[논문]친환경 절연가스에 따른 연면절연파괴특성 비교

임동영; 최영길; 최상태; 박원주; 이광식

친환경 절연가스에 따른 연면절연파괴특성 비교
Comparison of Surface dielectric breakdown characteristic by $N_2:O_2$ Mixture gas 원문보기

임동영 (영남대) , 최영길 (한국전기연구소) , 최상태 (경주대) , 박원주 (영남대) , 이광식 (영남대)

본 논문은 절연성 악화의 원인이 되는 연면방전에 착안하여 고체절연물의 종류, 크기에 따른 연면방전특성을 친환경 가스중에서 연구하였다. 위의 조건들은 모두 연면절연파괴전압 변화에 영향을 주었으며, 그 중 고체절연물의 크기가 연면절연파괴전압 차이에 가장 큰 영향을 주었다. 그리고 고체절연물 크기의 변화로 연면방전을 촉진 시키는 약점이 존재 하였고, 그 약점에 대한 대책이 강구되어야 한다. 이러한 연구의 결과는 차후, 친환경 절연재를 활용한 절연설계에 유용한 자료가 될 것이다.

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문제 정의

본 논문은 순수 N₂ 가스, N₂:O₂ 8:2 비율의 혼합가스, Dry-air 중에서 고체절연물(Teflon, Polyethylene, Polycarnate, Bakelite)에 따른 연면방전특성을 연구하였다. 연면절연파괴전압을 상승시키는 요인으로 고체절연물의 전기적 특성, 친환경 가스의 종류, 고체절연물의 크기가 있음을 확인 하였다.
이에 본 논문은 연면방전을 용이하게 유도할 수 있는 구대평판전극의 수직형 전극배치와 Teflon, Polyethylene(PE), Polycarbonate(PC), Bakelite의 고체절연물을 이용하여 친환경 가스인 N₂ 가스, MA₁ 가스(N₂:O₂ 8:2), Dry-air중에서 연면방전특성을 연구 하였다,

제안 방법

SF₆ 가스를 대체하고자 하는 연구와 시도로 N₂, O₂ 혼합가스와 Dry-air가 배전급에서 대체 가능함을 확인 하였고[1], SF6 가스, 친환경 가스의 절연내력까지 비교, 검토 되었다.[2] 하지만 전력설비의 절연설계 시 구조상 친환경 가스 중에서 복합절연이 구성될 때, 절연내력을 악화시키고 매질의 경계면을 따라 진전되는 연면방전특성은 그 연구가 다소 미흡한 실정이다.
실험방법은 전극(S-P)을 수직배치 후 평판전극위에 고체절연물을 설치하였다. 챔버내부를 진공5×10^-4[Torr]로 배기시키고 친환경 가스를 주입하여 압력과 고체절연물의 종류, 지름, 두께의 변화 따른 연면절연파괴전압(V_S)을 측정하였다.
챔버내부를 진공5×10-4[Torr]로 배기시키고 친환경 가스를 주입하여 압력과 고체절연물의 종류, 지름, 두께의 변화 따른 연면절연파괴전압(VS)을 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 모의용 챔버는 내·외부 2중 구조로 스테인레스로 만들어졌으며 온도변화에 따른 절연특성을 연구하기 위해 챔버 내부온도를 측정 할 수 있도록 온도센서가 설치되어 있다.
실험에 사용한 AC전원공급장치는 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 사용 하여 진공상태를 유지하였다.
전극은 스테인리스 스틸로 제작된 Sphere-Plane (상부S, 하부P ; S-P, 구직경 41[mm], 평판직경 59[mm]) 전극을 수직배치하여 사용하였다. 연면방전을 위해 설치한 고체절연물은 지름 70[mm], 100[mm] 두께 1[mm], 3[mm]의 Teflon, PE, PC, Bakelite를 사용하였다.
전극은 스테인리스 스틸로 제작된 Sphere-Plane (상부S, 하부P ; S-P, 구직경 41[mm], 평판직경 59[mm]) 전극을 수직배치하여 사용하였다. 연면방전을 위해 설치한 고체절연물은 지름 70[mm], 100[mm] 두께 1[mm], 3[mm]의 Teflon, PE, PC, Bakelite를 사용하였다.

