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지중 케이블 방식층154 kV

서지 개발Protector

최종보고서( )

2001. 11. 30

주관기관 삼흥중전기기공업 주: ( )

산 업 자 원 부

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

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제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 지중 케이블 방식층 서지 개발“154 kV Protector ” 개발기간( : 1999.

과제의 최종보고서로 제출합니다10. 1~ 2001. 9. 30) .

2001. 9. 30

개발사업주관기관명 : 삼흥중전기기공업 주( )

개발사업위탁기관명 : 한 국 전 기 연 구 원

원 광 대 학 교

개발사업총괄책임자 : 이 형 구

위탁기관총괄책임자 : 조 한 구

이 종 범

연 구 원 : 정 태 봉

이 재 필

한 세 원

김 석 수

한 동 희

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산업기술개발사업 보고서 초록

관리번호

과 제 명 지중 케이블 방식층 서지 개발154 kV Protector

키 워 드 지중 케이블 방식층 절연통 서지154kV / / / /Protector/

개발목표 및 내용

최종 개발목표1.

보호장치 모듈 제작기술확보-

방식용 보호장치의 동작 및 요소설계-

의 기밀- Protector

수밀구조를 위한 부품 외장 설계 및 시험- /

개발 제품의 물리적 전기적 내환경성 평가- / /

당해연도 개발내용 및 결과2.

보호장치 모듈제작기술 전기적 성능 방압 기밀 성능 기계적 및 열적 성능- ( , , , )

방식층 보호장치 동작 및 요소설계-

동작개시전압 제한전압 절연저항 공칭방전전류( , , , )

부품 외장 설계 및 시험- ,

및 열팽창 계수 상용주파내전압시험 뇌충격 내전압시험(Corned disk , , )

전기적 물리적 성능 평가기술 방전중 교류 내전압시험 내열화성 시험- , ( , )

내환경성 및 장기 내구성 시험기술 내수성능시험 난연성시험- ( , )

기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )

현재 전랑 수입에 의존하는 방식층 및 절연통 보호장치의 국산화로 수입대체-

및 고용창출 효과

발 변전 송전용 케이블 시스용 제품의 국산화 개발 유도 및 촉진- , ,ㆍ

전력공급의 신뢰성 확보 및 자체 모델 방식층 보호용 피뢰기 개발로 초고압-

케이블 부속재 수출의 극력화

적용분야4.

지중용 케이블 방식층 절연통 서지 로 적용- 154kV, 345kV , Protector

통신선로용 서지 로 활용- Protector

변압기 콘덴서 개폐장치 송전선로 보호용으로 활용- , , ,

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요 약 문

제 목1.

지중 케이블 방식층 서지 개발154 kV Protector

연구개발의 목표와 중요성2.

최근 가공 송전선의 경우 부지확보 및 잦은 민원의 유발로 송전선로 건설에 많①

은 어려움이 야기됨에 따라 송전선로의 지중화가 확대되고 있으며 지중 송전 케이,

블에 방식층 및 절연통을 지락 등에 의한 상용주파 과전압 뇌서지와 같은 과전압,

으로부터 보호하기 위한 기기의 개발이 대단히 중요함.

케이블 드럼의 크기 운송 장애 포설길이의 한계 때문에 장거리 선로의 경우, ,②

구간마다 케이블을 접속하여 사용하는데 이 때에도 시스에 흐르는 상용 주300m ,

파수의 순환전류를 저감시키고 또 시스 대지간의 유도전압을 저감시키기 위하여, -

각 상의 시스를 절연 접속함을 이용하여 전기적으로 분리함과 동시에 각상의 절연

통 사이에 의 설치가 요구됨protector .

시스의 유기전압을 억제하면서 시스손실을 감소시킬 목적으로 접지방식의 개발③

이 필요하며 특히 접지방식의 크로스본드점은 서지파의 전파에 대해서 변이점으로,

작용하므로 절연접속함의 절연통 양단 및 시스 대지간에 고전압이 발생하므로 이에-

대한 시스 보호기의 개발이 요구.

그러나 국내의 방식층 보호장치의 핵심인 소자 제조 및 평가기술은 배전, Zn0④

급 피뢰기용으로 방전내량 급 정도가 국산화 제조되어 적용되는 기술2.5 kA~5 kA

수준으로 부가가치가 높고 기술적 난이도가 높은 초고압용 소자는 전량 일본Zn0 ,

미국 등지로부터 수입하여 사용하는 실정임.

- 5 -

특히 국내 선로의 경우 년 정도의 지중화 계획에 따라 수요가, 154 kV 200 km⑤

확충되고 있으며 앞으로 서울 대도시 영역권 및 신도시로 확대됨에 따라 방식 층, ,

및 절연통 보호장치의 중요성이 더욱 강조되는 시점으로 그 수요는 급격히 증가가

예상되어 수요창출이 기대되는 바 상당히 큼.

지금까지 국내에서 사용하는 전철 및 지하철 탑재형 피(AC 25 kV) (DC 1.5 kV)⑥

뢰기는 여년 동안 전량 수입에 의존하고 있을 뿐 아니라 필요성이 많이 인식되면30

서도 설계 및 핵심기술의 부족으로 계속 수입에 의존하고 있으며 적극적으로 대응

하지 못하고 있음.

지금까지 애관 피뢰기가 사용되고 있으나 지중 환경조건의 습기(porceIain type)⑦

침투로 수밀성능이 저하로 인하여 특성요소 소자 가 열화하고 고장 전류에 의(Zn0 ) ,

해 내부압력이 상승한 경우 파괴되어 폭발 비산할 위험적인 요소를 내포하고 있음.

연구개발의 내용 및 범위3.

본 연구과제는 다음과 같은 분야에 중점을 두고 연구하였다.

모둘 제조 및 와인딩 기술FRP (module)①

전기적 성능 절연성능- ( )

방압 기밀성능- ,

기계적 및 열적 성능- (TMA)

방식층 보호장치의 동작성능 및 요소 설계②

동작개시전압- (DC 1 mA)

제한전압- (10, 14, 21 kV, 8/20 )

절연저항- (Mega)

공칭방전전류- (10 kA, 8/20 )

보호장치 소자의 특성 평가③

충격전류성능 회- (18 kA, 100 )

교류내전압성능- (1400 V)

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방전내량성능 회- (8/20 100 )

외장소재의 트래킹 및 전기적 성능④

경사평면시험- (AC 4.5 kV)

- RWDT(AC 10 kV)

고전압저전류시험- (AC 15 kV)

절연파괴- (AC)

체적 및 표면저항- (DC)

의 기밀 침수구조 설계기술Protector ,⑤

구조의 전극설계- Knuckle

기밀공정- (Wrapping, Winding)

외장 하우징의 절연설계 및 성형기술⑥

외장 하우징 설계기술-

외장 하우징 성형기술-

연구결과에 대한 논의4.

본 연구에서는 지중 케이블용 방식층 보호장치의 개발을 위하여 보호장치의 FRP

모듈 설계 및 제조 외장 하우징 평가기술 방식층 보호장치의 요소설계 등을 검토, ,

하였다 또한 제조된 방식층 보호장치 모듈에 대하여 절연저항 동작개시전압 제. , , ,

한전압 충격전류 방전하에서 교류내전압시험을 실시하였다 또한 외장 하우징의, , . ,

성능을 평가하기 위해 절연성능시험인 상용주파내전압 뇌충격내전압시험 및 내수,

성능시험을 실시하였다.

이와 같은 연구 결과 방식층 보호장치는 지중송전선로에 사용되므로 지중조건에서

의 수밀 및 기밀성능이 우수해야 하므로 내수성능시험이 중요성하다 모듈 내부.

소자의 성능개선과 더불어 모듈과 외장 하우징제조 성형시 기포나 이물Zn0 FRP

질 갈라짐 및 미세한 홈 등의 결함 요인을 발생하지 않도록 모듈 제조 및 외, FRP

장하우징의 설계 성형 및 내수성능 확보에 대한 연구와 상품화 기술이 개발되었다, .

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제 장 방식층 보호장치의 설계 및 제작3

제 절 방식층 보호장치의 특성 분석1

피뢰기 설계 특성1.

시스템 파라메터 설정2.

사용환경 검토3.

발생원 진단4. TOV

제 절 방식층 보호장치의 요소 설계2

소자1. ZnO

전극2.

및3. corned disk contact disk

모듈4.

하우징5.

접속부6.

모듈에 대한 전계해석7.

제 절 방식층 보호장치의 형상 및 구조3

제 절 방식층 보호장치의 제작4

하우징의 성형기술1.

제 장 방식층 보호장치의 성능평가4

구조검사1.

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동작개시전압시험2.

제한전압시험3.

충격전류시험4.

방전 교류내전압시험5

절연저항시험6.

제 장 결론5

제 절 결론1

제 절 과제 관련 논문 실적2

제 절 참고 문헌3

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제 장 연 구 개 요1

제 절 서 론1

연구과제 지중 케이블 방식층 서지 개발1. : 154 kV Protector

기술개발의 목적 및 중요성2.

최근 도시의 인구집중현상에 따른 전력수요의 밀도가 급격히 높아짐에 따라 도심의

대용량 송전의 필요성이 날로 증대되고 있다 현재까지 일반적인 송전설비 형태인.

가공 송전설비의 구축에 있어서 부지확보 및 잦은 민원의 유발로 송전선로 건설에

많은 어려움이 야기됨에 따라 송전선로의 지중화가 확대되고 있지만 한 회선당 송

전용량이 적고 건설비 등 초기 투자비용이 크고 설치 및 유지보수가 어려우며 사, , ,

고 발생시 고장개소의 발견이나 수리의 어려움 때문에 고장지속 시간의 장기화가

결점으로 지적되고 있다 그러나 전력케이블 및 고장 감시의 지속적인 기술개발에.

힘입어 현재 지중화 설비가 계속 건설되고 있으며 이러한 추세는 앞으로도 계속 확

산될 전망에 있다 지중 송전 케이블에 방식층 및 절연통을 지락 등에 의한 상용주.

파 과전압 뇌서지와 같은 과전압으로부터 보호하기 위한 기기의 개발이 대단히 중

요하다.

또한 케이블 드럼의 크기 운송 장애 포설길이의 한계 때문에 장거리 선로의 경우, , ,

구간마다 케이블을 접속하여 사용하는데 이 때에도 시스에 흐르는 상용주파300m ,

수의 순환전류를 저감시키고 또 시스 대지간의 유도전압을 저감시키기 위하여 각, -

상의 시스를 절연 접속함을 이용하여 전기적으로 분리함과 동시에 각상의 절연통

사이에 의 설치가 요구되고 있다protector .

그러나 국내의 방식층 보호장치의 핵심인 소자 제조 및 평가기술은 배전급 피, Zn0

뢰기용으로 방전내량 급 정도가 국산화 제조되어 적용되는 기술 수준2.5 kA~5 kA

으로 부가가치가 높고 기술적 난이도가 높은 초고압용 소자는 전량 일본 미국Zn0 ,

등지로부터 수입하여 사용하는 실정이다 특히 국내 선로의 경우 년. , 154 kV 200

정도의 지중화 계획에 따라 수요가 확충되고 있으며 앞으로 서울 대도시 영역km , ,

권 및 신도시로 확대됨에 따라 방식층 및 절연통 보호장치의 중요성이 더욱 강조되

는 시점으로 그 수요는 급격한 증가가 예상되어 수요창출이 기대되는 바 상당히 크

다.

- 10 -

제 장 방식층 보호장치 동작성능2

제 절 방식층 보호장치의 동작해석1

지중 송전계통에서 뇌 서지 개폐 서지 등과 같은 고주파 서지가 발생하여 케이블,

에 침입하게 되면 시스에는 케이를 도체 시스간과 시스 대지간의 써지 임피던스- -

비에 따라 전압이 유기된다 이때의 전압 크기는 심선 대지간 전압의 약 이지. - 15%

만 방식층 시스 의 내충격전압 이상이 된다면 케이블의 방식층이 파괴될 위험이 있( )

다 그리고 방식층이 파괴되면 케이블 시스가 부식되고 결국 케이블의 절연이 파. , ,

괴되어 정전 사태까지 유발될 수 있는 중대한 고장이 발생할 수 있다.

따라서 현재 포설되어 운전 중인 지중 송전 케이블에서는 시스 유기 전압을 제한,

할 목적으로 시스를 크로스본드 접속하고 여기에 방식층 보호장치를 별도로 설치하

여 운전하고 있다 이러한 방식층 보호장치는 형태에 따라 대지간 접지방식 교락. ,

비접지방식 및 교락 접지방식 등으로 구분된다.

본 절에서는 방식층 보호장치의 특성을 직격뇌 등과 같은 고주파 서지 침입시 절연

통 보호능력의 차원에서 해석 검토하기 위해 우선 가공과 지중이 혼합된 실계통을

선정하여 여기서는 먼저 시스와 방식층 보호장치의 접지 방식을 검토하ATP Draw

고 지중 송전계통에 포설된 케이블의 금속 시스에 유기되는 유기 전압을154kV CV

및 법을 이용하여 접지 환경에 따른 변화를 비교 검토하였다EMTP ATP Draw .

시스의 접지 방법1.

지중 송전 케이블은 전류가 흐르는 도체와 외부 도체인 시스 사이에 절연체가 삽입

된 구조로 되어 있는데 이 시스에는 도체 전류에 의한 전자유도현상이 나타나 유.

기전압이 발생된다 따라서 시스유기전압을 감소시킬 목적으로 시스를 접지시키는. ,

데 접지방식에는 보통 양단접지방식 편단접지방식 직접접지방식 및 크로스본드 접, ,

지방식이 있다 그리고 실제 케이블 접지는 이 방식들을 다양하게 조합하여 실시하. ,

고 있다 이 가운데 크로스본드 접지는 다음과 같다. .

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가 완전접지방식 양단접지방식. ( )

완전접지방식은 케이블 접속구간 양단 모두를 접지한다 이 방식은 시스 양단에 유.

기되는 전압을 영으로 할 수 있지만 시스와 대지간에 폐회로가 형성되기 때문에,

시스 순환전류에 의한 손실이 발생하여 송전용량을 감소시킬 수 있다.

나 편단접지방식.

