[논문]초고압 전력기기의 Dry Air Gas를 적용한 DS/ES부 절연특성 연구

정동훈; 정영환; 서경보; 김태한; 김정배; 이학성

초고압 전력기기의 Dry Air Gas를 적용한 DS/ES부 절연특성 연구
A Study on Dielectric Strength and Insulation Property of DS/ES Part applied Dry Air gas of Advanced Power Apparatus 원문보기

정동훈 ((주) 효성 중공업연구소) , 정영환 ((주) 효성 중공업연구소) , 서경보 ((주) 효성 중공업연구소) , 김태한 ((주) 효성 중공업연구소) , 김정배 ((주) 효성 중공업연구소) , 이학성 ((주) 효성 중공업연구소)

현재 초고압 송변전기기에 적용되고 있는 $SF_6$ 가스는 절연 및 소호성능이 우수하며 회복특성이 뛰어나기 때문에 초고압 기기의 절연매체로서 일반적으로 사용하고 있다. 그렇지만 $SF_6$ 가스의 온난화 계수는 $CO_2$의 약 23,900배로 매우 높고, 대기 중으로 방출될 경우에는 온실효과 가스로 문제가 되고 있다. 따라서, $SF_6$ 가스의 대기 중에의 방출을 최대로 피하기 위해 단계별 연구가 필요하다. 본 논문에서는 초고압 전력기기의 DS/ES부에 Dry Air Gas와 절연코팅소재를 적용하여 절연특성에 대한 연구를 하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 SF6가스를 대체하기 위한 Dry Ah Insulated Switchgear(DAIS) 기술에 대한 해석과 특성시험을 실시하여 170kV DAIS E/DS Test Model의 절연설계기준을 수립하고 High Voltage급에 Dry Air가스 및 절연특성 향상을 위한 기술을 보유하고자 한다.
하지만 100% 정격에 대한 절연성능을 가지기 위해서 절연코팅 소재별 연구가 필요하다. 이에 절연코팅 소재별 연구를 진행하였다.

제안 방법

2차PT 타입을 결정하기 전에 절연성능을 확보 하고자 그림 3의 과정으로 각 부분의 형상을 전계해석을 통해 변경을 하고 Epoxy 코팅 절연을 통한 ProtoType을 제작하고 시험을 하였다.
E/DS Test model이다. Bushing 부분은 SF& 가스를 주입하고 E/DS 부분에는 진공 후에 Dry Air 가스를 주입하고 가스압력은 가 설정된 최소 보증압력을 기준으로 하여 설정 하였다.
1차 Prototype을 설계하고 시험을 진행하였다. 시험에 앞서 model 의 전계 취약부분에 대한 시뮬레이션을 수행하고 Dry Air에 대한 가 설정된 보증압를 챔버에 주입하여 F.O발생 지점을 미리 예상하여 시험 진행을 원활히 하였다. 절연성능을 확보하기 위하여 각 Type별, 코팅 소재별, 가스 압력에 대한 시험을 진행하였으며 2차 PT에 적용을 위한 절연성능에 대해서 검증을 하고 BDV값을 예상하여 시험을 진행하였다.
절연성능 확보를 위하여 각 Type별, 절연 코팅제, Dry Air 가스 압력 등에 관해서 절연특성 연구를 하였다.
O발생 지점을 미리 예상하여 시험 진행을 원활히 하였다. 절연성능을 확보하기 위하여 각 Type별, 코팅 소재별, 가스 압력에 대한 시험을 진행하였으며 2차 PT에 적용을 위한 절연성능에 대해서 검증을 하고 BDV값을 예상하여 시험을 진행하였다.
현재 절연 코팅 소재를 공급하고 있는 업체에게 의뢰하여 그 중에서 절연성능이 뛰어난 것으로 되어 있는 4개사 제품에 대한 절연 성능에 대한 시험을 진행 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 High Voltage급에서 Dry Air 가스를 적용한 170kV DAIS 1차 Prototype을 설계하고 시험을 진행하였다. 시험에 앞서 model 의 전계 취약부분에 대한 시뮬레이션을 수행하고 Dry Air에 대한 가 설정된 보증압를 챔버에 주입하여 F.

성능/효과

그림 8는 1차 PT를 이용하여 절연시험을 한 결과이다. 170kV DAIS 뇌임펄스 정격에 비해 106% 수준이며 제품화에 필요한 정격의 110% 전압과는 25kV Gap이 존재함을 확인 하였다. 25kV Gap에 대한 성능확보를 위하여 2차 Prototype을 제작 중에 있다.
2차 Prototype을 제작하여 지속적인 실험과 시뮬레이션으로 Data를비교분석하여 Dry Air 절연설계기준를 정립하고 해석과의 신뢰도를 확인할 것이며, 제품화을 위해 정격의 110% 절연성능을 확보할 것이다.
AC 내전압시험 결과 정격의 105% Breakdown Voltage 성능 이었으며 충격시험 결과는 0.4[Mpa]와 0.5[Mpa]의 가스압을 비교한 결과 76% Breakdown Voltage 향상을 알 수 있었다. 하지만 정격에 비해 여전히 부족한 절연내력을 가지고 있었다.
전계해석을 통하여 형상을 변경(Type I)하였을 때 12[%] 절연성능이 향상되었고, Epoxy 코팅을 적용하였을 경우 3[%] BDV값이 상승하였다. 하지만 100% 정격에 대한 절연성능을 가지기 위해서 절연코팅 소재별 연구가 필요하다.
절연 코팅제의 두께는 150㎛이상으로 시험모델을 제작하였으며 R 사의 전기절연 강도가 높음에도 불구하고 BDV값이 낮은 이유는 액상 도료로 제작 후 표면접착이 되지 못하고 흘러내리기 때문에 표면 고르기가 거칠게 제작되었기 때문이라 사료되며 절연 코팅제로 절연시험을 한 결과 W사의 코팅제가 가장 높은 절연성능을 가짐을 알 수 있었다.

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