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문제 정의
- 본 연구에서는 케이블 절연체의 시계 방향에 따른 비등방성과 전기 절연 특성과의 상관관계를 조사하고자 트리 개시 전압 및 시간을 측정하였다. 이러한 전기 트리 시험을 수행하는데 있어 케이블 절연체에 바늘을 삽입할 때 발생하는 기계적 스트레스는 트리 개시를 가속시키는 중요한 변수가 될수 있으므로 이를 최소화하기 위해 needle-to-needle 전극 구조를 채택하였다[4-5].
제안 방법
- 그림에서 보는 바와 같이 광학 현미경에 CCD 카메라를 설치하여 모니터를 통해 트리 개시 여부를 관찰한다. 이때 인가 전압은 60Hz의 A.
- 이러한 전기 트리 시험을 수행하는데 있어 케이블 절연체에 바늘을 삽입할 때 발생하는 기계적 스트레스는 트리 개시를 가속시키는 중요한 변수가 될수 있으므로 이를 최소화하기 위해 needle-to-needle 전극 구조를 채택하였다[4-5]. 또한 방위각에 따라 나타나는 비등방성과 기계적 강도와의 관계를 알아보기 위해 시계 방향에 따른 인장강도(tensile strength) 시험을 수행하였다.
- 이러한 전기 트리 시험을 수행하는데 있어 케이블 절연체에 바늘을 삽입할 때 발생하는 기계적 스트레스는 트리 개시를 가속시키는 중요한 변수가 될수 있으므로 이를 최소화하기 위해 needle-to-needle 전극 구조를 채택하였다[4-5]. 또한 방위각에 따라 나타나는 비등방성과 기계적 강도와의 관계를 알아보기 위해 시계 방향에 따른 인장강도(tensile strength) 시험을 수행하였다.
- C 전압을 초당 IkV의 상승 속도로 증가시키며, 트리 개시와 동시에 전압인가를 중지하고 이때의 전압을 트리 개시 전압으로 기록한다. 절연체의 수명을 예측하기 위한 V-t 시험은 24kV의 전압을 인가한 상태에서 트리 개시가 관찰 되었을 때의 시간을 측정하였다.
- 지금까지 알려진 여러 전기적 절연 강도 시험 방법 중 침대침 전극을 이용한 트리시험은 가장 널리 이용되고 있는 방법 중 하나이며, 본 연구에서도 시계 방향에 따른 절연 강도를 측정하기 위하여 당사의 초고압 생산라인에서 제조된 케이블 시편에 대한 침대침 전극을 이용한 트리 개시 시험을 수행하였다.
- 전기 트리는 항상 전기장의 세기가 집중되는 바늘 끝으로부터 발생되므로 침을 삽입하기 전후의 침의 상태가 매우 중요하며, 따라서 침 삽입 전후의 침 선단의 상태를 고배율의 현미경으로 관찰하여 이물이나 침선단이 망가진 경우를 선별해야만 한다. 침과 침 사이의 간격은 특별히 고안된 바늘 삽입기와 광학 현미경을 사용하여 2mm+5 ㎛를 유지하도록 삽입하였다.
- 케이블을 도체와 수직으로 두께 3cm로 슬라이싱을한 후, 가로 세로 2cm의 정사각형 모양의 커터로 시계 방향(3시, 6시, 1M)에 따라 자른 시편에 그림 2(b)와 같이 침을 삽입하여 트리 시험을 수행하였다. 이때 사용된 전극 구조는 침 삽입 과정에서 발생할 수 있는 기계적 스트레스를 최소화하기 위해 ASTM D-3756 방법을 이용하였다.
대상 데이터
- 이때 사용된 전극 구조는 침 삽입 과정에서 발생할 수 있는 기계적 스트레스를 최소화하기 위해 ASTM D-3756 방법을 이용하였다. 두 개의 바늘을 사용하였는데, 상부전극은 침선단의 반지름이 5㎛이며 하부전극은 20/zm 반지름을 갖는 침을 사용하였다. 전기 트리는 항상 전기장의 세기가 집중되는 바늘 끝으로부터 발생되므로 침을 삽입하기 전후의 침의 상태가 매우 중요하며, 따라서 침 삽입 전후의 침 선단의 상태를 고배율의 현미경으로 관찰하여 이물이나 침선단이 망가진 경우를 선별해야만 한다.
- 케이블을 사용하였다. 먼저 시계방향에 따른 기계적 강도를 측정하기 위해 두 개의 케이블에 대해 덤벨 시편을 준비하였다. 이때 시계방향에 따른 흐름 패턴은 그림 1과 같이 시편의 중앙에 위치하도록 하였다.
