1. 정극성(Positive Polarity)

그림. 2에서는 정극성 DC실험결과 누설전류 및 표면온도의 측정결과를 나타내었다. 그림. 2에서 325분 동안 (5시간 25분 에 60mA/2s 지속된 트래킹 실험 결과) 계측된 누설전류 자료를 1분 동안의 누설전류 최대값을 325분 동안 325개 포인트 선정결과를 표면 온도와 함께 나타내었다.

그림. 2. 실리콘/나노실리카 콤포지트 누설전류 (정극성)

Fig. 2. SiR/Nano silica composites leakage current(Positive)

그림. 2의 정극성 DC전압을 인가 후 26분 까지는 젖음성 상태에서 27분에 이르러 처음으로 오손액이 상부전극의 여과지로부터 떨어진 물방울이 하부전극으로 떨어지는 상태에 이르렀다. 물방울이 떨어진 직후 그림. 6(a)의 영상에서 보는 바와 같이, 조그마한 표면방전이 시작되었다. 그 시점에서 1분 동안의 트래킹 표면방전 중 최대값이 17.71mA을 나타내었다. 얼마 후 하부전극 말단 부근에서 아크성의 방전이 시작되었다. 이와 같은 누설전류의 크기를 시간별로 나타내볼 때, 지속적으로 오손액에 의하여 표면의 침식이 발생하였고, 소수성에서 친수성으로 표면의 오손액이 흐르는 길이 발생하게 되었다⁽⁹⁾. 표면방전이 발생하기 전, 그림. 2의 (1)에서 나타낸 상태에서 표면의 수분에 의한 전도성전류로서 1.58~2.27mA의 누설전류, 그림. 3(a)에서 정극성 +DC인가 시작으로부터 표면방전이 시작되기 전 26분까지 누설전류 크기를 나타내었다. 그러나 그림. 3(b)에서 오손액이 하부전극으로 떨어진 그 순간부터(27분~57분) 지속적인 표면방전이 발생하였고, 트래킹에 의한 누설전류의 크기는 17.71~38.27mA의 누설전류 크기가 인가전압의 시간에 따라 누설전류의 크기가 증가되는 결과를 나타내었다⁽⁹⁾. 그와 같은 상태를 그림. 2의 (2)에서 보여주었다. 더불어, 아크방전시 발생된 주울열에 의하여 표면온도가 점차로 증가하여 최대 366℃에 이르는 표면온도 결과를 나타내었다⁽⁸⁾. 그때의 표면에서 발생된 방전영상을 그림. 6(b) 55분 후 상태의 영상으로 나타내었다.

그림. 3. 실험시작으로부터 끝까지 정극성 누설전류 값

Fig. 3. Positive leakage current maximum value from start to end of experiment

지속적인 트래킹 현상에 의하여 발생된 표면방전의 결과 표면의 일부의 열적열화로 인한 표면침식과 하부전극으로부터 상부전극으로 지속적인 이동방전결과 상부전극으로부터 오손액의 흐름을 갖도록 하는 작은 협곡과 같은 물길이 형성되었다. 더불어 하부전극 부근의 침식상태가 매우 크게 침식되어 탄화된 상태의 영역이 크게 발생되었다. 이후 151분까지는 아크성의 방전이 완전하게 소멸된 상태를 나타내었다. 그러나 그때의 누설전류의 크기는 그림. 2의 (3)과 그림. 3(c)에서 누설전류크기를 나타내었다. 그 시간 범위 내에서 흐르는 누설전류는 1.93~3.70mA의 누설전류의 결과를 나타내었다.

그때의 표면침식 상태를 그림. 6(c)에서 표면의 영상을 볼 수가 있었다. 이는 오손액이 침식에 의해 탄화된 Si와 C의 성분을 갖는 탄화물에 오손액을 흡습하여 도전성의 전류가 흐르는 결과로 1.93~3.70mA의 누설전류가 발생하였다. 이는 초기트래킹 실험시작에서 습윤성에 의한 전도전류 1.58~2.27 mA와는 구별되는 전류 크기를 볼 수가 있다. 이처럼 간헐성의 방전은 탄화물에 흡습된 오손액이 증가하면 누설전류가 순간적으로 증가되어 주울열의 발생으로 흡습된 오손액이 건조하여지고 이후 건조대(Dry Band Arc:DBA)방전이 발생되어져 표면의 온도가 매우 높은 고온의 상태에 이르고 그로 인한 표면의 열화는 더욱더 가속하게 된다^(8,9). 그 결과 표면의 침식은 더욱더 길어지고 또한 깊어져서 표면의 방전은 더욱더 격렬하게 진행하게 된다. 이와 같은 간헐성의 방전은 더욱더 빈번하게 진행되고 그로 인한 누설전류의 크기는 더욱더 증가하게 된다. 정극성 DC을 인가한 312~232분까지의 누설전류는 그림. 2의 (4)에서 나타내었고 그 결과 누설전류의 크기의 변화를 그림. 3(d)에서 나타내었다. fail되기 직전상태를 볼 때 간헐적인 아크방전의 시간은, 더욱더 짧아지고 격렬해져서 최후 누설전류의 크기가 순간적으로 89mA에 이르러 2s동안 지속되어 fail에 이르게 된 것이다.

