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문제 정의
- 본 논문에서는 현재 전력용 케이블의 절연체로 가장 많이 사용하고 있지만 열경화성특징을 지니고 있어 재활용이 불가능한 XLPE와 친환경 특성을 고려하고 열가소성(thermoplastic) 특징을 지니고 있어 재활용이 가능한 비가교폴리에틸렌(Non-crosslinked polyethylene) 시료를 사용하여 전기적 기초 물성을 비교 분석 하였다. 전기적 기초 물성 비교 방법으로는 전도전류실험, Water Tree 가속열화시험, AC절연파괴실험을 진행 하였다.
- 본 논문에서 친환경 전력용 케이블 절연체를 구현하기 위한 초기단계로 비가교 폴리에틸렌에 대한 전기적 기본특성 실험, 즉 전도전류특성 실험, 워터트리 가속열화시험 및 교류전압파괴 특성 실험을 행하였고 이에 대한 결과 정리를 하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 확인하였다.
가설 설정
- 이러한 전도전류의 감소 후 증가현상이 발생하는 이유는 2가지 메커니즘을 고려 할 수 있다. 첫 번째는 DC전류가 흐르는 동안 Joule열이 발생하고 이로 인해 시료의 온도가 증가하여 전류가 증가하는 Joule효과(Joule effect)의 영향이 있을 것이다. 두 번째는 시료 내 존재하거나 전극으로부터 주입된 캐리어가 균일하지 않게 분포되고 이로 인한 국부적 전계집중 등이 발생하는 공간전하효과(space charge effect)에 의한 영향을 고려할 수 있다[5].
제안 방법
- 본 논문에서는 현재 전력용 케이블의 절연체로 가장 많이 사용하고 있지만 열경화성특징을 지니고 있어 재활용이 불가능한 XLPE와 친환경 특성을 고려하고 열가소성(thermoplastic) 특징을 지니고 있어 재활용이 가능한 비가교폴리에틸렌(Non-crosslinked polyethylene) 시료를 사용하여 전기적 기초 물성을 비교 분석 하였다. 전기적 기초 물성 비교 방법으로는 전도전류실험, Water Tree 가속열화시험, AC절연파괴실험을 진행 하였다.
- XLPE를 제외한 5종류의 시료는 모두 비가교된 PE base의 시료이며, 전도도실험은 100±10[μm], 교류전압파괴실험은 110±10[μm], 워터트리가속 열화실험은 1,000±100[μm]의 두께로 준비하였다. 또한 시료 표면의 불순물을 없애기 위해 모든 실험에서 실험 전 표면을 에칠알코올로 닦아서 불순물을 제거하였다. 그리고 워터 트리가속열화실험과 교류전압파괴실험은 상온에서 실험을 진행하였으며 전도전류 실험은 항온조 내에서 30, 50, 70, 90℃로 조정하면서 실험을 진행하였다.
- 또한 시료 표면의 불순물을 없애기 위해 모든 실험에서 실험 전 표면을 에칠알코올로 닦아서 불순물을 제거하였다. 그리고 워터 트리가속열화실험과 교류전압파괴실험은 상온에서 실험을 진행하였으며 전도전류 실험은 항온조 내에서 30, 50, 70, 90℃로 조정하면서 실험을 진행하였다.
- 그림 1은 전도전류 실험 개략도이다. 본 실험에서는 동일한 방법으로 새로운 시료를 사용하여 3번씩 실험을 반복하였다. 실험에 사용된 전극의 재질은 stainless steel이며 측정 전극의 면적은 5.
- 이 때 전계는 20[kV/mm]가 되도록 시료 두께에 따라 전압을 조정해가면서 실험하였다. 그리고 일렉트로미터 KEITHLEY6517 장비를 사용하여 전류를 측정한다. 이 때 시료의 옆면으로 흐르는 전류가 일렉트로미터 KEITHLEY6517에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 가드전극을 설치 한 후 따로 접지를 하였다.
- 그리고 일렉트로미터 KEITHLEY6517 장비를 사용하여 전류를 측정한다. 이 때 시료의 옆면으로 흐르는 전류가 일렉트로미터 KEITHLEY6517에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 가드전극을 설치 한 후 따로 접지를 하였다. 그 후 GPIB통신을 통하여 PC에 저장을 하였고 프로그램은 LabVIEW를 사용하였다.
- 그리고 측정시간은 3600초를 측정하였다. 또한 온도변화에 따른 전도전류밀도를 비교하기위하여 항온조 내에서 온도를 30℃, 50℃, 70℃ 90℃ 로 변화를 주었다.
