에폭시 분체도료는 부스닥트, 및 전기기기에 절연재료로 광범위하게 사용되어 진다. 특히 Coating 절연 방식의 경우 전류에 의한 줄 열로 인해 전기화재 및 폭발의 점화 원인이 된다. 본 연구는 에폭시분체도료의 열화특성에 대해 절연파괴, 아크방전, 수명특성(V-t)을 중심으로 비교검토하고 이에 대한 기초데이터 확보 및 전기화재 원인인 절연특성에 대해 연구 하였다. 온도변화에 따른 절연특성은 시편 KS가 유리전이온도(Tg) 이전까지 $8{\sim}10%$ 정도의 감소로 안정적이었다. V-t 및 아크방전특성의 경우, 열화시편에서도 안정적 특성을 유지하였다. 열화에 의한 전기적특성의 경우 시편KS가 우수한 성능을 가지고 있다.
에폭시 분체도료는 부스닥트, 및 전기기기에 절연재료로 광범위하게 사용되어 진다. 특히 Coating 절연 방식의 경우 전류에 의한 줄 열로 인해 전기화재 및 폭발의 점화 원인이 된다. 본 연구는 에폭시분체도료의 열화특성에 대해 절연파괴, 아크방전, 수명특성(V-t)을 중심으로 비교검토하고 이에 대한 기초데이터 확보 및 전기화재 원인인 절연특성에 대해 연구 하였다. 온도변화에 따른 절연특성은 시편 KS가 유리전이온도(Tg) 이전까지 $8{\sim}10%$ 정도의 감소로 안정적이었다. V-t 및 아크방전특성의 경우, 열화시편에서도 안정적 특성을 유지하였다. 열화에 의한 전기적특성의 경우 시편KS가 우수한 성능을 가지고 있다.
Epoxy powder is being in use for insulation materials widely. Especially, in cause of coating insulation can be caused electrical fire and explosion by Joul's heat. This study has been compared and examined around breakdown, arc discharge, and V-t about insulation of Epoxy powder. Also, it has been ...
Epoxy powder is being in use for insulation materials widely. Especially, in cause of coating insulation can be caused electrical fire and explosion by Joul's heat. This study has been compared and examined around breakdown, arc discharge, and V-t about insulation of Epoxy powder. Also, it has been researched about insulation which is cause of electrical fire and its basic data. According to temperature change, sample KS was stable before the Tg to be about $8{\sim}10%$ decrease in the breakdown test. In case of V-t and arc discharge, it had been kept up suitable characteristic. Also, in case of electrical characteristic, sample KS has excellent capacity.
Epoxy powder is being in use for insulation materials widely. Especially, in cause of coating insulation can be caused electrical fire and explosion by Joul's heat. This study has been compared and examined around breakdown, arc discharge, and V-t about insulation of Epoxy powder. Also, it has been researched about insulation which is cause of electrical fire and its basic data. According to temperature change, sample KS was stable before the Tg to be about $8{\sim}10%$ decrease in the breakdown test. In case of V-t and arc discharge, it had been kept up suitable characteristic. Also, in case of electrical characteristic, sample KS has excellent capacity.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 부스닥트의 전기절연을 위한 에폭시 분체도료의 상용제품을 각각 유동 침적법으로 절연 코팅하여 시험시편을 제작하고 다양한 열화조건에 따른 전기적 특성변화를 비교 검토하였으며, 이를 토대로 분체도료의 절연특성 향상을 위한 기초 자료를 제시하였다.
본 연구에서는 국내에서 개발된 부스닥트용 에폭시 분체도료의 다양한 열화조건에 따른 전기적 절연성능을 비교 검토하였다.
본 연구에서는 실제 운전 중에서 발생 가능한 핵심적인 문제를 검토하기 위해 열적인 가속열화 및 수중열화를 통해 각 시편의 전기 · 기계적 특성을 검토하였다.
제안 방법
금속기판을 전기로에서 200℃에서 20분간 가열 하였으며, 이때 비접촉식 적외선 온도계를 통해 확인 하였으며 온도의 오차는 ± 5% 이하였다. 가열된 기판을 수직 방향으로 유동조에 함침 하였다.
