[논문]HVDC용 LSR/Nano Silica Composites의 IPT특성 연구

박재준

doi:10.5370/kiee.2019.68.1.61

HVDC용 LSR/Nano Silica Composites의 IPT특성 연구
Study on IPT Characteristics of LSR / Nano Silica Composites for HVDC 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.68 no.1, 2019년, pp.61 - 68

박재준 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kiee University)

Abstract ▼ AI-Helper

Only the power is converted from AC to DC, in accordance with IEC 60587 based test method, in order to develop the LSR(Liquid Silicone Rubber) insulator material for HVDC, the experiment of Inclined Plate Tracking and Erosion Resistance was conducted. A contaminant (2.5 mS/cm: ammonium chloride) was applied at a rate of 0.3 ml/min and a voltage of ${\pm}3.5kV$, and was evaluated on the basis of 60 mA/2s. The samples were prepared by dispersing LSR/Nano silica_25wt% Composites in LSR. The erosion phenomena of surface discharge and tracking due to DC polarity and negative polarity were measured by image, leakage current maximum and thermal camera. The thermal imaging camera measured the surface temperature generated by the joule heat of the leakage current due to the drying discharge and the conductive current. After the measurement, the tracking and erosion mechanisms were evaluated for erosion weight, erosion depth and erosion length. Positive and negative polarity of LSR/Nano Silica_25wt% composite Tracking and erosion results show that positive polarity is more severe than negative polarity.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1 트래킹 실험시스템 Fig. 1 Tracking experiment system
그림 그림 2 실리콘/나노실리카 콤포지트 누설전류 (정극성) Fig. 2 SiR/Nano silica composites leakage current(Positive)
그림 그림 3 실험시작으로부터 끝까지 정극성 누설전류 값 Fig. 3 Positive leakage current maximum value from start to end of experiment
그림 그림 4 SiR/Nano Silica 콤포지트 누설전류 최대값 Fig. 4 SiR/Nano silica composites leakage current maximum value (Negative)
그림 그림 5 실험시작으로부터 끝까지 부극성 누설전류 최대값 Fig. 5 Negative leakage current maximum value from start to end of experiment
그림 그림 6 정극성 DC(3.5kV), SiR/nano silica composite의 트래킹 및 침식 영상 (a) 27분, (b) 55분, (c) 60분, (d) 320분 Fig. 6 Tracking and erosion imaging of positive DC (3.5 kV), SiR/nano silica composite
그림 그림 7 부극성 DC(-3.5kV), SiR/nano silica composite의 트래킹 및 침식 영상 (a) 27분, (b) 44분, (c) 71분, (d) 220분 Fig. 7 Tracking and erosion imaging of negative DC (-3.5 kV), SiR/nano silica composite (a) 27min, (b) 44min, (c) 71min, (d) 220min
그림 그림 8 트래킹 실험 전후 샘플 (b) 정극성 (c) 부극성) Fig. 8 Sample before and after tracking experiment (b) Positive (c) Negative
그림 그림 9 누설전류 크기와 전류 펄스 수 Fig. 9 Leakage Current Amplitude and Count
표 표 4 정극성 및 부극성 트래킹 후 침식량 Table 4 Erosion weight of positive and negative polarity after tracking
표 표 5 그림 9 누설전류 크기의 분류 Table 5 Classification of leakage current amplitude
표 표 6 그림 9의 10mA 이상 누설전류 상세분류 Table 6 Leakage current classification of more than 10 mA in Fig. 9

