Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

  1. (Daelim University College, Korea)
  2. (Korea Electric Power Research Institute(KEPRI), Korea)
  3. (Samsung Electronics Co., LTD, Korea.)



High Voltage, Lightning Impulse Voltage, AC, Atmospheric Air, Electrical Breakdown, Design Criteria, Maximum Electric Field

1. 서 론

배전반은 차단장치(차단기, 퓨즈), 개폐장치(접촉기, 단로기 등)와 외함, 모선, 계기용 변압기, 변류기, 계전기, 계기, 내부 결선 등으로 구성되어 있으며, 수용가에 전력공급, 기기의 보호, 제어 그리고 계측기능을 하는 전력설비이다. 그러므로 배전반은 대규모 전력공급 및 기기 운전의 신뢰성을 좌우하는 중요한 기기로 그 자체로 높은 신뢰성이 요구되는 기기이다.

배전반의 신뢰성을 좌우하는 가장 중요한 요소 중의 하나인 전기절연적 관점에서 보면 배전반은 30 [kV] 이상급의 특고압에서는 소형·경량화를 위하여 SF6 가스절연으로 이루어지는 경우들이 있으나, 30 [kV] 이하 전압급에서는 대기압 공기를 주 절연매질로 하는 공기 또는 공기/고체 복합절연시스템으로 구성되어 있다. 그러므로 배전반 절연신뢰성 담보를 위해서는 공기 및 공기/고체 복합절연에서의 절연파괴 메커니즘에 대한 정확한 이해를 바탕으로 한 신뢰성 있는 절연설계기준 정립이 매우 중요하다.

일반적으로 전력기기 절연설계기준은 절연매질에 따라 그 형태가 크게 다르다. 전력용 변압기에 많이 사용되는 광유(변압기유)의 경우에는 절연설계기준이 평균전계의 함수로 되어 있으며, GIS나 고압차단기 등의 절연매질로 사용되는 SF6 가스를 절연매질로 사용하는 경우에는 절연설계기준이 최대전계의 함수로 되어 있다(1-4). 이에 비하여 공기는 초고압 기기들에 사용되는 광유나 SF6에 비하여 상대적으로 낮은 전기절연내력으로 인하여 배전급 전력기기의 절연매질로 광범위하게 사용되고 있으나, 낮은 절연내력으로 인한 부분방전의 발생 및 공간전하의 영향으로 인하여 절연파괴전압에 대한 설계기준이 아직까지도 명확히 알려져 있지 않고 있으며 막연히 최대전계에 의존하여 판단하는 경우가 많다. 최근에는 배전급 전력기기에 대한 신뢰성 및 경제성에 대한 관심이 증대됨에 따라, 공기절연 기반의 절연시스템에 고체절연물을 코팅하거나 절연Barrier를 설치하는 등의 형태로 공기절연 내력 상승효과를 도모한 연구들이 국내·외에서 많이 발표되고 있다(5-21). 그러나 이러한 연구들은 모두 공기절연에 고체 절연매질이 가미된 경우 향상되는 절연특성에 중점을 두고 있을 뿐, 절연설계기준 정립으로 연결되지는 못하고 있다.

본 논문에서는, 배전반이나 진공차단기 등과 같은 대기압 공기절연 기반 고전압 전력기기의 경쟁력 및 신뢰성 있는 절연설계기준 도출을 위하여, 전극의 전계 불평등도에 따른 AC 및 LI 전압 인가조건에서의 대기압 공기 절연파괴전압 특성을 실험적 결과를 바탕으로 분석하였다.

2. 실험 전극 및 방법

공기절연 배전반의 절연설계기준 정립을 위해서는 배전반 절연환경에서의 절연파괴 특성에 대한 이해가 선행되어야 한다. 따라서 배전반 절연구조 모의 환경에서의 부분방전 및 절연파괴특성에 대한 실험을 우선적으로 수행하였다.

2.1 시험 전극

본 연구에서는 전극의 불평등도에 따른 절연파괴 특성을 실험적으로 규명하기 위하여, 배전반 내부의 절연환경 및 전계분포를 고려하여 침전극 및 직경이 다른 4 종류의 구전극을 고전압 전극으로 제작하였다. 또한, 접지전극으로는 직경 350 [mm]의 원형 평판을 준비하였다. 시험 전극시스템으로 침-평판, 구-평판 전극들을 사용하였다.

