[논문]SF6, g3 및 Dry Air 절연에서 PD 특성 비교 분석

신한신; 김남훈; 김성욱; 길경석

doi:10.4313/jkem.2020.33.6.490

SF6, g3 및 Dry Air 절연에서 PD 특성 비교 분석
Comparative Analysis of PD Characteristics Under SF6, g3 and Dry Air Insulation 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.6, 2020년, pp.490 - 494

신한신 (한국해양대학교 전기전자공학과) , 김남훈 (한국해양대학교 전기전자공학과) , 김성욱 (신라대학교 스마트전기전자공학부) , 길경석 (한국해양대학교 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Sulphur hexafluoride (SF6) is mostly used as a current-insulating medium in gas-insulated switchgears (GIS), owing to its excellent dielectric strength and arc-extinguishing performance. The global warming potential (GWP) of SF6, however, is 23,900 times that of CO2, and its life time in the atmosphere is 3,200 years. For these reasons, new eco-friendly gases to replace SF6 are required. In this study, the partial discharge (PD) characteristics of green gas for grid (g3) and dry air (N2/O2) were analyzed to compare with those of SF6. A PD electrode system was designed to simulate the protrusion defect in GISs and fabricated for experimentation. To compare the PD characteristics of each gas, the discharge inception voltage (DIV), discharge extinction voltage (DEV), discharge magnitude, discharge pulse number, and phase pattern were analyzed. Results from this study are expected to provide fundamental materials for the design of eco-friendly GISs.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Experimental setup. (a) Photograph and (b) circuit diagram.
그림 Fig. 2. Electrode systems. (a) Design drawing and (b) photograph.
표 Table 1. Characteristics of insulated gases.
그림 Fig. 3. DIV as a function of pressure.
그림 Fig. 4. DEV as a function of pressure.
그림 Fig. 5. Magnitude of apparent charge as a function of the applied voltage at 0.5 MPa.
그림 Fig. 6. Number of pulses as a function of applied voltage at 0.5 Mpa.
그림 Fig. 7. Phase distribution at DIV. (a) SF₆ at 0.5 MPa, (b) g³ at 0.5 MPa, and (c) dry air at 0.5 MPa.
표 Table 2. Average value of parameter characteristics for insulated gases at 0.5 MPa.

AI 본문요약
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문제 정의

GIS에서 SF₆를 대체할 친환경가스의 적용을 위한 연구로, 그동안 절연파괴 특성이나 낙뢰 시험에 관한 연구만 이뤄지던 것과는 달리, 본 논문에서는 SF₆가스와 비교하여 g³와 dry air의 부분 방전 특성에 대해 연구하였다. 실험 결과, SF₆의 절연특성이 가장 우수하 지만 g³의 경우 SF₆의 약 80%의 절연 성능을 보여 주었다.
본 논문에서는 가스절연구조에서 발생하는 도체 돌기(POC) 결함을 제작하고, SF6와 비교하여 g3 및 dry air의 부분방전 특성에 대해서 연구하였다.
본 논문은 가스절연개폐장치(gas insulated switchgear, GIS)에 적용될 친환경 가스의 PD 특성에 관한 연구로, GIS에서 발생할 수 있는 도체 돌기 (protrusion on conductor, POC) 결함을 모의하 였다. 압력에 따른 기존 SF₆ 가스와 친환경 가스 (g³, dry air)의 방전개시전압(discharge inception voltage, DIV), 방전소멸전압(discharge extinction voltage, DEV), 방전 전하량, 펄스 수 및 위상 패턴을 비교 분석하여, GIS 절연 설계 자료로 활용할수 있는 결과를 도출하였다.

제안 방법

최대 출력전압 50 kV, 출력전류 30 mA인 몰드변압기를 사용하여 도체 돌기를 모의한 전극계에 전압을 인가하고, 10,000：1 divider (NORTH STAR, USA)를 사용하여 전압을 측정하였다. PD 신호는 IEC 60270에 따른 coupling capacitor (OMICRON, Austria)로 검출하였고, PD 패턴은 MPD-600 (OMICRON, Austria)으로 분석하였다.
따라서 본 논문에서는 가스절연구조에서 발생 가능한 결함 중 하나인 도체 돌기를 모의한 전극계를 그림 2와 같이 제작하여 부분방전을 모의하였다. 전극계는 지름 144 mm, 높이 131 mm의 밀폐형 구조이며 평판전극은 텅스텐-구리합금으로 지름 80 mm, 두께 10 mm이다.
본 논문은 가스절연개폐장치(gas insulated switchgear, GIS)에 적용될 친환경 가스의 PD 특성에 관한 연구로, GIS에서 발생할 수 있는 도체 돌기 (protrusion on conductor, POC) 결함을 모의하 였다. 압력에 따른 기존 SF₆ 가스와 친환경 가스 (g³, dry air)의 방전개시전압(discharge inception voltage, DIV), 방전소멸전압(discharge extinction voltage, DEV), 방전 전하량, 펄스 수 및 위상 패턴을 비교 분석하여, GIS 절연 설계 자료로 활용할수 있는 결과를 도출하였다.
위 결과로부터 0.5 MPa에서의 SF₆ 와 같은 절연성능을 가지기 위한 친환경 가스의 내부 압력을 추산하였 다. g³의 경우 SF₆대비 1.
4 mm으로 설정하였다. 전극계 내부 압력은 최대 0.6 MPa까지 유지 가능하며, 0.1 MPa, 0.3 MPa 및 0.5 MPa로 충진하여 실험하였다.
친환경 가스의 부분방전 특성 분석을 위한 실험계는 그림 1과 같다. 최대 출력전압 50 kV, 출력전류 30 mA인 몰드변압기를 사용하여 도체 돌기를 모의한 전극계에 전압을 인가하고, 10,000：1 divider (NORTH STAR, USA)를 사용하여 전압을 측정하였다. PD 신호는 IEC 60270에 따른 coupling capacitor (OMICRON, Austria)로 검출하였고, PD 패턴은 MPD-600 (OMICRON, Austria)으로 분석하였다.

