커플링 커패시터를 이용한 배전급 ACDC 진공 인터럽터의 진공도 감지 및 절연설계 기법 연구

Abstract

최근 전세계 전력시장은 그린뉴딜, 탄소 중립 등의 친환경적 정책들로 인해 신재생 에너지와 분산전원에 대한 연구/개발들이 진행 중에 있다. 전력계통내 고전압 전력기기 내부 SF6 가스 사용 저감과 더불어 신뢰성 향상을 위해, SF6 가스 대체 친환경 가스를 적용하거나 가스 절연매질이 아닌 고체 절연매질을 적용하는 방법을 활용하고 있다. 대체 친환경 가스의 경우, 국내/외 기업 및 연구소들이 연구/개발을 진행하고 있으며 이에 따른 여러 적용사례를 보고하고 있지만 친환경 가스들의 전기적 특성의 한계점으로 인해 SF6 가스 절연 고전압 전력기기 대비 경제성과 더불어 절연성능과 아크 차단성능이 확보된 친환경 고전압 전력기기 개발에 많은 국내/외 기업 및 연구소들이 어려움을 빚고 있다. 고체 절연방식으로 에폭시가 적용된 고체절연 고전압 전력기기를 연구/개발하고 있으며 전력계통에 널리 사용하고 있다. 특히, 하우징 내부 다양한 형상의 주회로를 에폭시 내부 성형할 때, 계면에서 발생되는 공극 및 보이드에서의 부분방전, 불평등전계조건에서의 전계집중현상을 통한 절연파괴 등의 전기적 사고가 발생하고 있다. 따라서 SF6 가스 대체 친환경 가스절연 또는 고체절연 고전압 전력기기 내부 주회로부에 진공 인터럽터 (VI : Vacuum Interrupter)를 설치하여 전기적 안정성과 더불어 차단성능을 확보하여 신뢰성을 향상시킨다. VI는 장기간 운전에 따른 균열, 내부 아크 열로 인해 방출되는 가스, 접합부를 통한 누기 등으로 인해 VI 내부 고진공 상태가 저하되게 되고 이로 인해 특정 진공도 이하로 도달하여 절연내력이 급격하게 하락한다. 이에 따라 VI 내부 두 접점사이 또는 접점과 플로팅 쉴드사이 부분방전이 발생되게 되고 절연파괴로 이어져 고전압 전력기기의 전기적 사고가 발생한다. 현재 전력계통내에 설치하고 있는 고전압 전력기기들은 내부 VI의 진공도 이상을 확인할 수 없다. VI의 진공도 이상을 확인하기 위해선 전력계통에 설치하고 있는 고전압 전력기기를 해체 후 내전압 실험 또는 Magnetron 방법 등으로 진공도 이상에 의한 절연내력의 하락 유무만을 판단할 수 있으며, 어느 정도의 진공도로 하락하였는지 확인할 수 없어 매우 비효율적이다. 만약, VI의 진공도를 감지할 수 있다고 하더라도 효율적으로 유지보수 할 수 있는 진공도 기준이 없으며, 해당기술 적용 시 발생되는 절연 문제점에 대한 절연설계법이 공개 및 개발하고 있지 않아 VI 진공감지기술 적용 고전압 전력기기의 상용화가 상당히 어렵다. 따라서 본 논문에서는, VI 내부 고진공도 증착을 위해 진공증착 시스템을 구축하였으며, 실험의 정확도 향상을 위해 실제 고전압 전력기기에 적용되는 VI를 통해 실험용 VI 시료를 제작하였다. AC 부분방전 측정 시스템과 DC 부분방전 측정 시스템을 통하여 전압 종류별 커플링 커패시터 접촉방식에 따른 VI 내부 진공도 하락에 따른 VI의 부분방전 패턴 특성을 분석하였다. 더불어, VI 내부 진공도 하락에 따른 부분방전 패턴 분석을 통해 효율적인 유지보수 기준을 제시하였으며, 특히, 커플링 커패시터의 직접 접촉방식 적용 시, 전기적 안정성 향상을 위해 절연설계법을 개발하였으며, 설계 요소 및 프로세스를 제시하였다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫 번째, 효율적인 유지보수 기준을 선정하기 위해 VI 내부 진공도 하락에 따른 절연특성을 분석하였다. 실제 고전압 전력기기에 적용되는 VI를 통해 실험용 VI 시료를 제작하였으며, 실험 시 고전압이 인가되는 VI와 고진공 증착 시스템 사이 절연 스페이서를 설치하였다. 또한, 고진공 증착 시스템을 활용하여 실험용 VI 시료 내부 진공 유지특성을 확인하였으며, VI 내부 유지된 각각의 진공상태에서 전압 종류별 절연특성을 분석 수행 시, 전압종류에 상관없이 10-6 ∼ 10-4 torr까지 절연내력이 유지되다 10-3 ∼ 10-2 torr에서 부터 절연내력이 급격하게 하락되는 것을 확인 할 수 있었다. 두 번째, VI 내부 진공도 감지의 정확도 향상을 위한 커플링 커패시터 용량산출 및 프로세스를 확립하였다. 진공도 하락에 따른 절연내력 변화에 의해 VI 내부 접점과 플로팅 쉴드사이 부분방전이 발생한다. VI 내부 접점과 플로팅 쉴드사이 부분방전 신호감지 및 정확도 향상을 위해 커플링 커패시터를 설치하였다.

