애자련 효율과 열화원인

 

현수애자의 애자련 효율과 열화원인 및 불량애자 검출방법에  대하여 서술하시오.

1. 개요

가. 전선을 철탑 등의 지지물에 연결시킴과 동시에 지지물과 전선 사이를 절연시키기 위해 사용되는 절연지지체를 애자라고 한다.

나. 전철용 애자는 전차선과 곡선당김금구 등을 지지하는 지지애자와 급전선, 전차선, 부급전선 등을 전기적으로 구분하는 구분용 애자로 나눌 수 있는데 이것은 일반적으로 풍설, 심한 기온 변화, 공해물질, 매연, 분진과 염해지역에서의 염분에 의한 오손,

다. 내뢰.외뢰에 의한 이상전압, 특히 전철설비의 고유특성인 진동 등의 가혹한 조건에서 사용되며,

라. 장기간에 걸쳐 사용 중 과대한 스트레스(기계적, 전기적), 취급 부주의 등 여러 가지 원인으로 열화를 초래한다.

 

2. 애자의 구비조건

가. 선로의 정격전압뿐만 아니라 고장시의 내부 이상전압 발생 시에도 충분한 절연내력을 가질 것.

나. 비, 눈, 안개 등 자연조건하에서도 충분한 전기적 표면저항을 가지고 누설전류가 작을 것.

다. 전선의 무게를 비롯하여 바람, 눈 등 외력이 가해지더라도 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 가질 것.

라. 정격전압에 대해서는 코로나 방전을 일으키지 않고 만일 표면에 아크(arc)라든지 코로나가 일어나더라도 그에 의해서 파괴되거나 상처를 남기지 않을 것.

마. 내구력이 있고 가격이 저렴할 것.

 

3. 현수애자의 애자련의 효율

가. 애자련의 각 애자는 자체의 정전용량 Cm[pF] 외에 애자금구와 철탑(대지), 금구와 전선과의 사이에 각각 Ce[pF], Cd[pF]의 정전용량을 가지고 있다. 각 애자의 전압 분담은 균등하지 않고 전선에 가장 가까운 애자가 가장 분담비가 크고 중간의 것은 낮고 지지물에 가까운 것은 약간 커진다. 이와 같이 각 애자의 분담 전압은 서로 다르기 때문에 그저 애자수를 늘린다고  해서 그 개수에 비례해서 애자련의 절연내력이 증가하는 것은 아니다.

나. 한편, 전압분포가 불평등할 경우에는 분담비가 작은 애자에 비해서 분담비가 큰 애자 쪽이 그만큼 더 열화 되기 쉬우므로 애자 전체로서의 이용률은 저하하게 된다.

다. 인가전압을 증대해 가면 전압 분담비가 큰 전선 측의 애자에 코로나가 발생해서 애자 자체의 외견상의 정전용량이 약간 증가하게 되므로 전압 분포가 개선되어  섬락직전에서는 전압 분포가 거의 균등하게 되고 있다. 이러한 효과를 더 높이기 위해서 전선 측에 초호환(arcing ring) 또는 초호각(arcing horn)을 붙여서 전선에 대한 정전용량(Cd)을 늘리도록 하고 있다. 또 초호환(arcing ring) 또는 초호각(arcing horn)은 선로의 섬락시 애자파괴 방지, 역섬락시 애자파괴 방지하는 데에도 효과가 있다.

 

4. 애자련의 각 애자 전압분담

가. 애자의 표면이 깨끗한 경우

표류용량의 영향으로 각 애자의 분담전압은 각각의 애자에 대하여 다르게 나타난다. 애자련이 길어지면 분담전압의 불균형은 더욱 커지므로 애자련에 쉴드링을 붙여 전압분담을 고르게 한다.

나. 애자 표면이 더러운 경우

애자 표면이 오손된 상태에서는 표면으로 흐르는 누설전류에 의해 표류용량이 감소되거나 없어져 표면저항의 크기에 비례해 전압분담이 된다.

다. 전압분포가 불평등할 경우

분담비가 작은 애자에 비해 큰 애자 쪽이 그만큼 더 열화되기 쉬우므로 애자 전체로서의 이용률은 저하된다. 따라서 전압분포를 균등하게 하기 위하여 애자금구와 대지간의 커패시턴스를 늘려서 애자금구와 전선사이의 커패시턴스를 같은 정도로 하면 상호간의 작용은 상쇄되어 전압분포는 매우 좋아진다.

 

5. 애자의 열화 원인

애자는 오래 사용하는 동안에 여러 가지 원인으로 자기 절연층에 균열 또는 관통 구멍이 생겨 절연저항과 절연내력이 저하되어 전기적 특성이 열화되고 인장강도가 저하하여 기계적으로도 열화된다. 이러한 애자의 열화는 그 사용 상태와 설치위치에 따라 다르다. 현수상으로 설치된 현수 애자련에서는 맨 위쪽의 애자가 제일 열화 되기 쉽고, 내장성의 애자련에서는 전선에 가까운 애자가 열화되기 쉽다. 이러한 열화는 대부분이 전기적이며, 기계적인 열화는 매우 드물다.

