[논문]SF6 압력에 따른 결함별 부분 방전 펄스의 분포 분석

김선재; 조향은; 정기우; 길경석; 김성욱

doi:10.4313/jkem.2015.28.1.40

[국내논문] SF6 압력에 따른 결함별 부분 방전 펄스의 분포 분석
Analysis on PD Pulse Distribution by Defects Depending on SF6 Pressure 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.1, 2015년, pp.40 - 45

김선재 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 조향은 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 정기우 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 길경석 (한국해양대학교 전기전자공학부) , 김성욱 ((주)효성중공업 AM System TFT)

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Electrode systems: a protrusion on conductor (POC), a protrusion on enclosure (POE), a crack in epoxy plate and a free particle (FP) were fabricated to simulate insulation defects in a gas insulated switchgear (GIS). $SF_6$ gas was filled in the electrode systems by 3 bar and/or 5 bar, respectively. Partial discharge (PD) pulses were detected through a $50{\Omega}$ non-inductive resistor. A calibration test was carried out according to IEC 60270, and the sensitivity was 0.25 pC/mV. PD pulses were distributed in the phase of $50^{\circ}{\sim}135^{\circ}$ and over 95% of them existed in the phase of $55^{\circ}{\sim}120^{\circ}$ for the POC. PD pulses were distributed in the phase of $230^{\circ}{\sim}310^{\circ}$ and over 90% of them existed in phase of $220^{\circ}{\sim}300^{\circ}$ for the POE. PD pulses occurred in the phase of $40^{\circ}{\sim}60^{\circ}$ and $220^{\circ}{\sim}300^{\circ}$ for the crack, and pulse counts were 25% higher in negative polarity than in positive polarity. PD pulses were distributed in every phase unlike to other three electrode systems and the peak magnitude was measured at $118^{\circ}$ and $260^{\circ}$ for the FP. As described above, PD pulses were observed in positive polarity for the POC, in negative one for the POE, in both one for the crack and the FP. In conclusion, it is expected that the identification rate of defect type can be improved by considering the polarity ratio of PD pulses on the PRPDA method.

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문제 정의

그러나 이러한 노력에도 불구하고, 현재 국내 전력설비 진단 및 부분 방전 측정에 외국 제품이 대부분을 차지하고 있는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 가스절연개폐장치에서 발생 가능한 각종 결함을 판별하기 위한 연구로서, SF₆ 가스 압력에 따른 결함별 PD 펄스의 분포를 분석하고, 기존 PRPDA법에 PD 펄스의 극성 비율을 고려하면 결함 인식률을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 SF₆ 압력에 따른 결함별 PD 펄스의 분포를 분석하기 위하여 4가지 형태의 전극계를 제작하였다. SF₆ 가스를 3 bar와 5 bar로 봉입한 후, 최대 20 kV를 인가하여 PD를 발생시켰으며, POC, POE, crack 및 FP에 대한 PRPDA를 수행하고 PD 펄스의 극성 비율에 대해서도 분석하였다.

