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문제 정의
- 본 논문에서 친환경 전력용케이블 절연체를 구현하기 위한 초기단계로 비가교 폴리에틸렌에 대한 전기적 기본특성시험, 즉 워터트리가속열화, 교류전압파괴특성 및 전도전류특성 시험을 행하였고 이에 대한 결과를 정리하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 확인하였다.
- 본 논문에서는 각 시료의 절연성능을 비교 분석하기 위하여 시료 표면에 인공적인 워터트리를 발생시켜 열화시간에 따른 워터트리의 성장 형태와 워터트리의 밀도를 분석하였다. 그리고 건전시료를 사용하여 교류절연파괴 시험을 실시하였으며 전극의 형태는 ASTM(America standard Test Method) D149-92규정 중 전극의 직경이 12.
제안 방법
- 3. 전기전도특성 시험은 시험의 특성상 큰 편차를 가져올 수 있으므로 이러한 오차를 줄이기 위하여 시편당 3개의 시료에 대한 실험을 행하여 그 평균값을 계산하였다. 그 결과 각 시편의 제조방법이나 첨가제에 따라 일정한 증감의 특성을 확인하였으며 이러한 데이터는 향후 보다 우수한 시편의 개발방향을 결정하는데 주요한 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 각 시편을 전극에 크기를 고려하여 자른 후 두께를 측정하였으며 90∼110µm 두께의 시편을 선택하여 사용하였다. 각 시료 당 동일한 방법으로 3번씩 전도전류를 측정하였고 시험시간은 1시간을 기준으로 하였다. 시료는 상부전극과 하부전극사이에 올려놓고 고정 시킨 후 전극을 Dry Oven 안에 넣는다.
- 7[mm] 인 구전극을 사용하다. 각 시편 당 동일한 방법으로 15번씩 실험하였고, 전압상승 속도는 1[kV/sec]의 속도를 유지하였으며 연면방전의 영향을 최소화시키기 위하여 실리콘 절연유 내에서 실시되었다. 각시편의 절연파괴강도 데이터 처리는 와이블 분포함수를 이용하여 데이터를 처리하였다.
- 각 시편 당 동일한 방법으로 15번씩 실험하였고, 전압상승 속도는 1[kV/sec]의 속도를 유지하였으며 연면방전의 영향을 최소화시키기 위하여 실리콘 절연유 내에서 실시되었다. 각시편의 절연파괴강도 데이터 처리는 와이블 분포함수를 이용하여 데이터를 처리하였다.
- [3] 그리고 데이터 처리는 와이블 분포법을 사용하였다. 또 각 시료의 건전시료를 사용하여 DC인가 1시간 후에 누설 전류 값을 측정하였고 전극의 단면적으로 나누어 누설전류밀도 값을 구한 후 Origin 프로그램의 Box Chart를 사용하여 그린 후 시료별로 전도특성을 비교하였다.
- XLPE를 제외한 12종류의 시편은 모두 비가교된 PE base의 시편이며, 워터트리 가속열화시편은 1,000±50 μm, 교류 전압파괴시시편은 100~120 μm, 그리고 전도도실험 시편은 100±10 μm 두께로 준비하였다. 또한 시료 표면의 오염을 없애기 위해 모든 실험에서 실험전 표면을 에칠알코올로 닦아서 불순물을 제거하였다. 또한 실험은 상온에서 실시되었다.
- 본 실험에서는 각 시료 당 2개씩 시편을 준비하여 워터트리 가속열화 시험을 진행하였다. 또한 실험실은 온도는 상온으로 유지하였으며 열화 시간은 모두 120시간으로 설정하였다.
- 염색시간 10분 이상 하였다. 염색이 된 시료는 광학현미경을 사용하여 열화된 시료의 워터트리의 성장형태와 워터트리의 밀도를 관찰 하였다.
- 측정된 전류데이터로부터 1,501~2,000초 사이의 평균값을 취한 전도전류 와, 다음 식(1) 과 같은 관계를 수치적으로 curve-fitting 하여 이론적으로 무한한 시간이 흐른 후 포화된 전도전류 값은 계산하여 비교하였다. 최종적으로는 전도전류를 측정전극의 면적으로 나눈 전도전류밀도(또는 누설전류밀도)를 구하였다.
- 측정된 전류데이터로부터 1,501~2,000초 사이의 평균값을 취한 전도전류 와, 다음 식(1) 과 같은 관계를 수치적으로 curve-fitting 하여 이론적으로 무한한 시간이 흐른 후 포화된 전도전류 값은 계산하여 비교하였다. 최종적으로는 전도전류를 측정전극의 면적으로 나눈 전도전류밀도(또는 누설전류밀도)를 구하였다.
대상 데이터
- XLPE를 제외한 12종류의 시편은 모두 비가교된 PE base의 시편이며, 워터트리 가속열화시편은 1,000±50 μm, 교류 전압파괴시시편은 100~120 μm, 그리고 전도도실험 시편은 100±10 μm 두께로 준비하였다.
- 각 시편을 전극에 크기를 고려하여 자른 후 두께를 측정하였으며 90∼110µm 두께의 시편을 선택하여 사용하였다.
- 시료는 상부전극과 하부전극사이에 올려놓고 고정 시킨 후 전극을 Dry Oven 안에 넣는다. 그리고 DC전원공급장치인 KEITHLEY247장비를 사용하여 2kV를 인가하고 KEITHLEY6517을 사용하여 전류 값을 측정하고 GPIB 통신을 사용하여 PC에 데이터를 전송 받았다.
