KR101269020B1 - 건조공기를 사용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치 - Google Patents

건조공기를 사용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건조 공기를 이용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치에 관한 것으로, SF6 가스와 건조공기를 주입한 각각의 시험용 GIB에 가스압력을 1기압(대기압 조건)에서 동일 환경(주변온도, 습도 등) 조건을 유지하고 절연 내압기를 일정 시간 동안 전압을 상승시켜 절연파괴전압을 각각 측정하고, 이와 동일한 방법으로 GIB에 가스 압력을 변화시키면서 전압을 증가시켜 가면서 절연파괴전압을 측정하는 단계(310); 동일조건에서 반복하여 SF6 가스와 건조공기의 절연파괴전압을 측정하고, 이러한 측정값을 바탕으로 하여 공지된 방법을 사용하여 50% F.O.V(Flash Over Voltage, 섬락전압)를 산출하는 단계(320); 및 SF6 가스와 건조공기의 각 압력별로 산출된 50% F.O.V와 각 조건별로 미리 준비된 전계해석 프로그램에 의해 등가로 환산된 Database를 사용하여 건조공기를 사용한 검수시험시 적용할 인가전압을 산출하는 단계(330);를 포함하여 이루어진다.

Description

건조공기를 사용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치{Apparatus and method for testing gas insulation switchgear using dry air}
본 발명은 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건조공기를 사용하여 SF6 가스의 회수율을 높여 잔존 SF6 가스가 대기중에 방출되는 것을 방지할 수 있도록 한 건조공기를 사용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 가스절연 개폐장치는 변전소와 변압기에서 사용되는 고전압의 개폐기, 차단기 및 개폐장치에서 절연을 위해 SF6 가스를 절연매질로 한 가스절연 방식의 개폐장치(Gas Insulation Switchgear, 이하 "GIS"라 함)를 말한다. 특히 변전소에 설치, 운영되는 GIS의 경우 매우 많은 양의 SF6 가스를 사용하고 있다. 이러한 전력기기에 절연매질로 사용되는 SF6 가스는 정상상태에서 화학적 불활성, 무독성, 난연성, 비폭발성, 그리고 열적 안정성을 가지고, 실온 및 실온보다 상당히 높은 온도에서도 큰 절연효과를 나타낸다. 이 가스는 실온에서 압력에 의해 쉽게 액화되어 취급과 사용이 용이하다. 이에 따라 전기산업분야에서는 SF6 가스를 전기설비에 널리 사용하고 있다.
도 1에 보인 바와 같이, GIS를 현장에 설치하기 전에 조립(110)하여 진공화하고(120), SF6 가스를 정격압력별로 주입(130)하여 검수시험(140)을 시행한 후, SF6 가스를 회수(150)하고 조립부를 해체(160)하여 포장하여 현장으로 운송하여 설치하게 된다. 즉, GIS의 검수시험에서 차단부(CB, Circuit Breaker)와 단로기부(DS, Disconnecting Switch) 및 모선부(GIB, Gas Insulated Bus)를 일괄 조립하여 SF6 가스를 정격압력별로 주입하고 검수시험을 시행하게 된다. 검수시험에서는 규격에서 정하는 전압과 시간으로 내전압 시험과 부분방전 시험을 시행하므로 검수시험마다 SF6 가스를 주입하고 회수하는 공정을 반복하게 되고, 경우에 따라서는 2회의 조립과 재조립이 필요하기도 한다. 이러한 검수시험을 완료하고 조립부를 해체하기 전에 SF6 가스를 회수하게 된다.
