High-voltage Bushings

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1 High-voltage Bushings
Chap. 14 High-voltage Bushings

2 14.1.1. Non-condenser bushings
14.1 Types of bushing Non-condenser bushings 부싱 : 절연재질을 갖는 원통형 구조 (porcelain, glass, synthetic resin-bonded paper, polythene etc.) a : radial clearance b : axial clearance (부싱 내의 전압분포에 의존) 부싱에서 전압분포가 균일하지 않다. 사용되는 절연물의 두께(t)나 길이(l)는 전압의 크기에 영향을 받는다. 고전압용 부싱으로는 부적합

3 박형 구조의 원통형 도전층(conducting layer)을 설치 고전압용 부싱
14.1 Types of bushing Condenser bushing 부싱내 전압 분포의 개선 절연부의 내부에 등전위를 갖는 여러 개의 동심 박형 구조의 원통형 도전층(conducting layer)을 설치 고전압용 부싱 종류: s.r.b.p. type (synthetic resin bonded paper) o.i.p. type (oil impregnated paper)

4 s.r.b.p. type (synthetic resin bonded paper) – ~ 275kV급
14.1 Types of bushing Condenser bushing s.r.b.p. type (synthetic resin bonded paper) – ~ 275kV급 - 가압,가열 상태에서 합성수지가 코팅된 페이퍼를 도전체에 감고 적절한 간격으로 등전위 형성 역할을 하는 도전층(metalic foil, metalic paper) 삽입 제조공정상의 제약 및 사용되는 합성수지의 유전손실에 의한 열발생 등으로 제작되는 부싱의 사이즈에 한계가 있어 최대 파괴전압 및 열적 안정성에 제한 o.i.p. type (oil impregnated paper) - ~ 750kV급 제작공정은 s.r.b.p. type과 유사하며, 진공건조 후 oil을 흡수시킴 페이퍼를 도전체에 나선형으로 감기 때문에 s.r.b.p. type에 비해 긴 형태의 부싱 제작 가능 s.r.b.p. type에 비해 유전손실이 낮음 (사이즈에 대한 제약이 크지 않음)

5 교류 발전기용 부싱 : 최대 33kV급까지 제작되나 통상 22kV급이 사용 ( 최대 운전전압 : 13.8kV )
14.2 Bushing applications Alternator bushings 교류 발전기용 부싱 : 최대 33kV급까지 제작되나 통상 22kV급이 사용 ( 최대 운전전압 : 13.8kV ) Porcelain, S.r.b.p. Duresca, Copar (gas-tight bushing) Transformer bushings 변압기용 부싱 : 1차 및 2차측 단자에 설치(upper end(in air), lower end(in oil) 변압기 본체의 turret 부분에 설치되며 current transformer와 연결 변압기와 고압케이블(275kV급) 종단부 직접 연결 (cable connected transformer) (Oil-filled cable box and transformer winding) – both ends in oil 66kV급 이하 : porcelain shell, 66kV급 이상 : S.r.b.p., O.i.p., barrier type

6 부싱의 하단부(B~C)에 전체 전압의 2/3분배 부싱과 변압기 권선이 연결되는 도선을 절연(pigtail)
14.2 Bushing applications Re-entrant bushing - 275 ~ 400kV급 고압용 변압기에 사용 부싱의 하단부(B~C)에 전체 전압의 2/3분배 부싱과 변압기 권선이 연결되는 도선을 절연(pigtail) 하여 전압의 1/3 분배 Bushing tube의 끝단(A)에서의 스트레스 집중 완화 보통의 부싱에 비해 절연성능을 향상하여 변압기 turret 부분에서의 clearance를 줄임 O.i.p type의 부싱에서 하단부에 pocelain을 사용하여 절연하는 경우 부싱의 직경이 증가하여 절연효율이 저하되고 clearance를 줄이는 효과를 상쇄

7 14.2.3. Bushings for switchgear
14.2 Bushing applications Bushings for switchgear 33kV metal clad switchgear 1600A 11kV 500MVA Indoor air-break switchgear

8 14.2.3. Bushings for switchgear
14.2 Bushing applications Bushings for switchgear 최근의 옥내용 스위치기어 절연 설계 추세(~ 132kV, 3.3 ~ 33kV) metal clad type switchgear cast epoxy resin 이용 (이전 : porcelain, s.r.b.p.) 스위치기어의 구조 간단화, 소형화에 유리하나 부싱의 형상은 복잡화 옥외용 차단기의 절연 (11 ~ 330kV) - outdoor end (air contact) 저전압용 절연 (porcelain) 고전압용 절연 (s.r.b.p. with porcelain protection) - lower end (oil contact) 변압기유의 탄화에 의한 오염 방지 (o.i.p. barrier type)