가. 애자 제조시의 결함

1) 애자 제조상 자기질의 불량

2) 시멘트의 불량

3) 접속 방법의 불완전

4) 자기소성 냉각법의 부적당

나. 온도의 영향

햇빛의 직사에 의하여 고온으로 된 애자가 비에 젖어 급격히 냉각되면 심한 온도의 변화를 받는다. 애자는 팽창계수가 다른 자기, 철, 시멘트 등으로 되어 있으므로 각부에 스트레스가 생기고 애자가 열화 된다.

다. 시멘트의 화학 팽창

시멘트는 오랜 세월이 지남에 따라 공기 중의 수분, 탄산가스를 흡수하여 경화 팽창을 한다. 이 때문에 자기에 스트레스를 주어 열화의 원인이 된다.

라. 자기적 스트레스와 코로나에 의한 영향

선로전압에 의한 전기적 스트레스, 그 밖의 이상전압에 의하여 큰 스트레스를 받으면 자기가 열화한다. 현수애자는 클레버스 부분이 약간 뾰족하고 또한 이것을  2개 이상 연결했을 경우 클레버스 선단과 위쪽 애자 사이의 공기가 스트레스를 받아서 열화한다. 또 해안지방은 바다 바람 때문에 표면에 누설전류가 흐르든지, 코로나 때문에 국부적으로 가열되어 열화되고 나중에는 전기적으로 파괴된다.

 

6. 열화 검출방법

가. 정전 상태

1) 육안 검사에 의한 방법

열화 진단을 위한 육안 관찰 방법은 소수성(물을 빨아들이지 않는 성질)의  정도, 하우징의 트래킹정도, 하우징의 변형 및 관통, 코아의 노출여부, 씰링부의 열화정도 등에 초점을 두고 있다. 이 방법은 고성능 망원경과 같은  검사 장비를 이용하여 지상 또는 헬기에서 절연물 표면의 손상을 검사하기도 하며 카메라를 이용하여 검사하기도 한다.

2) 절연저항 측정에 의한 방법 - 1000[V] 절연저항계로 측정하여 대체로 1000[MΩ] 이상이면 양호.

나. 활선 상태

1) 분담 전압기의 조사에 의한 방법

가) 캡식 및 네온관식 불량애자 검출기

애자의 캡에 접촉자를 대고 그 애자의 분담전압에 상당하는 방전음 또는 방전관에 의해서 양부를 판단한다.

나) 음향 펄스식 검출기

애자 개개의 분담전압을 정량적으로 측정하며, 애자 중 불량애자가 개재하면 그 애자의 분담전압이 전후의 건전한 애자의 분담전압에 비해서 크게 저하되는 것을 이용하여 애자의 양부를 판단한다.

2) 코로나 방전 모니터링

광 증폭 장비를 이용하면 애자 표면에서 발생하는 방전현상을 감지해 낼 수 있다. 연속적이고 안정화 된 방전현상은 하우징 재료에 상당한 침식을 일으킬 수 있다. 부분방전에 의해 방사되는 대부분의 에너지 파장은 300~380 nm로 UV-A 파장 범위에 해당한다. 이 기법은 밤에만 사용될 수 있고 이 장비를 이용하여 진단할 때 방전 현상이 있어야만 쉽게 검출해 낼 수 있으므로 상당한 불편을 야기한다. 최근에는 낮 시간에도 검출 가능한  코로나 검출 카메라에 대한 연구가 활발하다.

3) 적외선 분석

자연 상태에서 애자가 열화 되면 표면의 누설전류가 증가하게 되어 애자 표면에서 열이 발생하게 되므로, 이를 검출하기 위해 적외선 열분석기가  사용된다. 이를 이용한 경우 지상에서도 애자의 건전상태를 판단할 수 있으며, 애자의 열화된 부분이나 정도까지도 검출해 낼 수 있다.

4) 전위분포 측정법

캡 금구에 접촉자를 대고 고저항을 통한 대지에서의 누설전류를 정류기를 통해 마이크로미터에서 읽어 애자의 양부를 판단한다.

5) 전계측정

애자의 길이 방향으로 전계분포를 측정하여 결함 상태를 검출하는 방법이다. 대체로 전계 분포는 결함이 있는 위치에서 다소 급격한 변화를 갖게 된다. 프로브를 애자의 길이 방향으로 이동하면서 측정하고 이를 컴퓨터를 이용하여 분석하게 된다. 그러나 이 방법은 프로브를 설치하기 위해 애자 근처까지 접근하여야 하는 불편함이 있다.