그런데, SF6 가스를 주입하고 회수하는 과정에 SF6 가스가 누출되거나 회수되지 못하여 방출되는 양이 약 30%에 달하며 이는 대기중에 방출되고 만다. SF6 가스는 방전시 고독성 고부식성 화합물이 형성되고, 또한 SF6 가스는 적외선 흡수력이 크고, 화학적 불활성 때문에 지구 대기권으로부터 신속하게 제거되지 못하는 단점을 가져 SF6 가스는 잠재적 온실가스로 지정되어 있고, 지구 온난화를 유발하는 환경 오염물질의 하나로 인식되고 있다. 결국 검수시험을 반복하는 과정에 SF6 가스가 과다하게 소모되어 고비용이 발생하는 문제점이 있고, 많은 양의 SF6 가스가 대기로 방출되어 환경상의 문제점도 발생하고 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 지구 온난화를 유발하는 환경 오염물질의 하나로 인식되고 있는 SF6 가스의 사용량을 대폭 줄여 SF6 가스가 대기 중으로 방출되는 양을 줄일 수 있도록 한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다. 또 본 발명의 목적은 SF6 가스의 사용량을 줄여 경제적인 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치는, 종래 가스절연개폐장치의 검수시험에서 구성품(CB부+DS부+GIB부)을 일괄하여 SF6 가스를 주입하고 절연성능을 확인하는 방법에서, 불평등 전계부인 CB부와 DS부는 기존 방법대로 SF6 가스를 사용하여 검수시험을 시행하고, 평등 전계부인 GIB부에 대해서는 SF6 가스 대신에 건조공기를 사용하여 검수시험을 시행하도록 되어 있다.
본 발명에 따른 가스절연개폐장치의 검수시험 방법을 사용함으로써, SF6 가스 사용량을 감소시킬 수 있어서 SF6 가스의 구매비용 절감 및 지구 온난화 물질인 SF6 가스의 사용량 최소화로 친환경 작업이 가능해지게 된다. SF6 가스를 주입하고 회수하는 공정을 반복하는 검수 시험과정을 대폭 단순화시켜 시험 비용이나 시간을 단축시켜 검수시험 효율성을 향상시킬 수 있다.
또 차단부(CB)와 단로기부(DS)에 대한 절연성능 검수시험에는 SF6 가스 주입 후 별도의 장치에서 부품별로 시험을 시행하여 SF6 가스의 주입과 회수의 용량을 축소할 수 있게 되어 회수율을 향상시킬 수 있게 되고, 시험 시 조립과 해체를 하는 과정에서 대기중에 노출되는 시간을 단축할 수 있어서 절연개폐장치의 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 GIS를 현장에 설치하기 전 종래의 방법에 따라 검수시험을 시행하는 개념도이다.
도 2a, 도 2b는 본 발명에 따른 가스절연개폐장치의 검수시험 방법을 적용하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 각각 SF6 가스와 건조공기를 사용하여 절연파괴전압을 측정하기 위한 시험을 수행하여 인가전압을 산출하는 과정을 나타낸다.
도 4는 GIS 검수시험 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 GIS에 대한 절연파괴시험을 실시하여 건조공기를 사용한 절연내력 검수시험시 사용할 인가 전압을 그래프로 예시한 것이다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참고로 상세히 설명한다.
도 2a, 도 2b는 본 발명에 따른 가스절연개폐장치의 검수시험 방법을 적용하는 과정을 나타내는 도면으로서, 도 2a는 차단부(CB) 및 단로기부(DS)는 종래와 같이 SF6 가스를 주입하여 사용주파 내전압 시험과 부분방전시험을 수행하는 것을 나타내고, 도 2b는 모선부(GIB)에 대하여 SF6 가스 대신에 건조공기를 사용하여 상용주파 내전압 시험과 부분방전시험을 수행하는 것을 나타낸다.
본 발명의 가스절연개폐장치의 검수시험 방법에서는 제조된 가스절연개폐장치의 구조 및 외관시험(210)을 수행하고, 가스절연개폐장치의 구성 중 차단부(CB) 및 단로기부(DS)에 대해서는 SF6 가스를 주입하고 상용주파 내전압시험(220)과 부분방전시험(230)을 수행하며, 모선부(GIB)에 대해서는 건조공기를 주입하고 상용주파 내전압시험(220)과 부분방전시험(230)을 수행하게 된다.
즉, CB부와 DS부는 조작부의 미세한 동작특성 및 불평등 전계구간임을 고려할 때 SF6 가스로 충전된 상태 이외의 조건에서 절연 및 동작특성의 절대보증이 어려운 점을 감안하여 SF6 가스를 주입하여 시험을 수행하고, 도체지지용 절연물인 Post Insulator와 구간 절연물인 Spacer 및 도체만으로 구성되어 있는 평등전계구간인 GIB를 분리하여 SF6 가스 대신에 환경 무해가스인 건조공기를 사용하여 절연시험을 시행하는 것이다.
