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문제 정의
- 이에 본 연구는 전력설비의 내외, 옥외용 애자 및 부싱류 또는 고압전극부 지지 등에 사용되는 고체절연체인 에폭시수지를 사용하여, 전압인가에 따른 열화에 의한 접속부간의 미소이격 및 고체절연체를 통한 연면방전에 의해 발생될 수 있는 절연파괴 모의를 통하여 방전진전시 발생되는 방사전자파를 조사하였다. 절연파괴를 모의하기 위하여 침대평판전극과 평판대평판전극을 사용하여, 각 전극부 사이에 에폭시 절연체 를 직렬배치하였다.
제안 방법
- 상부 전극인 침전극과 평판전극이 에폭시 절연체에 접해진 상태와 이격된 두가지 상태를 취하고 있다. 각 전극부에서의 간극 구성은 상부전극이 고체절연체와 이격시(그림 2의 a-1와 b-i) 에는 고체절연체 높이와 공기갭 5〔mm)로 전체 간극으로 구성하여 연면방전(또는 갭방전〔12.13))을 모의하였다. 또한 상부전극이 고체절연체에 접해져 있는 상태(그림 2의 a-ii 와 b-ii)일 때는 상부와 하부 전극사이의 간극은 고체절연체의 높이에 해당하는의 간극을 유지하며 방전시 연면방전을 모의하였다.
- 전극부 사이에서의 고체절연체는 순수 연면방전형과 인가전극측과 고체절연체가 이격된 형태인 공기중+고체연면방전형의 복합형을 이용하여 방전시 발생되는 방전펄스와 이에 수반된 전계신호를 시간영역에서 측정하였다. 또한 방전시 발생되어 전파되는 방사전자파를 안테나를 이용하여 스펙트럼분석기를 통하여 주파수 영역에서 주파수 스펙트럼분포를 조사하였다. 이에 본 연구에 사용한 고체절연 체가 직렬배치된 전극부에서 정극성과 부극성 직류에 의한 전압원의 차이에 따라 방사되는 주파수 스펙트럼분포의 차이를 확인할 수 있었다.
- 13))을 모의하였다. 또한 상부전극이 고체절연체에 접해져 있는 상태(그림 2의 a-ii 와 b-ii)일 때는 상부와 하부 전극사이의 간극은 고체절연체의 높이에 해당하는의 간극을 유지하며 방전시 연면방전을 모의하였다. 전극부에 배 치한 에폭시 절연체의 크기가 접지전극의 크기에 비해 작게 한 것은 절연체가 갭사이에 존재하는 이물질 또는 스페이서로서의 역할을 하도록 하기 위함이다 N
- 500[MHz))를 사용하여 측정하였다. 방전진전에 따라 발생하는 방전펄스에 기인한 전계신호를 바이코니칼 안테나로 포착하여 오실로스코프를 통하여 시간 영역에서 관측하였다. 방전펄스에 의한 전계파형대에는 주파수영역에 해당하는 주파수 성분이 포함되어 있다고 생각되며, 이것은 방전형식에 따라 전계신호의 분포 변화가 있을 것으로 생각된다.
- 본 연구에서 직류를 발생시키기 위하여 교류고전압 출력측 에 교류를 직류로 변환시킬 수 있는 silicon rectifier and insulation base(TOKYO Transforme Co. Ltd.) 와 capacitor (MARCON Electronics Co. Ltd., type 100A-01SF) 및 Resistor(lOkQ)로 구성된 직류변환장치를 이용하여 정극성. 부극성 직류전압을 발생시켜 사용하였다.
- , type 100A-01SF) 및 Resistor(lOkQ)로 구성된 직류변환장치를 이용하여 정극성. 부극성 직류전압을 발생시켜 사용하였다. 인가전압은 각 전극부에서 방전개시전압영역에서 절연파괴가 발생되는 영역의 전압까지 서서히 상승시켰다.
- 5 (GHz〕)를 사용하였다. 스펙트럼분석기 측정 모드설정은 resolution bandwidth와 video bandwidth를 각각 1 [MHz], input attenuator는 0 (dB), sweep time 은 0.2〔sec〕로 두고 maxhold로측정하였다. 실험에 사용한 안테나의 높이(H)는 지상에서 120 (cm)로 고정시켰으며, 안테나의 방향은 전극부와 동일하게 지상에 대하여 수직으로 배치하여 방전원과 안테나간 측정거리(D)를 1[m]로 두고 측정하였다.
- 2〔sec〕로 두고 maxhold로측정하였다. 실험에 사용한 안테나의 높이(H)는 지상에서 120 (cm)로 고정시켰으며, 안테나의 방향은 전극부와 동일하게 지상에 대하여 수직으로 배치하여 방전원과 안테나간 측정거리(D)를 1[m]로 두고 측정하였다. 이것은 방전시 발생하는 경우 전극부가 송신안테나의 역할로서 전자파를 방사한다고 보았을 때 수신 안테나와 동일한 편파특성을 가지도록 하기 위함이다.
