[논문]광유 중 절연파괴전압의 분산과 절연파괴진전 과정의 분석

임동영; 박숭규; 박철호; 김기채; 이광식; 최은혁

doi:10.5207/jieie.2015.29.6.035

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This paper presents a breakdown voltage and a process of breakdown progress in mineral oil under an quasi-uniform field with decomposition products which occur after the oil discharge. The breakdown voltage in the oil revealed the characteristics of dispersion regardless of an electrode gap. The cum...

This paper presents a breakdown voltage and a process of breakdown progress in mineral oil under an quasi-uniform field with decomposition products which occur after the oil discharge. The breakdown voltage in the oil revealed the characteristics of dispersion regardless of an electrode gap. The cumulative probability distribution was used to analyze the dispersion of the breakdown voltage. In addition, the process of breakdown progress in the oil can be reasonably described by the electron breakdown theory based on both electrons emitted from the cathode and ions by field-aided dissociation of the oil. The proposed breakdown process will be used for the basic data to explain the behavior pattern of the decomposition product to cause the dispersion of the breakdown voltage.

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문제 정의

본 논문은 절연유의 연구결과를 기반으로 절연파괴 전압의 분산과 분해생성물의 존재 시 절연파괴진전과정의 분석을 시도하였다. 절연유는 방전 시 분해생성물의 영향으로 절연파괴전압의 분산 경향이 기체 매질보다 더욱더 뚜렷하다[13].
본 논문은 준평등 전계에서 광유의 절연파괴전압의 분산특성과 그 절연파괴진전 과정을 실험적으로 연구하였다. 광유 중 절연파괴전압은 수행된 모든 전극갭에 대하여 분산하였고, 반복실험에서 절연파괴전압의 분산은 불규칙적임을 확인하였다.
측정으로 구성된다. 테스트 챔버의 세척작업은 광유를 충진하기 전에 챔버 내 이물질을 제거하는 것이 목적이다. 세척 후 테스트 챔버 하부에 평판전극을 설치하고, 광유가 충진되었다.

제안 방법

상부의 구전극은 광유의 충진 후 즉시 설치하였으며, 전극간 갭조절 또한 광유의 충진 후 곧바로 수행하였다. 고전압의 인가는 광유의 충진, 전극의 설치와 전극간 갭 설정이 모두 완료한 후 2시간의 시간 간격을 가지고 수행하였다. 이는 광유의 충진과 전극의 설치 시 광유 내에 발생한 기포를 제거하기 위함이다.
그리고 방전 실험결과의 이론적, 물리적 해석을 통한 고찰은 실제의 고전압 장치의 절연설계와 절연진단에 유용한 정보를 제공하는 기반이 된다. 더욱이 본 논문은 기존의 연구와는[11-12,14-15] 다르게 절연파괴전압이 분산하는 조건에서 절연유의 방전특성을 분석하였다. 이는 액체 유전체의 방전메커니즘 이해에 기여할 것으로 판단된다.
세척 후 테스트 챔버 하부에 평판전극을 설치하고, 광유가 충진되었다. 상부의 구전극은 광유의 충진 후 즉시 설치하였으며, 전극간 갭조절 또한 광유의 충진 후 곧바로 수행하였다. 고전압의 인가는 광유의 충진, 전극의 설치와 전극간 갭 설정이 모두 완료한 후 2시간의 시간 간격을 가지고 수행하였다.
실험방법은 테스트 챔버의 세척작업, 전극의 설치, 절연유의 충진, 전극갭 조절, 고전압 인가와 V_B 측정으로 구성된다. 테스트 챔버의 세척작업은 광유를 충진하기 전에 챔버 내 이물질을 제거하는 것이 목적이다.
추가적으로 광유의 절연성능이 주위온도에 따라 영향을 받기 때문에, 실내온도가7±0.5℃의 범위일 때, 실험을 수행하였다.
그림 1의 (E)는 방전 전류를 측정하기 위한 22Ω의 저항이다. 추가적으로 방전전압과 방전전류는 오실로스코프 (Lecory 9350, 500MHz)를 이용하여 측정하였다.
고전압장치는 다시 병렬로 연결된 테스트 챔버에 교류 고전압을 인가시킨다. 테스트 챔버는 절연유의 절연특성을 연구하기 위해 아크릴로 제작하였다. 그림 1에서 (C)는 테스트 챔버에 인가한 고전압을 측정하기 위한 고전압 분압기(CR 분압기, 5000:1, EP-100k)로 그 오차는 3%이다.

대상 데이터

)을 측정하기 위한 실험회로이다. 실험회로는 AC 전원장치 (A), 고전압 장치 (B), 테스트 챔버 (D), 고전압 분압기 (C)로 구성된다. 이 실험장치들의 크기와 규격은 그림 1에 표시하였다.