따라서 본 발명은 IEC 및 ANSI 등 국제규격에서 정한 검수 시험중 SF6 가스가 꼭 필요한 절연성능 시험항목인 상용주파 내전압시험 및 부분방전시험에 필요한 시험전압까지 SF6 가스와 건조공기의 등가성을 분석하여 건조공기를 사용한 검수시험 시행시 적용하기 위한 인가전압을 산출하는 방법과 GIS 구성품별 검수시험이 가능한 챔버를 설치하여 CB부+DS부와 GIB부를 분리하여 시험하는 방법을 수행하고, 검수시험 결과를 판정하고 기록하고 저장하는 과정을 거쳐 수행된다.
건조공기를 사용하여 가스절연개폐장치의 모선부(GIB)에 대한 검수시험시 적용할 인가전압을 산출하기 위한 SF6 가스와 건조공기의 절연성능 등가성 시험을 수행하여야 한다. 즉, 건조공기를 매개로 절연성능을 시험하여 이 결과를 실제 사용하게 될 SF6 가스의 경우로 등가화시키 위한 시험이 필요한 것이다.
도 3에 보인 바와 같은 절차에 따라, 제작사별, 타입별, 구성 형태별로 각각 SF6 가스와 건조공기를 사용하여 절연파괴전압을 측정하기 위한 시험을 수행하여 인가전압을 산출하게 된다.
시험대상의 GIB를 실제 설치할 개발조건과 동일(진공도, 진공시간)하게 진공을 시행하고, SF6 가스와 건조공기를 주입한 각각의 시험용 GIB에 가스압력을 1기압에서 동일 환경(주변온도, 습도 등) 조건을 유지하고 절연 내압기를 일정 시간 동안 전압을 상승시켜, 예컨대 1분에 1kV씩 상승시켜 절연파괴전압을 각각 측정한다. 이와 동일한 방법으로 GIB에 가스 압력을 변화시켜 1.5기압, 2기압, 2.5기압, 3기압, 3.5기압, 4기압, 4.5기압, 5기압 등에서 전압을 증가시켜 가면서 SF6 가스와 건조공기를 주입한 각각의 시험용 GIB에서의 절연파괴전압을 측정하는 단계(310)를 수행한다.
이와 같은 절연파괴전압 측정의 정확성과 신뢰성을 위하여 정규분포를 얻을 수 있도록 동일조건에서 15회 이상을 반복하여 SF6 가스와 건조공기의 절연파괴전압을 측정한다. 또한 절연파괴전압 측정은 50% F.O.V를 산출하기 위한 시험이므로 IEC 및 ANSI 등 국제규격에서 정하는 부분방전시험을 시행할 수 있는 충분히 높은 압력의 전압값까지 측정한다. 이러한 측정값을 바탕으로 하여 공지된 방법으로, 예컨대 GIB 제작사에서 제공하는 프로그램을 사용하여 50% F.O.V(Flash Over Voltage, 섬락전압)를 산출하는 단계(320)를 수행한다.
SF6 가스와 건조공기의 각 압력별로 산출된 50% F.O.V와 각 조건별로 미리 준비된 전계해석 프로그램에 의해 등가로 환산된 Database를 사용하여 건조공기를 사용한 검수시험시 적용할 인가전압을 산출하는 단계(330)를 수행한다. 이때 인가전압은 부분방전시험을 시행할 수 있도록 "1.1 x 정격전압 /v3" 이상이 되도록 한다.
이렇게 산출된 인가전압의 신뢰성을 검증하기 위하여 동일 조건하에서 이물질을 부착시켜 동일한 F.O.V가 발생되는지 확인하여 신뢰성을 검증하는 단계(340)를 수행한다. 즉, GIB 부위별로 전계해석 검토 후에 이물질을 부착시켜 동일한 F.O.V가 발생되는지 확인하여 위에서 산출된 인가전압의 신뢰성을 검증하는 것이다.
