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옥외용 고전압 절연물의 절연성능은 표면저항과 밀접한 관계를 가지며, 이는 절연물 표면에 존재하는 수분의 거동에 의해 민감하게 반응하게 된다. 또한 절연물 표면에 흡착된 수분의 존재로 인해 절연물과 수분, 공기층의 유전율 차이로 인해 경계면에서의 전기력선속과 공간전하밀도의 변화가 급격해지므로 불평등전계를 형성할 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 옥외용 고전압 절연물의 표면에 작은 물방울 형태로 존재하게 되는 흡착수분에 의한 전계분포를 확인하기 위해 FEM을 이용하여 전산해석을 수행하였다.

옥외용 고전압 절연물의 절연성능은 표면저항과 밀접한 관계를 가지며, 이는 절연물 표면에 존재하는 수분의 거동에 의해 민감하게 반응하게 된다. 또한 절연물 표면에 흡착된 수분의 존재로 인해 절연물과 수분, 공기층의 유전율 차이로 인해 경계면에서의 전기력선속과 공간전하밀도의 변화가 급격해지므로 불평등전계를 형성할 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 옥외용 고전압 절연물의 표면에 작은 물방울 형태로 존재하게 되는 흡착수분에 의한 전계분포를 확인하기 위해 FEM을 이용하여 전산해석을 수행하였다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 논문에서는 옥외용 고전압 절연물에 수분이 흡착되었을 경우, 흡착 수분의 기하학적 형태, 즉 수분의 지름과 접촉각에 따른 절연물 주변의 전계분포의 왜곡 현상에 대해 전산해석을 수행하였다.
• 본 논문에서는 이러한 전산해석 기법을 활용하여 고전압 절연물의 표면에 흡착된 오손물의 기하학적 형태, 즉 절연물이 가지는 발수성 및 표면장력 등으로 인해 흡착 수분의 기하학적 형태가 달라지는데, 이를 모의하여 오손물이 부착된 고전압 절연물 주변의 전계분포의 왜곡 현상을 시뮬레이션 해보고자 하였다.

가설 설정

• 해석모델은 옥외용 고전압 절연물이 우천 시나 대기습도가 증가하여 절연물의 표면에 수분이 작은 물방울 형태로 존재할 수 있으므로, 이러한 경우를 가정하였으며, 옥외용 절연물은 기본적으로 연면누설거리를증가시키기 위해 주름갓(shed) 형태를 띄는 동축 구조이므로 22.9 [kV] 배선선로용 붓싱류의 형태와 유사하게 모델링하였다. 또한 경계조건 설정을 위해 절연물의 상하부에 전극을 위치하여 전압을 인가하였는데, 국내 22.

제안 방법

• 05 [V]의 전압을 인가하고, 하부 전극은 Ground로 설정하였으며 옥외용 절연물임을 감안하여 절연물 주변은 대기층으로 설정하였다.[4-6] 공기층과 물방울, 절연물의 비유전율은 상온 상습임을 기준으로 하여 각각 1, 81, 2.8을 입력하였으며, 절연물은 FRP로 구성된 고분자 절연물로 모의 하였다.
• 즉, 접촉각이란 고체표면의 젖음성 (Wettability)를 나타내는 것으로서 수분에 의한 옥외용 절연물의 절연성능을 판단하는 중요한 척도로 작용하게 된다. 따라서 매니퓰레이터 절연물 표면의 흡착 수분의 접촉각에 따라 전계해석을 수행하였다.
• 9 [kV] 배선선로용 붓싱류의 형태와 유사하게 모델링하였다. 또한 경계조건 설정을 위해 절연물의 상하부에 전극을 위치하여 전압을 인가하였는데, 국내 22.9 [V]급 배전선로의 단상전압인 13.2 [V]가 인가되는 것으로 가정하여 IEC 60815에서 제시하고 있는 24 [V] 최고전압 및 중오손 (重 汚損) 등급에서 600 剛 이상의 외피 최소누설거리를 규정하고 있으므로해석모델을 단순화하기 위해 연면누설거리 700 剛에 13.2 [V]가 인가되는 것을 기준으로 하면, 단위길이 당 인가되는 전압이 약 18.8 [V/剛] 이므로 해석에 사용된 모델의 연면거리인 108.5 [剛]로 환산하여 절연물의 상부전극엔 약 2.05 [V]의 전압을 인가하고, 하부 전극은 Ground로 설정하였으며 옥외용 절연물임을 감안하여 절연물 주변은 대기층으로 설정하였다.[4-6] 공기층과 물방울, 절연물의 비유전율은 상온 상습임을 기준으로 하여 각각 1, 81, 2.
• 공기와 수분의 전계분포를 해석한 결과이다. 수분의 반경은 그림에서와 같이 각각 0.6 剛, 1.2 剛, 1.8 剛로 증가시키면서 수분과 절연물 간의 접촉각은 90°로 일정하게 하여 전계분포를 해석하였다. 따라서 접촉각을 일정하게 유지시켜주기 위해 수분의 반경을 증가시킬수록 수분의 체적 역시 증가하게 된다.