)와 밀접한 관계를 가지고 있다. 따라서 각 시편의 유리전이온도를 파악하기 위해 DSC(Differential Scanning Calorimetry, Q200, TA Instruments사) 분석과 분해온도 측정을 위해 TGA(Thermogravimetric Analyzer, SDT Q600, TA Instruments사) 분석을 실행하였으며, 이에 대한 결과를 Table 2에 표시한다. 각 시편의 경우 온도에 대한 절연파괴전압은 Tg 부근에서 하강하기 시작하여 온도의 증가에 대해 더욱 급격히 하락하는 경향을 보인다.
수명실험의 데이터는 인가전압의 20점 이상의 결과를 Weibull분포에 적용시켜 누적파괴확률의 50%인 값을 취했다. 또한 각 시편의 인가전압의 경우 예상되는 절연파괴 전계 95%~65% 사이의 전압을 인가하여 절연파괴가 발생하는 시간을 측정하였다.
11) 아크방전의 경우 국부적인 줄 열 상승으로 인해 전기화재의 직접적인 점화 에너지로 작용 할 수 있으며, 이에 대한 검토가 중요하다. 또한 부스닥트의 특성상 고전압에 의한 영향보다는 절연재료의 결함 또는 표면상의 문제점이 대두됨에 따라 본 실험에서는 연면방전에 의한 아크방전 실험을 통해 각 시편의 표면절연특성을 비교 검토하였다. Table 3과 Figure 7은 에폭시 절연재료의 아크방전에 대한 실험조건12)과 실험사진을 나타낸 것이다.
본 실험에서는 구-평판의 준 평등전계를 구성하고 연면방전을 막기 위해 Si-Oil 내에서 AC전압을 인가하였다. 수명실험의 데이터는 인가전압의 20점 이상의 결과를 Weibull분포에 적용시켜 누적파괴확률의 50%인 값을 취했다.
5kV를 인가하여 Figure 6(a)의 시험조건에 따라 아크방전 시간을 측정하였다. 시험은 각 단계별 60초씩인가하여 최종 7단계까지 이루어졌다.
본 연구에서는 실제 운전 중에서 발생 가능한 핵심적인 문제를 검토하기 위해 열적인 가속열화 및 수중열화를 통해 각 시편의 전기 · 기계적 특성을 검토하였다. 열적인 열화를 위해 유동 침적법으로 만든 각각의 시편을 전기오븐기에 120℃로 20일, 40일, 60일간 유지하여 가속열화를 했으며, 수중 가속열화를 위해서 전기 가열 용기에서 80 ℃의 수중에서 동일기간 동안 침적 시켰다.
유동 조 하단의 주입구에서 외부 공기를 에어 콤프레샤를 통해 주입하여 유동 조 내의 에폭시 분체의 유동을 발생 시킨 후 가열된 구리 기판을 수직으로 5초간 침적시켜 코팅하였다. 이는 에폭시 분체도료의 최적화된 경화와 두께를 위한 조건이다.
이러한 특성을 검토하기 위해(200m × 25m × 4 m) 알루미늄 부스바형태의 도체에 동일한 유동침적법을 통해 제작하였다.
일정 크기로 절단된 구리 또는 알루미늄 기판(100mm × 100mm × 3mm)을 산세척 후 에틸알코올(99.9%)에 함침 하여 초음파 세척을 통해 불순물을 제거하였다.
대상 데이터
Figure 3에 유동 침적법을 이용한 에폭시 분체도료의 코팅방법을 보여주고 있으며, 본 실험에 사용된 유동 조는 스테인리스 원통형의 구조물 하단에 미세한 메쉬형(mesh type) 다공판 구조로 설계되어져 있다.
상기의 방식으로 제작된 시료는 국내외 3개사의 에폭시 분체도료를 이용하였으며, 아민계(Amine)로서 기본적 물성의 특성은 Table 1에 나타내었다.
실리콘 오일에 시편을 침적시키고 전기히터를 통해 실리콘 오일과 시편의 온도를 변화시켰으며,6) 절연파괴시험은 한국산업규격(KS)에 따라 반구(25mmΦ)-평판(75mmΦ)전극을 사용하였다.
