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문제 정의
- (Sulfur hexafluroride) 절연가스 중고전압 중전기기 장치의 절연성능 면에서 우수한 화학적 안정성을 갖는 설비들 가령, GIS(Gas Insulated Switchgear), 초고압 변압기의 절연매질로 사용하였지만, SF6가스가 온실가스의 주범으로 지정된 이래 대체할 수 있는 고체 절연의 필요성이 크게 부각되어왔다. 고체절연재료의 평가방법 중장기신뢰성 평가방법으로서 가능할지를 알기 위하여 인가전압 주파수를 상용주파수(60Hz)에서 더욱더 높은 주파수인 500Hz로서 상용주파수의 8.3배 그리고 1000Hz로서 16.6배의 주파수 가속과 트리잉 파괴와의 상관관계 그리고 트리개시, 진전 그리고 트리 진전형상 과의 관계를 정립하고자 연구를 실시하였다. 그리고 인가전압 주파수의 변화에 따른 축방향 트리진전길이, 트리진전속도 그리고 파괴에 걸리는 시간 (수명)등을 평가하였다.
제안 방법
- 고전압 전원주파수 변화에 따른 트리개시 및 진전 그리고 파괴에 이르는 트리 진전에 관한 연구를 위하여 교류 고전압10kV (주파수 가변용: 60Hz ,500Hz 그리고 1000Hz)을 침대평판 전극에 인가하였다. 측정하는 절연유 온도는 30℃로 일정하게 온도조절장치를 이용하여 제어되었으며, 인가전압의 승압속도는 0.
- 고전압 중전기기의 절연소재로 이용하고 있는 에폭시원형 수지를 이용하여 트리전극을 삽입한 에폭시 트리샘플을 제조하여 고전압 발생 주파수를 60Hz, 500Hz, 1000Hz으로 가변하여 트리가속열화 실험을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 9×10-5mm /min가 극히 미소하게 진전하였다. 그러나 측면으로 미소한가지형의 트리가 발생되었고 그리고 탄화된 도전로인 트리 체널이 시간에 따라 더욱더 검은색의 체널로 변화하여 진행 하였다. 이는 트리진전은 거의 이루어지지 않으며 단지 측면으로 내지 미소한 가지의 발생을 가져온 것이다.
- 6배의 주파수 가속과 트리잉 파괴와의 상관관계 그리고 트리개시, 진전 그리고 트리 진전형상 과의 관계를 정립하고자 연구를 실시하였다. 그리고 인가전압 주파수의 변화에 따른 축방향 트리진전길이, 트리진전속도 그리고 파괴에 걸리는 시간 (수명)등을 평가하였다. 이 결과는 극도의 불평등 전계 하에서 모의 실험한 경우로서, 향후 절연소재의 신뢰성평가에 주파수 가속열화의 특성평가 시 이용하게 될 것이다.
- 원형에폭시수지(100phr)와 경화제(80phr)를 혼합하여 경화 촉진제(1phr)를 넣고 기계식교반기(500prm×30min)를 이용하여 교반 후, 금형 몰드에 미리 침을 삽입 배치하였다. 금형을 예열시켜 최대한 기포발생을 억제하였고 그리고 주입된 에폭시수지에 기포를 제거하기 위하여 진공오븐에서 탈 기포 처리하였다. 제조된 트리잉 샘플의 치수는 15×15×30mm3이었다.
- )에서 구입하였으며, 지름과 길이는 1mm 그리고 60mm이었고 그리고 침의 선단 각은 30° 그리고 곡률반경이 5μm 이었다. 시편의 하부전극측은 평판형 전극으로 도전성 실버페이스트로 코팅하였다.
- 온도 30℃, 인가전압 교류10kV, 주파수 60Hz, 500Hz, 1000Hz을 가변 할 때 트리수명평가는 인가전압 승압 후 트리개시로부터 트리파괴에 이르는 시간을 평가하였다. 통계 처리는 와이블플롯을 이용하여 평가한 결과 형상 파라미터의 경우 60Hz는 3.
- 원형에폭시수지(100phr)와 경화제(80phr)를 혼합하여 경화 촉진제(1phr)를 넣고 기계식교반기(500prm×30min)를 이용하여 교반 후, 금형 몰드에 미리 침을 삽입 배치하였다.
- 5kV/s로 일정하게 10kV까지 승압 후 파괴에 이를 때까지 지속적으로 인가하였다. 트리개시 및 진전 과정은 그림 1에서 나타낸 비디오현미경 시스템((ICS-305B, SOMETECH Inc.)으로 모니터링 하였다. 트리영상은 매 5분마다 자동으로 또는 간헐적으로 자료를 얻을 수 있도록 시스템을 구성 하였다.
- )으로 모니터링 하였다. 트리영상은 매 5분마다 자동으로 또는 간헐적으로 자료를 얻을 수 있도록 시스템을 구성 하였다.
대상 데이터
- , Japan)이었다. tertiary amine 타입 경화촉진제는 benzyl-dimethyl amine (BDMA, Kukdo Chem. Co. Korea)을 사용하였다. 텅스턴 재질의 침 종류는 일본 오구라 보석상(Ogura Jewelry Co.
