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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 오손과 습윤환경을 모의하기위하여 모의 챔버를 자체 제작하였으며, 정량화된 오손평가를 위하여 ESDD (Equivalent Salt Deposit Density)을 4개의 오손레벨 A, B ,C D 그리고 Clean 애자 등 5가지의 경우에 대한 누설전류 파형의 계측으로 오손특성의 변화를 살펴보았다. 옥외용 송전용 자기애자의 경우 무엇보다 전력의 원활한 수송을 위해서 오손정도가 가혹하게 되면, 표면 열화가 급격하게 이루어져서 섬락을 맞이할 수 있는 가능성을 지니고 있기 때문에 오손도 진단은 무엇보다 필요한 것이다.
- 이는 clean insulator에서 나타나지 않았던 아크성 방전의 진전은 소금이온의 전도성과 과도한 전류의 발생으로 누설전류밀도가 높게 되어 국부적인 표면가열로인하여 수분증발 즉, 건조대가 형성되어진 결과이다. 전도성과 저항성 그리고 전도성이 연결상태에서 저항성을 뛰어넘은 방전의 결과에 기인 한 것이다. 여러 연구자의 경우 애자핀 근처의 표면상 건조대에서 발생하고 있음을 보고하였다[6,7,8].
제안 방법
- ESDD A 레벨 오손특성의 기준으로서 0.0459 mg/cm2의 오손도를 갖는 송전용 자기애자 3개를 현수하여 챔버 내의 환경조건을 증류수로 가습한 후, 전압을 인가 후 누설전류파형을 계측한 것이다. 그림에서는 나타내지 않았지만, 인가 전압레벨 증가(20, 30, 40, 50, 60kV)에 따라 누설전류파형의 최대값의 변화로서 0.
- 또한 고조파 성분분석의 결과를 이용하여 기본파에 대한 3고조파의 %왜형율 그리고 기본파에 대한 5고조파의 %왜형율 구하게 된다. 각각의 오손정도인 ESDD 레벨을 설정하여 인가전압 레벨과 상관성을 %왜형율로 구하였다.
- 인가 전압의 승압 속도는 1kV/s로 승압하였으며, 15kV～60kV까지 단계적으로 5kV승압하여, 5분 동안 자료를 계측하였다. 계측된 소요시간은 전체 50분이 되도록 하였으며, 인가전압 레벨은 교류 상용주파 전압으로 애자련 전체가 섬락전압의 75%정도에 도달된 전압으로 하였다[14,15,16]
- 이 방법은 비교적 짧은시간 동안 통계자료를 획득할 수 있는 장점을 갖고 있으며, 단점으로는 오염물질이 애자로부터 쉽게 씻기어진다는 단점이 있다. 그런 이유로 실험 후 오손을 모의하여 반복실험을 실시하였다. 반복된 실험과 측정결과 최대한 유사한 자료를 본 연구결과에 사용하였다.
- 0을 이용하여 스펙트럼을 분석하였다. 누설전류파형의 최대값과 FFT의 분석을 통하여 기본파로부터 13고조파까지 신호를 분류하였다. 인가전압 레벨에 따른 누설전류파형의 홀수 고조파 즉 기본파, 3고조파, 5고조파 그리고 7고조파와 ESDD와의 관계를 정립했으며, 이를 토대로 송전용자기애자의 오손특성을 % 왜형율로 평가 하였다.
- 이와 같은 오손도의 진단을 위해서 누설전류 파형의 계측으로 주파수분석 즉, 기본파, 3고조파 그리고 5고조파의 성분분석을 실시하였다. 또한 고조파 성분분석의 결과를 이용하여 기본파에 대한 3고조파의 %왜형율 그리고 기본파에 대한 5고조파의 %왜형율 구하게 된다. 각각의 오손정도인 ESDD 레벨을 설정하여 인가전압 레벨과 상관성을 %왜형율로 구하였다.
- 송전용 고전압자기애자의 오손특성을 연구하기 위하여, 오손처리는 등가염분부착밀도(Equivalent Salt Deposit Density ; ESDD; 단위는 mg/cm2)를 근거로[2,14]하여 오손 레벨을 Clean, A, B, C, D, 다섯 등급으로 실시하였다. 그러나 일반적으로 중오손 지역은 실제 거의 발견되지 않는다[2].
