2016 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2016S210 가스절연개폐장치에서결함별부분방전의특성 Characteristics of Partial Discharge Depending on Defects in GIS 박경수 *, 김선재 *, 왕국명 *, 길경석 *, 김성욱 ** Kyoung-Soo Park *, Sun-Jae Kim *, Guoming Wang *, Gyung-Suk Kil *, and Sung-Wook Kim ** Abstract This paper described characteristics of partial discharge(pd) depending on defects for the purpose of condition monitoring of gas insulated switchgears(gis). Four types of defects were fabricated and PD pulses were detected using an ultra-high frequency(uhf) sensor, which had a frequency range of 300MHz~1.4GHz. The characteristics depending on defects were analyzed by phase resolved partial discharge(prpd) method. In addition, the discharge inception voltage(div), discharge extinction voltage(dev), as well as pulse magnitude and count were measured. The DIV of particle on spacer(pos) was the highest whereas that of free particle(fp) was the lowest. More than 80% of PD pulses distributed in the positive and negative half in protrusion on conductor(poc) and protrusion on enclosure(poe), respectively. From the results, clusters formed by PRPD presented different patterns depending on defects, which can be used for condition monitoring of GIS. Keywords : Partial discharge, DIV, DEV, PRPD, Defects 초록본논문에서는가스절연개폐장치 (GIS) 의상태진단을목적으로결함별부분방전의특성에대해연구하였다. 4 종의결함을제작하였고, 300MHz 1.4GHz 대역의 UHF 센서를사용하여부분방전펄스를검출하였다. 결함별특성은 PRPD 방법으로분석하였으며, 방전개시및소멸전압, 펄스크기와펄스수를측정하였다. 방전개시전압은스페이서파티클 (POS) 에서가장높았으며, 자유입자 (FP) 에서가장낮게나타났다. 부분방전펄스의극성분포는 80% 이상이도체돌출 (POC) 은정극성, 외함돌출 (POE) 은부극성에분포하였다. 이와같은특징으로형성된클러스터는결함별로다르게나타나므로상태진단에활용할수있다. 주요어 : 부분방전, 방전개시전압, 방전소멸전압, PRPD, 결함 1. 서론철도차량에전기를공급하는변전설비는변압기, 피뢰기및차단기등다양한시스템으로구성되어있다. 철도차량의빈번한기동, 정지및운영환경으로인하여전력설비의안정성및신뢰성이요구된다. 전력계통을분리및변경을목적으로높은절연성을갖는큐비클형가스절연개폐장치 (Cubicle-Gas Insulated Switchgear, C-GIS) 가많이사용되고있다. 교신저자 : 한국해양대학교공과대학전자전기정보공학부 (kilgs@kmou.ac.kr) * 한국해양대학교공과대학전기전자공학과 ** ( 주 ) 효성중공업연구소 PAM 팀
C-GIS에사용되는 SF 6 가스는공기대비 1기압에서 2.5 3.5배절연내력이크기때문에소형화가가능하며, 높은신뢰성을갖는다 [1]. 그러나 C-GIS에금속이물질의유입및크랙등으로전계가집중되면, 부분방전 (PD) 이발생한다. 철도전력설비의고장을예방하기위하여상태진단기술 (Condition Based Maintenance, CBM) 이적용되고있다. 전원이인가된환경에서대상설비의고장여부를사전에검출하는것으로철도전력설비의유지보수에적합하다 [2-4]. 따라서본논문에서는 SF 6 가스를사용하는가스절연개폐장치의상태진단을위한목적으로결함에따른방전개시전압 (DIV), 방전소멸전압 (DEV) 및 PRPD를분석하였다. 2. 본론 2.1 결함절연결함은전기적 기계적스트레스및기타환경적요인에의해발생하며, 결함의종류에따라부분방전의발생패턴이다르다. 가스절연개폐장치는제작과정, 운반, 설치및운전시도체및외함돌출과스페이서크랙등의결함이발생한다. 대부분설비내부에서나타나기때문에시각적으로검사하기어렵다. 가스절연개폐장치에서발생가능한결함을모의하기위하여도체돌출 (protrusion on conductor, POC), 외함돌출 (protrusion on enclosure, POE), 스페이서파티클 (particle on spacer, POS), 자유입자 (free particle, FP) 등의전극계를 Fig. 1과같이제작하였다 [5,6]. 전극계는지름 144mm, 높이 131mm의밀폐형구조이며, SF 6 가스를최대 0.6MPa까지봉입할수있다. (a) POC (b) POE (c) POS Fig. 1. Electrode systems (d) FP (a) 와 (b) 는도체및외함돌출을모의한것으로전극계내부에사용된침은곡률반경 10 μm, 높이 5mm, 지름 1mm이다. 평판전극은지름 80mm, 두께 10mm로가장자리를둥글게제작하여전계집중을방지하였다. 침과평판의거리는 20mm이다.
