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문제 정의
- 본 연구에서는 3종류의 고체상태 에폭시 수지 즉, 특히 GIS용 에폭시수지가 유럽형, 아시아형, 특히 중국산 에폭시 등 국내에서는 수지의 면밀한 신뢰성 검증도 되지 않고 사용하기 때문에, 향후 이와 같은 산업에 도움을 주기 위하여 에폭시수지 종류에 따른 전기트리 신뢰성 연구를 하게 되었다.
- 본 연구에서는 중전기기 GIS Spacer 용 에폭시수지 3 종류(Araldite B41, Araldite CT 5531 CI 그리고 Araldite B46)에 대한 신뢰성평가를 위해, 교류 트리 실험을 실시하였다. 인가전계는 E=1149.
- 본 연구에서는 중전기기 분야(GIS spacer, mold-type trans- former, current transformer (CT), potential transformer (PT), gas switching gears 등)에서 필요한 절연재료로서 잘 알려진 에폭시 수지는 전기적, 기계적 특성이 매우 우수하다[6~7]. 지난 수 십년에 걸쳐 많은 연구자들이 전기적 응용에 있어서 경제적이며, 성능면에서 우수한 새로운 에폭시 기반 콤포지트를 개발하여 왔다.
제안 방법
- 전기적 트리구조는 Stereo Microscope (S645T, EZscope), Digital Camera (TOUPCAM, LCMOS05100KPA) 그리고 LCD Personal Computer로 구성된, On line monitoring system을 이용하여 조사되었다. 60배의 확대능력을 갖는 전기적 트리구조를 관찰하기 위하여 on line monitoring system으로부터 관찰하였다. 블록화된 측정시편이 실험과정에 섬락을 예방하기 위하여 광유에 잠기워진 상태로 실험을 실시하였다.
- B41, CT 5531 CI 그리고 B46 각각의 원형수지에 경화제 조성비에 따라 혼합한 후 10분 동안 완전한 혼합을 위하여 120°C온도상태에서 300rpm으로 교반하였다.
- 그런 이유로 GIS Spacer등에 사용하는, 범세계적으로 많이 사용 하는 수지를 선정하여 신뢰성 역점 두어, 트리잠복기, 트리개시, 진전 그리고 파괴에 이르는 전 과정의 트리형상, 축방향 트리진전길이, 진전속도 그리고 트리절연수명 등에 관한 연구를 실시하였다.
- 이와같은 수지에 대한 신뢰성의 입장에서 볼 때, 전기적 트리에 대해 연구된 결과는 전무하였고, 향후 산업에서 참고 되어지길 바라는 바이다. 본 연구에서는 인가전압을 상용주파 60Hz에서 실험하지 않고 전원 전압의 크기는 10kV 이면서, 주파수를 1000Hz을 인가하는 조건의 주파수 가속열화를 실시하였다.
- 60배의 확대능력을 갖는 전기적 트리구조를 관찰하기 위하여 on line monitoring system으로부터 관찰하였다. 블록화된 측정시편이 실험과정에 섬락을 예방하기 위하여 광유에 잠기워진 상태로 실험을 실시하였다. 측정시편은 디지털카메라의 렌즈아래에 직접적으로 위치되어졌고 그리고 고전압 인가전원은 5kVA(220/50kV, 50~1000Hz) 고전압 발생장치로서, 전기트리게시로부터 파괴에 이르기까지 일정하게 10kV/1000Hz을 인가하였다.
- 사전에 고체상태인 에폭시 수지를 오븐에서 140°C로 10시간 용융상태가 되도록 하였고, 주 어진 트리금형에 혼합된 수지를 주형하여 5분 정도 진공탈포 후 경화하였다.
- 세 종류 에폭시 원형수지의 전기적 트리 실험결과에서 볼 수 있듯이, Araldite B41, Araldite CT 5531 CI 그리고 Araldite B46 절연시스템에 교류 불평등 고전압전계 E=1149.4 kV/mm와 주파수 1000Hz을 갖는 고전압 발생장치를 이용하여 침 선단과 평판전극(대항전극)간 거리 3.8mm의 트리샘플을 제조하여 절연 파괴 시까지 걸리는 시간을 측정하였고 그리고 초기트리의 개시, 진전 그리고 파괴되는 트리형상을 관찰하였다.
- 연구의 주안점은 고전압 기반 중전기기(AC, DC 전력케이블, 몰드타입 전력기기)[13][14], 트리열화 메커니즘은 트리잠복기, 트리개시, 트리진전으로 3과정으로 나뉘어 질수가 있다. 트리의 개시가 이루어지지 않으면 그 절연체는 대단히 양질의 절연체로서 산업에 크게 기여할 수가 있다.
