[논문]Dry Air 중의 준평등전계에서 노점과 고체절연물 재질에 따른 수평연면방전 특성 연구

강병칠; 석정후; 민경준; 배성우; 이광식; 박원주

doi:10.5207/jieie.2015.29.1.064

Dry Air 중의 준평등전계에서 노점과 고체절연물 재질에 따른 수평연면방전 특성 연구
A Study of Horizontal Surface Discharge Characteristics for Dew-Point of Dry-Air and Materials of Solid Insulator in Quasi-Uniform Field 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.29 no.1, 2015년, pp.64 - 69

강병칠 , 석정후 (영남대학교 대학원 전기공학과) , 민경준 (영남대학교 대학원 전기공학과) , 배성우 (영남대학교 전기공학과) , 이광식 (영남대학교 전기공학과) , 박원주

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the Horizontal surface discharge characteristics of solid insulators by varying their materials, and the dew-point of dry-air. The methodology of this study is that a quasi-uniform field is first applied to a test chamber. Then, the chamber is filled with dry-air as an insulation gas which pressure is varied from 1 to 6atm while applying an AC voltage to the chamber. The used solid insulators are teflon, polyethlene and polyurethane. As the dew-point is lower and the pressure of dry-air is higher, the flashover voltage of all solid insulators increases more. When each characteristic of the solid insulators is compared under the same gas pressure, the flashover voltage of teflon is the highest. Then, the flashover voltage of polyethlene is higher than that of polyurethane. Moreover, it is observed that the flashover voltage increases as the horizontal distance between the electrodes of each solid insulator become larger, respectively. However, as the pressure is increased, flashover voltage of the solid insulators is saturated. Therefore, selection of cost-effective insulation is needed in order to appropriate pressure.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 SF₆ 가스를 대체할 수 있는 친환경 절연매질로 주목받고 있는 Dry Air를 절연매질로 사용할 때의 고체절연물의 수평연면방전 특성을 연구하였다. 특히 준평등전계에서의 Dry Air 노점과 고체절연물의 재질 및 형상이 수평연면방전에 미치는 영향에 대하여 연구하였고, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
이러한 관점에서 본 논문은 Dry Air 노점에 따른 고체절연물 수평연면방전 특성과 Dry Air 내의 고체절연물 재질 및 전극거리에 따른 수평연면방전 특성을 구명하여 GIS내의 도체와 외함사이의 절연과 Spacer의 절연설계시 응용 가능한 기초자료를 제공하고자 한다.
가스를 대체할 수 있는 친환경 절연매질로 주목받고 있는 Dry Air를 절연매질로 사용할 때의 고체절연물의 수평연면방전 특성을 연구하였다. 특히 준평등전계에서의 Dry Air 노점과 고체절연물의 재질 및 형상이 수평연면방전에 미치는 영향에 대하여 연구하였고, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

제안 방법

Dry-Air 중의 준평등전계에서 고체절연물 재질 및 전극간격에 따른 수평연면방전 실험을 위해서 용기 내부의 전극배치는 나이프전극(좌측부)-나이프전극(우측부)으로 수평배치 하였다. 이러한 전극배치는 용기 내부에서 준평등전계를 구성할 수 있도록 한다.
Dry-Air는 Dry-Air제조장치(Dry-Air product device, ULTRA DRYER AIR SYSTEM)를 이용하여 제조하였으며, 이 제조장치는 세 단계의 필터를 가지고 있어 공기가 각 필터를 거치는 동안 불순물의 함량을 줄여 순수한 Dry-Air를 만들어준다.
15kV/s로 하였다. 그리고 고체절연물의 연면을 따라 수평연면방전이 일어날 때의 수평연면방전 전압(Flashover Voltage, V_S)을 측정하였다. V_S는 5회 측정하여 그림에 평균값을 나타내었으며 최대 및 최소치를 표기하였다.
특히 고속성장한 산업화로 인한 대기오염이 지구온난화의 주범임이 밝혀짐에 따라 지구온난화계수가 높은 CO₂, N₂O, CH₄, PFC, HFC, SF₆ 가스는 1997년 일본 교토에서 개최된 UN 산하의 UNFCCC 3차 회의에서 환경파괴를 유발하는 가스로 규정하였다. 또 교토의정서를 채택하여 6가지의 온실가스 감축 결의안을 결정하였다[1]. 따라서 그 사용량의 감소가 불가피한 실정이다.
이때 측정방법은 리더방전에 의한 초기방전 전압을 이용하였다. 또한 다른 고체절연물을 적용할 경우에도 위와 동일한 방법과 절차로 실험을 수행하였다.
열전달을 차단하기 위하여 내·외부 사이에 진공 층 공간을 두었다.

