 절연내력특성은 공기와 유사하였지만 뇌임펄스 절연내력특성은 공기에 비하여 우수하므로 DAIS는 기존의 공기절연방식을 사용하는 고압배전반에 비하여 절연특성 측면에서 효율적이라고 할 수 있다.
Dry air의 절연내력특성 실험으로는 전력기기 시험에 주로 사용되는 AC전압과 뇌임펄스전압에 대한 실험을 수행하였다. AC전압에 대한 절연파괴실험을 위하여 사용한 AC전원의 주파수는 60Hz이며, 최대 전압용량은 200kV, 60kVA급이다.
AC전압에 대한 절연파괴실험을 위하여 사용한 AC전원의 주파수는 60Hz이며, 최대 전압용량은 200kV, 60kVA급이다. 또한, 1초당 1kV의 전압을 상승시켰을 때의 절연파괴 전압값을 각 조건 당 10회씩 반복 측정하여 기록하였다. 또한 뇌임펄스전압에 대한 절연파괴시험기의 용량은 500kV이며 파두는 1.
따라서 dry air를 이용하여 기존의 GIS와 동일한 특성의 DAIS를 개발하기 위해서는 일반적인 GIS의 운전 압력조건인 4기압 이상으로 설계되어야 함을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구에서는 dry air의 AC 및 뇌임펄스 E_MAX,VBD는 이용률에 대하여 함수관계를 가진다는 사실을 확인하였으며, 이러한 E_MAX,VBD와 이용률의 관계를 압력과 전압별의 각 조건에 따라 실험식으로 도출하였다. 이와 같은 연구결과는 친환경 고압배전반을 비롯한 고전압 전력기기 개발의 설계에 도움이 될 것으로 판단된다.
현재 전 세계적으로 온실가스 배출량 저감에 대한 노력이 활발히 이루어지고 있으며 이와 같은 노력의 일환으로 1997년 일본 교토에서 개최된 UN 산하의 UNFCCC 3차 회의에서는 이산화탄소 (CO₂)를 비롯한 6가지의 환경파괴를 유발하는 온실가스를 규정하였다 [1]. 또한, 세계 각국에서 이와 같은 온실가스의 감축 의무를 분담하고자 교토의정서를 채택하여 2012년까지 평균 5.2%의 온실가스 감축 결의안을 결정하였다. 이와 같은 6가지의 온실가스는 이산화탄소와 메탄 (CH₄), 아산화질소 (N₂O), 과불화탄소 (PFCs), 수소불화탄소 (HFCs), 그리고 육불화황 (SF₆)으로서 이산화탄소의 지구온난화 지수를 1이라고 기준화하였을 때, 육불화황의 환산된 지구온난화 지수는 무려 23,900으로서 6가지의 온실가스 중에서 지구온난화 지수가 가장 높다 [1].
또한, 구 전극의 직경이 크고 전극 간격이 클수록 절연파괴전압은 크게 나타나며, 구 전극의 직경이 일정 크기 이상이 되면 절연파괴전압의 크기가 포화되는데 이와 같은 전극의 면적과 관계된 특징은 공기와 육불화황과 같은 기체 절연매질에서도 나타나는 특징으로서 체적효과로 설명할 수 있다 [6]. 본 논문에서 전극 표면의 조도 등에 의한 조건은 고려하지 않았으며, 절연파괴실험을 통하여 측정한 V_BD,50%와 전계해석을 통하여 E_MAX,1kV를 계산한 후, 식 (1)을 이용하여 절연파괴확률이 50%가 되는 최대전계값 E_MAX,VBD를 계산하였다. 또한, 이와 같이 계산된 각각의 E_MAX,VBD값을 이용률에 대하여 그림 8과 같이 나타내었다.
AC 및 뇌임펄스 절연파괴실험을 위하여 실험챔버 안에 구 대 평판 전극시스템을 위치시킨 후에 로터리 펌프를 약 20분간 운전하여 챔버 내의 진공도를 10^-2Torr 이하로 하여 이물질에 의한 영향을 최소화하였다. 본 연구에서 사용된 압력조건은 실험의 기준이 되는 1기압과 실제 DAIS나 GIS 운전 조건과 유사한 4기압에 대한 절연내력특성을 측정하고 분석하였다.
구 대 평판 전극시스템의 구 전극에는 고전압을 인가하였으며 평판 전극은 접지하였다. 본 연구에서는 다음의 표 1과 같은 사양의 구 대평판 전극시스템을 제작하였다. 다음의 그림 1에는 구 전극의 직경이 50mm이고 두 전극의 간격은 30mm인 전극시스템의 구조도를 나타내었다.
전계해석 시 E_{MAX, 1kV}와 전극시스템의 전계평등도를 나타내는 이용률을 계산하기 위하여 위의 그림 2와 같은 전계분포도를 전극시스템의 각 조건에 대하여 작성하였다 [5]. 이와 같은 전계분포는 구 전극의 하단에서부터 평판 전극까지의 전위경도에 수직인 경로에서의 값을 나타낸다.
질소와 산소의 비율이 79:21인 dry air를 1기압과 4기압 조건 하에서 여러 가지 전극시스템을 이용하여 AC와 뇌임펄스 절연파괴실험을 실시하였다. 그림 4에는 1기압 하에서 dry air의 구 전극의 직경별, 전극 간격별 AC 절연파괴전압의 변화를 나타내었다.