2. 부극성(Negative Polarity)

그림. 3에서는 부극성 DC 실험결과 누설전류 및 표면온도의 측정결과를 나타내었다. 부극성의 DC 인가전압 –3.5kV를 인가하여 IEC 60587에 근거한 누설전류 최대값 60mA/2s 지속되었을 때 fail 되게 된다. 그러나 부극성의 경우 6시간을 통과 하였다. 그 결과를 1분 동안의 누설전류 자료 중 최대값을 선정하였고, 6시간(360분, 360포인트) 트래킹 진행된 결과를 360개 누설전류 포인트로 나타내었다.

그림. 4에서는 HVDC 부극성 -3.5kV 인가직후로부터 부극성 아크방전이 발생하기 전까지의 누설전류크기를 그림. 4의 (1)에서 누설전류크기를 나타내었다. 좀더 세세하게 젖음성에 의한 누설전류크기의 변화를 그림. 5(a)에서 나타내었으며, 이것은 오손에 의한 전류가 아닌 젖음성에 의한 것으로 –2.23~-3.47mA의 크기를 나타내었다. 정극성의 경우 똑같은 시간인 27분에 이르러서 오손액이 하부전극으로 떨어진 순간으로부터 표면 방전은 개시되었고 27분 그 시점에서 1분 동안 누설전류의 최대값이 –11.90 mA를 나타내었다. 정극성 DC 27분 시점에서 발생된 표면 방전시 발생된 누설전류 크기는 17.71mA을 기록하였다. 정극성의 초기방전이 부극성의 초기방전에 비하여 약간 높은 누설전류크기의 결과이다. 또한 젖음성의 결과로 나타난 정극성 DC 누설전류 크기는 1.58~2.27mA이었고 부극성 DC의 경우 젖음성에서 나타난 누설전류 크기는 –2.23~-3.47mA 이었다. 부극성의 누설전류 크기가 정극성보다 오히려 큰 경우를 확인할 수 있었다.

그림. 4. SiR/Nano Silica 콤포지트 누설전류 최대값

Fig. 4. SiR/Nano silica composites leakage current maximum value (Negative)

그림. 5. 실험시작으로부터 끝까지 부극성 누설전류 최대값

Fig. 5. Negative leakage current maximum value from start to end of experiment

오손액이 하부전극에 떨어지는 순간 표면의 방전이 개시되었고, 그 범위(27~71분)의 누설전류 크기는 11.90~105.92mA이었다. 그러나 71분에서 급격한 전류의 증가(105.92mA)를 가져왔지만, 누설전류의 증가폭이 작았다. 그러나 정극성의 경우 증가 폭이 상대적으로 큰 상태이다. 이와같이 부극성 DC 누설전류의 경우 그림. 4의 (2)에서 나타내었고 더불어 표면 온도역시 누설전류의 크기가 증가함에 따라 온도가 증가되어 트래킹 표면의 침식을 가속화시켰다. 그림. 5(b)에서는 구체적으로 27분~71분까지 누설전류 크기의 변화를 나타내었다. 표면 건조대 아크 방전의 영상을 그림. 7(b)에서는 트래킹 인가전압 44분 후 방전상태를 그리고 71분에서 가장 강력하게 표면 방전된 누설전류의 크기를 나타낸 시점의 영상을 나타내었다. 이후 간헐적인 누설전류의 크기가 78분(-49.09mA), 107분 (-44.7mA), 222분(-50.09mA) 그리고 355분(-56.02mA)로서 매우 빠른 순간의 방전에 의한 누설전류를 나타내었다. 그러나 부극성 DC를 인가한 72분~360분까지의 경우, 전반적으로 최소 1.58mA~ 최대 5.58mA 범위의 누설전류를 나타내었다.