- 본 연구에서는 건식 가교된 154kV 송전용 XLPE 케이블을 사용하였다. 먼저 시계방향에 따른 기계적 강도를 측정하기 위해 두 개의 케이블에 대해 덤벨 시편을 준비하였다.
이론/모형
- 이때 사용된 전극 구조는 침 삽입 과정에서 발생할 수 있는 기계적 스트레스를 최소화하기 위해 ASTM D-3756 방법을 이용하였다. 두 개의 바늘을 사용하였는데, 상부전극은 침선단의 반지름이 5㎛이며 하부전극은 20/zm 반지름을 갖는 침을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 흐름 패턴의 관점에서 살펴본 비등방성 영역 (12시, 6시 방향)은 상대적으로 낮은 비등방성 영역(3시 방향)에 비해 인장 강도가 낮은 결과를 보였다
- (2) 3시 방향의 형상 파라미터 (Pv)가 12시, 6시 방향의 형상 계수보다 훨씬 높은 값을 보였으며, 이로부터 비등방성 영역 내에 절연강도에 있어 큰 편차를 가지는 지점이 존재할 가능성이 높음을 알 수 있다.
- (3) 시계 방향에 따른 비등방성 영역은 서로 다른수명 지수를 보임을 알 수 있었으며, 특히 3시 방향에 비해 용융 XLPE가 모여지는 6시 방향의 비등방성 영역의 수명지수가 가장 낮은 값을 보였다. 이상의 결과로부터 초고압 XLPE 케이블의 비등방성이 전기, 기계적 절연 성능에 영향을 미침을 알수 있으며, 따라서 기존에 알려진 절연체 결함(보이드, 이물, 돌기 둥)과 아울러 비등방성 역시 XLPE 케이블의 절연 성능에 영향을 주는 인자로 고려되어야 함을 알 수 있다.
- 에 방위각에 따른 영역별 트리개시 시험으로부터 얻어진 형상 파라미터(6v) 와 스케일 파라미터((Ov)를 나타내었다. 각각의 시험(트리개시 전압, 시간)에는 영역별로 50 ~ 70개의 시편에 대한 시험을 수행하여 얻어진 데이터의 신뢰성을 높일 수 있었다.
- 비등방성이 상대적으로 낮은 영역(3시 방향)의 수명지수 n이 그렇지 않은 영역(6시, 12시 방향) 에비해 상대적으로 높은 값을 가지는 결과를 보였다. 비록 실 케이블에 비해 가혹한 조건에서의 시편시험인 관계로 여기에서 얻어진 값이 케이블 자체의 수명 지수라고 볼 수는 없으나 비등방성 영역별 상대 비교는 가능하다고 볼 때, 비등방성이 가장 높은 영역(6시 방향)의 수명지수가 낮은 비등방성을 보이는 영역(3시 방향)에 비해 약 2 정도 낮은 결과를 보임을 알 수 있다.
- 보였다. 비록 실 케이블에 비해 가혹한 조건에서의 시편시험인 관계로 여기에서 얻어진 값이 케이블 자체의 수명 지수라고 볼 수는 없으나 비등방성 영역별 상대 비교는 가능하다고 볼 때, 비등방성이 가장 높은 영역(6시 방향)의 수명지수가 낮은 비등방성을 보이는 영역(3시 방향)에 비해 약 2 정도 낮은 결과를 보임을 알 수 있다.
- 시계 방향 (3 시/&中에 따른 인장 강도 (tensile strength) 측정 결과는 2.2~2.76kg/mm2의 비교적 넓은 분포를 보였으며 3시 방향의 인장 강도가 6 시 방향의 값보다 높은 결과를 보였다. 각각의 케이블 시편에 대해 측정된 인장 강도의 최대, 평균, 최소값을 그림 4에 나타내었다.
- 보였다. 이상의 결과로부터 초고압 XLPE 케이블의 비등방성이 전기, 기계적 절연 성능에 영향을 미침을 알수 있으며, 따라서 기존에 알려진 절연체 결함(보이드, 이물, 돌기 둥)과 아울러 비등방성 역시 XLPE 케이블의 절연 성능에 영향을 주는 인자로 고려되어야 함을 알 수 있다.
- 첫째, 열적-전기적 스트레스에 의한 XLPE 특성의 변화가 케이블 절연체의 수명 저하를 가속시킨다. 둘째, 보이드 및 이물과 같은 결함이 부분방전(PD) 의 시발점으로 작용하며 이러한 부분방전이 전기트리의 발생을 야기시킨다] 1, 2].
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