2.1 실험 대상 및 부분방전 측정방법s

현장 운전 후 수거되어 폐기 처리된 배전용 가공개폐기 10대에 대해 실험을 수행하였다. 수거된 개폐기들은 폐기되어 임의로 보관되어서 상세 고장 내역은 알 수 없었으며, 외관 이상 유무 관측 및 부분방전 측정으로 고장원인을 추정하였다. 그림 1과 같이 각 부싱마다 리드선 종단의 시스 및 절연 고무를 제거하고 코로나 링을 설치하여, 전압인가 시 리드선에서 코로나 등의 외부 방전이 발생하지 않도록 하여 부분방전 측정을 수행하였다.

가공개폐기에서 발생하는 다양한 내부 및 외부 부분방전의 고유한 주파수 특성을 파악하기 위하여 1GHz까지 광대역의 부분방전을 측정하였으며, 고주파 대역은 안테나 센서로 저주파 대역은 HFCT(High Frequency Current Transformer)를 이용하여 측정하였다. 특히 안테나 센서의 사용은 몇 가지 장점이 있다. 현장 가공개폐기에 대한 부분방전 모니터링을 수행하고자 할 때 전주의 철제 앵글에 설치하는 것이 유리하기 때문에, 가공개폐기에 직접 접촉하여 측정하는 접촉식 센서 보다는 안테나와 같은 비 접촉식 센서를 이용하는 것이 적절하다^[6]. 아울러 부분방전은 고주파 일수록 신호가 작아지지만 노이즈는 더 작아 SN비(Signal to Noise Ratio)가 더 좋기 때문에^[7] 측정이 가능하다면 고주파 대역의 측정이 유리할 수 있기 때문이다. 본 연구에서 사용한 안테나 센서의 주요 측정 주파수 대역이 400MHz ~ 2GHz 이기에 400MHz 이하 대역에서의 정확한 측정을 위해 1MHz ~ 600MHz의 주파수 대역을 갖는 HFCT를 통해 비교하였다. 그림 2.(a) 및 (b)에 안테나 센서 및 HFCT 센서의 주파수 응답 특성을 나타내었다.

실험방법으로는 먼저 실험 전 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)로 약 1분간 안테나 센서로 측정한 주파수 대역별 기본 노이즈 신호를 누적시켜 기본 노이즈를 측정하였다. 그리고 접지 측에 설치한 감도가 높은 HFCT 센서를 이용하여 PDIV(Partial Discharge Inception Voltage)를 측정한 후, 다시 안테나 센서를 통해 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)로 주파수 대역별로 신호를 1분간 누적 측정하였으며, 측정된 결과를 기본 노이즈와 비교하여 SN비를 분석하였다. SN비가 가장 큰 대역은 그림 2.(c)와 같이 빨강박스로 명시하였다. 아울러 스펙트럼 분석기로 측정한 신호는 본 연구에서 적용한 분석 프로그램을 이용하여 주요 주파수 대역의 PRPD 패턴 분석을 수행하였다. 현장 진단의 실효성을 위해 분석 주파수 대역을 1GHz 까지로 설정하였으며, 각 대역 별로 600Cycle 동안 누적하여 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 패턴을 분석하였다.

가스절연 부하개폐기에 대한 부분방전 측정은 개폐기마다 총 6개의 부싱에 대해 각 부싱별로 수행하였다. 가공개폐기를 개방한 상태로 부싱별로 부분방전 측정을 진행하였으며 총 6개의 부싱 중 하나에 대해 측정할 경우 나머지 5개의 부싱은 모두 접지를 잡고 전압을 인가하였다.

2.2 모의 결함 구성s

수거된 개폐기중 부분방전 측정에서 PDIV가 40kV 이상으로 특별한 이상이 없었던 개폐기의 윗면을 절단 개봉하고 내부에 모의결함을 삽입하여 결함 종류에 따른 부분방전 주요 주파수를 측정하였다. 제조사별로 차이가 있는지를 파악하기 위해 제조사가 다른 개폐기 2대를 선정하였다. 개폐기 윗면을 절단하여 개봉하였고 볼트 용접 및 오링 설치와 철판 커버로 다시 밀봉할 수 있는 구조로 제작하였다. 이는 내부에서 발생하는 부분방전 펄스가 외부로 나올 때 철제 외함 및 부싱을 통하므로 부분방전 펄스의 주파수가 달라질 수 있기 때문에 가급적 원래 상태와 동일하게 만들기 위함이다. 제작된 개폐기는 SF6 가스를 주입하여 정상 처리 및 기밀 상태를 확인하였다. 그림 3은 개폐기 윗면 개봉 전후를 나타낸 것이다.