대상 데이터

Dry air의 절연내력특성 실험으로는 전력기기 시험에 주로 사용되는 AC전압과 뇌임펄스전압에 대한 실험을 수행하였다. AC전압에 대한 절연파괴실험을 위하여 사용한 AC전원의 주파수는 60Hz이며, 최대 전압용량은 200kV, 60kVA급이다. 또한, 1초당 1kV의 전압을 상승시켰을 때의 절연파괴 전압값을 각 조건 당 10회씩 반복 측정하여 기록하였다.

데이터처리

이와 같은 전계분포는 구 전극의 하단에서부터 평판 전극까지의 전위경도에 수직인 경로에서의 값을 나타낸다. 또한, 각 조건 하에서 전극시스템의 전계평등도를 나타내는 이용률을 계산하기 위하여 E_{MAX, 1kV}에 대한 평균전계값을 나타내는 E_{MAX, mean}의 비율을 표 2와 같이 계산하였다 [5].
본 논문에서는 친환경 고압배전반 개발용기체 절연매질인 dry air의 AC 및 뇌임펄스 절연내력특성을 분석하기 위하여 구 대 평판 전극시스템에서의 전계해석을 수행하였다. 전계해석을 위해서 유한요소해석법을 사용하였는데 전극시스템의 구조는 구 대 평판으로서 비교적 간단하기 때문에 2차원 축대칭 해석을 하였다 [4]. 전계해석 시에구 전극에는 편의상 1kV의 전압을 인가하였으며 평판 전극은 접지하였다.