- 1〔cm〕이다. 안테나 팩터는 거리에서 10.8-24.8〔dB〕의 범위를 가지고 있지만, 본 연구에서는 스펙트럼 분석기에서 직접 전계강도(〔dBuV/m〕)를 측정하였다. 안테나의 이득은 거리 1[m]에서 -15.
- 주변환경잡음의 크기를 보면 주파수 대역 100+10(MHz) 에서 약 28~34(dBuV), 185(MHz] 대역에서 약 30〔dBuV〕정도의 잡음레벨이 관측되고 있다. 이 주변잡음을 기준으로 방전시 발생되는 방사전자파의 주파수스펙트럼의 분포와 스펙트럼의 전계레벨의 변화를 비교할 수 있는 기준으로 삼았다.
- 본 연구에 사용한 전원은 정극성 직류와 부극성 직류를 사용하였다. 전극부 사이에서의 고체절연체는 순수 연면방전형과 인가전극측과 고체절연체가 이격된 형태인 공기중+고체연면방전형의 복합형을 이용하여 방전시 발생되는 방전펄스와 이에 수반된 전계신호를 시간영역에서 측정하였다. 또한 방전시 발생되어 전파되는 방사전자파를 안테나를 이용하여 스펙트럼분석기를 통하여 주파수 영역에서 주파수 스펙트럼분포를 조사하였다.
- 이에 본 연구는 전력설비의 내외, 옥외용 애자 및 부싱류 또는 고압전극부 지지 등에 사용되는 고체절연체인 에폭시수지를 사용하여, 전압인가에 따른 열화에 의한 접속부간의 미소이격 및 고체절연체를 통한 연면방전에 의해 발생될 수 있는 절연파괴 모의를 통하여 방전진전시 발생되는 방사전자파를 조사하였다. 절연파괴를 모의하기 위하여 침대평판전극과 평판대평판전극을 사용하여, 각 전극부 사이에 에폭시 절연체 를 직렬배치하였다. 본 연구에 사용한 전원은 정극성 직류와 부극성 직류를 사용하였다.
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2.2 방전신호의 시간 및 주파수영역에서의 측정
정극성과 부극성 직류를 인가함에 따라 발생하는 방전 펄스의 측정은 접지전극과 대지사이의 무유도저항(50 (P)) 양단에 걸리는 전압을 오실로스코프 (LeCroy 9350AL. 500[MHz))를 사용하여 측정하였다. 방전진전에 따라 발생하는 방전펄스에 기인한 전계신호를 바이코니칼 안테나로 포착하여 오실로스코프를 통하여 시간 영역에서 관측하였다.
- 침대평판전극과 평판대평판전극사이에 고체절연체를 직렬배치하여 정극성직류와 부극성직류를 인가하였다. 양전원의 극성차이와 고체절연체의 배치형상에 따라 방전시 발생되는 전계신호와 방사전자파를 안테나로 측정한 결과 다음과 같은 것을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 그림 2의 침대평판전극과 평판대평판전극에서 침전극은 직경이 2.1〔mm), 곡률반경 으로 전극 몸통에서부터 침선단으로 갈수록 가늘어지는 형태의 시판용 견침을 사용하였다. 평판전극은 그림 2 (b)에 나타낸 것과 같이 상부 평판 전극은 하부의 평판전극에 비하여 .
- 절연파괴를 모의하기 위하여 침대평판전극과 평판대평판전극을 사용하여, 각 전극부 사이에 에폭시 절연체 를 직렬배치하였다. 본 연구에 사용한 전원은 정극성 직류와 부극성 직류를 사용하였다. 전극부 사이에서의 고체절연체는 순수 연면방전형과 인가전극측과 고체절연체가 이격된 형태인 공기중+고체연면방전형의 복합형을 이용하여 방전시 발생되는 방전펄스와 이에 수반된 전계신호를 시간영역에서 측정하였다.
- 본 연구에서 선택한 측정 주파수대역은 30-230 (MHz)를 선정하였다. 이 주파수대역은 스펙트럼 분석기에 설정할 수 있는 바이코니칼 안테나의 주파수 범위 내에 해당되며.
- 작은 형태를 취하고 있다. 상부 평판전극의 크기는 직경 30〔mm)이고, 하부의 평판전극 은 직경이 50〔mm)인 로고스키전극형태로 재질은 스테인레스 스틸이다.
