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문제 정의
- 본 논문은 고온경화형 실리콘 고무를 대상으로 각종 열화 인자에 대한 성능평가 시험을 수행하였으며, 이러한 열화현상 이 실리콘 고무의 내트래킹성 및 내아크 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 실리콘 고무의 가장 큰 장점인 회복특성을 동시에 조사함으로써 열화현상을 파악하고 수명평가 및 교체주기를 결정하는데 도움이 되고자 하였다.
- 본 논문은 고온경화형 실리콘 고무를 대상으로 각종 열화 인자에 대한 성능평가 시험을 수행하였으며, 이러한 열화현상 이 실리콘 고무의 내트래킹성 및 내아크 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 실리콘 고무의 가장 큰 장점인 회복특성을 동시에 조사함으로써 열화현상을 파악하고 수명평가 및 교체주기를 결정하는데 도움이 되고자 하였다.
- 본 연구에서는 옥외용 폴리머 절연재료가 사용 중에 인가 될 수 있는 열화요인 중에서 자외선, 코로나 방전 및 수분침 투를 열화인자로 선정하고, 이들 열화인자에 의한 실리콘 고 무 절연재료를 가속열화 처리한 후, 각 열화현상에 적합한 시 험방법을 수행하여 특성변화를 조사하였으며, 또한 이러한 열 화현상이 옥외용 폴리머 절연재료의 내트래킹성 및 내아크 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 열화처리 후 실리콘 고무의 표면 회복특성을 기존의 발수성 측정 뿐만 아니라 표면에너지, 저분자량 용매추출 그리고 표면 및 체적저항율 측정 등을 통하여 조사하였다.
제안 방법
- 05 Qcm로 조절하였다. 인가전압은 열화상태에 따라 4.5 kV와6.0 kV, 오손액의 유량은 0.6 m"min이나 0.90 rng/min으로 조 절하였고, 과전류 제한용 33 0의 직절저항을 연결하여 실험 하였다.
- 폴리머 재료가 고전압 전기아크에 견디는 능력을 표 면이 카본화되어 도전성으로 변하는데 까지의 소요시간을 측 정하는 방법으로 ASTM D 495에 따라 내아크시험을 수행하였다. 그림 1과 같은 전극을 사용하여 표 2에 나타낸 바와 같이 전류싸이클을 인가하면서, 표면에 탄화로가 발생될 때까 지 저전류 아크방전에 견디는 능력을 섬락개시시간으로 평가 하였다[13]. 이러한 내 아크시험은 경사평면법과는 달리 전해 질 용액을 사용하지 않은 건조 아크의 영향을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 옥외용 폴리머 절연재료가 사용 중에 인가 될 수 있는 열화요인 중에서 자외선, 코로나 방전 및 수분침 투를 열화인자로 선정하고, 이들 열화인자에 의한 실리콘 고 무 절연재료를 가속열화 처리한 후, 각 열화현상에 적합한 시 험방법을 수행하여 특성변화를 조사하였으며, 또한 이러한 열 화현상이 옥외용 폴리머 절연재료의 내트래킹성 및 내아크 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 열화처리 후 실리콘 고무의 표면 회복특성을 기존의 발수성 측정 뿐만 아니라 표면에너지, 저분자량 용매추출 그리고 표면 및 체적저항율 측정 등을 통하여 조사하였다. 본 연구에 사용된 시료는 D사 의 상용 고온경화형 실리콘 고무로 여러가지 특성향상을 위해 충전재가 다량 포함된 것이다.
- 또한 최근에는 대전 및 감쇠특성을 측정하여 도전기구 및 이동도를 측정하는 외에 방전으로 코로나 하전입자의 축적상태를 측정하여 절연재료의 열화특성 및 성능평가에 사용된 바가 있다[7~9]. 본 연구에서 사용된 코로나 방전처리는 침대 평판 구조의 전극사이에 시료를 넣고, 침 전극에 교류 15 kV 전압을 인가하여 최대 200시간 처리하였다. 침전극과 시료표면 사이의 거리는 15 mm로 일정 하게 유지하였으며, 모든 처리는 상온에서 수행하였으며, 코 로나 방전 처리 시간에 따라 표면발수성 및 표면/체적 저항 률을 측정하였다.
- 옥외용 폴리머 절연재료에서 수분은 재료표면을 가수화시 켜 발수성을 저하시킬 뿐만 아니라 재료 계면에 침투하여 절 연특성 및 유전특성, 기계적 특성 등을 저하시킨다. 본 연구에서 시료의 수분처리를 위해 시료를 항온 수조에 넣고, 물의 온도를 25℃, 50℃와 95℃로 유지한 상태로 최대 400시간 지 속하였다. 사용한 물에는 NaCl-S- 0.
