[논문]전력케이블에서 반도전 재료층의 불순물 측정 및 물성에 관한 연구

이경용; 양종석; 최용성; 박대희

전력케이블에서 반도전 재료층의 불순물 측정 및 물성에 관한 연구
A Study on Impurities Measurement and Physical Properties of Semiconductive Shield at Power Cable 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.53 no.9, 2004년, pp.455 - 458

이경용 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부) , 양종석 (원광대학교 전기전자 및 정보공학) , 최용성 (원광대학교 전기전자 및 정보공학) , 박대희 (원광대학교 전기전자 및 정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigated impurities content and physical properties showing by changing the content of carbon black that is semiconductive materials for underground power transmission. Specimens were made of sheet form with the three of existing resins and the nine of specimens for measurement. Impurities content of specimens was measured by ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer), and density of specimens were measured by density meter And then specific heat (Cp) was measured by DSC (Differential Scanning Calorimetry). A ranges of measurement temperature were from $0^{\circ}[C]$ to $200^{\circ}[C]$, and heating temperature was $4^{\circ}[C/min]$. Impurities content was highly measured according to increasing the content of carbon black from this experimental result, also density was increased according to these properties. Especially impurities content values of the Al and A2 of existing resins were measured more than 4000［ppm］. Specific heat from the DSC results was decreased according to increasing the content of carbon black. Because ionic impurities of carbon black having Fe, Co, Mn, Al and Zn are rapidly passed kinetic energy increasing the number of times breaking during the unit time with the near particles according to increasing vibration of particles by the applied heat energy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대부분 절연층에 국한되어 이루어져 왔다. 그러나 본연구는 전력케이블의 반도전층에 관한 심층적인 분석을 통해 그 중요성을 전달함으로써 반도전층의 역할 및 기능에 대한 새로운 인식을 고취하고자 하였다.
본 논문에서는 반도전 수지내의 카본블랙이 함유하고 있는 이온성 불순물들에 따른 밀도 및 열적 특성을 알아보았다. 그 결과, 여러 시편에서 이온성 불순물들이 다량 검출되었으며 특히 기저수지에서 가장 많은 불순물들이 검출되었다.
이와 같이 우리는 반도전층내에 존재하는 이온성 불순물들이 재료에 미치는 영향들을 고찰함으로써 전력케이블의 성능향상에 반도전층의 개선이 중요한 역할을 할 수 있다는 점을 강조하고자 하였다.

제안 방법

그리고 밀도 실험은 수중치환법 (ASTM D 792)을 이용하여 공기 중에서 측정 시료의 무게를 측정하고 나서 이미 밀도를 알고 있는 화학적으로 상호작용이 없는 불활성 액체에 잠근 다음 부피를 측정하였다.
먼저 우리는 현재 국내케이블에 사용되고 있는 반도 전 재료와 측정용 시편의 이온성 불순물들을 측정하였다. 또한 이러한 불순물들이 반도전 제료의 밀도에 미치는 영향을 측정하였다. 마지막으로 열분석 장치인 DSC (시차 주사 열량계)를 사용하여 반도전 재료의 비열과 용융온도를 측정하였다.
또한 이러한 불순물들이 반도전 제료의 밀도에 미치는 영향을 측정하였다. 마지막으로 열분석 장치인 DSC (시차 주사 열량계)를 사용하여 반도전 재료의 비열과 용융온도를 측정하였다.
한다. 먼저 우리는 현재 국내케이블에 사용되고 있는 반도 전 재료와 측정용 시편의 이온성 불순물들을 측정하였다. 또한 이러한 불순물들이 반도전 제료의 밀도에 미치는 영향을 측정하였다.
아직까지지중 송전용 케이블에 대한 명확한 이온성 불순물 함량의 제한치가 제시되지 않았기 때문에 22.9[kV] CV/CV-W 한전규격 [4]을 토대로 실험을 진행하였다.
이들 재료의 조성비는 표 1과 같다. 표 1에서 보는 바와 같이 본 논문에서는 도전성 카본블랙의 함량을 변수로 하였으며 그 함량은 각각 20, 30, 40[%]이었다. 그리고 편의상 측정용 시료를 #숫자, 기저수지를 A숫자로 명명하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 EVA (Ethylene Vinyl Acetate, 현대석유화학), EEA (Ethylene Ethyl Acrylate, ATOFINA), EBA (Ethylene Buthyl Acrylate, Mitsui Dupont)를 기본재료로 사용하였는데 이들 재료의 조성비는 표 1과 같다. 표 1에서 보는 바와 같이 본 논문에서는 도전성 카본블랙의 함량을 변수로 하였으며 그 함량은 각각 20, 30, 40[%]이었다.
Optima 3300 DV)이다. 본 실험에 사용된 시편은 고체 고분자이므로 전처리 과정을 거친 후 실험을 진행하였다.