불평등전계의 부분방전 및 절연파괴 특성 실험을 위하여 그림1에 도식한 형상의 침 전극을 사용하였다. 침 직경은 1 [mm], 길이는 10 [mm]이며 끝부분을 곡률반경 0.5 [mm]가 되도록 가공하였다. 또한, 침과 연결되는 몸체는 전계의 영향을 최소화하기 위해 곡률반경 5 [mm]로 둥글게 처리하였다. 본 전극들은 모두 표면 상태가 동일하도록 CNC 0.4T tip을 이용하여 동일조건으로 가공하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of electrode system

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2.2 측정 시스템

그림 2는 AC 및 LI 전압 인가 시의 절연파괴특성을 위한 실험 개략도를 나타낸다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, ⓐ로 표시된 영역은 AC 및 LI 전압 발생기를 나타낸다. ⓑ의 영역은 인가전압 파형 및 부분방전 파형 등을 측정하기 위한 시스템으로 분압기를 이용하여 측정하였다. 마지막으로 ⓒ의 영역은 공기절연 특성 시험을 위하여 제작한 전극시스템을 나타낸다. 전극시스템은 앞에서 설명한 바와 같이, 전극의 불평등도에 따른 절연파괴특성을 분석하기 위하여 침-평판 전극 및 4가지 반경(10ø, 20ø, 50ø, 150ø)의 구-평판 전극을 사용하여 대기압 공기 절연 조건에서의 부분방전개시전압 및 절연파괴전압을 측정하였다.

부분방전은 본 연구에 사용한 전극의 경우, 침-평판 전극에서만 측정되었으며 측정의 유효성을 위하여 IEC 60060-1 의 표준에 따라 구축된 50 [kV] PD Free generator를 이용하여 AC 실험 전압을 발생시켰으며, IEC 60270 표준 규격에 의거 0.3 [kV/s]로 상승시키면서 부분방전을 측정하였다.

Fig. 2. Experimental circuit

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AC 절연파괴실험은 개폐 시, 과도현상에 의한 과전압의 영향이 발생하지 않도록 충분히 낮은 전압에서부터 인가하여 1.0 [kV/s] 상승속도로 천천히 전압을 상승시킨다. 각 전극에 전압을 인가하고 전극 사이에서 절연파괴가 발생할 때까지 전압을 연속적으로 올린다. 이때 파괴방전이 일어나는 시점의 전압을 기록하고 동일조건에서 12회 반복 수행하였다.

LI 절연파괴실험 시에는 LI 시험전압 국제표준인 1.2/50 [μs]의 파형을 이용하였으며, Step up test 방법에 의하여 전압을 인가하였다. 즉, 조건별로 예상되는 절연파괴 전압을 인가해보면서 절연파괴가 발생되는 전압 값을 먼저 찾는다. 두 번째 시험부터는 확인된 절연파괴 전압의 70%값에서부터 전압을 인가하기 시작해서 전압을 10 [kV]씩 증가시키면서 절연파괴가 발생할 때까지 전압을 인가한다. 절연파괴가 발생하면 절연파괴가 인가전압의 파두 혹은 파미에서 발생했는지 판별하고 파두에서 발생했을 경우 절연파괴전압 값을 파미에서 발생했을 경우 인가전압의 피크 값을 해당 절연파괴전압 값으로 기록한다. 위와 같은 순서로 절연파괴실험을 수행하여, 최종 절연파괴가 12회 발생할 때까지 다음과 같은 순서를 반복하여 진행한다. 취득된 12회의 절연파괴전압 중에서 최고치와 최저치를 제외한 10번의 실험 결과 값을 바탕으로 데이터를 분석하였다. LI 전압에 의한 절연파괴 발생 후 다음 절연파괴에 이를 때까지의 시간적인 인터벌은 평균 5분 정도가 소요되었으며, 절연파괴에 의한 영향을 제거하기 위하여 알코올 솜을 이용하여 전극 표면을 가볍게 세정하였다. 그리고 본 논문에 사용된 실험데이터 들은 대기압의 환경 영향을 최소화하기 위하여 모두 IEC 권장 표준화된 기준 대기압 온도(20 [℃]), 압력(101.3 [kPa]) 및 습도(11 [g/$cm^{3}$])에 부합하는 맑은 날에만 수행되었다(23).

