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문제 정의
- 본 논문에서는 도심지에 설치되는 고전압 전력기기중 24 kV/2,000 A급 고압배전반을 해석모델로 선정하고 부피축소를 위한 연구를 진행하였다. 배전반은 일반적으로 외함, 통전 버스바, 개폐기, 계기부 및 제어부분으로 구성된다.
제안 방법
- 실제로 고압배전반의 절연시험에서 R상에 대한 시험에서는 S상과 T상, 그리고 외함을 접지한다. S상에 대한 시험은 해석결과 R상과 큰 차이를 보이지 않아 R상에 대한 시험을 준수하여 전계해석을 진행하였다.
- 고압배전반의 전계해석을 위하여 정격전압 24 kV에 대한 IEC의 뇌임펄스 절연파괴 시험규정을 준수하여 125 kV의 전압전원을 사용하였다. 실제로 고압배전반의 절연시험에서 R상에 대한 시험에서는 S상과 T상, 그리고 외함을 접지한다.
- 이 중 배전반 내의 통전 버스 바에 발생하는 발열이 고압배전반 발열의 상당 부분을 차지하고 있으며, 기존 국내 제품개발에서는 버스 바의 체계적이고 논리적인 배치법에 대한 연구가 활발히 이루어지지 않았으며, 제조업체에 따라 서로 다른 배치형태를 이루고 있어, 이를 고려한 버스바의 배치법에 따른 버스바 및 외함의 전자기 손실을 분석 하였다. 또한, 정격전압의 상승과 더불어 부피의 소형화는 절연 안정성을 저하시키는 원인이 되므로, 전계 해석도 진행하여 절연 특성도 고려하였으며, 결과값을 비교 분석한 후 효율적인 배치방법을 제안하였다.
- 버스바의 기울기 θ는 타입에 따라 0°에서 90°까지 15°씩 기울기의 변화를 주었다. 버스바와 버스바 사이의 이격 거리는 R, S, T 각 상의 중심을 기준으로 270 mm 간격을 주었고, 외함 내부와 버스바 중심은 가로 290 mm, 세로 247 mm의 이격거리를 두었다. 여기서 버스바의 기울기가 달라질수록 외함과 버스바 끝단 사이의 이격거리가 변화하지만, 제조업체에서는 외함의 크기를 고정하여 제품개발을 하는 것이 우선적이므로 외함의 크기를 고정하여 연구를 진행하였다.
- 이러한 원인으로 본 논문에서는 고압배전반 버스바만을 고려하여 배치기법에 따른 전계 및 손실계산을 하였으며, 결과값을 비교·분석하고 효율적인 배치방법을 제안하였다. 본 연구는 버스바 배치기법에 따른 총 17가지 모델을 선정하고 이에 대한 전계해석과 손실 계산을 하였다. 연구 결과 절연측면에서 V15와 V30 모델은 기준 전계 이상의 최대 전계값을 가지는 불안정한 절연구조로, 배전반 설계에 있어서 고려되어야 하는 모델로 사료된다.
- 일반적으로 기체 절연매질의 절연내력특성은 전극 시스템에서의 최대 전계(EMAX) 크기에 의해서 결정된다고 알려져 있다 [4]. 본 연구에서 선정한 고압배전반은 기체절연물인 공기를 절연체로 사용하므로 해석모델의 최대 전계에 대한 결과값을 정리하였다. 위의 표 1에서 제시한 사양을 가지는 버스바의 배치타입별 기울기에 따른 모델에 대하여 R상의 절연시험에 대한 전계해석을 하였으며, 결과값을 그림 4에 정리하였다.
- 본 연구에서는 국내 중전기 업체 중 하나를 선정하였다. 선택된 회사에서 개발 중인 24 kV/2,000 A급 제품의 규격을 참고하여 모델링을 하였으며, 통전 버스바에 대한 전자기해석을 2차원으로 진행하였다. 유한요소해석 툴은 Infolytica사의 ElecNet과 MagNet을 각각 전계해석과 손실해석에 사용하였으며, 해석모델에 대한 자세한 사양을 표 1에 나타내었다.
- 전자기 손실해석을 위한 시험전류의 선정은 R, S, T각 상에 120°의 위상차를 가지는 2,000 A급 배전반의 실효전류를 사용하여 시뮬레이션 해석을 진행하였다. 손실 해석은 선정된 고압배전반의 자기해석을 실시한 후 해석 툴을 이용하여 손실을 계산하는 방법으로 진행하였다.
- 버스바와 버스바 사이의 이격 거리는 R, S, T 각 상의 중심을 기준으로 270 mm 간격을 주었고, 외함 내부와 버스바 중심은 가로 290 mm, 세로 247 mm의 이격거리를 두었다. 여기서 버스바의 기울기가 달라질수록 외함과 버스바 끝단 사이의 이격거리가 변화하지만, 제조업체에서는 외함의 크기를 고정하여 제품개발을 하는 것이 우선적이므로 외함의 크기를 고정하여 연구를 진행하였다.