9 Duresca insulator bushing Epoxy resin이 포함된 crepe paper로 제작
14.2 Bushing applications Duresca insulator bushing Epoxy resin이 포함된 crepe paper로 제작 Metal grading layer가 혼입되어 있음 Epoxy resin의 비율이 70%정도 차지하여 고압상태에서도 가스누출차단 성능이 우수 Copar insulator bushing Air blast bype circuit breaker에 사용 수백 lb/in2의 압력에서도 가스누출차단 성능 및 기계적 강도가 우수 Condenser grading layer가 혼입된 Cast epoxy resin과 crepe paper를 이용하여 제작 33kV outdoor oil circuit breaker (bent shape bushing)

10 - 옥외에서 고전압 장비의 운전시 : 오염에 의한 효과 고려
14.2 Bushing applications Wall and roof bushing - 옥외에서 고전압 장비의 운전시 : 오염에 의한 효과 고려 Greasing the porcelain insulator : 비용의 증가 고전압 장비의 옥내 설치 (132kV급 이상 변전 설비) -> wall bushing의 필요 wall bushing : s.r.b.p. core between outdoor and indoor porcelain ~ 275kV (s.r.b.p. core) 400kV (o.i.p. core) ring type current transformer 설치 용이 Cable-end and joint-box bushings Cable end box용 부싱 : 3.3kV급 porcelain bushing (저전압 케이블과 절연탱크의 연결용) 고전압용 O.i.p bushing (고전압 단상 케이블의 끝단에 설치) Joint-box용 부싱 : S.r.b.p., cast resin, Duresca bushing 고압의 가스가 충전된 케이블과 고체 절연케이블 연결시

11 14.3.1. Power-frequency voltages
14.3 Service condition and specifications Power-frequency voltages 통상의 접지 시스템에서 전력주파수 전압은 정상의 상전압 이상으로 상승할 수 없음 (허용범위 5 ~ 10%) 사고가 발생하여 선간 전압 수준까지 도달하더라도 몇 시간 이내까지 허용 정상전압에서 지속적으로 사용하도록 설계되는 부싱이 사고 시의 손상을 방지하기 위해서는 열적 불안정성에 견딜 수 있는 높은 등급의 고전압용 부싱을 사용 Surge 과전압 서지는 통상 시스템 운전시 스위칭 동작이나 뇌(雷)의 유도에 의해 발생 스위칭 서지(수백 μs) : 스위치 기어(switchgear)의 설계에 의해 보호 뇌 서지 (수 μs) : 보호 갭(protective gap)이나 서지 유출장치(surge divertor)를 설치하여 보호

12 - 1930년대 과전압 시험용 서지는 전력주파수 전압을 이용하여 공급 - 1930년대 후반 임펄스 시험 전압이 도입
14.3 Service condition and specifications - 1930년대 과전압 시험용 서지는 전력주파수 전압을 이용하여 공급 - 1930년대 후반 임펄스 시험 전압이 도입 규격 임펄스 파형 : 1/50μs (GBR), 1.5/40μs (USA) 전력 주파수 시험과 임펄스 시험이 혼용되다가 점차 임펄스 시험으로 대체 이후 275kV급 이상의 시스템에서의 과전압 시험에서 clearance가 과도하게 높아지고 200μs수준의 파두를 갖는 임펄스 전압에 의한 절연파괴강도가 1 ~ 1.5μs수준의 임펄스 전압이나 50c/s의 전력주파수 시험전압에 의한 수준보다 낮게 측정 → long-wave impulse test 방법의 도입 400kV급 부싱의 경우 condenser grading의 설치를 통해 long-wave surge에 관계 되는 clearance의 감소를 유도하였다.