- 비스페놀 A형 타입의 디그리시딜 에테르 에폭시수지, 상품명 YD-128(Kukdo Chem. Co. Korea)이 사용되어졌다. 에폭시 당량(EEW)는 184～190 g/eq.
- 텅스턴 재질의 침 종류는 일본 오구라 보석상(Ogura Jewelry Co., Japan.)에서 구입하였으며, 지름과 길이는 1mm 그리고 60mm이었고 그리고 침의 선단 각은 30° 그리고 곡률반경이 5μm 이었다.
데이터처리
- 열화인자로서 절연유 환경온도는 30℃로서 일정하게 제어하였다. 에폭시원형수지의 트리잉파괴 수명을 평가하기 위하여 주파수당 4개씩의 트리샘플을 이용하여 실험을 실시한 결과 통계적 분석인 기법인 와이블플롯을 통하여 나타내었다. 와이블플롯의 특성 값은 표 1에서 나타낸 바처럼 60Hz, 500Hz, 1000Hz의 형상파라미터는 3.
성능/효과
- 62로 이는 기울기를 의미한 것이다. 가속열화주파수가 클수록 오차범위가 크고, 상대적으로 낮은 주파수인 상용주파수 실험결과 기울기가 큰 결과를 얻을 수 있었다. 또한 와이블플롯의 63.
- 결과적으로 가속주파수 열화에 따른 축방향 트리진전과의 관계에서 60Hz의 경우 짧는 시간동안 축방향으로 일정길이가 진전되고 나서 포화되는 시간이 매우 길고, 주파수 가속 열화가 커질수록 즉, 500Hz 에서는 상대적으로 포화되는 시간이 짧았고 그리고 1000Hz에서는 거의 포화 상태없이 트리가 축방향으로 진전하여 파괴되는 결과를 가져온 것이다. 이는 주파수가 가속되면 트리 침선단으로부터 주입된 전자 에너지가 크기 때문에 축방향으로 트리진전 속도가 빨라져서 파괴에 이르는 시간이 짧아진 것이며, 오히려 60Hz의 경우처럼 트리체널이 굵어지고 그리고 체널이 검게 되는 현상이 상대적으로 미약함을 의미한 것이다.
- 6배와의 관계에서 파괴시간은 60Hz의 경우에 비하여 500Hz시간에서는 1/2 그리고 1000Hz에서는 1/7의 시간에 해당되어 비례성은 있지만, 정비례한다고 할 수는 없다. 결과적으로 인가전압 주파수가 증가할수록 절연파괴에 걸리는 시간이 짧았고 반대로 주파수가 낮으면 오히려 파괴시간이 긴 결과를 가져온 것이다. 이는 트리형상에 따라 서로다른 절연파괴시간에 도달되므로 이는 트리형상에 의존적이라 말할 수 있다[10][11].
- 고전압 발생 전원주파수는 앞서 서술된 3종류의 주파수를 고전압 10kV 인가하였다. 그 결과 60Hz를 인가 후 파괴에 이르는 시간은 6634분 동안 진전 후 대항전극에 도달하여 파괴되었고, 500Hz를 인가 후 파괴에 이르는 시간은 4862분, 1000Hz를 인가 후 파괴에 이르는 시간은 55분으로 매우 빠르게 진전 후 파괴되었다. 일정한 전원 전압하에서 가속주파수를 크게 하면 에폭시원형수지의 트리잉파괴 시간이 짧아지는 결과를 가져왔으며, 트리잉파괴 시간은 가속열화된 주파수에 비례성을 갖고 있음을 알 수 있었다.
- 가속열화주파수가 클수록 오차범위가 크고, 상대적으로 낮은 주파수인 상용주파수 실험결과 기울기가 큰 결과를 얻을 수 있었다. 또한 와이블플롯의 63.2%인 누적확률분포에서 60Hz의 경우 5805분, 500Hz의 경우 2982분 그리고 1000Hz의 경우 811분으로 인가전압 10kV 상용주파수(60Hz)를 기준으로 할 때, 500Hz는 51.3%의 수명을 그리고 1000Hz는 13.9%의 수명을 평가할 수 있었다. 이는 장시간 트리잉 절연파괴에서 트리잉 수명은 트리형상에 지배적인을 알 수 있었다.
- 실리콘고무에서 주파수와 인가전압 변화에 따른 트리개시 및 진전에 관한 연구에서처럼 인가전압 주파수가 저주파일수록 트리개시 및 진전형상이 가지형 트리로 진전되고 그리고 주파수가 높은 주파수로 갈수록 소나무형 트리로 그리고 더욱더 높은 주파수로 갈수록 부시타입의 트리로 개시하여 진전되었다. 본 연구와 유사하게 60Hz에서 가지형 트리로, 500Hz에서는 소나무형 트리로 그리고 1000Hz에서는 부시타입 트리로 진전됨과 유사함을 알 수 있었다[2].