3. 전계해석

절연파괴전압에 대한 특성을 이해하기 위하여 수치해석 공학툴(COMSOL Multiphysics 4.2b)을 이용하여 5가지 실험전극 조건에서의 전계분포 해석이 선행되었다. 그림3은 각 전극에서 1[kV] 전압이 인가된 경우의 전계해석 결과를 나타낸다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 최대전계는 접지된 원형 평판 전극과 마주보는 침의 선단 또는 구전극 선단에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 각 전극 구조에서 전계해석 결과에 따른 전계 불평등도(최대전계/평균전계)는 침-평판 전극의 경우 71.1로 매우 높게 나타났으며, 구-평판 전극의 경우 구의 직경이 증가할수록 구전극 표면에서의 최대전계 및 불평등도가 점차 완화되어, 구(50)-평판 전극 및 구(150)-평판 전극의 경우 4.09, 1.94로 계산되었다. 여기서 전계불평등도는 계산된 최대전계를 전극간 평균전계로 나누어 준 값으로 그 값이 클수록 불평등 전계구조가 되고 1에 가까울수록 평등전계 구조가 된다. 즉, 침-평판 전극과 같이 불평등도가 크면 절연파괴가 발생하기 이전에 전계가 집중된 침전극 선단에서 국부적인 부분방전이 발생할 확률이 높게 되고, 부분방전 발생 시에 형성된 공간전하가 전로파괴에 영향을 미칠 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 구(150)-평판 전극과 같이 불평등도가 낮을수록 평등전계에 가까운 구조가 되어 국부적 부분방전 발생 없이 바로 전극 간에 전로파괴가 발생하게 되고 절연파괴전압에 미치는 공간전하의 영향은 미미할 것으로 판단된다.

Fig. 3. The calculation results of electric field distribution(Vapp = 1 [kV], g=100 [mm]).

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4. 실험결과 및 분석

배전반 절연평가기준 정립을 위해서는, 배전반 절연환경에서의 절연파괴 특성에 대한 이해가 선행되어야 한다. 따라서 배전반 절연구조 모의 환경에서 AC 및 LI 전압이 인가된 경우의 부분방전 및 절연파괴특성에 대한 실험 및 분석을 수행하였다.

4.1 실험결과

4.1.1 침-평판 전극

그림4는 침-평판 전극에서 AC 및 정·부극성 LI 전압 조건에서의 부분방전 개시전압 및 절연파괴전압에 대한 실험결과를 나타낸다.

Fig. 4. PDIV/BDV vs. Gap Distance characteristics with the needle-plane electrode system

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그림에서 볼 수 있는 바와 같이, AC 전압에서 부분방전 개시전압은 전극간 간격에 따라 아주 미미한 상승만 있을 뿐 거의 변화를 보이지 않는다. 그에 비하여, 절연파괴전압은 갭 간격의 증대에 따라 거의 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. LI 전압이 인가된 경우의 절연파괴전압 특성은 AC 전압에 비하여 전체적으로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, LI전압 인가 시의 절연파괴전압은 정·부극성 모두 전극간 간격이 0~40 [mm] 까지는 로그함수적으로 증가하다가 40 [mm] 이후부터는 전극간 간격이 증대됨에 따라 거의 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 부극성의 경우가 정극성의 경우보다 절연파괴전압이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 갭 간격이 길어질수록 그 차이는 점점 크게 나타나 200 [mm] 갭 간격에서는 부극성의 경우가 정극성의 경우에 비하여 거의 2배 정도 이상 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 정극성 LI가 인가된 경우의 절연파괴전압이 부극성의 경우보다 낮은 전압에서 발생하는 것은, 공간전하의 영향에 기인한 것으로 판단된다(22). 즉, 절연파괴 발생 전에 공간전하가 발생하는 경우, 전자와 이온의 질량 차이로 인하여 정극성의 경우에는 전자나 이온의 분포가 외부전계를 강화시키는 형태로 배치되며, 부극성의 경우는 외부전계를 약화시키는 형태로 배치되기 때문인 것으로 판단된다.

위의 결과로부터 배전반 내부 절연 구조에서 불평등이 심각한 구조에서는 정극성 LI 전압 인가시험이 부극성 LI전압 인가시험보다 더 취약할 것으로 예상된다.

