급격한 전압 임펄스 하의 HTV 코팅 복합 도자 절연자의 붕괴: 메커니즘, 시험 및 시뮬레이션
세라믹과 유리 절연자는 우수한 절연 성능과 기계적 강도를 보여주지만, 심각한 오염 조건에서는 오염 플래시오버에 취약하여 전력망의 안정적인 운영을 위협합니다. 외부 절연의 플래시오버 저항성을 향상시키기 위해 제조업체들은 일반적으로 우수한拨杆生成的内容似乎被截断了，让我继续完成翻译：
세라믹과 유리 절연자는 우수한 절연 성능과 기계적 강도를 보여주지만, 심각한 오염 조건에서는 오염 플래시오버에 취약하여 전력망의 안정적인 운영을 위협합니다. 외부 절연의 플래시오버 저항성을 향상시키기 위해 제조업체들은 일반적으로 우수한 소수성 및 소수성 전이 특성을 가진 실온 경화형 실리콘 고무(RTV) 코팅을 절연체 표면에 적용하여 플래시오버 위험을 줄입니다. 초기에는 중국에서 RTV 코팅이 현장에서 시공되었으며, 이 방법은 시공 난이도가 높고 품질 관리가 일관되지 않았습니다. 그 후 공장에서의 담그기 또는 스프레이 방식이 개발되어, RTV 코팅이 된 절연자가 감독 및 수락 대상인 완제품으로 배송되면서 제품 품질이 크게 향상되고 전력망에서 널리 사용되었습니다. 그러나 RTV 코팅은 기계적 강도가 낮고 절연체와의 인터페이스 접착력이 약해, 운송, 시공, 설치, 장기간 운영 중 외부 힘으로 손상되기 쉽습니다. 피복, 균열, 박리 등 운용 노화 현상이 흔히 발생하여 분해 및 재코팅이 필요하며, 유지보수 비용이 높아집니다. 디스크 현수 복합 세라믹 절연자는 전체 세라믹 절연자를 핵심으로 하며, 최소 두께 3mm의 고온 경화형 실리콘 고무(HTV) 케이스를 고온 주입 성형 과정을 통해 단일 성형으로 형성합니다. RTV와 비교하여 HTV는 더 우수한 기계적 강도와 추적 및 부식 저항, 난연성, 전기적 특성, 노화 저항, 고온 내구성 등을 보여줍니다. 또한 세라믹 표면의 유약층을 수정하고 특수 결합제를 사용함으로써, 세라믹과 HTV 실리콘 고무 사이의 인터페이스 결합 강도가 크게 향상되어 구성 요소의 통합과 균일성이 증진됩니다. 결과적으로, 디스크 현수 복합 세라믹 절연자는 우수한 기계적 및 오염 플래시오버 성능과 낮은 운용 및 유지보수 요구 사항을 제공하여 송전선로의 외부 절연 응용에 새로운 길을 열었습니다. 현장 경험에 따르면, 상공 선로가 번개에 맞으면 발생하는 과전압은 매우 짧은 지속 시간, 높은 경사도, 그리고 매우 높은 피크 전압을 가진 급격한 전압 변동을 포함하며, 이는 선로 절연자에게 큰 위협을 미칩니다. 이러한 급격한 임펄스는 디스크 절연자의 파열 또는 폭발을 초래할 수 있으며, 심각한 경우에는 절연자 줄이 끊어지고 선로가 떨어지는 경우도 있습니다. 급격한 전압 변동 저항성은 절연자 품질의 중요한 지표입니다. 국내외적으로 세라믹 및 유리 절연자의 급격한 전압 변동 성능에 대한 광범위한 연구가 이루어졌지만, 디스크 현수 복합 세라믹 절연자에 대한 연구는 아직 부족하고 그 기본 메커니즘은 잘 이해되지 않았습니다. 따라서 본 논문은 디스크 현수 복합 세라믹 절연자에 대한 공기 중 임펄스 파괴 테스트를 수행하여 그들의 급격한 전압 변동 파괴 특성을 조사합니다. 