- 이러한 원인으로 본 논문에서는 고압배전반 버스바만을 고려하여 배치기법에 따른 전계 및 손실계산을 하였으며, 결과값을 비교·분석하고 효율적인 배치방법을 제안하였다.
대상 데이터
- 버스바의 기울기가 0°와 90°일 때의 배치형태는 세 가지 타입이 모두 동일한 형태를 가지므로 이를 제외한 총 17가지 모델을 시험모델로 선정하였다.
- 본 연구에서는 국내 중전기 업체 중 하나를 선정하였다. 선택된 회사에서 개발 중인 24 kV/2,000 A급 제품의 규격을 참고하여 모델링을 하였으며, 통전 버스바에 대한 전자기해석을 2차원으로 진행하였다.
- 전자기 손실해석을 위한 시험전류의 선정은 R, S, T각 상에 120°의 위상차를 가지는 2,000 A급 배전반의 실효전류를 사용하여 시뮬레이션 해석을 진행하였다.
데이터처리
- 5 kV/mm 이상의 값을 가질 때 절연파괴 현상이 일어날 수 있다는 것을 의미하며, 반대로 기준전계 이하의 최대 전계값을 가질 때 절연적으로 안정한 구조라 할 수 있다. 본 연구에서 버스바의 배치기법에 따른 전계해석 결과는 선행연구를 통해 구한 기준전계를 이용하여 분석하였으며 그림 4에 표시하였다. 그림 4에서 처럼 H타입의 기울기가 15°와 30°일 때 기준전계 이상의 값을 보여 절연적으로 불안정한 특성을 보였으며, 이는 배전반의 절연설계에 있어서 고려되어야 할 배치 형태로 사료된다.
- 선택된 회사에서 개발 중인 24 kV/2,000 A급 제품의 규격을 참고하여 모델링을 하였으며, 통전 버스바에 대한 전자기해석을 2차원으로 진행하였다. 유한요소해석 툴은 Infolytica사의 ElecNet과 MagNet을 각각 전계해석과 손실해석에 사용하였으며, 해석모델에 대한 자세한 사양을 표 1에 나타내었다. 고압배전반 버스바의 전자기 해석을 위한 모델링은 그림 1의 모선실(C)을 수직방향에서 바라본 모습의 2차원 모델로, 그림 2와 같이 표현하였다.
성능/효과
- 타입별 가장 우수한 절연 특성은 N타입으로 특히 기울기가 90°일 때 가장 우수한 절연 특성을 보였다. 17가지 모델의 손실해석 결과 기울기의 증가에 따라 총 손실량이 감소하는 경향을 보였으며, 기울기가 0°일 때 가장 많은 손실량을 가지는 단점을 가졌다. 버스바의 기울기가 90°인 모델은 손실 측면에서도 가장 우수한 특성을 보여 절연 측면과 손실 측면 모두 가장 우수한 모델로 판단된다.
- 전계이용률이란, 전계의 평등도를 나타내는 척도로 절연파괴 특성은 전계이용률에 따라 다르게 나타난다. 기중절연을 사용하는 전극시스템의 절연파괴 특성은 전계이용률에 따른 최대 전계가 4.5 kV/mm에서 포화된다는 사실을 확인할 수 있었으며, 포화된 전계값은 기 중에서의 기준전계로 사용할 수 있었다 [1]. 선행연구 결과는 전극시스템에서의 최대 전계가 4.
- 두 모델을 제외한 15개의 모델에 대해서는 기준전계 이하의 값을 가져 절연설계에 있어 적용이 가능할 것으로 판단되며, 버스바의 기울기가 90°일 때 3.72 kV/mm로 가장 낮은 최대 전계값을 보이므로 가장 적절한 절연설계 구조로 판단 된다.
- 버스바와 외함 손실의 총합을 비교해 본 결과 N90모델이 가장 작은값을 가져 배전반의 손실 설계에 적절할 것으로 판단된다. 하지만, 일반적인 배전반 설계에 있어 열대류 및 기타 온도상승의 원인으로 인한 외함의 온도상승을 우선적으로 고려하여 개발을 진행 하기 때문에 위의 결과를 참고하여 버스바와 외함의 손실량에 따른 적절한 설계 모델의 선정이 필요할 것으로 보인다.
- 17가지 모델의 손실해석 결과 기울기의 증가에 따라 총 손실량이 감소하는 경향을 보였으며, 기울기가 0°일 때 가장 많은 손실량을 가지는 단점을 가졌다. 버스바의 기울기가 90°인 모델은 손실 측면에서도 가장 우수한 특성을 보여 절연 측면과 손실 측면 모두 가장 우수한 모델로 판단된다.