4.1.2 구(10)-평판 및 구(20)-평판 전극

그림5는 구(10, 20)-평판 전극 구조에서의 AC 및 정·부극성 LI 전압 인가 시의 갭 간격에 따른 절연파괴전압 특성을 나타낸 것이다. 본 그림에서는 구(10, 20)-평판 전극 구조에서의 절연파괴특성에 대한 이해를 돕기 위하여 침-평판 전극의 실험결과도 같이 나타내었다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, AC 전압 인가 시의 절연파괴전압 특성은, 갭 간격이 일정 거리 이하의 구간에서는 침-평판 전극에서의 경우와 유사한 패턴을 그리는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 전극간 간격이 일정 이상이 되면, AC 전압 시의 절연파괴전압 추세가 갑자기 변하는 변곡점들이 확인되었다. 이러한 지점들은 전극간 간격이 증가함에 따라, 절연파괴 발생 이전에 부분방전이 먼저 발생하여 절연파괴전압이 공간전하의 영향을 많이 받기 때문인 것으로 판단된다.

LI 전압이 인가된 경우의 절연파괴 전압도 정·부극성 모두 침-평판 전극과 거의 유사한 패턴을 나타내었다. 주목할 만한 것은 구(10, 20)-평판 전극 임에도 불구하고 정·부극성 각각에서의 LI전압 인가에 따른 절연파괴전압이 침-평판 전극과 크게 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이는 구의 직경이 10 [mm], 20[mm]로 작은 경우, LI 전압 인가 시에 절연파괴 발생 전에 부분방전의 발생으로 충분한 전하가 공급되고, 그로 인해서 전로파괴에 이르는 과정에서 공간전하가 크게 영향을 미치게 되어 고전계 도체 표면에서의 최대전계에 따른 특성이 크게 나타나지 않게 되기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 5. BDV vs. Gap Distance characteristics with the Sphere(10/20)-plane electrode system

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4.1.3 구(50mm)-평판 전극

그림6은 구(50)-평판 전극 구조에서의 AC 및 정·부극성 LI 전압 인가조건에서의 절연파괴전압을 나타낸다. 본 전극 구조에서는 AC 전압 인가조건에서 절연파괴가 발생하기 전에 부분방전이 발생하지 않았기 때문에 부분방전 개시전압은 측정할 수 없었다. 즉, 구(50)-평판 전극 구조와 같은 불평등도가 일정 정도 이하인 구조에서는 부분방전이 개시되지 않고 바로 절연파괴가 발생함을 의미한다.

위의 실험결과에서 볼 수 있는 바와 같이, 구(50)-평판 전극 구조에서 AC 전압이 인가된 경우의 절연파괴전압은 거리에 따라 서서히 증가하면서 포화하는 경향을 확인할 수 있었다. 그러나 LI 전압이 인가된 경우에는 절연파괴전압이 거리에 따라 일정 전압까지는 정·부극성 모두에서 거의 직선적으로 증가하는 경향을 보였으며, 전극간 거리가 일정(150[mm]) 이상이 되면 절연파괴전압의 상승치가 약간 줄어드는 경향을 보였다. 본 전극에서는 구전극에 부극성이 인가된 경우가 정극성이 인가된 경우보다 높게 나타났으나, 침-평판 전극에 비하여 그 차이는 크지 않음을 확인할 수 있었다.

Fig. 6. BDV vs. Gap Distance characteristics with the Sphere(50)-plane electrode system

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4.1.4 구(150mm)-평판 전극

그림7은 평등전계에 가까운 절연구조를 모델링한 구(150)- 평판 전극 구조에서의 AC 및 정·부극성 LI 전압 인가조건에서의 절연파괴전압을 나타낸다. 본 전극 구조에서도 AC 전압이 인가된 경우 부분방전 발생 없이 바로 절연파괴가 발생하였기 때문에 부분방전 개시전압은 별도로 도출하지 않았다.