대상 데이터

Dry Air 중의 준평등전계에서 노점변화에 따른고체절연물 연면방전 실험에서는 노점 -35.4, -51.0, -63.0℃인 Dry Air를 사용하였으며, 고체절연물은 지름(Φ) 50mm, 두께(T) 1mm인 Teflon을사용하였다.
고체절연물(Solid insulator)은 두께(T) 1mm, 직경(Φ) 50mm인 Teflon, Polyethlene, Polyurethane를 각각 사용하였다.
Ltd, GUD-050A, Pumping seed 60ℓ/min)는 Dry-Air를 실험용 용기에 주입하기 전 용기 내부를 5×10^-4 Torr의 진공상태로 만들어준다. 그리고 내부 압력을 측정하기 위하여 압력계(WISE, 0～15atm)를 사용하였다.
실험용 용기(Test chamber)는 가스의 방전특성을 연구하기 위하여 두께 20mm의 스테인리스 스틸로 제작하였으며, 내·외부 이중 구조로 구성하였다. 내부 용기는 내직경 260mm, 높이 460mm로서 체적은 약 25ℓ이며, 외부 용기의 경우에는 외직경 460mm, 높이 500mm이다. 열전달을 차단하기 위하여 내·외부 사이에 진공 층 공간을 두었다.
고체절연물의 유전율이 클수록 삼중점 전계는 강하게 되고 수평연면방전이 쉽게 발생한다[7]. 본 실험에 사용한 고체절연물은 Teflon, Polyethlene, Polyurethane이고, 이들 유전율은 각각 2.1, 2.3, 5.4이다. 그러므로 삼중점 전계는 Teflon이 가장 낮고, Polyurethane이 가장 높게 된다.
실험용 용기(Test chamber)는 가스의 방전특성을 연구하기 위하여 두께 20mm의 스테인리스 스틸로 제작하였으며, 내·외부 이중 구조로 구성하였다.
전극(Electrode)은 스테인리스 스틸로 만든 나이프전극(Knife, 직경 10mm)을 양측으로 사용하였다.
이러한 전극배치는 용기 내부에서 준평등전계를 구성할 수 있도록 한다. 전극은 산화알루미늄(Al2O3)으로 연마하여 전극의 불순물을 제거한 후 사용하였고, 고체절연물 위에 나이프전극을 배치시킨 후 한쪽은 High Voltage를 인가하고, 반대쪽은 접지를 하였다.
전원장치(H.V Transformer)는 AC용 DY-050725 (Input Voltage : 1φ 380V 60㎐, Secondary Voltage : 1φ 300kV 60㎐, Capacity : 36kVA)을 사용하였다.
최근 지구온난화로 인한 기상이변 및 천재지변 등으로 환경문제에 대한 관심이 전 세계적으로 집중되고 있다. 특히 고속성장한 산업화로 인한 대기오염이 지구온난화의 주범임이 밝혀짐에 따라 지구온난화계수가 높은 CO₂, N₂O, CH₄, PFC, HFC, SF₆ 가스는 1997년 일본 교토에서 개최된 UN 산하의 UNFCCC 3차 회의에서 환경파괴를 유발하는 가스로 규정하였다. 또 교토의정서를 채택하여 6가지의 온실가스 감축 결의안을 결정하였다[1].

성능/효과

그림 5의 (a)와 (b)를 비교해보면 각 압력하에서, 전극간격별 V_S는 P의 증가에 따라 3mm에서는 1.25배 증가하였고, 4mm에서는 1.24배, 5mm에서는 1.21배 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 Paschen의 법칙에 의하여 간격길이의 증가에 따라 V_S가 증가함을 알 수 있다.
1) Dry Air의 노점이 낮아짐에 따라 고체절연물의 수평연면방전 전압이 증가하였다.
2) 각 압력에서 고체절연물의 유전율이 낮을수록 수평연면방전 전압은 높았다. 그리고 수평연면방전전압은 Teflon, Polyethlene, Polyurethane의 순서로 높게 나타났다.
3) 고체절연물 표면에 매질의 압력이 증대되면 매질효과로 인해 수평연면방전 전압이 상승하였다.
4) 고체절연물의 전극간 거리가 길어질수록 수평연면방전 전압이 상승하였다.
다음으로 각각의 동일한 압력하에서 Dry Air의 노점이 낮아짐에 따라 V_S가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 수평연면방전은 고체절연물 표면의 도전성이 높을수록 쉽게 진전한다.
다음으로 각각의 동일한 압력하에서 고체절연물 재질에 따른 V_S는 Teflon, Polyethlene, Polyurethane 순으로 높게 나타남을 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 수평연면방전은 삼중점에서 고체절연물의 재질과 유전율로 억제할 수 있고, 그 유전율은 주위매질의 유전율에 가까울수록 수평연면방전이 억제된다고 해석할 수 있다. 결국 고체절연물의 유전율을 주위매질의 유전율에 가깝게 하는 것이 중요하다고 생각한다.