제안 방법

가스절연개폐장치의 사고는 제작, 운반 및 조립 과정 시 생성된 결함에 의해 발생되며, 대부분 설비 내부에서 나타나기 때문에 육안으로 확인하기 어렵다 [7-9]. 가스절연개폐장치에서 발생될 수 있는 결함을 모의하기 위하여 도체 돌출 (protrusion on conductor, POC), 외함 돌출(protrusion on enclosure, POE), 크랙 (crack on epoxy plate), 자유 입자 (free particle, FP) 등의 전극계를 그림 1과 같이 제작하였다 [10,11].
가스를 최대 6 bar까지 봉입할 수 있다. 코로나를 방지하기 위하여 직류 고전압이 인가되는 접속부 상부에 직경 30 mm의 구갭을 설치하였다. (a)와 (b)는 전력설비 내부의 도체 및 외함 돌출 결함을 모의한 것으로 전극계 내부에 사용된 침전극은 곡률 반경 10 μm, 높이 5 mm, 지름 1 mm이며 평판전극은 지름 80 mm, 두께 10 mm로 가장자리를 둥글게 제작하여 전계 집중을 방지하였다.
고압 변압기의 2차측에서 인가전압의 위상을 측정하였으며, 그림 2(c)에 나타낸 것과 같이 오차율 1%의 50 Ω 정밀저항을 전극계와 접지선 사이에 설치하여 PD 펄스를 검출하였다.
(d)는 자유입자로 인한 결함을 모의한 것으로 입자의 직경은 1 mm로서 구 형태의 알루미늄을 사용하였으며, 고압측과 저압측의 전극 간격은 3 mm이다. 하부전극을 오목하게 하여 입자의 자유운동이 용이하도록 설계하였다 [12].
최대 출력전압 및 출력전류가 각각 50 kV, 30 mA 인 몰드형 고압 변압기를 사용하여 전압을 결함에 인가하였으며, 절연유에 함침(含浸)시켜 접속부에서의 코로나 발생을 방지하였다. 고압 변압기의 2차측에서 인가전압의 위상을 측정하였으며, 그림 2(c)에 나타낸 것과 같이 오차율 1%의 50 Ω 정밀저항을 전극계와 접지선 사이에 설치하여 PD 펄스를 검출하였다.
전극계에 최대 50 kV까지 전압이 인가되므로 고압 케이블과 차폐함 사이에 충분한 절연내력을 확보하기 위하여 에폭시 재질의 절연부를 제작하였다. 또한 직경 30 mm 황동 재질의 금구를 제작하여 고압 케이블과 전극계의 접속부에서 코로나가 발생하지 않도록 하였다.
전극계에 최대 50 kV까지 전압이 인가되므로 고압 케이블과 차폐함 사이에 충분한 절연내력을 확보하기 위하여 에폭시 재질의 절연부를 제작하였다. 또한 직경 30 mm 황동 재질의 금구를 제작하여 고압 케이블과 전극계의 접속부에서 코로나가 발생하지 않도록 하였다. 겉보기 전하량을 측정하기 위하여 IEC 60270에 따라 표준펄스 발생기 (CAL1A, Power Dignostix Systems)로 교정 실험을 수행하였으며, 감도는 0.
25 pC/mV이었다. 디지털오실로스코프로 2초 동안 부분 방전 펄스의 위상 분포를 누적한 후, 패턴을 분석하여 PRPDA 프로그램으로 동일하게 실험을 수행하였다.
3 bar와 5 bar의 압력에 따른 PD 패턴의 특징을 분석하기 위하여 각각의 전극계에 SF₆ 가스를 밀봉하였다. POC의 압력별 PRPDA 결과를 그림 3에 나타내었다.
압력에 따른 결함별 PD 펄스의 분포를 분석하기 위하여 4가지 형태의 전극계를 제작하였다. SF₆ 가스를 3 bar와 5 bar로 봉입한 후, 최대 20 kV를 인가하여 PD를 발생시켰으며, POC, POE, crack 및 FP에 대한 PRPDA를 수행하고 PD 펄스의 극성 비율에 대해서도 분석하였다.

이론/모형

또한 직경 30 mm 황동 재질의 금구를 제작하여 고압 케이블과 전극계의 접속부에서 코로나가 발생하지 않도록 하였다. 겉보기 전하량을 측정하기 위하여 IEC 60270에 따라 표준펄스 발생기 (CAL1A, Power Dignostix Systems)로 교정 실험을 수행하였으며, 감도는 0.25 pC/mV이었다. 디지털오실로스코프로 2초 동안 부분 방전 펄스의 위상 분포를 누적한 후, 패턴을 분석하여 PRPDA 프로그램으로 동일하게 실험을 수행하였다.

성능/효과

FP에서는 정·부극성에서 유사한 빈도로 분포하였고, 방전 전하량의 최댓값은 118˚ 및 260˚에서 나타났다.
최대 100 pC의 PD 펄스가 (a) 3 bar에서 측정되었다. (b) 5 bar에서는 최대 210 mV이며, 환산하면 52.5 pC의 전하량을 가진다. 4가지 전극계의 PD 클러스터를 그림 7에 나타내었다.
FP에서는 정·부극성에서 유사한 빈도로 분포하였고, 방전 전하량의 최댓값은 118˚ 및 260˚에서 나타났다. 또한, SF₆ 압력이 증가함으로써 PD 클러스터의 위상은 다소 차이가 있지만, 극성률에 따른 전극계별 발생범위는 특정 위상에서만 분포하였다. 이와 같이 기존 PRPD 분석에 극성 비율을 고려하면 결함 인식률을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.

