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세계 최초의 800kV 피뢰기용 초고내압 ZnO 소자
 ZnO Nonlinear Resistors for Lightning Arrestor with World's Highest Operating Voltage

 

자료집필: 국제테크노정보연구소

서 론

전력의 안정공급이 필수인 정보화사회에 있어서는 전력유통이 중요한 역할을 하고 있으며, 경제성과 환경조화의 관점에서 기기의 컴팩트화가 요구되고 있다. 특히, 도시지역에서는 변전소 등의 전력 유통설비의 용지가 한정되어 있기 때문에 대형 빌딩 등의 지하공간을 활용하여 변전소가 건설되므로 컴팩트화의 요구가 높다. 이 때문에, 축소형 변전기기 개발이 계속적으로 추진되고 있다. 이 중에서 변전기기에 사용되는 재료의 사용환경은 더욱 엄격해지고 있어, 재료에 관한 여러가지 개발이 추진되고 있다.
변전기기에서는 그 절연 협조를 하는데 있어서, 피뢰기가 중요한 역할을 담당하고 있다. 변전소의 구성과 함께 피뢰기의 기능을 그림 1에 나타낸다. 피뢰기는 차단기나 변압기의 전후에 다수 설치되어 송전계통에 발생하는 여러가지 이상전압(서지)을 흡수하여, 차단기나 변압기를 보호하는 역할을 하고 있다. 여기서, 피뢰기가 흡수해야 할 서지로서는 낙뢰시에 발생하는 뇌서지, 차단기의 동작시에 발생하는 개폐서지, 송전계통의 지락사고시에 발생하는 단시간 과전압 등이 있다.

지금까지 피뢰기 개발에 있어서는 보호특성을 향상시켜 변전기기의 컴팩트화를 달성할 수 있는 고성능화와 피뢰기 자체의 컴팩트화 개발을 계속적으로 추진해 오고 있다. 근년, 변전소의 축소를 실현하기 위해, 절연성이 뛰어난 6불화유황(SF6) 가스를 이용한 가스 절연 개폐장치(GIS: Gas Insulated Switchgear)가 많이 사용되고 있다. GIS는 차단기, 단로기, 피뢰기 등이 수납되어 있는 복합적인 개폐장치이며, 피뢰기의 컴팩트화는 이 GIS용에 있어서 특히 요구가 높다.
여기서는 피뢰기를 더욱 컴팩트화하기 위해, 동작전압을 세계 최고인 600V/mm까지 높인 초고내압 ZnO 소자의 개발에 대하여 도시바전력시스템사의 기술자료를 인용하여 해설한다.

피뢰기용 ZnO 소자의 개발 경위

피뢰기에는 그림 2에 나타낸 ZnO 소자가 적층되어 다수개가 사용되고 있다. ZnO 소자는 우수한 비직선 저항특성을 가지고 있기 때문에 정상전압에서는 미소한 누설전류밖에 흐르지 않지만, 이상전압이 인가되면 전기저항이 크게 저하하여 서지 에너지를 흡수할 수 있다.
피뢰기의 크기는 ZnO 소자의 적층판수에 따라 결정되며, 피뢰기의 컴팩트화에는 소자의 단위두께당 동작전압을 증가(고내압화)시키고, 적층판수를 저감하는 것이 가장 유효한 수단이다. 또, ZnO 소자가 흡수할 수 있는 한계 에너지량(에너지 내량)을 향상시키는 것도 중요하다. ZnO 소자는 다른 서지를 흡수할 필요가 있으며, 파괴 모드가 다르기 때문에 각각 에너지 내량 향상의 기술개발이 필요하다.
도시바전력시스템사에서는 그림 3에 나타낸 개발경위로 ZnO 소자의 개발을 추진해 나가고 있으며, ZnO 소자의 동작전압을 향상시키는 고내압화와 에너지 내량의 향상을 계속적으로 병행해 나가고 있다. 고내압화 개발에서는 이미 97년에 400V/mm의 동작전압을 가진 고내압 소자를 사용한 컴팩트형 피뢰기를 시리즈화했다. ZnO 소자의 고내압화 개발은 일본을 중심으로 활발하게 진행되고 있으며, 일본 메이커의 상당수는 근년, 400V/mm 소자를 개발하고 있지만, 다른 나라의 메이커에서는 현재도 200V/mm 소자만 제조되고 있다. 이와 같은 ZnO 소자를 개발하는 가운데, 이번에 고내압화와 에너지 내량을 향상시킴으로써 세계 최고내압인 600V/mm의 동작전압을 가진 초고내압 소자를 개발했다.

