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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 68, No. 2, p.326-333

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 10 December 2018Revised : Accepted : 28 January 2019

DOI :

http://doi.org/10.5370/KIEE.2019.68.2.326

LSR Nano Silica Composites에 대한 HVDC의 IPT 특성연구

Study on Inclined Plate Tracking and Erosion Characteristics of HVDC for Liquid Silicone Rubber Nano Silica Composites

박재준 (Jae-Jun Park) ¹^†

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

^†Corresponding author, E-mail: jjpark@joongbu.ac.kr

License :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.(www.kiee.or.kr).

Abstract

In this paper, two types of SiR-Nano Composites were fabricated to develop HVAC insulator. Tracking and erosion characteristics of ± HVDC voltage 3.5 kV were investigated using IPT system based on AC IEC regulations. In tracking and erosion, (-) HVDC than (+) HVDC resulted in a large number of arc leakage currents due to the drying-arc discharge. However, the results of tracking and erosion show that (+) HVDC is more severe than (-) HVDC. (+) HVDC generated many intermittent surface discharges. Unlike this, (-) HVDC caused continuous discharge from the moment when the dross was dropped on the lower electrode. (+) HVDC occupies a large number of moving discharges from the lower electrode to the upper electrode, and (-) HVDC concentrates on the lower electrode and discharges and erodes.

Key words

HVDC IPT(Inclined plate tracking and erosion), Leakage current, Surface erosion, Thermal imaging camera, HVDC polarity

1. Introduction

전통적으로 송전선과 배전선에 사용되었던 세라믹 애자는 천천히 고분자 애자로 대체되고 있습니다. 고분자 애자는 무게가 가볍기 때문에 설치 및 시운전 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 또한 소수성(hydrophobic)이기 때문에 특히 초기 서비스 기간 동안 전송 손실이 줄어듭니다. 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 있습니다. 지난 30년 동안 옥외용 고분자 애자의 장기 열화를 이해하기 위하여 여러 연구실 및 연구기관에서 연구가 수행 되었습니다^[1-^5]. 최근에는 전력전자의 눈부신 발전으로 인하여 HVDC 전력수송에 관한 연구가 범세계적으로 많은 관심을 갖게 되었다. HVDC 초고압 전송에 사용되는 라인 포스트애자 및 Yard용 station 애자 등에 더 큰 문제에 직면 해 있습니다. HVDC하에서 정전계는 일정하고 그리고 단방향입니다. 이것은 근처의 공기오염물질을 애자표면으로 지속적으로 끌어당기어 절연체 고분자 애자표면에 오손물질을 축적하게 합니다. T.C. Cheng and C.T. Wu^[6] 연구에서 동일한 전계 조건하에서 교류전계보다 HVDC의 경우 1.2~1.5배 정도 가혹합니다. 또한 HVDC 전력수송에 사용되는 고분자애자는 더욱더 높은 표면 전도도와 누설전류에 견디는 것을 필요로 합니다. 따라서, 누설전류가 커지면 표면온도의 상승으로 고분자애자의 표면의 침식이 더욱더 가혹하게 됩니다. 고분자애자에서는 절연소재의 트래킹 및 침식에 대한 내성에 관한 연구가 매우 중요합니다. 1961년 Mathes and McGowan^[7]은 고분자 물질의 트래킹 및 침식에 대해 보고했으며, 이 공표는 ASTM D2303, 액체 오염 물질 시험 법, 경사 평면 추적 및 절연재 침식 시험의 기초를 형성했습니다. 이 테스트는 트래킹 및 침식에 대한 저항성과 관련하여 재료의 순위를 매기는데 광범위하게 사용되었으며 절연체 및 기타 실외 어플리케이션에 사용하기 적합한 고분자 재료를 선택하는데 도움이 되었습니다. 해당 IEC 60587 테스트는 1977년에 제공되었다^[8].

HVDC에 오손문제가 커지면 고분자애자의 연면거리를 증가하여 관리될 수 있지만, 이것만으로 해결되는 문제는 아닙니다. HVDC DBA(Dry Band Arc)가 고분자 물질에 미치는 영향은 AC DBA보다 훨씬 더 심각하다는 것이 알려져 있다^[9,^10]. 정극성 DC와 AC ITV의 평균 비율은 67%였고, 부극성 HVDC 및 AC ITV 간의 평균 비율은 84 %였습니다. 따라서 정극성 HVDC 및 부극성 HVDC IPT 전압은 AC IPT 전압의 67%와 84%이어야 합니다. Bossi et al.^[11]는 작동 가능한 직류 전압이 플래시 오버 성능을 기준으로 선택되는 한 물질에 개선이 필요하지 않다고 제안했다. 그들은 HVDC 플래시 오버 전압이 해당 AC 플래시 오버 전압의 75~85%라는 것을 발견했습니다.