이 방식은 케이블 접속구간의 한쪽에만 접지하고 나머지 한쪽은 접지하지 않은 채

개방하는 방식이다 이 방식에서는 시스순환전류를 차단하여 송전용량의 감소를 방.

지하는 효과가 있으나 과도시나 케이블 접속구간 길이가 길 경우 비접지단의 시스,

에 과전압이 발생할 수 있고 고장전류의 귀환경로를 제공하지 못하는 단점이 있다, .

다 크로스본드접지방식.

이 방식은 그림 과 같이 케이블 전체를 여러개의 소구간으로 구분하고 연속된2-1

개의 소구간을 한 개의 대구간으로하여 대구간 양단의 시스를 접지하는 방식이다3 .

이때 소구간 내 시스는 크로스 본드선으로 교차접속되지만 접지하지 않으며 크로, ,

스본드 시작점과 끝나는 점의 시스를 직접 접지하여 시스 유기전압을 일정치 이하

로 제한하고 접지점에서의 유기전압을 로 유지시키는 방법이다Zero .

그림 크로스본드 접지 방식2-1.

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방식층 보호장치의 접지 방법2.

이상전압의 침입에 따라 절연접속함 절연통 의 양단 및 절연접속합의 접지 단자와( )

대지간에 발생하는 과전압을 케이블 외장의 절연내력 이하로 제한할 목적으로 절연

접속함의 접지단자에 설치된다 이에 결선방식은 대지간접지방식과 더불어. CIGRE

방식 동판방식 교락접지방식 교락비접지방식등이 있으며 일반적으로 대지간접지, , ,

방식 교락접지방식 교락비접지 방식을 사용한다, , .

그림 는 방식층보호장치를 실계통에서 연결한 상태를 도식적으로 나타낸 것으2-2

로서 절연접속함의 종단 연결단자에 각각의 접지방식을 통해 연결이 이루어진다.

그림 방식층 보호장치2-2.

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가 대지간접지방식.

대지간접지방식은 크로스본드로 연결되어 있는 절연접속함 절연통 의 외부 시스와( )

대지간에 방식층 보호장치를 설치하는 방식이다 우리나라의 경우 제 크로스본드. 1

구간에는 대지간방식을 사용하고 있다.

그림 대지간접지방식2-3.

나 교락비접지방식.

교락비접지방식은 크로스본드로 연결된 절연접속함 각각에 방식층보호장치를 설치

하고 대지와의 접지가 이루어지지 않는 형태의 접지방식이다 또한 우리나라의 경.

우 제 크로스본드구간을 제외한 나머지 구간에서 사용하는 방식이며 절연접속함간1

의 전압을 감소시키는 특성이 우수하다.

그림 교락비접지방식2-4.

- 14 -

다 교락접지방식.

교락접지방식은 전술한 대지간접지 교락비접지방식에 비해 시스 대지간 및 절연접, -

속함간의 서지과전압을 저감시키는데 큰 효과가 있다.

그림 교락접지방식2-5.

모델계통 및 시뮬레이션3.

가. EMTP & ATP Draw

전력시스템에서의 과도현상을 해석하기 위하여 년대부터 전력시스템의 요소들1920

을 전기적으로 등가 축소하여 구성한 아날로그 시뮬레이터인 TNA (Transient

가 등장하였으며 오늘날에도 널리 사용되는 도구 중의 하나이Network Analyzer) ,

다 이 는 물리적인 모델로 구성되어 있어서 계산결과가 안정되고 사용자가 실. TNA

제현상에 근접한 결과를 보게 되므로 이해가 빠르다는 장점을 가지고 있는 반면 시

스템 증대에 대응하는 융통성의 결여로 경제적 부담이 크다는 단점을 가진다 이로.

인해서 저렴한 비용으로 과도현상을 해석하기 위한 전자계산기 프로그램이 개발되

기 시작하였으며 그 중에서 과도현상 해석용으로 개발되어 사용되고 있는 프로그램

중에서 가 우수한 성능을 가지고 있음EMTP(Electromagnetic Transient Program)

이 많은 사용자들에 의해서 확인되었다.

는 전력시스템의 과도현상을 분석하기 위한 수리계산용 프로그램으로서EMTP

의 초기의 목적은 전력시스템 서지 현상만을 분석하기 위한 것 이었으EMTP (surge)

나 그 후 동기발전기 싸이리스터 제어시스템 회전기기의 모델이 추가되었으며, , , ,

터어빈 발전기의 모델과 교류 직류 변환기의SSR(Sub Synchronous Resonance) -

해석 고조파 해석에 이르기까지 그 기능을 보강하여 범용성이 풍부한 프로그램이,

되었다.

- 15 -

를 이용한 과도현상의 해석은 물리적 실체를 통한 과도현상의 직접 경험이 아EMTP

니고 수학적 형식과 수식적 모델에 의한 간접적인 근사추정임에도 불구하고 그 시,

뮬레이션 결과의 정밀함과 신뢰도가 충분히 입증되었으므로 프로그램이 가, EMTP

지고 있는 수학적 방법론에 대한 이해를 통해서 를 효과적으로 이용할 수 있EMTP

다.

는 단상 및 다상회로에서 정상상태는 물론 과도상태에 있어서의 전압 전류EMTP , ,

전력 에너지 등을 입력하는 사용자의 지령에 따라 시간영역에서 계산 할 수 있는,

데 이중 해석가능한 대표적인 분야와 주요관련기기는 다음과 같다, .

뇌서지 개폐서지 과전압 변전소 모선 송전선 차단기(1) , - , , ,

과도회복전압 차단기(2) TRV( ) -

교류 직류연계 계통 변환장치(3) -

고장계산 송전선 변전소 모선(4) - , ,

발전기 여자기 조속기 터빈(5) SSR - , , ,

철공진 변압기(6) -

제어회로 각종 논리회로 적분기 가산기(7) - , .

풍력발전 유도전동기 인버터(8) - ,

순시과전압 변압기 피뢰기(9) - ,

이의 해석을 위해 에는 집중정수회로 선형 비선형 단상 변EMTP R-L-C , R, L, C,

압기 피뢰기 정류소자와 여러 가지 전압원 회전기 스위치 등 각종 모의 가능한, , , ,

회로요소들이 있는데 이 모의요소들의 입력데이터를 작업하기 위하여 송전선로의

정수계산 변압기의 등가회로 포화특성에 대한 기초계산이 필요 하게 된다 이와, , .

같은 기초계산을 위해 내에는 아래와 같은 다수의 보조 루틴을 포함하고 있EMTP

다.

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루틴 변압기의 정격전압 용량 단락임피던스 등으로부터 상호 결(1) XFORMER : , ,

합을 고려한 결합소자 입력데이터를 작성RL .

루틴 비선형소자의 기지 데이터를 에서 취급되는 특성 데(2) SATURATION : EMTP

이터로 변환 전압 전류 특성을 자속 전류 특성으로 변환해주며 히스테리시스 특성. - -

의 처리와 피뢰기의 비선형 특성을 모의

루틴 가공선로의 임의의 구성에 대한 저항 인덕턴스 및(3) LINE CONSTANTS : ,

커패시턴스를 계산하는 루틴.

루틴 단심동축 케이블 및 파이프형 케이블의 임의의 구(4) CABLE CONSTANTS :

성에 대한 저항 인덕턴스 및 커패시턴스 행렬을 계산 하는 루틴, .

본 논문에서 사용한 는 앞에서도 언급했듯이 의 버전을 마우스ATPDraw EMTP ATP

로 구동하는 그래픽 프로세서로서 현재 가지 표준 요소들과 가지 제어70 28 TACS(

시스템의 과도분석 대상들을 지원해준다) .

나 모델계통 설정.

모델 계통은 편단 전원에서 전압이 인가되는 실 계통으로서 전력구와 관로154kV

가 병행되어 있다 시뮬레이션에서 사용된 케이블은 단면적 케이. 2000 154kV CV

블이다.

그림 은 혼합 송전선 모델의 계통도로서 편단 전원을 가지며 선로의 긍장은2-6

이며 전체 선로 구간 중 및 구간은 전력구 매설로 매설5.681m , 18 T S/S 1~6. 16

길이는 이고 및 구간은 관로식 매설로 매설 길이는 로2.642m , D S/S 7~15 3.039m

포설되어 있으며 포설 형태는 선로를 세 구간으로 나누어 두 개의 구간은 크로스,

본드로 접지를 하였다 세 번째 구간은 직접 접지한 형태로 서 구간별 선로 길이.

및 접지 상태는 표 에 나타내었으며 그림 은 선로 길이 및 접지와 매설형태2-1 2-7

를 나타내었다.

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그림 혼합송전선의 모델 계통도2-6.

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표 선로 길이 및 접지 상태2-1.

구간 구간1 구간2 구간3 구간4 구간5 구간6

접지방식

선로길이 (m) 350 340 340 340 370 380

매설형태 전력구 전력구 전력구 전력구 전력구 전력구

구간 구간7 구간8 구간9 구간10 구간11 구간12

접지방식

선로길이 (m) 282 263 308 347 318 269

매설형태 전력구 전력구 전력구 관로 관로 관로

구간 구간13 구간14 구간15 구간16 구간17 구간18

접지방식

선로길이 (m) 340 244 300 300 260 330

매설형태 관로 관로 관로 전력구 전력구 전력구

- 19 -

그림 선로길이 및 접지와 매설형태2-7.

다 소스 임피던스.

전원 임피던스는 정확한 데이터를 확보하기 위해 전력 계통 해석용 프로그램림인

와 를 이용하여 계산하였다 표 는 해석을 위해 사용된 전원 임피PSS/E PSS/U . 2-2

던스이다.

표 소스 임피던스2-2.

- 20 -

라 부하 임피던스.

부하 모델에는 직렬 모델 병렬 모델 및 일정 전력 모델이 사용되고 있으나 여기에,

서는 부하 모델을 수립하기 위하여 직렬 모델을 사용하였고 에서의D S/S~T S/S

역률 모선 전압 및 부하 전력을 이용하여 부하 임피던스를 계산하였다, .

여기서 는 모선 전압V , SL은 부하 전력이며 는 역률이다 식 은 부하, . (2-1)~(2-3)θ

전력과 모선 전압으로부터 부하의 값을 계산하기 위한 과정으로서 모델 계통의R, X

부하 모델 수립 결과는 표 에 나타내었고 및 에서 사용할 수2-3 , EMTP ATP Draw

있도록 를 로 변환시켰다X[ ] L[H] .Ω

표 부하 임피던스2-3.

마 케이블 테이터.

모델계통은 가공송전선로가 전력구식과 관로식이 병행되어 있는 지중송전2.1km,

선로가 총 구간 인 모델이며 전력구의 매설길이는 구간 구간18 5.681km , 1 ~9 ,

구간까지 총 이고 관로의 매설길이는 구간까지 총16~18 3.563km , 10~15 1.818km

이다 선로는 모델로 모의하였으며 전력구에 배치된 케이블에 대한 선로. K.C.LEE ,

정수는 전력구의 바닥을 대지로 간주하고 케이블이 기중에 설치 된 것으로 표현하

는 방법을 사용하여 대지 저항율을 로 가정하고 의 보조프로100[ -m] ATPDrawΩ

그램인 를 사용하여 산출하였다ATP-LCC .

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케이블 종단의 접지저항은 시스의 접지저항은 으로 하였으며 사용1[ ], 10[ ] ,Ω Ω

된 케이블의 종류는 케이블이다 그림 은 프로그154kV 2000 CV . 2-8 ATP_LCC

램의 입력 창을 나타내었으며 사용된 전력케이블의 입력자료는 표 에 나타내었, 2-4

다.

그림 입력화면2-8. ATP-LCC

표 2-4. 154kV CV 2000mm2 케이블의 입력자료

및 에서의 피뢰기 및 방식층 보호장치 모델4. EMTP ATP Draw

최근에 설치되고 있는 피뢰기와 방식층 보호장치는 성분으로 제조되는 것으로Zn0

서 이는 케이블에 직격뇌나 개폐서지등이 침입했을 경우 방식층 및 절연접속부의

과도한 서지전압을 억제하는데 그 목적이 있다 이러한 피뢰기는 그림 와. Zn0 2-9

같이 기본적으로 가지 형태로 구분할 수 있는데 대부분의 경우 피뢰3 (a) Gapless

기를 주로 사용하고 있으며 에서 허용되는 모의방법에 대해서 기술하면 다음, EMTP

과 같다.

- 22 -

(a) Gapless (b) Shout Gap (c) Series Gap

그림 피뢰기의 종류2-9. Zn0

가 가상 비선형 저항. Type 99

피뢰기에 대한 가장 간단한 모델로서는 비선형 특성을 갖는 저항과 방전Zn0 V-I

전압만으로 그림 과 같이 모의한다2-10 .

이 모델은 피뢰기 인가전압이 방전전압 Vf0에 도달하면 규정된 동작구간 구간 에( )②

서 동작하는 것이다 이 원리는 비선형 특성을 여러개의 선형구간으로 나누어. V-I

각 선형구간을 저항과 직렬 결선된 스위치로 모의하고 스위치를 개폐시킴으로서 동

작구간을 선정한다.

그림 의 동작특성2-10 . Type 99

- 23 -

그런데 이 방법은 전압변환에 따라서 동작구간을 변환하는데 시간지연이 발생하는

단점이 있다 즉 예를 틀면 그림 에서 피뢰기 인가전압이 구간 의 전압을. , 2-10 ①

초과하며 피뢰기는 구간 에서 동작한다 그러나 및 에서는 계산. EMTP ATPDraw②

시점에서의 모든 계산이 종료될 때까지는 전압이 구간 로 이동하게 된다 따라서.①

및 에서의 이 모델 사용시 주의할 점은 다음과 같다EMTP ATPDraw .

동작구간이 과거 전류값에 의해서 결정되므로 방전된 후 는V V• f0 보다 크거나 같

기 때문에 어느 구간에서 동작시키는 것이 적당할지를 지정해야 한다.

비선형 소자를 몇 개의 선형구간으로 나누었으므로 비선형 특성이 부드럽게 나타•

날 수 있도록 계산시 시증분을 충분히 작게 잡아야 한다.

나 불연속 비선형 저항. Type 92(4444)

그림 과 같이 선형 저항과 직렬 결선된 비선형 저항 을 사용하여 모의한다2-11 R .