공기 중 임펄스 파괴 테스트는 전기 장비의 급격한 전압 변동 저항 성능을 효과적으로 평가하여 극단적인 조건에서도 안전성과 신뢰성을 보장하며, 절연자 품질 평가에 중요한 가치를 가지게 합니다. 본 연구는 먼저 임펄스 파괴 테스트를 수행하여 급격한 전압 변동 성능을 분석한 다음, 테스트 결과를 바탕으로 급격한 전압 변동의 피크 전압에서의 전기장 분포 시뮬레이션을 설정하여 성능 변화 메커니즘을 탐색하고, 송전선로에서 복합 세라믹 절연자의 절연 조정에 대한 지침을 제공하려고 합니다. 1 공기 중 임펄스 파괴 테스트 설정 1.1 시료 제조사에서 생산된 HU550B240/650T 교류 디스크 현수 복합 세라믹 절연자가 시험 시료로 선택되었습니다. 절연자는 삼중 우산 구조를 가지고 있으며, 그림 1에 나타나 있습니다. 주요 성능 매개변수는 표 1에 나열되어 있습니다. 1.2 테스트 플랫폼 및 계획 공기 중 임펄스 파괴 테스트는 총 20개의 절연자 시료에 대해 수행되었습니다. 공기 중 임펄스 파괴 테스트 방법은 경사도 방법과 진폭 방법으로 나뉘며, 진폭 방법은 주로 디스크 절연자에 사용됩니다. 본 연구에서는 진폭 방법을 사용하였으며, 이 방법은 임펄스 앞부분의 선형성을 요구하지 않고 단순히 파괴 전압의 진폭만을 기준으로 하며, 앞부분 시간은 100~200 ns 사이로 제어되고 진폭 편차는 ±10% 내로 유지됩니다. 테스트 중 각 절연자는 5회의 양극성 임펄스 전압에 이어 5회의 음극성 임펄스 전압을 받았으며, 이 순서는 한 번 더 반복되었습니다. 연속된 임펄스 간 간격은 1~2분으로 유지되었습니다. 국내외 연구에 따르면, 세라믹 절연체 표면에 실리콘 고무를 코팅하면 세라믹 절연체의 표면 스트리머의 전파 속도가 변경되어 급격한 전압 변동 저항 성능이 감소합니다. 그러나 실제 운용에서는 절연체 머리부의 절연 성능은 영향을 받지 않습니다. 이 현상은 국내 10여 개의 디스크 절연체 제조업체에서 확인되었습니다: 깊은 리브형 또는 교대 우산형의 쉐드 프로필, 원통형 또는 원뿔형의 머리부 구조 여부에 관계없이, 모든 절연체는 실리콘 고무 코팅 후某种程度上，我的回复被截断了。以下是剩余部分的完整翻译：
이 현상은 국내 10여 개의 디스크 절연체 제조업체에서 확인되었습니다: 깊은 리브형 또는 교대 우산형의 쉐드 프로필, 원통형 또는 원뿔형의 머리부 구조 여부에 관계없이, 모든 절연체는 실리콘 고무 코팅 후 급격한 전압 변동 저항 성능이 어느 정도 감소합니다. 결과적으로 관련 표준이 수정되어, RTV 코팅이 된 디스크 절연체의 공기 중 임펄스 파괴 테스트 진폭이 2.8 p.u.에서 2.2 p.u.로 감소되었습니다. 예비 테스트 결과, 2.2 p.u.에서의 파괴는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났습니다. 따라서 본 연구에서는 RTV 코팅이 없는 세라믹 절연자를 선택하고, 표준 테스트 전압 2.8 p.u.에서 공기 중 임펄스 파괴 테스트를 수행했으며, 전압 앞부분 시간은 100~200 ns 범위로 제어되었습니다. 전압 극성 및 파괴 위치에 대한 추가 통계 분석 결과, 15건의 파괴 사건 중 14건은 양극성에서, 1건은 음극성에서 발생했습니다. 