AI 본문요약
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문제 정의

3 ml/min 그리고 성공과 실패의 기준을 60 mA/2s로 하였다. 그 결과 정극성과 부극성을 인가하여 LSR/Nano silica composites_25 wt% 트래킹 및 침식의 특성을 누설전류, 열화상 카메라에 의한 온도측정을 통한 트래킹 및 침식에 관하여 연구 하였다.
본 논문에서는 HVDC 초고압용 애자의 절연소재를 개발하기 위하여 Liquid Silicone Rubber/Nano Silica Composites_25wt% 의 트래킹실험용 샘플을 제조하였다. 개발된 IPT(Inclined Plate Tracking and Erosion Test) 측정시스템에서 정극성 및 부극성 실험에 각각 3개를 동시에 DC ±3.
본 연구에서는 형상이 자유롭고, 가공이 용이한 LSR(Liquid Silicone Rubber)를 이용하여 나노실리카를 과량 충진(25 wt%) 분산시켜, HVDC용 초고압애자의 절연소재를 개발하기 위하여 트래킹 및 침식 실험을 위한 샘플을 제조하였다. 그리고 IEC 60587의 표준에 의하여 전원만 변경, 즉 AC기반에서 ±DC 기반의 실험을 실시하였다.

제안 방법

개발된 IPT(Inclined Plate Tracking and Erosion Test) 측정시스템에서 정극성 및 부극성 실험에 각각 3개를 동시에 DC ±3.5kV를 인가하였다.
그리고 IEC 60587의 표준에 의하여 전원만 변경, 즉 AC기반에서 ±DC 기반의 실험을 실시하였다.
그림 9에서는 SiR/Nano Silica_25wt% Composites에 대한 HVDC 정극성과 부극성 트래킹 및 침식에 대한 실험결과 정극성과 부극성의 비교검토를 실시하였다.
실리콘 고무 시편을 제조하기 위해서 먼저 실리콘 베이스 수지 100g과 나노 실리카 0~30g (5, 10, 15, 20, 25, 30g)을 자전 공전식 믹서기에 넣고, 진공과 온도 120℃ 환경에서 2mm간격의 공전자전 교반 전단력을 갖은 진공시스템 하에서 3시간 동안 분산 후, 가교제 2g과 경화 억제제 0.03g을 넣고 혼합하였다. 그리고 최종적으로 백금 촉매 0.
5kV를 인가하였다. 실험방법 및 성공과 실패 기준을 60mA/2s에 기준으로 설정한 IEC 60587 에 근거하여, 실험을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
영상촬영은 Sony HDR-CX240E HD Flash Camcorder를 이용하여 촬영하였고 그리고 침식량 측정을 위해 OHAUS사, Adventurer를 이용하여 소숫점 4자리까지 측정할 수 있는 전자 천칭을 이용하였다.
정극성의 324분 동안 계측된 누설전류의 크기별로 분류하였다. 그 결과 2mA이하의 전류는 초기상태의 전도성이 없는 누설전류로서 표면방전에 영향을 주지 못한 경우이다.
표 6에서는 실제로 트래킹 및 표면침식에 크게 영향을 주는 누설전류 펄스크기로서, 10mA 이상의 정극성 86개 전류펄스수와 부극성 48개 전류펄스 수의 결과를 상세하게 분류하였다. 그 결과 정극성의 경우 20-30mA의 전류크기를 갖는 아크형 전류크기는 25.