이 모델은 가상 비선형 저항과는 달리 및 내에서 해를 구하기 위해EMTP ATPDraw

보상정리 및 방법을 사용하므로 보다 정확한 해를 구할 수 있다Newton-Raphson .

그러나 이 모델 사용에는 한가지 제약이 따르는데 그것은 테브난 등가 임피던스를,

구하는데서 기인한 것으로 하나의 계통내에 한 개의 다상모델만 사용 가능하다는

점이다 여기서 계통이란 비선형 시변 및 선형 등을 포함한 집중정수만으로 구성된. ,

계통을 의미하며 송전선로와 같은 분포정수 모델에 의해 분리되어 있는 경우에는

분포정수에 의한 진행시간 때문에 과도 해석시 시간지연이 발생하므로 서로 다른

계통으로 간주한다.

피뢰기 모델(a) 동작특성(b)

그림 피뢰기 모델2-11. Type 92(4444)

- 24 -

다 불연속 비선형 저항. Type 92(5555)

그림 는 불연속 비선형 저항 모델로서 이 모델은 불2-12 Type 92(5555) Type92

연속 선형 저항모델과 유사한데 초기 선형구간이외의 부분을 지수함수로서 표현한,

점과 갭부 피뢰기의 경우 방전전후의 특성곡선을 별도로 모의 가능하다는 점Zn0

이 다르다 또한 이 모델 적용시에도 각 시점에서의 정확한 해를 구하기 위해서 보.

상정리 및 방법을 적용하므로 피뢰기의 초기 치는 선형구간내에Newton-Raphson

존재해야 하고 시증분은 충분히 작게 설정해야 한다 이 모델 사용시에도 불연속.

선형 저항모델과동일하게 한 계층내에 한 개의 다상 모델만 모의 가능하다 또한.

선형구간도 지수함수의 형태로 입력시키지만 정격전압이하에서는 저항이 매우 크기

때문에 및 내에서 자동적으로 선형구간 처리한다EMTP ATPDraw .

개 지수함수(a) 1

- 25 -

개 지수함수(b) 2

방전 전후특성(e)

그림 피뢰기 모델2-12. Type 92(5555)

라 뇌격 모델.

국내의 낙뇌 특성은 산간 및 해안지역에서 많이 발생하고 낙뇌극성은 부극성이

정극성이 뇌운간 방전이 의 점유율을 차지하고 있으며 연간 발생80%. 15%, 5% ,

낙뇌 중 월에 발생한 낙뇌가 이상의 점유율을 차지하고 있다7~8 60% .

- 26 -

뇌격 전류의 크기는 대부분이 이하이나 그 이상의 뇌격 강도를 갖는 낙뇌40[KA]

도 간혹 발생하고 있으며 부극성의 경우 최대 정극성의 경우 최대-141[KA],

의 뇌격전류를 갖는 낙뇌가 발행하기도 한다195[KA] .

뇌격은 뇌서지 임피던스와 전류원에 의해 모의할 수 있는데 뇌서지 임피던스는 뇌,

운으로부터 뇌격지점까지의 경로에 따라 분포되어 있는 분포정수특성을 갖고 있으

나 이에 대한 정확한 분포특성에 대해서는 거의 알려져 있지 않으며 다만 뇌격이, ,

빛의 속도로 진행한다고 가정하여 계산한 서지 임피던스를 집중저항으로 표현하는

방법이 널리 사용되고 있다 또한 뇌격전류 파형을 표현하는 벙법에는 램프파 개. , 2

의 지주함수의 합 또는 에서 제안한 형태 등이 있으나 아직 이들에 대한 등CIRGE

가성이 확인되어 있지 않다.

따라서 본 연구에서는 그림 과 에서 나타낸 것처럼 뇌격전류 피크값2-13 14 (I0 은)

속도는 뇌서지 임피던스는 으로 가정하였다 또한60[kA], 2/70[ ], 400[ ] [8]. Ω

뇌격파형은 램프파를 사용하여 선형적으로 상승 감쇠하는 것으로 근사화 하였다, .

한편 뇌격은 가공과 지중의 인입점에서 떨어진 가공송 전선의 상도체에 침, 700m A

입하였다고 가정하였다.

그림 뇌격전류파형2-13.

- 27 -

그림 모의 방법2-14.

피뢰기 및 방식층 보호장치5.

피뢰기는 지중송전선의 인입구와 인출구에 설치되며 방식층보호장치는 절연통 양,

단에 설치된다 그림 와 은 본 연구에서 사용된 방식층보호장치 및 피뢰. 2-15 2-16

기의 특성곡선으로써 배전용 피뢰기와 방식층 보호장치간의 특성을 비교해 보V-I

았다.

그림 방식층보호장치의 특성곡선2-15. V-I

- 28 -

그림 피뢰기의 특성곡선2-16. V-I

시뮬레이션 결과6.

케이블 시스유기전압은 케이블 도체와 금속시스간의 간격 및 케이블간의 등 가선간

거리를 고려한 상호유도리액턴스에 케이블 절연체가 허용하는 도체 최대 전류값을

금속시스 접지방식에 따라 산술적으로 계산하여 적용하고 있다 아래의 식. (4)~(6)

은 크로스본딩시 케이블 시스유기전압 계산식이다 이 식에서 보는 바와 같이 케이.

블 시스유기전압은 도체전류 케이블의 배열방식 케이블간 간격 케이블 길이에 따, , ,

라 증감되므로 본 연구에서 정상상태시는 그리고 가공송전선Case A ~ Case C,

의 상에 직격뇌가 침입했을 경우는 크게 피뢰기를 고려하지 않은 경우와 피뢰기를A

고려한 경우로 나누었고 피뢰기를 고려하지 않은 경우는 피뢰, Case A ~ Case E,

기를 고려한 경우는 로 시뮬레이션을 수행하여 그 때의 시스 대Case F ~ Case H -

지간 전압과 절연통간 전압을 분석하였다 표 는 본 연구에서 다룬 각각의. 2-5

이다Case .

구간0• ≤ ≤𝘹 𝘭

- 29 -

구간( + )• ≤ ≤𝘭 𝘹 𝘭 𝘮

구간( + ) x ( + + )• ≤ ≤𝘭 𝘮 𝘭 𝘮 𝘯

단, 𝘟s = 2 In (ㆍωㆍ ) x 10-7

크로스본드 소구간별 시스유기전압(l), (l+m), (l+m+n) :𝛦 𝛦 𝛦

크로스본드 소구간 길이, , : [m]𝘭 𝘮 𝘯

𝘟s 시스리액턴스: [ /m]Ω

도체전류: [A]𝘐

크로스본드 구간 길이: [m]𝘓

𝘳s 시스평균반경: [mm]

𝘋0 등가선간거리: [mm]

- 30 -

표 시뮬레이션의 종류2-5.

case 내 용

A

피뢰기를

고려하지

않은

경우

기존선로

B 의 관로구간을 전력구로 바꾼 경우Case A

C에서 크로스본드 한 구간중 세 개의 소 구간CaseA

이 I=m=n 일 경우

D

방식층보호장치에 각각의 결선방식을 적용한 경우

대지간 교락접지 교락비접지 대지간과 교락비접( , , ,

지의 혼합)

E

서지 침입측 크로스본드 된 네 구간과 관로 포설구

간에 대지간과 교락비접지방식을 병행한 혼합방식을

적용한 경우

F피뢰기를

고려한

경우

에 피뢰기를 적용한 경우Case A

G 에 피뢰기를 적용한 경우Case B

H 에 피뢰기를 적용한 경우Case C

가 정상상태시 해석.

그림 과 은 정상상태시 기설선로의 첫 번째 절언접속함의 시스 대지간2-17 2-18 -

전압과 절연통간 전압파형을 보인 그림이며 그림 과 은 정상상태시, 2-19 2-20

와 즉 전력구와 관로가 혼합된 기존선로와 기존선로의 관로포설Case A Case B ,

구간을 전력구방식으로 바꾼 경우의 시스 대지간 절연통간 전압이다 두 개의 그- , .

림에서 나타낸 바와 같이 전력구와 관로가 혼합된 기존선로의 경우에서 관로포설

구간에 갑자기 높은 값의 전압이 측정되어 전력구로만 포설된 의 경우가, Case B

보다 좋은 시스유기전압 저감효과를 보였다.

- 31 -

그림 정상상태시 첫 번째 절연접속함의2-17.

시스 대지간 전압파형-

그림 정상상태시 첫 번째 절연접속함의2-18.

절연통간 전압파형

- 32 -

그림 정상상태시 케이블 매설방식에 따른2-19.

시스 대지간 전압-

그림 정상상태시 케이블 매설방식에 따른2-20.

절연통간 전압

- 33 -

그림 과 는 케이블의 구간길이 변화에 따른 전압을 보이고 있다2-21 2-22 .

그림에서 보는 바와 같이 시스 대지간 전압과 절연통간 전압의 변화가 거의 없어-

뇌서지 침입시는 고려하지 않았으며 또한 정상상태이므로 방식층 보호장치의 결선,

방식에 대해서도 고려하지 않았다.

그림 정상상태시 케이블 간격변화에 따른2-21.

시스 대지간 전압-

- 34 -

그림 정상상태시 케이블 간격변화에 따른2-22.

절연통간 전압

나 가공송전선에 직격뢰 침입의 경우.

피뢰기를 고려하지 않은 경우(1)

그럼 과 는 가공송전선 상에 직격뇌가 침입하였을 때 피뢰기를 고려하2-23 2-24 A

지 않은 경우 방식층보호장치의 결선방식에 따른 시스 대지간의 전압과 절연통간

전압을 보이고 있다 시스 대지간 전압 크기는 대지간 교락비접지 교. - > > Case A>

락접지 의 순서로 나타났으며 절연통간 전압은 대지간 교락접지 교락> Case E , > >

비접지 의 순서로 나타났다 그림 과 에서 보는 바와> Case A> Case E . 2-23 2-24

같이 시스 대지간 전압은 대지간 교락비접지 의 경우 절연통간 전압은 대- , , Case A ,

지간 교락접지 교락비접지 의 경우가 현재 사용 하고 있는 이상, , , Case A 154kV

송전케이블의 방식층 및 절연접속부 또는 종단부 절연 통간의 임펄스 내전압 및 보

호레벨인 를 넘고 있어 방식층 및 절연통의 절연파괴를 가져올 수 있다고 평50kV

가된다 또한 그림 에서 알 수 있듯이 교락비접지방식의 경우 시스 대지간 전. 2-23 -

압이 다른 구간에 비해 뇌서지 침입측 크로스본딩된 네 구간과 관로포설 구간에 큰

값의 전압을 보이고 있어 이 네 구간과 관로포설 구간에 교락비접지방식과 대지간

방식을 병행한 혼합방식을 적용한 결과 보호레벨 이하로 전압이 저감되는 효과를

볼 수 있었다.

- 35 -

그림 직격뇌 침입시 방식층보호장치 결선방식에 따른2-23.

시스 대지간 전압-

그림 직격뇌 침입시 방식층보호장치 결선방식에 따른2-24.

절연통간 전압

- 36 -

그림 와 은 기존선로의 관로 포설 구간을 전력구 방식으로 바꾼 경우의2-25 2-26

시스 대지간과 절연통간의 전압크기를 보이고 있다 그림에서 보는바와 같이 시스- . -

대지간 전압이 전력구와 관로가 혼합된 기존선로의 경우 관로포설 구간에 높은전압

이 측정되어 전력구로만 포설된 의 경우가 가장 좋은 시스유기전압 저감효, Case B

과를 보였다.

그림 직격뇌 침입시 케이블 매설방식에 따른2-25.

시스 대지간 전압-

- 37 -

그럼 직격뇌 침입시 케이블 매설방식에 따른2-26.

절연통간 전압

피뢰기를 고려한 경우(2)

그림 과 은 가공송전선 상에 직격뇌 침입시 피뢰기를 고려한 경우2-27 2-28 A

에 따른 시스 대지간 전압과 절연통간 전압을 보이고 있Case F, Case G, Case H -

다 시스 대지간 전압과 절연통간 전압의 크기는 의 순. - Case F> Case G> Case H

서로 나타났다 그림에서 보는 바와 같이 세 가지 경우 모두 양호한 서지 억제 효.

과를 볼 수 있었지만 기존선로에 피뢰기를 적용한 의 경우 관로 포설 구간Case F

에 시스 대지간 전압의 크기가 절연레벨을 넘는 값이 측정되어 기존의 방식층보호-

장치의 설치방법으로는 절연통의 확실한 보호를 장담할 수 없으므로 이에 대한 좀

더 체계적인 검토가 필요할 것으로 사료된다.

그림 과 은 가공송전선 상에 직격뢰가 침입하였을 때 기실선로의 첫 번2-29 2-30 A

째 절연접속함의 시스 대지간 전압과 절연통간 전압파형을 나타낸 그림이다- .

- 38 -

그림 직격뇌 침입시 피뢰기 적용에 따른2-27.

시스 대지간 전압-

그림 직격뇌 침입시 피뢰기 적용에 따른2-28.

절연통간 전압

- 39 -

그림 직격뇌 침입시 첫 번째 절연접속함의2-29.

시스 대지간 전압파형

그림 직격뇌 침입시 첫 번째 절연접속함의2-30.

절연통간 전압파형

- 40 -

제 절 방식층 보호장치의 설계2

방식층 보호장치의 설계 요소1.

가 상용주파내전압.

통상운전시 도체전류의 전자유도에 의해 전력케이블의 시스에는 상용주파전압이 유

기된다 이 상용주파전압의 허용전위는 인체에 대한 안전으로부터 결정되는데 일반.

적으로 로 정하고 있다 일본에서는 노동안전위생규칙에서 정하고 있는30-50V . 50V

를 채용하고 있는 곳이 많다.

상용주파전압에 대한 내전압은 표 에 따르며 이 전압은 케이블을 수중에 시2-6 , 1

간 이상 침수시킨 후 방식층을 전극사이에 두고 양전극에 공칭전압에 해당하는 시,

험전압을 분간 인가할 때 방식층의 절연특성에 이상이 없어야 한다 이 시험의 목1 .

적은 보호장치의 제조상 결점 유무를 밝힐 목적으로써 한다.

표 방식층의 상용주파내전압2-6.

나 충격내전압.

