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SUMMARY

CONTENTS

목차

제1장 연구개발과제의 개요 10

제1절 연구개발의 목적 및 필요성 10

제2절 연구개발의 범위 17

제2장 국내외 기술개발 현황 21

제1절 국내 기술 개발 현황 21

제2절 국외 기술 개발 현황 22

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 34

제1절 고효율화 설계기술 39

제2절 제조공정기술 80

제3절 전계 및 열해석 기술 106

제4절 Fuse 설계 기술 124

제5절 시작품 성능평가 154

제6절 해외 성능평가 시험 175

제7절 연도별 시작품 제작 현황 177

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 189

제5장 연구개발결과의 활용계획 199

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 203

제7장 참고문헌 205

부록(시험성적서) 209

Test Certificate 210

Test documents issued by the FGH Engineering & Test GmbH 211

Contents 212

Summary of Test Results 213

Drawings and Manufacturer's Routine Test Report 214

Test Circuits 219

Test Procedures and Results 221

Routine tests on the capacitor 9 kV, 591 kvar, S/N T6J1901S 221

Measuring of capacitance and loss angle at normal temperature 221

AC voltage test between terminals 221

AC voltage test between terminals and container, dry 221

Test of internal discharge device 221

Sealing test 221

Discharge test on internal fuses 222

Type tests on the capacitor 9 kV, 591 kvar, S/N T6J1901S 222

Thermal Stability Test 222

Results: 222

Diagram: 223

Measuring of capacitance and loss angle at elevated temperature 223

Measuring of capacitance and loss angle at normal temperature 223

AC voltage test between terminals and container, dry and wet 224

Lightning impulse voltage test between terminals and container 224

Short-circuit discharge test 224

DC voltage test between terminals: 224

Measuring of capacitance: 224

Disconnecting test on fuses on capacitors 1,8 kV, 118,2 kvar 225

Disconnecting test at lower voltage limit on the capacitor S/N T6P0201S 225

Disconnecting test at upper voltage limit on the capacitor S/N T6P0202S 225

Results 225

Opening of the capacitors and DC Voltage test 225

Pictures 226

검험보고 231

[표 1-1] 콘덴서와 관련된 기술 요약 18

[표 2-1] ABB사의 절연유 함침형 교류 콘덴서 정격 23

[표 2-2] ABB사의 1~20kV급의 정격전압을 갖는 단위콘덴서의 전력밀도 24

[표 2-3] 국내사의 6.6~13.2kV급의 정격전압을 갖는 단위콘덴서의 전력밀도 25

[표 2-4] 국내사의 1.9~3.8kV급의 정격전압을 갖는 단위콘덴서의 전력밀도 25

[표 2-5] 자기소호시 발생하는 가스 종류 30

[표 2-6] 절연유 함침형 콘덴서와 건식 콘덴서의 비교 33

[표 3-1] 최종 목표를 달성하기 위해 요구되는 핵심 세부기술별 개발 목표 35

[표 3-2] 1차년도의 목표, 주요연구내용, 사업수행방법 및 평가방법 36

[표 3-3] 2차년도의 목표, 주요연구내용, 사업수행방법 및 평가방법 37

[표 3-4] 3차년도의 목표, 주요연구내용, 사업수행방법 및 평가방법 38

[표 3-5] 대표적인 유전체의 특성 41

[표 3-6] 플라스틱 필름 유전체의 특성 42

[표 3-7] 수입산 폴리프로필렌 필름에 대한 기본적인 특성 46

[표 3-8] 수입산 폴리프로필렌 필름의 절연파괴시험 결과 47

[표 3-9] 수입산 폴리프로필렌 필름의 절연파괴시험 결과의 표준편차 48

[표 3-10] F의 임계값인 Fcritical(이미지참조)을 구하기 위한 도표(95% 신뢰수준) 49

[표 3-11] 선간전압 6.6kV 정격전압 3.8kV 단상 60Hz 167kvar 소형 모델 콘덴서 50

[표 3-12] 단자간 내전압 시험 결과 51

[표 3-13] 열화 시험 결과 51

[표 3-14] 유전체의 절연유 함침시간에 따른 Swelling 정도와 절연파괴전압의 변화 53

[표 3-15] 소형모델 콘덴서에 대해 실시한 단자간 내전압 시험 결과(선간전압 6.6kV 정격전압 4.38kV 단상 60Hz 100kvar) 55