- 전기적 트리구조는 Stereo Microscope (S645T, EZscope), Digital Camera (TOUPCAM, LCMOS05100KPA) 그리고 LCD Personal Computer로 구성된, On line monitoring system을 이용하여 조사되었다.
- 4 kV/mm 하에서 주파수 1000Hz의 가속을 실시하였다. 초기트리 개시는 29040분에서 0.15mm의 가 지형 트리로 개시하였고, 개시하기까지의 잠복기는 29,040분의 시간동안이었다. 트리의 잠복기, 개시, 진전 그리고 파괴과정으로 4단계로 표현할 수가 있다.
- 4 kV/mm, 주파수 1000Hz를 인가하여 주파수 가속을 실시하였다. 측정시스템은 자동화된 트리전용 측정시스템으로 트리 잠복기, 트리개시, 진전 그리고 파괴의 전 과정을 디지털 카메라 를 이용하여 2분 동안마다 컴퓨터에 영상자료가 저장되는 시스템을 구성하여 측정하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 트리 침선단으로 부터 전하주입과 추출이 에폭시 절연체 내에 서 이루어지며, 주파수 가속으로 인하여 60Hz에 비하여 이와 같은 과정이 16.6배가 가속되는 환경 하에서 실험이 이루어졌다. 그리고 그 때, 조그마한 가지형 트리의 개시가 트리 침선단으로부터 그림에서 보여준 그림 7(a)처럼, 분명하게 개시된 것이다.
대상 데이터
- 본 에폭시 수지 특징은 저점도형 에폭시 수지로서 현재 국내 에 주로 사용되는 수지이다. 표 1에서 나타낸 바처럼 점도 (Viscosity), 국제규격 DIN 53019에 근거하여 제공된 B41의 값은 390~520[mPa s] (120°C 측정)이다.
- 사용된 트리 전극은 침대 평판 전극으로 오구라 쥬얼리 (Ogura Jewelry Co., Japan)로부터 구입하였다. 그것의 직경과 길이는 각각 1mm와 60mm였고, 팁 각도는 30°이고 곡률 반경은 5μm이었다.
- 샘플의 전극은 음극부분에 도전성 페이스트를 시험편의 바닥면에 코팅하여 판상 전극을 형성하였고, 시험편크 기는 45×45×6mm이며, 침과 대항전극면과의 절연거리는 3.8mm 로서 구리판이 접지된 전극으로 구성하였다.
- 블록화된 측정시편이 실험과정에 섬락을 예방하기 위하여 광유에 잠기워진 상태로 실험을 실시하였다. 측정시편은 디지털카메라의 렌즈아래에 직접적으로 위치되어졌고 그리고 고전압 인가전원은 5kVA(220/50kV, 50~1000Hz) 고전압 발생장치로서, 전기트리게시로부터 파괴에 이르기까지 일정하게 10kV/1000Hz을 인가하였다. 측정시간은 2 분마다 1회의 화면을 카메라로부터 모니터링 후 기록하여 개인용 컴퓨터에 자동 저장하게 된다.
성능/효과
- 1. GIS 중전기기 용 비스페놀 A형 에폭시수지로서 3종류 수지의 교류 전기적 트리실험의 결과 트리절연파괴 시간의 결과 B 46>CT 5531>B 41의 순으로 절연파괴에 이르는 시간의 결과를 얻었다.
- 2. 3 종류의 트리개시 및 진전 그리고 파괴의 경우 B 41, CT 5531 CI 그리고 B46의 에폭시수지 트리개시 이전의 트리 잠복기가 200분, 542분 그리고 29,040분으로 잠복기의 큰 차이를 얻게 되었다. B41에 비하여 B46는 145배 그리고 CT 5531CI의 경우보다 53배가 긴 잠복기를 갖는 특성을 얻게 되었다.
- 3. 3 종류의 에폭시수지의 경우 트리개시와 진전에서 트리형상은 모두가 가지형 트리로 개시하였고 그리고 진전하였다. 특징적인 것은 CT 5531 CI의 경우 측면으로 트리진전이 크게 진행하 였고 B41의 경우 점진적인 트리진전이 이루어졌으며, B46의 경우 초기트리 개시로부터 파괴직전까지 트리 진전이 매우 지연되었고, 극적으로 파괴에 이르는 과정을 관찰할 수가 있었다.
