[논문]800kV GIS용 피뢰기 누설전류측정장치 개발에 관한 연구(2)

김민수; 김정배; 송원표; 김덕수; 길경석

문제 정의

800kV GIS용 피뢰기는 SF6 가스가 내장된 탱크형 피뢰기로서 이에 대한 열화특성을 피뢰기 소자의 열화에 따른 누설전류량 변화를 이용하여 감시하고자 한다. 앞서 설명한 바와 같이 피뢰기 소자의 열화에 따른 누설전류량 측정은 크게 1) 전누설전류; 2) 저항분 누설전류량, 3) 제 3고조파 누설전류량 측정 방식으로 이루어지며 전체적인 시스템 구성은 그림 3과 같다.
EMC 시험, 절연내력시험 및 신뢰성 검증시험결과에 대해서 진행상황을 보고하였다.
본 논문에서는 당사에서 개발/진행 증에 있는 800kV GIS용 피뢰기 누설전류측정장치 (LCM)와 관련하여 측정원리. EMC 시험, 절연내력시험 및 신뢰성 검증시험결과에 대해서 진행상황을 보고하였다.
본 논문에서는 먼저 열화가 진전된 피뢰기의 특성에 대해서 고찰하고, 당사에서 개발한 LCM의 시스템 구성에 대해서 설명하며, EMC 시험, 절연내력시험 및 신뢰성 검증을 위해서 수행한 시험에 대해서 서술하도록 한다.
본 연구에서는 열화가 진전된 피뢰기의 특성을 확인하기 위하여 170kV GIS용 피뢰기 - 당사 개발품으로서 제 조년 수 4년 경과 - 에 대해서 정격전압 대비 40%(57.6kV), 60%(86.4kV), 100%(144kV)의 전압을 인가해서 피뢰기 접지선에서 흐르는 누설전류를 측정하였다(그림 2). 이때, 전누설전류와 제 3고조파분 누설전류를 각각 측정하였으며, 열화가 진전된 피뢰기일수록, 높은 전압이 인가될수록 전누설전류에 비해 제 3 고조 파분 누설전류량이 급속하게 증가함을 알 수 있다.

제안 방법

1)측정원리는 전누설전류, 제 3고조파분 누설전류에 대해서는 증폭 및 필터/변환 희로를 이용하여 DC 4~20mA의 출력신호를 전송하게 하였으며, 저항분 누설전류는 구성회로가 다소 복잡한 관계로 증폭회로를 통한 적절한 알고리즘이 내장된 마이크로프로세서를 이용해서 측정이 가능하게 하였다.
2) Surge 내성시험은 관련 규격에 준하는 1.2x50μs (전압), 8x20μs(전류), 임피던스 : 2Q을 가지는 파형을 정부극성 각 5회씩 인가하였으며, 적용되는 레벨보다 낮은 레벨에 대해서도 모두 실시하였음.
3) 전압강하 시험은 1주기 동안 AU 30%(전원전압 : AC 220V) 변동에 대해서는 전원 파형의 위상 0° , 90° 에서 16.67ms 동안 154V, 5초 동안 220V와 전원 파형의 위상 0° , 90° 에서 16.67ms 동안 66V, 5 초 동안 220V를 실시하였으며, 50주기 동안 AU 60% 변동에 대해서는 전원 파형의 위상 b , 90° 에서 833 ms 동안 88V, 5초 동안 220V와 전원 파형의 위상 0°; . 90° 에서 833ms 동안 132V.
GIS 관련 제품규격인 IEC 60694를 만족하기 위하여 LCM 내부의 전원 포트, 입력 포트, 출력 포트 각각에 적절한 써지 보호회로를 구성해서 표 3의 내용과 같이 절연내력 시험을 실시하였으며 그 결과는 모두 만족스럽게 나왔다.
LCM에 대해서 EMC 시험 및 절연내력시험 실시전, 후의 정상 동작여부를 확인하는 시험으로서 개별 시험으로 인한 손상여부를 확인하였다. 확인방법은 EMC 시험 및 절연내력시험 전, 후에 동일한 입 .
신호포트에 대한 EMC 시험항목 및 결과는 표 2와 같으며 시험항목별로 인가된 파형의 상세한 내용은 버스트 내성시험과 1MHz 진동파 내성시험에 대해서는 전원 포트와 동일하게 하였으며, Surge 내성시험은 관련 규격에 준하는 10X700μs(전압), 임피던스 40Q을 가지는 파형을 정부극성 각 5회씩 인가하였다.
외함포트에 대한 EMC 시험은 정전기 방전시험으로서 외함에 직접 접촉방전을 6kV, 정부극성 각 10회 실시하여 이상없음을 확인하였다.
우선, 전누설전류 측정에 있어서는 피뢰기 접지선에 별도의 미소 전류 측정용 변류기 (CT)를 장착시켜 누설전류를 전압으로 계측한다. 미소전류 측정용 변류기에 의해 측정된 신호는 LCM 내부의 회로에 의해 신호 처리되어, 실 누설전류값(0.
하였다. 이 방법은 계기용 변압기 (PT) 등에서의 보조신호를 이용하여 전압신호와 전류신호의 위상차를 이용해서 전누설전류 중에서 저항분 성분만을 검출하도록 하였다.
저항분 누설전류 검출에 있어서는 측정회로가 다소 복잡하다는 단점이 있기 때문에 LCM 내부에는 별도의 측정 회로를 구성하지 않았으며, T/P 단자를 통해 증폭되어진 미소전류 측정용 변류기의 출력을 소정의 알고리즘이 내장된 마이크로프로세서로 연결해서 이상 진단을 실시하게끔 하였다. 이 방법은 계기용 변압기 (PT) 등에서의 보조신호를 이용하여 전압신호와 전류신호의 위상차를 이용해서 전누설전류 중에서 저항분 성분만을 검출하도록 하였다.
전자기적 합성시험과 관련된 규격 IEC 61000-4를 만족하기 위하여 LCM 내부의 전원포트, 신호포트, 외함 포트 각각에 해당하는 시험항목에 대해서 한국전기 연구원에서 EMC 시험을 실시, 양호한 결과를 얻었다.

