1. 서 론

미세먼지와 지구온난화 등 환경문제 부상과 더불어 청정에너지 사용에 대한 요구가 늘어남에 따라, 풍력과 태양광을 활용한 신재생 분산 발전원 설치 사례가 증가하고 있다. 이에 따라, 계통 관성이 없는 분산 발전원 증가로 인해 계통의 신뢰성을 제고하기 위한 ESS(Energy Storage System ;에너지저장장치)의 적용도 증가하고 있다⁽¹⁾.

현재 운영 중인 ESS는 신재생 연계와 빠른 현장 보급을 위하여 설비 간 통합제어 방법과 체계적인 보호시스템 없이 설치되어 여러 문제가 있는 것으로 알려져 있다. 이로 인하여, 리액터 고장 및 화재 등의 다양한 사고가 실제 현장에 설치된 ESS에서 발생하고 있다.

최근 화재 재발 방지와 ESS 설비 안전성 강화를 위하여 PCS(Power Conditioning System;전력변환장치)와 배터리 간 상호 보호동작 알고리즘 및 배터리 상태 추정 알고리즘 등이 개선되고 있으며, ESS 운전 시 과충전 문제와 과도 전압에 의한 영향을 줄이기 위하여 배터리 사용 DOD (Depth Of Discharge)를 제한하고 있다. 그러나 이러한 대책은 고장전류를 차단하는 과정에서 발생하는 과도 이상전압(Transient Over-voltage)에 대한 설비 안전성 유지 방법이 되지 못하기 때문에, 설비 절연성능 확보를 위하여 과도 이상전압에 대한 직접적인 방호가 가능한 절연배리어를 PCS와 배터리 보호장치에 적용하는 것이 필요하다.

절연배리어는 고체절연물로 만들어진 얇은 판으로, 전위차를 가진 전극 사이에 삽입되어 별도의 전극 간 갭거리 증가없이 절연파괴전압을 상승시키는 역할을 한다. 이 특성을 전력기기에 적용하기 위하여 기존에는 불평등 전계분포 조건에서 절연배리어 위치 별 Lightning Impulse(LI) 전압에 대한 절연파괴전압을 분석하고, 전극의 갭거리와 기중 절연파괴 진전거리(Air Breakdown Propagation Distance) 간 상관관계를 주로 고찰하였다⁽²⁾⁽³⁾. 그러나, 이러한 결과들은 절연배리어 표면에 축적된 전하에 의해 전위 차폐 효과가 발생하는 AC 절연파괴특성을 분석하는데 적용하기에는 어려움이 있다. 또한, 사고로 인하여 발생하는 AC 고조파 전압이 ESS에 절연파괴를 일으킬 수 있기 때문에, ESS 절연성능 향상을 위하여 AC 전압 인가 조건에서 절연배리어에 의한 절연파괴특성 분석과 설계기술이 필요하다⁽⁴⁾.

본 논문에서는 절연배리어 효과를 ESS에 적용하기 위하여 AC 상용주파수 전압 인가 조건에서 절연배리어 설계 인자에 따른 절연파괴특성을 분석하고, 기중 절연파괴 진전거리와 전극의 갭거리 간 등가성을 고찰함으로써 절연배리어 설계기준을 제시하고자 한다.

2. 실험 전극 및 방법

일반적으로 고유전율을 가진 절연배리어가 그림 1.(a)의 예에서 볼 수 있는 바와 같이 불평등 전극에 삽입되면, 그림 1.(b)와 같이, 전계(Electric Field)는 배리어 삽입 부분을 제외하고, 미미하지만 전체적으로 상승하게 된다. 특히, 평판 전극 대비 구 전극 주위에 설치된 경우가 전계 상승이 많이 발생하게 된다. 이러한 이유로, 구 전극 주변에 국부적인 절연파괴가 더 낮은 전압에서 선행될 수 있지만, 전기장에 의해 절연배리어 표면에 축적된 전하로 인하여 절연파괴전압 상승효과가 더 크게 발생할 수 있다.