이와같은 이유는 트래킹 침식에 의해 탄화된 물질의 성분은 Si와 C로 구성되었으며⁽⁸⁾, 오손액이 0.3ml/min 지속적으로 흐르게 되어 전도성에 의한 누설전류가 흐르게 되며⁽⁹⁾, 대부분 상부전극으로 흘러나온 오손액이 모두 하부전극으로 떨어지지 못하고 전극 밖으로 흘러버린 상황임을 알 수 있었다. 또한 HV 전극 근처에 명확한 전극 -오염 물질 인터페이스가 있고 그리고 접지된 전극 근처에서 이 인터페이스는 간헐적입니다. 건조한 밴드아크에 의한 강렬한 가열은 접지된 전극 근처의 오염 물질을 증발시킵니다⁽⁷⁾.

정극성에 비하여 부극성의 경우 빈도수가 매우 낮고, 방전의 지속시간도 짧은 결과이다 또한 침식의 범위도 정극성에비하여 좁은 영역에 있다⁽⁷⁾. 그림. 5(c)(d)에서 누설전류크기의 변화를 나타낸 것이다.

Meyer et al⁽¹⁰⁾의 연구 결과는 실리콘 고무 샘플의 표면 온도와 침식 된 질량 사이의 상관관계를 보여 주었다. 정극성DC에 대한 누설 전류는 부극성 DC에 비해 더 높은 전류 값을 보였다. 증가 된 누설 전류는 더 높은 표면 가열 및 그에 따른 동일한 표면 프로파일에 대한보다 높은 온도를 초래할 것이다⁽⁷⁾.

1. HVDC 정극성

그림. 6~그림. 7에서는 정극성 DC(+3.5kV)와 부극성 DC(-3.5 kV)을 인가한 SiR/nano silica composites의 트래킹에 의해 침식 열화된 과정을 영상으로 나타낸 것이다.

그림. 6에서는 오손액 0.3ml/min, 정극성 DC(3.5kV)을 인가하여 트래킹 및 침식의 실험을 실시하였다. 그림. 6(a), 트래킹 실험 27분 인가 후 처음으로 상부전극으로부터 오손액이 흘러 하부전극에 도달하는 순간 낮은 레벨의 방전이 시작되었다. 그림. 6(b), 28분후 55분에 표면의 방전이 더욱 격렬하게 진행하였으며, 누설전류 39.20mA를 나타내었다. 그림. 6(c) 인가전압 60분 후, 격렬한 트래킹 침식으로 탄화된 흔적은 오손액이 흐르는 길이 형성되었고, 하부에서 상부로 침식이 진행되는 상태이며, 침식량의 누적으로 오손액이 흡습하고 있기 때문에 도전성의 누설전류만 흐르는 상태이다. 이런 상태의 누설전류는 1.93~3.7mA의 누설전류를 나타내었다. 이처럼 간헐적으로 트래킹 방전이 발생하고 누적된 탄화물이 흡습을 가져오는 반복적인 과정이 이루어진 상태이다.

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

2. HVDC 부극성

그림. 7에서는 정극성의 경우와 마찬가지로 DC(-3.5kV)을 인가하여 트래킹 및 침식실험을 실시하였다. 그 결과 인가시간에 따른 부극성 트래킹 및 침식에 관한 영상을 나타내었다.

그림. 7(a)에서는 정극성의 경우 같은 시간(27분)에 오손액이 상부전극으로부터 하부전극에 도달 했을 때, 방전이 개시되었다. 그림. 7(b), 인가전압 44분 후, 부극성 트랙킹 표면방전으로 (–)25.76mA의 누설전류를 나타내었고, 그림. 7(c)에서는 트래킹 누설전류 크기가 가장 큰 105.92mA의 트래킹 표면방전의 격렬한 방전을 일으켰고, 그 때의 표면온도는 366℃ 보다 높은 표면온도를 나타내었다. 표면온도가 높게 되면 실리콘 나노콤포지트의 열적 열화와 전기적 방전이 강력하게 진전하여 더욱 더 큰 침식을 가져오는데 영향을 주고 있다^(8,9). 71분 이후 그림. 7(d)의 영상은 하부전극에서 상부전극으로 트래킹 침식의 결과로서 상부전극으로부터 흘러내려온 오손액이 하부전극으로 흐르지 못하고 상부전극에서 외부 떨어지는 경우로 간헐적인 방전의 발생이 진행되어 360분에 이르렀다.

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