초록 ▼

차단기나 단로기 같은 개폐차단장치의 절연매질로 소호능력이 우수한 SF₆ 가스를 주로 사용하고 있다. 하지만 SF₆ 가스의 지구 온난화계수(Global Warming Potential)는 이산화탄소(CO₂)의 약 23,900배로서, 1997년에 채택된 국제연합 규약 교토의정서에서 규제대상의 기체로 지정되었다. 2005년 2월에 교토의정서가 정식 발효됨에 따라 전력기기에 사용되는 SF₆ 가스의 사용량 및 방출량의 감소가 큰 과제로 되고 있다. 따라서 배전용

차단기나 단로기 같은 개폐차단장치의 절연매질로 소호능력이 우수한 SF₆ 가스를 주로 사용하고 있다. 하지만 SF₆ 가스의 지구 온난화계수(Global Warming Potential)는 이산화탄소(CO₂)의 약 23,900배로서, 1997년에 채택된 국제연합 규약 교토의정서에서 규제대상의 기체로 지정되었다. 2005년 2월에 교토의정서가 정식 발효됨에 따라 전력기기에 사용되는 SF₆ 가스의 사용량 및 방출량의 감소가 큰 과제로 되고 있다. 따라서 배전용 전력기기에서 친환경 가스인 건조공기(Dry-air)와 질소(N₂) 가스가 SF₆ 가스의 대체가스로 주목을 받고 있다.
가스절연개폐장치는 운전 중에 낙뢰와 차단기, 단로기 등의 조작에 의하여 발생되는 여러가지 과도과전압으로부터 위협을 받게 된다. 따라서 뇌서지나 개폐서지에 관련된 기초적 연구는 대단히 중요하며, 고품질의 배전급 친환경전력기기의 절연설계에 필히 사용될 기초자료이다.
본 연구에서는 가스절연개폐장치 내부에 발생할 수 있는 준평등전계와 불평등전계를 모의하기 위하여 구-평판전극계로 준평등전계를, 침-평판전극계로 불평등전계를 구성하고 친환경가스인 Dry-air와 N₂ 가스의 절연내력과 물리적 현상을 분석하기 위하여 준평등전계와 불평등전계에서 가스압력과 전극간 거리를 변화하면서 절연파괴전압과 전구방전전류 및 방전광신호를 측정�분석하였다. 이때 전극에 인가되는 실험전압으로는 뇌임펄스전압(±1.2/50 μs)과 가스절연개폐장치의 운전 중에 발생할 수 있는 개폐임펄스전압(±180/2500 μs), 감쇠 진동성 임펄스(±500 ns/1 MHz)을 사용하였다. 가스절연개폐장치의 절연설계와 협조에 대한 정보를 얻기 위한 목적으로 준평등전계에서 V-t 특성과 BDV50 특성을 측정하였으며, 방전메카니즘을 분석하기 위하여 절연파괴 시 인가전압파형, 전구방전전류파형, 방전광신호를 측정하는 동시에 ICCD 카메라로 방전진전과정을 촬영하였다.