이론/모형
Figure 9에 나타낸 밴딩 시험은 Zwick사의 Material test 1494를 사용하였으며, 하부에 고정된 시편의 받침대는 직경이 Φ50mm의 원통형 고정자를 사용했으며, 고정자의 중심에서 부터의 간격은 120mm로 두고 상부 압입자(Φ20mm)를 10mm/min 속도로 진행하여 시편 중심부에 기계적 stress를 가하였다.
성능/효과
3) 부스닥트의 설치환경은 지하 구 및 밀폐 공간 등에서의 운용으로 열악한 장소임과 동시에, 대 전류 송전으로 인한 큰 에너지로 인해 전기화재 및 폭발의 점화에 너지로서 충분한 조건을 가지고 있다.
수명특성(V-t)에서도 안정적인 절연특성을 유지하였으며, 아크방전 특성의 경우, 60일 경과된 열화시편에서도 안정적인 특성을 유지했다. 3종의 에폭시 분체도료 제품의 열화에 대한 전기적 특성을 비교해 볼 때 KS 시편의 성능이 우수한 것으로 판단된다.
수중 열화 시킨 시편의 경우에는 대부분의 시편이 열화기간의 경과에 따라 외형상 변화뿐만 아니라 절연파괴 전계 값도 큰 폭의 감소를 보였다. 공기중 열화 결과와 마찬가지로 수중 열화에서도 국내산 KS 시편이 열화기간에 따른 변화폭이 가장 작았으며, 외국산 ST시편의 변화폭이 가장 크게 조사되었다.
본 실험에서는 구-평판의 준 평등전계를 구성하고 연면방전을 막기 위해 Si-Oil 내에서 AC전압을 인가하였다. 수명실험의 데이터는 인가전압의 20점 이상의 결과를 Weibull분포에 적용시켜 누적파괴확률의 50%인 값을 취했다. 또한 각 시편의 인가전압의 경우 예상되는 절연파괴 전계 95%~65% 사이의 전압을 인가하여 절연파괴가 발생하는 시간을 측정하였다.
시험시편의 대부분은 Tg 근처에서 급격한 절연내력의 감소가 시작되었다. 수명특성(V-t)에서도 안정적인 절연특성을 유지하였으며, 아크방전 특성의 경우, 60일 경과된 열화시편에서도 안정적인 특성을 유지했다. 3종의 에폭시 분체도료 제품의 열화에 대한 전기적 특성을 비교해 볼 때 KS 시편의 성능이 우수한 것으로 판단된다.
시험결과로써 외국산 ST 시편이 최종 7단계(420초)까지 견디어 가장 우수한 특성을 보였으며, 국산 KS 시편의 경우 열화에 대한 큰 변화없이 안정된 성능을 보여주었다. 반면 외국산 HK 제품의 경우 60일 열화 시킨 경우 아크방전에 대해 매우 취약한 특성을 보였다.
실험결과 국산 KS시편은 수명특성의 기울기가 완만하게 진행함에 따라 우수한 특성을 나타내고 있으며, 외국산 HK의 경우 고전계의 경우 다소 기울기가 급격히 강하되나 저전계의 경우 안정된 수명특성을 나타낸다. 그러나 외국산 ST의 경우 고 전계 및 저 전계에서도 다소 급격한 기울기 특성을 나타냄에 따라 마모 고장형에서도 다소 문제점을 드러내고 있다.
7) 그림에 표시된 데이터는 동일한 조건에서 10회 이상 실험값을 최소자승법에 의해 표시 하였다. 실험결과로써 실사용 온도영역이라 할 수 있는 상온에서 140℃ 이내에서는 외국산 HK시편과 국내산인 KS시편이 다소 높게 나타났으며, 다음으로 ST시편 순으로 조사되었다. 반면 약 150℃ 이상에서는 실사용 영역에서 가장 높은 절연내력을 보여준 외국산 HK시편과 국내산 KS시편의 외형상 변화와 함께 급격한 절연내력의 변화를 보였다.