위에서 산출된 인가전압에서 뇌임펄스 충격기로 Up&Down 방식으로 5kV 씩 상승시켜 시험전압의 신뢰성을 최종 검증하여 건조공기를 사용한 검수시험시 인가전압으로 확정하여 신뢰성을 검증하는 단계(350)를 수행한다.
절연내력 시험시 인가전압을 수동으로 조정하고, 검수시험 합부여부를 육안으로 확인하고 시험 결과치를 수기로 작성하는 경우, 검수시험 오류와 비효율이 따르게 되는데, 이를 개선하기 위하여 검수자가 시험 장소에 없더라도 피시험품의 절연시험 결과를 자동으로 인지 또는 확인할 수 있도록 하며 검수시험 합부(合否)여부 및 시험 결과치를 자동으로 기록하는 GIS 검수시험 장치의 구성도가 도 4에 나타나 있다.
입력부(410)에는 피시험품에 대한 시험날짜, 부품명, 제작사, Type, 전압, 시간, 온도, 습도를 입력하고, 인가전압 판단부(420)는 SF6 가스 사용 시(CB부+DS부에 대하여) 미리 입력된 Setting 값으로 시험을 시행하며, 건조공기 사용시(GIB부에 대하여)는 Database에 의해 환산된 인가 전압식으로 부터 인가전압을 판단하여 시험을 시행하도록 되어 있다.
타이머(Timer, 430)는 시험전압을 인가하는 시간을 조정하도록 되어 있고, 시험전압 인가부(440)는 내전압 시험기를 조정하여 상기 인가전압 판단부(420)에 따라 결정된 시험전압을 인가하며, 절연파괴 검사부(450)는 시험결과 측정된 절연파괴전압과 미리 입력된 기준 절연파괴전압을 비교하여 절연파괴시험의 합부(合否)를 판정하고, 검사정보 표시부(460)는 시험과 관련된 각종 데이터를 표시, 출력하고 저장하는 기능을 수행하도록 되어 있다.
본 발명에 따른 건조공기를 사용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법 및 장치에 의해 170kV와 362kV형 GIS에 대해 절연파괴시험을 실시하여 건조공기를 사용한 절연내력 검수시험시 사용할 인가 전압식을 표 1 및 도 5과 같이 산출하여 나타내었다.

구 분
170kV GIS
362kV GIS
1기압 3기압 5기압 1기압 3기압 5기압
SF6 가스 사용시
절연파괴전압
208.8
438.3
592.5
217.1
454.9
614.9
건조공기 사용시
절연파괴전압
89.9
230.9
332.8
112.28
295.31
375.49

건조공기 사용
검수시험 인가전압식
Vbd =90.801P0 .8204
(P : 건조공기 압력)
Vbd =115.58P0 .7708
(P : 건조공기 압력)
절연파괴전압은 95% 신뢰구간의 최소값임
예컨대, 170kV형 GIS에서 3기압의 건조공기에서 절연파괴전압이 230.9kV로 측정된 경우, SF6 가스 사용 시 절연파괴전압은 438.3kV에 상응하게 된다. 따라서 170kV형 GIS에서 3기압의 건조공기에서 인가하는 전압은 230.9kV로 하여 절연파괴가 일어나는지를 검사하게 된다.
이로써, 직접 SF6 가스를 사용하지 않고 건조 공기를 사용하여 GIS의 절연성능을 검사할 수 있게 되는 것이다.