결론적으로 Dry-air의 압력은 0.4 [MPa] 이상으로, N₂ 가스의 압력은 0.5 [MPa] 이상으로 하고 절연거리를 14 [mm]이상으로 할 경우, 현재 배전용 가스절연개폐장치에 사용되고 있는 SF₆ 가스를 대체할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 준평등전계에서는 가스의 종류에 상관없이 주로 스트리머방전에 의하여 절연파괴가 일어났으며, 초기전자사태발생이 용이한 부극성에서 정극성보다 절연파괴전압이 낮게 나타났다. 반면에 불평등전계에서는 간헐적인 리더진전에 의하여 절연파괴가 일어났으며, 부극성에서 정극성보다 공간전하효과작용에 의존성이 강하므로 부극성에서 절연파괴전압이 정극성보다 높게 나타났다. 실제 배전용 가스절연개폐장치에서 발생할 수 있는 조건에서 실험한 결과, 절연파괴전압은 인가전압의 파형, 극성, 전극형상, 가스종류 등에 크게 의존하는 것으로 나타났다.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 보고서 초록 ... 3
• □ 구체적인 연구 성과 ... 5
• 목 차 ... 6
• 제1장 서론 ... 8
• 1.1 연구필요성 및 중요성 ... 8
• 1.1.1 국내외 기술 현황 ... 8
• 1.1.2 연구의 중요성과 파급효과 ... 8
• 1.2 연구목표 및 내용 ... 9
• 1.2.1 연구목표 ... 10
• 1.2.2 연구내용 ... 10
• 제2장 관련이론 및 이론적 해석 ... 11
• 2.1 과전압 ... 11
• 2.1.1 1.2/50 [μs] 뇌임펄스전압 ... 11
• 2.1.2 개폐임펄스전압 ... 11
• 2.1.3 과도과전압 ... 16
• 2.2 방전이론 ... 17
• 2.2.1 Towensend 이론 ... 17
• 2.2.2 스트리머 이론 ... 20
• 2.2.3 리더방전 (불평등전계) ... 21
• 2.2.4 Paschen의 법칙 ... 25
• 2.3 가스의 특성 ... 27
• 2.3.1 SF6 가스 ... 27
• 2.3.2 Dry-air ... 27
• 2.3.3 N2 가스 ... 28
• 2.4 준평등전극계 및 불평등전극계에서의 전계계산 ... 28
• 2.4.1 준평등전극계에서의 전계계산 ... 28
• 2.4.2 불평등전극계에서의 전계계산 ... 30
• 제3장 실험장치 및 방법 ... 32
• 3.1 실험계 구성 ... 32
• 3.2 실험장치 ... 33
• 3.2.1 Marx형 임펄스발생장치 ... 33
• 3.2.2 분압기(Voltage divider) ... 36
• 3.2.3 광전자 증배관 ... 37
• 3.2.4 ICCD카메라 ... 38
• 3.2.5 전극계 구성 ... 39
• 3.2.6 측정장비 차폐 ... 41
• 3.2.7 전구방전전류 측정계 ... 41
• 3.3 실험방법 ... 42
• 제 4 장 실험결과 및 고찰 ... 44
• 4.1 준평등전계에서 절연파괴 특성 ... 44
• 4.1.1 V-t 특성 ... 46
• 4.1.2 50% 절연파괴전압 특성 ... 58
• 4.2 준평등전계에서 전극간 거리에 따른 Dry-air와 N2 가스의 50% 절연파괴전압 특성 ... 61
• 4.3 준평등전계에서 방전광 측정 및 분석 ... 64
• 4.3.1 준평등전계에서 임펄스전압에 대한 Dry-air와 N2 가스의 전구방전현상 ... 64
• 4.3.2 준평등전계에서의 Dry-air와 N2 가스의 방전 진전 메카니즘 ... 77
• 4.4 불평등전계에서 가스의 절연파괴특성 ... 82
• 4.4.1 불평등 전계에서의 SF6 가스와 Dry-air, N2 가스의 50% 절연파괴전압 특성 ... 83
• 4.4.2 불평등 전계에서의 SF6 가스와 Dry-air, N2 가스의 V-t특성 ... 84
• 4.4.3 불평등 전계에서의 SF6 가스와 Dry-air, N2 가스의 방전 메커니즘 ... 88
• 제 5 장 Dry-air와 N2 가스의 문제점의 개선방안 및 배전용 기기에의 적용에 대한 활용성 분석 ... 101
• 5.1 Dry-air와 N2 가스의 문제점의 개선방안 ... 101
• 5.2 배전용 기기에의 적용에 대한 활용성 분석 ... 103
• 5.2.1 구-평판전극계에서 갭간격에 따른 전계이용률 ... 103
• 5.2.2 전계이용률에 따른 Dry-air와 N2 가스의 절연파괴전계 특성 ... 104
• 5.2.3 가스압력에 따른 Dry-air와 N2 가스의 절연파괴전계 특성 ... 107
• 제 6 장 경제성 분석 ... 109
• 6.1 25.8 [kV]급 가스절연개폐장치 ... 109
• 6.2 25.8 [kV]급 가스절연개폐장치에 주입되는 가스량과 비용 ... 110
• 6.3 25.8 [kV]급 가스연개폐장치에서의 잔여가스 방출에 따른 비용 ... 111
• 6.4 Dry-air와 N2 가스를 사용할 경우의 비용 절감 ... 112
• 제 7 장 결론 ... 114
• 참고논문 ... 116