- 송전용 자기애자 3개를 ESDD A,B,C,D레벨에 기준하여 오손을 적용 후, 태양빛으로 자연건조 후 자체 제작된 챔버에 애자를 현수하였다. 일정시간동안 초음파 가습기로 가습 후, 애자가 젖도록 하여 교류 상용 주파 고전압을 인가하였다.
- 송전용 자기애자의 누설전류 측정은 그림 1에서 나타낸 송전용 자기애자를 이용하였으며, ESDD A,B,C,D오손레벨을 모의하여 계측하였다.
- 이상의 결과를 인가전압 레벨증가에 따라 송전용 자기애자에 5가지 오손조건(clean insulator, ESDD A,B,C,D)을 모의하여 누설전류파형, 고조파분석 그리고 기본파에 대한 3고조파 및 5고조파 %왜형율의 정량적인 오손평가를 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 옥외용 송전용 자기애자의 경우 무엇보다 전력의 원활한 수송을 위해서 오손정도가 가혹하게 되면, 표면 열화가 급격하게 이루어져서 섬락을 맞이할 수 있는 가능성을 지니고 있기 때문에 오손도 진단은 무엇보다 필요한 것이다. 이와 같은 오손도의 진단을 위해서 누설전류 파형의 계측으로 주파수분석 즉, 기본파, 3고조파 그리고 5고조파의 성분분석을 실시하였다. 또한 고조파 성분분석의 결과를 이용하여 기본파에 대한 3고조파의 %왜형율 그리고 기본파에 대한 5고조파의 %왜형율 구하게 된다.
- 반복된 실험과 측정결과 최대한 유사한 자료를 본 연구결과에 사용하였다. 인가 전압의 승압 속도는 1kV/s로 승압하였으며, 15kV～60kV까지 단계적으로 5kV승압하여, 5분 동안 자료를 계측하였다. 계측된 소요시간은 전체 50분이 되도록 하였으며, 인가전압 레벨은 교류 상용주파 전압으로 애자련 전체가 섬락전압의 75%정도에 도달된 전압으로 하였다[14,15,16]
- 누설전류파형의 최대값과 FFT의 분석을 통하여 기본파로부터 13고조파까지 신호를 분류하였다. 인가전압 레벨에 따른 누설전류파형의 홀수 고조파 즉 기본파, 3고조파, 5고조파 그리고 7고조파와 ESDD와의 관계를 정립했으며, 이를 토대로 송전용자기애자의 오손특성을 % 왜형율로 평가 하였다.
- 송전용 자기애자 3개를 ESDD A,B,C,D레벨에 기준하여 오손을 적용 후, 태양빛으로 자연건조 후 자체 제작된 챔버에 애자를 현수하였다. 일정시간동안 초음파 가습기로 가습 후, 애자가 젖도록 하여 교류 상용 주파 고전압을 인가하였다. 챔버 내의 가습기는 아래에서 위쪽방향으로 적용하였으며, 애자의 하부 및 전체분위기가 고른분포가 되도록 하기 위하여 송풍 및 흡입장치를 통하여 온도는 30℃, 습도는 93%로 일정하게 유지하였다.
- 본 연구에 사용된 송전용 자기애자 (Transmission Line Porcelain Suspension Insulators) 3개를 현수하여 실험에 사용하였다. 자체 제작된 포그 쳄버에 애자를 설치하고, 초음파가습장치(Ultra Sonic Humidifier ; 400cc/hr, 연속분무)를 이용하여, 실험 전 쳄버 내에 스팀안개로 가습한 후 바닥에 있는 선풍기를 이용하여 안개를 순환시킨 후 애자표면이 충분히 젖도록 (습도:93%, 30℃)하였다. 전압인가방법으로 전압을 단계별 승압시켜 인가하는 전압상승법을 채택하였다.
- 저주파 고조파(기본파, 3rd , 5th)를 이용한 열화정도를 판정하기위한 도구로서 고조파의 왜형율을 적용하였다. 사용된 왜형율은 식(2)에서 나타내었다[17,18,19].
