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

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

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

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

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.

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.

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

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])

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⁾.