13 부싱은 수명기간 동안 열화가 없이 통상의 최대 운전전압과 과전압에 견딜 수 있도록 설계
14.4 Breakdown of bushings 부싱은 수명기간 동안 열화가 없이 통상의 최대 운전전압과 과전압에 견딜 수 있도록 설계 s.r.b.p 나 o.i.p type 부싱의 장기적 열화는 각각 다른 메커니즘에 의한 내부방전 발생 에 의해 진행 S.r.b.p. bushings S.r.b.p. 고전압용 부싱 : 수지 필름이 부착되어 분리된 여러 겹의 페이퍼 층으로 구성 따라서 제조과정 중 갈라짐이나 수축률의 차이로 인하여 수지와 페이퍼 사이에 상당한 양의 공기가 잔류할 가능성 이 상태로 전압이 인가되는 경우, 주위 재질보다 낮은 공기의 유전율로 인해 전기적 스트레스가 집중되어 방전이 발생 방전 전압의 크기는 포집된 공기와 접촉된 표면저항에 큰 영향을 받으며, 특히 접촉면이 금속질 도전층이나 고전압 도전체에 형성되면 방전 전압이 커져 손상 정도가 증가 방전으로 발생하는 산화질소, 오존에 의한 화학적 부식 효과와 이온의 충돌로 인한 온도 상승 효과 야기 탄화가 없는 부식효과에 의해 부싱의 반경방향으로 구멍 생성 부싱의 축방향으로 탄화된 tree-like path를 형성 이러한 효과들에 의해 생성된 over stressed material은 서지를 견디지 못하거나 열적인 불안정 상태가 되어 정상적인 동작 전압에서 수주 혹은 수년 경과 후 파괴를 일으킴

14 계통의 운전 중의 과전압은 주로 스위칭 동작이나 뇌(雷)의 유도에 의해 발생
14.4 Breakdown of bushings 계통의 운전 중의 과전압은 주로 스위칭 동작이나 뇌(雷)의 유도에 의해 발생 정상적으로 설계된 부싱의 경우, 페이퍼층의 끝단으로부터 축방향으로 절연 파괴가 발생하며, 이는 층 사이에 포집된 공기의 절연이 파괴되기 때문이다. (파괴시간: 수μs) 부싱 축방향으로의 절연 파괴는 국부적으로 갈라진 틈이나 불완전한 접착부분에 대해 반경방향으로의 전기적 스트레스를 증가시키고,이것이 다시 페이퍼층의 구멍을 발생시켜 파괴를 야기한다.

15 O.i.p. 고전압용 부싱 : 제조공정상 기체가 혼입될 가능성이 적기 때문에 비슷한 수준의
14.4 Breakdown of bushings O.i.p. bushings O.i.p. 고전압용 부싱 : 제조공정상 기체가 혼입될 가능성이 적기 때문에 비슷한 수준의 전기적 스트레스에서 s.r.b.p. type 부싱에 비해 내부 방전 일어날 가능성이 적음 통상적으로 요구되는 전기적 스트레스의 수준은 동작시의 스트레스 수준보다 높아야 하며, 등전위층(equipotential layer)의 끝단에서의 허용 스트레스는 더 높아야 한다. 표면에 250~300kV/cm 수준의 스트레스를 인가하는 반복적인 임펄스 전압을 가하게 되면 부싱 절연층의 끝단에서 건조효과가 발생한다. 이를 시각적으로 확인하기 위하여 많은 횟수의 임펄스 전압 인가가 필요하고 이에 따라 점차적으로 방전 개시 및 소멸 전압이 낮아지게 된다. 전력 주파수를 갖는 높은 스트레스에 의한 방전은 절연층의 끝단에서 발생하여 급속히 유침지(oil-impregnate paper)를 통해 퍼지게 된다. 이러한 스트레스에서는 방전에 의한 파괴효과가 절연층을 통해 반경방향으로 확대될 정도로 충분히 커서 절연파괴의 원인이 되는 구멍을 발생시키게 된다.

16 S.r.b.p. 와 O.i.p.의 절연파괴 메커니즘 및 여기에서 발생하는 전기적 스트레스는 부싱 설계
14.5 Design of bushings S.r.b.p. 와 O.i.p.의 절연파괴 메커니즘 및 여기에서 발생하는 전기적 스트레스는 부싱 설계 에 있어서 고려해야할 매우 중요한 요소들이나 유일한 것은 아니다. 부싱을 둘러싸고 있는 여러 구성부의 절연파괴 특성들이 고려되어야 한다. Air-end clearance - 변압기용 부싱 상단부 - 공기중 노출 하단부 - 변압기유 접촉 콘덴서 부싱의 외부 표면에서 50c/s의 주파수 전압, 1/50us의 임펄스 전압에 대한 변화가 균일한 경우, clearance는 선형성을 띠게 된다. 이 때 각 전압에 의해 부싱 표면에서 생성되는 전계의 기준은 각각 2.8kV/cm 5.5kV/cm이다. 과전압 시험에서 air-end clearance를 결정하는 또다른 요소는 연면거리(creepage path)이다. 오염시 과전압이 없는 정상 운전전압 상태에서의 연면 방전은 연면 거리에 의존하기 때문에 부싱 설계시 중요하게 고려해야 한다. A : air-end length B : air-end length of the internal condenser (70% of A)