본 연구에서는 ESS 시스템 내부의 불평등 전계분포를 모의하기 위하여 나도체 구와 평판 전극을 활용하여 그림 2에서 볼 수 있는 바와 같이 실험전극을 구성하였다. 구 전극의 직경은 20mm이며, 구와 평판 전극의 재질은 stainless steel이다. 절연배리어가 미적용된 전극시스템에서 구 대 평판 전극의 절연파괴 실험은 갭거리(g) 60mm, 80mm, 100mm, 140mm, 180mm에서 각각 수행하였다. 절연배리어가 적용된 전극시스템에서 절연파괴 실험은 구 대 평판 전극 간 갭거리 100mm에서 수행하였다.

절연배리어는 SMC(Sheet Molding Compound)와 FRP (Fiber Reinforce Plastic) 재질로 사용하였으며, 판형(Plate)과 모서리 날개형(Wing)을 각각 제작하였다. 절연배리어의 두께는 각각 3, 5mm이며, 가로와 세로의 길이는 150mm이다. SMC와 FRP의 비유전율은 각각 3과 5이다. 모서리 날개형 절연배리어의 날개 각도는 45°이다. 전극 간 절연배리어 위치는 갭거리 100mm를 기준으로 구 전극으로부터 0, 10mm(%d=10%), 20mm(%d=20%), 50mm(%d= 50%), 100mm(%d=100%)로 하였다.

AC 상용주파수 전압은 step by step 방식으로 1분 동안 인가되었고, 매 step 당 3kV씩 상승하였다. 이전 실험에서 발생한 공간전하의 메모리 효과를 제거하기 위하여 절연파괴 발생 3분 이후 실험을 수행하였다. 실험은 각 조건 10번씩 수행하였고, AC 절연파괴전압은 최소값과 최대값을 제외한 나머지 실험결과에 대하여 평균값을 의미한다.

Fig. 1. Electric Field distribution between sphere and plane with insulation barrier

Fig. 2. Experimental setup

3. 실험 결과 및 분석

3.2 절연배리어 재질(유전율)과 두께(C)의 영향

본 절에서는 판형 절연배리어 위치 별 재질과 두께에 따른 AC 절연파괴전압을 분석하였다.

AC 절연파괴전압은 그림 5에서 확인할 수 있는 것처럼 재질에 관계없이 절연배리어가 구 전극에 가까워질수록 상승하였고, 절연배리어가 구 전극과 맞닿을 때 가장 높게 나타났다.

Fig. 3. Breakdown propagation path according to the barrier shape

Fig. 4. BDV and BD propagation distance characteristics with SMC barrier

절연배리어가 평판 전극에 접하도록 설치되는 경우, AC 절연파괴전압은 절연배리어가 미적용된 전극시스템에서 갭거리 100mm의 실험값과 거의 유사하였다. 이 특성은 절연배리어 표면에 쌓이는 전하 축적 정도와 그로 인한 전기 차폐 효과가 구 전극과 절연배리어 간 거리와 관련이 있는 것으로 사료된다.

SMC와 FRP가 적용된 전극시스템의 AC 절연파괴전압은 재질에 관계없이 배리어가 설치되지 않은 경우의 값 대비 각각 최대 31%, 45%까지 상승하였으나, 절연배리어 위치가 동일한 경우에는 SMC 두께에 따른 AC 절연파괴전압의 차이는 거의 나타나지 않았다.

FRP가 적용된 AC 절연파괴전압은 SMC가 적용된 실험값 대비 최대 10kV 이내에서 더 높았으며, 이는 유전율이 클수록 전하 축적과 그로 인한 전위 차폐가 증가하기 때문인 것으로 사료된다. 주어진 범위에서 절연배리어 두께는 전극 간 갭거리 대비 3 ∼ 5%로 매우 작기 때문에, 전극 간 기중 전계 상승 및 전하 축적과 관련된 절연배리어의 커패시턴스에 미치는 영향이 미미할 것으로 사료된다⁽⁶⁾.

본 실험을 통하여 AC 절연파괴전압이 재질에 의존함을 확인하였다. 유전율이 큰 절연배리어를 적용할수록 AC 절연파괴전압이 높아지지만, 구 전극 표면의 최대전계 상승으로 국부적인 절연파괴의 발생이 미치는 영향에 대한 추가적인 검토가 필요한 것으로 사료된다.

