2.1 실험 모델

그림. 1과 같이 침 전극과 프레스보드를 이용하여 실험을 수행하였다. 프레스보드 표면에 설치한 침 전극으로는 일반적인 주사기 바늘을 이용하였으며, 주사기 바늘의 끝을 현미경으로 확인하여 정면의 곡률반경 10±1μm 및 측면의 곡률반경 2~3μm 정도로 동일하게 제작된 것을 사용하였다. 프레스보드는 두께 약 1.3mm의 것을 사용하여 그림. 1과 같은 형태로 제작한 후, 90℃ 온도의 오븐 내에서 48시간 건조시켜 프레스보드의 수분을 제거하였다. 침 전극에서 발생한 creepage discharge가 직접 절연파괴로 이어지지 않도록 접지전극보다 넓은 원판의 프레스보드를 수평으로 설치하였고, 그 위에 수직으로 직사각형의 프레스보드를 끼워 시편을 제작하였다. 즉, 본 연구의 목적인 creepage discharge와 유중가스발생 및 퓨란생성물과의 상관성 분석을 효과적으로 수행하기 위하여, creepage discharge에 의해 프레스보드가 보다 많이 트래킹이 일어나도록 하기 위한 시료 구조이다. 침 전극 끝에서 수평 프레스보드까지의 거리는 5mm로 하여 다소 낮은 전압에서 creepage discharge가 발생하도록 하였다. 건조된 프레스보드 시편은 실제 변압기에 고온의 절연유를 주입과정과 유사하게 절연유에 함침시켜 90℃ 0.1 torr의 진공오븐에서 24시간 동안 유지하여 절연유의 수분 및 기타 미리 존재하는 유중가스를 제거하였다.

그림. 1. 시편 실험 양상

Fig. 1. Specimen for experiment

2.2 실험 구성

그림. 2와 같이 PD Free 50kV AC 고전압 발생장치를 이용하여 모의결함에 고전압을 인가하고 접지 측에 설치한 500kHz ~ 300MHz 주파수 대역의 HFCT(High Frequency Current Trans- former) 센서를 이용하여 부분방전을 측정하였다. 부분방전 측정으로는 부분방전 개시전압(PDIV : Partial Discharge Inception Voltage) 및 부분방전 펄스파형 파악을 위해 1GHz의 오실로스코프를 이용하였고, PDMS(Partial Discharge Monitoring System)를 사용하여 10초간 측정된 부분방전 펄스 수 및 펄스 크기와, 10초 동안의 누적 방전량 및 PRPD(Phase Resolved Partial Discharge) 패턴을 지속적으로 모니터링 하였다.

그림. 2. Creepage discharge 실험 시스템

Fig. 2. Experimental system for creepage discharge

실험에서 시료에서 나타나는 creepage discharge 외에 타 방전은 생기지 않도록 시편의 위쪽에 코로나링을 설치하였으며, 완전 밀폐구조의 유조를 이용하였다.

PDIV는 2.0kV/min(33V/sec)의 상승속도로 천천히 전압을 인가하여 측정하였고, 그 후 PDIV 보다 1.5배 높은 전압으로 인가하여 프레스보드 표면에 creepage discharge 실험을 수행하면서 부분방전을 모니터링 하였다.

시편의 개수는 총 20개로 하였으며, 시편마다 최종 트래킹(탄화) 확인까지 약 수 ~ 수십 시간이 소요되었다. 트래킹의 판단은 프레스보드의 침 전극 주변이 검게 탄화되었을 때로 하였다.

3.1 PDIV 및 누적 방전량 트렌드

그림. 3은 각 시료들의 PDIV(Partial Discharge Inception Voltage) 값에 대해 Weibull 분석을 수행한 결과이다. Scale parameter는 13.17kV로 shape parameter는 6.356으로 나타나 대체로 열화에 의한 결과로 해석된다. 그러나, P-value 가 0.01 이하로 나타나 Weibull 통계가 적절한지 재고할 필요가 있다. 본 연구에서는 부분방전과 유중가스량과의 상관성을 분석하기 때문에 일단 통계적인 해석 부분은 제외하도록 한다.

그림. 3. 실험 시료의 PDIV의 Weibull 통계분석 결과

Fig. 3. Weibull statistical analysis for PDIV

시편에서 발생되는 방전은 전형적인 creepage discharge를 나타내고 있다. 그림. 4(a)는 대표적으로 나타나는 시간에 따른 누적 방전량을 나타낸 것으로 계단식으로 누적 방전량이 증가하는 트렌드를 보이고 있다. 즉, 방전량 증가가 [1] 구간과 같이 완만하다가 급증하는 [2] 구간 그리고 다시 완만하게 증가하다가(구간 [1]) 다시 급증하는 구간(구간 [2])을 보이고 있다. 이러한 양상은 타 문헌^[4,5]에서 보고된 바와 같이 초기 유중방전 후 기포 발생 및 방전 증가와 탄화(트래킹) 발생 후 방전 감소의 경향과 이러한 과정이 다시 반복되는 것으로 해석된다. 그러나 그림. 4(b)에 나타낸 바와 같이 계단형으로 나타나다가 방전량이 심하게 급증(구간 [3])하며 파괴 직전까지 도달되는 경우도 발생하였는데, 이것은 본 연구의 creepage discharge 거리가 짧아서 나타나는 현상으로 해석된다.

