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문제 정의
- 본 연구에서는 (주)나라켐에서 제작한 비-가교 폴리에틸렌 재질과 XLPE의 절연내력 특성을 비교 분석하였다. 각각의 시편은 10회의 절연파괴실험을 수행한 뒤 최대값과 최소값을 제외하고 분석하였다.
- 본 연구에서는 XLPE를 대체 할 수 있는 새로운 친환경 절연재료로 2가지 종류의 비-가교 폴리올레핀 재질과 XLPE의 절연내력 특성을 비교 분석하였다. 실험에 사용된 전극 시스템은 시편의 변형을 방지하기 위하여 Support Bar를 사용하였으며, 전극은 절연내력 특성 실험에 사용되는 국제규격 ASTM D-149에 따라 실린더형 전극을 사용하여 AC, Imp.
제안 방법
- 유한요소해석은 FEM해석 도구를 사용하여 전계값과 전계분포를 분석하였다. FEM 해석에 적용된 조건은절연파괴 특성 실험에 사용되는 국제규격 ASTM D-149의 실린더형 전극과 전극사이에 삽입된 시편의 두께를 설정한 후, 상부 전극에는 1[kV]를 인가하고 하부 전극에는 접지를 하였다. 해석 결과에 따른 전계분포도 및 전계방향, 등전위면은 그림 8에 나타내었다.
- 본 연구에서는 (주)나라켐에서 제작한 비-가교 폴리에틸렌 재질과 XLPE의 절연내력 특성을 비교 분석하였다. 각각의 시편은 10회의 절연파괴실험을 수행한 뒤 최대값과 최소값을 제외하고 분석하였다. 절연파괴 전압값은 통계적 수치해석 도구의 Weibull 분포를 사용하여 63.
- 전압에 따른 절연내력 실험을 수행하였다. 또한 시료표면에서의 연명방전과 부분방전을 억제하기 위하여 297K의 실리콘 오일 내에서 실험을 수행하였다.
- 전극 시스템은 MC Nylon으로 만들어졌으며, 전극에 올려 진 시편의 변형을 방지하고자 Support Bar를 설치하였다. 또한 전극 시스템에 사용된 전극은 절연파괴 실험으로부터 전극 표면의 손상을 최소화 할 수 있도록 강도가 우수한 스테인리스 스틸을 사용하였으며, 절연내력 특성 실험에 사용되는 국제규격 ASTM D-149에 따라 지름(D) 6.4 mm, 곡률(R) 0.8 mm로 가공한 실린더형으로 제작 하여 실험을 수행 하였다. 전극 시스템의 형상과 전극의 사양은 그림 1과 표 2에 나타내었고 실험 및 분석의 순서도는 그림 2에 나타내었다.
- 2[µs], 파미가 50[µs]인 전원을 사용하였다. 또한 전압값 측정은 1[kV/s]의 속도로 전압을 상승시키며 측정하였다 [3]. 절연파괴 실험 도식도는 그림 3에 나타내었다.
- 모든 조건의 실험은 시료 표면에서의 연면방전과 부분방전을 억제하기 위하여 297K의 실리콘 오일 내에서 실험을 수행하였으며, 실리콘 오일의 기포 발생을 방지하기 위하여 10분의 실험 간격을 주며 수행하였다 [4].
- 본 연구에서는 (주)나라켐에서 개발한 XLPE를 대체 할 수 있는 새로운 친환경 절연재료로 2가지 종류의 비-가교 폴리올레핀계(Non-Cross linked polyolefin) 재질의 절연내력 특성을 XLPE의 절연내력 특성과 비교 분석하였으며, 절연내력 특성 실험에 사용되는 국제규격 ASTM D-149에 따라 스테인리스 스틸 재질의 실린더형 전극을 제작하여 실험을 수행하였다. 제작된 전극을 사용하여 AC 전압과 Lightning Impulse (Imp.
- 본 연구에서는 (주)나라켐에서 개발한 첨가제 종류에 따라 다른 전기적 특성을 가지는 2가지 종류의 비-가교 폴리올레핀 재질과 XLPE를 비교 분석하였다. 전기적 특성에 영향을 미치는 유전상수를 측정하기 위해 Agilent사의 4194A impedance/gain phase analyzer를 사용하였고, 측정된 비-가교 폴리올레핀 재질들과 XLPE 각각의 유전상수는 표 1에 나타내었다.
- 해석 결과 최대전계는 실린더형 전극의 곡률이 시작되는 부분에서 발생되었으며, 그림 9에 나타낸 실험 수행 후 확인한 절연파괴 발생위치와 일치하였다. 전계는 전위가 같은 두 점을 통과하는 등전위면과 수직방향으로 진전하기 때문에 최대전계 발생 위치에서 수직인 방향으로 선분을 그려 평균전계(E1kV,MEAN)를 계산하였다. 또한 일반적인 고체 절연물에서의 절연파괴 특성은 평균전계를 따른다고 알려져 FEM 해석을 통하여 도출된 E1kV,MEAN와 Weibull 분포 해석을 통하여 도출한 비례상수 VBD,63.