[표 3-16] 소형모델 콘덴서에 대해 실시한 단자간 내전압 시험 결과(정격전압 5.3kV 단상 60Hz 152kvar) 56

[표 3-17] 선간전압 6.6kV, 정격전압 3800V 단상 60Hz 100kvar 사양의 소형 모델콘덴서 59

[표 3-18] 선간전압 6.6kV, 정격전압 3800V 단상 60Hz 100kvar 사양의 소형 모델콘덴서의 일반검사 결과 59

[표 3-19] 선간전압 6.6kV, 정격전압 3800V 단상 60Hz 100kvar 사양의 소형 모델콘덴서의 내구성 시험 결과 60

[표 3-20] One-way ANOVA(Analysis of Variance) 관련식 62

[표 3-21] 유의수준 5%에 해당하는 F값(degree of freedom=1, 50일 때) 64

[표 3-22] 세 그룹의 소자들에 대하여 실시한 교류 절연파괴시험 결과 66

[표 3-23] One-way ANOVA(Analysis of Variance) 관련 식에 따른 계산 결과 67

[표 3-24] 유의수준 5%에 해당하는 F값의 분포 (degree of freedom=2, 69일 때) 69

[표 3-25] 선간전압 3300V 정격전압 2190V 단상 60Hz 90kvar 사양의 소형 모델 콘덴서 71

[표 3-26] 선간전압 3300V 정격전압 2190V 단상 60Hz 90kvar 사양의 소형 모델콘덴서의 시험 결과 71

[표 3-27] 정격전압 3755V 단상 60Hz 200kvar 사양의 소형 모델 콘덴서 72

[표 3-28] 정격전압 3755V 단상 60Hz 200kvar 사양의 소형 모델 콘덴서의 시험 결과 72

[표 3-29] 선간전압 22900V 정격전압 6600V 단상 60Hz 278kvar 사양의 모델 콘덴서 73

[표 3-30] 선간전압 22900V 정격전압 6600V 단상 60Hz 278kvar 사양의 모델 콘덴서의 시험 결과 73

[표 3-31] 정격전압 7510V 단상 60Hz 400kvar 사양의 모델콘덴서 74

[표 3-32] 정격전압 7510V 단상 60Hz 400kvar 사양의 모델콘덴서의 시험 결과 74

[표 3-33] 절연유의 물리적인 특성 비교 77

[표 3-34] 절연유의 전기적인 특성 비교 78

[표 3-35] 콘덴서용 절연유 세 종류에 대하여 조사한 여러 가지 특성 비교 78

[표 3-36] 절연유의 특성 측정치(at 25℃) 79

[표 3-37] 권취장력별 일반시험 검사결과(선간정압 6.6kV 정격전압 3.8kV 단상 60Hz 100kvar 사양의 소형 모델콘덴서) 80

[표 3-38] 자유도(degree of freedom)과 t_critical 값 사이의 관계(신뢰도 95%) 82

[표 3-39] 권취장력별 과전압 수명시험 결과 84

[표 3-40] 국내 및 해외 선진사의 콘덴서 손실값 (tan δ) 수준 비교 86

[표 3-41] Al Foil 재질 구성 87

[표 3-42] AL-Foil 별 콘덴서 제품화 손실값 비교를 위한 모델콘덴서 사양 87

[표 3-43] 손실 측정 결과 87

[표 3-44] 손실비교를 위한 정격전압 3300V 단상 60Hz 70kvar 사양의 모델콘덴서 90

[표 3-45] 모델콘덴서의 일반검사 결과 90

[표 3-46] 손실비교를 위한 선간전압 22900V, 정격전압 6600V 단상 60Hz 278kvar 사양 91

[표 3-47] 모델콘덴서의 일반검사 결과 91

[표 3-48] 온도 상승 측정 결과 92

[표 3-49] 방전저항 결선에 따른 콘덴서 손실값 비교를 위한 모델콘덴서 사양 96

[표 3-50] 모델콘덴서의 일반검사 결과 96

[표 3-51] 방전저항 결선에 따른 콘덴서 손실값 비교를 위한 모델콘덴서 사양 97

[표 3-52] 모델콘덴서의 일반검사 결과 97