그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 인가전압의 종류에 관계없이 전극간 간격이 길어질수록 절연파괴전압이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 본 전극에서는 불평등도가 상대적으로 높은 침-평판 및 구(10, 20, 50)-평판 전극에서의 LI 실험결과와는 달리, 정·부극성 LI 전압 인가에 따른 절연파괴전압의 차이가 실험 범위 내에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 구 전극이 증대함에 따라 LI 전압에 의한 절연파괴 전구과정에서 공간전하의 생성이 미미하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 7. BDV vs. Gap Distance characteristics with the Sphere(150)-plane electrode system

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4.2 실험결과 분석

전극의 전계 불평등도에 따른 절연파괴전압 특성 분석과 수배전반에 필요한 설계기준 확보를 위하여 인가전압 파형에 따른 절연파괴전압의 비 및 절연파괴전압에서의 전계해석과 weibull 분포 해석을 통한 절연파괴확률별 절연파괴전압 특성 등을 분석하였다. 단 본 논문에서는 분석을 명료하게 하기 위하여, 침-평판 전극과 유사한 LI 절연파괴전압 특성을 가지는 구(10)-평판 및 구(20)-평판 전극의 경우는 생략하고 침-평판, 구(50)-평판, 및 구(150)-평판 전극의 실험 결과들만을 분석하였다.

4.2.1 시험전압에 따른 영향

일반적으로 고전압 전력기기의 절연설계를 수행할 경우에는 다양한 인가전원에 대한 절연시험 중에서도 가장 취약한 시험전압 조건을 고려하여 설계를 수행한다. 본 연구에서는 가장 취약한 시험전압 조건을 알아내기 위하여, IEC standard에 규정하고 있는 배전반 시험전압 및 본 연구를 통하여 확보한 실험결과의 AC 전압에 대한 정·부극성 LI 전압 실험 결과 값의 비를 산출하였다(23).

그림8에서 볼 수 있는 바와 같이, 불평등도가 상대적으로 심한 침-평판 전극 및 구(50)-평판 전극의 경우, AC 절연파괴전압 대비 정극성 LI 절연파괴전압의 비가 부극성 LI 절연파괴전압의 비보다 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 불평등 전계의 경우, AC 절연파괴시험보다 정극성 LI 절연파괴시험의 경우가 더 위험하다는 것을 알 수 있으며, LI 절연내력시험 중에서도 정극성 LI 절연내력 시험이 더 취약할 수 있음을 의미한다. 따라서 배전반 제품의 절연설계를 위해서는 정극성 LI 절연내력시험을 고려한 설계가 이루어진다면, 부극성 LI 절연내력 시험 및 AC 절연내력시험은 상대적으로 안전할 것으로 예상된다.

Fig. 8. Electrical breakdown voltage ratios (FLI/AC) according to the gap distance.

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평등전계에 가까운 구(150)-평판 전극의 경우는 앞의 실험 결과에서 확인한 바와 같이 정·부극성 실험 결과 값의 차이가 미미하므로, AC 절연파괴전압 대비 정·부극성 LI 절연파괴전압의 비도 거의 차이가 나지 않는 것을 확인할 수 있었다.

4.2.2 절연설계기준 도출

앞 절에서 설명한 바와 같이, 배전반 절연시험에서 가장 취약한 시험전압 조건은 고전계에 정극성 LI전압이 인가된 경우임을 확인할 수 있었다. 그러므로 배전반 절연설계에서 가장 취약한 정극성 LI 시험조건에서의 전기절연 건전성을 담보할 수 있는 절연설계기준을 확보하는 것이 무엇보다도 시급하다 할 수 있다.

Fig. 9. Calculation results of maximum electric field intensity at LI breakdown voltage.

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전력기기 절연설계기준으로 가장 일반적으로 사용되는 지표는 최대전계이다. 그림9는 각 전극에서 정극성 LI 전압이 인가된 경우의 절연파괴전압에서의 최대전계를 전극간 간격에 따른 그래프로 나타낸 것이다. 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 침-평판 전극에서 절연파괴가 발생하는 최대전계는 전극간 간격이 증가함에 따라 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 구(50)-평판 전극의 경우도 확대한 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이 절연파괴 발생 시의 최대전계가 미약하나마 조금씩 상승하는 것을 확인할 있다. 이에 비하여 구(150)-평판 전극과 같이 평등전계에 가까운 전극 구조에서는 절연파괴 발생 시의 최대전계가 30 [mm] 이후부터는 ≅3.5 [kV/mm]로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 위의 결과로부터 구(150)-평판 전극과 같이 평등전계에 가까운 절연구조에서는 정극성 LI 시험전압 인가조건에서의 최대전계를 ≤3.5 [kV/mm] 가 되도록 설계한다면 비교적 안전할 것으로 판단된다. 그러나 침-평판, 및 구(50)-평판 구조와 같이 높은 불평등도를 가지는 절연구조에서는 최대전계가 전극간 간격에 따라 달라질 수 있으므로 최대전계를 절연설계기준으로 사용하기에는 문제가 있는 것으로 보인다.