그림. 4. 시간에 따른 누적 방전량 트렌드

Fig. 4. Trend of accumulated discharge quantity in time

실험 과정 동안의 부분방전 PRPD(Phase Resolved Partial Dis- charge) 패턴(각각 10초간 누적)과 시료 양상의 예를 그림. 5에 나타내었다. 대체로 상기 그림. 4의 구간 [1]은 주로 큰 스트리머의 방전이 간헐적으로 발생되는 구간이며, 구간 [2]는 큰 방전도 존재하지만 침 전극 끝 부분의 프레스보드에 미세기포가 많아 소위 ‘white mark’가 나타나 작고 많은 방전이 발생되어 누적 방전량이 급증한다. 그림. 5(a)의 PRPD 패턴에서 이러한 양상을 알 수 있는데, 다만 사진이 명확하지 않아 스트리머는 보이지만 ‘white mark’는 잘 나타나지 않고 있다. 본 연구에서는 문헌 [4]^[4]와는 달리 간헐적으로 큰 스트리머 방전이 소멸하여 누적 방전량이 아주 줄어드는 경우는 그다지 많지 않았는데, 이는 creepage discharge 거리가 짧기 때문으로 해석된다. 한편 심하게 누적 방전량이 급증하는 구간 [3]의 PRPD 패턴과 사진에서 10초 동안 상당히 많은 수의 매우 큰 방전이 발생되는 것을 알 수 있으며, 사진도 전체적으로 많은 기포로 인해 뿌옇게 나타나고 있다. 실험 후 시료를 개봉하여 탄화 흔적의 사진을 그림. 5(b)에 나타내었으며, 침 끝(①)은 심하게 탄화되었고 이후 방전로에 따라 전반적으로 옅게 탄화되었으며(②) 수직 프레스보드와 수평 프레스보드의 떨어진 틈새에서 방전이 발생되어 탄화된 흔적(③)이 나타나고 있다. 이와 같이 creepage discharge는 전기트리와 같은 명확한 갈래의 트랙으로 나타나기 보다는 절연유와 프레스보드 사이에서 발생하는 방전으로 퍼지듯이 나타나 어느 정도 범위 전체를 탄화시키는 특성을 갖고 있다. 이러한 양상은 문헌 [5]^[5]에서도 관측된다. 이러한 탄화의 흔적으로 본 실험에서 방전 열화로 인해 발생한 가스는 절연유 뿐 아니라 프레스보드의 열화에 의한 것으로 생각할 수 있다.

그림. 5. 대표적인 PRPD 패턴 및 열화 사진패턴

Fig. 5. Typical PRPD pattern and carbonization photo

3.2 누적 방전량과 유중가스량과의 상관성

그림. 6은 누적 방전량과 유중가스량과의 상관성을 비교한 결과이다. 본 실험 결과를 분석하는 과정에서 특이한 점을 발견하였다. 누적 방전량과 유중가스량과의 상관관계에 두 가지 상관성이 존재한다는 점이었다. 데이터 분석 결과 이는 시간당 방전발생량과 관련이 있었다. 본 연구에서 방전펄스당 평균방전량을 기준으로 100[pC/pulse] 이상과 이하로 구분하면 두 가지 프로세스로 구분될 수 있다. 크고 많이 발생하는 ‘fast pro- cess’의 경우 펄스당 평균 352[pC/pulse] 로서 10초당 평균 방전수 및 평균 누적 방전량이 4,681개 및 1,649,323[pC/10s]인 반면, 작고 덜 발생되는 ‘slow process’의 경우 펄스당 69[pC/pulse]로서 10초당 평균 방전수 및 평균 누적 방전량이 573개 및 39,433[pC/10s]이었다. 동일한 형태와 조건으로 실험하였지만 이러한 두 가지 결과가 도출되었다. ‘slow process’의 경우에는 시간당 발생되는 방전수가 작고 방전량도 작아 절연유에 용해될 충분한 시간적인 여유가 있지만, ‘fast process’의 경우에는 방전수도 많고 방전량도 커서 절연유에 빠르게 용해되지 않으며 특히 실험 끝부분에 방전이 많이 발생되는 경우에는 이러한 경향이 더 크다고 판단된다. 이러한 이유에 의해 그림. 6(a)에 나타낸 바와 같이 ‘slow process’의 경우에는 누적 방전량에 대해 큰 값의 유중가스량이 측정되지만 ‘fast process’의 경우에는 작게 측정되는 것으로 해석된다. 그림. 4(b)에 나타낸 구간 [3]과 같이 누적 방전량이 계단형이 아닌 아주 급증하는 경우 대체로 ‘fast process’가 나타나는 경향이 있으나, 과정에서 계단형이 포함되는 경우에는 ‘slow process’도 나타났다. 그러나, creepage discharge 거리가 긴 경우와 같이 실험 조건이 다른 경우에는 구간 [3]과 같이 방전 급증 및 파괴에 다다르는 경향이 늦게 나타날 수 있어, 이러한 본 연구의 실험 결과는 다소 다르게 나타날 수 있다고 생각된다.