개폐기 내부에 삽입할 모의결함으로는 배전급 가공개폐기를 고려하여 부싱 수분결빙 균열에 의한 트래킹 및 절연물 표면의 트래킹 등을 모의하기 위한 표면방전 결함과 가동전극 및 볼트 접촉 불량에 의한 방전을 모의하기 위한 플로팅 방전 결함을 선정하였다. 그림 4에 표면방전 모델 및 플로팅 방전 모델과 이를 개폐기 내에 설치한 사진을 나타내었다.

모의 결함에 대한 부분방전 실험 방법으로, 개폐기 내부에 설치하여 커버를 밀봉하고 SF6 가스를 주입하여 실험하였다. SF6 가스 주입 방법으로는 먼저 결함을 삽입하고 개폐기를 밀봉시킨 후 5.6×10-2 torr 만큼 진공시키고 내부 안정화시킨 후 개폐기의 상온에서의 규격 SF6 가스압력인 1.2kg f/m2 (1.2bar)를 주입하였다^[8].

3.1 외부 방전 (부싱 반도전 페인트 박리 방전)s

그림 5와 같이 부싱 하단의 반도전 페인트가 박리된 개폐기에 대해 부분방전 측정을 수행하였다. 각 부싱별로 29 ~ 36kV 정도의 유사한 PDIV를 나타내었으며, 방전량이 매우 작으며 반도전 페인트가 박리된 곳에서 소음이 발생하였다. 좀 더 명확하게 주파수별 부분방전 특성을 파악하기 위하여 PDIV의 1.2배 전압을 인가하였는데, 소음이 더 크게 발생하였으며 코로나 방전의 빛이 발생하였다. 소음이 발생함에도 불구하고 측정된 방전량이 작았고, HFCT에는 그림 6과 같이 주로 저주파 대역에서 측정되었으며, 안테나 센서로 측정결과 그림 7과 같이 640MHz ~ 770MHz 대역(직사가형 박스)에서 SN비가 높게 나타났으며 대역별 PRPD 측정 결과 역시 이 대역에서 가장 명확하게 측정되었다. PRPD 패턴은 코로나 방전이나 플로팅 방전과 유사한 면이 있지만 복잡한 형태를 보이고 있다.

3.2. 내부 부분방전

3.2.1. SF6 가스 누기로 인한 트립된 개폐기

수거된 개폐기 중 외관상 결함이 없이 SF6 가스 누기로 인해 내부 절연성능이 떨어져 34 ~ 40kV에서 트립 되는 경우, 부분방전과 트립(고장)과의 상관성 조사를 위해 부분방전을 측정하였다. 측정결과 부싱별로 PDIV는 20 ~ 28kV로 매우 낮았으며 방전량이 매우 크고 개폐기 내부에서 소음이 발생하였다. PDIV가 낮을수록 트립 발생전압이 낮은 경향을 보였으며, 200MHz 이하 대역에서 SN비가 가장 높으며 대역별 PRPD는 거의 동일하게 나타났다. PRPD 패턴은 표면방전의 형태로 보이며 이외에 여러 방전의 형태가 혼합된 것으로 보인다. 그림 8 및 그림 9에 누기로 추정되는 개폐기에서 HFCT와 안테나 센서로 측정한 주파수 특성과 대역별 PRPD 패턴을 나타내었다.

3.2.2. 수분 침투로 인한 부싱 파손

수분 침투로 인한 부싱의 결빙 균열 문제로 수거된 것으로 추정되는 개폐기를 선정하여 실험을 수행하였다. 이 개폐기는 그림 10과 같이 리드 선에서 물이 배어 나오고 몰드콘의 접합부가 들뜬 상태로서 부싱하단이 심하게 열화된 것으로, 고장으로 판정하여 수거된 것으로 보인다.