- 전계가 인가되어 있는 절연물 표면에서 여러가지 전기적 방전으로 생긴 탄화생성물에 의해 탄화로가 형성되어 표면 절연파괴를 일으키는데 이를 트래킹이라 한다. 본 연구에서는 이러한 트래킹성을 판별하는데 많이 사용되는 ASTM D2303과 IEC 60587을 기본으로 하였다[11][12] 트래킹 파괴 기준으로 본 연구에서는 고압회로에 60 mAOl 상의 전류가 2~ 초가 연속적으로 흐를 때의 시간으로 정했으며, 또한 시료가 완전히 두께 방향으로 침식되어 관통된 시간으로도 평가하였다. 본 트래킹 실험에서 오손액은 0.
- 본 연구에서는 이러한 트래킹성을 판별하는데 많이 사용되는 ASTM D2303과 IEC 60587을 기본으로 하였다[11][12] 트래킹 파괴 기준으로 본 연구에서는 고압회로에 60 mAOl 상의 전류가 2~ 초가 연속적으로 흐를 때의 시간으로 정했으며, 또한 시료가 완전히 두께 방향으로 침식되어 관통된 시간으로도 평가하였다. 본 트래킹 실험에서 오손액은 0.1 wt% NH4CI 수용액과 비이 온 계 계면활성 제 isooctylphenoxypolyethoxy-ethanol 을 0.02 wt% 첨가하여 오손액 전도도를 23 ℃ 에서 3.95±0.05 Qcm로 조절하였다. 인가전압은 열화상태에 따라 4.
- 자외선 처리는 UV-B 형 자외선 형광램프가 장착된 내후 성 시험기 (QUV-accelerated weathering tester, Q-panel 社) 를 사용하였다. 시험주기를 4시간은 자외선 조사, 4시간은 수 분응축 주기를 두어 반복적으로 수행하였다. 자외선 조사동안 챔버 내의 온도는 50 ℃로 유지하였으며, 최대 방사파장 313 nm에서 방사강도를 0.
- 옥외용 절연재료에서 수분침투는 재료 표면을 가수화 시켜 누설전류를 증가시킬 뿐만 아니라 내전압 및 유전정접의 변화를 가져온다. 우선 이러한 수분이 HTV 실리콘 고무의 체 적 내로 흡습량을 측정하였다. 그림 15는 침적시간에 따른 수분 흡습량을 측정한 것으로 침적수의 온도를 달리하여 수행하였다.
- 위와 같이 고에너지의 자외선 조사로 HTV 실리콘 고무에 나타난 표면의 발수성 저하와 저분자량의 감소로 옥외용 폴 리머 절연재의 가장 큰 단점으로 지적되는 내트래킹성과 내 아크특성의 변화영향을 조사하였다. 그림 7에는 IEC 60587시험 규격에 따른 내트래킹성의 시험결과를 나타내었다.
- 이 결과로 볼 때, 표면 에 발생한 코로나 방전으로 결합쇄들이 절단되어 헥산 중으 로 빠져나가는 저분자량 성분이 증가하고 발수성 회복속도에 도 기여한 것으로 판단된다. 이러한 코로나 방전으로 재료의 저항률의 변화를 관찰하기 위해 가드링 전극을 이용하여 표면 및 체적저항률의 측정하였으며, 상온 중 회복시간에 따른 저항율의 변화도 관찰하였다. 측정결과는 5개 시료를 평균화 하여 나타내었으며, 오차막대는 최대/최소를 나타내었다.
- 이러한 코로나 방전으로 표면에너지의 변화를 처리전 후 관찰하였다. 측정결과를 그림 9과 그림 10에 각각 나타내었 는데, 200시간 코로나 방전처리된 시료의 접촉각은 44.
- 이는 표면으로 확산된 저분자량이 기여한 것으로 보여지며, 발수성 회복처럼 초기 값까지 완전히 회복되지 못한 것은 표면으로 확산된 층이 상당히 표면에 국한되었기 때문으로 판단된다. 이러한 코로나 방전처리로 인한 트래킹 및 아크에 견디는 능력의 변화를 알아보기 위해 내트래킹성 및 내아크 시험을 수행하였다. 그림 13과 그림14에 이의 결과를 나타내었는데, 코로나 방전시간이 길어지면서 트래킹 파괴시간이 단축되었으며, 아크방전에 따른 탄화로 형성시간도 짧아 졌다.
