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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 옥외 전력설비의 절연으로 많이 사용되고 있는 폴리머 애자를 대상으로 자외선을 인위적으로 조사하여 표면의 백화현상을 관측하고, 광학렌즈가 포함된 자외선 검출 시스템을 이용하여 자외선 열화에 의한 코로나 방전량 실험을 수행하였다. 이를 통해 옥외 폴리머애자의 열화 상태를 진단하여 이상 유무를 판별할 수 있는 기초자료로 활용하고자 하였다.
- 본 논문에서 폴리머 애자를 대상으로 자외선을 인위적으로 조사하여 열화현상을 관측하고 자외선 검출 시스템을 이용하여 코로나 방전량을 조사하였다. 실내 자외선 가속열화 실험은 제논 아크 방법을 이용하여 0.
- 따라서 본 논문에서는 옥외 전력설비의 절연으로 많이 사용되고 있는 폴리머 애자를 대상으로 자외선을 인위적으로 조사하여 표면의 백화현상을 관측하고, 광학렌즈가 포함된 자외선 검출 시스템을 이용하여 자외선 열화에 의한 코로나 방전량 실험을 수행하였다. 이를 통해 옥외 폴리머애자의 열화 상태를 진단하여 이상 유무를 판별할 수 있는 기초자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
- 고전압 인가 실험은 IEC 60060-1[11]에 의해 정의된고전압 발생장치를 이용하여 전력 설비를 평가하는 방법을 활용하였다. 고전압 실험은 주변 환경의 영향에 의해 약간씩 차이가 발생하지만, 측정거리는 5 m에서 폴리머애자에서 발생하는 코로나 방전을 측정하였으며, 측정횟수를 10회 이상으로 하여 평균값을 취하였다. 고전압 실험 동안의 주변 온도는 15℃였으며, 습도는 45%였다.
- 고전압 실험 동안의 주변 온도는 15℃였으며, 습도는 45%였다. 고전압발생장치 (Hipotronics, 0～200 kV, USA)를 이용하여 기중 절연파괴가 될 때 까지 1 kV/sec 전압을 상승시키며 그 때 발생되는 자외선을 검출하였다.
- 0인 것으로 제작하였다. 광학렌즈는 Fused Silica 렌즈를 2개 사용하여 자외선 센서 중앙에 자외선이 집광되도록 하였다. 자외선 가속열화 실험 결과, EPDM 타입 애자는 절연파괴의 50 % 부근, Silicone 타입 애자는 절연파괴의 40 % 부근에서 정상상태 및 자외선 가속열화 실험에 의한 시료 모두 자외선이 검출되기 시작하였다.
- 2°으로 하였으며, 그림에서 자외선이 투과되면 렌즈 2개를 통해 중앙에 자외선이 집광되는 구조로 설계하였다. 또한 광학계 우측에 자외선 센서를 고정 시켜 방전에 의해 발생하는 자외선을 검출하도록 하였고 자외선 검출을 위한 자외선 센서의 전압은 직류 380V를 공급 하였다. 즉, 소형화된 UV 검출 시스템은 폴리머애자에서의 코로나 방전에 의해 자외선이 발생하면, 광전효과에 의해 애 노드와 캐소드 사이의 미소방전으로 자외선을 검출하게 되며, 시간에 따른 자외선 발생횟수를 카운트하게 되어 코로나 방전량을 기록하게 된다.
- 시야각(FOV)은 ±3.2°으로 하였으며, 그림에서 자외선이 투과되면 렌즈 2개를 통해 중앙에 자외선이 집광되는 구조로 설계하였다.
- 본 논문에서 폴리머 애자를 대상으로 자외선을 인위적으로 조사하여 열화현상을 관측하고 자외선 검출 시스템을 이용하여 코로나 방전량을 조사하였다. 실내 자외선 가속열화 실험은 제논 아크 방법을 이용하여 0.55 w/m2로의 자외선 빛을 비추었으며, 500 kJ/㎡에서 3,000 kJ/㎡까지 단계별로 실시하였다. 자외선 검출 시스템은 자외선 광학계를 설계하고 직경 65 ㎜Ø이고 길이 100 ㎜이며, 밝기(F/#)가 1.