Fig. 5. BDV vs. material property and thickness characteristics according to the barrier position

3.3 등가성 분석 및 설계기준 설정

절연배리어가 개입된 AC 전압이 고려된 절연배리어 설계기준을 도출하기 위하여 절연배리어가 적용되지 않는 전극시스템에서 도출된 평균 절연파괴 진전전계와 절연배리어가 적용된 전극시스템에서 도출된 기중 절연파괴 진전거리에 따른 AC 절연파괴전압 간 상관성을 분석하였다. (평균 절연파괴 진전전계는 절연배리어가 적용되지 않는 전극에서 갭거리에 대한 AC 절연파괴전압의 기울기이다.)

SMC가 절연배리어로 사용된 경우, 기중 절연파괴 진전거리에 따른 AC 절연파괴전압은 그림 6에서 볼 수 있는 바와 같이 절연배리어의 모서리 형상에 관계없이 절연배리어가 적용되지 않는 전극의 평균 절연파괴 진전전계와 거의 일치하였고, 절연배리어에 의해 만들어진 기중 절연파괴 진전거리와 나도체 갭거리가 AC 절연파괴전압에 대하여 등가성을 보였다.

FRP가 절연배리어로 사용된 전극에서도 AC 절연파괴전압은 절연배리어가 미적용된 전극의 평균 절연파괴 진전전계로부터 최대 8% 이내에 분포하였으며, 평균 절연파괴 진전전계의 기울기도 유사한 특성을 보였다.

본 실험결과로부터 절연배리어가 적용된 전극시스템에서 절연배리어의 형상과 재질에 관계없이 기중 절연파괴 진전거리에 따른 절연배리어의 AC 절연파괴전압은 절연배리어가 미적용된 전극시스템의 실험값과 등가성을 보였고, 이로부터 절연배리어가 적용된 전극의 AC 절연파괴전압은 절연배리어가 미적용된 동일 실험전극의 평균 절연파괴 진전전계로 표현될 수 있음을 확인하였다. 따라서, 절연배리어 적용 시 AC 절연파괴전압은 등가성을 바탕으로 절연배리어가 적용되지 않는 전극의 평균 절연파괴 진전전계와 기중 갭거리를 활용하여 계산될 수 있음을 확인하였다.

Fig. 6. BDV vs. BD propagation distance characteristics

4. 결 론

본 논문에서는 ESS 절연성능 강화를 위하여 AC 상용주파수 전압 인가 조건에서 절연배리어 형상 및 재질과 두께 등 설계인자에 따른 AC 절연파괴전압을 실험적으로 분석하고, ESS에 적용가능한 절연배리어가 삽입된 절연시스템의 절연설계기준을 제시하였다.

(1) 기중 절연파괴 진전거리는 판형 절연배리어 표면에 구조물을 적용함으로써 증가되고, 그로 인하여 AC 절연성능이 더욱 향상됨을 확인하였다. AC 절연파괴전압은 절연배리어의 유전율이 클수록 더욱 상승한 반면, 두께 의존성은 크게 나타나지 않았다.

(2) 절연배리어가 적용된 전극시스템에서 기중 절연파괴 진전거리에 따른 AC 절연파괴전압은 나도체 실험전극의 평균 절연파괴 진전전계와 기중 갭거리를 토대로 계산될 수 있음을 확인할 수 있었다.

(3) 유전율이 높은 절연배리어가 삽입된 경우, AC 절연파괴전압이 더욱 상승할 수 있음을 확인하였다. 또한, 전하 축적이 절연배리어 표면에 많이 발생하더라도 기중 절연파괴 진전거리와 전극 갭거리 간 등가성이 유지됨을 확인하였다.

향후, 본 실험결과로부터 제시된 설계기준을 활용하여 절연배리어를 PCS와 배터리 보호장치에 적용할 계획이며, 설계값과 실험값의 비교를 통하여 설계기준을 검증할 예정이다. 또한, AC 전압 인가 조건에서 절연배리어 표면에 축적된 전하의 거동을 실험적으로 고찰한 후, 절연배리어 위치 별 절연파괴전압에 대한 축적 전하의 영향을 정량적으로 분석하고자 한다.