양극성 파괴 중 8건은 머리부에서, 6건은 쉐드에서 발생했으며, 1건의 음극성 파괴는 머리부에서 발생했습니다. 또한, 쉐드 파괴 전에는 절연체 표면에서 아크가 관찰되었으나, 머리부 파괴에서는 그러한 아크가 관찰되지 않았습니다. 그러나 참고 자료에 따르면, 모든 세라믹 절연체의 급격한 전압 변동 파괴는 머리부에서 발생했으며, RTV 코팅 전후 모두 머리부에서 파괴가 발생했습니다. 반면, 본 테스트에서는 일회 주입 성형 HTV 코팅이 없는 동일한 배치의 세라믹 절연체에서 급격한 전압 변동 파괴는 모두 머리부에서 발생했습니다. HTV 덮개 후, 복합 세라믹 절연체의 파괴는 머리부뿐만 아니라 목부에서도 발생하여, HTV 실리콘 고무 코팅이 파괴 경로를 변경한다는 것을 나타냅니다. 파괴 전까지의 임펄스 적용 횟수는 기록되었으며, 그 결과는 그림 4에 나타나 있습니다. 그림에서 12개의 절연체는 처음 5번의 임펄스 내에 파괴되었고, 1개는 7번째 임펄스에서, 2개는 15번째 임펄스에서 파괴되었습니다. 참고 자료에 따르면, RTV 코팅이 된 세라믹 절연체는 급격한 전압 변동 저항 성능이 크게 감소하며, 더 큰 톤수의 절연체일수록 파괴 확률이 높아, 실리콘 고무 코팅이 급격한 전압 변동 저항을 저하시키는 것으로 나타났습니다. 본 테스트에서 80%의 HTV 덮개가 있는 복합 절연체는 처음 4번의 임펄스 내에 파괴되었으며, 이는 HTV 실리콘 고무의 존재가 절연체의 급격한 전압 변동 저항 능력을 크게 감소시킨다는 것을 더욱 명확히 보여줍니다. 3 급격한 전압 변동의 피크 전압에서의 전기장 분포 시뮬레이션 제 2절의 테스트 결과 분석에 따르면, 세라믹 절연체와 비교하여 복합 절연체의 파괴 경로가 변경되고 급격한 전압 변동 저항 성능이 크게 감소했습니다. 본 절에서는 복합 절연체의 임펄스 전압 피크에서의 전기장 분포를 시뮬레이션을 통해 계산하여, 변경된 파괴 경로와 감소된 급격한 전압 변동 성능의 원인을 조사합니다. 2.1 시뮬레이션 모델 공기 중 임펄스 파괴 테스트 결과, 복합 절연체에서 쉐드 플래시오버가 발생할 때, 아크는 절연체 표면을 따라 파괴 위치까지 발달합니다. 아크의 존재는 전기장 분포에 영향을 미치므로, 모델에 고려해야 합니다. 그러나 아크의 불규칙한 형태로 인해 3D 모델을 설정하는 것은 어렵습니다. 특히, 실리콘 고무 층이 얇고 전체 절연체보다 크기가 작아 3D 메싱이 어려울 수 있습니다. 따라서, 실리콘 고무 층과 아크가 전기장 분포에 미치는 영향을 정성적으로 분석하기 위해, 본 절에서는 2차원 축대칭 모델을 사용하여 단순화합니다. 시뮬레이션 모델은 그림 5에 나타나 있습니다. 2.2 재료 및 경계 조건 절연체의 50% 번개 임펄스 플래시오버 전압은 145 kV이며, 2.8 p.u.의 급격한 전압 변동의 피크 값은 406 kV입니다. 대부분의 시험 시료가 양극성 파괴를 겪었으므로, 시뮬레이션에서는 핀(강철 핀)이 고전위(406 kV)이고 캡(강철 캡)이 0 전위로 설정되었습니다. 