내전압치는 시스 이상전압의 크기와 방식층의 기계적 강도에 의하여 결정된 방식층

의 두께에 따라 표 과 같이 정하고 있다 여기에서 시스에 발생되는 이상전압의2-7 .

크기는 가 되기 때문에 급 이상되는 케이블에 대해서만 규정하고 있15~20% 66kV

다 표 에 따르면 케이블의 방식층은 제작시에는 의 충격파에 대해. 2-7 154kV 50kV

절연내력을 보증한다 따라서 실선로의 것은 재료의 가열 흡습에 의한 경년열화. , ,

및 반복 통전시험에 의한 영향 포설시의 손상 등에 의한 절연내력의 감소에도 불,

구하고 방식층의 절연특성을 보증할 수 있어야 한다.

- 41 -

표 방식층의 충격파내전압2-7.

방식층 보호장치의 동작특성2.

방식층 보호장치에 대한 동작특성을 정격전압에 대한 한전 잠정설계66kV~275kV

기준과 계통이상에서 적용하고 있는 무공극형 방식층 보호장치77kV (gapless type)

에 대한 예를 표 에 비교하여 나타내었다2-8 .

가 동작개시전압.

방식층 보호장치의 동작개시저압은 케이블 시스에 유기되는 상용주파유기전압의 파

고치 이상이 될 필요가 있다 일본의 경우 계통의 사고전류에 의한 상용주파유. 77kV

기전압의 파고치를 실효치 로 가정하여 동작개시전압을 이것에 다소 여4kV( 2.8kV) ,

유를 고려하여 로 정하고 있다 이상에서도 이와 같은 값을 사용하5± 0.5kV . 154kV

고 있는 전력회사가 많다.

표 방식층 보호장치의 사양비교2-8.

- 42 -

인이 있다 따라서 보호 레벨로는 제한전압 특성보다는 방전개시전압을 충분히 파.

악하여 설계하는 것이 필요하다.

최근에 많이 사용하는 무공극형 피뢰기는 비선형 소자로 산화아연소자를 사용한다.

그림 와 같이 종래 와 비교하여 우수한 비선형성을 가지고 있기 때문에 전3-2 SiC

압 제한 효과도 우수하다 또한 소자의 경우 직렬 공극을 포함하여 선로에 연. SiC

결할 필요가 있었으나 소자는 상시 대지 전압에 대한 소자의 발열 영항을 주Zn0

는 저항분 전류가 수백 정도로 낮기 때문에 직렬 공극 없이 직접 선로에 연결이

가능하다.

그림 소자와 소자 피뢰기의 특성3-2. SiC ZnO V-I

이러한 이유 때문에 무공극형 피뢰기는 종래 공극형 피뢰기와 비교하여 소형 경량,

화 뿐 아니라 보호성능을 향상하는 이점을 가지고 있어 현재 대부분의 피뢰기는 이

러한 무공극형 피뢰기가 사용된다.

피뢰기 설계 특성1.

피뢰기는 전력 시스템을 이상 서지로부터 보호하는 중요한 전력기기이다 따라서.

피뢰기는 시스템의 동작조건에 안전하게 운전되어야한다 이러한 조건을 만족시키.

기 위해서는 특히 가 인가되는 환경 아래에서 시스템TOV(temporary over voltage)

이 어떻게 동작되는지를 정확히 판단해야 한다 그러나 정확한 동작 조건을. TOV

이해하기는 불가능하기 때문에 피뢰기의 선택에 있어서 충분한 안전 여유(safety

를 갖도록 설계될 필요가 있다margin) .

- 43 -

피뢰기의 적절한 연속 사용 동작 전압(UC 과 내량을 선택하는 것은 피뢰기 설) TOV

계의 가장 우선적인 요소이다 어떤 환경에서도 피뢰기의 연속 동작 전압은 피뢰기.

양단자의 실제 연속 사용 전압(Uca 보다 크거나 같아야한다 교류 상 시스템의 경) . 3

우 접지와 상간에 연결된 실제 연속 사용 동작 전압은 최대 시스템 전압( (Um)/ 3)√

이 되고 상과 상간의 실제 연속 사용 전압은 최대 시스템 전압과 같게된다.

의 크기와 동작 시간 또한 서지 스트레스에 대한 피뢰기의 에너지 내량을 설계TOV

하는 중요한 요소들이다 주어진 사양에 맞도록 피뢰기를 선택하는 것은 보호레벨. ,

내량 그리고 에너지 내량과의 복합적이고 포괄적인 문제이다 바리스터직TOV . Zn0

렬 블록 수를 늘여 내량을 증가시키는 경우 시스템 전압 스트레스에 의한 피TOV

뢰기의 장기 내구성은 향상되지만 주어지 보호 절연 레벨에서 피뢰기에 가해지는

보호 여유가 감소하게 되는 문제점이 발생한다 한편 높은 에너지 내량을 갖도록.

설계되면 사고 위험은 줄어들지만 제조 비용이 증가하게된다 따라서 최적의 설계.

는 주어진 시스템에 가해지는 서지 조건은 잘 이해하고 피뢰기의 정격을 설계하는

가 하는 선택의 문제라 볼 수 있다.

시스템 파라메터의 설정2.

피뢰기를 설계하는 기본 순서는 그림 과 같은 과정으로 이루어진다 우선 시스3-3 .

템에 가해지는 최대 시스템 전압을 알아야 한다 단지 일반적인 시스템 전압만이.

주어지는 경우 최대 시스템 전압은 일반적인 시스템 전압의 높게 설정하면5~10%

된다.

가장 일반적으로 일려진 는 단상 지락 사고에 의한 이다 상 교류의 경우TOV TOV . 3

그 크기는 최대 시스템 전압 에 사고 지락 계수 를 곱한 값으로 나타난다 여( / 3) k .√

기서 지락 계수 는 접지 조건에 따라 결정되는 상수이다 일반적으로 교류 시스템k .

의 지락 계수는 약 에서 의 값으로 알려져 있는데 직접 접지 방식의 경우는1.2 1.7

지락 계수를 약 중성점 접지 방식의 경우는 약 의 지락 계수를 갖는다고1.4, 1.73

판단한다.

그림 는 규격에서 제시한 임피던스 특성과 지락 사고 지수 특성과의 전형3-4 IEC

적인 관계를 나타낸 것이다 지중 케이블 방식층 보호장치 피뢰기의 경우 일반적으.

로 교락 접지 방식과 같은 직접 접지 방식이 채택되므로 지락계수는 약 정도로1.4

다루는 것이 적절하다.

- 44 -

그림 피뢰기 설계 순서도3-3.

지속 시간은 시스템의 조건이 매우 다양하여 일괄하여 정확히 판단하기는 힘TOV

들다 교류 고전압의 직접 접지 시스템의 경우 약 초 그리고 배전급 직접 접지. 1~3

시스템의 경우 약 초 정도 지속되는 것으로 알려져 있다 중성점 접지 방식의3~10 .

경우 지속 시간이 수 초에서 수 시간까지 지속되기 때문에 직접 접지 방식 시스템

보다 더 중요하게 다루어져야 한다 예견되는 지속 시간이 시간 이상일 경우. TOV 2

이는 지속 로 간주하여 피뢰기를 설정하는 것이 안전하다TOV .

그림 임피던스와 지락 사고 지수 특성3-4. (lEC)

- 45 -

사용 환경 검토3.

피뢰기가 동작되는 사용 환경의 비정상적인 요소 들 즉 주변 온도 이하 또는, 40°C

이상이거나 사용 주파수 환경이 이하 또는 이상 피뢰기 가까이45°C 15 62 ,

열원이 존재하는지 유무 등을 검토해야 한다 이러한 비정상적인 요소들이 존재하.

는 경우 기존 적용되는 연속 동작 전압이나 정격 전압값을 보다 높게 설계할 필요

가 있다.

발생원 진단4. TOV

일반적으로 의 발생 요인으로 지락 사고 나 부하 반발TOV (earth fault) (load

에 의해 발생하는 가 주로 다루어진다 그러나 어떤 네트워크에서는rejection) TOV .

공진 과전압 이 발생하기도 한다 일반적인 교류 송전 시스(resonance overvoltage) .

템이나 배전 시스템의 경우 이러한 공진 과전압은 적당한 시스템 설계를 통해 피할

수 있으므로 피뢰기의 내량 설정에 심각한 고려 대상은 아니다TOV .

어떤 경우 회로가 부분적인 비유효 접지 구간을 유지하게 되는 기간이 발생하여 자

락계수가 증가하게된다 이 기간 중 혹시 발생하게 되는 지락사고는 보다 높은.

를 가져오게 되어 피뢰기 사고가 발생할 수도 있다 이러한 사고의 발생은 드TOV .

물지만 보다 높은 안전을 유지해야하는 시스템의 경우 높은 내량과 보호 레벨TOV

을 갖는 피뢰기의 설계가 필요하다.

제 절 방식층 보호장치의 요소 설계2

소자1. ZnO

가 특성. V-I

동작 개시 전압을 결정하는 바리스터 전압은 조성에 따라 입자 크기가 줄어들Zn0

고 이에 따른 입계 층의 단위 두께 당 수가 증가하면서 바리스터 전압은 증가하게

된다 그림 는 전형적인 바리스터 소자의 특성 곡선으로 크게 항복전. 3-5 Zn0 V-I

영역 항복 영역 그리고 대전류 반전(pre-breakdown region), (breakdown region)

영역 으로 나눌 수 있다(up-turn region) .

- 46 -

그림 바리스터 소자의 특성 곡선3-5. Zn0 V-I

항복전 영역은 통상 전류밀도가 10-4 이하로 높은 저항 값을 나타내는 구역이(A/ )

다 이 영역에서 흐르는 전류를 누설 전류 라 부르며 이는 바리스. (leakage current)

터의 물성을 저하시키는 주요인으로 작용한다 미세한 전압 변화에 대하여 큰 전류.

가 갑자기 흐르게 되는 항복 영역은 바리스터 만이 갖는 고유의 서지 흡수 특성으

로 이때 나타나는 비선형계수 는α

=(d log(α J)/d log(E))

로 주어진다 여기서 가 일 때 그것은 오옴성의 저항체를 의미하며 가 무한. 1 ,α α

대이면 가장 이상적인 바리스터 특성을 가지게되며 보통 상용화된 바리스터의Zn0

값은 정도이다 이 값은 과거 많이 사용하던 바리스터의 가 을30~100 . SiC 10α α

넘지 못하던 것에 비하면 고도의 특성을 갖는 것이다 한편 전류밀도가. 103(A/ )

이상이 되면 비선형성이 사라지고 다시 오옴성 특성을 가지면서 대전류 반전V-I

영역을 나타낸다.

- 47 -

표 바리스터의 정격 전압 및 비선형 계수3-1. Zn0

표 은 적용될 바리스터의 기본 정격전압을 나타낸 것이다 여기서 정격전3-1 Zn0 .

압은 특성 곡선으로부터 의 전류값에 해당하는 전압인 소위 바리스터V-I DC 1mA

전압을 기준으로 설정한 값이다 비선형 계수는 이상의 값을 유지하는 우수한. 40

특성을 갖는 것으로 선택될 필요가 있다.

나 제한 전압 특성.

표 는 바리스터 소자의 서지 임펄스 제한전압 특성시험의 결과를 요약한3-2 Zn0

것이다 이때 실험에 사용된 전형적인 서지 임펄스 파형의 오실로그램의 예를 그림.

에 나타내었다3-6 .

표 서지 임펄스 제한 전압 특성3-2.

그림 전형적인 서지 임펄스 제한 전압 측정 파형3-6. (8/20 )

- 48 -

일반적으로 고압용 피뢰기 소자로 사용되는 바리스터의 제한 전압비는 방전Zn0

전류 용량에 따라 다르지만 최근 개발되는 고급 제품의 경우 2.5kA 시험에서 약

이하 그리고1.8 5kA 시험에서는 약 이하로 소자의 특성을 맞추어 설계하는 것1.9

이 보통이다 방식층 보호장치 피뢰기에 장착된 제품의 경우 제한 전압비는 약. 1.7

정도로 제조되면 안전하다.

다 연속사용 동작전압.

방식층의 보호장치 피뢰기에서 일본의 경우 계통의 경우 사고 전류에 의한77kV

상용 주파 유기전압의 파고치를 실효치 로 가정하여 계통을 포함4kV( 2.8kV) 77kV

한 초고압 계통까지 방식층 보호장치의 동작개시전압을 직류전압 인가시 전류

가 흐르기 시작하는 전압치가 가 되도록 설계하거나 또는 소자에(1mA) 3.6~4.8kV

흐르는 저항분 전류에서 전압치가 가 되도록 설계를 정하고 있다1mA 5± 0.5kV .

여기서는 최대 시스템 전압 실제 연속 사용 동작 전압 파고치 은 정도로 하여( ( )) 4kV

설계하게 된다 일반적인 시스템의 경우 연속 사용 전압을 보다 쉽게 선택하는 방.

법은 에서 추천하는 시스템 전압에 대한 연속 사용 전압 테이블을 참고하lEC 99-4

면 간편하다 한편 일반적인 적용 방법으로 상용 주파 유기 전압 파고치의 여. 20%

유치 즉 를 정격전압 으로 정의하기도 한다, 1.2× 4kV(=4.8kV) (Ur) .

라 동작책무특성.

그림 동작책무특성3-7.

- 49 -

형 피뢰기는 종래의 형 피뢰기와 달라서 소자에는 상시 운전전압이 인가되Zn0 Gap ,

어 있기 때문에 장시간 사용한 경우 소자의 특성변화가 염려된다 이 때문에 사용, , .

기간중에 실계통에서 부과되는 종류의 에 대한 책무를 완수 한 후 안정하게Stress ,

사용할 수 있는 것을 확인하기 위해서 실시한다 그림 은 일반적인 피뢰기에 대. 3-7

한 동작책무특성을 나타낸 것이다.

마 내량 설정. TOV

일반적으로 가 작용하는 조건에서 피뢰기와 회로로 연결되는 단락 임피던스가TOV

피뢰기의 에너지 내량을 결정하는 중요한 역할을 한다 피뢰기는 가해지는 종. TOV

류에 따라 흡수 에너지 능률도 변화한다 그림 은 피뢰기의 내량과 서지. 3-8 TOV

에너지 흡수 능률을 시험한 외산 제품의 한 예이다.

