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전력설비 PdM: (1) 절연파괴

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안녕하세요, Product 1팀에서 GuardiOne Substation 개발을 맡고 있는 박기범 입니다.

Intro.

Product 1팀은 전력설비를 대상으로 예측진단 솔루션을 연구/개발하고 있습니다.
산업용 전력설비는 일반적으로 수kV 이상의 고전압 설비이며, 설비 내/외부에 의도하지 않은 방전 또는 단락을 막기 위한 각종 절연장치가 함께 구축되어 있습니다. 그럼에도 불구하고 절연체의 열화 등으로 인한 고장들이 발생하고 있습니다.
고전압 전력설비에서 발생하는 고장은 설비의 특성상 큰 화재나 폭발 등으로 이어지는 경우가 많아, 저희 Product1팀은 이를 사전에 감지하고 진단하기 위한 기술을 개발하고 있습니다.
먼저 이 글에서는 이러한 절연이 실패하게 되는 절연파괴의 원리에 대해 설명하겠습니다.

절연

절연이란 시스템 내 원치 않는 전류 흐름을 차단하기 위해 취하는 조치를 칭합니다. 절연성능을 넘어서는 고전압을 인가하거나 절연체 손상 등에 의해서 방전이 발생합니다. 실생활에서 볼 수 있는 정전기, 번개 등의 현상은 모두 공기의 절연이 파괴되어 생기는 방전의 한 종류입니다.
Figure 1. 정전기
Figure 2. 번개
전력설비에서 발생하는 절연파괴에 의한 방전은 코로나, 브러시 방전과 같은 부분 방전으로 시작하여 점진적인 절연체의 파괴를 유도하고, 결국 전극 간의 단락에 의해 고장으로 이어집니다. 절연파괴는 여러 물리적 현상을 기반으로 설명할 수 있으며 절연체의 성질에 따라서 달라집니다.
저희 팀에서 타겟으로 하고 있는 전력설비인 변압기는 정제된 미네랄 오일을, GIS(Gas Insulated Switchgear)는 SF6 가스, 에폭시 수지를 절연수단으로 사용하고 있습니다. 이어지는 문단에서는 절연체의 상(기체,액체,고체)에 따라 절연파괴를 설명하는 이론에 대하여 서술하겠습니다.
Figure 3. 코로나 방전
Figure 4. 브러시 방전
Figure 5. 아크 방전