- 염색 시간은 10분 이상 하였다. 염색이 된 시료는 광학현미경을 사용하여 120시간 열화 된 시료의 표면과 단면을 관찰 하였다. 그리고 워터트리 성장 길이와 시료 두께를 워터트리 성장비율로 계산하여 시료별 워터트리 성장률을 비교 분석 하였다.
- 염색이 된 시료는 광학현미경을 사용하여 120시간 열화 된 시료의 표면과 단면을 관찰 하였다. 그리고 워터트리 성장 길이와 시료 두께를 워터트리 성장비율로 계산하여 시료별 워터트리 성장률을 비교 분석 하였다.
- 7[mm]의 구대구 전극을 사용하였다[4]. 그리고 연면방전의 영향을 최소화시키기 위하여 실리콘절연유(silicone oil)내에서 실험을 실시하였다. 그리고 실험실은 온도는 상온에서 진행하였다.
- 실험방법은 0[V]에서 시작하여 파괴가 발생할 때까지 구대구 전극에 일정하게 전압을 인가시키는 단시간 시험법(short time test)을 사용하였다. 그리고 동일한 방법으로 15번씩 교류전압파괴 실험을 진행하였다. 실험 종료 후 시료 두께를 파괴전압으로 나눈 후 파괴전계[kV/mm]값을 구한다.
- 그리고 표 1과 같이 시료의 두께[μm], 워터트리 성장 길이[μm]를 사용하여 워터트리 성장비율로 계산을 한 후 각 시료별로 워터트리 성장률을 비교하였다.
대상 데이터
- XLPE를 제외한 5종류의 시료는 모두 비가교된 PE base의 시료이며, 전도도실험은 100±10[μm], 교류전압파괴실험은 110±10[μm], 워터트리가속 열화실험은 1,000±100[μm]의 두께로 준비하였다.
- 실험에 사용된 전극의 재질은 stainless steel이며 측정 전극의 면적은 5.7×10-4[m2]이다.
- 본 연구에 사용된 시료는 총 6종류로 XLPE를 기준으로 한 상대적 특성을 비교하였다. XLPE를 제외한 5종류의 시료는 모두 비가교된 PE base의 시료이며, 전도도실험은 100±10[μm], 교류전압파괴실험은 110±10[μm], 워터트리가속 열화실험은 1,000±100[μm]의 두께로 준비하였다.
- 그림 2는 워터트리를 성장시키기 위한 워터트리 가속열화 셀이다. 본 실험에서는 직경이 86[mm], 두께 1mm의 원반형 시편을 각 시료 당 2개씩 준비하여 워터트리 가속열화 실험을 진행하였다. 또한 실험실의 온도는 상온으로 유지하였으며 열화시간은 모두 120시간으로 설정하였다.
- 준비된 시료는 중심의 직경 36[mm] 원 안에 거칠기 220 사포(sand paper)를 사용하여 인공적인 표면 스크래치(scratch)를 만들었으며 한 쪽 방향으로 균일한 스크래치를 내었다. 스크래치를 낸 표면은 알코올을 사용하여 불순물을 제거하였다.
- 실험에 사용한 수용액은 1.0M의 NaCl용액이고, 인가전원은 워터트리 성장속도를 가속시키기 위해 주파수 1.0[kHz], 전압 10[kVrms]인 주파수가속 전원을 사용하였다. 120시간이 지난 후 전압을 끄고 워터트리 가속 열화 셀에서 시료를 분리한 뒤 메틸블루 용액을 사용하여 염색을 하였다.
- 그림 3은 교류전압파괴강도를 측정하기 위한 교류전압 파괴실험 개략도 이다. 본 논문에서는 시료의 크기는 구대구 전극의 크기를 고려하여 준비하였다. 전극의 재질은 Stainless steel이며 전극의 형태는 ASTM(America Standard Test Method) D149-92규정 중 전극의 직경이 12.
- 본 논문에서는 시료의 크기는 구대구 전극의 크기를 고려하여 준비하였다. 전극의 재질은 Stainless steel이며 전극의 형태는 ASTM(America Standard Test Method) D149-92규정 중 전극의 직경이 12.7[mm]의 구대구 전극을 사용하였다[4]. 그리고 연면방전의 영향을 최소화시키기 위하여 실리콘절연유(silicone oil)내에서 실험을 실시하였다.
데이터처리
- 데이터 분석 방법은 PC에 저장된 전도전류 값을 측정전극의 면적으로 나눈 후 1,501~2,000초의 평균값을 사용하여 시료별로 온도변화에 따른 전도전류 밀도 특성을 비교 분석하였다.