데이터처리

VS는 5회 측정하여 평균값을 실험데이터로 활용 하였고, 실험이 끝나면 고체절연물을 교체 후 같은 방법으로 반복 실험하였다.

성능/효과

고체절연물의 두께의 증가는 V_S가 상승하는 결과로 나타났으며 고체 절연물별 증가율은 PE-38[%], Teflon-39[%], PC-57.73[%], Bakelite-39[%]로 확인 되었다. 두께효과는 고체절연물에 따라 평균적으로 연면절연성을 1.
고체절연물의 전기적 특성은 Bakelite를 제외하면 연면절연파괴전압 상승에 미비한 효과가 있었으며, 친환경 가스 중에서는 Dry-air가 가장 높은 결과를 보였다. 그리고 고체절연물의 크기에서 지름과 두께 증가에 따라 모두 연면절연파괴전압이 상승되는 효과를 가져왔지만 지름, 두께가 증가함에 따라 삼중점의 고전계 유도, 관통파괴의 약점이 있음을 알 수 있었다.
고체절연물의 전기적 특성은 Bakelite를 제외하면 연면절연파괴전압 상승에 미비한 효과가 있었으며, 친환경 가스 중에서는 Dry-air가 가장 높은 결과를 보였다. 그리고 고체절연물의 크기에서 지름과 두께 증가에 따라 모두 연면절연파괴전압이 상승되는 효과를 가져왔지만 지름, 두께가 증가함에 따라 삼중점의 고전계 유도, 관통파괴의 약점이 있음을 알 수 있었다.
의 변화를 나타낸 그림이다. 두께효과처럼 지름의 증가도 V_S가 상승됨을 확인 하였다. 지름에 따른 V_S 증가율은 PE-18[%], Teflon-14[%], PC-29[%], Bakelite-24[%]로 지름효과도 PC의 경우가 가장 높았다.
1항에서 가장 높은 V_S를 가진 Dry-air에서 두께 3[mm], 지름 70[mm]를 가지는 고체절연물의 종류별 연면방전특성을 나타낸 그림이다. 압력에 따라 모두 V_S가 선형적으로 상승하였고, 사용된 고체절연물 중 일반적인 전기적 특성(체적저항, 내아크성, 유전율)이 가장 좋지 않은 Bakelite가 가장 낮은 V_S를 보였다. Teflon, PE, PC는 전기적 특성이 다르지만 V_S의 차이는 크지 않음을 알 수 있다.
8:2 비율의 혼합가스, Dry-air 중에서 고체절연물(Teflon, Polyethylene, Polycarnate, Bakelite)에 따른 연면방전특성을 연구하였다. 연면절연파괴전압을 상승시키는 요인으로 고체절연물의 전기적 특성, 친환경 가스의 종류, 고체절연물의 크기가 있음을 확인 하였다.
그림 1은 S-P 전극배치에서 두께 3[mm], 지름 70[mm] 크기의 Teflon을 사용하여 친환경 가스별 연면방전특성을 나타낸 그림이다. 이전에 연구된 결과처럼[2] 순수 N₂ 가스보다 전기적 부성기체의 영향을 가지는 N₂:O₂ 8:2의 혼합가스(MA₁)가 연면절연파괴전압(V_S)이 더 높은 결과로 나타났으며, 공기 중 수분을 제거한 Dry-air 보다는 VS가 낮은 것을 확인 하였다. Dry-air는 압력 상승에 따라 평균적으로 N₂ 가스 보다는 12.

후속연구

이러한 연구의 결과들은 GIS내에 스페이서 재료, 친환경 가스 대체 시 연면절연성 설계에 유용한 자료가 될 것으로 생각된다.

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