측정 결과, 부싱별로 26 ~ 32kV 정도의 유사한 PDIV를 나타내었으며, 좀 더 명확하게 주파수별 부분방전 특성을 파악하기 위하여 1.2배 정도 가압하여 주파수 스펙트럼 분석하였다. 그림 11과 같이 부싱별로 280MHz ~ 340MHz 대역에서 SN비가 높게 나타났으며 대역별 PRPD 측정 결과 역시 이 주파수 대역에서 가장 명확하게 측정되었다. PRPD는 표면방전의 형태를 띠고 있으며, 일부 부싱의 경우 부싱하단이 심하게 열화되어 코로나나 플로팅 방전과 같은 다른 방전이 섞여 나오는 것으로 판단된다.

그러나 HFCT와 안테나 센서에서는 다소 다른 특성이 나타났다. 그림 12와 같이 HFCT에서는 50MHz 이하의 저주파수 대역에서만 측정되었으나, 안테나 센서에서는 수 백 MHz 대역에서도 측정되고 있다. 이것은 부분방전 신호의 전파경로 차이 때문인 것으로 분석된다.

3.2.3. 내부방전 모의결함 삽입 측정결과

(1) 개폐기 내 표면방전 모델 결함 측정 결과

개폐기 내에서 발생하는 방전신호는 SF6 절연 및 외부 철제함에 의해 방전의 주파수가 감쇄되어 측정된다. 따라서 그림 4.(a)의 표면방전 모델에 대해 먼저 대기 중에서 모델결함 자체에서 발생하는 부분방전을 측정한 후, 표면방전 모델을 개폐기 내부에 삽입하고 SF6 가스 1.2bar 압력에서 전압을 인가하여 부분방전 주파수대역을 측정하였다. 절연성능이 뛰어난 SF6 가스 영향으로 PDIV가 높아지고 방전량이 줄어들어 그림 13에 나타낸 바와 같이 주요 측정대역인 150MHz ~ 250MHz을 제외하고 대체로 감쇠하는 모습을 보인다. 그림 14에는 센서별 주파수 측정 내역을 나타냈는데, HFCT에서는 300MHz 이상 대역에서 감쇠되었지만 안테나 센서에서는 수 백 MHz 대역에서도 측정되고 있다. 이것은 접지선으로의 신호 전달 및 방사 전자파와 같이 부분방전 신호의 전파경로 차이 때문인 것으로 보인다. 각 센서별 대표적인 주요 주파수 대역에서의 PRPD 패턴을 그림 15와 그림 16에 나타내었다. 두 센서 모두 부극성이 다소 큰 표면방전 패턴을 보이고 있다.

(2) 개폐기 내 플로팅 방전 모델 결함 측정 결과

그림 4(b)의 플로팅 방전 역시 대기 중에서 모델 자체에서 발생하는 부분방전을 먼저 측정한 후, 플로팅 방전 모델을 개폐기 내부에 삽입하고 SF6 가스 1.2bar 압력에서 전압을 인가하여 부분방전 주파수대역을 측정하였다. 그림 17에 나타낸 바와 같이 플로팅 방전은 전 대역에서 크게 나타나며 개폐기 내부에 삽입했을 때도 방전의 크기가 커서 잘 측정되고 있는 것으로 보인다. 센서 별로 측정하였을 때 HFCT 센서의 부분방전 주파수대역은 200MHz ~ 350MHz에서 SN비가 가장 높게 나타났으며, 더 높은 주파수 대역인 450MHz ~ 520MHz에서도 피크를 보인다. 이 부분은 파란색 박스로 명시하였다. 안테나 센서의 경우에는 전 대역에서 크게 발생되고 있어서 별도의 피크라고 하긴 어려우며, 플로팅 방전의 고유한 특성으로 파악된다. 그림 18 및 그림 19에 각 센서에서 측정된 주요 주파수 대역의 PRPD를 나타내었으며, 전형적인 플로팅 방전의 패턴을 보이고 있다.