[논문]온도변화에 따른 절연매질별 연면방전특성

최은혁; 박혜리; 박숭규; 임창호; 이광식

온도변화에 따른 절연매질별 연면방전특성
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최은혁 (영남대학교) , 박혜리 (영남대학교) , 박숭규 (영남대학교) , 임창호 (영남대학교) , 이광식 (영남대학교)

현재 $SF_6$ 가스를 사용하는 각국 정부 및 환경단체, 전기, 화학 그리고 타 산업분야에서 $SF_6$ 가스의 환경영향에 관심을 표명하고 있으며, 그 중에서도 전력산업분야는 $SF_6$의 가스 대체 물질을 찾는데 많은 연구를 하고 있다. 이에 건조공기, $N_2$ 가스 및 혼합가스($N_2:O_2$)에 대하여 많은 연구로 $SF_6$를 사용하는 전력설비를 친환경절연재인 건조공기로 대체하여 배전급에 운용되고 있다. 따라서 본 논문에서는 현재 배전급에 친환경절연재로 사용되고 있는 Dry-Air에 대하여$SF_6$와의 연면 방전 특성 비교하여 고체절연물의 절연성 평가를 하였다.

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문제 정의

본 논문은 AC 고전압을 사용하여 각종 매질 (SF6, 건조공기) 중의 고체절연물에 관한 연면방전특성에 관한 연구를 수행하여 SF6을 대체할 친환경적인 기체에 관한 평가를 한 논문이다. 고체절연물에 따른 절연특성을 보면 연면절연파괴전압은 각각의 고체절연물에 따른 연면절연파괴특성은 기압 변화에 따라 선형적으로 증가를 보여주고 있다.
본 연구에서는 이종의 절연가스하에서 절연물에 따른 연면절연파괴현상과 온도변화에 따른 연면절연파괴현상을 究明하였다. 이에 본 논문의 결과를 바탕으로 현재 개발 및 운용중인 친환경절연재을 이용한 전력설비의 연면절연설계의 기초자료로 활용이 가능할 것이다.

제안 방법

챔버 내부와 가스-챔버 연결호스의 내부를 동시에 진공으로 배기 시킨 후 이종절연가스를 1∼6[atm]까지 챔버에 주입하고 AC 교류전압을 인가하여 고체절연물과 압력에 따른 연면절연파괴전압(V_S)과 방전이 발생했을 때, 관측창으로 보이는 발광과 고체절연물 표면위로 진전하는 방전로를 육안으로 관찰하여 그 특성을 분석하였다. 또한 절연가스의 온도변화에 변화에 따른 연면방전특성을 확인하였다.
챔버 내부와 가스-챔버 연결호스의 내부를 동시에 진공으로 배기 시킨 후 이종절연가스를 1∼6[atm]까지 챔버에 주입하고 AC 교류전압을 인가하여 고체절연물과 압력에 따른 연면절연파괴전압(VS)과 방전이 발생했을 때, 관측창으로 보이는 발광과 고체절연물 표면위로 진전하는 방전로를 육안으로 관찰하여 그 특성을 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 모의용 챔버는 내·외부 2중 구조로 스테인레스로 만들어졌으며 챔버 내부에 배치된 전극을 관측할 수 있도록 원통형 아크릴 관측창(직경 110[mm], 두께 20[mm])이 설치되어져 있다.
실험에 사용한 AC 전원공급장치는 DY-106 (AC 300[kV] / 120[mA])을 사용하였고. 5×10^-4[Torr]까지 진공을 유지할 수 있는 진공펌프(SINKU KIKO Co.
Ltd, GVD-050A, pumping speed 60ℓ/min)를 사용하여 진공상태를 유지하였다. 전극은 스테인리스 스틸로 제작된 Sphere-Plane (구직경 41[mm], 평판직경 59[mm]) 전극을 그림 1처럼 수직배치하여 실험 하였고 고체절연물은 지름 100[mm], 두께 3[mm]의 Teflon, PC, PE, Bakelite을 사용하였다.

성능/효과

SF₆와 친환결절연재로 연구 및 배전급 전력설비에 적용되어 운용중인 건조공기에서 압력별 V_SC와 V_S 특성을 비교하면, 그림과 같이 SF₆의 경우가 건조공기에 비하여 약 1.5배정도의 연면절연특성이 우수한 것을 확인하였다.
고체절연물에 따른 절연특성을 보면 연면절연파괴전압은 각각의 고체절연물에 따른 연면절연파괴특성은 기압 변화에 따라 선형적으로 증가를 보여주고 있다. 각 기압에 따른 연면절연파괴특성은 폴리에틸렌, 테프론, 베이클라이트 순으로 나타남을 확인하였다. 특히 폴리에틸렌과 테프론에서는 기압 변화에 따른 VS 상승률이 테프론이 크게 나타났으며, 이러한 현상으로 6[atm]이상에서는 폴리에틸렌 보다 우수한 연면절연특성을 가지고 있다.
의 연면절연파괴특성은 아래 사진 2와 같이 그림 3의 Weak point2와 같이 방전로가 형성되어 구의 표면을 따라 삼중점을 지나 고체절연물의 연면으로 도전로가 형성하는 것을 확인하였다. 이에 온도가 저하됨에 따라 Weak point가 구의 상승부로 이동되어 연면방전로가 길어져 연면절연파괴전압도 약간 상승함을 확인할 수 있었다.

후속연구

9배 정도의 절연특성을 가지고 있어서 절연내력은 다소 낮지만, 건조공기는 대기의 공기를 매개로 하여 만들 수 있다는 경제적인 측면에 있어 큰 이점이 있다. 본 논문을 기초로 하여 건조공기를 절연가스로 사용하여 운용중인 배전급의 전력설비와 향후 개발 될 친환경절연재를 이용한 송전급 전력설비의 절연물의 연면특성을 고려하여 설계에 반영시 친환경 전력설비를 개발 운용할 수 있을 것이라 기대된다.
본 연구에서는 이종의 절연가스하에서 절연물에 따른 연면절연파괴현상과 온도변화에 따른 연면절연파괴현상을 究明하였다. 이에 본 논문의 결과를 바탕으로 현재 개발 및 운용중인 친환경절연재을 이용한 전력설비의 연면절연설계의 기초자료로 활용이 가능할 것이다.

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