재료의 상대 유전율 값은 표 2에 나열되어 있습니다. 2.3 시뮬레이션 결과 및 분석 실리콘 고무 코팅이 없는 모델에서, 급격한 전압 변동의 피크 전압에서 세라믹 절연체의 전기장 분포는 그림 6(a)에 나타나 있습니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이, 전기장 강도는 주로 절연체의 머리부에 집중되어 50 kV/mm에 이를 정도로, 머리부 플래시오버 가능성이 높음을 나타냅니다. 이는 현장 경험 및 관련 연구와 일치합니다. 실리콘 고무 코팅의 영향을 비교 분석하기 위해, 일회 주입 성형 실리콘 고무가 있는 복합 절연체 모델의 전기장 분포를 계산하였으며, 그 결과는 그림 6(b)에 나타나 있습니다. 그림 6(b)에서, 최대 전기장은 절연체 하부 표면의 아크 끝에서 219.4 kV/mm로 발생하며, 상부 표면의 아크 끝에서의 전기장 강도는 41.21 kV/mm로 낮습니다. 또한, 핀 머리부에서도 상당한 전기장 집중이 발생하여, 최대 50.68 kV/mm로 나타납니다. 따라서, 실리콘 고무 코팅의 영향으로 절연체 표면 저항이 증가하여, 쉐드에서의 체적 용량 전류와 표면 저항 전류의 비율이 크게 증가합니다. 이로 인해 절연체 표면에 수직인 전기장 성분이 크게 증가하여, 아크가 발생한 후에 표면을 따라 밀착하게 됩니다. HTV 코팅의 영향으로, 급격한 전압 변동에 노출된 상태에서 표면 아크는 절연체 표면을 따라 전파되어 국부적 전기장 강도가 급격히 증가합니다. 이는 핀 머리부의 전기장 강도를 크게 초과하여, 아크 끝에서 파괴가 더 쉽게 발생하여 쉐드 플래시오버를 초래합니다. 이는 쉐드 표면의 HTV 코팅이 급격한 전압 변동 저항 성능에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 또한, 시뮬레이션에서 절연체 머리부에서도 상대적으로 높은 전기장이 관찰되어, 테스트에서 관찰된 머리부 파괴와 일치합니다. 3 결론 복합 절연체에 대한 공기 중 임펄스 파괴 테스트를 수행하여 급격한 전압 변동 파괴 특성을 분석하고, 급격한 전압 변동의 피크 전압에서의 전기장 분포 시뮬레이션을 수행하였습니다. 다음과 같은 결론을 도출하였습니다: 2.8 p.u.의 급격한 전압 변동에서 20개의 복합 절연체 시료 중 15개가 파괴되었으며, 80%가 처음 4번의 임펄스 내에 파괴되어, HTV 실리콘 고무의 존재가 복합 절연체의 급격한 전압 변동 저항 성능을 크게 감소시킨다는 것을 나타냈습니다. 15건의 파괴 사건 중, 핀 머리부의 플래시오버 외에도 6건이 쉐드에서 발생하여, 전통적인 세라믹 절연체와 비교하여 전체 파괴 경로가 명확히 변경되었다는 것을 나타냈습니다. 시뮬레이션 결과, 복합 절연체에서의 표면 아크 전파로 인해, 전압 피크에서의 쉐드 전기장 강도가 217.64 kV/mm로 크게 증가하여, 쉐드 플래시오버가 더 쉽게 발생합니다. 반면, 실리콘 고무 층이 없는 절연체의 경우, 아크 발생 중 최대 전기장은 핀 머리부에서 49.55 kV/mm로 발생하며, 주로 여기에서 파괴가 발생합니다.
테스트에는 2400 kV 임펄스 전압 발생기가 사용되었습니다. 절연자 캡은 접지된 금속판 위에 아래쪽으로 배치되었으며, 핀 끝에 표준 볼 소켓이 설치되어 핀 주변의 시멘트 부분에서 과도한 전기장 집중을 방지했습니다. 절연자 설정은 그림 2에 도시되어 있습니다.