세 번째, AC 부분방전 측정 시스템인 Doble Lemke 사의 LDS-6과 DC 부분방전 측정 시스템인 SMND 사의 PDMS를 통하여 VI 내부 진공도에 따른 부분방전을 측정하였으며, AC 부분방전 패턴 분석 방법인 Phase Resolved Partial Discharge (PRPD)와 DC 부분방전 패턴 분석 방법인 Pulse Sequence Analysis (PSA)를 이용하여 측정된 부분방전 패턴 및 방전량 등을 분석하였다.

네 번째, 커플링 커패시터 직접 접촉방식으로 VI에 설치하여 VI 내부 진공도에 따른 전압 종류별 부분방전 특성을 분석하였으며, VI의 효율적인 유지보수 기준을 제시하였다. AC전압의 경우, 진공도가 10-3 torr에서부터 부분방전이 발생하였으며, 최대 3 × 10-2 torr까지 부분방전이 발생하였다. DC전압의 경우, 전압극성에 상관없이 10-3 torr까지 부분방전이 발생되지 않았으나, 전압 극성에 따라 부분방전과 절연파괴 사이 Time interval이 차이가 발생하였다. 정극성 DC전압의 경우, 2 ∼ 4 × 10-2 torr에서 부분방전이 발생하였으나, 부극성 DC전압의 경우, 정극성과 달리 1 ∼ 2 × 10-2 torr에서 부분방전이 발생하였으며, 최대 3 × 10-2 torr까지 부분방전이 유지하였다. 위 결과들을 통해, 직접 접촉방식 일 때, AC전압 9 × 10-4 torr / DC전압 9 × 10-3 torr로 유지보수 기준이 선정하였다. 또한, VI 진공 감지기법이 직접 접촉방식으로 고전압 전력기기 적용 시 발생되는 절연 문제점을 해결하기 위해 커플링 커패시터 접촉방식에 따른 절연설계법을 제시하였다.

다섯 번째, 커플링 커패시터 비 접촉방식으로 VI에 설치하여 VI 내부 진공도에 따른 전압 종류별 부분방전 특성을 분석하였으며, VI의 효율적인 유지보수 기준을 제시하였다. VI 내부 진공도에 따른 부분방전 신호를 감지하기 위해 FEM해석을 통한 신호감지 전극을 설계하였다. 또한, 실험결과를 통해, AC전압의 경우, 신호감지 전극 40 mm일 때 사이거리가 4 mm로 짧아지더라도 10-2 torr에서 부분방전이 감지하였지만, 지름 60, 80 mm일 때 사이거리가 짧아질수록 부분방전이 10-3 torr에서 감지되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 지름 80 mm일 때 사이거리 8 mm 이하는 VI 전압 인가부와 평판전극 끝단의 거리가 가까워져 절연파괴가 발생하여 부분방전을 감지할 수 없었다. 정극성 DC전압의 경우, 신호감지 전극 크기에 상관없이 1.5 × 10-2 torr에서 부분방전이 발생하였으나, 곧바로 절연파괴가 발생하였다. 그러나 부극성 DC전압의 경우, 40, 60 mm일 때 사이거리가 4 mm로 짧아지더라도 최대 1.3 × 10-2 torr에서 부분방전이 감지하였지만, 지름 80 mm일 때 사이거리가 4 mm 선정 시 1 × 10-2 torr에서 부분방전이 감지하였으며, 최대 1.7 × 10-2 torr까지 부분방전이 유지하였다. 위 결과들을 통해, 비 접촉방식 일 때 AC전압 5 × 10-3 torr / DC전압 9 × 10-3 torr로 유지보수 기준이 선정하였다.