성능/효과

증가되는 전누설전류 측정으로 확인되어진다.(2) 특히, 전누설전류 성분 중 저항분 누설전류의 변화가 제 3 고조파분 누설전류 성분의 변화로 현저히 나타나므로, 제 3고조파분 누설전류 성분을 분석하여 누설전류의 증가분에 대한 정보를 얻을 수 있다.
1)버스트 내성시험은 관련 규격에 준하는 5x50ns 파형을 15ms동안 인가 후, 285ms 동안 휴지하는 시험을 2 분간 반복 실시하였음.
2)한국전기연구원에서 IEC 60694와 IEC 61000-4의 규격을 만족하는 EMC 시험, 절연내력 시험, 신뢰성 검증시험을 실시하여 양호한 결과를 얻었다.
4) 순간정전 시험은 관련 규격의 기준보다 더 가혹한 경우인 50주기 동안 △U 100%의 조건에 대해서 실시하였음.
4kV), 100%(144kV)의 전압을 인가해서 피뢰기 접지선에서 흐르는 누설전류를 측정하였다(그림 2). 이때, 전누설전류와 제 3고조파분 누설전류를 각각 측정하였으며, 열화가 진전된 피뢰기일수록, 높은 전압이 인가될수록 전누설전류에 비해 제 3 고조 파분 누설전류량이 급속하게 증가함을 알 수 있다.

후속연구

또한, 전력계통에 설치된 피뢰기의 열화진단과 교체 시기의 결정은 계통의 얀정성 및 신뢰성율 확보하기 위해 필수적이며 이를 위해 신뢰도가 높은 진단장치의 개발이 요구된다. 따라서 ZnO 피뢰기 소자의 열화에 의한 특성변화 및 열화진전에 따른 절연능력 저하를 사전에 방지하기 위하여 높은 신뢰성을 갖는 열화 진단기술에 대한 관심이 높아져 많은 연구가 진행되고 있다.
현재 진행 중에 있는 제품에 대한 시험항목 중에서 과도전류 복원확인시험과 이 시험 전·후의 특성시험을 빠른 시일 내에 실시할 예정이며, 향후에는 저항분 누설전류를 측정하는데 있어서 자기소호법이나 동기정류방식(1)을 이용해서 측정회로가 직접 내장되는 제품 개발을 목표로 연구에 박차를 가할 것이다.

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