성능/효과

• 또한 옥외용 고전압 절연물의 발수성이 절연성능에 미치는 영향이 현저하므로 절연물에 흡착된 수분의 접촉각에 따른 전계분포를 해석한 결과, 흡착 수분의 접촉각이 증가될 경우 수분과 공기층의 경계면에서 전계집중 현상이 증가하였지만 주변 공기층 영역의 전계분포의 왜곡은 현저하지 않았다. 또한, 흡착수분의 반경이 증가되는 것에 비해 전계 집중 현상은 비교적 낮은 수준임을 확인할 수 있었다.
• 또한 접촉각 증가에 따른 전계분포 왜곡의 변화는 흡착 수분의 반경 증가에 다른 전계분포 왜곡 보다는 현저하지는 않는 것으로 나타났는데, 결과적으로 흡착수분의 반경 증가가 수분의 접촉각 증가에 비해 주변 전계의 왜곡효과가 더 크다고 하겠다.
• 않았다. 또한, 흡착수분의 반경이 증가되는 것에 비해 전계 집중 현상은 비교적 낮은 수준임을 확인할 수 있었다.
• 먼저, 흡착 수분의 반경에 따른 전계분포는 절연부 표면에 흡착된 수분의 반경이 증가할수록 공기층과 수분, 절연물 간의 비유전율 차이로 인해 공기와 수분의 경계면에서 공간전하밀도가 증가하게 되므로 공기층 영역의 전계 왜곡 및 전계집중이 심화되는 것을 확인할 수 있었다.
• 따라서 접촉각을 일정하게 유지시켜주기 위해 수분의 반경을 증가시킬수록 수분의 체적 역시 증가하게 된다. 접촉각이 일정한 상태에서 수분의 반경이 증가하게 될수록 수분과 공기층이 접하게 되는 경계면에서 큰 비유전율 차이로 인한 공간전하밀도가 증가하면서 최대 전계강도는 큰 변화가 없으나 수분과 공기층의 경계면뿐만 아니라 주변 공기층 영역까지 전계분포 왜곡 및 전계집중 부위가 확대되는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 공기 층에 인가되는 전계집중 영역이 증가하게 되므로 공기층에서 국부적인 부분 방전이 발생할 우려가 클 것으로 판단된다.
• 흡착수분의 접촉각에 따른 전계분포 해석결과를 참조하면 절연물 표면에 흡착된 수분의 접촉각이 증가함에 따라 최대 전계강도가 증가하였다. 이는 수분과 절연물이 접촉하고 있는 면적을 동일하게 가정함으로서결과적으로 접촉각 증가할수록 수분의 체적 역시 증가하므로 상대적으로 전위가 높은 상부 주름과의 거리가 가까워지는 결과를 초래하기 때문인 것으로 판단된다.

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