[논문]재활용 가능한 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 전도도 온도의존성과 전력케이블 내의 전계분포에 미치는 영향

이준호; 공태식; 김성중; 권기형; 조규철; 호즈미 나오히로

doi:10.5370/kiee.2011.60.10.1881

재활용 가능한 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 전도도 온도의존성과 전력케이블 내의 전계분포에 미치는 영향
Temperature Dependence of Conductivities of Recyclable Polyethylene and Polypropylene and its Effects on Electric Field Distribution in Power Cable 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.10, 2011년, pp.1881 - 1887

이준호 (호서대 전기공학과) , 공태식 (호서대 전기공학과 대학원) , 김성중 (호서대 전기공학과 대학원) , 권기형 (호서대 전기공학과 대학원) , 조규철 (SK 이노베이션 고분자연구실) , 호즈미 나오히로 (토요하시기술과학대학)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work the recyclable new polyethylene(PE) and polypropylene(PP), which are thermoplastic, have been investigated as the eco-friendly insulating candidates to replace the cross-linked polyethylene (XLPE). The temperature dependence of conductivities of these materials has been measured and its effects on electric field and space charge distribution in polymeric insulated power cable under temperature gradient have been calculated. It is shown that the sensitivity of conductivity to temperature change has more critical influence to determine the electric field distribution in the power cable than the absolute value of conductivity does and it can be said that the temperature dependence is one of most important factors for the power cable design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 가교로 인해 재활용이 어려운 XLPE를 대체할 수 있는 비가교 재료로 개질된 PE와 PP 에 대해, 온도에 따른 전도도의 변화를 측정하였다.
본 논문에서는 재활용 가능한 전력케이블용 절연재료의 대상으로 개질된 폴리에틸렌(modified polyethylene: PE)와 폴리프로필렌(polypropylene: PP)을 주목하고 이에 대한 전기적 특성 연구의 한 부분으로 전도도의 온도의존성을 실험적으로 측정하고, 기존 전력케이블 절연체용 XLPE 의 측정 결과와 비교하였다.

가설 설정

이러한 전도전류의 감소 후 증가현상이 발생하는데는 2가지 메카니즘을 고려할 수 있다. 먼저 DC전류가 흐르는 동안 Joule열이 발생하고 이로 인해 시료의 온도가 증가하여 전류가 증가하는 Joule효과(Joule effect)의 영향이 있을 것이다. 낮은 온도에서는 발생하는 Joule 열이 외부와의 온도차이로 충분히 발산할 수 있으나 높은 온도에서는 외부와의 온도차이가 작기 때문에 발생한 열의 축적으로 인해 시간이 지남에 따라 내부의 온도가 서서히 증가하게 된다.

제안 방법

DC전원과 일렉트로미터 (electrometer)는 Keithley247과 Keithley6517 를 각각 사용하였으며 일렉트로미터는 GPIB통신으로 PC와 연결되어 Labview 프로그램으로 제어하였다. 그림 1은 사용된 전도전류 측정장치의 개념도이다.
각 온도에서 시료마다 새로운 시편으로 3회 측정한 평균 치를 전류값으로 계산하였다. 전압인가 후 1시간(3,600초)동안 1초간격으로 전류의 변화를 측정하였으며, 각 실험에서 전류값은 전압인가 후 1,500~2,000초 사이의 평균치로 결정 하였다.
또한 HVDC 전력용 케이블에서 운전 중 내부도체에 흐르는 전류로 인해 열이 발생하고 케이블 외부온도와의 차이로 인해 절연체에 내부로부터 반지름 방향으로 직선적으로 감소하는 온도분포를 가지고 있는 경우에 대해 전계분포와 공간 전하밀도를 계산하는 수식을 유도하고, 측정된 전도도를 대입하여 예상되는 전계 및 공간전하밀도 분포를 계산하였다.
전도전류는 측정전극과 가드전극을 가지는 알루미늄 전극계 사이에 시료를 넣고 항온조 내에서 온도를 30, 50, 70, 90℃로 조정하여 흐르는 전류를 측정하였다. 이때 시료에 가해지는 전계는 20 kV/mm가 되도록 시료의 두께에 따라 인가전압을 조정하였다.
전도전류밀도는 측정된 전도전류를 측정전극의 면적으로 나누어 계산하였고, 전도도는 전도전류밀도를 다시 인가전계로 나누어 계산하였다.
각 온도에서 시료마다 새로운 시편으로 3회 측정한 평균 치를 전류값으로 계산하였다. 전압인가 후 1시간(3,600초)동안 1초간격으로 전류의 변화를 측정하였으며, 각 실험에서 전류값은 전압인가 후 1,500~2,000초 사이의 평균치로 결정 하였다. 측정온도의 상한치는, 일반적인 배전급 지중케이블에서 정상 운전시 도체의 최고허용온도가 90℃임을 고려하여 결정하였다.
측정된 전도도의 온도의존성 데이터에 근거하여, 운전 중 발생하는 케이블 절연체 내의 온도분포에 따른 전계분포와 공간전하분포를 계산하여, 연구에 사용된 시료들 사이의 결과를 비교분석하였다.
전압인가 후 1시간(3,600초)동안 1초간격으로 전류의 변화를 측정하였으며, 각 실험에서 전류값은 전압인가 후 1,500~2,000초 사이의 평균치로 결정 하였다. 측정온도의 상한치는, 일반적인 배전급 지중케이블에서 정상 운전시 도체의 최고허용온도가 90℃임을 고려하여 결정하였다.
케이블의 내부도체와 절연층 외부표면 사이의 인가전압은 직류 13.2kV, 절연체 내부반지름에서의 온도는 90℃, 외부반지름의 온도는 30℃로 주었으며 온도의 분포는 케이블 반지름의 증가에 따라 선형적으로 감소하는 상태를 모의하였다. 또한 유전상수는 일반적으로 온도의 변화에 크게 의존하지 않으므로 2.