17 내부에서 발생하는 절연파괴는 공기중에서 발생하는 연면 방전과 달리 장치에 치명적이며 결정적인 특징을 갖는다.
14.5 Design of bushings Oil-end clearance 내부에서 발생하는 절연파괴는 공기중에서 발생하는 연면 방전과 달리 장치에 치명적이며 결정적인 특징을 갖는다. 내부절연파괴강도에 대한 허용범위는 공기보다 커야 한다. (15%) 50c/s power-frequency test, 1/50us impulse test의 시험전압에서 s.r.b.p., o.i.p.의 oil-end 부분에서 축방향의 절연내력은 각각 10kV/cm, 20kV/cm이다. 이를 기준으로 C 값을 결정할 수 있다. Length of earth layer 부싱에서의 접지부(D)의 길이는 current transformer의 설치 및 이 부분의 반경 치수와 관련된 최적값에 의해 결정 3.15 for minimum thickness of insulation 3.29 for minimum external diameter 4.12 for minimum volume of insulation 4.44 for minimum total volume l1 : length of first condenser ln : length of last condenser

18 14.5.4. Radial gradient and diameters
14.5 Design of bushings Radial gradient and diameters S.r.b.p. 와 O.i.p.의 반경방향 임펄스전압 파괴 강도는 비교적 크기 때문에 고려하지 않고 전력 주파수 전압 피괴 시험에 의해 반경방향 파괴강도를 결정하게 된다. - 최대운전전압보다 5% 큰 전압 하에서 최대 100pC의 방전량 발생을 규격으로 하며, 이 조건을 만족 시킬 수 있는 s.r.b.p. type 부싱의 반경방향의 전계는 20kV/cm이 적절 O.i.p의 경우, 1분 혹은 순간 전력 주파수 시험전압에서의 방전에 의한 손상을 피하기 위해 반경방향 전계값은 35kV/cm 로 제한된다. - 절연물에 전압 V가 인가되었을 때 최대의 전계는 다음과 같은 관계에 의해 구한다. 위의 식에서 α와 최대 전계값이 주어지면 도체의 직경은 인가 전압의 크기에 비례하게 된다.

19 14.5.5. Equipotential layer position
14.5 Design of bushings Equipotential layer position 부싱 내부 콘덴서의 안쪽과 바깥쪽 layer의 치수로부터 각 layer의 위치를 계산할 수 있다. S.r.b.p. 와 O.i.p. 부싱을 위한 설계의 기초는 부싱에 인가되는 균일한 전압 분포와 부싱 layer 양 끝단 사이에서 축방향으로의 공간에 의한 부분 캐패시턴스 (partial capacitance) 균일성 확보에 있다. 실제의 경우, layer diameter의 간격을 0.25mm로 하여 부분 캐패시턴스를 균일하게 하고 축방향의 layer clearance의 보정을 통해 축방향 전계분포를 일정하게 유지한다. 이러한 설계방법에 의하면 layer spacing은 전계 크기에 따라 변화되며 이를 이용하여 적당한 layer의 수를 결정하게 되고 최대 전계에 대한 정확한 layer spacing 을 찾을 수 있다. 반경방향으로 일정한 전계를 형성하는 부싱의 설계시 축방향의 전계 변화가 수반되고 축방향의 전계를 일정하게 유지하기 위해서는 반경방향의 전계가 변하게 된다.

20 14.6.1. Power factor / voltage test (power frequency voltage)
14.6 Testing of bushings Power factor / voltage test (power frequency voltage) 모든 유형의 고압용 부싱 시험에 적용 Schering bridge와 연결한 부싱의 인가전압을 선전압까지 단계적으로 상승 또는 하강 전압의 변화에 따른 캐패시턴스 및 power factor (tan δ)값을 기록 수지를 함유한 재료의 경화정도(cast epoxy resin, Duresca, Copar) 습기의 함유정도(s.r.b.p., o.i.p.) A : normal good bushing B : deterioration occuring below working voltage (internal discharge) C : high moisture content due to incorrect winding or old bushing absorption of moisture D : poor connection to either first or last condenser layer or a punctured layer

