[논문]가솔 열 열화 시험에 의한 광유 함침 절연지의 절연 열화 특성

김주한; 강석영; 한희준; 한상옥; 이병성; 이세현

가솔 열 열화 시험에 의한 광유 함침 절연지의 절연 열화 특성
Degradation of Cellulose in Mineral Oil by Thermally Accelerated Aging Test 원문보기

김주한 (충남대학교) , 강석영 (충남대학교) , 한희준 (충남대학교) , 한상옥 (충남대학교) , 이병성 (전력연구원) , 이세현 (대전기능대학)

본 논문은 변압기의 과부하 상태를 모의하고 내부 절연물의 잔존수명을 평가하기 위한 방법으로 가속 열 열화 시험을 수행하였으며, 광유 함침 절연지의 열 스트레스에 의한 절연 열화 특성을 분석하였다. 시험에 사용된 절연재료는 변압기의 주 절연물로 널리 사용하고 있는 셀룰로스계 크래프트 절연지와 광유계 절연유를 사용하였다. 가속 열 열화 시험은 IEEE/ANSI Standard C59.91-1981의 수명 예측 곡선에 의거하여 국내 배전환경에 부합하도록 $55^{\circ}C$ 절연시스템을 기준으로 하였으며, $150^{\circ}C$에서 약 1,000시간 동안 열 스트레스를 인가함으로써 변압기의 수명이 다하도록 모의하였다. 또한 절연지의 절연 열화 특성을 분석하기 위해 인장강도, 비유전율, 절연파괴 강도를 시험하였다.

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문제 정의

식 ⑴과은 변압기의 권선 최고 온도(Hottest Spot)에 대한 변압기의 절연수명을 예측하든 것으로써 본 논문에서는 이에 준하여 13TC에서 약 1, 000시간 동안 가속 열 열화시험을 수행하여 변압기의 수명이 다하도록 모의하였다.

제안 방법

과부하시 열적 스트레스에 의한 변압기 내부 절연물의 절연 열화 상태를모의하기 위해, 과 같은 가속 열 열화 포의 시혐셀을제작하였다.
하중속도는 시험편이 평균 20±5초 내에서 끊어지도록 조정하였다. 또한 절연지의 인장강도는 절연지의 방향에 따라 큰 차이를 보이므로 이에주의하여 시료를 제작하였으며, MD(Mechanical Direction)방향을 총 5회측정하여 평균치를 구하였다.
본 연구에서는 배전용 변압기 절연물이 과부하에 따른 열적인 스트레스애 따라 절연 특성에 상당한 영향을 미친다는 선행 연구 결과들을 바탕으로 배전용 변압기의 철연설계와 수평예측을 위한 기초 데이터를 제시하기위해 가속 열 열화 모의 시험셀을 제작하여 유입변압기 절연물을 가속 열화 시킨 후 열화 시간대별로 시료릁 제작하였다 절연지의 열화분석기법으로 유전특성, 절연파괴강또, 인장강도률 측정하여 열적 스토레스에 의한 절연지의 전기적, 기계적 특성변화를 분석하였다.
본 연구에서는 배전용 변압기 절연물이 과부하에 따른 열적인 스트레스에 따라 절연 특성에 상당한 영향을 미친다는 선행 연구 결과들을 바탕으로 배전용 변압기의 절연설계와 수명예측을 위한 기초 데이터를 제시하기위해 가속 열 열화 모의 시험셀을 제작하였으며, 절연지의 열화분석기법으로 유전특성, 절연파괴강도, 인장강도를 측정하여 열적 스트레스에 의한 절연지의 전기적, 기계적 뜩성변화를 분석하였다. 장시간의 열적 스트레스를절연지에 인가하였을 때, 절연파괴강도는 내부 수분함유량이 건천한 상태로유지될 경우 큰 변화가 없는 것으로 나타났으나, 인장강도는 열 열화에 따른 급격한 저하를 가져와 단락전류 유입에 따른 고장사고가 예상된다.
열적 스트레스에 의한 변압기 절연지의 절연 열화특성을 분석하기 위해유전열 분석기(Novo Control, Broad Band Dielectric Spectrometer) 를 사용하여 비유전율을 측정하였다. 절연지 시료는 광유에 함침하여 진공펌프를 이용해 기포를 충분히 제거하였으며, 상용주파수에서 3(150C의 온도구간을 측정하였다.
사용하여 비유전율을 측정하였다. 절연지 시료는 광유에 함침하여 진공펌프를 이용해 기포를 충분히 제거하였으며, 상용주파수에서 3(150C의 온도구간을 측정하였다.
가속 열 열화 시험장치는 고온의 항온유조에서 시료에 겨르게열을 가하기 위해 열매체유인 실리콘유를 사용하여 중탕방식으로 하였다. 절연지는 인장강도 시험을 위해 KS M 7014에 준하여 25K1 절단하여 광유에 함침 화였으며, 유함침 시 진공펌프를 이용하여 절연지 내부의기포를 완전허 제거하였다. 또한<그림 3>과 같이 시험셀의 기밀을 위해실리콘 마개로 기밀 구조를 유지하였으며, 절연유의 열팽창에 따른 방압 밸브와 외기의 수분유입을 방지하기 위한 실리카젤을 사용하였다.
셀룰로오스 페이퍼 시험방법”에 따라 측정하였다. 천극 간절연지는 0.5[kgf/t의 힘으로 끼워 넣고 3[kV/sec]의 전압상승률로상용주파수의 전압을 천극 사이에 가하여 각각 10개의 시료에 대해시험하였다.