초고내압 소자의 개발

■ ZnO 소자의 제조 프로세스
ZnO 소자의 제조 프로세스를 그림 4에 나타낸다. ZnO 소자는 분말처리, 열처리, 부품화로 나누어지는 복잡한 공정에 의해 제조되고 있다. 분말처리에서는 주성분인 산화아연(ZnO)에 산화안티몬, 산화망간 등의 첨가물이나 바인더를 가하여 균일하게 혼합한 후, 조립하여 소정의 형상으로 프레스 성형한다. 성형체는 400~500℃에서 바인더를 증발시킨 후, 1,000~1,200℃의 소성공정을 거쳐 치밀한 소결체로 된다. 소결체는 부품화 공정에서 원주에 절연코팅을 하고, 양단면에 용사 프로세스에 의한 알루미늄(Al) 전극을 형성하여 ZnO 소자를 완성한다.
초고내압 소자의 개발에 있어서 동작전압의 향상은 동작전압이 600V/mm로 되는 신조성(원료분말의 배합비)의 개발에 의해 실현하며, 에너지 내량은 열처리나 부품화의 공정의 개선으로 실현했다.

■ 600V/mm 조성의 개발
고내압 소자와 초고내압 소자의 전류-전압 특성과 결정조직을 그림 5에 나타낸다. 초고내압 소자는 결정조직을 미세화할 수 있는 신조성을 개발함으로써 동작전압을 600V/mm까지 높인 것이다. 여기서 동작전압이란, 1mA의 전류가 소자에 흘렀을 때의 단위두께당의 전압이다. 또, 피뢰기의 보호 레벨에 직접적으로 영향을 주는 전류-전압 특성의 비직선성에 대해서는 초고내압 소자는 고내압 소자와 동등하다.

결정조직의 미세화에 의한 동작전압 향상의 모델을 그림 6에 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이, 미세구조를 형성하는 ZnO 입자지름을 저감함으로써 비직선인 저항특성을 갖는 ZnO 입계가 전류패스에 있어서 증가하기 때문에, 결정 미세화에 의해 동작전압을 향상시킬 수 있다. 고내압 소자의 ZnO 결정의 평균 입자지름은 7.2m이며, 초고내압 소자에서는 5.2m까지 미세화하고 있다.
600V/mm 조성 개발에서는 종래부터 첨가물인 산화안티몬, 산화망간 등의 첨가물량을 증가시킴과 더붙어, ZnO 결정의 입자 성장을 억제할 수 있는 새로운 첨가물을 가한 조성을 개발하여 결정조직을 미세화했다.

■ 에너지 내량의 향상

  • 단시간 과전압 내량의 향상
    소자가 과잉의 단시간 과전압을 흡수하면 소자 끝부분에서 균열이 발생하여 절연파괴에 이른다. 이 균열은 ZnO 소자가 완전한 균질체가 아니기 때문에 일어나는 불균일한 발열에 의한 열응력이 원인이다. 종래의 ZnO 소자가 에너지를 흡수했을 때, 소자표면의 발열온도분포를 적외선카메라로 관찰한 결과를 그림 7(a)에 나타낸다. 온도분포는 완전하게 균일하지 않고 링 형상의 분포를 나타내고 있어서, 매우 큰 열응력이 발생하는 발열 형태이었다.
    ZnO 소자의 발열 형태가 열응력에 미치는 영향을 검토한 해석결과에 근거하여, ZnO 소자의 발열온도분포를 제어함으로써 단시간 과전압의 내량 향상을 꾀했다. 발열온도분포는 소자내의 저항값, 즉 ZnO 결정 입자지름 분포이기 때문에, ZnO 결정입자 성장의 분포를 제어하기 위해 열처리 공정을 개선하여, 그림 7(b)에 발열온도분포를 나타낸 소자 끝부분에서 발열 온도가 높아지는 열응력 완화형 소자를 개발했다.
    링 발열형 소자와 열응력 완화형 소자의 단시간 과전압 시험에 있어서 파괴 확률의 와이브르플롯을 그림 8에 나타낸다. 그림에서 분명히 알 수 있듯이, 링 발열형 소자에 비하여 열응력 완화형 소자는 에너지 내량이 약 50% 향상되고, 아울러 내량값의 불균형도 큰 폭으로 저감되었다.