후속연구

5) 수평연면방전 전압을 향상시키려면 수평연면거리, 고체절연물의 재질, Dry Air의 노점, 전극의 재료 등을 고려하여야 할 것으로 생각한다.
이상의 연구결과는 Dry Air를 절연매체로 사용하는 전력설비 중 수평연면방전이 일어날 가능성이 있는 GIS 설비의 Spacer 표면의 절연설계시 유용한 기초자료가 될 것이며, 154kV급 개폐장치인 GIS 내부의 도체 및 외함 사이의 절연매체와 22.9kV급 Gas 차단기 및 개폐기의 절연매체로서 활용이 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SF6 가스의 장점은?	SF6 가스는 열적·화학적으로 안정적인 특성과 우수한 절연성 및 차단성 때문에 고전압에서 초고압 전력기기 내의 절연매체 또는 소호매체로써 널리 사용하여왔다[2]. 하지만 이와 같은 배경으로 인하여 전력설비에서 SF6 가스의 사용량을 줄이기 위해서는 SF6가스를 대체할 수 있는 절연매질을 개발하거나, SF6가스의 회수량을 증가시키는 기술을 개발하는 것이 고려되어 지고 있다[3].
	준평등전계에서의 Dry Air 노점과 고체절연물의 재질 및 형상이 수평연면방전에 미치는 영향에 대한 결과는?	1) Dry Air의 노점이 낮아짐에 따라 고체절연물의 수평연면방전 전압이 증가하였다. 2) 각 압력에서 고체절연물의 유전율이 낮을수록 수평연면방전 전압은 높았다. 그리고 수평연면방전전압은 Teflon, Polyethlene, Polyurethane의 순서로 높게 나타났다. 3) 고체절연물 표면에 매질의 압력이 증대되면 매질효과로 인해 수평연면방전 전압이 상승하였다. 4) 고체절연물의 전극간 거리가 길어질수록 수평연면방전 전압이 상승하였다. 5) 수평연면방전 전압을 향상시키려면 수평연면거리, 고체절연물의 재질, Dry Air의 노점, 전극의 재료 등을 고려하여야 할 것으로 생각한다.
	SF6 가스 대체 절연매질로 고려되는 것은?	SF6 가스를 대체할 수 있는 절연매질로는 Dry-Air, N2, CF3I, N2：O2 혼합가스 등을 고려하고 있으며, 고체 및 진공을 매질로 사용하는 절연개폐장치에 대한 연구도 진행되고 있다[3-4].

참고문헌 (11)

Sun-Hee Park, "European Union and the Kyoto Protocol", ACEF Autumn Anuual Conference 2008, pp. 125-144, 2008.
L.G. Christophorou, J.K. Olthoff and R.J. Van Brunt, "Sulfur Hexafluoride and the Electric Power Industry", IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 13, No. 5, pp. 20-24, September/October, 1997.

상세보기
Toshiaki Rokunohe, Yoshitaka Yagihashi, Kenji Aoyagi, Takashi Oomori and Rumihiro endo, "Developrrent of SF6-free 72.5kV GIS", IEEE Trans. on Power Delivery, Vo1. 22, No. 3, pp. 1869-1876, July 2007.
TADAHIRO YOSHIDA, HIROMI KOGA, TAKAKAZU HARADA, SHINICHI MIKI, MASAHIRO ARIOKA, SHINJI SATO, SATORU YOSHIDA, NAOAKI INOUE, AKIHIKO MARUYAMA, and TOSHIE TAKEUCHI, "Insulation Technology in Dry-Air and Vacuum for a 72-kV Low-Pressure Dry-Air Insulated Switchgear", Electrical Engineering in Japan, Vol. 175, No. 1, 2011.

상세보기
H.R. Park, J.H. Lee, E.H. Choi, S.G. Park, K.S. Park, K.S. Lee, "Surface discharge Characteristics for epoxy resin in Dry-Air with different electrode features", KIIEE Autumn Annual Conference 2008, pp.253-255, October 2008.
G.J. Min, B.C. Kang, D.Y. Lim, K.S. Lee, W.Z Park, "A Study of Surface discharge Characteristics for Dew-Point of Dry-Air and Materails of Shapes of Solid insulator in Quasi-Uniform Field", Journal of the KIIEE, Vol.27, No6, pp.44-49, June 2013.
Sang-Ho Lee, "Assess Breakdown Characteristics of Surface Discharge according to the Pressure Variaition of Solid Dielectrics in Different Media", a thesis submitted for the degree of doctor of Electrical Engineering, Yeungnam University, June 2010.
TADASHI KAWAMOTO. TADASU TAKUMA. HISASHI GOSHIMA, HIROYUKI SHINKAI, "Triple-Junction Effect and Its Electric Field Relaxation in Three Dielectrics", Electrical Engineering in Japan, Vol. 167, No. 1, 2009.

상세보기
H. Craig Miller, "Surface Flashover of Insulators", IEEE Transactions on Electrical Insulation, Vol. 24, No. 5, October 1989.

상세보기
H.R. Park, E.H. Choi, L.K. Kim, K.S. Lee, "Surface Discharge Characteristics for Epoxy Resin in Dry-Air with Variations of Electrode Features and Epoxy Resin Size", Journal of the KIIEE, Vol.23, No.2, February 2009.
Y.S. Kim, B.S. Lee, S.M. Baek, J.M. Jung, S.Y. Chung, S.H. Kim, "Characteristics of Surface on Partially Immersed of Spacer in Liquid Nitrogen", Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 13, No. 2, pp. 177-182, 2000.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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