410 : 입력부, 420 : 판단부,
430 : 타이머, 440 : 시험전압 인가부,
450 : 절연파괴 검사부, 460 : 검사정부 표시부

Claims (6)

  1. 시험대상의 GIB를 실제 설치할 개발조건과 동일(진공도, 진공시간)하게 진공을 시행하고, SF6 가스와 건조공기를 주입한 각각의 시험용 GIB에 가스압력을 1기압에서 동일 환경(주변온도, 습도) 조건을 유지하고 절연 내압기를 일정 시간 동안 전압을 상승시켜 절연파괴전압을 각각 측정하고, 이와 동일한 방법으로 GIB에 가스 압력을 변화시키면서 전압을 증가시켜 가면서 SF6 가스와 건조공기를 주입한 각각의 시험용 GIB에서의 절연파괴전압을 측정하는 단계(310);
    동일조건에서 상기 측정 단계를 반복하여 SF6 가스와 건조공기의 절연파괴전압을 측정하고, 이러한 측정값을 바탕으로 하여 GIB 제조사에서 제공하는 프로그램을 사용하여 50% F.O.V(Flash Over Voltage, 섬락전압)를 산출하는 단계(320); 및
    SF6 가스와 건조공기의 각 압력별로 산출된 50% F.O.V와 각 조건별로 미리 준비된 전계해석 프로그램에 의해 등가로 환산된 Database를 사용하여 건조공기를 사용한 검수시험시 적용할 인가전압을 산출하는 단계(330);를 포함하는 건조 공기를 이용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산출된 인가전압의 신뢰성을 검증하기 위하여 동일 조건하에서 이물질을 부착시켜 동일한 F.O.V가 발생되는지 확인하여 신뢰성을 검증하는 단계(340)를 추가로 포함하는 건조 공기를 이용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산출된 인가전압에서 뇌임펄스 충격기로 Up&Down 방식으로 5kV 씩 상승시켜 시험전압의 신뢰성을 최종 검증하여 건조공기를 사용한 검수시험시 인가전압으로 확정하여 신뢰성을 검증하는 단계(350)를 추가로 포함하는 건조 공기를 이용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법.
  4. 제조된 가스절연개폐장치의 구조 및 외관시험을 수행하는 단계(210);
    가스절연개폐장치의 구성 중 차단부(CB) 및 단로기부(DS)에 대해서는 SF6 가스를 주입하고 상용주파 내전압시험을 수행하는 단계(220) 및 부분방전시험을 수행하는 단계(230), 및
    모선부(GIB)에 대해서는 건조공기를 주입하고 제1항에 따라 산출된 인가전압을 사용하여, 상용주파 내전압시험(220)과 부분방전시험(230)을 수행하는 건조 공기를 이용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법.
  5. 제조된 가스절연개폐장치의 구조 및 외관시험을 수행하는 단계(210);
    가스절연개폐장치의 구성 중 차단부(CB) 및 단로기부(DS)에 대해서는 SF6 가스를 주입하고 상용주파 내전압시험을 수행하는 단계(220) 및 부분방전시험을 수행하는 단계(230), 및
    모선부(GIB)에 대해서는 건조공기를 주입하고, 170kV용 GIS에 대한 인가전압은 90.801P0.8204(P는 시험시의 공기압)로 산출하고, 362kV용 GIS에 대한 인가전압은 115.58P0.7708(P는 시험시의 공기압)로 산출하여, 상용주파 내전압시험(220)과 부분방전시험(230)을 수행하는 건조 공기를 이용한 가스절연개폐장치의 검수시험 방법.
  6. 피시험품에 대한 시험날짜, 부품명, 제작사, Type, 전압, 시간, 온도, 습도를 입력하는 입력부(410);
    SF6 가스 사용 시(CB부+DS부에 대하여) 미리 입력된 Setting 값으로 시험을 시행하며, 건조공기 사용시(GIB부에 대하여)는 Database에 의해 환산된 인가 전압식으로 부터 인가전압을 판단하는 인가전압 판단부(420);
    시험전압을 인가하는 시간을 조정하도록 되어 있는 타이머(Timer, 430);
    내전압 시험기를 조정하여 상기 인가전압 판단부(420)에 따라 결정된 시험전압을 인가하는 시험전압 인가부(440);
    시험결과 측정된 절연파괴전압과 미리 입력된 기준 절연파괴전압을 비교하여 절연파괴시험의 합부(合否)를 판정하는 절연파괴 검사부(450);
    시험과 관련된 각종 데이터를 표시, 출력하고 저장하는 기능을 수행하도록 되어 있는 검사정보 표시부(460);를 포함하여 이루어지는 공기를 사용한 가스절연개폐장치의 검수시험 장치.
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