[논문]배전급 전력설비를 위한 친환경 가스의 절연성능검토

임동영; 최은혁; 최병주; 최상태; 이광식; 배성우

doi:10.5207/jieie.2015.29.12.033

배전급 전력설비를 위한 친환경 가스의 절연성능검토
Review of Insulation Performance in Synthetic Air and Dry Air for High Voltage Equipment in Distribution Class 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.12, 2015년, pp.33 - 39

임동영 , 최은혁 (한국폴리텍 VI대학 구미캠퍼스 스마트전기과) , 최병주 (영남대학교 전기공학과 산학협력중점) , 최상태 (경주대학교 신재생에너지학과) , 이광식 (영남대학교 전기공학과) , 배성우

Abstract ▼ AI-Helper

This paper examines the insulation performance of synthetic air and dry air. This examination was conducted based on dielectric strength in uniform and non-uniform field, electric field distribution by interior structure and defects in gas insulation switchgear (GIS) and insulation performance in different temperatures. From this review, it was found that eco-insulation gas required to possess low moisture content for power equipment in the distribution class. The results of this paper are valuable to ensure the insulation design and insulation reliability of GIS using air.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제조공기와 건조공기는 3가지 사항에 대하여 검토되었다. 검토는 1) 평등 및 불평등 전계의 절연내력, 2) GIS 구조와 내부결함에 따른 전계분포, 3) 주위온도에 따른 절연성능이다.
본 논문은 배전급 전력설비에 친환경 절연가스의 적용을 위해 제조공기와 건조공기의 절연성능을 검토하였다. 불평등 전계에서 우수한 절연성능과 온도변화에 대한 절연신뢰성 확보의 관점으로부터, 수분을 적게 함유하는 공기가 배전급 친환경 전력설비에 효과적인 절연가스임을 알 수 있었다.
본 논문은 제조공기와 건조공기의 실제 적용을 위한 유용한 정보를 제공하기 위해, 그 가스들의 절연성능에 관한 검토를 수행하였다. 이 검토는 유사연구[14]에서 다루어지지 않은 평등전계와 불평등 전계에 대한 그 가스들의 절연내력비교, GIS의 구조와 내부결함에 의한 전계분포에 관한 사항을 언급하였다.
본 논문은 제조공기와 건조공기의 실제 적용을 위한 유용한 정보를 제공하기 위해, 그 가스들의 절연성능에 관한 검토를 수행하였다. 이 검토는 유사연구[14]에서 다루어지지 않은 평등전계와 불평등 전계에 대한 그 가스들의 절연내력비교, GIS의 구조와 내부결함에 의한 전계분포에 관한 사항을 언급하였다. 그리고 주위온도변화에 따른 절연특성도 언급한다.
그리고 주위온도변화에 따른 절연특성도 언급한다. 최종적으로 공기를 이용한 배전급 친환경 전력설비에 그 가스들의 적용을 위한 추가적인 검토를 고찰에서 수행하였다.
추가적으로, 제조공기와 건조공기의 연면절연성능도 검토하였다. 그림 2는 나이프 형상의 전극을 이용하여 고체유전체(테프론) 표면으로 진전하는 연면플래쉬오버전압(V_F)을 보여준다.

가설 설정

본 논문에서 제조공기와 건조공기는 3가지 사항에 대하여 검토되었다. 검토는 1) 평등 및 불평등 전계의 절연내력, 2) GIS 구조와 내부결함에 따른 전계분포, 3) 주위온도에 따른 절연성능이다. 고전압 전력설비의 제작 및 설계에서 가스의 절연내력은 필수적으로 고려하는 파라미터이다.