[표 3-53] 손실 최소화 평가 콘덴서 99

[표 3-54] 손실 최소화 평가 콘덴서의 일반검사 결과 99

[표 3-55] 함침공정 비교 103

[표 3-56] 함침시간 단축 평가를 위한 소형 모델콘덴서 사양 104

[표 3-57] 소형 모델콘덴서의 일반 시험 검사 결과 105

[표 3-58] 소형 모델콘덴서의 신뢰성 시험 결과 105

[표 3-59] 전기 및 열에 대한 물질상수값 122

[표 3-60] 탱크표면 상부 중앙에서의 온도분포 비교 122

[표 3-61/3-60] Fuse 재질별 및 직경별 용단 에너지의 측정 결과 127

[표 3-62/3-61] 동일한 저항값을 갖도록 Fuse 길이를 결정하고 이때의 용단 에너지와 Fuse의 저항 값으로부터 구한 용단전류값 128

[표 3-63/3-62] Fuse부 길이 변화 & 용단 Joule 131

[표 3-64/3-63] 결선부 길이 변화 & 용단 에너지 132

[표 3-65/3-64] 내장형 Fuse를 적용하기 위한 모델 콘덴서 사양 133

[표 3-66/3-65] Fuse 선정을 위한 용단 Joule 검토 133

[표 3-67/3-66] 시험품 일반검사 결과 134

[표 3-68/3-67] Fuse 내장 콘덴서의 일반시험과 Fuse 동작특성시험용 모델콘덴서 사양 136

[표 3-69/3-68] 시험품 일반검사 결과 * 절연성능 평가 IEC 60871-1 136

[표 3-70/3-69] Fuse 단선시험 결과 138

[표 3-71/3-70] Fuse 내장 콘덴서의 일반시험과 Fuse 동작특성시험용 모델콘덴서 사양 140

[표 3-72/3-71] 시험품 일반검사 결과 (절연성능 평가 IEC 60871-1) 141

[표 3-73/3-72] Fuse 내장 콘덴서의 일반시험과 Fuse 동작특성시험용 모델콘덴서 사양 142

[표 3-74/3-73] 시험품 일반검사 결과 (절연성능 평가 IEC 60871-1) 143

[표 3-75/3-74] 시험품 일반검사 결과 (절연성능 평가 IEC 60871-1) 147

[표 3-76/3-75] Fuse 단선시험 결과 149

[표 3-77/3-76] 시험품 일반검사 결과 (절연성능 평가 IEC 60871-1) 151

[표 3-78/3-77] 시험품 일반검사 결과 (절연성능 평가 IEC 60871-1) 152

[표 3-79/3-78] 1차년도 시작품 사양 158

[표 3-80/3-79] 연도별 시작품의 주요 시험 항목, 시험방법 및 판정기준 159

[표 3-81/3-80] 단자일괄-Case간 내전압 시험과 충격시험에서 적용된 시험전압 159

[표 3-82/3-81] 2차년도 시작품 사양 161

[표 3-83/3-82] 3차년도 시작품 사양 164

[표 3-84/3-83] 3차년도 시작품의 절연성능 평가 결과(규격 IEC 60871-1) 166

[표 3-85/3-84] 측정 부위에서의 온도상승값 173

[표 3-86/3-85] 연도별 시작품 비교 174

[표 3-87/3-86] 해외성능평가 시험 추진 현황 176

[표 4-1] 1차년도의 목표, 주요연구내용 및 사업수행방법 189

[표 4-2] 1차년도의 연구수행내용 및 달성도 190

[표 4-3] 2차년도의 목표, 주요연구내용 및 사업수행방법 191

[표 4-4] 2차년도의 연구수행내용 및 달성도 192

[표 4-5] 3차년도의 목표, 주요연구내용 및 사업수행방법 193

[표 4-6] 3차년도의 연구수행내용 및 달성도 194

[표 4-7] 최종목표 달성도 195

[그림 1-1] 유도성 부하에 역률 개선을 위해 병렬로 연결된 진상콘덴서 11

[그림 1-2] 진상콘덴서 설치에 따른 전류 벡터도 12

[그림 1-3] 전력의 성분과 전력비 역률 12