(c) 는가스절연개폐장치의스페이서에파티클이부착된경우를모의한것으로평판전극은도체돌출과외함돌출에사용된것과동일하다. 가로 10mm, 세로 10mm, 높이 15mm의에폭시고체절연물에 10mm의파티클을부착시켰다. (d) 는자유입자로인한결함을모의한것으로입자의직경은 2mm로써, 고압측과저압측의전극간격은 20mm이다. 제작과정에서철이많이사용되기때문에자유입자의재질을철로선정하였다. 하부전극을오목하게설계하여입자의자유운동이용이하도록평판전극계를제작하였다 [7, 8]. 2.2 실험계전극계를가스절연개폐장치챔버에설치한후, Fig. 2와같이실험을수행하였다. 최대출력전압및전류는각각 50kV, 30mA인몰드형고압변압기를사용하여전극계에전압을인가하였다. 광유 (Mineral oil) 에몰드형고압변압기를함침 ( 含浸 ) 시켜접속부에서발생할수있는코로나를방지하였다. 인가전압의위상은분압기 (VD-100) 에서측정하였다. 진공펌프 (120l/min.) 로전극계내부를 10-3 torr까지진공한후, SF 6 가스를 0.5MPa 봉입하였다. 가스절연개폐장치챔버의윈도우에 UHF 센서 (300MHz 1.4GHz) 를설치한후, 250MS/s DAQ를사용하여부분방전펄스를분석하였다. (a) Configuration Fig. 2. Experimental setup (b) Photograph 2.3 DIV 및 DEV 방전개시전압 (DIV) 및방전소멸전압 (DEV) 을각각 10회씩측정하여최소, 최대및평균을 Fig. 3에나타내었다. 평균방전개시전압은도체돌출 24.6kV, 외함돌출 20.4kV, 스페이서파티클 28.8kV 및자유입자는 17.2kV로검출되었다. 4종의전극계중스페이서파티클의평균방전개시전압이가장높았다. 도체돌출과외함돌출은 10μm의침에전계가집중되며, 자유입자는움직임이가능한파티클에서부분방전이발생한다. 그러나스페이서파티클은절연물에서부분방전이발생하기때문에 3종의전극계와는다르게평균방전개시전압이상대적으로가장높은것으로생각된다. 평균방전소멸전압도스페이서파티클이 26kV로가장높았고, 자유입자가 15.3kV로가장낮게검출되었다.
Fig. 3. DIV and DEV 2.4 PRPD UHF 센서로검출된부분방전펄스를위상 (X축, Ø) 과크기 (Y축, dbm) 에대하여분석하였다. 전극계별부분방전펄스의최댓값을검출하여 Fig. 4에나타내었다. 도체및외함돌출은정극성 (0 180 ) 과부극성 (181 360 ) 에서각각부분방전이밀집되어분포하였다. (a) POC (b) POE (c) POS (d) FP Fig. 4. PRPD intensity graph 스페이서파티클은정극성보다는부극성에서최댓값이형성되었고, 자유입자는셔플과점핑때문에전 ( 全 ) 대역에서부분방전이분포하였다. 펄스수는도체돌출 11,257개, 외함돌출 37,699개, 스페이서파티클 323개및자유입자는 1,602개로측정되었다. 도체돌출은정극성에서 88%, 외함돌출은부극성에서 84% 부분방전이발생하였다. 도체돌출과외함돌출이한극성에서부분방전이 80% 이상발생하는것은 10μm의침에전계가집중되기때문이다.
3. 결론평균방전개시전압은스페이서파티클이 28.8kV로써, 가장낮은자유입자보다약 1.7배높았다. 스페이서파티클은 3종의전극계와는다른구조로써, 절연물에서부분방전이발생되기때문에상대적으로방전개시전압이높은것으로생각된다. 평균방전소멸전압도스페이서파티클이 26kV로써가장높았다. 자유입자는평균방전개시전압의 1.3배에서셔플과점핑을병행하였다. 도체돌출은정극성에서, 외함돌출은부극성에서부분방전이 80% 이상발생하였다. UHF 센서로검출된부분방전펄스를위상 (X축, Ø) 과크기 (Y축, dbm) 에대하여분석한결과, 결함별고유의클러스터가형성되었다. 특정지역의클러스터분포는가스절연개폐장치에서결함을판별하기위한자료로활용될수있다. 후기 본연구는 2015년도미래창조과학부및연구개발특구진흥재단의기술이전사업화사업과 ( 주 ) 효성의위탁연구사업지원으로수행되었음. 참고문헌 [1] S.J. Kim, G. Wang, M.Y. Yun, G.S. Kil (2015) Partial discharge characteristics according to particle types in SF 6 gas, Autumn Conference of the Korean Society for Railway, Yeosu, pp. 1474-1479. [2] S.J. Kim, H.E. Jo, G.W. Jeong. G.S. Kil, et al. (2015) Analysis on PD pulse distribution by defects depending on SF 6 pressure, Journal of the Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 28(40), pp. 40-45. [3] F.H. Kreuger (1989) Partial discharge detection in high-voltage equipment, Butterworth-Heinemann, United Kingdom, pp. 140-143. [4] M.S. Naidu, V. Kamaraju (2009) High voltage engineering, McGraw-Hill, India, pp. 364-366. [5] M.S. Kim, G.W. Jeong, G.S. Kil, D.W. Park (2013) Analysis of PD patterns depending on SF 6 gas pressure on a needle-plane electrode, Autumn Conference of the Korean Society for Railway, Daegu, pp. 459-464. [6] G. Wang, S.J. Kim, H.E. Jo, G.W. Jeong, et al. (2015) Algorithm for defects identification by analysis of PD pulses in SF 6 gas, 19th International Symposium on High Voltage Engineering, Czech Republic, pp. 165(1)-165(5). [7] G.S. Kil, D.W. Park, H.E. Jo, M.S. Kim, et al. (2013) National Korea Maritime and Ocean University, Development of a data acquisition and an analysis method of partial discharge. [8] K.H. Kim, D.Z. Lee, H.R. Kwak (2003) Pattern recognition of PD by particles in GIS, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, 17(1), pp. 31-36.