[논문]38kV VCB 부싱의 도체 및 쉴드링 변경에 따른 부분방전현상 개선

차영광; 박수민; 강무성

38kV VCB 부싱의 도체 및 쉴드링 변경에 따른 부분방전현상 개선
Improvement of the Partial Discharges Phenomenon according to change of Conductor and Shield ring on the 38kV VCB Bushing 원문보기

차영광 ((주)비츠로머티리얼) , 박수민 ((주)비츠로머티리얼) , 강무성 ((주)비츠로머티리얼)

본 연구는 38kV급 VCB의 외함에 체결된 부싱의 부분방전 발생 문제를 해결하기 위하여 부싱의 형상에 따른 부분방전 현상을 분석하였다. 부싱에 발생하는 부분방전의 패턴을 분석한 결과 도체나 외함 끝단 등 날카로운 부위에서 발생할 수 있는 코로나 방전 형태로 나타났다. 이를 해결하기 위해 도체와 쉴드링의 형상을 변수로 두고 실험을 진행하였으며 시작품 제작 전 비용과 시간을 최소화하기 위해 Maxwell 2D 프로그램으로 전계해석을 선진행한 뒤 설계에 반영하여 실험하였다. 실험 결과 쉴드링의 크기나 형상보다는 고전압부와의 거리가 부분방전의 크기에 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었고, 도체의 두께를 변화시켰을 때의 부분방전 및 전계집중 변화폭이 가장 컸다.

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문제 정의

본 연구에서는 38kV VCB Fuse Type Bushing에서 발생한 충격파 내전압 및 부분방전 문제를 해결하고, 이런 문제에 영향을 줄 수 있는 여러 가지 경우에서 실험을 진행하였다. 그 결과는 다음과 같다.
이러한 전력설비에서 발생할 수 있는 사고의 원인 중 하나는 내부절연 이상으로 발생하는 것인데, 이를 사고 전에 비파괴적인 방법으로 파악할 수 있는 것이 부분방전을 조사하는 것이다. 부분 방전은 크게 절연물 내외부의 void, 도체의 날카로운 끝단, 도전성 불순물 등에 의해 나타나고 본 연구에서는 38kV급 VCB에 사용되는 부싱에서 발생한 부분방전 문제들의 원인을 파악하고 형상 변경을 통한 개선에 대하여 연구하고자 한다[1].

제안 방법

두께 6mm인 부스바 형태인 도체의 취약점을 보완하기 위해 도체의 두께를 15mm까지 늘렸고, 전계완화용 쉴드링의 형상을 변경해가며 해석과 실험을 진행하였다. 또한 타 제품에 적용중인 전계 및 부분방전 완화용 메쉬망을 삽입하여 실험하였다.
상용주파 내전압 시험은 80kV의 전압으로 1분 내전압 시험을 하였고 임펄스 시험은 170kV를 정/부 각 15회씩 인가하여 실험하였다. 또한 부분방전 시험은 IEC 60137에 의거하여 사출에 의한 폴리머 부싱에 적용되는 아래의 식을 사용하여 구한 32.9kV의 전압을 인가하여 10pC의 이하인 경우에 개시전압과 소멸전압을 측정하여 합부 판정을 하였다.
두께 6mm인 부스바 형태인 도체의 취약점을 보완하기 위해 도체의 두께를 15mm까지 늘렸고, 전계완화용 쉴드링의 형상을 변경해가며 해석과 실험을 진행하였다. 또한 타 제품에 적용중인 전계 및 부분방전 완화용 메쉬망을 삽입하여 실험하였다.
상용주파 내전압 시험은 80kV의 전압으로 1분 내전압 시험을 하였고 임펄스 시험은 170kV를 정/부 각 15회씩 인가하여 실험하였다. 또한 부분방전 시험은 IEC 60137에 의거하여 사출에 의한 폴리머 부싱에 적용되는 아래의 식을 사용하여 구한 32.
실험 장치는 한전표준규격에서 지정하고 있는 1000V 이상급의 부싱에 대한 규격인 IEC 60137과 부분방전 규격인 IEC 60270에 따라 상용주파 1분 내전압시험, 충격파 내전압 시험, 부분방전 시험을 진행하였다.[2, 3]
본 부싱의 도체 끝단은 부스바 형태로 클립을 이용해 상대물과 체결하는데, 상대물과 클립을 체결한 상태에서 시험을 진행하였을 때에는 문제가 발생되지 않았다. 하지만 부싱 단품으로 시험을 진행하였을 때 임펄스 시험과 부분방전 시험에서 불량 판정을 받아 그 원인을 분석하였다. 그 결과 도체부 끝단이 매우 얇아 전계가 집중되고 이로 인해 코로나가 발생하여 문제가 된 것으로 결론 내었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 부싱은 38kV급 VCB 부싱으로 정확한 명칭은 Fuse Type Bushing이다. 본 부싱의 도체 끝단은 부스바 형태로 클립을 이용해 상대물과 체결하는데, 상대물과 클립을 체결한 상태에서 시험을 진행하였을 때에는 문제가 발생되지 않았다.

데이터처리

시료를 만들기 전에 Maxwell 2D 프로그램을 이용하여 각 시료 형상별 전계해석을 하였다. 그 결과 도체는 두꺼울수록 전계 집중이 완화되었고, 쉴드링은 링 자체의 두께 변화 및 도체와의 거리 변화 모두 전계에 영향이 없었다.

성능/효과

1. 부싱 도체의 두께가 두꺼워 질수록 전계 집중현상이 완화 되었다. 그 결과 충격파 내전압 시험시 절연파괴전압이 높아졌고, 또한 부분방전 개시, 소멸 전압이 높아지는 결과를 보였다.
2. 전계완화용 쉴드링을 내부에 삽입하고, 도체-쉴드링 간 거리를 변화시켜가며 실험을 진행한 결과 큰 영향은 없는 것으로 판단되었다.
3. 전계 및 부분방전 완화용 메쉬망을 부싱 내부에 삽입하여 실험한 결과 약 20%의 전계완화 효과를 보였으나 시료를 통한 실험에서는 큰 영향을 보이지 않았다.
시료를 만들기 전에 Maxwell 2D 프로그램을 이용하여 각 시료 형상별 전계해석을 하였다. 그 결과 도체는 두꺼울수록 전계 집중이 완화되었고, 쉴드링은 링 자체의 두께 변화 및 도체와의 거리 변화 모두 전계에 영향이 없었다. 또한 전계 및 부분방전 완화용으로 삽입한 메쉬망의 경우에는 약 20%의 전계 완화 효과를 기대할 수 있었다.
하지만 부싱 단품으로 시험을 진행하였을 때 임펄스 시험과 부분방전 시험에서 불량 판정을 받아 그 원인을 분석하였다. 그 결과 도체부 끝단이 매우 얇아 전계가 집중되고 이로 인해 코로나가 발생하여 문제가 된 것으로 결론 내었다.
부싱 도체의 두께가 두꺼워 질수록 전계 집중현상이 완화 되었다. 그 결과 충격파 내전압 시험시 절연파괴전압이 높아졌고, 또한 부분방전 개시, 소멸 전압이 높아지는 결과를 보였다.
실험 결과 총 8종의 시료가 상용주파 내전압 시험에서 이상이 없었다. 충격파 내전압 시험에서는 CON1T, SHI1R, SHI2R, SHI3R, MESH의 시료가 부극성인 경우에만 170kV 이하에서 섬락이 되었다.

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