- 자외선 조사 실험 사이클은 노출 조사량 0.55 W/㎡에 시간을 곱하면 J/㎡으로 표시되며, 이를 500 kJ/㎡, 1,000 kJ/㎡, 1,500 kJ/㎡, 2,000 kJ/㎡, 2,500 kJ/㎡, 3,000 kJ/㎡의 총 6단계별로 실험을 하였다. 실제로 3,000 kJ/㎡까지 제논-아크 자외선을 노출시켰을 경우의 시간을 계산하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 0인 것으로 설계하였다. 광학렌즈의 재질은 자외선 투과율이 좋은 Fused Silica 렌즈를 사용하여 구면렌즈 2개를 사용하였으며, 파장범위는 213～260 ㎚로 하였다. 시야각(FOV)은 ±3.
- 자외선 광 가속열화 시험은 폴리머애자를 제논아크 광원에 온도, 습도, 수분, 암흑기간 사이클 등의 시험조건을 통해 노출시키는 시험방법으로 짧은 시간 안에 물리·화학적 성질 변화를 조사하는 것이다. 실험에 사용된 폴리머애자는 25kV급 폴리머 애자 B호로서 EPDM 타입과 Silicone 타입 2가지를 선정하였다. 폴리머애자는 상부와 하부 쪽에 케이블타이를 이용하여 상, 하에 고정시켰다.
- 그림 1은 폴리머애자의 실내 자외선 가속열화 실험 개략도를 나타낸다. 실험은 한국건설생활환경시험연구원 서산옥외폭로시험장에서 제논-아크 시험장치(CI-4000, Atlas)를 이용하였다. 자외선 광 가속열화 시험은 폴리머애자를 제논아크 광원에 온도, 습도, 수분, 암흑기간 사이클 등의 시험조건을 통해 노출시키는 시험방법으로 짧은 시간 안에 물리·화학적 성질 변화를 조사하는 것이다.
- 자외선 검출 시스템은 자외선 광학계를 설계하고 직경 65 ㎜Ø이고 길이 100 ㎜이며, 밝기(F/#)가 1.0인 것으로 제작하였다.
- 자외선 광학계의 크기는 직경 65 Ø㎜이고 길이 100 ㎜이며, 밝기(F/#)가 1.0인 것으로 설계하였다.
이론/모형
- 그림 3은 폴리머 애자의 코로나 방전 실험 개략도를 나타낸다. 고전압 인가 실험은 IEC 60060-1[11]에 의해 정의된고전압 발생장치를 이용하여 전력 설비를 평가하는 방법을 활용하였다. 고전압 실험은 주변 환경의 영향에 의해 약간씩 차이가 발생하지만, 측정거리는 5 m에서 폴리머애자에서 발생하는 코로나 방전을 측정하였으며, 측정횟수를 10회 이상으로 하여 평균값을 취하였다.
- 그림 9는 폴리머애자 표면에 액체방울을 떨어트려 접촉각을 측정하는 방법을 나타낸다. 접촉각 측정 장치는 Theta 2.0을 사용하였으며, 액적법(Sessile drop)으로 측정하였다. 이는 고체표면에 액체방울을 떨어뜨리면 표면에너지(surface energy) 및 계면장력(interface energy)의 균형에 의해 액체 방울은 특정한 형태(곡면)을 나타낸다.
성능/효과
- 또한 Vm/VBD의 40～70 % 구간에서는 Silicone 타입과 EPDM 타입의 자외선 세기 차이가 발생하지만, 절연파괴에 근접할수록 자외선 세기는 폴리머애자 모두 약 120 N/sec 값을 가졌 으며, 큰 차이는 나타나지 않았다. 그림 (b)의 2,500 kJ/㎡에서는 Silicone 타입 및 EPDM 타입 모두 Vm/VBD의 30 %부근에서 자외선이 검출되었으며, 자외선 세기는 Silicone 타입의 경우 17 N/sec, EPDM 타입의 경우에는 약 8 N/sec 의 값을 가졌으며, 차이는 크게 발견되지 않았다. 인위적인 자외선 가속열화에 의한 폴리머애자의 열화 상태는 Silicone타입이 초기 자외선 열화에 의해 표면의 열화 정도가 EPDM 타입보다 특성이 좋지 않은 것으로 판단된다.
