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문제 정의
- 최근 친환경과 재활용에 대한 사회적 인식이 높아지고 관련된 법규가 강화되는 추세를 고려할 때, XLPE를 대체할 수 있는 친환경, 재활용 가능한 절연재료 개발에 대한 필요성이 높아지고 있다[2]. 본 연구에서는 환경친화적인 전력용 배전케이블을 개발하기 위해 제조된 열가소성(thermoplastic) 고분자 절연재료의 전기적인 특성을 비교 분석하였다. 이를 위해 후보군의 재료들에 대한 교류절연파괴시험(AC breakdown test)과 가속워터트리시험(accelerated water treeing test)을 시행하여 비교, 분석하였다.
제안 방법
- 앞 절에서 언급한바와 같이 본 연구에서는 절연체의 고유의 파괴전압을 보다 정확히 얻기 위해 McKeown전극을 사용하였다. McKeown전극을 평판전극으로 구성된 전극 셀에 고정시킨 후 연면방전을 최소화하기 위해 실리콘절연유(silicone oil)가 담긴 유조 안에 넣어 파괴시험을 수행하였으며, 상온에서 수행하였다.
- 표 1은 본 연구의 실험을 위해 준비한 시료의 구성과 그에 따른 두께를 정리한 것이다. XLPE를 기준으로 모든 각각의 특성을 상대적으로 비교하였다.
- 가속수명시험은 높은 신뢰도를 갖는 시스템이나 부품에 대한 신뢰성을 평가할 때, 사용조건보다 가혹한 조건에서 시험하여 아이템의 고장을 가속시키고, 이로부터 나온 데이터를 분석하여 매 시험조건에서의 분포를 추정하고, 각 조건에서의 수명간의 관계를 파악하여 가속조건에서의 수명 데이터로 정상 사용조건에서의 신뢰성을 추측하는 방법이다.[4] 본 연구에서는 전계를 스트레스로 선정하여 가속수명시험을 수행하였다. 시험방법은 앞서 수행된 교류 절연파괴시험과 유사하나 교류절연파괴시험에서는 파괴전압을 측정하여 통계처리 하는 반면, 가속수명시험에서는 일정한 전압을 고정하여 인가하고 절연파괴시간을 측정하여 통계처리하였다.
- 교류 절연파괴시험은 전압인가를 0[V]부터 시작하여 대상 시료에서 절연파괴가 발생할 때까지 전압을 인가시키는 단시간 시험법(short time test)을 사용하였고 1가지 종류의 시료에 대해 15회의 파괴시험을 통해 파괴전압을 측정하였다. 교류 절연파괴 시험으로부터 측정된 데이터를 시료의 두께로 나누어 파괴전계 값을 계산하고 Reliasoft사의 Weibull++7 프로그램을 사용하여 적합도 판정 후 적절한 분포함수를 선정하여 통계 처리하였다.
- 본 연구에서는 각 시료 당 2개씩 준비하여 가속 워터트리 열화시험을 진행하였다. 넓은 면적에 균일한 워터트리 성장을 위해 시료의 한쪽 면에 거칠기 220의 샌드페이퍼를 이용하여 한쪽 방향으로 스크래치를 형성시키고 다른 한쪽 면에는 전극을 형성시키기 위하여 실버페이스트(silver paste: Dotite D-500)을 얇게 도포하였다. 준비된 시료를 그림 5와 같이 본 대학의 연구팀이 개발한 워터트리 열화 셀에 고정시킨 후 가속 워터트리 열화시험 장치를 사용하여 시험을 수행하였다.
- 본 시스템은 각각 6개의 채널을 보유하여 동시에 12개의 시료를 테스트 할 수 있다. 또한, 각 채널별로 타이머를 장착하여 절연파괴까지 걸리는 시간을 측정할 수 있고, 정전 시에도 정전 시점에서의 데이터 값을 기억하도록 설계하였다. 주파수는 60[Hz]이고, 출력 전압 최대 30[kV]까지 인가 가능하다.
- 이를 위해 후보군의 재료들에 대한 교류절연파괴시험(AC breakdown test)과 가속워터트리시험(accelerated water treeing test)을 시행하여 비교, 분석하였다. 또한, 중장기 특성을 평가하기 위해 가속수명시험(accelerated life test: ALT)을 수행하였다. 신뢰성 있는 시험 결과를 위하여 교류 절연파괴시험과 가속수명시험에는 McKeown 전극계를 제작, 사용하였다.
- 본 논문에서는, 재활용 가능한 친환경 고분자 절연재료와 XLPE의 전기적 특성을 교류 절연파괴시험, 가속 워터트리 열화 시험 그리고 가속수명시험을 통해 비교, 평가하였다. 이를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 각 시료 당 2개씩 준비하여 가속 워터트리 열화시험을 진행하였다. 넓은 면적에 균일한 워터트리 성장을 위해 시료의 한쪽 면에 거칠기 220의 샌드페이퍼를 이용하여 한쪽 방향으로 스크래치를 형성시키고 다른 한쪽 면에는 전극을 형성시키기 위하여 실버페이스트(silver paste: Dotite D-500)을 얇게 도포하였다.