성능/효과

그 결과, 여러 시편에서 이온성 불순물들이 다량 검출되었으며 특히 기저수지에서 가장 많은 불순물들이 검출되었다. 이러한 불순물들에 따른 밀도 실험 결과, 카본블랙의 함량이 증가할수록 밀도는 증가하였으나 열적 특성이 다소 감소하는 것을 알 수 있었다.
이것은 카본블랙이 함유하고 있는 Fe, Co, Mn, Al, Zn 등의 이온성 불순물들이 인가된 열에너지에 의해 입자들의 진동이 증가하면서 근접한 입자들과 단위시간 동안 부딪히는 횟수가 증가하여 자유운동에너지가 더 빨리 전달되기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 카본블랙내 불순물의 영향이 크다는 것을 알 수 있었다. 추후, 열전도도 측정을 통해 위 결과들을 좀 더 객관적으로 증명할 예정이다.
제시되어 있다. 본 논문에서 대부분의 시편은 카본블랙의 함량이 증가함에 따라 불순물 함량은 641.815 ~ 4316.861[ppm]의 범위에서 중가하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 대부분의 측정용 시편들은 내부 반도전의 제한치인 500[ppm] 이상을 나타내고 있었다.
이 결과에서 주목할만한 사실은 현재 기저수지로 사용되고 있는 세 개의 시편 모두 외부 반도전의 제한치인 1500[ppm]이상을 나타내고 있다는 것이다. 특히 A1과 A2의 불순물 함량치는 4000[ppm] 이상으로서 현재 국내 반 도전케이블의 상태가 매우 불안정 하다는 것을 알 수 있었다.
그 결과, 여러 시편에서 이온성 불순물들이 다량 검출되었으며 특히 기저수지에서 가장 많은 불순물들이 검출되었다. 이러한 불순물들에 따른 밀도 실험 결과, 카본블랙의 함량이 증가할수록 밀도는 증가하였으나 열적 특성이 다소 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것은 카본블랙내에 함유하고있는 불순물의 영향으로 사료된다.
하지만 이번실험에서는 베이스 수지 자체만의 밀도 측정이 아니라 카본블랙의 함량 변회에 따른 밀도측정이기 때문에 이러한 일반적인 특성들 중 열적특성이 상반되는 결과를 나타내었다. 즉, 기계적인 강성과 경도는 우수할지 모르지만 열 분석 실험을 통해 본 결과, 밀도가 증가할수록 시편들의 결정화도와 용융온도는 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것은 카본 블랙의 함량이 증가함에 따라 밀도는 증가하겠으나 카본블랙이 함유하고 있는 불순물들도 함께 증가하여 시편들의 열적 안정성을 저하시키기 때문으로 사료된다.
이번실험에서 이러한 경향들을 관찰할 수 있었다. 즉, 카본블랙의 함량이 증가할수록 시편들의 비열은 0.0950 ~ 0.2513[J/g〔C]의 범위에서 감소하는 것을 알 수 있었으며 그와 동시에 용융온도도 63 ~ 73.61LC]의 범위에서 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것은 카본블랙이 함유하고 있는 Fe, Co, Mn, Al, Zn 등의 이온성 불순물들이 인가된 열에너지에 의해 입자들의 진동이 증가하면서 근접한 입자들과 단위시간 동안 부딪히는 횟수가 증가하여 자유운동에너지가 더 빨리 전달되기 때문인 것으로 사료된다.
나타내고 있다는 것이다. 특히 A1과 A2의 불순물 함량치는 4000[ppm] 이상으로서 현재 국내 반 도전케이블의 상태가 매우 불안정 하다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

따라서 카본블랙내 불순물의 영향이 크다는 것을 알 수 있었다. 추후, 열전도도 측정을 통해 위 결과들을 좀 더 객관적으로 증명할 예정이다.

참고문헌 (8)

한재홍, 김상준, 권오형, 강희태, 서광석, '반도전층내 불순물이 전력케이블의 신뢰도에 미치는 영향', Trans. KIEE, Vol.46, No.1, 1997
M. T. Shaw and S. H. Shaw, 'Water Treeing in Solid Dieletrics', IEEE Trans. Elec. Ins., Vol. 19, pp. 419-452, 1993

상세보기
M. J. Given, 'The Role of Ions in the Mechanism of Water Tree Growth', IEEE Trans. Elec. Ins., Vol. 22, pp. 151-156, 1987

상세보기
한전 표준 구매시방서, '22.9kV 동심중성선 전력케이블', ES 126-650~664
한재홍, 서광석, 김상준, '에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체/에틸렌 아크릴산 공중합체 블렌드의 이온투과 및 물리적 성질', Trans. KIEE, Vol.45, No.9, 1996
전용구, 김재경, 함덕순, 김진석, 'EVA의 Vinyl Acetate 함량변화에 따른 열적-기계적 성질 연구', Polymer(korea), Vol. 15, No. 4, pp. 402-410, 1991
박수진, 조기숙, M. Zaborski, L. Slusarki, '충전재-탄성체 상호작용. 6. 산소 플라즈마 처리가 카본블랙 표면 특성에 미치는 영향', Elastomer, Vol. 37, No. 2, pp. 99-106, 2002

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