대상 데이터

XLPE 시료는 전력용케이블에 사용되는 XLPE 펠렛 (pellet)을 hot press하여 만들었고, 개질된 PE 시료는 첨가제를 조절한 2종류를 blown film extrusion 방법으로 준비하였다. PP시료는 랜덤하게 copolymer된 5 wt%의 에틸렌을 함유하고 있는 PP copolymer로 casting 방법으로 준비하였다. 시료의 두께범위는 70~110 μm 이다.
본 연구에서는 XLPE와 개질된 PE 및 PP를 시료로 사용하였다. XLPE 시료는 전력용케이블에 사용되는 XLPE 펠렛 (pellet)을 hot press하여 만들었고, 개질된 PE 시료는 첨가제를 조절한 2종류를 blown film extrusion 방법으로 준비하였다. PP시료는 랜덤하게 copolymer된 5 wt%의 에틸렌을 함유하고 있는 PP copolymer로 casting 방법으로 준비하였다.
본 연구에서는 XLPE와 개질된 PE 및 PP를 시료로 사용하였다. XLPE 시료는 전력용케이블에 사용되는 XLPE 펠렛 (pellet)을 hot press하여 만들었고, 개질된 PE 시료는 첨가제를 조절한 2종류를 blown film extrusion 방법으로 준비하였다.
본 연구에서는 도체면적 400mm2의 22.9kV급 전력케이블을 모델로 하여 다음과 같은 수치를 사용하여 절연체 내의 전계분포계산에 사용하였다. 그림 5는 모델케이블의 구조이고 표 3은 계산에 사용된 수치이다.

이론/모형

한편, 절연체의 온도가 일정한 값을 가지는 경우, 절연체 내의 전계는 Gauss법칙을 사용하여 식 (12) 와 같이 구해진다.

성능/효과

1) 전도전류는 친환경 비가교로 개질된 PE인 시료 #1과 시료 #5가 XLPE 나 R-PP 보다 우수한 특성을 보였다. 특히 개질된 PE 중 시료 #1의 전도전류는 매우 낮은 값과 함께 온도의존성이 작은 특성을 확인하였다.
2) 반면 R-PP의 경우 30℃에서는 개질된 PE와 비슷한 수치를 보였으나 온도가 상승함에 따라 XLPE 와 비슷한 전도전류가 흘렀다.
3) 개질된 PE의 전도전류 크기와 온도의존성은 재료의 구성요소, 특히 첨가제의 영향을 크게 받았다.
3) 전도전류는 온도의 증가에 따라 급속히 증가하였으며, 그 추세는 아레니우스 법칙(Arrhenius law)를 따름을 확인하였다.
4) 절연체 내 반지름 방향으로 직선적으로 감소하는 온도 분포가 발생하면, 전계분포가 심하게 왜곡되어 온도가 일정한 경우와는 반대로 절연체 외부 쪽으로 전계가 급속히 증가되는 현상이 발생하며, 이는 절연재료의 전도도의 온도의존성이 높을수록 더욱 심화되었다.
5) 온도분포에 의한 전계왜곡과 국부적 집중은 케이블 설계시 고려된 전계보다 높은 전계를 발생시킬 수 있으며 이는 케이블의 절연파괴 및 열화의 원인이 될 것으로 판단된다.
그림 2는 전압인가 후 전도전류밀도의 변화를 30℃와 90℃에서 측정한 결과를 그린 것으로 전도전류밀도는 로그스케일로 표시하기 때문에 통상 J-t 곡선이라고 한다. 모두 온도에서 XLPE가 가장 높은 전도전류밀도 값을 보였다. 즉 개질된 PE 와 PP 시료 모두 전도전류는 XLPE보다 우수함을 보이고 있다.
본 연구에서 사용한 전력케이블 구조는 동축 원통형이므로 온도가 일정한 경우 도체에서 멀어질수록 전계가 거리에 반비례하여 감소하는 분포를 보인다. 그러나 온도분포가 주어진 경우 전계는 도체에 가까운 부분에서는 낮은 값을 가지나 바깥쪽으로 멀어질수록 급속히 증가하여 온도분포가 없는 경우에 비해 최고 5 배에 가까운 전계값은 보이고 있으며 이러한 현상은 전계반전(electric field reversal)이라고 한다.
이 결과에서 우선 주목되는 점은, 모든 온도에서 XLPE 가 가장 높은 전도전류밀도 값은 나타내었으나, 온도분포가 주어진 상태에서 절연체 내의 전계분포는 시료 R-PP와 #5가 XLPE보다 절연체 바깥쪽으로 갈수록 높은 값을 보이고 있다는 것이다. 전도전류밀도의 수치를 30℃ 경우만 비교한다면 개질된 PE와 PP시료 모두 XLPE 보다 낮은 전도전류가 흐르고, 그 값도 시료들 간에 큰 차이가 없었다.
계수 a의 물리적 의미는 온도의 증가에 따라 절연체의 전도전류밀도(또는 전도도)가 얼마나 민감하게 증가하는지를 나타내는 지표이다. 이러한 지표와 계산된 전계분포와의 관계를 살펴보면, 케이블 절연체의 전계분포를 결정하는 주요인자는 절연체 내부의 온도 분포상태와, 절연체를 이류는 재료가 가지는 전도도의 온도의존성이라고 결론지을 수 있다.
모두 온도에서 XLPE가 가장 높은 전도전류밀도 값을 보였다. 즉 개질된 PE 와 PP 시료 모두 전도전류는 XLPE보다 우수함을 보이고 있다.

