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문제 정의
- 본 논문에서 저자들은 광유의 절연파괴메커니즘을 구명하는 것을 목표로 광유의 VB분산에 집중하였고 그 분산을 설명하기 위해, 저자들은 준평등전계에서 광유의 VB와 전극간 방전로를 각각 측정, 촬영하였다.
제안 방법
- 그런 후 테스트 챔버 하부에 평판전극을 설치하고 테스트 챔버에 광유를 충진하였다. 구전극은 테스트 챔버의 부싱에 연결하여 설치하였고, gap은 부싱 상부의 조절갭에 의해 2.5, 5, 7.5, 10mm로 설정하였다. 최종적으로 AC 고전압을 인가하여 광유의 VB 측정과 동시에 방전로가 함께 촬영되었다.
- 그 거동은 VB 분산을 설명하는 중요한 요소이며, 방전로의 관측으로부터 분석하였다. 그림 6은 광유 중 첫 번째 절연파괴 시 방전로를 촬영한 사진이다.
- 본 논문에서 광유의 VB를 측정하기 위해 2개의 실험기법이 도입되었다. 그 기법 중 하나는 KS 규정을[19] 준수한 것으로 E-method 1로, 다른 하나는 저자들이 제안한 것으로 E-method 2로 정의하였다.
- 5℃로 일정한 환경에서 광유를 취급하였다. 본 연구는 절연유의 절연내력 적합성을 판단하는 것이 아니므로, 전극은 평등전계 대신에 준평등전계를 형성하는 구와 원형평판전극을 사용하였다. 구전극과원형평판전극의 지름은 각각 41mm, 59mm이다.
- 본 항은 두 기법에 의해 측정한 각각의 VB수치와 분산경향을 대조하고 액체유전체에서 절연파괴에 영향을 미치는 인자(기포와 절연매질의 온도)로부터 VB분산을 고찰하였다.
- 상변압기의 절연매질인 광유 중 절연파 괴전압의 분산에 대하여 집중적으로 연구하였다. 본논문의 주요 결론은 다음과 같다.
- 실험방법은 광유를 테스트 챔버에 충진하기 전에 테스트 챔버와 전극에 대한 세척작업이 먼저 수행되었다. 그런 후 테스트 챔버 하부에 평판전극을 설치하고 테스트 챔버에 광유를 충진하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 절연유의 절연내력 적합성을 판단하는 것이 아니므로, 전극은 평등전계 대신에 준평등전계를 형성하는 구와 원형평판전극을 사용하였다. 구전극과원형평판전극의 지름은 각각 41mm, 59mm이다. 두 전극은 모두 스테인레스로 제작하였다.
- 와 방전로를 각각 측정, 관측하기 위한 실험회로를 도식하였다. 그 실험회로는 AC 전원장치, 고전압 장치, 테스트 챔버, HV 분압기로 구성하였다. AC 전원장치는 교류 60Hz의 교류 고전압을 발생시키고, 2차측의 고전압장치는 승압된 교류고전압을 병렬로 연결된 테스트 챔버에 인가시키는 역할을 한다.
- 광유가 신유임에도 불구하고, 절연내력이 KS 기준보다 낮은 것은 전극의 영향으로 설명할 수 있다. 본 실험에 사용한 전극은 KS 기준의 전극계보다 불평등 전계에 더 가까우며, 상부 구전극의 지름이 약 3.3배 더 길었다. 이것은 전극 표면적의 넓어짐에 기인하므로, 절연파괴가 발생할 확률이 증가하게 된다.
- 테스트 챔버는 광유의 절연특성을 연구하기 위해 아크릴로 제작하였으며, 그 크기와 형상은 각각 163mm×163mm×460mm, 원통형이다.
데이터처리
- 그림 3은 두 실험기법에 의한 광유의 절연특성을 gap의 함수로 나타낸 것이다. E-method 1과 E-method 2 모두 측정한 평균값을 이용하였다. E-method 1의기법에서 2.
이론/모형
- 를 측정하기 위해 2개의 실험기법이 도입되었다. 그 기법 중 하나는 KS 규정을[19] 준수한 것으로 E-method 1로, 다른 하나는 저자들이 제안한 것으로 E-method 2로 정의하였다. 이들 두 기법의 특징은 표 1에 요약하였다.
- 광유는 탄화수소의 액체인 파라핀과 나프텐이 주성분이며, 다른 절연유에 비해 낮은 유전율과 인화점, 광범위한 이용과 낮은 비용의 장점을 가진다[16]. 본 실험을 위한 광유는 KSC[18]에서 규정한 1종 2호를 사용하였다. 광유가 대기 중 수분을 흡수하기 때문에[16], 그 흡수에 대한 영향을 고려하여 주위 온도를 7±0.
성능/효과
- 1) 절연파괴횟수 0-10 : 분해생성물이 형성되나 그영향이 미비하여 일정한 VB 로 나타난다.
- 1) 저자들이 제안한 실험기법은 (E-method 2) 광유의 절연특성에서 절연파괴로 인한 분해생성물의 영향을 확인하는데 유효하였다.
- 2) 절연파괴로부터 발생한 분해생성물은 구전극 표면과 전극 사이에 분포하였고, 시간이 경과함에따라 광유의 표면으로 서서히 이동하였다.