성능/효과

7 이상까지 분포할 수 있도록 고려하여 선별적인 조건 하에서의 실험을 수행하였다. 4기압 조건 하에서 구 전극의 직경이 6mm이고 전극 간격이 10mm인 경우를 기준으로 할 때, AC 및 뇌임펄스 절연파괴전압은 1기압 조건 하에서의 값에 비하여 약 3배 이상 크다는 사실을 알 수 있었다.
그러나 전술한 바와 같이 육불화황은 온실가스로서 지구환경파괴를 유발하는 것으로 알려져 있기 때문에 대체 절연매질에 대한 연구가 전세계적으로 활발하게 이루어지고 있다. 그러한 연구결과로서 경제성이나 절연내력특성, 환경파괴 등의 측면을 고려하였을 때, 공기가 많은 장점을 가지고 있다는 사실을 알 수 있었다. 그러나 공기는 수분이나 먼지 등으로 인한 열화현상에 의하여 고압배전반의 특성에 변화가 생길 수 있기 때문에 이와 같은 수분과 먼지 등의 영향을 최소화하기 위하여 dry air를 이용한 밀폐형 고압배전반을 개발하기 위한 연구가 시작되었다.
따라서 dry air를 사용하는 DAIS가 일반 공기를 절연매질로 사용하는 고압배전반에 비하여 동일 압력 조건 하에서는 수분이나 이물질 등에 의한 열화특성에 우수할 뿐만 아니라 뇌임펄스 절연내력특성도 우수하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 육불화황의 뇌임펄스 절연내력특성은 dry air에 비하여 약 2.4배 이상 우수함을 확인할 수 있었다. 다음으로 그림 10의 결과를 살펴보면 4기압 하에서의 AC 절연내력특성은 육불화황이 dry air에 비하여 약 2.
그림 8에서 알 수 있는 바와 같이 dry air의 압력별, 전압별 E_MAX,VBD은 이용률이 증가함에 따라 지수함수적으로 감소한다는 사실을 확인할 수 있었다. 즉, 위의 식 (2)와 표 3의 파라미터를 이용하여 이용률에 따른 dry air의 압력별, 전압별 E_MAX,VBD를 계산할 수 있다.
4배 이상 우수함을 확인할 수 있었다. 다음으로 그림 10의 결과를 살펴보면 4기압 하에서의 AC 절연내력특성은 육불화황이 dry air에 비하여 약 2.3배 이상 우수하다는 사실을 알 수 있었으며, 뇌임펄스 절연내력특성은 dry air에 비하여 육불화황이 약 3.3배 이상 우수하다는 사실을 알 수 있었다. 육불화황은 온실가스로서 환경파괴의 위험성을 가지고 있다는 사실을 제외하고 절연내력 측면만을 살펴보면 공기나 dry air에 비하여 우수한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
6배 이상 우수하다는 사실을 확인할 수 있었다. 따라서 dry air를 사용하는 DAIS가 일반 공기를 절연매질로 사용하는 고압배전반에 비하여 동일 압력 조건 하에서는 수분이나 이물질 등에 의한 열화특성에 우수할 뿐만 아니라 뇌임펄스 절연내력특성도 우수하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 육불화황의 뇌임펄스 절연내력특성은 dry air에 비하여 약 2.
3배 이상작으므로 절연특성 측면 상 기존의 육불화황을 기체 절연매질로 사용하는 GIS에 비하여 불리하다고 할 수 있다. 따라서 dry air를 이용하여 기존의 GIS와 동일한 특성의 DAIS를 개발하기 위해서는 일반적인 GIS의 운전 압력조건인 4기압 이상으로 설계되어야 함을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구에서는 dry air의 AC 및 뇌임펄스 E_MAX,VBD는 이용률에 대하여 함수관계를 가진다는 사실을 확인하였으며, 이러한 E_MAX,VBD와 이용률의 관계를 압력과 전압별의 각 조건에 따라 실험식으로 도출하였다.
2배 크다는 사실을 알 수 있다. 또한, 1기압 조건에서의 뇌임펄스 절연내력특성은 일반 공기에 비하여 dry air가 약 1.6배 이상 우수하다는 사실을 확인할 수 있었다. 따라서 dry air를 사용하는 DAIS가 일반 공기를 절연매질로 사용하는 고압배전반에 비하여 동일 압력 조건 하에서는 수분이나 이물질 등에 의한 열화특성에 우수할 뿐만 아니라 뇌임펄스 절연내력특성도 우수하다는 것을 알 수 있었다.
1기압 조건 하에서 dry air의 AC 절연내력특성은 공기와 유사하였지만 뇌임펄스 절연내력특성은 공기에 비하여 우수하므로 DAIS는 기존의 공기절연방식을 사용하는 고압배전반에 비하여 절연특성 측면에서 효율적이라고 할 수 있다. 또한, 4기압 조건 하에서 dry air의 절연내력특성은 육불화황에 비하여 AC 절연내력특성은 2.3배, 그리고 뇌임펄스 절연내력특성은 3.3배 이상작으므로 절연특성 측면 상 기존의 육불화황을 기체 절연매질로 사용하는 GIS에 비하여 불리하다고 할 수 있다. 따라서 dry air를 이용하여 기존의 GIS와 동일한 특성의 DAIS를 개발하기 위해서는 일반적인 GIS의 운전 압력조건인 4기압 이상으로 설계되어야 함을 확인할 수 있었다.
3배 이상 우수하다는 사실을 알 수 있었다. 육불화황은 온실가스로서 환경파괴의 위험성을 가지고 있다는 사실을 제외하고 절연내력 측면만을 살펴보면 공기나 dry air에 비하여 우수한 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 환경파괴 등의 논란으로 인하여 dry air와 같은 대체 절연매질의 절연내력특성에 관한 연구가 이루어지고 있다.