Fig. 10. Electrical breakdown probability characteristics with needle-plane electrode

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그림10은 불평등 전계구조에서 절연설계기준 도출의 일환으로 침-평판 전극구조에서의 절연파괴전압을 weibull 분포 통계처리에 의하여 도출한 1 [%], 2 [%], 50 [%] 곡선을 나타낸다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 1 [%] 또는 2 [%] 절연파괴 확률 곡선은 50 [%] 절연파괴 확률과는 다르게 그래프가 많이 변형되는 것을 알 수 있다. 이는 실험 반복에 따른 결과 값의 균일도에서 차이가 나는 경우 1 [%], 2 [%] 절연파괴확률 특성 곡선은 50 [%] 절연파괴확률 특성 곡선보다 크게 영향을 받게 되기 때문인 것으로 판단된다. 절연설계기준전계를 몇 % 정도의 선으로 결정하는 가는 제품의 경제성과 관련이 있다. 즉, 절연파괴확률을 낮게 잡으면 기기의 신뢰성이 상승할 수는 있지만, 제품의 사이즈가 증대되고 원가가 상승할 수 있다. 반대로, 절연파괴확률을 일정 값 이상이 되도록 설정하면, 제품을 작게 만들 수 있고 원가 경쟁력은 상승하겠지만 제품의 신뢰성이 저하되는 문제가 발생할 수도 있다. 본 논문에서는 그림10을 참고하여 2 [%] 절연파괴확률 정도의 값으로 제안한다. 그러나 지금까지 결정 사항은 어디까지나 제품 내부 구조를 모델링한 전극에서 실험한 결과를 극한값에 비교적 일치하는 weibull 통계처리 기법으로 결정한 것이며, 일반적으로는 여기에 각 제조공정에서 발생할 수 있는 제작공차나 환경요인 등을 고려한 상태변수 등을 고려하여 결정한다. 추가적으로 설계단계에서는 이렇게 결정된 기준 위에 설계 안전율까지 별도로 두어 제품을 설계하는 경우가 많다. 보통 국내의 제작업체들은 설계안전율을 10 ~ 15 [%]까지 두고 설계를 하는 경우가 많다. 그러므로 제품 개발 시에는 설계부터 제작 및 시험까지의 각 공정에서의 설계 마진, 제작 마진, 등이 포함되므로 매우 높은 성공확률을 가지게 된다.

4.2.3 방전(PD/BD)개시 평가기준

일반적으로 AC 전압이 인가된 경우의 방전(부분방전 or 완전파괴) 개시 가능성을 판별할 때에는 최대전계를 지표로 사용한다. 기체절연의 경우, 부분방전개시전계(PDIE) 또는 절연파괴개시전계(BDE)가 전극의 단면적에 영향을 받는다고 하는 면적효과가 나타나는 것으로 알려져 있다. 즉, 전극표면의 최대전계 대비 일정전계 이상의 면적이 크면 클수록 방전개시전계(PDIE or BDE)가 감소하는 현상을 의미한다. 본 연구에서도 전극의 종류에 따른 면적효과 발생여부를 조사하기 위하여, 갭 간격이 10 [mm]로 일정한 조건에서, 순시전압 조건에서의 방전개시전계(PDIE or BDE)를 침-평판 및 4가지 직경을 가지는 구-평판 전극을 이용하여 PDIE 및 BDE에 대하여 실험결과를 바탕으로 전계해석 통하여 각 전극에서 최대전계 대비 90% 이상의 전계를 나타내는 단면적(S_90%Emax) 과의 상관관계를 분석하였다. 그림11은 각 전극에서의 방전개시전계와 최대전계의 90%이상이 되는 전계영역의 단면적을 도시한 그래프이다. 참고로, 본 연구에서 사용한 침-평판 전극의 경우만 거의 대부분의 전극간 거리에서 부분방전이 발생하였으며, 부분방전이 개시되는 전압에서의 최대전계(PDIE)를 그래프에 나타내었다. 그러나 구-평판 전극의 경우에는 갭 간격이 일정 정도 이상이 될 때까지는 방전이 발생하자마자 절연파괴로 연결되어 부분방전이 별도로 발생하는 구간이 없었다. 그러므로 본 그림에는 절연파괴개시 전계(BDE)를 도시하였다.