대상 데이터

IPT(Inclined Plate Tracking and Erosion Test)을 위한 샘플로서 50×1250× 6mm의 샘플을 구성하였다.
가교제(Crosslinker)는 trimethylsilyl terminated poly(dimethylsiloxane-co-methylhydrosiloxane 다미 폴리켐 (주), 상품명: FD503)을 사용하였다. Pt Catalyst(백금 촉매)는 비닐 폴리머에 백금 함량이 0.4 %인 제품(다미 폴리켐(주), 상품명 :CP1034)을 사용하였고, 적절한 작업시간을 얻기 위해서 경화 억제제로 비닐실리콘폴리머에 불포화 알코올기를 갖는 것을 사용하였다. 나노 실리카는 hexamethyldisilazane([(CH₃)₃Si]₂NH)로 표면처리된 소수성 Fumed Silica(AEROSIL® R 812S, EVONIK Industries AG), 나노실리카 평균 입도는 7 nm인 제품을 사용하였다.
본 논문에서 사용된 Vinyl Polymer인 실리콘수지는 양 말단에 비닐기를 갖는 vinyl terminated polydimethylsiloxane (PDMS:다미폴리켐(주): VP20000), 이것의 분자량은 72,000 g/mol이고, 점도는 25 ℃에서 20,000 cst이며, 비닐기의 당량은 33,333~ 40,000 g/eq이다. 가교제(Crosslinker)는 trimethylsilyl terminated poly(dimethylsiloxane-co-methylhydrosiloxane 다미 폴리켐 (주), 상품명: FD503)을 사용하였다. Pt Catalyst(백금 촉매)는 비닐 폴리머에 백금 함량이 0.
나노 실리카는 hexamethyldisilazane([(CH3)3Si]2NH)로 표면처리된 소수성 Fumed Silica(AEROSIL® R 812S, EVONIK Industries AG), 나노실리카 평균 입도는 7 nm인 제품을 사용하였다.
누설전류 측정은 누설전류 측정 장치인 Datatec사, SEFRAM/ DAS60으로 6채널, 전력분석함수 400Hz이상, 14비트 resolution, 1Ms/s sampling rate, 100kHz bandwidth 그리고 DC, AC+DC RMS voltage measurement을 할 수 있는 레코더를 사용하였다. 측정된 결과의 자료를 볼 수 있도록 제공된 Seframviewer를 이용하여, 원하는 데이터를 얻을 수 있습니다.
본 논문에서 사용된 Vinyl Polymer인 실리콘수지는 양 말단에 비닐기를 갖는 vinyl terminated polydimethylsiloxane (PDMS:다미폴리켐(주): VP20000), 이것의 분자량은 72,000 g/mol이고, 점도는 25 ℃에서 20,000 cst이며, 비닐기의 당량은 33,333~ 40,000 g/eq이다. 가교제(Crosslinker)는 trimethylsilyl terminated poly(dimethylsiloxane-co-methylhydrosiloxane 다미 폴리켐 (주), 상품명: FD503)을 사용하였다.
부극성의 경우 360분 동안 계측된 누설전류 최대값 펄스 수는 360개의 자료를 선정 하였다. 2mA이하의 경우 전체 360개 누설 전류 펄스 중 19개 전류펄스(5.
표면의 방전시 온도를 측정하기 위하여, 열화상 카메라 (Thermo Imager)를 사용하였다. 사용된 모델은 TI-45FT-20이 고, 제작사는 FLUKE이다. 사용온도범위는 -20~600℃이며, 온도 분해능은 0.
IPT(Inclined Plate Tracking and Erosion Test)을 위한 샘플로서 50×1250× 6mm의 샘플을 구성하였다. 실리콘메트릭스에 Nano Silica의 충진함량은 25wt%로 제조된 샘플을 이용하였다.
그 결과 2mA이하의 전류는 초기상태의 전도성이 없는 누설전류로서 표면방전에 영향을 주지 못한 경우이다. 전체 누설전류 324분 동안 계측된 324 누설전류 펄스 중에서 82개의 누설전류 펄스가 계측 되었다. 전체 누설전류 펄스 중 차지하는 비율이 22.
측정 자료의 결과 값을 누설전류 최대값을 얻기 위하여 데이터 획득 샘플링 율은 100μS로 데이터를 계측하였다.
표면의 방전시 온도를 측정하기 위하여, 열화상 카메라 (Thermo Imager)를 사용하였다. 사용된 모델은 TI-45FT-20이 고, 제작사는 FLUKE이다.
트래킹 및 침식시험 시스템 설정은 DC 전원이 사용되는 것을 제외하고는 IEC 60587, ASTM D2303, IPT(inclined tracking and erosion test) 트래킹 및 침식 테스트를 준수합니다. 한 쌍의 스테인리스 전극이 편평한 직사각형 절연체 샘플 (KS C IEC 60587)이 표면에 부착됩니다. HVDC 정극성의 실험은 상부 전극에 일련의 보호 저항(1,10,22,33ｋΩ)중 22 kΩ을 통해 직류 고전압 전원에 의해 생성된 정극성이 연결되며, 하부 전극은 접지에 연결됩니다.