- 실험 종료 후 시료 두께를 파괴전압으로 나눈 후 파괴전계[kV/mm]값을 구한다. 데이터 분석 방법은 신뢰성 평가 및 수명예측에 많이 사용되고 있는 와이블 분포함수 값을 사용하여 63.2[%]의 파괴전계 값을 구하고 시료별 교류전압파괴 특성을 비교 분석 하였다.
이론/모형
- 이 때 시료의 옆면으로 흐르는 전류가 일렉트로미터 KEITHLEY6517에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 가드전극을 설치 한 후 따로 접지를 하였다. 그 후 GPIB통신을 통하여 PC에 저장을 하였고 프로그램은 LabVIEW를 사용하였다. 그리고 측정시간은 3600초를 측정하였다.
- 실험방법은 0[V]에서 시작하여 파괴가 발생할 때까지 구대구 전극에 일정하게 전압을 인가시키는 단시간 시험법(short time test)을 사용하였다. 그리고 동일한 방법으로 15번씩 교류전압파괴 실험을 진행하였다.
성능/효과
- 그 결과 30, 50C°에서는 시간이 지남에 따라 전도전류밀도도 감소하였으나 70, 90C°에서는 시간이 지남에 따라 전도전류 밀도가 감소하다가 일정시간이 지나면 다시 전도전류밀도가 증가함을 보였다.
- 그 결과 XLPE시료가 상대적으로 다른 시료에 비하여 높은 전도전류밀도를 보였다. 그리고 30℃에서는 #5 시료가 가장 낮은 전도전류밀도를 보였으나 온도가 증가함에 따라 급격하게 전도전류밀도가 증가함을 보였다.
- 그 결과 XLPE시료가 상대적으로 다른 시료에 비하여 높은 전도전류밀도를 보였다. 그리고 30℃에서는 #5 시료가 가장 낮은 전도전류밀도를 보였으나 온도가 증가함에 따라 급격하게 전도전류밀도가 증가함을 보였다. 그리고 #1, #2, #3 시료는 상대적으로 온도가 증가함에 따라 전도전류밀도가 크게 변화 하지 않았다.
- 그 결과 시료 평면에서는 거칠기 220의 사포를 사용하여 인위적으로 스크래치를 형성한 부분에서 워터트리가 성장하였고 스크래치가 없는 부분에서는 워터트리가 성장 하지 않았다. 또한 넓은 시료 표면에서도 워터트리가 성장함을 알 수가 있었다.
- 또한 넓은 시료 표면에서도 워터트리가 성장함을 알 수가 있었다. 이는 본 실험에서 사용한 워터트리 가속열화 시험법이 넓은 표면적에서도 워터트리를 인공적으로 성장시킬 수 있음을 보여주는 결과이다. 그리고 시료 단면에서는 워터트리가 균일하게 성장함을 알 수가 있었다.
- 이는 본 실험에서 사용한 워터트리 가속열화 시험법이 넓은 표면적에서도 워터트리를 인공적으로 성장시킬 수 있음을 보여주는 결과이다. 그리고 시료 단면에서는 워터트리가 균일하게 성장함을 알 수가 있었다.
- 1) 전기전도특성 실험의 경우 XLPE시료가 상대적으로 다른 시료에 비하여 높음 전도전류밀도를 보였다. #4, #5시료는 온도의존성이 높으며 #1, #2, #3 시료는 온도의존성이 낮다는 것을 확인 하였다.
- 2) 워터트리 가속열화 실험의 경우 시료 평면에서는 인위적으로 스크래치를 낸 부분에서 워터트리가 성장하였고 넓은 표면에서도 워터트리가 성장함을 확인 하였다.
- 3) 워터트리 가속열화 실험의 경우 시료 단면에서 워터트리가 균일하게 성장함을 확인 할 수 있었고 XLPE시료를 기준으로 할 때 #1, #3 시료가 낮은 워터트리 성장률을 보였으며 #4, #5시료가 높은 워터트리 성장률을 보였다. 그리고 #2시료는 XLPE 시료와 비슷한 워터트리 성장률을 보였다.
후속연구
- 향후 XLPE를 대체할 수 있는 친환경 재활용 가능한 비가교 폴리에틸렌 절연체 연구에 있어, 보다 다양한 전기적 특성(전계변화에 따른 전도도, 공간전하분포측정)에 관한 실험과 분석과 함께 중장기적 스트레스에 대한 시험에 수행되어야 한다고 사료된다.
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