Fig. 11. PDIE/BDE vs. S_90%Emax characteristics at each electrode (AC, Gap Length = 10[mm])

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그림에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 전극 구조에서의 방전이 개시되는 최대전계(BDIE or BDE)가 매우 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 침-평판 전극과 같이 불평등도가 높고 최대전계대비 90%이상 되는 전계의 단면적이 매우 좁은 전극에서는 부분방전개시전계 대략 Emax ≅ 11.27 [kV/mm] 정도에서 발생하여 일반적인 예측치를 훨씬 상회하는 것을 알 수 있다. 이에 비하여, 구전극을 사용한 경우에는 구전극의 직경이 증가함에 따라, 즉, 구전극 선단의 최대전계 대비 90% 이상이 되는 단면적이 넓어짐에 따라, 절연파괴 시의 최대전계(BDE)는 점차 감소하였으며, 구(150mm)-평판 전극 에서 AC전압 인가 시의 절연파괴전압에서 계산된 최대 전계는 침-평판 전극의 경우보다 훨씬 낮은 Emax ≅ 3.31 [kV/mm] 정도에서 발생하는 것으로 계산되었다. 전극 구조에 따른 방전 개시전계(PDIE or BDE)의 차이는 기체 절연에서 거론되는 면적효과가 공기 절연파괴에서도 명확하게 나타남을 의미한다 (23).

5. 결 론

본 연구에서는 대기압 공기절연을 기반으로 하는 배전반 부분방전 및 전기절연 설계기준 도출을 위하여 전극 형상에 따른 AC 내전압 및 LI 전압 인가 시의 절연파괴특성에 대하여 고찰하였다. 본 연구결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 전계 불평등도가 높은 전극구조일수록 LI 시험전압이 인가된 경우의 절연파괴전압은 인가전원의 극성에 크게 영향을 받는 것을 확인할 수 있었으며, 전계 불평등도가 낮은 준평등 전극구조에서는 극성효과가 미미하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

(2) 배전반 시험전압 조건 및 AC, LI 절연파괴전압의 실험결과 분석을 통하여 배전반과 같이 대기압 공기절연을 주절연으로 하는 전력기기의 경우에는 정극성 LI 전압 시험조건이 전기 절연적으로 가장 취약한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

(3) 대기압 공기절연의 경우, 평등전계 분포에 가까운 절연구조에서는 최대전계를 기준으로 절연설계기준을 정립하는 것이 신뢰성이 높은 것으로 판단된다. 그러나 침-평판 전극과 같이 불평등도가 높은 절연구조에서는 최대전계가 아닌 거리에 따른 절연파괴전압(스트리머 진전전계)의 형태로 함수화 하는 것이 신뢰성이 높을 것으로 판단된다.

(4) 대기압 공기절연의 경우, 부분방전 또는 절연파괴 개시전계(PDIE or BDE) 조건이 전극의 단면적에 크게 영향을 받는 면적효과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 최대전계 대비 일정 비율 이상의 전계를 가지는 전극의 단면적이 넓을수록 방전개시전압이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

Acknowledgements

This research is supported by Samsung Electronics.

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저자소개

김 건(Kim Geon)
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B.S from Daelim University College

Researcher, The Industry-University Cooperation

Agency of Hanyang University.

김진태(Kim Jin Tae)
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M.S. from Seoul National University

Senior researcher, Hyundai Heavy Industry

Researcher, Korea Electric Power Research Institute

노홍석(Noh Hongsuk)
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B.S. from Seoul National University

Engineer, Samsung Electronics

윤경록(Yun Kyungrok)
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B.S. from Sungkyunkwan University

Engineer, Samsung Electronics

김세현(Kim Sehyun)
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B.S. from University of California Los Angeles, United States

M.S. and Ph.D. degree from Yonsei University

Staff Engineer, Samsung Electronics

석복렬(Seok Bok Yeol)
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B.S. and M.S. from Pusan National University

Ph.D. degree from Kyushu University, Japan

Professor, Dept. of Electrical Engineering, Daelim University College.