- 이러한 표면의 발수성 회복현상에 영향을 미치는 벌크 내의 가동성 저분자량 성분의 변화를 관찰하기 위해, 헥산 중에 처리된 시료를 침적하고 무게변화를 측정하여 빠져나간 저분 자량 성분에 관한 결과를 얻었다. 그림 6에는 이의 결과를 나타내었는데, 그림에서 보는 바와 같이 자외선 처리시간이 길어질수록 헥산으로 빠져나간 저분자량 성분이 감소하였다.
- 이는 벌크 내에 존재하는 표면에너지가 낮은 저분자량 성분이 표면으로 확산 되어 표면을 포괄하였기 때문으로 판단된다. 이를 위해, 코로 나 방전 처리된 시료를 용매추출 시험을 수행하여 체적 내에 존재하는 저분자량 성분을 측정하였다. 그림 11은 이 결과를 나타내었는데, 그림에서 보는 바와 같이 초기 시료의 추출양 에 비해 코로나 방전 노출시간이 길어질수록 가동성 저분자 량 성분이 증가한 것을 볼 수 있었다.
- 05 mS/cm로 유지하였다. 일정한 시간 단위로 시료를 꺼내어 표면에 존재하는 수분을 깨끗한 건포로 제거 한 후, 홉습량, 표면 발수성 및 열화평가시험을 수행하였다.
- 65 W/atf/nm로 자동 조절하였고, 응 죽 싸이클에서는 40 ℃로 유지하면서 필터를 통과한 수돗물 이 증발되어 시료표면에 물방울이 맺히게 하였다. 자외선 처 리는 최대 2000시간 지속하였고, 시간마다 시료를 꺼내어 특 성시험을 수행하였다.
- 자외선 처리는 UV-B 형 자외선 형광램프가 장착된 내후 성 시험기 (QUV-accelerated weathering tester, Q-panel 社) 를 사용하였다. 시험주기를 4시간은 자외선 조사, 4시간은 수 분응축 주기를 두어 반복적으로 수행하였다.
- 표 1에는 표면에너지 계산에 사용한 용액의 표면에너지 성분을 나타내었다[10]. 처리된 재료에 각 용액을 액적하고, 정적접촉 각 측정장치를 사용하여 접촉각을 측정하였으며, 측정결과는 임의의 5곳 이상에서 측정하여 평균값을 사용하였다.
- 그림 7에는 IEC 60587시험 규격에 따른 내트래킹성의 시험결과를 나타내었다. 초기 시료가 4.5 kV인가와 오손액 유량 0.6 mC/min의 조건에서는 시험규정에 따른 시험을 모두 통과하였으며, 자외선 조사가 2000시간 지속되어도 뚜렷한 내트래킹성의 변화는 관찰되지 않아 이보다 가혹한 6.0 kV와 0.9 mVmin 조건에서 시험하였다. 하지만, 그림에서 보는 바와 같이 자외선 조사로 인하여 재료의 내트래킹성에는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 사용된 코로나 방전처리는 침대 평판 구조의 전극사이에 시료를 넣고, 침 전극에 교류 15 kV 전압을 인가하여 최대 200시간 처리하였다. 침전극과 시료표면 사이의 거리는 15 mm로 일정 하게 유지하였으며, 모든 처리는 상온에서 수행하였으며, 코 로나 방전 처리 시간에 따라 표면발수성 및 표면/체적 저항 률을 측정하였다.
대상 데이터
- 또한 열화처리 후 실리콘 고무의 표면 회복특성을 기존의 발수성 측정 뿐만 아니라 표면에너지, 저분자량 용매추출 그리고 표면 및 체적저항율 측정 등을 통하여 조사하였다. 본 연구에 사용된 시료는 D사 의 상용 고온경화형 실리콘 고무로 여러가지 특성향상을 위해 충전재가 다량 포함된 것이다. 시료 제작 시 사용된 경화 제로는 DHBP (2, 5-dimethyl 2, 5-di(t-butylperoxy) hexane)을 사용하였으며, 컴파운드 상태를 hot press를 이용하여 17 이에서 10분간 경화하여 시편을 제작하였다.
- 위 식(5)를 이용하여 기지의 표면에너지 성분을 알 고 있는 두 용액을 사용하여 접촉각을 측정하면 표면에너지 의#를 분리해 낼 수 있다[5H10]. 본 연구에서는 methylene iodide (MI, CH2I2)과 탈이온수를 사용하였다. 표 1에는 표면에너지 계산에 사용한 용액의 표면에너지 성분을 나타내었다[10].