- 이상의 결과를 분석 검토한 결과, Obenaus[25]가 처음으로 세라믹 애자의 오손섬락을 위한 모델을 제안하였다. 저항이 직렬로 연결된 방전으로서 섬락과정을 모델화 하였다. 이 방전은 아크가 건조대라는 다리를 넘은 것을 말하고 그리고 오손저항은 애자의 다리가 없는 부분의 방전을 말한다.
- 가장 일반적으로 많이 사용되는 기법은 전통적인 필세법(brush wiping method)으로서 전해질에 따른 25°C 수용액의 등가 전도도를 이용하였다[14,15,16,24]. 좀더 정확한 전도도를 측정하기위하여 증류수를 이용하였으며, 전도도 측정장치인 Thermo Orion(Model:105 ,Made in USA) 을 사용하여 측정하였다. 식(1)은 전도도 값을 이용하여 등가염부분착밀도를 계산하는 식을 나타 내었다.
- 첫째, clean insulator의 경우 오손평가의 기준모델로 하기위하여 실험을 실시하였다. 낮은주파수 고조파보다 높은 주파수 고조파의 스펙트럼 진폭이 상대적으로 증가된 결과를 얻었다.
대상 데이터
- ESDD D 오손레벨의 경우 송전용 자기애자 3개를 평균한 값으로 0.275 mg/cm2의 오손도를 갖는 자기애자를 실험으로 사용하였다. 그림 11에서는 ESDD D level로 오손된 자기 애자에 인가전압을 승압하여 누설전류 파형 및 주파수 분석된 결과를 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 송전용 자기애자 (Transmission Line Porcelain Suspension Insulators) 3개를 현수하여 실험에 사용하였다. 자체 제작된 포그 쳄버에 애자를 설치하고, 초음파가습장치(Ultra Sonic Humidifier ; 400cc/hr, 연속분무)를 이용하여, 실험 전 쳄버 내에 스팀안개로 가습한 후 바닥에 있는 선풍기를 이용하여 안개를 순환시킨 후 애자표면이 충분히 젖도록 (습도:93%, 30℃)하였다.
데이터처리
- 입력된 아날로그 신호파형이 디스플레이 되어 지고, 164ms 동안 10μs/pt로서 100kS/s을 갖는 누설전류파형이 계측되어졌다. 계측된 데이터는 필터링의 과정을 걸쳐 Matlab7.0을 이용하여 스펙트럼을 분석하였다. 누설전류파형의 최대값과 FFT의 분석을 통하여 기본파로부터 13고조파까지 신호를 분류하였다.
이론/모형
- 그림 2에서 나타낸 누설전류의 계측은 자기애자 표면에 일정한 습도가 존재할 때 전압을 인가하였다. 전압이 인가되면 애자의 표면에서 흐르는 표면누설전류를 전압강하법(Voltage Drop Methods)을 이용하여 누설된 전류를 측정하였다[6～10,13,14,17～21, 22, 23]. 즉, 누설전류는 일정한 고전압이 인가되어 애자의 표면을 통하여 접지로 흐르는 전류가 전기저항 100Ω에 전압강하된 전류파형이, 차동프루브(ADP305, Lecroy, 100:1)를 걸쳐 출력된 누설전류를 디지털 오실로스코프(LeCroy;Wave Runner 6050A, 500MHz, 4channel, Quad 5GS/s, Window XP환경)로 입력되어진다.
- 자체 제작된 포그 쳄버에 애자를 설치하고, 초음파가습장치(Ultra Sonic Humidifier ; 400cc/hr, 연속분무)를 이용하여, 실험 전 쳄버 내에 스팀안개로 가습한 후 바닥에 있는 선풍기를 이용하여 안개를 순환시킨 후 애자표면이 충분히 젖도록 (습도:93%, 30℃)하였다. 전압인가방법으로 전압을 단계별 승압시켜 인가하는 전압상승법을 채택하였다. 이 방법은 비교적 짧은시간 동안 통계자료를 획득할 수 있는 장점을 갖고 있으며, 단점으로는 오염물질이 애자로부터 쉽게 씻기어진다는 단점이 있다.