성능/효과

표 6에서는 실제로 트래킹 및 표면침식에 크게 영향을 주는 누설전류 펄스크기로서, 10mA 이상의 정극성 86개 전류펄스수와 부극성 48개 전류펄스 수의 결과를 상세하게 분류하였다. 그 결과 정극성의 경우 20-30mA의 전류크기를 갖는 아크형 전류크기는 25.58%, 부극성의 경우 45.83%, 30-40mA전류펄스를 갖는 정극성의 경우 41.86% 그리고 부극성의 경우 14.58%의 결과를 가져왔다. 더불어 40-50mA의 누설전류 펄스를 갖는 정극성의 18.
80% 이었다. 그리고 트래킹 및 표면침식에 크게 영향을 주는 10mA이상의 누설전류펄스에서 발생되는 극성 결과 정극성, 부극성의 경우 23.88%, 13.33%이다. 또한 10mA 이상의 누설전류에서 DBA의 격렬한 표면방전시 발생된 누설전류의 경우 30~50mA의 극성별 누설전류발생은 정극성의 경우 60.
58%의 결과를 가져왔다. 더불어 40-50mA의 누설전류 펄스를 갖는 정극성의 18.6% 그리고 부극성의 경우 4.16%을 나타내었다. 이처럼 1분 동안 60만개 전류펄스 중 최대값 1개를 선택한 경우로서 트래킹 및 침식의 경우 간헐적인 큰 표면방전의 발생으로 표면온도가 매우 높고 강한 침식을 유발하게 하는 누설전류가 상대적으로 정극성에서 많이 발생함을 알 수 있었다.
둘째, 누설전류크기 중 트래킹 표면침식에 크게 영향을 주지 못한 2~10mA 전류펄스 발생비는 정극성, 부극성의 경우 52.78%, 80.80% 이었다. 그리고 트래킹 및 표면침식에 크게 영향을 주는 10mA이상의 누설전류펄스에서 발생되는 극성 결과 정극성, 부극성의 경우 23.
33%이다. 또한 10mA 이상의 누설전류에서 DBA의 격렬한 표면방전시 발생된 누설전류의 경우 30~50mA의 극성별 누설전류발생은 정극성의 경우 60.46%, 부극성의 경우 18.74%이다. 이처럼 정극성의 경우 전도성 이온이 전극표면으로 이동하여 전도성을 증가시켜 누설전류의 증가를 가져 왔고, 부극성의 경우 트래킹 및 침식에 대한 저항성이 정극성에 비하여 더욱 크기 때문에 누설전류 크기가 큰 전류펄스 수가 적은 결과로 사료된다.
또한 젖음성의 결과로 나타난 정극성 DC 누설전류 크기는 1.58~2.27mA이었고 부극성 DC의 경우 젖음성에서 나타난 누설전류 크기는 –2.23~-3.47mA 이었다.
그림 8 (a)(b)은 샘플 3개를 동시에 측정할 수 있는 측정시스템을 개발하였고, 정극성 및 부극성 트래킹실험 결과 침식에 의한 침식중량을 나타내었다. 본 논문에서는 누설전류 및 트래킹 침식영상은 샘플 B의 경우로서 나타내었고, 정극성 트래킹 침식 중량이 부극 성의 침식중량보다 가혹한 조건의 결과임을 알 수 있었다.
47mA 이었다. 부극성의 누설전류 크기가 정극성보다 오히려 큰 경우를 확인할 수 있었다.
16%을 나타내었다. 이처럼 1분 동안 60만개 전류펄스 중 최대값 1개를 선택한 경우로서 트래킹 및 침식의 경우 간헐적인 큰 표면방전의 발생으로 표면온도가 매우 높고 강한 침식을 유발하게 하는 누설전류가 상대적으로 정극성에서 많이 발생함을 알 수 있었다.
전체 누설전류 324분 동안 계측된 324 누설전류 펄스 중에서 82개의 누설전류 펄스가 계측 되었다. 전체 누설전류 펄스 중 차지하는 비율이 22.78%을 나타내었고, 2~10mA의 범위에 있는 190개 전류펄스는 전도성 펄스로서 방전이 없거나 간헐적인 방전 후, 침식에 의한 탄화된 탄화물 내에 존재하는 오손액에 의한 전도성 전류로서 역시 표면침식에 영향을 주는 변수가 아니다. 전류펄스가 차지하는 비율은 52.