Joseph Vimal Vas^[12] 연구자들은 실리콘 고무의 트래킹 및 침식 성능은 정극성 직류 전압에 비해 부극성 직류에서 더 나은 것으로 나타났습니다.

다른 IPT 연구에서, 샘플의 성능은 정극성 및 부극성 HVDC 하에서 평가되었다^[2]. 동일한 시험 전압에서, 양의 직류 전압이 시험 전압이 증가함에 따라 증가하는 최고 수준의 침식을 나타냈다. 그러나, 정극성 HVDC는 부극성 HVDC보다 더 많은 간헐적인 전류방전을 나타내었고 더 높은 평균 누설 전류를 촉진시켰다. 또한, 고온 아크에 의한 전기 분해 및 하부 전극의 산화로부터의 정극성의 부식은 브루스(Bruce) 등^[2]에 의해 관찰되어 부극성 HVDC와 비교하여 정극성 HVDC 하의 더 큰 침식 및 더 큰 질량 손실을 초래한다. 이는 IPT에서 정극성 및 부극성 테스트 전압이 동일한 수준에 있을 수 없다는 표시입니다.

본 연구에서는 형상이 자유롭고, 가공이 용이한 LSR(Liquid Silicone Rubber)를 이용하여, AC 국제규정인 IEC 60587에 근거하여 (±)HVDC 3.5kV을 인가하여 두 종류 실리콘 나노콤포지트인 RBL-1551–55P 원형과 RBL-1551–55P+Nano Silica_15wt%콤포지트의 IPT 트래킹 및 침식에 관한 연구를 실시하였다.

2. Experiment

2.1 Materials

본 논문에 사용한 실리콘수지는 XIAMETER® RBL-1551–55P로서, 고전압 그레이드 액상실리콘 고무를 사용하였다. 2액형 타입으로, Cure conditions: 10min×120°C+2hr×120°C로 경화하였다. 나노 실리카는 hexamethyldisilazane ([(CH₃)₃Si]₂NH)로 표면 처리된 소수성 Fumed Silica (AEROSIL® R 812S, EVONIK Industries AG), 나노실리카 평균 입도는 7nm인 제품을 사용하였다. 이것의 BET 비표면적은 220±25m²/g이었다.

표 1. XIAMETER® RBL- 1551 –55P의 물성표

Table 1. Properties of XIAMETER® RBL-1551 -55P

Test Method*	Property	Unit	Value
	As supplied
	Appearance		Translucent or grey
	Solids content	%	100
	Viscosity (Y=10.0s^-1	mPas	60,000
	As cured
D792	Specific gravity	g/cm³	1.09
D2204	Hardness	Shore A	42
D412	Tensile strength	MPa	6.8
D412	Elongation at break	%	472
D624B	Tear strength	kN/m	31
IEC 60093	Volume resistivity	Ohm.cm	1.00E+15
IEC 60250	Dielectric constant		2.8
IEC 60250	Dissipation factor		0.01
IEC 60587	Tracking resistance		1A4.5
IEC 60243	Dielectric strength	kV/mm	30

2.2 SiR/Nano Silica Composites Preparation

트래킹 샘플을 제조하기 위하여, 실리콘 수지(RBL-1551–55P)100g과 나노 실리카 15wt%의 중량비로서 파우더를 자전공전식 믹서기에 넣고, 진공과 온도 120℃ 환경에서 2mm 간격의 공전자전 교반 전단력을 갖은 진공시스템 하에서 3시간 동안 분산 후 2액형 타입의 혼합을 통하여 경화조건으로 성형하였다. IPT(Inclined Plate Tracking and Erosion Test)을 위한 샘플로서 50×1250×6mm의 샘플을 구성하였다.

본 논문에서는 두 종류의 샘플(RBL-1551–55P: 원형, RBL- 1551–55P+Nano Silica_15wt%) 충진분산시켜 HVDC 초고압용 애자를 개발하기 위하여 액상실리콘기반 나노 콤포지트를 제조하였다.

2.3 HVDC용, Tracking and Erosion 시스템 및 실험

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, 33kΩ을 통해 직류 고전압 전원에 의해 생성된 정극성이 연결되며, 하부 전극은 접지에 연결됩니다. HVDC 부극성 실험은 상부전극에 부극성 전위를 갖는 것으로 정의하고 그리고 하부전극은 접지로 연결됩니다^[8].