에폭시 분체도료의 경화온도 및 시간, 표면상태, 수중열화 조건에서 KS시편이 외국산 제품에 비해 열화에 대한 전기적 특성 변화폭이 안정적 이었다. 온도변 화에 따른 절연내력 시험에서도 유리전이 온도 (Tg) 이전까지 8~10%의 절연파괴 전계의 감소로 안정적인 것으로 조사되었다.
공기 중에서 열화 시킨 시료는 열화 기간이 경과함에 따라 대부분의 시편에서 외형상 큰 변화는 없었으나 절연파괴 전계 값은 소폭의 감소를 보였다. 특히 국내산 KS시편은 거의 변화가 발생하지 않을 정도로 우수한 특성을 보였으며, 반면 외국산 ST 시편은 상대적으로 가장 큰 변화가 관찰되었다. 수중 열화 시킨 시편의 경우에는 대부분의 시편이 열화기간의 경과에 따라 외형상 변화뿐만 아니라 절연파괴 전계 값도 큰 폭의 감소를 보였다.
후속연구
따라서 설치장소 및 운전 상태를 고려한 장기수명 및 신뢰도 향상을 위해서는 코팅된 에폭시 절연체의 전기적 및 열적 특성 변화4,5)에 따른 데이터베이스 구축이 필요하며, 현재로서는 운전 중에 발생할 수 있는 에폭시 분체도료의 열화 된 절연특성에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다. 이는 분체도료의 특성 향상 및 실제적인 문제점 파악을 위한 기초자료로 활용 가능하고 전기화재 및점화 에너지 방지 대책에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
부스닥트는 무엇이고 어떤 장점이 있는가?
최근 도심지 건축물의 시스템은 크고, 다양한 용량의 전력 에너지를 필요로 하고 있으며 이러한 추세에 맞추어 부스닥트(Bus Duct)1)는 전력을 공급하는 매개체로서 안전하고 에너지의 손실이 적은 등의 다양한 장점으로 반도체 공장 및 초고층빌딩, 백화점, 신공항, 항만 등의 다양한 분야에 공급되고 있다. 그러나 전력 용량이 큰 수송매체이기 때문에 전류에 의한 줄 열과 절연열화에 의한 사고 및 전기화재의 위험성은 상시적 으로 존재하며 이에 대한 실제적인 대비책이 요구되고 있다.
부스닥트는 무엇으로 구성되어 있는가?
Figure 1에 부스닥트의 구조를 나타낸다. 부스닥트는 지중송전 케이블과 유사한 도체와 절연체로 구성되어 있으며, 이들을 체결하고 외부로 부터의 보호를 위한 금속닥트(Steel Housing)를 갖고 있다. 일반적인 부스닥트 도체의 절연방법으로는 얇은 고분자필름을 여러 겹 감아 절연하는 방식과 에폭시 분체도료를 이용한 코팅방식으로 나눌 수 있으며, 경제성뿐만 아니라 제작공정상의 이유로 점차 에폭시 분체도료를 코팅하여 절연하는 방식이 보편화되어가고 있는 추세이다.
부스닥트의 경우 수송전력량이 비교적 크고 전류의 흐름이 높아 절연성능에 문제가 생길 경우 단락에 의한 아크방전의 가능성의 발생 될 수 있는데, 아크방전의 경우 무엇으로 인해 전기화재의 직접적인 점화 에너지로 작용 할 수 있는가?
부스닥트의 경우 수송전력량이 비교적 크고 전류의 흐름이 높아 절연성능에 문제가 생길 경우 단락에 의한 아크방전의 가능성이 발생될 수 있다.11) 아크방전의 경우 국부적인 줄 열 상승으로 인해 전기화재의 직접적인 점화 에너지로 작용 할 수 있으며, 이에 대한 검토가 중요하다. 또한 부스닥트의 특성상 고전압에 의한 영향보다는 절연재료의 결함 또는 표면상의 문제점이 대두됨에 따라 본 실험에서는 연면방전에 의한 아크방전 실험을 통해 각 시편의 표면절연특성을 비교 검토하였다.
참고문헌 (12)
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