- 또한, 교류절연파괴시험과 같이 McKeown 전극을 사용하였다. 스트레스 레벨은 교류절연파괴시험 데이터를 참조하여 22[kV], 26[kV]의 전압으로 설정하였다. 각 시료에 대해 12~15 파괴시험을 반복하여 파괴시간을 측정한 후 통계처리 하였다.
- [4] 본 연구에서는 전계를 스트레스로 선정하여 가속수명시험을 수행하였다. 시험방법은 앞서 수행된 교류 절연파괴시험과 유사하나 교류절연파괴시험에서는 파괴전압을 측정하여 통계처리 하는 반면, 가속수명시험에서는 일정한 전압을 고정하여 인가하고 절연파괴시간을 측정하여 통계처리하였다. 또한, 교류절연파괴시험과 같이 McKeown 전극을 사용하였다.
- 전압인가 300시간 종료 후, 전압을 끄고 가속 워터트리 열화 셀에서 시료를 분리한 후 실버페이스트를 시료로부터 닦아내고 메틸렌 블루 용액을 이용하여 염색하여 준다. 염색된 시료를 광학현미경을 이용해 평면과 단면을 관찰하여 워터트리의 성장 정도를 측정하여 준다.
- 300시간이 지난 후 인가된 전압을 제거하고 워터트리 가속 열화 셀에서 시료를 분리한 뒤 메틸렌블루 용액을 사용하여 염색하였다. 염색이 완료된 시료는 광학현미경을 사용하여 워터트리의 평면과 단면을 관찰하여 워터트리의 성장 정도를 측정하였다.
- 준비된 시료를 그림 5와 같이 본 대학의 연구팀이 개발한 워터트리 열화 셀에 고정시킨 후 가속 워터트리 열화시험 장치를 사용하여 시험을 수행하였다. 워터트리의 성장속도를 가속시키기 위하여 주파수 400[Hz]의 전압 8.5[kV]를 인가하였고 시험시간은 300시간으로 설정하였다. 이때, 주파수가 400[Hz]일 경우 60[Hz]의 경우보다 약 6.
- 본 연구에서는 환경친화적인 전력용 배전케이블을 개발하기 위해 제조된 열가소성(thermoplastic) 고분자 절연재료의 전기적인 특성을 비교 분석하였다. 이를 위해 후보군의 재료들에 대한 교류절연파괴시험(AC breakdown test)과 가속워터트리시험(accelerated water treeing test)을 시행하여 비교, 분석하였다. 또한, 중장기 특성을 평가하기 위해 가속수명시험(accelerated life test: ALT)을 수행하였다.
- 넓은 면적에 균일한 워터트리 성장을 위해 시료의 한쪽 면에 거칠기 220의 샌드페이퍼를 이용하여 한쪽 방향으로 스크래치를 형성시키고 다른 한쪽 면에는 전극을 형성시키기 위하여 실버페이스트(silver paste: Dotite D-500)을 얇게 도포하였다. 준비된 시료를 그림 5와 같이 본 대학의 연구팀이 개발한 워터트리 열화 셀에 고정시킨 후 가속 워터트리 열화시험 장치를 사용하여 시험을 수행하였다. 워터트리의 성장속도를 가속시키기 위하여 주파수 400[Hz]의 전압 8.
대상 데이터
- 그림 4는 본 시스템에서 사용된 교류 절연파괴시험장치의 실제 사진이다. 교류 절연파괴시험장치는 Haefely사의 high voltage construction KIT를 사용하였다. High voltage construction KIT는 크게 고전압 전원을 만드는 변압기, 전압 분배를 위한 분압기, 인가전압을 제어하는 OT276 (Operating Terminal)과 절연파괴전압을 측정하기 위한 DMI551 (Digital Measuring Instrument)로 구성되어 있다.
- 시험방법은 앞서 수행된 교류 절연파괴시험과 유사하나 교류절연파괴시험에서는 파괴전압을 측정하여 통계처리 하는 반면, 가속수명시험에서는 일정한 전압을 고정하여 인가하고 절연파괴시간을 측정하여 통계처리하였다. 또한, 교류절연파괴시험과 같이 McKeown 전극을 사용하였다. 스트레스 레벨은 교류절연파괴시험 데이터를 참조하여 22[kV], 26[kV]의 전압으로 설정하였다.
- 본 시스템은 가속 수명시험을 위해 본 연구팀이 설계하여 제작한 시스템이다. 본 시스템은 각각 6개의 채널을 보유하여 동시에 12개의 시료를 테스트 할 수 있다. 또한, 각 채널별로 타이머를 장착하여 절연파괴까지 걸리는 시간을 측정할 수 있고, 정전 시에도 정전 시점에서의 데이터 값을 기억하도록 설계하였다.