그림. 6(a)는 가연성가스 총량인 TCG(Total Combustible Gas)와 누적 방전량과의 상관성을 나타낸 것으로 대체로 ‘slow process’와 ‘fast process’가 비례적인 관계를 갖고 있어 방전발생에 따라 유중가스량이 증가됨을 알 수 있다.

그림. 6. 누적 방전량과 유중가스량과의 비교

Fig. 6. Relationship between accumulated charge quantity and dissolved gases in oil

그림. 7은 가연성가스 총량 중 각 가스의 구성성분을 ‘slow process’와 ‘fast process’로 구분하여 나타낸 것이다. 일반적으로 아크방전 발생시에는 C₂H₂와 H₂ 가스가 주로 발생하는 것으로 알려져 있다.^[5] 본 연구결과에 따르면 ‘slow process’에서는 발생된 가스가 어느 정도 충분히 절연유에 용해되어 C₂H₂와 H₂가 주도적으로 발생되고 있으며 그 외에 CH₄와 C₂H₄도 다량 발생되고 있다. 이는 본 실험에서 아크 방전 이외에 부분방전을 포함하는 보다 작은 에너지의 방전이 같이 발생되었기 때문으로 판단된다. 한편 절연지 즉 프레스보드 분해에 의한 CO 가스 발생은 상대적으로 작아, 트래킹 등의 전기적 스트레스에 의한 절연지 열화가 절연유의 열화에 비해 크지 않았음을 보여주고 있다.

그림. 7. 유중가스 성분별 발생비율

Fig. 7. Ratio of components in dissolved gases

‘fast process’에서는 방전으로 발생된 가스가 기포로서 존재하고 절연유에 충분히 용해되지 않아 가스의 구성성분이 다르게 나타나는 것을 보여주고 있다. C₂H₂는 많이 포함하고 있으나 H₂ 가스는 기포로서 존재하여 용해량이 크지 않았다, 이에 따라 상대적으로 C₂H₄ 및 CH₄ 등의 가스비율이 더 높은 것으로 나타났다. 절연지 열화 결과물인 CO 가스는 이 경우에도 작은 비율로 나타나 전기적 방전 열화에 의한 절연지 트래킹 보다는 절연유 열화에 의한 가스 발생이 많았음을 알 수 있다.

대체로 그림. 6(b)~그림. 6(h)에 나타낸 바와 같이 CO₂를 제외한 각 발생가스와 누적 방전량과의 상관성은 비례적인 것으로 나타났다. 이에 반해 CO₂와의 상관성은 전혀 없는 것으로 나타나, 전기적 방전 열화에서는 CO₂의 발생량이 다른 원인에 의한 발생량에 비해 크지 않아 상관관계가 없게 나타난 것으로 판단된다.

3.3 누적 방전량과 퓨란 생성물과의 상관성

일반적으로 퓨란(Furan) 생성물은 절연지의 열적 열화로 인해 절연지의 중합도가 저하되면서 발생되기 때문에 절연지 열화의 척도로 많이 적용된다. 표 1은 퓨란 생성물의 종류와 생성 원인에 대해 정리된 표이다. 대체로 열적 열화와 관련되어 과열 및 국부적 과열과 산화 및 수분 존재시 열화에 따라 퓨란의 종류가 달라지는 것을 알 수 있다.

상기 퓨란 발생 원인을 보면 전기적 열화인 방전과 퓨란 생성과는 큰 상관관계가 없음을 알 수 있다. 다만 방전의 국부적인 과열로 인해 5M2F가 생성될 가능성이 있으며, 일반적인 열적 열화에서 많이 검출되는 2FAL을 위주로 방전량과의 상관성을 분석하였다.

본 연구에서 20개 방전 열화시료의 절연유에 대해 퓨란 분석을 수행한 결과 미량만이 검출되었으며 그것도 예상한 바와 같이 2ACF, 5H2F 및 2FOL은 검출되지 않았다. 그림. 8은 누적 방전량에 따른 퓨란 생성물로서 2FAL과 5M2F의 상관관계를 도시한 것이다. 2FAL은 누적 방전량이 큰 경우 오히려 줄어드는 것으로 나타나 전혀 상관성이 없게 나타나고 있지만, 5M2F의 경우 측정값이 매우 작고 오차가 많아 분석이 어렵지만 다소 증가하는 양상을 보이고 있어 방전의 국부적인 과열이 5M2F 생성에 영향을 준 것으로 나타났다. 그러나 측정 데이터가 다소 부정확하여 상관성 판단에는 좀 더 많은 연구가 필요하다고 생각된다.

그림. 8. 유중가스 성분별 발생비율 누적 방전량에 따른 퓨란 생성물

Fig. 8. Relationship between accumulated charge quantity and furanic components