- 그림 2의 각전극부에 직렬배치한 고체절연체는 에폭시 수지를 사용하였다. 이 시료는 전기 · 전자분야의 절연재료로 많이 이용되는 고온경화용 주형수지로서 비스페놀A형 (bisphenol-A type, Ciba-Geigy Co.)이며, 경화제(산무수 물 케통의 MeTHPA : methly tetra hydro phthalic anhydride) 와 배합비율이 100 : 3Q 〜35(%〕로 높이 10(nmL 직경인 원통형으로 내부에 기포가 없도록 제작하였다 (11).
- 본 연구에 사용한 실험장비 및 배치도를 그림 1에 나타냈다. 전원부는 고전압 발생장치 (slide regulator type : MATSUNAGA MFG. Co. Ltd.)를 사용하였다. 이 전원장치는 1차측 입력전압 220〔V〕, 50/60 〔Hz〕이며, 2차측 출력전압은 60〔kV〕까지 낼 수 있는 교류 고전압발생장치이다.
- 측정에 사용한 바이코니칼 안테나의 tip-to-tip length는132.1〔cm〕이다. 안테나 팩터는 거리에서 10.
성능/효과
- (1) 양전극부에서 air+surface형이 surface형보다 절연파 괴전압이 높게 나타났으며, 평판대평판전극부는 침대평판전극 부의 절연파괴 전압에 비해 전반적으로 약 33〔%〕정도 낮은 전 압에서 발생되었다.
- (3) 침대평판전극부에서의 주파수 스펙트럼 분포는 주파수대 역 90〔MHz〕와 대역을 중심으로 높은 전계레벨을 보이고 있으며, 60과 150[MHz] 대역에서 낮은 전계레벨을 보이며, 고주파영역으로 갈수록 완만한 감쇠현상을 보이고 있 다.
- (4) 평판대평판전극에서의 주파수 스펙트럼 분포는 주파수대 역 80〔MHz〕와 140〔MHz〕대역을 중심으로 높은 전계레벨을 보이고 있으며, 40〔MHz〕와 120〔MHz〕대역에서 낮은 전계레벨을 보이며, 150〔MHz〕이상의 고주파 대역으로 갈수록 급격한 감쇠특성을 보이고 있다.
- 상기의 결과와 같이 침대평판전극과 평판대평판전극부 사이에 고체절연체를 직렬배치하여 정극성과 부극성직류 인가시 발생하는 방사전자파를 측정한 결과 서로 다른 주파수 대역에서 높은 전계레벨과 낮은 전계레벨값을 가지는 주파수 영역이 뚜렸하게 차이가 있음을 알 수 있었다. 또한 방전펄스에 기인한 전계신호가 방사전자파에 미치는 영향에 대해서는 앞으로 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 또한 방전시 발생되어 전파되는 방사전자파를 안테나를 이용하여 스펙트럼분석기를 통하여 주파수 영역에서 주파수 스펙트럼분포를 조사하였다. 이에 본 연구에 사용한 고체절연 체가 직렬배치된 전극부에서 정극성과 부극성 직류에 의한 전압원의 차이에 따라 방사되는 주파수 스펙트럼분포의 차이를 확인할 수 있었다.
- 정극성직류와 부극성직류의 인가에 따른 절연파괴전압값은 침대평판전극과 평판대평판전극 모두 air+surface 형이 surface형보다 높게 나타났다. 특히 침대평판전극에서는 같은 형태의 전극배치를 가진 전극부가 서로 비슷한 전압영역을 가지고 있으나 대체적으로 정극성직류가 부극성직류에 비하여 높게 나타나는 경향을 보이고 있다.
- 평판대평판천극을 사용한 air+surfaca형 전극부에 정극성과 부극성 직류를 인가하여 측정한 방사전자파의 주파수 스팩 트럼은 거의 동일한 전계레벨로 방사되는 것을 알 수 있었다. 특히 두 전압원의 극성차이에도 불구하고 발생되는 방사전자파의 주파수 스펙트럼의 분포와 전계레벨의 세기는 거의 유사하게 나타고 있으며, 최대 전계레벨을 가지는 주파수 대역은 정극성과 부극성 모두 80〜 100〔MHz〕에서 약 48〜51〔dBL 130〜 150〔MHz〕에서 약 35〜38〔dB〕정도의 세기를 가지고 있다.
후속연구
- 상기의 결과와 같이 침대평판전극과 평판대평판전극부 사이에 고체절연체를 직렬배치하여 정극성과 부극성직류 인가시 발생하는 방사전자파를 측정한 결과 서로 다른 주파수 대역에서 높은 전계레벨과 낮은 전계레벨값을 가지는 주파수 영역이 뚜렸하게 차이가 있음을 알 수 있었다. 또한 방전펄스에 기인한 전계신호가 방사전자파에 미치는 영향에 대해서는 앞으로 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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