절연파괴 이론 - 기체

타우젠트(Townsend) 이론 & 스트리머(Streamer) 이론
기체의 절연파괴 이론부터 살펴보겠습니다. 평행한 평판 전극에서의 이론입니다. 평상 시에도 우주선, 자외선, 지중의 방사선 등의 영향으로 기체는 항상 조금씩 전리되고 있습니다.
Figure 6. 기체 중의 전압 전류 특성
전계가 약한 OA 구간에서는 이온화된 기체들이 양극으로 흡인되어 전류가 흐르게 됩니다. 이 구간에서는 전압이 커질수록 흡인되는 양이 늘어나 전류가 늘어납니다. 일정 전압 이상이 되면, 이온화된 기체들이 모두 흡인되고 있어 AB 구간 에서처럼 더 이상 전류가 늘어나지 않습니다. B 이상의 전압(방전개시전압)이 걸리게 되면 급격하게 전류가 증가하게 됩니다.
이러한 현상을 설명하는 이론으로 타운젠트(Townsend) 이론이 있습니다. 이온화 과정에서 발생한 자유전자는 전극 사이의 전계에 의해 음전극에서 양전극으로 이동합니다. 이동하는 자유전자가 중성분자와 충돌하면서 또 다시 양이온과 자유전자를 발생시킵니다. 이런 형상은 양전극에 도달할 때까지 반복적으로 발생하여 큰 전류가 흐르게 되어 기체절연이 파괴되게 됩니다.
Figure 7. 타운젠트 방전이론 개념도
하지만 타운젠트 이론은 대기압보다 높은 압력이거나 전극 간 길이가 길어지게 되면 실험 결과와 이론이 일치하지 않는 문제가 있었습니다. 이를 보완하기 위하여 스트리머(Streamer) 이론이 발표됩니다.
스트리머 이론에서 자유전자가 충돌하는 과정에서 새로운 전자를 계속 만들어낸다는 점은 타운젠트 이론과 동일합니다.
Figure 8. 스트리머 방전이론 개념도
이 과정에서 눈사태처럼 전자가 기하급수적으로 늘어나는 전자 애벌런치가 형성됩니다. 양이온화 된 기체분자는 전자에 비해 상대적으로 매우 무겁기 때문에 전자만 이동하는 것처럼 보입니다.
(a)처럼 전자 애벌런치가 양극에 도달하게 되면 양극에 흡인되고 양이온이 양 극 사이에 남게 됩니다. 양이온 주변에서 전자가 다시 발생하게 되면 작은 애벌런치가 형성되고 작은 애벌런치가 양이온의 끝쪽을 향하면서 플라즈마 통로를 형성합니다. 이러한 통로가 음극에 도달하면 방전이 발생한다는 것이 스트리머 이론입니다.
전극의 모양이 뾰족한 경우 국부적으로 전계가 집중됩니다. 따라서 평행 평판 전극에서의 방전 개시 전압보다 작은 전압에서도 뾰족한 전극 근처에서 기체가 이온화 됩니다. 이온화된 기체는 서서히 반대 전하의 전극을 향하게 되고 코로나가 발생하게 됩니다. 충분한 전위차가 있을 때는 지속적인 아크가 발생하기도 합니다.
Figure 9. 코로나 방전 개념도
뾰족한 전극이 양극인지 음극인지에 따라서 양성(양극) 코로나와 음성(음극) 코로나로 구별됩니다. 양전하 이온은 자유 전자에 비해 매우 무겁기 때문에 발생하는 차이로서, 물리적인 성질 역시 다릅니다. 코로나 방전은 기체가 아닌 액체에서도 발생할 수 있습니다.

절연파괴 이론 - 액체

다음으로는 액체(절연유)의 절연파괴에 대해서 알아보겠습니다. 절연파괴 과정에서 발생하는 현상들을 하나의 이론으로 설명하기 어렵기 때문에 다양한 이론이 존재합니다.
전기적 파괴 이론 & 기포 파괴 이론
전기적 파괴 이론은 기체의 타운젠트 이론과 유사합니다. 양 전극 근처에서 이온화 현상이 발생하여 자유 전자가 생성됩니다. 양 전극으로 이동하는 자유 전자는 액체 분자와 충돌하여 액체 분자를 이온화 시키고 이러한 과정이 반복되어 결국 절연파괴가 이루어진다는 이론입니다.
기포 파괴 이론에서 기포가 생성되는 원인을 다양하게 설명하고 있습니다. 액체 내의 이온들이 고전압에 의하여 양극으로 이동하며 발생한 마찰열로 기포가 발생할 수 있습니다. 또한 액체에 용해된 기체 때문에 작은 기포들이 존재할 수 있습니다. 이러한 기포는 액체에 비해 절연파괴가 쉽게 일어나기 때문에 액체 내에서 기포들이 절연파괴 되면서 열이 발생합니다. 발생한 열은 주변의 액체를 다시 기화시키면서 기포를 형성합니다. 이러한 과정이 반복되며 액체가 절연파괴 되는 것이 기포 파괴 이론입니다.
기체의 절연파괴 이론을 설명할 때 액체 중에서도 코로나 방전이 발생한다고 말씀드렸습니다. 액체에서의 코로나 방전 현상은 기체에서의 코로나 방전 현상과 유사하지만, 개시 전압이 기체에서 보다 5~10배 정도 높습니다. 또한 액체 내의 불순물이 있을 경우에는 코로나 개시전압이 줄어드는 특징이 있습니다. 기체 중에서 코로나가 발생할 때는 오존이나 질소산화물이 발생하지만, 절연유에서 발생할 때는 수소와 탄화물이 발생한다는 차이점도 존재합니다.