- 정밀한 오손도 측정을 위해서는 화학성분 분석 및 화학등가법을 사용 한다. 가장 일반적으로 많이 사용되는 기법은 전통적인 필세법(brush wiping method)으로서 전해질에 따른 25°C 수용액의 등가 전도도를 이용하였다[14,15,16,24].
성능/효과
- 이는 애자표면의 저항성이 크기 때문에 찌그러진 파형이 발생된 결과로 판단된다. %왜형율의 결과 인가전압이 증가할수록 감소되는 정량적인 값을 얻을 수 있었다.
- 그림 11는 인가전압에 따른 기본파에 대한 3고조파 및 5고조파의 %왜형율을 나타내고 있다. 그림 11(a)는 기본파에 대한 3고조파 % 왜형율로서 15kV～55kV까지는 지수함수적으로 감쇄되는 경향을 나타내었고, 60kV에서 5분동안 측정된 %왜형율이 급격하게 증가된 결과를 가져왔다. 또한 그림 11(b)는 기본파에 대한 5고조파의 % 왜형율을 나타내고 있다.
- 그림 9의 경우는 ESDD A level의 기본파에 대한 3고조파 및 5고조파 % 왜형율을 나타내고 있다. 그림 9(a)의 경우는 기본파에 대한 3고조파의 % 왜형율로 15～55kV까지는 지수함수적으로 감쇄하는 경향을 나타내었고, 인가전압 60kV이후 5분 동안 측정된 결과 증가와 약간의 감소되는 정량화된 결과를 얻었다. 이는 clean insulator와 ESDD A레벨과 왜형율를 비교분석하여 볼때, clean insulator의 경우 15～60kV까지 정량화된 왜형율의 변화는 2.
- 그리고 기본파에 대한 5고조파의 %왜형율은 15kV～55kV까지의 결과에서 인가전압이 증가할수록 감소되는 결과를 가져왔으며, 60kV에서 5분동안 측정결과 %왜형율은 오히려 더욱 작아진 결과를 가져왔다. ESDD D오손레벨에서 인가전압 증가에따라 3고조파 및 5고조파 % 왜형율의 변화결과 60kV에서 5분동안 누설전류의 파형은 전도성일 때와 아크성일 때 큰 차이를 나타내고 있다. 이처럼 오손도가 높을 때 아크성 전류파형이 크게 나타날수록 기본파의 진폭이 대단히 크고 그다음 3고조파 성분, 5고조파의 성분순서로 큰 차이를 나타내었다.
- 그러나 짝수 고조파보다 홀수 고조파가 상대적으로 스펙트럼이 크게 나타났으며, 저주파 고조파보다 고주파 고조파가 상대적으로 높게 나타났다.
- 또한 그림 11(b)는 기본파에 대한 5고조파의 % 왜형율을 나타내고 있다. 그리고 기본파에 대한 5고조파의 %왜형율은 15kV～55kV까지의 결과에서 인가전압이 증가할수록 감소되는 결과를 가져왔으며, 60kV에서 5분동안 측정결과 %왜형율은 오히려 더욱 작아진 결과를 가져왔다. ESDD D오손레벨에서 인가전압 증가에따라 3고조파 및 5고조파 % 왜형율의 변화결과 60kV에서 5분동안 누설전류의 파형은 전도성일 때와 아크성일 때 큰 차이를 나타내고 있다.
- 셋째, 이런 기본파에대한 3고조파 및 5고조파 %왜형율의 경우 왜형율이 큰 경우는 애자표면이 저항성이 클수록 큰 결과를 가져왔다. 그리고 오손된 결과 오손도가 클수록 %왜형율이 작은 결과를 나타내었다. 또한 기본파에대한 고조파의 상대적인 크기에 따라 정량화된 값으로 표현되어 송전용 자기애자의 오손진단에 유용할 것으로 판단된다.
- 첫째, clean insulator의 경우 오손평가의 기준모델로 하기위하여 실험을 실시하였다. 낮은주파수 고조파보다 높은 주파수 고조파의 스펙트럼 진폭이 상대적으로 증가된 결과를 얻었다. 이는 애자표면의 저항성이 크기 때문에 찌그러진 파형이 발생된 결과로 판단된다.