- 그림 4에서 자외선 세기는 절연파괴 전압에서 근접할수록 증가하는 것을 알 수 있다. EPDM 폴리머 애자는 절연파괴의 50 % 근처에서 정상상태 및 자외선 가속열화 실험에 의한 시료 모두 자외선이 검출되기 시작하였으며, 실내 자외선가속열화 실험에 의해 500 kJ/㎡에서 3,000 kJ/㎡으로 열화 시간이 많아질수록 검출되는 자외선 세기는 증가하는 것을알 수 있다. 또한 실내 자외선 가속열화 실험에 의해 열화가 진행됨에 따라 초기에 자외선을 검출 할 수 있는 절연파괴전압도 낮아졌다.
- 즉, Vm/VBD 값이 약 30 % 부근에서 자외선 조사량이 2,500 kJ/㎡, 3,000 kJ/㎡에서는 각각 8 N/sec, 4 N/sec 의 자외선 세기가 검출되었다. Vm/VBD 값이 감소하게 되면 EPDM 폴리머 애자 표면의 열화에 의해 표면방전의 발생으로 자외선이 검출된 것으로 판단되며, Vm/VBD 값이 약 100 %에 근접할수록 자외선 세기는 포화 되는 경향을 나타내었다.
- 하지만, EPDM 폴리머애자에서는 Vm/VBD의 40 % 부근에서 자외선이 검출되지 않았다. 또한 Vm/VBD의 40～70 % 구간에서는 Silicone 타입과 EPDM 타입의 자외선 세기 차이가 발생하지만, 절연파괴에 근접할수록 자외선 세기는 폴리머애자 모두 약 120 N/sec 값을 가졌 으며, 큰 차이는 나타나지 않았다. 그림 (b)의 2,500 kJ/㎡에서는 Silicone 타입 및 EPDM 타입 모두 Vm/VBD의 30 %부근에서 자외선이 검출되었으며, 자외선 세기는 Silicone 타입의 경우 17 N/sec, EPDM 타입의 경우에는 약 8 N/sec 의 값을 가졌으며, 차이는 크게 발견되지 않았다.
- EPDM 폴리머 애자는 절연파괴의 50 % 근처에서 정상상태 및 자외선 가속열화 실험에 의한 시료 모두 자외선이 검출되기 시작하였으며, 실내 자외선가속열화 실험에 의해 500 kJ/㎡에서 3,000 kJ/㎡으로 열화 시간이 많아질수록 검출되는 자외선 세기는 증가하는 것을알 수 있다. 또한 실내 자외선 가속열화 실험에 의해 열화가 진행됨에 따라 초기에 자외선을 검출 할 수 있는 절연파괴전압도 낮아졌다. 즉, Vm/VBD 값이 약 30 % 부근에서 자외선 조사량이 2,500 kJ/㎡, 3,000 kJ/㎡에서는 각각 8 N/sec, 4 N/sec 의 자외선 세기가 검출되었다.
- 광학렌즈는 Fused Silica 렌즈를 2개 사용하여 자외선 센서 중앙에 자외선이 집광되도록 하였다. 자외선 가속열화 실험 결과, EPDM 타입 애자는 절연파괴의 50 % 부근, Silicone 타입 애자는 절연파괴의 40 % 부근에서 정상상태 및 자외선 가속열화 실험에 의한 시료 모두 자외선이 검출되기 시작하였다. 자외선 조사량에 따라 폴리머 애자 표면의 열화에 의해 표면방전이 발생하여 Vm/VBD 값이 낮아지며, Vm/VBD 값이 약 100 %에 근접할수록 자외선 세기는 포화되는 경향을 나타내었다.
- 자외선 조사량에 따라 폴리머 애자 표면의 열화에 의해 표면방전이 발생하여 Vm/VBD 값이 낮아지며, Vm/VBD 값이 약 100 %에 근접할수록 자외선 세기는 포화되는 경향을 나타내었다. 자외선 가속열화 실험에 의한 폴리머애자 표면의 백화현상은 관측되지 않았 지만, 접촉각 측정을 통해 애자 표면의 열화가 진행되는 것을 확인하였다. EPDM 타입의 애자의 경우, 접촉각의 변화가 완만하게 감소하는 경향을 나타내고 있지만, Silicone 타입 애자의 경우는 초기 정상상태에 비해 약 1,000 kJ/㎡에서 급격하게 접촉각이 감소하였다.