- 이상의 결과로부터 교류 고전압 10kV 인가한 전원주파수를 60, 500, 1000Hz로 가속 열화를 실시한 결과 교류 고전압인가 시, 가속열화를 위해 주파수를 증가시킬수록 트리개시 시간이 매우 짧아지는 현상을 나타내었다. 일정한 크기의 고전압 진폭을 갖는 주기적인 주파수가 고주파로 갈수록 트리개시는 더욱더 빨라져서 상용주파수에서는 360분정도에서 초기트리가 개시하였고, 500Hz에서는 30분 정도로 가속된 초기트리가 개시되었다.
- 5시간)을 얻었다. 인가전압 전원주파수가 낮을수록 파괴에 걸리는 시간은 길고, 반면에 주파수의 가속열화가 크면 클수록(주파수가 클수록) 파괴에 이르는 시간이 상대적으로 짧았다. 60Hz 약 8.
- 그 결과 60Hz를 인가 후 파괴에 이르는 시간은 6634분 동안 진전 후 대항전극에 도달하여 파괴되었고, 500Hz를 인가 후 파괴에 이르는 시간은 4862분, 1000Hz를 인가 후 파괴에 이르는 시간은 55분으로 매우 빠르게 진전 후 파괴되었다. 일정한 전원 전압하에서 가속주파수를 크게 하면 에폭시원형수지의 트리잉파괴 시간이 짧아지는 결과를 가져왔으며, 트리잉파괴 시간은 가속열화된 주파수에 비례성을 갖고 있음을 알 수 있었다.
- 6배 가량 높은 주파수 (1000Hz)를 인가할 때 1/7배만큼 짧은 시간 내에 파괴에 도달됨을 나타낸 것이다. 주파수가속과 트리파괴시간과의 비례성을 검토한 결과 500Hz이면 8.33배 그리고 1000Hz이면 16.6배와의 관계에서 파괴시간은 60Hz의 경우에 비하여 500Hz시간에서는 1/2 그리고 1000Hz에서는 1/7의 시간에 해당되어 비례성은 있지만, 정비례한다고 할 수는 없다. 결과적으로 인가전압 주파수가 증가할수록 절연파괴에 걸리는 시간이 짧았고 반대로 주파수가 낮으면 오히려 파괴시간이 긴 결과를 가져온 것이다.
- 62의 값을 기록하였고, 여기서 형상파라미터 의미는 와이블플롯의 기울기를 나타낸 경우이다. 즉, 주파수의 가속열화를 크게 하면 할수록 형상파라미터 즉, 기울기가 작아지는 결과를 가져왔다. 이는 1000Hz주파수를 가속시킨 경우, 트리파괴에 이르는 시간이 상대적으로 분포가 큰 경우를 의미한 것이다.
- 분명한 차이는 이런 영향이 주파수 영역을 3부분으로 나뉘어 실험한 결과이다. 첫째 부분은 50～500Hz에서는 가지형 과 소나무형 트리가 개시되었고, 나중의 형태는 더욱더 큰 가지형 및 소나무형으로 되었다. 두 번째 부분은 1kHz～10kHz에서는 소나무형과 부시형트리가 개시되었고, 그 후 분명한 변화가 없었다.
- 그리고 더욱더 가속주파수가 높아짐에 따라 1000Hz에서는 전원 전압인가 시 초기트리가 개시되는 결과를 가져왔다. 트리진전속도는 60Hz를 기준으로 할 때 500Hz에서는 트리진전속도가 1.3배 빠르고 그리고 1000Hz에서는 114배 빠른 결과를 가져왔다.
- 본 연구와 유사하게 60Hz에서 가지형 트리로, 500Hz에서는 소나무형 트리로 그리고 1000Hz에서는 부시타입 트리로 진전됨과 유사함을 알 수 있었다[2]. 파괴되는 시간은 인가전압 주파수가 클수록 짧았으며 반대로 상용주파수에서는 매우 파괴시간이 긴 결과를 가져왔다. Minghui씨 등의 연구자들은[5] 고주파하에서 XLPE내 전압과 주파수에 대한 전기적 트리형상구조에 대한 연구로서 부시타입 트리는 더욱더 높은 전압에서 그리고 포도와 같은(Vine-like tree) 트리는 더욱더 높은 주파수에서 나타난다.
후속연구
- 이는 트리형상에 따라 서로다른 절연파괴시간에 도달되므로 이는 트리형상에 의존적이라 말할 수 있다[10][11]. 그러나 본 연구에서는 다양하고 많은 실험자료를 검토하기 위하여 향후 더욱더 많은 연구가 필요할 것이다. 그러나 부분방전 저항성의 실험에서 주파수 증가에 따라 열화가 가속되는지를 표면침식실험결과 큰 관계가 없음을 알았다[12].
- 그리고 인가전압 주파수의 변화에 따른 축방향 트리진전길이, 트리진전속도 그리고 파괴에 걸리는 시간 (수명)등을 평가하였다. 이 결과는 극도의 불평등 전계 하에서 모의 실험한 경우로서, 향후 절연소재의 신뢰성평가에 주파수 가속열화의 특성평가 시 이용하게 될 것이다.
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