후속연구

향후 XLPE를 대체할 수있는 친환경 재활용 가능한 케이블 절연체 연구에 있어, 보다 다양한 전기적 특성(전계변화에 따른 전도도, 공간전하분포측정, 절연파괴특성, 워터트리 성장특성 등)에 관한 실험과 분석과 함께 중장기적 스트레스에 대한 시험에 수행되어야 한다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	XLPE의 문제점은?	가교폴리에틸렌(cross-linked polyethylene: XLPE)은 고분자 전력케이블의 절연체로 오랫동안 광범위하게 사용되어 오고 있다. 그러나 XLPE는 제조과정에서 가교공정을 거쳐 열경화성(thermosetting)이 되기 때문에 교체나 철거 후 재활용이 어렵고 높은 처리비용이 필요하다는 문제를 가지고 있다. 특히 최근 전력설비에 대해서도 친환경과 재활용에 대한 사회적 인식이 증가와 국내외적 관련법규가 강화되는 추세를 고려할 때, XLPE를 대체할 수 있는 친환경, 재활용 가능한 절연재료 개발에 대한 기술적, 정책적 필요성이 높아 지고 있다 1).
	폴리프로필렌이 재활용 가능한 케이블 절연체로 주목받는 이유는 무엇인가?	개질된 PE는 기존의 PE나 XLPE에 비해 우수한 기계적, 열적 장기특성을 보이며, 간단한 공정프로세스로 보다 나은 경제성을 가지고 있다2). PP는 PE에 비해 높은 녹는점 (160~170℃)을 가지고 가교공정이 필요하지 않다는 점에서 재활용 가능한 케이블 절연체로 관심을 받고 있다 3).
	개질된 PE의 장점은?	개질된 PE는 기존의 PE나 XLPE에 비해 우수한 기계적, 열적 장기특성을 보이며, 간단한 공정프로세스로 보다 나은 경제성을 가지고 있다2). PP는 PE에 비해 높은 녹는점 (160~170℃)을 가지고 가교공정이 필요하지 않다는 점에서 재활용 가능한 케이블 절연체로 관심을 받고 있다 3).

참고문헌 (7)

이준호, EVA 블랜딩에 의한 가교폴리에틸렌에서의 워터트리 억제현상 연구, 박사학위논문, 서울대학교 대학원, 1992.
K. H. Ku, et al., "Development of New Recyclable Insulation Material for Power Cable", Proc. of JiCable 2011, 2011.
K. Yoshino, et al., "Property of Syndiotactic Polypropylene and its Application to Insulation of Electric Power Cable", Proc. of the 7th ICPADM, pp. 175-178, 2003.
C. Zhang, et al., "Space Charge Behaviors of Low-density Polyethylene blended with polypropylene copolymer", Polymer, Vol. 43, pp. 2261-2266, 2002.

상세보기
Kwang S. Suh, et al., "Space Charge in Grafted Polyethylene", Proc. of 1998 Int'l Sympo. on Electrical Insulating Materials, pp. 91-96, 1998.
R. Coelho, "Charges in Non Homogeneous Dielectrics", Proc. of 1997 CEIDP, pp. 1-10, 1997.
M. Zahn, Electromagnetic Field Theory: A Problem Solving Approach, Krieger Publishing Company, 1979.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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