- 또한 자외선 세기도 EPDM 폴리머애자에 비해 급격하게 증가하였다. 자외선 가속열화 실험에 의해 열화 정도가 심해짐에 따라 초기에 검출할 수있는 자외선 세기는 EPDM 폴리머애자와 유사하게 Vm/VBD 값이 약 30 % 정도일 때 검출하였으며, 자외선 조사량이 2,500 kJ/㎡, 3,000 kJ/㎡에서는 각각 17 N/sec, 3 N/sec 의자외선 세기가 검출되었다.
- 자외선 가속열화 실험 결과, EPDM 타입 애자는 절연파괴의 50 % 부근, Silicone 타입 애자는 절연파괴의 40 % 부근에서 정상상태 및 자외선 가속열화 실험에 의한 시료 모두 자외선이 검출되기 시작하였다. 자외선 조사량에 따라 폴리머 애자 표면의 열화에 의해 표면방전이 발생하여 Vm/VBD 값이 낮아지며, Vm/VBD 값이 약 100 %에 근접할수록 자외선 세기는 포화되는 경향을 나타내었다. 자외선 가속열화 실험에 의한 폴리머애자 표면의 백화현상은 관측되지 않았 지만, 접촉각 측정을 통해 애자 표면의 열화가 진행되는 것을 확인하였다.
- 또한 실내 자외선 가속열화 실험에 의해 열화가 진행됨에 따라 초기에 자외선을 검출 할 수 있는 절연파괴전압도 낮아졌다. 즉, Vm/VBD 값이 약 30 % 부근에서 자외선 조사량이 2,500 kJ/㎡, 3,000 kJ/㎡에서는 각각 8 N/sec, 4 N/sec 의 자외선 세기가 검출되었다. Vm/VBD 값이 감소하게 되면 EPDM 폴리머 애자 표면의 열화에 의해 표면방전의 발생으로 자외선이 검출된 것으로 판단되며, Vm/VBD 값이 약 100 %에 근접할수록 자외선 세기는 포화 되는 경향을 나타내었다.
- 하지만, 자외선 코로나 카메라의 경우 전량 수입되고 자외선 영상 이미지에 사용되는 센서의 가격이 수천만원 등의 비싸다는 단점이 있다. 하지만, 본 논문에서 개발된 소형화된 자외선 검출 장비는 내부 방전전극의 광전효과와 가스증폭 기술을 이용하여 자외선을 감지하는 기술로서 기존자외선 코로나 카메라의 광증배관(MCP) 센서 보다 가격이 저렴하고, 코로나 방전에서 발생하는 자외선 파장(UV-C) 대역인 260 nm 이하의 파장을 측정할 수 있어 쉽게 코로나 방전 현상을 검출 할 수 있다[6-8].
후속연구
- 인위적인 자외선 가속열화에 의한 폴리머애자의 열화 상태는 Silicone타입이 초기 자외선 열화에 의해 표면의 열화 정도가 EPDM 타입보다 특성이 좋지 않은 것으로 판단된다. 따라서 옥외에 설치되어 있는 폴리머애자의 경우, 자외선 가속열화가 어느 정도 진행이 되면 코로나 방전량을 나타내는 자외선은 낮은 전압에서 검출이 가능하며, 전력계통의 운전전압에서 자외선 세기의 크기 변화를 통해 폴리머애자의 상태를 진단할 수 있는 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 앞에서 나타낸 그림 6에서 Silicone 타입 애자가 1,000 kJ/㎡일 때의자외선 세기가 급격하게 증가한 것은 접촉각이 92.1°로서 젖음 상태를 나타내는 90° 이하에 근접하게 되어 애자 표면의 발수성 특성이 나빠지는 것이 주원인으로 판단되며, 표면의 성분변화를 조사하여 확인해 볼 필요가 있다고 생각된다.
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