- 또한 실험에 사용된 시편은 250±10 ㎛의 두께와 가로×세로 5 cm의 크기로 가공하여 사용하였으며, 이물질에 대한 영향을 최소화하기 위하여 실험 수행 전 알코올을 이용하여 시편을 세척하였다. 전극 시스템은 MC Nylon으로 만들어졌으며, 전극에 올려 진 시편의 변형을 방지하고자 Support Bar를 설치하였다. 또한 전극 시스템에 사용된 전극은 절연파괴 실험으로부터 전극 표면의 손상을 최소화 할 수 있도록 강도가 우수한 스테인리스 스틸을 사용하였으며, 절연내력 특성 실험에 사용되는 국제규격 ASTM D-149에 따라 지름(D) 6.
- 본 연구에서는 (주)나라켐에서 개발한 첨가제 종류에 따라 다른 전기적 특성을 가지는 2가지 종류의 비-가교 폴리올레핀 재질과 XLPE를 비교 분석하였다. 전기적 특성에 영향을 미치는 유전상수를 측정하기 위해 Agilent사의 4194A impedance/gain phase analyzer를 사용하였고, 측정된 비-가교 폴리올레핀 재질들과 XLPE 각각의 유전상수는 표 1에 나타내었다. 또한 실험에 사용된 시편은 250±10 ㎛의 두께와 가로×세로 5 cm의 크기로 가공하여 사용하였으며, 이물질에 대한 영향을 최소화하기 위하여 실험 수행 전 알코올을 이용하여 시편을 세척하였다.
- 실험에 사용된 전극 시스템은 시편의 변형을 방지하기 위하여 Support Bar를 사용하였으며, 전극은 절연내력 특성 실험에 사용되는 국제규격 ASTM D-149에 따라 실린더형 전극을 사용하여 AC, Imp. 전압에 따른 절연내력 실험을 수행하였다. 또한 시료표면에서의 연명방전과 부분방전을 억제하기 위하여 297K의 실리콘 오일 내에서 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 AC 전압과 Imp. 전압을 사용하여 비-가교 폴리에틸렌 재질과 XLPE의 절연파괴 특성을 비교 분석하였다. AC 절연파괴 실험은 주파수가 60 Hz이며 최대 전압용량은 100 kV, 60 kVA급의 AC 내전압 실험 장비를 사용하였으며, Imp.
대상 데이터
- 또한 실험에 사용된 시편은 250±10 ㎛의 두께와 가로×세로 5 cm의 크기로 가공하여 사용하였으며, 이물질에 대한 영향을 최소화하기 위하여 실험 수행 전 알코올을 이용하여 시편을 세척하였다.
- 절연파괴 실험에 사용된 장비는 최대 600 kV의 전압이 인가 가능하며, 출력파형의 파두가 1.2[µs], 파미가 50[µs]인 전원을 사용하였다.
데이터처리
- 2%)으로 도출하였다. 또한 시뮬레이션 해석도구인 유한요소해석(FEM)을 통하여 전극 형상에 따른 전계분포와 절연파괴 시 평균 전계값을 계산하였다.
- 전계는 전위가 같은 두 점을 통과하는 등전위면과 수직방향으로 진전하기 때문에 최대전계 발생 위치에서 수직인 방향으로 선분을 그려 평균전계(E1kV,MEAN)를 계산하였다. 또한 일반적인 고체 절연물에서의 절연파괴 특성은 평균전계를 따른다고 알려져 FEM 해석을 통하여 도출된 E1kV,MEAN와 Weibull 분포 해석을 통하여 도출한 비례상수 VBD,63.2%를 사용하여 63.2 %확률의 절연파괴평균전계를 계산하였으며, 이를 식 (1)에 나타내었다 [5].
- 유한요소해석은 FEM해석 도구를 사용하여 전계값과 전계분포를 분석하였다. FEM 해석에 적용된 조건은절연파괴 특성 실험에 사용되는 국제규격 ASTM D-149의 실린더형 전극과 전극사이에 삽입된 시편의 두께를 설정한 후, 상부 전극에는 1[kV]를 인가하고 하부 전극에는 접지를 하였다.
- 각각의 시편은 10회의 절연파괴실험을 수행한 뒤 최대값과 최소값을 제외하고 분석하였다. 절연파괴 전압값은 통계적 수치해석 도구의 Weibull 분포를 사용하여 63.2%의 절연파괴전압(VBD,63.2%)을 도출하였으며, 확률에 따른 절연파괴전압의 분포를 분석하였다. AC 와 Imp.
성능/효과
- 1 % 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한 FEM 해석 도구를 사용하여 도출한 EBD,MEAN,63.2%는 AC전압에서 Sample# 1과 Sample# 2가 XLPE에 비하여 각각 15 %, 17 % 우수한 것을 확인할 수 있었으며, Imp. 전압의 경우 각각 3.