- 누설전류파형의 주파수 분석된 결과는 기본파(60Hz)의 스펙트럼 경우 0.093 0.14, 0.20, 0.25, 0.37μA로서 일정한 증가를 나타내었고, 저주파의 고조파인 3,5,7고조파에서는 거의 같은 크기를 갖고 있지만 , 오히려 고주파의 고조파인 9, 11고조파에서 오히려 증가되는 경향을 보이고 있다.
- 둘째, 3고조파는 5고조파에 비하여 60kV에서 5분 동안 스펙트럼 분석한 결과 3고조파가 5고조파에 비하여 1.6배 큰 스펙트럼의 크기를 나타내었다. 전형적인 아크방전에 의한 누설전류파형의 스펙트럼 분석으로 나타난 결과와 일치하고 있다.
- 둘째, ESDD A,D로 오손된 애자를 연구한 결과 고조파 분석:오손레벨 B,C의 경우는 지면 관계상 나타낼 수 없었다. 그러나 오손이 A에서 D로 가혹하게 됨으로서 저전압에서는 전도성의 누설전류파형을 그리고 고전압으로 갈수록 즉, 60kV에서 5분동안 측정시 누설전류파형의 급격한 증가를 가져왔다.
- 셋째, 이런 기본파에대한 3고조파 및 5고조파 %왜형율의 경우 왜형율이 큰 경우는 애자표면이 저항성이 클수록 큰 결과를 가져왔다. 그리고 오손된 결과 오손도가 클수록 %왜형율이 작은 결과를 나타내었다.
- 그러나 오손이 A에서 D로 가혹하게 됨으로서 저전압에서는 전도성의 누설전류파형을 그리고 고전압으로 갈수록 즉, 60kV에서 5분동안 측정시 누설전류파형의 급격한 증가를 가져왔다. 이에대한 고조파분석 결과 아크성 전류파형으로 증가를 가져왔으며, 고조파 분석결과 기본파, 3고조파 그리고 5고조파 순으로 스펙트럼 진폭크기를 얻을 수 있었다. 여러 연구자의 결과와 일치하였다.
- ESDD A레벨에서의 경우 인가전압에 대한 기본파, 3고조파 그리고 5고조파의 고조파 분석결과로서 그림 7(a)와 그림 4(a)의 누설전류 파형을 비교한 결과 오손된 애자의 경우가 clean insulator에 비하여 전반적으로 매끈한 주기적 파형을 나타내었다. 이에대한 주파수 분석결과에서 나타내었듯이, clean insulator 고조파의 경우 3,5,7,9고조파 순으로 스펙트럼의 크기가 증가되었고 , ESDD A오손레벨 애자에서는 3,5,7고조파의 경우 미약한 반면 9,11고조파가 상대적으로 증가되는 결과를 얻었다. 이에대한 특징으로 그림 7(a)에서 보듯이 주기적 누설전류 파형의 피크부분에서 왜곡된 파형이 이의 결과를 의미하는 것이다.
- 인가전압 레벨증가(20, 30, 40, 50, 60kV)에 따른 누설전류파형의 최대값(0.168 ,0.237 ,0.262 ,1.129 ,12.859 μA)으로 선형적으로 증가되었다.
- 계측된 자료는 매 5kV마다 30개 파일의 자료를 평균한 값으로, 나타내었다. 인가전압 및 오손도 증가에따라 비례하여 누설전류파형의 최대값이 증가하는 결과를 나타내었다. 그림 4에서는 Clean Insulator로서 오손특성의 기준으로 평가하기위하여 사용된 송전용 자기애자를 깨끗이 세척하여 안개를 적용 후 50kV전압을 인가후 측정한 누설전류파형 및 주파수 분석결과를 나타내었다.
- 첫째, 오손레벨이 A에서 D로 증가됨에따라 인가전압 15～55kV까지 3고조파에대한 스펙트럼의 변화는 5배의 증가를 가져왔으며, 60kV에서 5분 동안의 분석결과 7.7배로 대단히 큰 증가를 가져왔다.
후속연구
- 그리고 오손된 결과 오손도가 클수록 %왜형율이 작은 결과를 나타내었다. 또한 기본파에대한 고조파의 상대적인 크기에 따라 정량화된 값으로 표현되어 송전용 자기애자의 오손진단에 유용할 것으로 판단된다.
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