대상 데이터

SF₆ 가스의 대체를 위한 절연 매질로 g³ 와 dry air를 사용하였다. 각 매질의 절연특성을 표 1에 나타내었다.
따라서 본 논문에서는 가스절연구조에서 발생 가능한 결함 중 하나인 도체 돌기를 모의한 전극계를 그림 2와 같이 제작하여 부분방전을 모의하였다. 전극계는 지름 144 mm, 높이 131 mm의 밀폐형 구조이며 평판전극은 텅스텐-구리합금으로 지름 80 mm, 두께 10 mm이다. 또한 침의 곡률반경은 5 μm이고 침-평판의 간격은 1.

성능/효과

1) DIV 및 DEV의 크기는 SF₆, g³, dry air 순으로 감소하였으며 압력의 증가에 따른 DIV 및 DEV 의 증가율은 SF₆와 g³가 비슷한 추세를 보였고, 각 압력에서 SF₆와 g³의 DIV 및 DEV의 크기 차이는 20% 미만으로 나타났다. SF₆와 dry air의 DIV 및 DEV는 압력이 높아질수록 더욱 큰 차이를 보였으며, 압력의 증가에 따른 DIV 및 DEV의 증가율이 SF₆에 비해 dry air에서 더욱 낮은 것으로 나타났다.
2) 방전 전하량의 크기는 내부압력 0.5 MPa에서 동일 전압인 19 kV, 20 kV 기준일 때, SF₆보다 g³와 dry air에서 더욱 증가된 수치가 나타났다. g³의 방전 전하량은 각각 dry air의 72%, 77%로두 매질을 비교했을 때 g³가 더 낮은 크기로 나타남을 확인하였다.
3) 펄스 수는 SF₆에 비해 g³와 dry air에서 수치가 증가됨을 확인하였다. 동일 전압인 19 kV, 20 kV 기준일 때, g³의 펄스 수는 각각 dry air의 59%, 54%로 dry air가 PD 발생이 더욱 빈번하게 일어남을 확인하였다.
4) DIV에서의 방전펄스 위상은 SF₆와 g³에서 정극성에 분포하였으나, dry air에서는 59%가 부극성에 분포하였으며 최댓값 또한 부극성에 형성되었다.
DEV에서도 DIV와 같이 SF₆가 가장 높은 값으로 측정되었고, 0.1 MPa에서 dry air의 DIV는 SF₆의 63%, 0.3 MPa에서 50%, 0.5 MPa에서 50%로 나타났다. g³의 DEV는 0.
DIV는 인가 전압을 1 kV씩 증가시킨 후 1분 동안측정하는 것을 반복하여 최초 방전이 10 pC 이상 발생되는 전압을 확인하였고, DEV도 인가 전압을 1 kV 씩 감소시킨 후 1분 동안 측정하는 것을 반복하여 방전이 소멸되는 최소 전압을 확인하였다.
5 MPa에서 각 매질의 인가 전압에 따른 초당 펄스 수는 그림 6에 나타내었다. DIV에서의 펄스수는 SF₆에서 157개로 측정되었고 g³에서 200개로 SF₆에 비해 27% 증가되었다, 또한 dry air의 DIV 펄스 수는 237개로 SF₆에 비해 51% 증가되었다. 인가 전압 19 kV, 20 kV에서의 펄스 수는 SF₆의 경우 각각 157개, 1,186개로 나타났고, g³에서 9,542개, 10,501개, dry air에서 16,280개, 19,625개로 나타났다.
의 DIV 및 DEV의 크기 차이는 20% 미만으로 나타났다. SF₆와 dry air의 DIV 및 DEV는 압력이 높아질수록 더욱 큰 차이를 보였으며, 압력의 증가에 따른 DIV 및 DEV의 증가율이 SF₆에 비해 dry air에서 더욱 낮은 것으로 나타났다. Dry air가 SF₆와 비슷한 절연특 성을 가지기 위해서는 내부 압력을 SF₆대비 약 300% 이상으로 증가시켜야 할 것으로 추산되었 으며, g³의 경우 약 130%만큼 증가시켜야 할 것으로 판단된다.
5 MPa에서 동일 전압인 19 kV, 20 kV 기준일 때, SF₆보다 g³와 dry air에서 더욱 증가된 수치가 나타났다. g³의 방전 전하량은 각각 dry air의 72%, 77%로두 매질을 비교했을 때 g³가 더 낮은 크기로 나타남을 확인하였다.
, dry air 순으로 낮아졌다. 내부 압력이 0.1 MPa일 때 dry air의 DIV는 SF₆의 67%로 나타났고 0.3 MPa에서 57%, 0.5 MPa에서 53%로 압력이 증가할수록 SF₆의 DIV보다 증가율이감소하였다. g³의 DIV는 0.
와 dry air에서 수치가 증가됨을 확인하였다. 동일 전압인 19 kV, 20 kV 기준일 때, g³의 펄스 수는 각각 dry air의 59%, 54%로 dry air가 PD 발생이 더욱 빈번하게 일어남을 확인하였다.
와 dry air의 부분 방전 특성에 대해 연구하였다. 실험 결과, SF₆의 절연특성이 가장 우수하 지만 g³의 경우 SF₆의 약 80%의 절연 성능을 보여 주었다. 이와 같이 본 실험에서 비교한 DIV, DEV 및 방전 전하량 등 파라미터 값을 GIS 절연 설계에 반영한다면 운영과 진단의 신뢰성도 향상될 것으로 기대한다.
위 결과로부터 0.5 MPa에서 SF₆와 g³는 유사한 위상 범위에서 PD 패턴이 나타났으며, dry air의 경우 정극성에서 41%, 부극성에서 59% 발생된 것을 확인하였다.
위 결과로부터 0.5 MPa에서 동일 전압인 19 kV, 20 kV 기준일 때, dry air가 g³에 비해 약 1.7배, 1.9배만큼 펄스가 더 빈번하게 발생한 것을 알 수 있었다.
위 결과로부터 0.5 MPa에서 동일 전압인 19 kV, 20 kV 기준일 때, g³ 대비 dry air의 방전량이 1.4배, 1.3배만큼 더 크게 나타난 것을 확인하였다.
측정 결과로부터 DIV는 모든 압력에서 SF₆가 가장 높은 값으로 측정되었고 g³ , dry air 순으로 낮아졌다. 내부 압력이 0.

