[논문]산화아연 피뢰기 소자의 열적 특성 분석

이복희; 이수봉; 이승주; 전병욱; 김동성; 정동철

문제 정의

이러한 열화현상은 열발생과 열방출 사이의 관계로 해석할 수 있으며, 이러한 열화기구의 해석은 피뢰기 수명의 예측에 매우 중요하다.(3)(4) 본 연구에서는 60 [Hz] 교류전압에 대한 ZnO피뢰기 소자의 열적 특성을 파악하기 위해서 누설전류의 변화를 측정하고, 열화상카메라를 이용하여 ZnO피뢰기 소자에 나타나는 온도분포를 관측하였다. 그리고 구리와 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO피뢰기 소자에 추가로 설치함으로써 그에 따르는 특성을 실험적으로 분석하였으며, 이를 바탕으로 ZnO피뢰기 소자의 열발생 및 열방출에 의한 열화기구를 검토하였다.
따라서 본 연구에서는 이러한 ZnO피뢰기 소자 사이에 다른 금속의 전극을 추가로 설치하여 그에 따른 ZnO피뢰기 소자의 열적특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 누설전류의 조건으로 0.

제안 방법

또한 직경 30 [mm], 두께 5[mm]로 절삭한 구리, 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO소자 사이마다 설치하여 실험을 수행하였다. 각각의 ZnO피뢰기 소자에서 나타나는 열적특성을 관찰하기 위하여 열화상카메라(100,000 [fps] 이상의 컬러디자털 이미지 촬영, 4[GB] 이상의 메모리)를 사용하였으며, 실험실 내부 온도는 18.3 [℃]로 일정하게 유지하였다. 각각의 ZnO피뢰기 소자에서의 온도분 포는 평균값으로 열화상카메라의 메모리에 저장하였다.
구리, 알루미늄, 스테인리스 전극을 추가로 설치하여 ZnO피뢰기 소자의 열적 특성을 분석하여 기존의 전극이 설치되지 않은 ZnO피뢰기 소자와 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
그 후 자연방열을 한 다음 구리, 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO피뢰기 소자 사이마다 설치하여 동일 조건하에 온도분포를 실험적으로 분석하였다. 그림 3은 스테인리스 전극을 추가로 설치하였을 때 1시간 경과 후 열화상 카메라에 의해 측정된 ZnO피뢰기 소자의 온도분포를 나타내었다.
이 때 ZnO피뢰기 소자에 나타나는 열적 특성을 관찰하였다. 그리고 구리, 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO피뢰기 소자 사이마다 설치하여 실험하였다.
(3)(4) 본 연구에서는 60 [Hz] 교류전압에 대한 ZnO피뢰기 소자의 열적 특성을 파악하기 위해서 누설전류의 변화를 측정하고, 열화상카메라를 이용하여 ZnO피뢰기 소자에 나타나는 온도분포를 관측하였다. 그리고 구리와 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO피뢰기 소자에 추가로 설치함으로써 그에 따르는 특성을 실험적으로 분석하였으며, 이를 바탕으로 ZnO피뢰기 소자의 열발생 및 열방출에 의한 열화기구를 검토하였다.
연구를 수행하였다. 누설전류의 조건으로 0.5 [mA], 0.7 [mA], 1.0 [mA]의 누설전류가 흐를 때의 인가전압을 ZnO피뢰기 소자에 일정하게 인가하고, 온도한계를 초과하여 온도가 급격하게 상승할 때까지 60 Hz 교류전압을 최소 1시간에서 최대 6시간 동안 인가하였다. 이 때 ZnO피뢰기 소자에 나타나는 열적 특성을 관찰하였다.
두 전극 사이에 ZnO피뢰기 소자 5개를 직렬로 연결하고 최소 1시간에서 최대 6시간 동안 각각의 소자에서 나타나는 온도분포를 실험적으로 분석하였다. 그 후 자연방열을 한 다음 구리, 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO피뢰기 소자 사이마다 설치하여 동일 조건하에 온도분포를 실험적으로 분석하였다.
5[kA]이며, 직경이 30 [mm], 두께가 28 [mm]인 ZnO 피뢰기소자 5개를 직렬로 시험용 지그에 설치하였다. 또한 직경 30 [mm], 두께 5[mm]로 절삭한 구리, 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO소자 사이마다 설치하여 실험을 수행하였다. 각각의 ZnO피뢰기 소자에서 나타나는 열적특성을 관찰하기 위하여 열화상카메라(100,000 [fps] 이상의 컬러디자털 이미지 촬영, 4[GB] 이상의 메모리)를 사용하였으며, 실험실 내부 온도는 18.
5 [kA]의 15 년 동안 상시운전전압에서 스트레스를 받은 배전용 피뢰기에서 채취하였다. 배전용 피뢰기 내부에 직렬로 접속된 5개의 ZnO피뢰기 소자만을 배전용 피뢰기로부터 분리하여 ZnO피뢰기 소자에서 나타나는 열적특성을 분석하였다. 그림 1에 실험측정계의 구성도를 나타내었다.
그림 3은 스테인리스 전극을 추가로 설치하였을 때 1시간 경과 후 열화상 카메라에 의해 측정된 ZnO피뢰기 소자의 온도분포를 나타내었다. 시험용 ZnO피뢰기 소자에 교류전압을 인가했을 때 저항성 누설전류가 흐르기 시작하는 시작점의 크기가 0.7 [mA]일 경우에 대해 모의하였다. 시작점 누설전류가 0.
0 [mA]의 누설전류가 흐를 때의 인가전압을 ZnO피뢰기 소자에 일정하게 인가하고, 온도한계를 초과하여 온도가 급격하게 상승할 때까지 60 Hz 교류전압을 최소 1시간에서 최대 6시간 동안 인가하였다. 이 때 ZnO피뢰기 소자에 나타나는 열적 특성을 관찰하였다. 그리고 구리, 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO피뢰기 소자 사이마다 설치하여 실험하였다.