성능/효과

본 논문은 준평등 전계에서 광유의 절연파괴전압의 분산특성과 그 절연파괴진전 과정을 실험적으로 연구하였다. 광유 중 절연파괴전압은 수행된 모든 전극갭에 대하여 분산하였고, 반복실험에서 절연파괴전압의 분산은 불규칙적임을 확인하였다. 게다가 절연파괴전압의 분산 경향은 일관성이 없음을 알 수 있었다.
동일한 조건에서 수행한 실험임에도 불구하고, 특정한V_B에서 절연파괴가 발생하는 확률은 서로 상이함을 확인할 수 있다. 그리고 두 실험에서 모두 전극 갭이 길어질수록 특정한 확률로 절연파괴를 일으키는데 요구되는 인가전압이 증가하였다.
절연파괴전압 V_B는 2번의 측정에서 모두 절연파괴횟수와 함께 분산하는 특성을 보였다. 그리고, V_B의 분산은 전극갭의 크기와 관계없이 모든 갭에서 관측되었고, 절연파괴횟수와 함께 최종적으로 V_B의 값은 증가하거나 포화하는 결과를 얻었다.
그리고 액체 중 전류의 급격한 상승은 음극의 전자방출과 가해진 전계에 의한 액체분자들의 해리 (Field-Aided Dissociation)에 의해 설명될 수 있다[17]. 따라서 분해 생성물이 전극 사이에 없는 경우에, 절연파괴 진전과정은 고전압의 인가, 음극에서 전자방출, 인가된 고전압의 상승에 의한 액체분자의 해리 (액체분자의 본딩 파괴), 분해된 이온과 가속된 전자의 충돌전리, 절연파괴의 순서로 이행하는 것으로 판단된다. 액체 중 절연 파괴 이론은 상술한 기포 발생에 의한 부분방전으로부터 발달하는 것이 지배적으로 알려져 있지만, 본 실험에서는 고전압 인가 후 절연파괴 직전까지 언급한 전압구간과 그 확률을 표시한 것이다.
아울러 전자와 이온의 이동과 관련된 전자파괴설을 도입하는 것에 의해 절연파괴진전 과정이 합리적으로 설명될 수 있었다. 본 논문의 결과는 절연유의 절연내력 측정과 그 측정방법의 개량, 절연유를 이용하는 전력설비의 절연설계에 적용할 수 있다. 추후 연구는 절연파괴 진전에서 전자, 이온, 분해생성물과의 상호작용을 연구하는 것이 필요하리라 판단된다.
절연파괴전압V_B는 같은방법, 동일한 조건으로 2번을 측정하였는데, 이는 분산의 경향이 일정한지를 파악하기 위함이다. 절연파괴전압 V_B는 2번의 측정에서 모두 절연파괴횟수와 함께 분산하는 특성을 보였다. 그리고, V_B의 분산은 전극갭의 크기와 관계없이 모든 갭에서 관측되었고, 절연파괴횟수와 함께 최종적으로 V_B의 값은 증가하거나 포화하는 결과를 얻었다.

후속연구

추후 연구는 절연파괴 진전에서 전자, 이온, 분해생성물과의 상호작용을 연구하는 것이 필요하리라 판단된다. 이는 본 논문에서 언급한 광유의 절연파괴전압의 분산과 분해생성물의 불규칙적인 거동패턴을 더욱더 합리적으로 설명하는데 기여할 수 있다.
본 논문의 결과는 절연유의 절연내력 측정과 그 측정방법의 개량, 절연유를 이용하는 전력설비의 절연설계에 적용할 수 있다. 추후 연구는 절연파괴 진전에서 전자, 이온, 분해생성물과의 상호작용을 연구하는 것이 필요하리라 판단된다. 이는 본 논문에서 언급한 광유의 절연파괴전압의 분산과 분해생성물의 불규칙적인 거동패턴을 더욱더 합리적으로 설명하는데 기여할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고전압화는 무엇을 요구하는가?	현재 고전압 엔지니어들은 전력송전을 위해 고전압화를 적용하고 있다. 이로 말미암아 전력손실의 감소, 송전용량 증대의 효과를 이끌어 왔지만, 고전압화는 전력설비의 절연설계, 절연진단 기술의 발달 및 진보를 요구하고 있다. 특히 고전압을 직접적으로 변성하는 전력용변압기와 주상변압기는 효율적인 전력전송과 안전한 전력사용을 이끌기 때문에, 이들 장치의 절연진단은 필수적이라 할 수 있다.
	고전압 전력장치의 절연진단을 위해서, 그 장치의 절연매질에 대한 방전특성을 이해하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?	고전압 전력장치의 절연진단을 위해서, 그 장치의 절연매질에 대한 방전특성을 이해하는 것이 중요하다. 이는 절연진단 기법의 대부분이 절연파괴 이전에 발생하는 부분방전의 전기적, 화학적 현상을 이용하고 있기 때문이다. 게다가, 부분방전에서 절연파괴를 이끄는 해로운 현상, 반응, 신호를 명확히 구분하여 검출하는 것은 진단 신뢰성의 확보를 위해 필수적이다.
	고전압 엔지니어들은 전력송전을 위해 무엇을 적용하고 있는가?	현재 고전압 엔지니어들은 전력송전을 위해 고전압화를 적용하고 있다. 이로 말미암아 전력손실의 감소, 송전용량 증대의 효과를 이끌어 왔지만, 고전압화는 전력설비의 절연설계, 절연진단 기술의 발달 및 진보를 요구하고 있다.

참고문헌 (17)

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원문보기 상세보기
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D. Y. Lim, S. G. Park, C. H. Park, K. C. Kim, K. S. Lee and E. H. Choi, "Effect of Decomposition Product on the Insulation Characteristics of Mineral Oil as Insulation Medium of Distribution Transformer", Journal of KIIEE, Vol. 28, No. 6, pp. 52-59, 2014.
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