- 본 논문에서는 각 시료의 절연성능을 비교 분석하기 위하여 시료 표면에 인공적인 워터트리를 발생시켜 열화시간에 따른 워터트리의 성장 형태와 워터트리의 밀도를 분석하였다. 그리고 건전시료를 사용하여 교류절연파괴 시험을 실시하였으며 전극의 형태는 ASTM(America standard Test Method) D149-92규정 중 전극의 직경이 12.7[mm]의 구대구 전극을 사용하였다.[3] 그리고 데이터 처리는 와이블 분포법을 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 시편은 총 13종류로 XLPE를 기준으로 한 상대적 물성의 특성을 비교하였다. XLPE를 제외한 12종류의 시편은 모두 비가교된 PE base의 시편이며, 워터트리 가속열화시편은 1,000±50 μm, 교류 전압파괴시시편은 100~120 μm, 그리고 전도도실험 시편은 100±10 μm 두께로 준비하였다.
- 그림2는 교류절연파괴강도를 측정하기 위한 구대구 전극 구성도이다. 시료의 크기는 구대구 전극의 크기를 고려하여 준비하였고, 직경 12.7[mm] 인 구전극을 사용하다. 각 시편 당 동일한 방법으로 15번씩 실험하였고, 전압상승 속도는 1[kV/sec]의 속도를 유지하였으며 연면방전의 영향을 최소화시키기 위하여 실리콘 절연유 내에서 실시되었다.
- 시험에 사용된 시료의 두께는 1000±50µm이며 직경은 86mm 원방형 시료를 사용하였다.
- 이렇게 준비된 시료는 워터트리 가속 열화 셀에 조립 한 후 가속 열화시켜 인공적인 워터트리를 발생 시켰고 전압 인가 전 수용액을 스크렛치 면의 미세흠집의 틈새 끝까지 침투시키기 위하여 10∼20 Torr 정도의 약한 진공으로 처리하여 탈기시켰다. 시험에 사용한 수용액은 1.0M Nacl 용액이고, 인가전원은 워터트리의 성장속도를 가속시키기 위하여 1.0kHz, 전압은 10kV/rms인 주파수가속 전원을 사용하였다. 120시 간이 지난 후 전압을 끄고 워터트리 가속 열화 셀에서 시료를 분리 한뒤 메틸블루 용액을 사용하여 염색을 하였다.
- 시험에 사용된 시료의 두께는 1000±50µm이며 직경은 86mm 원방형 시료를 사용하였다. 준비된 시료 직경 36mm 원에 거칠기220의 사포(sand paper)를 사용하여 인공적인 표면 스크렛치를 만들었으며 한 쪽 방향으로 균일한 흠집을 내었다. 흠집을 낸 표면은 알코올을 사용하여 불순물을 제거 하였으며 반대쪽 표면에는 실버페이스트(Dotite D-500)를 얇게 도포하여 전극을 형성하였다.
이론/모형
- 7[mm]의 구대구 전극을 사용하였다.[3] 그리고 데이터 처리는 와이블 분포법을 사용하였다. 또 각 시료의 건전시료를 사용하여 DC인가 1시간 후에 누설 전류 값을 측정하였고 전극의 단면적으로 나누어 누설전류밀도 값을 구한 후 Origin 프로그램의 Box Chart를 사용하여 그린 후 시료별로 전도특성을 비교하였다.
성능/효과
- 1. 워터트리 가속열화 시험의 경우 본 연구에서 사용한 가속열화시험법 으로 넓은 면적의 워터트리를 균일하게 성장시킬 수 있음을 확인하였다.
- 그 결과 누설전류밀도값이 10-9 ∼ 10-8 A/m2 사이에 분포되어있었으며 시료의 누설전류밀도를 Box Chart의 평균값을 기준으로 비교 분석하면 XLPE시료에 비해 모든 시편이 낮은 누설전류특성을 보이고 있는 가운데 시료 #5가 가장 우수한 전도전류특성을 나타내고 있다.
- 그림 4는 워터트리 열화된 시료를 메틸렌 블루 용액으로 염색 한 후 그 표면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 그림에서 알 수 있듯이 표면 전체, 특히 인공적으로 스크랫치를 만든 부위에서부터 워터트리가 고르게 성장하였음을 확인하였고 이는 본 실험에서 사용한 워터트리 가속열 화시험법이 넓은 면적에서 균일한 워터트리를 인공적으로 성장시킬 수 있음을 보여주는 결과이다.
후속연구
- 2. 교류 파괴전계 시험으로 12종류의 시편중 L 시리즈의 시편이 XLPE 에 비해 우수한 특성을 보였으며 이에 대한 원인분석은 보다 다양한 시험을 통하여 계속되어야 한다고 판단된다.
- 전기전도특성 시험은 시험의 특성상 큰 편차를 가져올 수 있으므로 이러한 오차를 줄이기 위하여 시편당 3개의 시료에 대한 실험을 행하여 그 평균값을 계산하였다. 그 결과 각 시편의 제조방법이나 첨가제에 따라 일정한 증감의 특성을 확인하였으며 이러한 데이터는 향후 보다 우수한 시편의 개발방향을 결정하는데 주요한 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
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