그림 조건 따른 단락 전류와 흡수 에너지 능률 곡선3-8. TOV

위 그림 에서 알 수 있듯이 의 예상 조건에서 단락 전류가3-8 1.3 p.u. TOV 40kA

에서 로 감소하는 경우 피뢰기는 배 더 오래 견딜 수 있는 내량을 갖는다0.5kA 10 .

한편 의 예상 조건의 경우 단락 전류가 에 불과하더라도 상대적1.1 p.u. TOV 0.5kV

흡수 에너지는 거의 에 육박하여 과전압 보호 능력이 거의 없는 것을 알 수100%

있다.

- 50 -

에 미치는 또 다른 요소는 가 인가되기 전과 를 인가한 이후 흡수 에TOV TOV TOV

너지 즉 바리스터의 초기 온도를 결정하는 이다 주어진 피뢰기에 있어서 정격( Zn0 ) .

전압은 과전압 보호 능력의 척도가 된다 따라서 피뢰기의 내량은 정격 전압. TOV

의 배율(U/Ur or U/Uc, Uc=0.8Ur 규정한다 일반적으로 그림 와 같은 전형적인) . 3-9

특성 곡선으로 표시된다.

그림 내량 특성 곡선3-9. TOV

충분한 내량를 갖는 방식층 보호장치용 피뢰기를 제작하기 위해서는 다음과TOV

같은 과정을 통해 설계하게 된다.

연속 사용 전압(U→ c 설정) : 4kV

크기 및 지속 시간에 따른 지락 계수 설정TOV k :→

연속 사용 전압TOVe = kx ( (Uc))

여기서 회로 조건의 경우 는 정도에 해당하므로k 1.4≤

TOVe 1.4x 4kV 5.6kV≒ ≒

또 다른 조건 검토 방식층 보호장치 피뢰기의 경우 지속 시간은 대TOV : TOV→

략 이내로 앞에서 다룬 조건보다 큰 값의 지락 계수를 갖지 않는 것으100ms TOV

로 판단된다.

- 51 -

가능한 에너지 흡수 능률 를 고려하기 위해 먼저 위에서 설정한 각각의W(kJ)→

를 피뢰기의 내량비 즉 정격 전압의 배율TOV TOV (U/Ur or U/Uc, Uc=0.8Ur 로 산)

정된 값으로 나눈 설계 정격을 설정하고 흡수 에너지Tr W/Ur 를 계산한다 만일.

계산된 규정 흡수 에너지 가 내랑 곡선 및 방전 등급 곡선의 규정값 보W/Ur TOV

다 높으면 를 높이거나 보다 높은 에너지 내량의 피뢰기 타입을 선택한다Ur .

지중 케이블 방식층 보호장치 피뢰기의 지수TOV Tr의 범위를 에서 에 해당1.2 1.4

하는 것으로 간주하면,

Ur1 = TOV1/Tr1 = 5.6kV/1.4 4.0kV≒

Ur2 = TOV2/Tr2 = 5.6kV/1.2 4.7kV≒

최종적인 선택은 기본 정격 전압(U→ r0 내량을 고려한 정격), TOV (Ure 중 최대 값)

을 피뢰기 정격 전압(Ur 으로 선택하게되므로 여기서는 약 를 지중 케이블 방) 4.7kV

식층 보호장치 피뢰기의 정격 전압으로 설계할 수 있다.

- 52 -

바 에너지 내량 설계.

임펄스 서지 특성(1)

피뢰기 소자의 흡수 에너지 내량은 그림 의 내량 곡선 및 방전 등급 곡3-10 TOV

선에 따라 에서 까지 나누어 설계하게 된다IEC Class 1 Class 5 .

그림 방전 등급 곡선3-10. lEC

그릴 은 전형적인 단상 송전선의 서지 임피던스 모델을 나타낸 것이다3-11 .

송전선의 서지 전송 시간이 상용 주파수 보다 짧고 임피던스 Z1 값이 낮을 경우 피

뢰기에 흐르는 전류는 송전선의 전송 시간 의 배에 해당하는 파장의 구형파T 2

를 가지게 된다(rectangular shape) .

실제로 피뢰기 전류는 순수한 구형파 만을 갖지 않는다 임피던스 는 스위칭 개. (Z,)

폐 작업 시 시스템 라인에 가해지는 전압 파형에 영항을 미치고 이때 전압 파형은

일그러지게 된다 그러나 대부분의 경우 단순한 단상 모델이 주로 다루어진다. .

- 53 -

그림 단상 송전선의 서지 임피던스 모델3-11.

에너지 내량 설계와 파라미터(2)

단순화된 방법으로 우선 그림 에서 제시된 파라미터의 몇 가지 전형적인 값을3-12

시스템 전압에 따라 표 과 같이 주어진다3-3 .

그림 서지 피뢰기 특성과 부하 곡선3-12.

- 54 -

표 시스템 파라메터3-3.

여기서 예상 과전압(prospective overvoltage) UL 은 피뢰기의 위치 스위칭 동작의,

방법 보호 저항기 유무 네트워크 보상 시스템 유무 등에 따라 달라진다, , .

파장 전달 시간 는 송전선의 길이와 파장 전달 속도로(wave propagation time) T

결정된다 한 예로 부스 덕트의 경우 전송 속도는 거의 빛의 속도와 같은. GIS 0.3

정도 케이블의 경우 약 로 알려져 있다km/ , 0.15 km/ .

개폐 서지 에너지 내량 설계(3)

피뢰기에 의해 흡수되는 에너지 는 다음과 같은 식으로 계산된다W(kJ) .

W = (UL-Ures) / Zx Uresx Tx n [kJ]

여기서 UL : 선로에 축적된 예상 과전압 [kV]

Ures : 피뢰기 제한 전압 [kV]

Z : 서지 임피던스 [ohm]

T : 파장 전송 시간 선로길이 전달속도[ ] = (I) / (v)

n : 연속 방전 횟수(consecutive discharge number)

피뢰기의 경우 적절한 서지 에너지 내량을 갖는 바리스터 소자의 선택이 중요Zn0

하다 의 피뢰기 시험 규격에 따르면 공칭 방전 전류 등급 별 서지 임피. lEC 99-4

던스와 선로에 축적된 예상 과전압의 분류를 표 에서와 같이 제안하여 참고하3-4

도록 하고 있다.

- 55 -

표 공칭 방전 전류 등급 별 서지 파라미터3-4.

위 표와 방식층 보호장치 피뢰기에 주어진 개폐 서지 에너지 내량은 이다 따라8kJ .

서 적용 가능한 바리스터 소자의 서지 에너지 파라미터 값을 활용하여 개폐Zn0

서지 에너지 내량과의 관계는 다음과 같다.

UL 선로에 축적된 예상 과전압: [kV]

Ur 바리스터 소자의 정격 전압: Zn0 [kV]

Ures 피뢰기 제한 전압 개폐 서지 제한전압: [kV] ( )

서지 임피던스Z : [ohm]

파장 전송 시간 선로길이 전달속도T : [ ] = (I) / (v)

연속 방전 횟수n : (consecutive discharge number)

따라서 개폐 스위칭 서지 에너지 내량 는W

W = (UL-Ures) / Zx Uresx Tx n [kJ]

의 값을 갖는다 예를 들어 이 값을 빙전 등급 곡선과 비교할 때. IEC W/Ur 3.0,≒

Ures/Ur 의 특성치로 피뢰기를 설계하면 그림 의 전형적인 등2.0 3-13 IEC Class 3≒

급의 에너지 내량 특성을 갖게 설계된다 방식층 보호장치 피뢰기의 서지 환경 상.

개폐 서지 에너지 내량을 고려할 때 최소한 등급 이상이 되도록 설계IEC Class 3

할 필요가 있으며 이는 앞에 주어진 각종 파라메터와의 관계를 적절한 고려한 소자

를 설계하는 것이 요구된다.

- 56 -

그림 제한전압과 서지 에너지 내량 관계3-13.

같은 단면적을 갖는 바리스터 소자에 동일한 서지 전류가 유도되는 경우 그림Zn0

와 같이 제한 전압이 높게 제조된 소자일수록 서지 에너지를 처리하는 능률이3-14

개선됨을 알 수 있다 소자의 제한 전압은 제조 공정 상 미세 조직을 제어하여 바.

리스터 전압을 작은 입계를 형성하여 얻을 수 있다.

일반적으로 큰 직경을 갖는 블록으로 조립된 피뢰기는 다음 두 가지 이유로Zn0

인해 뇌 임펄스 스트레스에 잘 견딜 수 있다.

전류 밀도가 낮다1) .

제한 전압이 낮아지고 결국 높은 방전 에너지 내량을 갖게 된다2) .

하지만 바리스터 소자의 크기는 제조 공정 한계 및 경제성 측면이 고려되어Zn0

적용 개소에 최적의 설계 값을 선정하는 것이 중요하다 그림 은 이러한 관계를. 13

설명하는 한 예이다.

이러한 이유로 인해 다음과 같은 개소에 큰 직경의 블록으로 조립된 피뢰기를 선택

하면 유리하다.

- 57 -

그림 피뢰기 에너지 내량과 소자 크기 설계3-14. Zn0

높은 뇌 강도가 가해지는 지역1)

높은 안전성이 요하는 장소2)

접지나 차폐 설치 조건이 부적절한 송전선이나 변전소 시설3)

서지 피뢰기를 위한 제시된 규격에서 스위칭 서지에 대한 에너지 흡수 능률은 소위

선로 방전 시험 으로 확인된다 현재 가장 광범위하게(Iine discharge class tests) .

피뢰기에 적용되는 기준은 에 제안된 선로 방전 등급 기준이 사용된다lEC 99-4 .

선로 방전 시험에서 확인된 피뢰기의 흡수 에너지는 선로 방전 등급과 스위칭 임펄

스 보호 레벨의 합수로 나타낸다 만일 선택된 에너지 능률이 충분하지 않으면 피.

뢰기의 정격 전압을 높여 선택하는 것이 경제적 해결책이다 이 경우 보호 레벨이.

적절치 않으며 보다 높은 에너지 내량의 피뢰기를 선택하면 된다 어떤 경우 보다.

높은 에너지 내량이 요구되어 병렬로 조합된 피뢰기가 필요한 경우가 있다 이때.

피뢰기는 반드시 전류 분배가 충분히 이루어지도록 잘 조화되어야 한다.

- 58 -

사 바리스터 소자의 제조. Zn0

피뢰기용 바리스터 소자의 제조공정도는 그림 에 나타냈다Zn0 3-15 .

그림 바리스터의 제조공정도3-15. Zn0

바리스터 소자를 제조하기 위하여 먼저 주성분에Zn0 Zn0 Bi203, Sb203, Co0, Ni0,

Mn304 외에 계면 안정화와 전기적 특성 향상을 위하여 계 등 원계의Glass frit 12

원료를 로 정확히 칭량하여 첨가하였다 이때 사용한 원료는 순도가 이mol% . 99%

상이었고 혼합비는 를 이상으로 하고 첨가제는 정도를 첨Zn0 90% , 0.1~3.0mol%

가하였다 칭량한 원료는 분산제 및 유기첨가제를 볼 밀에 넣고 시간 혼합 분쇄. 20 ㆍ

하였다.

- 59 -

혼합 분쇄한 는 열풍건조 방식인 를 이용하여 입자형태를 구형으slurry Spray dryerㆍ

로 과립 하였고 화된 분말은 입자크기가 약 되도록 분급하였다, granule 100 .

을 선별하는 이유는 할 때 입자사이의 를 줄이고 치밀화 및granule moulding pore

유동성등을 좋게 하기 위함이다 성형은 기계식 를 이용하여 일축성형을 하였. press

는데 이때 압력은 으로 하였고 바리스터의 크기는 두가지로, 800kg / Zn0 ( ∅제작하였다 소성은 박스 로 및 터널 로51× t 25) . (Box Furnace) (Tunnel

에 넣고 까지 시간 이상 소성하였다 그림 은 소Furnace) 100~ 1200 3 . 3-16 Zn0

자를 제조하는 터널 로 를 나타낸 것으로서 연간 최대 만개의(Tunnel Furnace) 100

소자를 제조할 수 있다Zn0 .

그림 3-16. Tunnel Furnace

아 방식층 보호장치용 소자. Zn0

이와 같이 제작된 소자는 방전내량이 급으로서 직경 높이Zn0 10kA 51mm, 25mm

로 기존의 외산 제품 소자와 큰 차이가 없다 그림 은 본 연구에서 제조Zn0 . 3-17

한 소자를 나타내었다Zn0 .

소자의 전기적 특성 및 외형 수치를 표 에 나타내었으며 소자에 있어서 동Zn0 3-5

작개시전압과 제한전압이 각각 정도로 지중 방식층 서지 보4.75kV, 9.86kV 154kV

호장치에 필요한 전기적 특성을 충분히 가지고 있다.

- 60 -

특히 동작개시전압의 경우는 외산 제품 소자의 전압보다 본 연구에서 제조된, Zn0

소자의 동작개시전압이 약 정도로 낮은 값을 나타내는 것으로 보Zn0 50V ~ 160V

아 동작성능이 우수한 것으로 판단된다.

그림 방식층 보호장치용 소자3-17. Zn0

표 방식층 보호장치용 소자의 외형적 치수 및 전기적 특성3-5. Zn0

전극2.

방식층 보호장치의 상부전극과 하부전극은 소자를 수납한 부분과 연결되Zn0 FRP

어 있으며 방식층 보호장치 양끝단의 기계적인 지지와 전극의 역할을 담당하는 기

능을 한다 특히 연결 부위가 지중조건에 노출되어 있으므로 수분의 침투 및 전기.

적인 접촉저항을 고려하여 으로 설계 제작하였으며 재질은 전기적으knuckle type , ,

로 높은 도전율과 기계적 강도를 가진 알루미늄으로 선택하였다.

- 61 -

또한 상부 하부전극은 와인딩 작업시 전극부분으로의 흡습 및 완벽한 기밀구조를,

갖게하기 위해 상부 하부전극의 외부표면에 거친 을 부여, knurling (5.6× 12 mm)

하여 와인딩에 의한 접착을 용이하게 하였다 표 는 전극의 설계사양을 나타내. 3-6

었다.

표 전극의 설계사양3-6.