후속연구

또한, SF₆ 압력이 증가함으로써 PD 클러스터의 위상은 다소 차이가 있지만, 극성률에 따른 전극계별 발생범위는 특정 위상에서만 분포하였다. 이와 같이 기존 PRPD 분석에 극성 비율을 고려하면 결함 인식률을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력설비 진단법 중 PRPDA법은 무엇을 분석하는가?	특히, 대용량 초고압 변압기, 가스절연개폐장치 (GIS), 발전기 등은 단위 설비 당 공급전력이 매우 크기 때문에 고장 시 파급 영향이 광범위하므로, 이들 설비에 대한 진단 기술의 지속적인 연구 개발이 매우 중요하다[3-5]. 전력설비 진단에는 여러 종류의 기술들이 적용되고 있으며, 그 중 PRPDA (phase resolved partial discharge analysis) 법은 부분 방전의 위상, 크기 및 발생 빈도를 분석한다 [6].
	고전압 전력기기의 열화 또는 고장 징후로 무엇이 발생하는가?	고전압 전력기기의 열화 또는 고장 징후로 부분 방전 (partial discharge, PD)이 발생하며, 이와 같은 현상을 조기에 검출 및 진단할 필요성이 있다 [1,2]. 특히 고전압 전력설비는 국가 기간산업뿐 아니라, 민수용에서도 매우 중요한 시설이기 때문에 전력기기의 사고는 인명피해, 경제적 손실 및 정보통신망에도 영향을 주는 국가적으로 중차대한 사안이다.
	대용량 초고압 변압기, 가스절연개폐장치 (GIS), 발전기 등의 특징은?	특히 고전압 전력설비는 국가 기간산업뿐 아니라, 민수용에서도 매우 중요한 시설이기 때문에 전력기기의 사고는 인명피해, 경제적 손실 및 정보통신망에도 영향을 주는 국가적으로 중차대한 사안이다. 특히, 대용량 초고압 변압기, 가스절연개폐장치 (GIS), 발전기 등은 단위 설비 당 공급전력이 매우 크기 때문에 고장 시 파급 영향이 광범위하므로, 이들 설비에 대한 진단 기술의 지속적인 연구 개발이 매우 중요하다[3-5]. 전력설비 진단에는 여러 종류의 기술들이 적용되고 있으며, 그 중 PRPDA (phase resolved partial discharge analysis) 법은 부분 방전의 위상, 크기 및 발생 빈도를 분석한다 [6].

참고문헌 (12)

M. G. Choi and C. H. Cha, KIEE, 62, 1297 (2013).
A. J. Reid, M. D. Judd, R. A. Fouracre, B. G. Stewart, and D. M. Hepburn, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 18, 444 (2011).

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G. S. Kil, I. K. Kim, D. W. Park, S. Y. Choi, and C. Y. Park, Current Appl. Phys., 9, 296 (2009).

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N. C. Sahoo, M. M. A. Salama, and R. Bartnikas, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 12, 248 (2005).

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M. S. Naidu and V. Kamaraju, High Voltage Engineering, 4th ed. (McGraw-Hill, India, 2009) p. 364.
F. H. Kreuger, Partial Discharge Detection in High-Voltage Equipment, the 1st ed. (Butterworth-Heinemann, United Kingdom, 1989) p. 135.
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A. Cavallini, G. C. Montanari, F. Puletti, and A. Contin, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 12, 203 (2005).

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J. S. Pearson, O. Farish, B. F. Hampton, M. D. Judd, D. Templeton, B. M. Pryor, and I. M. Welch, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 2, 893 (1995).

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N. Achatz, J. Gorablenkow, U. Schichler, B. Hampton, and J. Pearson, ISEIMM, 3, 722 (2005).
T. Kato, F. Endo, and S. Hironaka, Trans. IEE of Japan, 122-B, 1226 (2002).
M. S. Kim, S. J. Kim, G. W. Jeong, H. E. Jo, and G. S. Kil, J. KIEEME, 27, 238 (2014).

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