제안 방법

가스온도의 변화에 따른 절연성능은 온도의 상승, 감소, 감소 후 증가에 대한 변화를 기준으로 3개의 관점으로 검토한다. 공기 중 온도의 상승에 따른 절연특성은 40 ∼ 700℃ 범위에서 보고되었다[17].
1MPa의 압력으로 절연된 전력설비의 체적과 가스압력의 증가에 의해 SF₆를 공기로 대체할 수 있음을 보고하였다. 아울러 N₂와 O₂로 구성된 공기의 절연성능을 향상시키기 위해, O₂함유량에 따른 절연특성도 함께 연구하여 절연성능에서 최적의 N₂/O₂ 혼합비를 결정하였고, 제조공기라는 공기에 관한 새로운 용어도 언급하였다.
제조공기와 건조공기의 실제 적용을 위해 평등전계와 불평등 전계에 대한 절연내력, GIS의 내부구조와 결함에 의한 전계분포, 온도변화에 대한 절연성능을 검토하였다. 그 결과는 그림 4에 나타내었다.
제조공기와 건조공기의 절연내력은 평등전계와 불평등 전계에 대하여 각각 평가하였다. 평등전계와 불평등 전계는 각각 구-평판전극과 침-평판전극 구조를 이용하여 구성하였다.
구전극과 평판전극의 지름은 각각 41mm, 59mm이다. 특히 평판전극은 전계의 평등성을 확보하기 위해 가장자리에 모서리를 둥글게 제작하였다. 침전극은 길이 100mm, 너비(폭) 5mm, 침단각도 30°이다.
제조공기와 건조공기의 절연내력은 평등전계와 불평등 전계에 대하여 각각 평가하였다. 평등전계와 불평등 전계는 각각 구-평판전극과 침-평판전극 구조를 이용하여 구성하였다. 구-평판전극은 구-구전극보다전계 이용률이 낮음으로 인해[15], 실제 전력설비의 평등하지 않는 전계분포를 모의하는데 구-구전극보다 더 효과적이다.

대상 데이터

그리고 구-평판전극은 전극 사이에 간격이 구전극의 지름보다 작으면 준평등 전계를 형성한다. 구전극과 평판전극의 지름은 각각 41mm, 59mm이다. 특히 평판전극은 전계의 평등성을 확보하기 위해 가장자리에 모서리를 둥글게 제작하였다.
침전극은 길이 100mm, 너비(폭) 5mm, 침단각도 30°이다. 사용된 전극은 모두 스테인레스로 제작하였고, 시험전압은 교류 60Hz이다. 절연시험을 위한 장치와 방법은[6,8,14]와 동일하다.
침전극은 길이 100mm, 너비(폭) 5mm, 침단각도 30°이다.

성능/효과

두 가스의 절연내력은 평등전계와 불평등 전계에서 서로 상반된다. 다시 말해서 제조공기는 불평등 전계에서 건조공기보다 더 높았고, 평등전계에서는 건조공기가 더 높았다. 그리고 이들 두 가스의 절연내력의 차이는 현저하지 않았다.
더욱이 스페이서와 전극 표면에 생성된 물은 공기에 포함된 산소의 영향으로 내부구조물의 산화와 부식 초래하며, 주위 고체유전체에 수트리를 발생할 우려가 존재한다. 따라서 절연가스 중 수분의 함유량이 낮을수록 온도변화에 따른 연면절연성능과 절연열화에 대한 신뢰성이 확보되기 때문에, 99.999%의 순도를 가지는 제조공기가 수분을 포함하는 건조공기보다 더 우수하다.
제조공기는 평등전계에 대한 절연내력 외에 모두 건조공기보다 우수하였다. 본 논문에서 검토된 절연성능의 관점만을 고려한다면, 실제 적용에 대하서 제조공기는 건조공기보다 더 적합한 것으로 해석할 수 있다. 하지만 실제 고전압 전력설비에 적용하기 위해서, 그 전력설비 내부에서 발생하는 특별한 결함 및 상황에 대한 절연특성이 추가적으로 요구된다.
본 논문은 배전급 전력설비에 친환경 절연가스의 적용을 위해 제조공기와 건조공기의 절연성능을 검토하였다. 불평등 전계에서 우수한 절연성능과 온도변화에 대한 절연신뢰성 확보의 관점으로부터, 수분을 적게 함유하는 공기가 배전급 친환경 전력설비에 효과적인 절연가스임을 알 수 있었다. 본 논문의 결과는 배전급 친환경 고전압 전력설비에 공기의 적용, 절연성능의 확보 및 유지를 위해 활용될 수 있다.
그림 1과 2로부터 제조공기와 건조공기의 절연내력을 확인하였다. 제조공기는 불평등 전계와 연면절연성능에서 건조공기보다 우수하며, 건조공기는 평등전계에서 제조공기보다 우수하다