후속연구

실험 결과, SF₆의 절연특성이 가장 우수하 지만 g³의 경우 SF₆의 약 80%의 절연 성능을 보여 주었다. 이와 같이 본 실험에서 비교한 DIV, DEV 및 방전 전하량 등 파라미터 값을 GIS 절연 설계에 반영한다면 운영과 진단의 신뢰성도 향상될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	육불화황 가스는 어떤 장점으로 전력설비 절연매체로 이용되어 왔는가?	육불화황(sulphur hexafluoride, SF6) 가스는 우수한 절연성능과 소호 능력으로 전력설비 절연매체로 폭넓게 이용되어 왔다 [1-3]. 그러나 IPCC (intergovernmental panel on climate change)에서 SF6 가스의 지구온난화 지수(global warming potential, GWP)가 CO2 가스의 23,900배로 온실가스 중 가장 높고, 대기 중 잔존 수명 또한 3,200년이라고 알려져 1990년대 말부터 전세계적으로 점차 사용량을 규제해 왔다 [4].
	국내에서 육불화황 가스를 대체할 수 있는 대상으로 무엇이 각광받고 있는가?	또한 2015 년 파리협정을 통해 신기후협약체제가 돌입하면서 우리나라를 포함한 169개국이 온실가스 저감 의무를 지게 되었다 [5]. 이에 따라 국내에서도 SF6 가스를 대체할 수 있는 친환경 매질에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 대상으로 g3 (green gas for grid)와 dry air가 각광받고 있다 [6-9]. 그러나 아직까지 가스 매질의 절연파괴 특성이나 낙뢰와 같은 서지전압에 의한 절연특성 연구가 대부분 수행되고 있고, 부분방전 (partial discharge, PD)에 의한 절연특성에 관한 연구는 상대적으로 미흡한 실정이다.
	SF6가스가 전세계적으로 규제가 된 이유는 무엇인가?	육불화황(sulphur hexafluoride, SF6) 가스는 우수한 절연성능과 소호 능력으로 전력설비 절연매체로 폭넓게 이용되어 왔다 [1-3]. 그러나 IPCC (intergovernmental panel on climate change)에서 SF6 가스의 지구온난화 지수(global warming potential, GWP)가 CO2 가스의 23,900배로 온실가스 중 가장 높고, 대기 중 잔존 수명 또한 3,200년이라고 알려져 1990년대 말부터 전세계적으로 점차 사용량을 규제해 왔다 [4]. 또한 2015 년 파리협정을 통해 신기후협약체제가 돌입하면서 우리나라를 포함한 169개국이 온실가스 저감 의무를 지게 되었다 [5].

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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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