- 실험 결과는 수치해석 도구의 Weibull 분포 해석을 사용하여 63.2 % 절연파괴전압(VBD,63.2%)을 도출하였으며, FEM 해석을 통하여 63.2 % 절연파괴평균전계(EBD,MEAN,63.2%)를 도출하였다. 실험결과, VBD,63.
- 2%)를 도출하였다. 실험결과, VBD,63.2%의 경우 주)나라켐에서 개발한 Sample# 1과 Sample# 2가 AC 전압의 경우 XLPE에 비하여 각각 12.7 %, 15.8 % 우수한 것을 확인할 수 있었으며, Imp. 전압의 경우 각각 4.
- 8% 우수한 것을 확인할 수 있었으며, Imp. 전압에 대한 절연내력은 XLPE에 비하여 각각 약 4.3%, 26.1% 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 9 % 우수한 것을 확인하였으며, Imp. 전압에 대한 절연파괴평균전계는 XLPE에 비하여 각각 약 3.8 %, 16.4 %로 우수한 것을 확인하였다.
- 2%는 AC전압에서 Sample# 1과 Sample# 2가 XLPE에 비하여 각각 15 %, 17 % 우수한 것을 확인할 수 있었으며, Imp. 전압의 경우 각각 3.8 %, 16.4 % 우수한 것 을 확인할 수 있었다. 특히, Sample# 2의 경우 VBD,63.
- 전압에 대한 Sample# 1과 Sample# 2, XLPE 절연파괴확률 분포는 각각 그림 6와 그림 7에 나타내었다. 절연파괴전압 분포도와 절연파괴 전압값을 분석해 본 결과 친환경 비-가교 폴리올레핀 재질인 Sample# 1과 Sample# 2의 AC 전압에 대한 절연내력은 XLPE에 비하여 각각 약 12.7%, 15.8% 우수한 것을 확인할 수 있었으며, Imp. 전압에 대한 절연내력은 XLPE에 비하여 각각 약 4.
- 본 연구에서는 (주)나라켐에서 개발한 XLPE를 대체 할 수 있는 새로운 친환경 절연재료로 2가지 종류의 비-가교 폴리올레핀계(Non-Cross linked polyolefin) 재질의 절연내력 특성을 XLPE의 절연내력 특성과 비교 분석하였으며, 절연내력 특성 실험에 사용되는 국제규격 ASTM D-149에 따라 스테인리스 스틸 재질의 실린더형 전극을 제작하여 실험을 수행하였다. 제작된 전극을 사용하여 AC 전압과 Lightning Impulse (Imp.) 전압에 따른 절연파괴 실험을 수행하였으며, 측정된 절연파괴 전압값은 Weibull 분포해석을 통하여 사고확률 63.2%의 절연파괴 전압값(VBD,63.2%)으로 도출하였다. 또한 시뮬레이션 해석도구인 유한요소해석(FEM)을 통하여 전극 형상에 따른 전계분포와 절연파괴 시 평균 전계값을 계산하였다.
- 4 % 우수한 것 을 확인할 수 있었다. 특히, Sample# 2의 경우 VBD,63.2%와 EBD,MEAN,63.2%가 Sample# 1 과 XLPE에 비하여 뛰어남을 확인할 수 있었다.
- 해석 결과에 따른 전계분포도 및 전계방향, 등전위면은 그림 8에 나타내었다. 해석 결과 최대전계는 실린더형 전극의 곡률이 시작되는 부분에서 발생되었으며, 그림 9에 나타낸 실험 수행 후 확인한 절연파괴 발생위치와 일치하였다. 전계는 전위가 같은 두 점을 통과하는 등전위면과 수직방향으로 진전하기 때문에 최대전계 발생 위치에서 수직인 방향으로 선분을 그려 평균전계(E1kV,MEAN)를 계산하였다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 비-가교 폴리올레핀 재질과 XLPE의 전기적 특성에 관한 연구이며, 배전급용 전력케이블의 절연 재료로 쓰이는 XLPE를 대체 할 수 있는 친환경 비-가교 고분자 수지 개발의 도움이 될 것으로 판단되다. 추후, 수트리 특성과 가속수명실험, 열특성 실험을 수행할 계획이다.
- 이러한 연구 결과는 배전급용 전력케이블의 절연재료로 쓰이는 XLPE를 대체 할 수 있는 친환경 비-가교 고분자 수지 개발의 도움이 될 것으로 판단된다.
- 본 연구의 결과는 비-가교 폴리올레핀 재질과 XLPE의 전기적 특성에 관한 연구이며, 배전급용 전력케이블의 절연 재료로 쓰이는 XLPE를 대체 할 수 있는 친환경 비-가교 고분자 수지 개발의 도움이 될 것으로 판단되다. 추후, 수트리 특성과 가속수명실험, 열특성 실험을 수행할 계획이다.
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