21 14.6.2. Internal discharge test
14.6 Testing of bushings Internal discharge test 1930년대 초반 ~ 1950년대 중반 : hissing test (s.r.b.p. bushing) Electronic method of discharge detection (1930년대 후반) E.R.A. discharge detector (oscilloscope) Discharge bridge (voltmeter) S.r.b.p 규격 허용 방전량 : 100pC O.i.p 규격 허용 방전량 : 5pC 이하 (O.i.p의 방전에 의한 손상 민감도 고려) 불필요한 외부 방전을 피하기 위하여 corona shield를 이용하거나 부싱 전체를 oil 에 담근 후 시험

22 14.6.3. One-minute dry withstand test (power frequency voltage)
14.6 Testing of bushings One-minute dry withstand test (power frequency voltage) 1분 동안 부싱에 지정된 전력주파수를 갖는 전압을 인가하여 시험 부싱을 통해 흐르는 전류를 측정 분석하여 부싱의 열화나 임박한 파괴 진단 Momentary dry withstand test (power frequency voltage) impulse withstand test로 대체됨 Wet withstand test (power frequency test) 지정된 인공 강우 및 방수 조건하에서 30초간 부싱의 내전압 시험 wet switching surge test로 대체됨 Under oil flashover or puncture withstand test (power frequency voltage) 부싱의 내부 파괴 강도의 허용 범위 측정 시험

23 14.6.7. Thermal stability test
14.6 Testing of bushings Thermal stability test S.r.b.p 부싱의 경우, 변압기 운전에 의해 최고 온도에 도달하는 경우(80℃), 유전 손실이 증가하여 대형 부싱은 열적 불안정성의 위험에 노출 부싱을 오일에 담근 후 운전시 도달하는 최대의 온도 조건에서 공칭전압의 0.86배 수준의 전압을 인가한다. 이는 실제 동작전압의 √2배에며 이때의 유전손실은 정상치의 2배가 되어 손실에 의해 열이 발생하고, 여기에 높은 전압의 인가에 따라 도체에 흐르는 전류량에 의해 발생하는 줄열이 추가적으로 더해지게 된다. 통상적으로 O.i.p 부싱의 경우 S.r.b.p. 부싱에 비해 유전손실이 낮아 열 안정성 시험 이 필요하지 않으나 (600A-132kV) 전류가 커지는 경우 (1600A-400kV) 도체의 손실에 의한 열 발생이 유전손실에 의한 열 발생의 수 배에 달하여 무시할 수 없게 된다. Visible discharge test 부싱의 전파장애 발생 여부를 측정하기 위한 시험 부싱에 선간 전압을 인가한 상태에서 코로나가 보이지 않을 때까지 전압을 감소시킨다.

24 14.6.9. Full wave withstand test (impulse voltage)
14.6 Testing of bushings Full wave withstand test (impulse voltage) 정극성 및 부극성 임펄스를 각각 5회 인가한 후 낮은 방전전압을 나타내는 극성의 을 이용 5회의 임펄스 시험에서 5회 모두 방전이 발생한 경우 추가적으로 임펄스를 5회 인가하며, 여기에서도 모두 방전이 발생한 경우 부싱이 방전시험에 실패한 것으로 간주 - 임펄스 전압의 파형은 1/50μs (유럽), 1.5/40μs(미국) 을 사용 Under oil flashover or puncture withstand test (impulse voltage) Full wave impulse withstand test 보다 15% 이상의 내전압값을 얻기 위한 시험 유중에서 부극성 임펄스를 인가하게 되며 이는 공기중에서 정극성의 임펄스 전압을 인가할 때보다 높은 연면방전전압을 나타내기 때문 공기중에서 연면 방전이 일어나는 경우 내부에서의 파괴는 일어나지 않으나 유중시험 에서는 내부 파괴가 발생할 수 있다.

25 14.6.11. Chopped wave withstand test (impulse voltage)
14.6 Testing of bushings Chopped wave withstand test (impulse voltage) 차단파 시험에서는 방전이 일어나는 갭과 시편이 평행하게 배치된 상태에서 임펄스 전압이 갑자기 제거 된다. 이 시험에서는 이러한 차단파로부터 매우 큰 임펄스 전류를 얻는 것이 가능하다. 부싱이 본 시험조건에 불충분하도록 설계된 경우, 부싱 내부가 타서 콘덴서 층이 연결 되는 현상이 발생할 수 있다. Switching surge test 사용되는 파형 : 200/1000μs (연면방전을 일으킬 수 있는 최소전압) Correction for atmospheric conditions 공기중에서 부싱의 연면방전 특성은 기온, 기압, 습도 등의 영향을 받는다. 따라서 방전 시험을 위해서는 이러한 요소들이 사전에 측정되어야 하며, 이에 따라 인가 되는 전압의 크기 등이 조정되어야 한다.