기 능 설 계 사 양

알루미늄

전극

방식층 보호장치의 기계적∎지지 상 하부( , )

모듈의 기밀 구조 유지FRP∎소자 및 부품 상하 가이드Zn0∎

소재 알루미늄:∎모듈구조FRP∎

기계적: knuckle

각도Knuckle : 45~60∎길이 : 30 mm∎외경 :∎ 소자 접촉Zn0

51.2 mm→

유입단자 56 mm→

또한 전극의 형상에 있어서 의 돌출부분을 전극에 부여한 일체형으로, Corned disk

설계하여 의 결합으로 인한 차적인 저항증가 부분과 생산과정에서의 번거로움disk 2

을 상당부분 제거하도록 하였다.

및3. corned disk contact disk

부분까지를 포함한 방식층 보호장치 는 알루미륨 전극과 소자 사FRP unit collector(

이에 위치하는 일종에 집전극 와 가 접촉하고 양단에 전극과 소자로 구) corned disk

성된다 변위 완화용 스프링 은 방식층 보호장치 모듈 내부의. (corned disk spring)

소자가 지닌 열팽창계수와 전극의 열적인 변화를 완화시켜 전기적으로 항상 낮Zn0

은 저항상태로 접촉을 함으로 서지 흡수에 대한 방식층 보호장치의 고유 기능을 일

정하게 유지시킨다.

또한 전극과 소자의 계면에서 무기물과 금속의 서로 다른 이종재질을 전기적, Zn0

으로 연결시켜주며 스프링의 압력이 소자나 전극에 국부적으로 집중되지 않는 구조

로 설계하였으며 소자 및 전극의 온도 변화나 부분이 받는 기계적인 상시FRP

에 대하여 역할을 하기 때문에 항상 일정한 내하중을 유지해야한다stress relife .

- 62 -

따라서 접촉저항과 기계적인 변화를 감안한 는 의 변위에 대corned disk 800 mμ

하여 의 탄성력을 갖고 부식방지를 위한 산화피막은 제거되거115kg· f 110 mμ

의 두께로 은도금하여 모듈내에 소자 알루미륨 전극 및 재질로 조FRP Zn0 , SUS

립되었다 이와 같은 기능으로 설계되어 제조된 의 형상 및 치수를 그. corned disk

림 에 나타내었고 세부적인 특성은 표 에 나타내었다 그리고3-18 , 3-7 . corned

및 의 설계사양은 표 에 나타내었다disk contact disk 3-8 .

그림 방식층 보호장치의 구조3-18. Corned disk

표 의 세부특징3-7. Corned disk

Inner diameter(d) Outer diameter(D) Thickness(t) Height(Ho)

기준치 허용차 기준치 허용차 기준치 허용차 기준치 허용차

14.2 +0.2 28 -0.25 1 ±0.04 1.8 ±0.15

- 63 -

표 와 설계사양3-8. Corned disk Contact disk

부 품 명 기 능 설 계 사 양

Corned disk

열팽창 변화에 따른 변위∎전기적으로 접촉저항 감소∎소자와 전극의 전기적 접촉∎

소재 스프링용 탄소강:∎변위 : 0.8 mm∎최대압력 : 115 kg(100%)∎외경 도면:∎

Contact disk

의 압력 분산Corned disk∎압력으로부터 소자 보호Zn0∎전극과 소자의 계면Zn0∎

부위 에서 평등 전계 유도

의 가이드Corned disk∎

소재 알루미늄: , SUS∎외경 도면:∎부품 가이드 및 저저항∎

유지

모듈4.

가 를 이용한 제조. CPW

는 고압 호스를 제조시 사용하는 직조방법으로서 짝수CPW(cross power winding)

가닥의 얀 을 교직으로 피직조물인 봉의 외형을 둘러사는 제조 방법이다 주로(yarn) .

한가닥의 실을 사용하는 필라멘트 와인딩 방법과 비교하여 직조(fiIament winding)

기 구조면에서 많은 차이점을 갖고 있으나 피직조물은 얀의 교직된 상태가 필라멘

트 와인딩과 거의 유사하여 동일한 효과를 거둘 수 있고 생산성의 증대가 가능하

다.

방식층 보호장치의 모듈 은 에폭시 수지 가 함침된 그라스 화FRP (module) (LY 556)

이버 프리프레그 함침도 를 모재로 사용하였으며 위에(glass giber) (prepreg : 15%)

서 소개된 의 방법으로 제조하였다CPW .

나 와인딩을 이용한 제조.

필라멘트 와인딩 성형에 따른 방식층 보호장치의 제조에 대한 설비는 가압하기 위

하여 을 설계 제작하여 부착한 필라멘트 와인딩 와load cell M/C(4 axis control)

의 경화로이다1500×600×600mm .

- 64 -

사용한 유리섬유는 엔드 수지로는 에폭시E-glass fiber (AB 60 , Owens Corning),

수지 경화제는 촉진제로(Araldite 556, CibaGeigy), Araldite(HY-906, Ciba-Geigy),

는 를 사용하였으며 표 는 와인딩용 에폭시수지의 조성을 나타내었다DY-065 3-9 .

와인딩은 헬리칼 와인딩 회 두께 후 부분에 헬리칼 와인딩 부분의2 ( 1mm) knuckle

높이와 같게 와인딩하였으며 경화는 시간 분동안 에서 경화시켰다hoop , 2 30 140°C .

표 와인딩용 에폭시수지의 조성3-9.

Type Composition(pbw)

Epoxy resin(LY 556) 100

Hardener(HY 972) 90-100

Accelerator(DY 063) 1-4

* pbw : part by weight

하우징5.

지금 현재 국내에 사용되고 있는 전선의 외부 하우징은 이 일반적이며 송전EPDM

용으로 고무가 쓰이기도 하지만 지중 케이블의 절연통에는 이 사용되siIIicon EPDM

며 서지 보호장치의 리드선 또한 이 사용된다 따라서 고무에 대해EPDM . EPDM

를 이용한 내트래킹성과 에 의한 내트래킹성 시험으로 외장 하우징의 내RWDT IPM

트래킹성을 검토하였고 외장 하우징의 특성을 고려하여 설계하였다.

가 에 의한 내트래킹성. RWDT

방식층 보호장치는 지중의 가혹한 사용 환경에서 수분 등에 의해 표면이 열화되어

절연성은 급격하게 저하되어 방전이 발생하면 국부적인 탄화열화가 일어나고 이것

이 진전하여 최종적으로 트래킹파괴에 이르므로 내트래킹성에 대한 평가는 중요하

다.

그림 는 트래킹 파괴 실험을 위한 트래킹 실험장치를 나타내었다 트래킹 실3-19 .

험조건은 표 에 휠 의 회전조건은 그림 에 나타내었다3-10 , (wheel) 3-20 .

- 65 -

시료를 부착하고 회전Wheel of rotating :①

이며 하부전극Specimen fixture : Holder②

전압인가Voltage applying ring : (AC 10 kV)③

전압을 인가하는 의 절연Insulator : wheel④

을 회전DC motor : Wheel (1 rpm)⑤

Vessel of test contaminant (360 )⑥ ℓ

Specimen⑦

그림 트래킹 실험장치3-19.

표 의 실험조건3-10. Rotating wheel dip test

Test conditions Contents

Applies voltage AC 10kV

Specimen 23, 260ℓ∅

Electrode material0.2 mm stainless steel

(SUS 316)

Distance between electrode 120 mm

Electrical stress 83 V/mm

Resistivity of contaminantNaCl solution

(750±30 cm, 23 )Ωㆍ

Rotating speed 1.0 rpm

Setting angle of specimen 15 °

Exchange of contaminant 500 hours

Breakdown checking 300 mA

- 66 -

그림 의 회전조건3-20. RWDT wheel

나 에 의한 내트래킹성. IPM

시험 주파수는 출력전압은 이내에서 까지 전류는 로 설정하60Hz, ±2% 7kV , 600mA

며 시험회로 구성도를 그림 에 전극과 시료의 구성도를 그림 에 나타내3-21 , 3-22

었다 상부전극과 하부전극의 거리는 이며 수평으로부터 로 유지 시. 50±0.5mm , 45°

험하였다 트래킹파괴는 고압회로에 이상의 전류가 초간 연속적으로 흐를. 60mA 2

때의 시간과 도전로 가 하부전극으로 부터 의 표시에 도달하는(carbon track) 25mm

시간으로 평가하는데 전자를 내트래킹성 평가기준으로 하였다 주요한 실험조건을.

표 에 트래킹 실험을 위한 오손액의 조성을 표 에 나타내었다3-11 3-12 .

그림 트래킹 실험의 회로 구성도3-21.

- 67 -

그림 전극 시료와 여과지 의 배치3-22. , (filter papers) 도

또한 트래킹과 산성비로 인한 열화에 따른 접촉각은 접촉각계 형, (KYOWA, CA-A )

에 의해 액적법 으로 측정하였다 액체로는 탈이온수 증류수 를 사용(sessile drop) . ( )

하고 시료 위에 의 온도범위에서 직경 의 액체 방울, 23±2 °C 0.5~1.0 mm 2

mm3 를 떨어뜨린 후 분 후에 점 측정하였으며 트래킹 실험흐름의 접촉(3-5 ) 1 5 ,

각은 하부전극에서 정도인 부분에서 측정하였다25 mm .

표 내트래킹성을 위한 실험조건3-11.

Standards

ItemsSpecifications

Specimen configuation 50 x 120 (mm)

Electrode material Stainless steel

Specimen thick 6 (mm)

Inclination 45 (°)

Electrode spacing 50±0.5 (mm)

Temperature 23±2 ( )

Applied voltage 3.5 ~ 5.5 (kV)

표 트래킹 실험을 위한3-12.

오손액의 조성

Ingredients Contaminant

Electrolyte NH4CI (0.1 %)

Surfactant

(Nonionic)

Iso-octylphenoxy

polyethoxy-

ethanol (0.02%)

Resistivity 380±10 ( .cm)Ω

pH 5.7

- 68 -

다 외장소재의 특성 및 형상 설계.

외부 하우징의 내트래킹성을 검토한 후 그에 맞는 하우징의 설계에 있어서 EPDM

고무의 특성을 고려하여 모듈과 외부 하우징간의 간격을 설계 하였으며Protector

일반적인 고무의 특징은 다음과 같다EPDM .

은 에 제 성분으로 비공역 을 가하여 이(1) EPDM Etylene Propylene 3 ( ) Diene非共投

를 삼원 공중합하여 얻은 합성고무로 다른 범용고무와 같이 유황 과산화물( ) , , ,三元

수지 및 방사선에 의한 가류가 가능하다.

내오존성 내후성 내열성 내화학 약품성이 뛰어나고 더욱이 다른 합성고무에 비하, , ,

여 비중이 가볍고 또한 충진데 등 이 가능하며 극히 경제적인 합성, oiI Hi-!oading

고무이다 현재 제 의 합성고무로써 세계의 각광을 받고 있어 자동차. 3 , Tire, Tube

를 위시하여 건축재료 전선 자동차 부품 기타 공업용품 등 모든 분야에 사용되, , , ,

고 있다 은 과 마찬가지로 분자 내에 불포화도가 적은 것이 특징이다 또. EPDM IIR .

한 또는 과 비교하여 고무는 다음과 같은 특징을 가지고NR, SBR, CR, IIR EPDM

있다.

내오존성이 보다 우수하다1) IIR, CR .

내후성이 우수하여 거의 열화하지 않는다2) .

내열노화성이 우수하여 배합을 잘 선택하면 의 온도에도 사용이 가3) 150~170°C

능하다.

내한성 저온특성이 좋아 에서도 사용할 수 있고 배합에 의해 까4) , -55°C , -65°C

지도 사용이 가능하다.

내약품성 특히 극성용제 무기양품에 대한 저항성이 좋다5) , .

내전기성이 매우 좋으며 내코로나성에는 보다 우수하다6) IIR .

반발탄성이 크고 압축영구 줄음율이 적으며 다양한 착색과 색 안정이 좋다7) , .

고무의 특성에 미치는 구조 인자(2) EPDM

의 비1) Ethylene/Propylene

제 성분의 종류2) 3

제 성분의 양3) 3

등이 있으며 기타 인자인 결정화도 가교밀도 분지 등의 영향에 의해서, , (Branching)

도 물성이 좌우되기 때문에 이들 인자의 제반물성에 관한 이해가 있어야 한다.

- 69 -

본 연구에서 사용한 특고 절연용 삼흥 EPDM 고무의 특성을 표 에 나타내었3-13

다.

표 특고 절연용 삼흥 고무의 특성3-13. EPDM

특 성 규 격 결 과

밀 도 - 1.5

경 도 - 78~80

내 후 성 ANSI 양 호

내 열 성 ANSI 양 호

내트래킹 lEC 60587 양 호

유전 강도- : 30 ~ 38 [kV/mm]

체적 저항- : 2.3 ~ 3.5× 1015[ ]Ωㆍ

표 및 유전강도 특성과 체적저항은 외부 하우징의 절연두께를 설계할 때 반3-13

드시 고려해야할 사항이다.

여기서 유전강도가 최소 이라 가정한다면 지중 케이블에 뇌, 30 [kV/mm] 154 [kV]

서지가 침입시 심선과 대지간의 전압이 최대 정도의 전압이 유기되므로170 [kV]

절연상의 안정성을 고려하여 다음과 같은 외부 하우징의 고무 두께를 생각할 수 있

다.

고무의 유전강도가 최소일 때EPDM 170 ÷ 30 5.67 [mm]≒

고무의 유전강도가 최대일 때EPDM 170 ÷ 38 4.48 [mm]≒

따라서 하우징의 두께를 약 정도로 설계하면 절연상에 문제가, 4.5 ~ 5.7 [mm]

없을 것으로 사료된다.

- 70 -

체적저항의 경우 절연 두께가 일 경우 최소 값을 가지며5.7 [mm]

최소 체적 저항은 0.57× 2.3× 1015 = 1.311× 1015 [ ],Ωㆍ

최대 체적 저항은 0.57× 3.5× 1015 = 1.995× 1015 이다[ ] .Ωㆍ

또한 절연 두께가 일 때에는, 4.5 [mm]

최소 체적 저항은 0.45× 2.3× 1015 = 1.035× 1015 [ ],Ωㆍ

최대 체적 저항은 0.45× 3.5× 1015 = 1.575× 1015 이다[ ] .Ωㆍ

실제로 하우징의 설계에 있어서 중요시되는 것은 수밀 특성이지만 여기에 경제성을

생각하여 그림 과 그림 삭 같은 여러 가지 형태의 모델을 고려할 수 있3-23 3-245

으며 이중에서 가장 적합한 형태의 외관 하우징을 선택하였다.