대상 데이터

그림 1은 60 Hz의 교류전압을 약 50 [kV]까지 발생시킬 수 있는 교류전압 발생장치이다. ZnO피뢰기 소자의 인가전압과 누설전류의 측정에는 디지털오실로스코프(BW 1[GHz], 5[Gs/s] 4채널), 수동형 고전압 프로브(BW 75[MHz], 감쇠율 1000X, 최대입력 DC 20kV), 능동형 FET 프로브(BW 1 [MHz], 감쇠율 1/10, 최대전압 ±15 [V])를 사용하였다.
본 실험에 사용된 ZnO피뢰기 소자의 정격전압과 공칭방전전류가 각각 3.6 [kV], 2.5[kA]이며, 직경이 30 [mm], 두께가 28 [mm]인 ZnO 피뢰기소자 5개를 직렬로 시험용 지그에 설치하였다. 또한 직경 30 [mm], 두께 5[mm]로 절삭한 구리, 알루미늄, 스테인리스 전극을 ZnO소자 사이마다 설치하여 실험을 수행하였다.
실험용 시료는 정격전압과 공칭방전전류가 각각 18 [kV], 2.5 [kA]의 15 년 동안 상시운전전압에서 스트레스를 받은 배전용 피뢰기에서 채취하였다. 배전용 피뢰기 내부에 직렬로 접속된 5개의 ZnO피뢰기 소자만을 배전용 피뢰기로부터 분리하여 ZnO피뢰기 소자에서 나타나는 열적특성을 분석하였다.

성능/효과

일반적으로 ZnO피뢰기 소자의 수명예측은 ZnO피뢰기 소자의 온도상승에 따른 내전압특성에 의해 평가되고, 수명이 끝나는 영역에서 열폭주가일어나게 된다.[1][2] ZnO피뢰기 소자의 온도가 서지에너지를 흡수하여 온도한계를 초과하면 이후의 AC전압의 지속적인 스트레스로 인한 누설전류의 증가로 열발생의 증가와 더불어 열화현상이 발생하게 된다. 이러한 열화현상은 열발생과 열방출 사이의 관계로 해석할 수 있으며, 이러한 열화기구의 해석은 피뢰기 수명의 예측에 매우 중요하다.
즉, ZnO피뢰기소자의 열화는 누설전류와 ZnO피뢰기 소자의 온도에 상당히 의존적이다. 낮은 전류에서 ZnO피뢰기 소자에 추가 전극을 설치하여 온도를 낮추는 효과가 크게 나타나지는 않았지만, 높은 전류에서 추가 금속전극을 설치함으로서 누설전류를 감소시키고 열발생에 비해 열방출을 크게 하여 ZnO 피뢰기 소자의 온도를 낮추는 효과가 크게 나타났다.
그에 반해 스테인레스 전극이 설치된 경우는 열폭주에 이르는 시간이 다소 길어지는 것을 알 수 있다. 시작점 누설전류가 0.5 [mA]에서 전극이 설치된 경우 1시간가량 온도가 상승하다가 점차적으로 안정하게 유지되는 경향(열방출>열발생) 을 보이며, 누설전류 또한 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 이는 스테인레스 전극이 설치된 경우도 비슷한 양상을 보이지만 전극이 설치되지 않은 경우에 비해 ZnO피뢰기 소자에서의 온도는 다소 낮게 나타났다.

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