절연파괴 이론 - 고체

마지막으로 고체의 절연파괴 이론에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
진성 절연 파괴 & 열적 절연 파괴
기체와 액체의 경우 분자의 이동이 자유롭다는 점 때문에 절연 성능이 복구되는 특징이 있습니다. 하지만 고체에서는 분자의 이동이 자유롭지 않기 때문에 절연 파괴가 일어날 경우 영구적으로 파괴되는 특징이 있습니다. 고체의 절연파괴 역시 과정 중에 발생하는 여러가지 현상을 하나의 이론으로 설명하기 어렵기 때문에 다양한 이론이 존재합니다. 다음 그래프와 같이 시간 순서에 따라 다양한 이론이 존재하는데, 순서대로 말씀드리겠습니다.
Figure 10. 시간에 따른 고체의 절연파괴 종류
고체의 진성 절연 파괴는 1us 이내의 아주 짧은 순간에 이루어집니다. 고체에 전압이 걸리게 되면 고체 내의 전자들이 양극을 향해서 움직이게 되고 이 과정에서 절연파괴가 순간적으로 이루어져 고체 내에 균열과 공극을 형성하고 절연이 파괴됩니다.
고체가 전기장에 반복적으로 노출될 경우 진성 절연 파괴에서 발생한 공극에서 부분 방전을 일으키게 되고 새로운 공극과 균열이 발생하게 됩니다. 이러한 과정은 기체 절연파괴의 스트리머 이론과 유사합니다. 아래 그림은 이러한 열화 과정에서 발생할 수 있는 트리를 시각화한 것입니다.
Figure 11. electrical treeing
고체의 열적 절연파괴는 양성 피드백처럼 일어납니다. 고체에 전압이 걸리게 되면 전류에 의해 고체의 온도가 증가하게 됩니다. 온도가 증가하면 고체의 저항이 감소하여 흐르는 전류가 증가하게 되고, 이러한 과정이 반복적으로 일어납니다. 고체의 온도가 일정 수준을 넘어서게 되면 열적 절연파괴가 일어납니다.

Conclusion

절연물의 상태에 따른 절연파괴 이론에 대하여 정리해보았습니다. 절연파괴 과정에서 발생하는 다양한 현상을 통해 고장이 발생하기 전에 고전압설비의 건전성을 진단할 수 있습니다.
예를 들면, 변압기 내에서 절연파괴 시 발생한 기체가 절연유에 용해됩니다. 이러한 기체의 농도와 조성비를 이용한 고장진단 방법을 DGA(Dissolved Gas Analysis)라고 합니다. GIS의 내부에서 발생한 방전은 전자기파를 유발합니다. 이러한 신호를 UHF 센서를 통해 취득하여 어느 부분에서 방전이 발생하는지 진단할 수 있습니다.
다음 글에서는 각각의 설비의 절연파괴 과정과 데이터 취득 과정, 진단법에 대해 소개하겠습니다.
감사합니다.

이 글을 쓴 사람

박 기 범 | Product1팀
현실적인 이상주의자. 게으른 효율주의자. 숫자 사이에서 현상을 발견해 원리를 찾고 목적을 최적화 할 수 있는 결과를 도출하는 Data Scientist입니다. 결과를 어떤 방법을 통해서 효율적으로 도출할 수 있을지에 대한 고민과 그 결과를 어떻게 효과적으로 전달하는 서비스와 제품을 개발할 수 있을지에 대해 고민하고 있습니다. 운동, 사진, 요리, 독서, 명상, 게임 등 취미를 모으는 취미를 가지고 있습니다.
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