그림 에서 모델 의 경우 제작의 용이성과 수밀 절연 등의 특성은 우수3-23 (A) 1 ㆍ

할 것으로 기대되지만 기존의 타사 개발품을 보더라도 경제적인 면으로 모델, (B)

와 같은 형태의 여러 굴곡을 주고 있다2 .

본 연구에서도 모델 와 같이 외부 하우징을 설계한다면 그림 의 빗금 부2 3-23 (C)

분의 고무 양이 절약될 것으로 사료된다 더군다나 그림 의 모델EPDM . 3-24 (A) 3

과 같은 형태로 설계를 하면 경제적 제작이 가능하다 이때 방식층 보호장치의 중.

요 성능인 수밀 특성의 개선이 수반되어야 한다 이 두가지 요건이 만족되면 최적.

의 설계 제작이 되었다고 판단할 수 있다 따라서 후술할 내용은 모델 의 형태를, . , 3

기준으로 기술하였다 그림 는 본 연구에서 제작한 두 가지 형태의 외형을 도. 3-25

식적으로 나타낸 것이다.

모델(A) 1

- 71 -

모델(B) 2

모델 과 의 비교(C) 1 2그림 외관 하우징 모델 과 의 비교3-23. 1 2

모델(A) 3

모델 와 의 비교(B) 2 3그림 외관 하우징 모델 과 의 비교3-24. 2 3

- 72 -

모델(A) 2

모델(B) 3그림 실제 제작한 외관 하우징 모델3-25.

- 73 -

접속부6.

방식층 보호장치의 모듈에서 절연접속함 절연통 의 시스와 계통 접지간의 접속을( )

위해 다음과 같은 형태의 접속단자를 설계하였다.

전극과의 접촉저항을 줄이기위해 나사형태로 접속되도록 구조를 설계하였으며 또

한 외장 하우징의 생산시 가해지는 압력 및 열에 대해 리드선 나선부분 이 이탈되, ( )

는 것을 막기위해 리드선의 삽입 깊이도 고려하였다.

그림 은 리드선 접속부의 개략적인 형태 및 실제 사진을 나타내고 있으며 이3-26

에 사용된 금속은 도전성으로서 은에 이어 번째이며 연성 기계적 강도도 지닌2 , ,

동을 선택하여 설계하였다.

형 상(A)

실제 형태(B)

그림 리드선 접속부의 형상 및 사진3-26.

- 74 -

모듈에 대한 전계해석7.

여러 가지 부속품들을 각각의 고려사항 및 필요조건으로 제작한 모듈을 MaxweII

를 이용한 전계해석을 통해 설계상의 문제점을 고찰하였다Electric field Simulator .

이 프로그램을 통해 전계해석 교류자장해석 전압원해석 유전체손실 시변자장해, , , ,

석 등을 행할 수 있으며 여기에서는 전계해석을 행하였다.

그림 은 본 과제를 통해 제작한 모듈에 대한 전계해석 결과를 나타낸 것으로3-27

서 방식층 보호장치의 성능평가시 적용되는 제한전압 값인 에 대한 모듈의14 kV

등준위 전계 분포를 나타낸 것으로 전계가 집중되는 곳은 주로 상부전극과 EPDM

고무의 계면 상부전극과 와 와 소자와 가, contact disk FRP, contact disk Zn0 FRP

만나는 계면등에서 나타난다.

특이 최대 전계값은 로 위치는 상부전극과 접촉디스크와 가 만1.40e+04[V/m] FRP

나는 곳으로 나타났다 방식층 보호장치의 뇌 임펄스 시험전압인 에 대한 전. 50 kV

계해석 결과를 그림 에 나타내었으며 그 결과 전계 집중부분의 불명확한 현상3-28

으로 인해 에 대한 전계해석값 그림 를 통해 비교 제시 하였다10 kV 3-29 .

그림 제한전압 에 따른 전계분포3-27. (14 kV)

- 75 -

그림 뇌 임펄스 전압 에 대한 전계해석3-28. (50 kV)

그림 인가조건에 대한 모듈의 전계해석3-29. 10 kV

- 76 -

이러한 결과를 통해서 본 연구에서 설계한 방식층 보호장치의 모듈은 제한 전압이

나 뇌 임펄스전압에 대해 전기적 절연성을 충분히 갖추고 있으며 전계가 집중되는

부분에 외부 하우징의 두께를 좀 더 고려하는 것이 좋은 것으로 사료된다.

- 77 -

제 절 방식층 보호장치의 형상 및 구조3

본 연구에서 개발한 방식층 보호장치의 구조는 소자를 방수 및 절연성능을 지Zn0

니도록 보강한 후 양단에 접속단자를 낸 구조로서 케이블 접속함의 절연통간에 취

부되며 보호장치가 장시간 수중에 잠겨도 완전한 동작을 할 수 있는 구조로서 그

형상 및 내부의 주요부품의 기능을 그림 와 표 에 나타내었다3-30 3-14 .

그림 방식층 보호장치의 내부 구조3-30.

표 방식층 보호장치 주요부품의 기능3-14.

구 분 명 칭 기 능

1 접속나사 접지나 시스간의 접속단자 연결 나사

2 외부 하우징 외부로부터의 흡습차단

3 winding 소자 외부절연 및 모듈의 기계적 형상유지ZnO

4 support 소자와 외부 도체부 연결ZnO

5 소자Zn0 이상전압 전류로부터 피보호기기 보호ㆍ

6 disk 소자 외면 보호 및 모듈의 열팽창계수 보완ZnO

7 연결봉 모듈과 리드선간의 접속

8 슬리브 수밀특성 보완

- 78 -

제 절 방식층 보호장치의 제작4

하우징의 성형기술1.

가 금형 설계 및 금형 종류.

금형의 설계는 제품의 성형성이 좋고 금형의 가공이 용이하며 성형 제품의 양에 만

족하도록 설계하여야 한다 위 조건을 만족시키기 위해서는 제품의 형 크기 및 단. ,

일 사출품 또는 복합 사출품이어야 하는 문제와 컴파운드의 종류 사출기 종류 등,

을 검토하여야 하며 금형의 구조사용 목적 금형사출 방법 수 배열, , cavity , cavity ,

의 형상에 대한 효율 의 종류 및 위치 위치 의 위runner , gate , parting line , air vent

치 방법 금형의 재료 선택을 하여야 한다, injecting , .

금형재료의 적부는 금형수명 가공성에 큰 영항을 주는 것이고 그 선택은 금형에,

요구되는 조건과 가공설비 등을 검토한 뒤에 결정하는 것이 좋으며 일반적으로 다,

음과 같은 조건을 충족시키는 것이 필요하다.

가공성이 좋을 것.•

연마하기 쉽고 면이 고르도록 깨끗이 다듬질 될 수 있을 것.•

내마모성이 클 것.•

조직이 균일하고 내부 결함이 없을 것.•

열처리하기가 쉬울 것.•

열처리에 의한 변형이 적을 것.•

성형압력 및 형체력에 충분이 견딜 수 있는 항장력 인성 및 경도를 갖을 것, .•

성형품 표면의 광택을 얻을 수 있도록 경면 마무리가 가능할 것.•

열전도율이 좋고 열팽창 계수가 적을 것, .•

표면처리가 우수할 것•

다음은 각 금형의 종류를 간단하게 기술하였다.

압축금형(1) (Compression Molds)

압축금형은 일반적으로 탄소강으로 만들며 부분은 열처리하여 경도를 높이, cavity

고 정밀하게 다듬질한다, .

- 79 -

두쪽의 금형을 유압판 사이에 고정시키고 재료를 컴파운드 형태로 가열되어 있는

금형의 속에 넣어 두쪽의 금형을 압력에 의해 밀착시키면 플런저는 재료를cavIty ,

금형속으로 흘러 들어가게 만든다 재료가 대로 압축 되면 열과 압력에 의해. cavity “ ”

재료는 가황되면서 화학적 반응을 일으킨다 그림 은 압축금형을 나타낸 것으. 3-31

로 압축성형의 원리를 알 수 있다.

그림 압축금형3-31.

사출금형(2) (Injection Molds)

사출성형의 원리는 트랜스퍼 성형 원리의 응용이라 할 수 있다 트랜스퍼 성형의.

원리는 재료를 금형 내에 마련된 실린더에서 가열하여 플런저에 의해 유동적인 밀

착된 금형속으로 밀어 넣는 방식으로 성형하는 것이며 사출성형의 원리는 성형기,

자체에 구비된 실린더에서 재료를 용융상태로 가열하여 금형안으로 밀어 넣어 제품

을 성형하는 것이다.

사출성형이란 재료를 가열하고 나서 냉각금형에 압입 성형하여 고체화하는 것을 의

미하는데 비해 고무의 경우는 성형기 내의 실린더에서 예열된 재료를 열간금형에

밀어 넣어 성형하는 차이가 있으나 여기서는 이해를 쉽게 하기 위해 고무 사출금형

이라 칭한다.

아래의 그림 는 사출금형을 도식적으로 나타낸 것으로서 사출의 원리를 보다3-32

쉽게 알 수 있다.

- 80 -

그림 사출금형3-32.

나 사출성형 기술.

의 배합 금형의 설계 사출성형의 형 흐름 특성 제작후 마지막으로 검Compound , , ,

토되어지는 것이 성형이므로 제품구성에 많은 영항을 미칠 수 있다 여러 가지 사.

항을 고려하여 작업 표준서를 기초로 하여 모든 조건들이 만족할 때 원하는 제품을

얻을 수 있다.

사출성형방법(1)

사출성형에서는 사출기외 실린더 온도 사출압력 사출속도 금형온도 사출시간, , , , ,

충진량 사출성형의 형 흐름 특성 가교도 등을 표준화하여 균일한 제품이 생산될, ,

수 있도록 작업해야 하며 이때 피뢰기 하우징 제품이 적정 가황이 될 수 있도록,

가류시간 가교온도 과 가류온도를 잘 조정하고 제품 전체의 균일 가류가 되려면 내( )

부 금형온도와 외부 금형온도를 잘 조정하여야 한다.

사출성형기는 고무투입시간 저장시간 에서 금형에 채워지는 시, shot , runner, gate

간 및 금형을 에 누르는 시간까지의 전 을 일정하게 해야 균일한 제품을press cycle

얻을 수 있다 형 흐름 특성과 가교도 분포가 피뢰기 하우징의 전기적 열화 및 절.

연특성에 어떤 영항을 미치는지 간단하게 기술하였다.

- 81 -

형 흐름 특성1)

사출성형의 형 흐름 특성으로는 될 수있는 한 단시간에 금형에 충진할 것과 유동중

에 고무 가 충분히 발열할 것 등이 필요하게 된다 즉 유동성이 좋다면Compound .

성형 샤이클이 단축되는 것 외에 를 작게 할 수가 있기 때문에runner, gate scrap

이 감소 발열이 크게되면 금형으로부터의 전열량이 작아서 모퉁이의 균열에 더욱,

단시간에 가류가 될 수가 있다.

사출압이 높을 때는 유동성이 뛰어나고 사출압이 낮을 때는 유동성의 차이가 작게

된다 또한 높은 충진 배합을 하든가 실린더 온도를 높게 하면 고분자의 차는 작게.

된다 에 의하여 형 흐름을 본다면 실린더의 온도 금형온도의 변화에. SpiraI fIow , ,

따라 가류속도에 대응하여 유동성의 차가 생긴다.

가교도 분포가 하우징에 미치는 영향2)

불균일한 가교도 분포는 절연성능의 불평형을 초래하여 비정상적인 전계 분포를 형

성하여 사고를 유발하는 원인이 되기도 한다 균일한 가교도 형성은 가교온도와 가.

교유지시간에 밀접한 관계가 있다.

사출성형시 균일한 가교도 형성 성형조건을 찾아야 한다 그림 은 가교도와. 3-33

파괴전압과의 관계인데 가교도가 높을수록 파괴전압이 높아지는 것을 알 수 있다.

그림 가교도에 따른 파괴전압분포3-33. (at 150 )

가교도에서는 범위에서 파괴가 일어나고 에서는 범위에서30% 10kV 80% 17~18kV

발생된다.

- 82 -

사출 성형시 불량현상 대책(2)

표 불량현상 대책3-15.

현 상 원 인 대 책

충 진부 족

1) shoot, size단속적 공급2)

3) Scotch온도가 낮다4) Compound .

사출압 부족5)충진시간 부족6)재료 물림7)재료의 형 흐름성8)

의 넓이9) Runner, gate충진이 고르지10) Cavity

않음배기 불량11)

계랑을 늘린다1) .배압을 올린다2) Screw .실리더 금형온도 조정3) Nozzle, ,

가류제 조절실린더 온도를 높게 한다4) .사출압을 올린다5) .사출시간을 길게 한다6) .물리지 않는 형상으로 한다7) .

사용Feeder배합 검토8)

를 넓힌다9) Runner, gate .를 수정한다10) Gate balance .

Burr발 생

1) shoot, size(Over packing)

점도2) Compound사출압이 높다3) .형체력이 약하다4) .금형5) parting line금형6) design

량을 감하여 적정량으로1) shoot한다.실린더 및 금형온도를 낮춘다2) .사출압을 낮춘다3) .

형체압을 높인다.형체압을 높인다4) .

사출압을 낮춘다의 수정5) Parting line

성형품 투영면을 작게한다6) .

수 염금형 설계1)

온도가 높다2) Compound두께를 작게 금형을 설계한다1) .실린더 금형온도를 낮춘다2)

수 염사출압 전달 부족3)짧은 사출시간4)

에서의 불안5) Gate seal

사출압을 올린다3) .금형 을 검토design .사출시간을 길게 한다4) .

설계를 수정한다5) Gate .

성형품의표면거칠음

1) Scotch충진제 분산불량2)

가류제 조절1)금형 온도를 낮춘다Cylinder .

배합시 분산개선2)분산제를 바꾼다.

- 83 -

현 상 원 인 대 책

수 염사출압 전달 부족3)짧은 사출시간4)

에서의 불안5) Gate seal

사출압을 올린다3) .사출시간을 길게 한다4) .