후속연구

그림 9에는 이와 같은 1기압 하 dry air의 준평등전계 영역에서의 포화된 E_MAX,VBD를 공기와 육불화황의 준평등전계 영역에서의 E_MAX,VBD를 비교하여 나타내었다. 그림 9에서 사용된 1기압의 공기 하에서 AC 및 뇌임펄스 전압의 E_MAX,VBD 값은 기 발표된 논문의 데이터를 참고하였으며, 그림 9와 그림 10에서 사용된 1기압과 4기압 육불화황하에서의 E_MAX,VBD와 관련된 자세한 연구 내용은 향후 논문지에 투고할 계획이다. 그림 9와 그림 10을 통하여 각 조건에 따른 기체별 절연내력특성을 비교할 수 있다.
5기압, Nissin사에서 개발하고 있는 DAIS는 5기압 조건으로 운전하여 GIS에 비하여 dry air의 압력을 다소 높은 조건 하에서 운전하는 제품을 개발하고 있다. 본 연구에서는 육불화황이나 공기와 동일 조건 하에서 dry air의 절연 내력특성을 살펴보았으며, 5기압에서의 dry air의 절연내력 특성 실험은 향후에 추가적으로 실시할 계획이다.
본 논문에서는 친환경 배전반용 기체 절연매질로서 기체질소와 기체산소를 79:21의 비율로 혼합하고 수분을 제거한 dry air에 대한 절연내력 특성 분석에 관한 연구를 수행하였다. 이와 같은 dry air의 절연내력특성에 관한 연구는 DAIS와 같은 친환경 고압배전반 개발의 절연설계 데이터로서 이용될 수 있을 것이다.
또한, 본 연구에서는 dry air의 AC 및 뇌임펄스 E_MAX,VBD는 이용률에 대하여 함수관계를 가진다는 사실을 확인하였으며, 이러한 E_MAX,VBD와 이용률의 관계를 압력과 전압별의 각 조건에 따라 실험식으로 도출하였다. 이와 같은 연구결과는 친환경 고압배전반을 비롯한 고전압 전력기기 개발의 설계에 도움이 될 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UNFCCC 3차 회의가 규정한 환경파괴를 유발하는 6가지의 온실가스는 무엇인가?	2%의 온실가스 감축 결의안을 결정하였다. 이와 같은 6가지의 온실가스는 이산화탄소와 메탄 (CH4), 아산화질소 (N2O), 과불화탄소 (PFCs), 수소불화탄소 (HFCs), 그리고 육불화황 (SF6)으로서 이산화탄소의 지구온난화 지수를 1이라고 기준화하였을 때, 육불화황의 환산된 지구온난화 지수는 무려 23,900으로서 6가지의 온실가스 중에서 지구온난화 지수가 가장 높다 [1]. 그러나 육불화황의 절연내력특성은 지금까지 알려진 다른 기체 절연매질에 비하여 가장 우수할 뿐만 아니라 열전달특성이 우수하므로 고전압 전력기기의 부피축소화와 전기적 안정성뿐만 아니라 열적 특성 향상에 효과적이다.
	육불화황이 고전압 전력기기용 절연매질로 널리 사용되는 이유는 무엇인가?	이와 같은 6가지의 온실가스는 이산화탄소와 메탄 (CH4), 아산화질소 (N2O), 과불화탄소 (PFCs), 수소불화탄소 (HFCs), 그리고 육불화황 (SF6)으로서 이산화탄소의 지구온난화 지수를 1이라고 기준화하였을 때, 육불화황의 환산된 지구온난화 지수는 무려 23,900으로서 6가지의 온실가스 중에서 지구온난화 지수가 가장 높다 [1]. 그러나 육불화황의 절연내력특성은 지금까지 알려진 다른 기체 절연매질에 비하여 가장 우수할 뿐만 아니라 열전달특성이 우수하므로 고전압 전력기기의 부피축소화와 전기적 안정성뿐만 아니라 열적 특성 향상에 효과적이다. 이와 같은 특성으로 인하여 육불화황은 현재 배전반과 차단기, 그리고 변압기와 같은 고전압 전력기기용 절연매질로 널리 사용되고 있다.
	온실가스 배출량 저감을 위하여 UN 산하의 UNFCCC 3차 회의에서 무엇을 규정하였는가?	이와 같이 수많은 고전압 전력기기의 제작 및 재료가공에 필요한 에너지뿐만 아니라 운전 시에 발생하는 ohmic loss 등에 의하여 발생하는 온실가스는 지구온난화와 같은 환경파괴를 유발하는 등의 문제를 야기하므로 그에 따른 대책이 시급하게 요구되고 있다. 현재 전 세계적으로 온실가스 배출량 저감에 대한 노력이 활발히 이루어지고 있으며 이와 같은 노력의 일환으로 1997년 일본 교토에서 개최된 UN 산하의 UNFCCC 3차 회의에서는 이산화탄소 (CO2)를 비롯한 6가지의 환경파괴를 유발하는 온실가스를 규정하였다 [1]. 또한, 세계 각국에서 이와 같은 온실가스의 감축 의무를 분담하고자 교토의정서를 채택하여 2012년까지 평균 5.

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