- 본 연구는 버스바 배치기법에 따른 총 17가지 모델을 선정하고 이에 대한 전계해석과 손실 계산을 하였다. 연구 결과 절연측면에서 V15와 V30 모델은 기준 전계 이상의 최대 전계값을 가지는 불안정한 절연구조로, 배전반 설계에 있어서 고려되어야 하는 모델로 사료된다. 타입별 가장 우수한 절연 특성은 N타입으로 특히 기울기가 90°일 때 가장 우수한 절연 특성을 보였다.
- 해석결과 그림 4와 같이 H타입과 V타입에 비하여 N타입의 최대 전계가 상대적으로 낮은 특성을 보였으며, 버스바의 기울기 변화에 따른 최대 전계의 변화가 가장 작은 것을 확인할 수 있었다. 최대 전계 값이 작을수록 절연적으로 안정하다는 것을 의미하며, 반대로 전계값이 클수록 절연적으로 불안정하다는 것을 의미하므로, N타입이 다른 H타입과 V타입에 비해 절연적으로 안정한 결과를 보였다.
- 타입별 가장 우수한 절연 특성은 N타입으로 특히 기울기가 90°일 때 가장 우수한 절연 특성을 보였다.
- 해석 결과 버스바의 손실은 버스바의 기울기가 0°에서 가장 높은 손실값을 보였으며, 이때의 버스바 손실은 261.74 kW/m2, 외함의 손실은 33.14 kW/m2를 가졌으며, 버스바의 손실이 가장 적은 모델은 N90으로 221.55 kW/m2의 손실값을 가졌다.
- 위의 표 1에서 제시한 사양을 가지는 버스바의 배치타입별 기울기에 따른 모델에 대하여 R상의 절연시험에 대한 전계해석을 하였으며, 결과값을 그림 4에 정리하였다. 해석결과 그림 4와 같이 H타입과 V타입에 비하여 N타입의 최대 전계가 상대적으로 낮은 특성을 보였으며, 버스바의 기울기 변화에 따른 최대 전계의 변화가 가장 작은 것을 확인할 수 있었다. 최대 전계 값이 작을수록 절연적으로 안정하다는 것을 의미하며, 반대로 전계값이 클수록 절연적으로 불안정하다는 것을 의미하므로, N타입이 다른 H타입과 V타입에 비해 절연적으로 안정한 결과를 보였다.
후속연구
- 하지만 고전압화 및 소형화는 전력기기의 전기적 안정성을 저하시키는 원인이 되므로 이와 관련된 연구가 수행되어야 한다. 고전압 전력기기의 부피 축소는 부지비용의 절감과 더불어 외함과 버스바 등의 사용량 절감 효과를 볼 수 있기 때문에 제품의 가격 경쟁력 향상에 도움이 될 것이다.
- 하지만 H15모델의 전계해석 결과 선행 연구에서 구한 기준전계 이상의 최대 전계를 가져 절연적으로 불안한 특성을 보였다. 이러한 결과는 절연파괴 현상이 발생할 수 있다는 것을 의미하며, 고압배전반의 절연설계 시에 제외하거나 외함의 크기 및 버스바 상간 이격거리를 증가시키는 방안을 검토해야 할 것으로 판단된다.
- 향후 실험 결과의 신뢰성을 보다 향상시키고 고압 배전반 설계에 좀 더 정확한 접근을 위하여 연구 결과와 배전반을 이용한 온도상승 시험을 통해 얻은 결과를 이용하여 온도해석을 수행할 계획이다. 이러한 연구 결과는 고효율 및 부피 축소를 위한 고압배전반의 설계법 개발에 도움이 될 것으로 판단된다.
- 버스바와 외함 손실의 총합을 비교해 본 결과 N90모델이 가장 작은값을 가져 배전반의 손실 설계에 적절할 것으로 판단된다. 하지만, 일반적인 배전반 설계에 있어 열대류 및 기타 온도상승의 원인으로 인한 외함의 온도상승을 우선적으로 고려하여 개발을 진행 하기 때문에 위의 결과를 참고하여 버스바와 외함의 손실량에 따른 적절한 설계 모델의 선정이 필요할 것으로 보인다.
- 향후 실험 결과의 신뢰성을 보다 향상시키고 고압 배전반 설계에 좀 더 정확한 접근을 위하여 연구 결과와 배전반을 이용한 온도상승 시험을 통해 얻은 결과를 이용하여 온도해석을 수행할 계획이다. 이러한 연구 결과는 고효율 및 부피 축소를 위한 고압배전반의 설계법 개발에 도움이 될 것으로 판단된다.
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