배전기기용 친환경 대체절연가스 Dry air의 절연특성

국문 초록 (Abstract)

SF6 가스는 상대적으로 낮은 가스압력에서 우수한 절연성능과 아크 소호특성, 그리고 열적과 화학적 안정성을 가지고 있기 때문에 송전과 배전계통에서절연매질로 흔히 사용되고 있다. 하지만 SF6 가스의 지구 온난화계수(Global Warming Potential)는 이산화탄소(CO2)의 약 23,900배로서, 1997년 교토에서 개최된 COP3(Third Conference of the Parties to the Framework Convention on Climate Change)에서 규제대상의 가스로 지정되었다. 2005년 2월에 교토의정서가 정식 발효됨에 따라 전력기기에 사용되는 SF6 가스의 사용량 및 방출량의 감소가 큰 과제로 되고 있다. 따라서 SF6 가스를 대체하기 위한 새로운 절연가스의 탐색에 대한 여러 가지 연구가 수행되어 왔다. 최근에 와서 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 여러 가지 과도과전압으로부터 위협을 받게 된다. 따라서 뇌서지나 개폐서지에 관련된 절연가스의 절연특성에 대한 기초적 연구는 대단히 중요하며, 그 결과, 고품질의 배전급 친환경전력기기의 절연설계에 필히 사용될 기초자료이다.
본 연구에서 SF6의 대체가스로 친환경 dry air의 사용 가능성을 평가할 목적으로 준평등전계와 불평등전계에서 가스압력과 전극간 거리에 따른 dry air의 기초적인 임펄스절연파괴 특성을 얻었으며, 구-평판 전극계와 침-평판전극계에서 SF6의 대체가스인 dry air의 임펄스 절연파괴 특성을 조사하기 위하여 일련의 실험을 수행하였다. 정⦁부극성 뇌임펄스전압(±1.2/50 ㎲)과 가스절연개폐장치의 운전 중에 발생할 수 있는 개폐임펄스전압(±180/2500 ㎲), 감쇠 진동성 임펄스전압(±500 ns/1 MHz)을 구전극에 인가하였으며, 인가전압의 형태와 극성, 가스압력, 전극간 거리를 함수로 하여 V-t 특성과 V50 특성을 분석하였다. Dry air에서의 방전메카니즘을 분석하기 위하여 절연파괴 시 인가전압파형, 전구방전전류파형, 방전광신호를 측정하는 동시에 ICCD 카메라를 설치하여 전극간 방전진전과정을 관측하였다.
결론적으로 0.711인 전계이용률에서 dry air의 압력은 0.4 [MPa] 이상일 경우, 절연파괴전압이 정극성에서 부극성보다 높게 나타났으며, dry air가 배전용 25 [kV]급 가스절연개폐장치에 사용되고 있는 SF6 가스를 대체할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 준평등전계에서 절연파괴는 주로 스트리머방전에 의하여 일어났으며, 반면에 불평등전계에서는 간헐적인 리더진전에 의하여 절연파괴가 일어났으며, 부극성에서 절연파괴진전은 정극성보다 공간전하효과작용에 의존성이 강하므로 절연파괴전압이 부극성에서 정극성보다 높게 나타났다. V-t 특성 및 V50은 인가전압의 극성 및 형태에 대한 의존성이 매우 크며, 전구방전의 진전과정과 밀접하게 관련이 있다. Dry air가 SF6의 대체절연가스로 사용될 경우, SF6의 사용비용보다 58 [%]를 절감할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 4
• 제 2 장 관련 이론 5
• 2.1 과전압 5
• 2.1.1 1.2/50 ㎲ 뇌임펄스전압 5
• 2.1.2 개폐임펄스전압 6
• 2.1.3 과도과전압 12
• 2.2 방전이론 14
• 2.2.1 Townsend 이론 14
• 2.2.2 스트리머이론 18
• 2.2.3 리더방전 19
• 2.2.4 Paschen의 법칙 25
• 2.3 기체의 절연특성 27
• 2.3.1 SF6 가스 27
• 2.3.2 Dry air 28
• 2.4 준평등전극계 및 불평등전극계에서의 전계계산 30
• 2.4.1 준평등전극계 30
• 2.4.2 불평등전극계 32
• 제 3 장 실험 35
• 3.1 실험계의 구성 35
• 3.2 실험장치 36
• 3.2.1 Marx형 임펄스발생장치 36
• 3.2.2 분압기(Voltage divider) 41
• 3.2.3 광전자증배관 42
• 3.2.4 ICCD 카메라 43
• 3.2.5 전극계 구성 45
• 3.2.6 측정장비의 차폐 47
• 3.2.7 전구방전전류의 측정계 47
• 3.3 실험방법 48
• 제 4 장 결과 및 고찰 51
• 4.1 준평등전계에서 절연파괴 특성 51
• 4.1.1 V-t 특성 54
• 4.1.2 SF6 가스와 dry air의 50% 절연파괴전압 67
• 4.2 준평등전계에서 전극간 거리에 따른 dry air의 50% 절연파괴전압 70
• 4.3 준평등전계에서 방전광의 분석 72
• 4.3.1 준평등전계에서 임펄스전압에 대한 dry air의 전구방전현상 72
• 4.3.2 준평등전계에서 dry air의 방전 메카니즘 79
• 4.4 불평등전계에서 SF6와 dry air의 절연파괴 특성 84
• 4.4.1 불평등 전계에서 SF6 가스와 dry air의 50% 절연파괴전압 84
• 4.4.2 불평등 전계에서 SF6 가스와 dry air의 V-t 특성 86
• 4.4.3 불평등 전계에서 SF6 가스와 dry air의 방전진전 메커니즘 92
• 제 5 장 Dry air의 절연특성의 배전용 기기에 적용하기 위한 활용성 분석 105
• 5.1 Dry air의 절연특성에 대한 결과의 검토 105
• 5.2 배전용 기기에 적용하기 위한 활용성 분석 108
• 5.2.1 구-평판 전극계에서 갭간격에 따른 전계이용률 108
• 5.2.2 전계이용률에 따른 dry air의 절연파괴전계 특성 110
• 5.2.3 가스압력에 따른 dry air의 절연파괴전계의 세기 114
• 제 6 장 Dry air의 사용에 대한 경제성 분석 118
• 6.1 25.8 [kV]급 가스절연개폐장치 118
• 6.2 25.8 [kV]급 가스절연개폐장치에 주입되는 가스량과 비용 120
• 6.3 25.8 [kV]급 가스절연개폐장치에서 잔여가스 방출에 따른 비용 122
• 6.4 Dry air를 사용할 경우의 비용 절감 123
• 제 7 장 결론 124
• 참 고 문 헌 127