[그림 1-4] 진상콘덴서 설치에 따른 전력설비 여유 용량 증가 14

[그림 1-5] 진상콘덴서 구조 16

[그림 1-6] 진상콘덴서 관련 주요 기술 17

[그림 1-7] 진상용 콘데서의 Fuse 설치 방식 20

[그림 2-1] ABB사의 절연유 함침형 교류 콘덴서 정격 23

[그림 2-2] ABB사가 개발한 건식형 콘덴서 28

[그림 2-3] 절연유 함침형 콘덴서와 건식형 콘덴서의 전극 구조 28

[그림 2-4] 금속 증착 전극 방식 유전체 29

[그림 2-5] 자기소호가 일어나는 과정 30

[그림 2-6] segment형 금속전극 (예) 31

[그림 2-7] 콘덴서 뱅크 설치에 요구되는 면적 변화 추이 31

[그림 2-8] 건식형 콘덴서 뱅크 외형 32

[그림 2-9] 건식형 콘덴서 뱅크 외형 33

[그림 3-1] PET, PP 및 PPS의 온도의 변화에 따른 정전용량의 변화 43

[그림 3-2] PET, PP 및 PPS의 온도의 변화에 따른 손실의 변화 43

[그림 3-3] PET, PP 및 PPS의 주파수의 변화에 따른 손실의 변화 44

[그림 3-4] PET, PP 및 PPS의 온도에 따른 CR(Ohm-Farad)값의 변화 44

[그림 3-5] 유전체 A의 절연유 함침시간에 따른 Swelling 정도와 절연파괴전압의 변화 53

[그림 3-6] 유전체 B의 절연유 힘침시간에 따른 Swelling 정도와 절연파괴전압의 변화 54

[그림 3-7] 유전체 매수별 단자간 내전압 시험 결과 57

[그림 3-8] 유전체 매수별 부분방전발생량 측정 결과 57

[그림 3-9] 두 유전체 시료의 절연파괴전압 분포 61

[그림 3-10] 유의수준 5%에 해당하는 F값의 분포 (degree of freedom=1, 50일 때) 63

[그림 3-11] 세 그룹의 소자들에 대하여 실시한 교류 절연파괴시험 결과 67

[그림 3-12] 유의수준 5%에 해당하는 F값의 분포 (degree of freedom=2, 69일 때) 68

[그림 3-13] 연도별 설계전위경도 달성 목표 75

[그림 3-14] 절연유별 Gas Chromatograph 79

[그림 3-15] 부분방전 발생량과 권취장력 사이의 관계 81

[그림 3-16] 권취장력별 과전압 수명 시험 전경 83

[그림 3-17] 과전압 수명시험 결과로부터 구한 시간에 따른 권취장력별 절연파괴확률 85

[그림 3-18] Soldering 방식 89

[그림 3-19] Lead Tap 방식 89

[그림 3-20] 온도 상승 시험 전경 92

[그림 3-21] 초기에 충전전압 E로 충전된 상태에서 방전을 시작하는 회로도 93

[그림 3-22] 절연유의 온도에 따른 BDV 비교 101

[그림 3-23] 수소가스 흡수율 측정 결과 102

[그림 3-24] 과전압 수명특성 (PXE) 102

[그림 3-25] 과전압 수명특성 (Jarylec) 102

[그림 3-26] 전력용 콘덴서의 3차원 해석을 위한 간략화 모델 107

[그림 3-27] 전력용 콘덴서의 2차원 해석모델 107

[그림 3-28/3-29] 전력용 콘덴서 소자의 단면 개략도 109

[그림 3-29/3-30] 국부 열원 근사법에 의한 열원 매핑. 109

[그림 3-30/3-31] 임의의 소체 단면에 대한 전체 전류밀도 분포 및 열원의 밀도 분포도 110

[그림 3-31/3-32] 지점 A 및 B에서의 열원 계산 117

[그림 3-32/3-33] 선형함수근사에 의한 등가 열원분포. 118

[그림 3-33/3-34] 열-유동 해석모델 및 격자망 120

[그림 3-34/3-35] 온도분포 해석 결과 120

[그림 3-35/3-36] 온도분포 확대도 121

[그림 3-36/3-37] 열유동장 흐름의 속도벡터. 121