첫째, DC 정극성과 부극성의 IPT 누설전류 및 표면방전 표면 처리된 나노실리카를 액상실리콘에 25wt%을 충진분산시켜 제조된 콤포지트의 정극성과 부극성 트래킹 및 침식실험결과 부극성이 정극성보다 절연성능이 우수함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 애자의 장점은 무엇인가?	전통적으로 송전선과 배전선에 사용되었던 세라믹 애자는 천천히 고분자 애자로 대체되고 있다. 고분자 애자는 무게가 가볍기 때문에 설치 및 시운전 비용을 크게 줄일 수 있다. 또한 소수성(hydrophobic)이기 때문에 특히 초기 서비스 기간동안 전송 손실이 줄어든다. 또한 고분자이기 때문에 어떤 형태와 크기로도 성형 될 수 있으므로 설계 중에 더 큰 유연성을 제공합니다. 그러나 고분자 애자는 표면 소수성(surface hydrophobicity)으로 일시적인 손실, 트래킹에 의한 탄화로의 형성 그리고 코로나 및 아크성 표면방전에 의해 표면의 침식과 같은 특정한 단점을 가지고 있다.
	고분자 애자의 단점은 무엇인가?	또한 고분자이기 때문에 어떤 형태와 크기로도 성형 될 수 있으므로 설계 중에 더 큰 유연성을 제공합니다. 그러나 고분자 애자는 표면 소수성(surface hydrophobicity)으로 일시적인 손실, 트래킹에 의한 탄화로의 형성 그리고 코로나 및 아크성 표면방전에 의해 표면의 침식과 같은 특정한 단점을 가지고 있다. 지난 30년 동안 옥외용 고분자 애자의 장기 열화를 이해하기 위하여 여러 연구실 및 연구기관에서 연구가 수행 되었다[1-5].
	본 논문에서 HVDC 초고압용 애자의 절연소재을 개발하기 위해 Liquid Silicone Rubber/Nano Silica Composites_25wt% 의 트래킹실험용 샘플을 제조하여 실험방법 및 성공과 실패 기준을 60mA/2s에 기준으로 설정한 IEC 60587 에 근거하여 실험을 실시하였다, 이에 대한 결론은 무엇인가?	첫째, DC 정극성과 부극성의 IPT 누설전류 및 표면방전 표면 처리된 나노실리카를 액상실리콘에 25wt%을 충진분산시켜 제조된 콤포지트의 정극성과 부극성 트래킹 및 침식실험결과 부극성이 정극성보다 절연성능이 우수함을 알 수 있었다. 둘째, 누설전류크기 중 트래킹 표면침식에 크게 영향을 주지 못한 2~10mA 전류펄스 발생비는 정극성, 부극성의 경우 52.78%, 80.80% 이었다. 그리고 트래킹 및 표면침식에 크게 영향을 주는 10mA이상의 누설전류펄스에서 발생되는 극성 결과 정극성, 부극성의 경우 23.88%, 13.33%이다. 또한 10mA 이상의 누설전류에서 DBA의 격렬한 표면방전시 발생된 누설전류의 경우 30~50mA의 극성별 누설전류발생은 정극성의 경우 60.46%, 부극성의 경우 18.74%이다. 이처럼 정극성의 경우 전도성 이온이 전극표면으로 이동하여 전도성을 증가시켜 누설전류의 증가를 가져 왔고, 부극성의 경우 트래킹 및 침식에 대한 저항성이 정극성에 비하여 더욱 크기 때문에 누설전류 크기가 큰 전류펄스 수가 적은 결과로 사료된다.

참고문헌 (10)

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L.H. Meyer, S.H. Jayaram and E.A. Cherney, "Correlation of Damage, Dry Band Arcing Energy and Temperature in Inclined Plane Testing of Silicone Rubber for Outdoor Insulation", IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 11, pp. 424-432, 2004.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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