설계를 수정한다5) Gate .

성형품의표면거칠음

1) Scotch충진제 분산불량2)

가류제 조절1)금형온도를 낮춘다Cylinder .

배합시 분산개선2)분산이 잘되는 분산제로 바꿈

기포

중의 휘발성분1) Compound실린더에서 기포를 끌어냄2)금형온도가 너무 높다3) .가류시간4)

배합제 건조1)실린더 온도를 조절2)금형온를 낮춘다3) .

분해하기 쉬운 배합제를 피함가류시간을 조절한다4) .

FlowMark

1) Scotch흐름불량2)

형상3) Gate

실린더 금형온도 낮춤1)흐름개선2)제한3) gate

탐( )燒 금형 설계1)이 되지 않는 금형설계1) Air trap

적당한 를 붙인다vent .

WeldMark

충진시간이 길다1) .가류가 너무 빠르다2) .

사출압을 높게 한다1) .사출속도를 크게 한다.금형 실린더 온도를 낮춘다2) .

가류를 보다 늦은 가류제로 함.

WeldMark

금형 설계3)이형제 사용과다4) .

설계를 개선한다3) Gate .이형제량을 줄인다4) .

외 관불 량

금형표면 거칠다1) .이형제 사용량 과다2)

금형소제 재도금1) ,이형제량을 줄인다2) .

이 형불 량

량1) shoot부적당한 금형 설계2)금형면 다듬 불량3)금형표면 거칠음4)부적정한 배합5)

적정한 량으로 한다1) shoot .기구 개량2) Knock-Out

다듬질을 잘한다3) .금형소제 재도금4) ,점착성 배합제 사용을 금한다5) .

잔 류(Stress)

1) Over packing금형온도 분포2)가류 불균일3)배합 부적정4)

적정한 량으로 한다1) shoot .온도분포를 적정하게 한다2) .가류를 충분히 한다3) .고충진 배합으로 한다4) .

- 84 -

일체형 하우징 사출성형기술(3)

의 배합 금형의 설계 사출성형의 흐름 특성 그리고 최종적으로 검토되Compound , , ,

어지는 것이 성형이므로 제품구성에 많은 영항을 미칠 수 있다 여러 가지 사항을.

고려하여 정확한 성형조건을 찾아 작업 표준서를 기초로하여 모든 조건이 만족할

때 원하는 제품을 얻을 수 있다 일체형이 아닌 하우징의 성형조건은 표 에. 3-16

나타내었으며 일체형과의 큰 차이는 사출압을 제어하는 것이 큰 차이점으로 생각,

된다.

표 하우징 성형조건3-16.

또한 피뢰기의 소자 성능열화에 가장 큰 영향을 주는 수분을 차단하기 위하여Zn0

하우징 내부에 소자 및 스프링을 넣고 양단에 을 넣은 으로 시O-Ring SUS304 Cap

밍하거나 용기에 소자 및 전극을 넣고 점착 로 밀봉하고 있으나Plastic Compound

지중 매설용으로는 장기간에 걸쳐 완전 수밀에는 미흡하다.

따라서 이번에 과제로 개발한 방식층 서지 보호장치는 소자와 전극 및 접시Zn0 AI

스프링을 일직선으로 압축하고 수지로 함침시킨 를 와인딩하여 경Epoxi Glass Filer

화시켜서 차 수밀봉하였다1 .

리드선을 압착한 석도 스리브를 연결하고 다음에 양단 전극에 그 표면에 가교접AI

착제를 도포하여 건조한 후에 고무 금형에 넣고 사진과 같이 삼흥에서 개발한 전기

화학적 특성이 우수한 특고절연용 으로 사출하여 차 수밀봉 하므로써 완EPDM 2ㆍ

벽한 수밀특성을 갖도록 하였다.

- 85 -

제 장 방식층 보호장치의 성능평가4

방식층 보호장치 제품의 실제 선정에 있어서 한국전력공사의 구매시방서에 의한 전

기적 특성 구조적 평가를 통해 알맞은 특성을 지녀야하며 제 장에서는 그 기준을4ㆍ

가지고 성능평가를 행하였다 시험 항목으로는 구조검사 동작 개시전압시험 제한. , ,

전압시험 충격전류시험 방전하에서 교류내전압시험 절연저항시험 절연성능시험, , , , ,

내수성능시험등이 있다.

구조검사1.

각 부품의 구조 및 치수를 확인하고 그 밖의 외관 명판 및 부속품 등에 대해서 육,

안으로 결함 유무를 조사하여 이상이 없어야한다.

동작개시전압시험2.

가 시험방법.

방식층 보호장치 양 단자에 를 흘려 단자간의 전압을 측정한다DC 1mA , .

피시험 시료 수- : 1 [EA]

주위온도- : 22.1 [ ]

습도- : 43.7 [%]

기압- : 1011 [mbar]

나 시험결과.

구 분

시험시료

시 험 기 준시 험 결 과

(DC-kV)판 정시험전류

(DC-mA)

동작개시전압

(DC-kV)

A 1 범위3.6~5.5 5.10 양 호

- 86 -

제한전압시험3.

가 시험방법.

양단의 접속단자간에 인 정 또는 부의 표준 충격전류l0kA, 14kA, 21kA (8/20

를 각각 회 흘릴 때 인가전압 파고치를 측정하여 특성곡선을 작성한다[us]) 5 V-I .

특성곡선상의 전류 에 대하여 전압이 이하이어야한다V-I 21kA 14kV .

피시험 시료 수- : 2 [EA]

주위온도- : 22.1 [ ]

습도- ’ 43.7 [%]

기 압- : 1011 [mbar]

시험파형 파두장 파미장- : = 8.875[ ], = 18.5[ ]

시험전류 정극성- : 10, 14, 21kA( )

파형그림 제한전압시험에 따른 충격전류파형을 그림 에 각각 나- : 4-1, 4-2, 4-3

타내었다.

그림 인가파형 제한전압시험4-1. 10kA ( )

- 87 -

그림 인가파형 제한전압시험4-2. 14kA ( )

그림 인가파형 제한전압시험4-3. 21kA ( )

- 88 -

나 시험기준.

일때 이하이어야 하며 그림 에 특성곡선을 나타내었다- 21kA 14kV 4-4 V-I .

그림 특성곡선4-4. V-I

다 시험결과.

- 89 -

충격전류시험4.

가 시험방법.

접속 단자 한쪽을 접지하고 반대편 접속단자에 이상의 파고치를 갖는 정 또18kA

는 부의 표준충격전류를 가능한한 짧은 시간간격으로 회 인가한 후 동작개시전100

압시험 및 제한전압시험을 행하여 이에 합격해야 하며 보호장치의 특성요소 부분,

을 해체하여 확인 결과 소자에 사용상 유해한 손상이 없어야 한다.

피시험 시료 수- : 2 [EA]

주위온도- : 19.5 [ ]

습도- : 50.4 [%]

기 압- : 1011 [mbar]

시험횟수 회 회 군- : 100 (10 ×10 )

시험전류 분 군간 간격 분- : 5 , : 20

시험파형 파두장 파미장- : = 8.75[ ], = 18.9[ ]

시험전류의 파고치 정극성- : 18 kA ( )

파형그림 충격전류시험에 따른 파형을 그림 에 나타내었다- : 4-5 .

그림 충격전류 인가파형4-5. (18kA)

- 90 -

나 시험기준.

동작개시전압 범위 이내 이어야 한다- DC 3.6~5.5kV .

제한전압 이하이어야 한다- 14kV .

소자에 사용상 유해한 손상이 없어야 한다- .

다 시험결과.

짧은 시간간격으로 의 파고치를 갚는 표준 뇌충격전류를 회 인가한 결과18kA 100 ,

동작개시전압과 제한전압의 재시험에서 규정에 적합한 데이터를 얻었다.

시 료충격전류시험

(18kV)확

인

시

험

동작개시전압

(DC-kV)

제한전압시험

시험결과충격전류

(kA)

제한전압

(kV)

C 양 호 4.5 21.0 10.2 양 호

D 양 호 4.5 20.09 10.4 양 호

망전 교류내전압시험5.

가 시험방법.

접속단자 한쪽을 접지하고 반대편 접속단자에 교류전압 를 인가한 상태에서1400V

파고치 인 정 또는 부의 표준 충격전류를 중첩한 후 계속하여 의 교류10kA 1400V

전압에 초간 견디어야 하며 이시험을 분 간격으로 회 실시한 후 동작개시전압2 1 5

시험과 제한전압시험을 시행하여 이에 합격해야 하고 특성요소 부분을 해체하여 확

인결과 소자에 사용상 유해한 손상이 생기지 않아야 한다.

피시험 시료 수- : 1 [EA]

주위온도- : 20.2 [ ]

습도- : 31.0 [%]

- 91 -

기압- : 1015 [mbar]

시험파형 파두장 파미장- : = 8.8[ ], = 18.9[ ]

상시 교류인가전압- : 1400 [V]

충격전류파형의 파고치- : 10 [kA]

파형그림 방전하에서 교류내전압시험 파형을 그림 에 나타내었다- : 4-6 .

그림 방전하에서 교류내전압시험 파형4-6.

나 시험기준.

동작개시전압 범위 이내 이어야 한다- DC 3.6~5.5kV .

제한전압 이하 이어야 한다- 14kV .

충격전류 인가 후 의 상용주파전압에 초간 견뎌야 한다- 1400V 2 .

소자에 사용상 유해한 손상이 없어야 한다- .

다 시험결과.

- 92 -

성능확인시험 결과-

시료동작개시전압

(DC-kV)

제한전압시험

시험결과충격전류 (kA) 제한전압 (kV)

E 4.5 21.0 10.2 양 호

절연저항시험6.

가 시험방법.

접속단자 한쪽을 접지하고 상온 수중에 시간 이상 담근 후 상온에서 반대편 접속1

단자와 대지간에 의 직류전압을 인가하여 분간 충전한 후 절연 저항을 측정100V 1

한다.

나 시험결과.

구분

시험시료

시험기준

환산치20 ( )

시험결과

환산치20 ( ) 시험결과

시료 # 1 이상100 4,650 양 호

- 93 -

제 장 결 론5

제 절 결 론1

이상과 같이 지중 케이블용 방식층 보호장치의 개발을 위해 요구되는 기술에 관하

여 연구하였다 전력 시스템에서 방식층 보호장치와 함께 운전되고 있는 지중송전.

케이블 계통에서 방식층보호장치의 특성을 뇌서지 침입시 절연통의 효과적인 보호

대책의 측면에서 해석하였고 이를 위해 혼합승전선로 계통을 를154kV ATP-draw

이용하여 모델링하였다 방식층보호장치의 결선방식과 여러 가지 케이블포설 조건.

에 따른 시스 대지간 전압과 절연통간 전압을 상세히 해석하였다 또한 방식층 보- .

호장치의 모듈 부품의 설계 및 제조 절연 하우징 외장 소재의 평가 성형기FRP , , ,

술 그리고 방식층 보호장치의 요소 설계 등을 검토하였다 제조된 방식층 보호장치.

에 모듈 에 대하여 절연저항 동작개시전압 제한전압 충격전류 방전하에(module) , , , ,

서 교류내전압시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

케이블의 매설방식에 따른 시스 대지간 전압과 절연통간 전압은 관로포설 구간1. -

을 전력구로 교체한 경우가 보다 좋은 서지 억제 효과를 나타내었다.

방식층보호장치의 결선방식에 따른 시스 대지간 전압과 절연통간 전압은 뇌서지2. -

침입측의 크로스 본딩된 네 구간과 관로포설 구간에 교락비접지와 대지간방식을 병

행한 혼합방식을 적용한 경우에 보호레빌 이하로 전압이 억제되는 효과를 볼 수 있

었다.

피뢰기를 적용한 경우의 시스 대지간 전압과 절연통간 전압 또한 뇌서지 침입측3. -

의 크로스 본딩된 네 구간과 관로포설 구간에 혼합방식을 적용한 경우가 가장 좋은

서지 억제 효과를 나타내었다.

방식층 보호장치 모듈의 전기적 기계적 사양을 검토하여 두께 길이4. FRP , 2mm

의 모듈을 설계 제작하였다 모듈 제조를 위해 공법과88mm , . CPW filament

공법을 적용하여 최적의 형상을 구현하였다winding(FW) .

- 94 -

공법에 의한 방식층 보호장치 모듈의 경우 는 열폭주 및 열 팽5. FW corned disk

창에 의한 수축과 팽창을 고려하여 설계 제작하였으며 상 하부전극의 접속은 기밀, ,

특성을 유지하기 위해 구조로 설계하여 완벽한 기밀 유지를 얻었다knuckle .

방식층 보호장치 외장소재의 열화 조건에 의한 내트래킹성 평가는 내구성 확보6.

차원에서 중요하므로 본 연구에서는 내트래킹 시험과 내트래킹 시험을RWDT IPM

실시하여 적용되는 소재의 특성을 평가하고 방식층 보호장치에 적용될 하우징 외장

소재의 신뢰성을 확보하였다.

방식층 보호장치의 외장 설계에 있어서 통상적인 을 적용하여 고무7. EPDM EPDM

의 유전강도와 체적저항등을 고려하여 두께를 설정하였으며 가지의 외장 형태를3

비교하여 최선의 외장형태를 선택하였다 이에 따른 경제적인 이득을 확보하였다. .

접속부의 설계에 있어 전극과의 접촉저항 저감을 위해 나사형태 구조로 설계 하8.

였고 생산시 발생하는 압력 및 열에 대해 리드선 나선부분 이 이탈되는 것을 방지( )

한 구조로서 생산상에 이상이 없었다.

전체 적인 모듈에 대한 티 를 통한 전계 분포에서9. MaxweII ectric field Simulator

상부전극과 접촉디스크와 가 만나는 곳에 전계가 집중되었고 외장 설계에 있어FRP

참고적인 자료를 제공하였다.

보호장치 소자의 모듈시험은 절연저항 동작개시전압 제한전압 등을 실시10. Zn0 , ,

하여 동작특성을 검증하였다.

- 95 -

제 절 과제 관련 논문발표 실적2

바리스터 미세조직 균일화와 서지 에너지 내랑 향상에 관한 연구 한국[1] "Zn0 "

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