[그림 3-37/3-38] Fuse 내장형 콘덴서의 Fuse 결선 방식 125

[그림 3-38/3-39] 고장소자로 돌입되는 전류에 의하여 Fuse가 용단되는 경우 126

[그림 3-39/3-40] 병렬로 결선된 소자에 저장된 에너지가 고장소자로 방출되어 Fuse가 용단되는 경우 126

[그림 3-40/3-41] Fuse 재질별 및 직경별 용단 에너지 분포 128

[그림 3-41/3-42] 방전에너지에 따른 Fuse의 용단확률분포(Ag Φ1) 129

[그림 3-42/3-43] 방전에너지에 따른 Fuse의 용단확률분포(Cu Φ2) 129

[그림 3-43/3-44] 방전에너지에 따른 Fuse의 용단확률분포(Cu Φ4) 130

[그림 3-44/3-45] Fuse 형상에 따른 고유저항 및 용단에너지 측정 131

[그림 3-45/3-46] Fuse 단선시험 장비 139

[그림 3-46/3-47] 고장이 발생한 콘덴서 소자 139

[그림 3-47/3-48] Fuse의 용단에 의해 분해된 Fuse의 잔해물 140

[그림 3-48/3-49] 고장이 발생한 내부 소자의 위치 145

[그림 3-49/3-50] 고장이 난 소자와 건전소자 사이에서 용단된 Fuse 145

[그림 3-50/3-51] 고장이 발생한 소자의 고장 발생 위치 146

[그림 3-51/3-52] 고장 발생 부위 확대도 146

[그림 3-52/3-53] Fuse 단선시험 장비 149

[그림 3-53/3-54] 고장이 발생한 콘덴서 소자 150

[그림 3-54/3-55] Fuse의 용단에 의해 분해된 Fuse의 잔해물 151

[그림 3-55/3-56] 1차년도 시작품의 외형 158

[그림 3-56/3-57] 1차년도 시작품 시험성적서 160

[그림 3-57/3-58] 2차년도 시작품의 외형 162

[그림 3-58/3-59] 2차년도 시작품 시험성적서 162

[그림 3-59/3-60] 2차년도 시작품의 외형 165

[그림 3-60/3-61] 3차년도 시작품 시험성적서 165

[그림 3-61/3-62] 고장이 발생한 콘덴서 소자의 위치 167

[그림 3-62/3-63] 단선된 Fuse 형상 167

[그림 3-63/3-64] 고장 발생 소자 168

[그림 3-64/3-65] 고장 발생 부위 확대도 168

[그림 3-65/3-66] 절연파괴 발생위치 상세도 169

[그림 3-66/3-67] 열안정성시험 전경 170

[그림 3-67/3-68] 열안정성시험 결과 171

[그림 3-68/3-69] 열안정성시험 결과 172

[그림 3-69/3-70] 연도별 시작품 외관 비교 173

[그림 5-1] 고전압 직류 콘덴서의 활용 분야 201

[그림 5-2] 고전압 교류 콘덴서의 활용 분야 202

[그림 5-3] 국내의 콘덴서 관련 기술 개발 현황 및 전망 202

Fig. 1: Test circuit for measuring of capacitance and loss angle, for the thermal stability test and for AC voltage test between terminals 219

Fig. 2: Test circuit for AC voltage test between terminals and container 219

Fig. 3: Test circuit for lightning impulse voltage test between terminals and container 220

Fig. 4: Test circuit for discharge test on internal fuses, short-circuit discharge test, DC voltage test between terminals and after the disconnecting test on fuses 220