- 본 연구에 사용된 시료는 D사 의 상용 고온경화형 실리콘 고무로 여러가지 특성향상을 위해 충전재가 다량 포함된 것이다. 시료 제작 시 사용된 경화 제로는 DHBP (2, 5-dimethyl 2, 5-di(t-butylperoxy) hexane)을 사용하였으며, 컴파운드 상태를 hot press를 이용하여 17 이에서 10분간 경화하여 시편을 제작하였다.
이론/모형
- 절연재료가 아크방전에 있으면 그 열작용으로 열분해하기 도 하고 용융하기도 하여 탄화물이 생성되어 절연성능이 저 하된다. 폴리머 재료가 고전압 전기아크에 견디는 능력을 표 면이 카본화되어 도전성으로 변하는데 까지의 소요시간을 측 정하는 방법으로 ASTM D 495에 따라 내아크시험을 수행하였다. 그림 1과 같은 전극을 사용하여 표 2에 나타낸 바와 같이 전류싸이클을 인가하면서, 표면에 탄화로가 발생될 때까 지 저전류 아크방전에 견디는 능력을 섬락개시시간으로 평가 하였다[13].
성능/효과
- 1) HTV 실리콘 고무의 가속 자외선 열화 시킨 결과 표면에 극성 기 의 도입으로 표면에 너지가 증가되 었으며, 회복특성에 중요한 역할을 하는 저분자량이 감소하였다. 이는 고에 너지의 자외선 조사로 결합쇄들이 절단되지만 곧 재결합 하여 저분자량이 감소하였기 때문이며, 이러한 산화층이 저분자량의 확산을 방해하여 표면에너지의 회복이 나타나 지 않았다.
- 2) 코로나 방전처리된 실리콘 고무는 표면이 활성화되어 표 면에너지가 증가되었으며, 코로나 방전처리 후 회복시간이 되어 5시간 내에 초기 발수성까지 회복되었다. 이는 가동 성 저분자량 성분이 증가하여 확산속도에 기여했기 때문 이며, 이러한 열화현상이 내트래킹성과 내아크성의 저하를 가져왔다.
- 3) HTV 실리콘 고무의 수분침투로 인해 표면 발수성의 변화는 적었지만, 내트래킹성과 내아크성이 상당히 저하되 었으며, 내트래킹성 시험에서 침식형태의 관통파괴를 나타내었다. 이는 수분침투로 인해 충전재와 기저 폴리머 사이의 결합력이 약해지고 시료 중에 남아 있는 수분이 아크로 인한 팽창으로 결합쇄를 약화시켰기 때문이다.
- 그림 11은 이 결과를 나타내었는데, 그림에서 보는 바와 같이 초기 시료의 추출양 에 비해 코로나 방전 노출시간이 길어질수록 가동성 저분자 량 성분이 증가한 것을 볼 수 있었다. 이 결과로 볼 때, 표면 에 발생한 코로나 방전으로 결합쇄들이 절단되어 헥산 중으 로 빠져나가는 저분자량 성분이 증가하고 발수성 회복속도에 도 기여한 것으로 판단된다. 이러한 코로나 방전으로 재료의 저항률의 변화를 관찰하기 위해 가드링 전극을 이용하여 표면 및 체적저항률의 측정하였으며, 상온 중 회복시간에 따른 저항율의 변화도 관찰하였다.
- 하지만 이러한 수분 침투가 재료의 내트래킹성에 미치는 시험결과, 침적시간이 장기화되면서 트래킹 파괴시간이 단축되었다. 초 기시료 모두 6시간 시험시간을 모두 통과한 반면, 침적시간이 100시간에 이르러 트래킹 파괴평균시간이 단축되기 시작하여 400시간 처리된 시료의 경우 평균트래킹 파괴시간이 317분까 지 단축되었다. 트래킹 파괴형태도 건조대 아크가 하부전극 끝단에 집중되어 깊이방향의 침식현상이 심하게 나타났다.
- 이러한 코로나 방전으로 재료의 저항률의 변화를 관찰하기 위해 가드링 전극을 이용하여 표면 및 체적저항률의 측정하였으며, 상온 중 회복시간에 따른 저항율의 변화도 관찰하였다. 측정결과는 5개 시료를 평균화 하여 나타내었으며, 오차막대는 최대/최소를 나타내었다. 측 정결과를 그림 12에 나타내었는데 초기시료의 표면저항률은1.
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