후속연구

다시 말해서 공기 중 도전성 파티클과 불순물, 스위칭 동작과 낙뢰로 인해 교류전압에 임펄스 전압이 중첩된 파형, 전극과 스페이서의 불량접촉, 스페이서의 표면 결함 및 내부 보이드에 관한 절연특성에 관한 연구가 필요하다. 그리고 건조 공기는 배전급 친환경 고전압 전력설비에 적용을 위한 노점기준의 확립과 불평등 전계 중 노점(습도, 수분 함유량)에 따른 절연특성에 관한 연구가 필요하다고 판단된다. 특히 봉-평판 전극구조에서 습도에 따른 개폐 임펄스의 절연특성[23]은 다양한 방전메커니즘이 제안되고 있지만 명확히 구명하지 못하고 있는 실정이다.
하지만 실제 고전압 전력설비에 적용하기 위해서, 그 전력설비 내부에서 발생하는 특별한 결함 및 상황에 대한 절연특성이 추가적으로 요구된다. 다시 말해서 공기 중 도전성 파티클과 불순물, 스위칭 동작과 낙뢰로 인해 교류전압에 임펄스 전압이 중첩된 파형, 전극과 스페이서의 불량접촉, 스페이서의 표면 결함 및 내부 보이드에 관한 절연특성에 관한 연구가 필요하다. 그리고 건조 공기는 배전급 친환경 고전압 전력설비에 적용을 위한 노점기준의 확립과 불평등 전계 중 노점(습도, 수분 함유량)에 따른 절연특성에 관한 연구가 필요하다고 판단된다.
그 유사연구는 연면플래쉬오버전압에서 가스압력과 갭 의존성에 관하여 평가하였기 때문에, 친환경 전력설비에서 체적과 크기의 결정 및 절연설계를 수행하는데 유용하다. 반면에 본 논문은 공기를 이용한 배전급 친환경 전력설비에서 절연신뢰성의 확보와 유지를 위해 유용하게 활용할 수 있다.
불평등 전계에서 우수한 절연성능과 온도변화에 대한 절연신뢰성 확보의 관점으로부터, 수분을 적게 함유하는 공기가 배전급 친환경 전력설비에 효과적인 절연가스임을 알 수 있었다. 본 논문의 결과는 배전급 친환경 고전압 전력설비에 공기의 적용, 절연성능의 확보 및 유지를 위해 활용될 수 있다. 추후 건조공기의 노점확립, 제조공기와 건조공기의 제작에서 경제성, 수분이 다른 공기 중 가스절연개폐기 내부에 결함을 모의한 절연특성에 관한 연구가 필요하다.
본 논문의 결과는 배전급 친환경 고전압 전력설비에 공기의 적용, 절연성능의 확보 및 유지를 위해 활용될 수 있다. 추후 건조공기의 노점확립, 제조공기와 건조공기의 제작에서 경제성, 수분이 다른 공기 중 가스절연개폐기 내부에 결함을 모의한 절연특성에 관한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질소와 공기의 특징은 무엇인가?	Niemeyer[5]는 전력설비의 절연을 위해 절연가스가 보유해야할 항목을 정리하여 체계적인 검토를 수행하였다. 그는 지구온난화 지수와 독성이 없고, 절연성능이 우수한 가스는 질소와 공기뿐이라는 것과 질소와 공기의 절연내력이 SF6에 약 1/3 정도라는 결론을 보고하였다. 이 질소와 공기는 배전급 전력설비에 적용할 수 있는데, 이는 배전급 전력설비가 송전급 전력설비에 비해 수용해야하는 전압규모에서 현저히 낮기 때문이다.
	제조공기는 어떻게 제작되는가?	제조공기는 순수한 질소와 공기의 혼합으로 제작된다. 절연내력에서 최적의 N2/O2의 혼합비는 8/2이기 때문에[6,14], 제조공기는 순도가 높은 N2와 O2의 8/2 혼합으로 제작되며, 실제 공기에서 N2와 O2를 제외한 0.
	공기의 절연성능을 확보하는 방법으로 무엇이 있는가?	공기가 종래의 절연가스인 SF6 보다 절연성능이 열악하기 때문에 공기의 절연성능을 충분히 확보하는 것이 필요하다. 그 확보를 위한 방법 중 하나는 전기적 부성기체인 O2 외에 수분함유량(습도)을 조절하는 것이다. 공기 중 H2O는 전자부착효과를 가지기 때문에 평등전계에서 절연파괴전압의 향상효과가 보고된바 있다[10-11].

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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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