Pic. 1: Set-Up for Discharge test on internal fuses 226

Pic. 2: Set-Up for Short-circuit discharge test 226

Pic. 3: Set-Up for Thermal Stability Test in the climatic chamber of the FGH 226

Pic. 4: Measuring points of temperature 226

Pic. 5: Set-Up for disconnecting test on fuses 227

Pic. 6: Undamaged internal fuse 227

Pic. 7: Hole of the nail in the condenser coil 227

Pic. 8: Disconnected fuse (test at upper voltage limit) 227

Pic. 9: Disconnected fuse (test at lower voltage limit) 227

I. 제목

고효율 진상용 콘덴서 개발(13.2kV 1,000kvar Non Self-healing Type)

II. 연구개발의 목적 및 필요성

전기에너지 및 전력설비의 효율적인 이용에 필수 전력기기인 진상용 콘덴서의 고효율화 및 대용량화가 본 연구개발의 목적이다. 개발 초기에, 국산 콘덴서는 자체 손실이 컸고 설계전위경도가 낮아 에너지 절약 및 단기콘덴서의 대용량화에 걸림돌이 되고 있었다. 결과적으로 국외 선진 메이커 제품에 비해 가격 및 기술경쟁력이 열등한 실정이어서 이러한 격차를 극복하고 포화된 국내 시장을 벗어나 해외 시장 점유율 제고를 위한 연구개발이 시급히 필요하였다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

1. 설계전위경도 향상기술 개발

1) 유전체 특성 조사 분석

2) 절연유 특성 조사 분석

3) 유전체와 절연유 상호작용 특성 분석

4) 유전체 매수별 절연특성 분석

=> 목표 설계전위 경도 : 80V/㎛급

2. 제조 공정 기술 개발

1) 소자 권취장력 확보

2) 손실 저감을 위한 단말부 처리 기술

3) 함침공정조건 확보

3. 고효율화 기술 개발

1) 손실 발생 요인 분석

2) 요인별 손실 저감 대책 마련

3) 콘덴서 자체 손실 목표 : 0.2W/kvar 이하

4. 대용량화기술 개발

1) 단기콘덴서 용량 목표 : 1,000 kvar

5. Fuse 설계기술 개발

1) Fuse 재질별 형상별 용단특성 분석

2) Fuse 형상 설계를 위한 Database 구축

3) Fuse 적용 기술 개발

6. 콘덴서 해석기술 개발

1) 콘덴서 전계해석 기술

2) 콘덴서 열해석 기술

7. 콘덴서 성능평가

1) 국제규격 IEC 60871-1 및 IEC 60871-4에 근거하여 성능평가 시험 실시

IV. 연구개발결과

1. 설계전위경도 향상기술 개발 완료

1) 유전체 특성 조사 분석

2) 절연유 특성 조사 분석

3) 유전체와 절연유 상호작용 특성 분석

4) 유전체 매수별 절연특성 분석

=> 80V/㎛급 설계전위경도 달성

2. 제조 공정 기술 개발 완료

1) 소자 권취장력 확보

2) 손실 저감을 위한 단말부 처리 기술

3) 함침공정조건 확보

3. 고효율화 기술 개발 완료

1) 손실 발생 요인 분석

2) 요인별 손실 저감 대책 마련

3) 콘덴서 자체 손실 0.2W/kvar 이하 달성

4. 대용량화기술 개발 완료

1) 단기콘덴서 용량 1,000 kvar 달성

5. Fuse 설계기술 개발 완료

1) Fuse 재질별 형상별 용단특성 분석

2) Fuse 형상 설계를 위한 Database 구축

3) Fuse 적용 기술 개발

6. 콘덴서 해석기술 개발 완료

1) 콘덴서 전계해석 기술

2) 콘덴서 열해석 기술

7. 콘덴서 성능평가 완료

1) 국제규격 IEC 60871-1 및 IEC 60871-4에 근거하여 성능평가 시험 실시

V. 연구개발결과의 활용계획

1. 기보급된 저효율 콘덴서 대체 보급

2. 판넬타입 조상설비용 콘덴서에 적용

3. Dry Type 콘덴서 개발에 활용

4. 신제품 개발에 활용