- 2) 절연파괴횟수 10-40 : 분해생성물의 양이 증가하여 거동패턴 1과 2에 의해 VB 의 분산이 나타난다. 표 2에서 거동패턴 1과 2에 기인한 VB 값은 차이가 거의 없으므로, 이 구간의 VB 분산은 거동패턴보다는 그들 패턴에서 확산소요시간에 더 의존하게 된다.
- 3) E-method 2에 의한 절연파괴실험은 광유 중 절연파괴전압의 분산을 초래하였고, 그 분산에 영향을 미치는 요소는 잇따른 절연파괴에서 발생한 분해생성물임을 확인하였다.
- 3) 절연파괴횟수 40-80 : 거동패턴 1-3이 혼재하는 구간으로 VB 분산은 거동패턴으로부터 최대 32kV이다. 그 분산의 경향은 거동패턴과 확산소요시간에 의존하기 때문에 언급한 두 구간보다 더욱더 현저하게 나타나게 된다.
- 3.2항에서 VB 분산에 영향을 미치는 요소가 절연파괴 후 재자 전압을 인가하는 시간과 전극주위에 분해 생성물임을 파악하였다. 본 항은 V B 분산의 만족스러운 설명과 고찰을 위해, 분해생성물의 거동을 다룬다.
- 4) 분해생성물의 거동패턴은 세 가지가 존재하였고, 그 패턴에 의한 절연파괴전압의 차이는 5mm gap에서 최대 32kV였다. 그 전압의 차이는 분해 생성물의 거동, 확산시간 및 그 양과 관련된다.
- 5) 분해생성물의 거동패턴과 확산시간은 광유 중 절연파괴전압분산의 특성을 해석, 설명하는데 유용 하였고, 뚜렷한 절연특성을 보이는 세 구간을 명확히 구분가능하게 하였다.
- 6) 더 짧은 전극 거리를 가지는 경우가 더 긴 경우보다 절연파괴전압이 높게 나타나는 특이현상이 관측되었는데, 이러한 현상은 분해생성물의 거동패턴과 확산시간에 의해 초래되었다. 그 특이현상은 40번을 초과하는 절연파괴횟수에서 더욱더 잘나타나는 경향을 보였다.
- 의 값, 거동특징, 그 거동을 보이는 절연파괴 횟수의 범위를 정리하였다. 그 결과 VB 는 분해생성물의 거동패턴과 관계가 있음을 명백하게 알 수 있다. 그리고 그 거동패턴은 절연파괴 횟수로 구분되며, 패턴 1-3은 각각 20, 10, 40번의 절연파괴 후에 나타났다.
- 6) 더 짧은 전극 거리를 가지는 경우가 더 긴 경우보다 절연파괴전압이 높게 나타나는 특이현상이 관측되었는데, 이러한 현상은 분해생성물의 거동패턴과 확산시간에 의해 초래되었다. 그 특이현상은 40번을 초과하는 절연파괴횟수에서 더욱더 잘나타나는 경향을 보였다.
- 5mm의 gap에 대한 실험은 광유의 절연내력적합성을 판단하기 위한 것이다. 두 실험기법에 의한 광유의 평균 VB는 gap와 함께 선형 적으로 상승하였다. 그리고 KS규정에서 1종2호인 광 유에 대한 절연내력은 2.
- 절연파괴발생은 전극 사이에 분해생성물이 확산된 후 발생하였고, 분해 생성물의 확산소요시간은 패턴 3이 가장 긴 것이 자명하다. 따라서 분해생성물의 양이 많고, 분해생성물의 확산소요시간이 길수록 VB가 높으며, 연속적인 절연 파괴는 분해생성물의 양과 거동패턴 3이 나타나는 확률을 증가시킨다. 언급한 고찰로부터 gap 5mm에서 VB 의 분산은 다음과 같이 구체적으로 해석할 수 있다.
- 그림 6은 광유 중 첫 번째 절연파괴 시 방전로를 촬영한 사진이다. 첫 번째 절연파괴의 과정에서 특별한방전현상은 나타나지 않았다. 부분방전 또한 발생하지 않았으며, 기포와 분해생성물은 절연파괴와 함께 발생하였다.
- 5mm의 gap에서 30kV 이상이다[18]. 하지만 본 실험에서는 그 조건을 충족하지 않았으며, VB의 분산은 그림 3 곡선의 에러바로부터 E-method 2에서 상당히 크게 나타남을 확인하였다.
후속연구
- 게다가 주상변압기 내부의 부분방전과 그에 기인한 방사전자파를 유용하게 검출하기 위해서, 그 변압기에 사용된 광유의 절연특성을 연구하는 것이 필수적이다. 그 전자파의 검출은 주상변압기 내부고장검출을 가능하게 하므로, 전력공급의 신뢰성, 불시 정전예방 등의 이득을 제공할 것이다. 따라서, 절연유의 절연특성은 본 저자들에게 충분한 연구동기를 유발하였다.
- 본 논문의 결과는 변압기 절연유의 유전특성을 고찰 하는데 활용할 수 있으며, 향후 연구는 불평등 전계에 대한 절연유의 절연특성과 분해생성물 거동에 관한 깊은 연구가 필요하리라 판단된다.
- 추가적으로 광유와 전극이 연구를 위한 실험재료로 사용되었다. 광유는 탄화수소의 액체인 파라핀과 나프텐이 주성분이며, 다른 절연유에 비해 낮은 유전율과 인화점, 광범위한 이용과 낮은 비용의 장점을 가진다[16].
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