- 이 경우 파괴발생 가능한 면적이 증가하여 그 안의 절연이 약한 부분에서 절연파괴가 발생하기 때문에 절연파괴 값이 낮아질 수 있다[3]. 이를 개선하여 신뢰성을 높이기 위해 본 연구에서는 기존 ASTM D149에서 추천하는 구대평판전극 대신에 McKeown전극을 사용하였다. McKeown전극의 장점은 기존 ASTM D149에서 추천하는 방법에서는 할 수 없었던 전극 사이에 삽입된 시료의 두께 측정이 가능하여 시료 두께 측정의 정확도를 향상시킬 수 있고 계면과 주변 매질의 영향을 적게 받기 때문에 보다 정확한 파괴전계 값을 얻을 수 있다.
데이터처리
- 스트레스 레벨은 교류절연파괴시험 데이터를 참조하여 22[kV], 26[kV]의 전압으로 설정하였다. 각 시료에 대해 12~15 파괴시험을 반복하여 파괴시간을 측정한 후 통계처리 하였다.
- 교류 절연파괴시험은 전압인가를 0[V]부터 시작하여 대상 시료에서 절연파괴가 발생할 때까지 전압을 인가시키는 단시간 시험법(short time test)을 사용하였고 1가지 종류의 시료에 대해 15회의 파괴시험을 통해 파괴전압을 측정하였다. 교류 절연파괴 시험으로부터 측정된 데이터를 시료의 두께로 나누어 파괴전계 값을 계산하고 Reliasoft사의 Weibull++7 프로그램을 사용하여 적합도 판정 후 적절한 분포함수를 선정하여 통계 처리하였다.
- 2[%]에서의 파괴전계 값을 막대 그래프로 비교한 것이다. 여기서, XLPE를 기준으로 비교하였다. 그 결과, N22, N24 그리고 N25의 시료가 XLPE 대비 약 90[%] 이상의 파괴전계 값을 나타내었다.
이론/모형
- 또한, 중장기 특성을 평가하기 위해 가속수명시험(accelerated life test: ALT)을 수행하였다. 신뢰성 있는 시험 결과를 위하여 교류 절연파괴시험과 가속수명시험에는 McKeown 전극계를 제작, 사용하였다.
- 그림 3은 교류 절연파괴강도를 측정하기 위한 교류전압 파괴시험의 개략도이다. 앞 절에서 언급한바와 같이 본 연구에서는 절연체의 고유의 파괴전압을 보다 정확히 얻기 위해 McKeown전극을 사용하였다. McKeown전극을 평판전극으로 구성된 전극 셀에 고정시킨 후 연면방전을 최소화하기 위해 실리콘절연유(silicone oil)가 담긴 유조 안에 넣어 파괴시험을 수행하였으며, 상온에서 수행하였다.
성능/효과
- - 가속수명시험은 절연재료 평가의 신뢰성을 높이는데 유용한 수단이 됨을 확인하였다.
- - 단기적인 특성만을 평가할 수 있는 절연파괴시험으로는 절연재료의 중장기적 특성을 제대로 평가할 수 없다는 것을 확인 하였다.
- 여기서, XLPE를 기준으로 비교하였다. 그 결과, N22, N24 그리고 N25의 시료가 XLPE 대비 약 90[%] 이상의 파괴전계 값을 나타내었다.
- 기존 배전급 전력케이블용 절연재료로 널리 사용되고 있는XLPE와 그룹 N2의 전기적인 특성을 비교 분석한 결과 N21～N25까지의 후보 중 N22와 N24의 재료가 XLPE대비 우수한 특성을 지니고 있음을 확인하였다. 향후 친환경 전력케이블용 절연재료로서 N22와 N24가 유망한 후보군으로 사료된다.
- 위의 그림 13은 26[kVrms stress]에서의 가속수명시험을 통해 얻은 결과이다. 본 스트레스 레벨에서는 N24와 N25가 XLPE보다 우수한 특성수명을 나타내었다. 그림 12에서 N23는 시험을 진행하였으나 다른 시료들에 비해 약 100배 이상 값이 차이가 나 막대그래프 상에서 0에 가까운 값을 나타내었다.
- 그림 9는 300시간 동안 가속열화된 XLPE를 메틸렌 블루 용액으로 염색하여 그 평면과 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 평면에서는 인공적으로 만들어낸 스크래치를 따라 워터트리가 넓게 분포하여 성장한 것을 확인할 수 있고, 단면에서는 워터트리가 균일하게 성장되었음을 알 수 있었다.
후속연구
- 기존 배전급 전력케이블용 절연재료로 널리 사용되고 있는XLPE와 그룹 N2의 전기적인 특성을 비교 분석한 결과 N21～N25까지의 후보 중 N22와 N24의 재료가 XLPE대비 우수한 특성을 지니고 있음을 확인하였다. 향후 친환경 전력케이블용 절연재료로서 N22와 N24가 유망한 후보군으로 사료된다.
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