 

  • 개폐서지 내량의 향상
    ZnO 소자가 과잉의 개폐서지를 흡수하면, 소자 단면에 형성된 전극의 끝부분에서 관통 홀이 생겨 절연파괴에 이른다. ZnO 소자가 개폐 서지를 흡수했을 때 관통 파괴의 현상을 해명하기 위해, 유한요소법에 의한 과도기적인 전류·온도 연성 해석을 실시했다. 해석 결과에서 어떤 개폐서지 흡수시의 소자 끝부분 단면의 등온선도를 그림 9에 나타내었으며, Al 전극 끝부분 근방에 국소적인 고온부가 있다. ZnO 소자의 Al 전극은 소자 연면의 내전압 향상을 위해, 소자 끝부분에는 1mm폭의 전극 미형성 부분이 있다. 이 때문에, 전류가 전극 미형성 부분내에 퍼져, 전극 끝부분에서 전류 집중이 일어남에 따라 전극 끝부분의 근방에 국소적인 고온부가 발생하여, 관통 파괴의 기점이 된다는 사실을 밝혔다. 게다가, 여러 조건으로 해석을 실시한 결과, ZnO 소자의 전극 끝부분의 전류 집중은, 전극 미형성부의 폭을 좁힌다. 즉 전극 형성시에 전극 끝부분 형상을 제어함으로써 전류 집중을 완화할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이에 따라, 전극형상의 제어성을 높여 전극 미형성부를 축소할 수 있는 새로운 용사방법을 적용한 전극 형성 프로세스를 개발했다. 이 전극 형상의 최적화에 의해, ZnO 소자의 개폐서지 에너지 내량은 200J/cm3에서 300J/cm3로 50% 향상시킬 수 있었다.

피뢰기의 컴팩트화

개발한 초고내압 소자는 세계 최고인 600V/mm의 동작전압과 높은 에너지 내량을 가질 뿐만 아니라, 피뢰기의 보호 레벨을 결정하는 비직선 저항특성, 장기 과전에 견딜 수 있는 수명특성도 양호하여, 이미 제품 발매를 개시했다.
초고내압 소자의 첫 적용 제품은, 한국형 800kV 계통 GIS용 피뢰기이며, 이 피뢰기의 구조를 400V/mm의 고내압 소자를 적용했을 경우와 비교하여 그림 10에 나타내었다. 개발한 초고내압 소자 적용 피뢰기는 ZnO 소자 직렬 매수가 2/3로 저감되어 피뢰기의 탱크길이, 탱크지름이 축소되어 용적으로 45% 축소된 세계 최초의 800kV 피뢰기이다. 이 피뢰기는 이미 초기 34상의 수주가 결정되어, 2003년초에 첫 제품 출하를 계기로 각종 전압 클래스의 시리즈화를 추진해 나갈 계획이다.

종 론

피뢰기 사업에 있어서는 수요 확대가 예상되는 아시아 시장에서의 수주 확대가 당면 과제이다. 이 중에서 ZnO 소자의 특성 향상에 의한 피뢰기의 경쟁력 강화는 계속적으로 실시되어야 한다. 한편으로는 ZnO 소자는 그 뛰어난 특성으로, 구미의 변전기기 메이커에 소자 단품도 판매하고 있다. 세계시장에 있어서 ZnO 소자의 공급원이 되므로, 한층 더 ZnO 소자의 특성 향상 개발을 추진해 나갈 계획이다.

■ 참고문헌

  • Andoh, H., et al. Failure Mechanisms and Recent Improvement in ZnO Arrester Elements. IEEE EI Magazine.16, 1, 2000, p.25 -31.
  • Imai, T., et al. Development of High Gradient ZnO Nonlinear Resistors and Their Application to Surge Arresters. IEEE Trans. PD.13, 4, 1997, p.1182-1187.
     

 

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