대상 데이터

가속 열 열화 시험장치는 고온의 항온유조에서 시료에 겨르게열을 가하기 위해 열매체유인 실리콘유를 사용하여 중탕방식으로 하였다. 절연지는 인장강도 시험을 위해 KS M 7014에 준하여 25K1 절단하여 광유에 함침 화였으며, 유함침 시 진공펌프를 이용하여 절연지 내부의기포를 완전허 제거하였다.
또한과 같이 시험셀의 기밀을 위해실리콘 마개로 기밀 구조를 유지하였으며, 절연유의 열팽창에 따른 방압 밸브와 외기의 수분유입을 방지하기 위한 실리카젤을 사용하였다.

이론/모형

절연지의 인장강도 시험은 KS M 7014 "종이 및 판지-인장강도 특성의정속-정속 신장률법”에 준하여 인장강도 시험기(Unitech, RNB)로 측정하였다. 하중속도는 시험편이 평균 20±5초 내에서 끊어지도록 조정하였다.
철연지의 절연파괴강도는 절연파괴 천압 시험기 (MEGGER FOSTER, OTS 60 AF/S)를 사용하였으며, KS C IEC 60544-2 “전기용 셀룰로오스 페이퍼 시험방법”에 따라 측정하였다. 천극 간절연지는 0.

성능/효과

장시간의 열적 스트레스를절연지에 인가하였을 때, 절연파괴강도는 내부 수분함유량이 건천한 상태로유지될 경우 큰 변화가 없는 것으로 나타났으나, 인장강도는 열 열화에 따른 급격한 저하를 가져와 단락전류 유입에 따른 고장사고가 예상된다. 또한비유전율은 열화시간에 비례하여 증가하였으며, 주위 온도가 상승하면 더욱크게 상승하는 것으로 나타났는데 이는 상대적으로 절연유의 전기적 스트레스 증가로 인한 부분방전이 발생할 확률이 클 것으로 예상된다.
절연지의 인장강도를 나타내고 있다. 측정결과 열 열화 시간이 증가함에 따라 신품대비 최대 30%의 인장강도 저하를 나타내었는데, 이는 절연지가 열적 스트레스로 인한 기계적 강도가 현저하게 저하되는 것을 의미한다.

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