- 4. 본 연구는 GIS용으로 범세계적 주로 사용되는 에폭시수지로서, 전기적 트리의 개시는 언젠가는 파괴가 예견된 수명을 평가할 수 있지만 그러나 잠복기가 긴 수지 일수록 절연수지로서 우수하다 평가를 할 수 있다. 이는 고점도 이지만 B46의 경우 B41에 비하여 145.
- 3 종류의 트리개시 및 진전 그리고 파괴의 경우 B 41, CT 5531 CI 그리고 B46의 에폭시수지 트리개시 이전의 트리 잠복기가 200분, 542분 그리고 29,040분으로 잠복기의 큰 차이를 얻게 되었다. B41에 비하여 B46는 145배 그리고 CT 5531CI의 경우보다 53배가 긴 잠복기를 갖는 특성을 얻게 되었다. 이는 중전기기용 에폭시수지의 선택에 중요한 자료가 될 것으로 사료되며, 트리개시는 결국 최종적으로 파괴를 가져오는 특성을 갖고 있다.
- 그런 이유로 트리성장률이 가속되어진다[17][21]. 결과적으로, 잠복기의 시간은 가능한 길어지게 되고 그리고 우수한 절연재료로 이용하는 트리 진전율이 지연되게 된다.
- 8mm의 트리샘플을 제조하여 절연 파괴 시까지 걸리는 시간을 측정하였고 그리고 초기트리의 개시, 진전 그리고 파괴되는 트리형상을 관찰하였다. 그 결과 3종류의 에폭시수지의 트리형상은 가지형 트리의 개시와 진전 그리고 파괴에 이르게 되었다. 가지형 트리는 일반적으로 원형에폭시수지 등 재료에서 트리의 개시 및 진전을 나타내며, 트리는 트리개시 로부터 트리형상이 일반적으로 결정되곤 한다.
- 그림 6에서는 에폭시 CT 5531 CI 시스템에서 교류 전압 10kV/1000Hz을 인가한 경우 트리개시 및 진전 그리고 파괴에 이르는 트리진전길이를 나타내었다. 두 단계의 측방향 트리의 가지가 진행된 결과로 축방향의 트리진전은 거의 진행되지 못하였고, 초기, 중기, 말기 모두 트리가 축방향으로 진전됨을 볼 수 있었다.
- 전체적인 트리진전율을 살펴볼 때, 초기트리는 320분에서 발생 되었고 그리고 8942분에서 절연이 파괴 되었다. 실제로 트리가 진전하는데 걸린 시간은 8622분 동안 진전하였고, 그때 트리 침 선단에서 대항전극까지 3.
- 3 종류의 에폭시수지의 경우 트리개시와 진전에서 트리형상은 모두가 가지형 트리로 개시하였고 그리고 진전하였다. 특징적인 것은 CT 5531 CI의 경우 측면으로 트리진전이 크게 진행하 였고 B41의 경우 점진적인 트리진전이 이루어졌으며, B46의 경우 초기트리 개시로부터 파괴직전까지 트리 진전이 매우 지연되었고, 극적으로 파괴에 이르는 과정을 관찰할 수가 있었다.
- 평균 트리 진전율은 9.76×10-4mm/min으로서 트리잠복기의 시간이 매우 긴 결과를 나타내었다(29,040분).
후속연구
- 25(g/cm3)의 원형 수지를 이용하였다. 이와같은 수지에 대한 신뢰성의 입장에서 볼 때, 전기적 트리에 대해 연구된 결과는 전무하였고, 향후 산업에서 참고 되어지길 바라는 바이다. 본 연구에서는 인가전압을 상용주파 60Hz에서 실험하지 않고 전원 전압의 크기는 10kV 이면서, 주파수를 1000Hz을 인가하는 조건의 주파수 가속열화를 실시하였다.
- 그러나 B41 수지의 경우 절연파괴 수명의 경우 상대적으로 짧지만 신뢰성에는 그보다 우위에 있 음을 알 수 있었다. 절연파괴 수명을 바탕으로 산업체에서는 절연 설계 시 그 점을 감안하여 적용하면 향상된 전력기기의 제품 을 생산할 것으로 사료된다.
- 충돌된 에너지가 에폭시 의 망상구조로 된 네트워트를 절단할 수도 있고 그로인한 분해가 스의 발생을 가져올 수도 있다. 특히, 초기트리의 발생이 늦어지면, 즉, 잠복기가 길면 길수록 절연재료 가치는 우수하다 할 것이다. 잠복기는 불평등 전계 하에서 인가전계에서 주어진 에너지보다 텅스턴 전극과 수지의 계면결합력의 정도, 수지와 경화제간 가교밀도, 무결점의 제조 그리고 에폭시수지 함량 등에 영향을 주게 된다.
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