샘플은 측정 샘플표면이 아래쪽에 수평을 이루는 각도 45 °로 설치됩니다. 상부 전극 아래에 고정된 여과지를 사용하여 오손 물질 (탈이온수+NH₄Cl+비누제인 Triton X-100으로 만든 오손액)을 일정한 간격동안 미량의 오손 액이 그림. 1에서 보여준 바처럼 전극사이 샘플 아랫방향으로 떨어뜨립니다. 오손액이 필터용지를 통하여 상부전극의 구멍으로부터 나오고 그리고 하부전극은 댐핑의 효과 없이 오손액이 흐르도록 일련의 갭을 갖게 되었다. 지정된 전극들은 절연거리를 50mm로 분리하고 연속적인 불꽃 또는 섬광(scintillation) 즉, 건조대아크(Dry Band Arc) 발생하도록 HVDC ±3.5kV를 인가합니다^[4]^[16]. 전압인가 전에 연속적인 오손액이 흐르는 길이 주어진 유속을 항상 유지되어야 하고 그래서 젖음성(wetting)과 방전(scintillation)의 연속적인 사이클을 억제하기 위한 소수성(hydrophobic) 표면의 능력을 최소화하여야 합니다. 저항 R1은 전류를 제한하기 위한 저항이며, R₂는 누설전류의 계측을 위한 저항이다. IEC 60587에 따라 오손액의 전도도는 2.5mS/cm로 하였습니다. 오손액이 배출되는 상부전극에 전압(정극성 및 부극성)이 인가되고 HVDC 3.5kV에서는 0.3ml/min유량이 일정하게 흐르게 됩니다. 정극성 및 부극성의 HVDC전압은 3.5kV를 인가하였다. 현재까지 HVDC의 경우 Tracking and Erosion의 실험에 관한 국제표쥰 조건이 만들어지지 않았기 때문에, AC 국제규정인 IEC 60587규정에 AC대신 DC 전압 및 극성만을 변경하였고 그 외 모든 조건을 따르기로 하였다. 또한 fail 조건을 누설전류 60mA/2s 이상일 경우 pass의 규정으로 정하여 실험을 실시하였다.

그림. 1. HVDC용 트래킹 및 침식시스템

Fig. 1. Tracking and erosion system for HVDC

표 2. IEC 60587 국제 규정(트래킹 및 침식)

Table 2. IEC 60587 International Regulations (Tracking and Erosion)

시험전압 (kV)	선호하는 시험전압 [kV]	오손액 유속 (ml/min)	직렬저항기의 저항[ｋ$/Omega$]
3.0~3.75	3.5	0.3	22

2.4 Measuring System

2.4.1 Leakage Current

누설전류 측정은 누설전류 측정 장치인 Datatec사, SEFRAM/ DAS60으로 6채널, 전력분석함수 400Hz 이상, 14비트 resolution, 1Ms/s sampling rate, 100kHz bandwidth 그리고 DC, AC+DC RMS voltage measurement을 할 수 있는 레코더를 사용 하였다. 측정된 결과의 자료를 볼 수 있도록 제공된 Seframviewer를 이용하여, 원하는 데이터를 얻을 수 있습니다. 측정 자료의 결과 값을 누설전류 최대값을 얻기 위하여 데이터 획득 샘플링 율은 100μS로 데이터를 계측하였다. 1초에 10,000포인트의 자료가 계측된다. 1분이면 60만 포인트가 된다. 주파수로 표현하면 10kHz이다. 6시간 동안의 누설전류 자료를 분석하기 위하여 1분에 하나의 자료를 얻을 수 있도록 60만 포인트의 신호 중 가장 큰 누설전류 최대값으로 하였고 그리고 1분 동안의 펄스진폭의 합을 측정펄스수로 나누어 평균값으로 하여 자료를 정리하여 그래프로 나타내었다. 누설전류 측정시스템은 그림. 2에서 나타내었다.

그림. 2. SEFRAM/DAS60 누설전류 측정시스템

Fig. 2. SEFRAM/DAS60 Leakage Current Measurement System

2.4.2 Thermo Imager(열화상 카메라)

표면방전시 온도를 측정하기 위하여, 열화상 카메라(Thermo Imager)를 사용하였다. 사용된 모델은 TI-45FT-20이고, 제작사는 FLUKE 이다. 사용온도범위는 –20~600℃이며, 온도 분해능은 0.1℃이다. 그리고 온도 정확도는 ±2℃이며, 열화상 카메라의 화소 1280*1024 화소를 갖는 시스템이다. 열화상 카메라는 1분에 1회 측정온도의 결과를 이용하였다. 열화상 카메라는 Smart View 3.14 버전 소프트웨어를 통하여 온도를 체크하게 됩니다.

그림. 3. 열화상 카메라의 측정시스템

Fig. 3. Measurement system of thermal imaging cameras

2.4.3 Camcorder 및 전자천칭

영상촬영은 Sony HDR-CX240E HD Flash Camcorder를 이용하여 촬영하였고 그리고 침식량 측정을 위해 OHAUS사, Adventurer를 이용하여 소숫점 4자리까지 측정할 수 있는 전자천칭을 이용하였다.

3. Result and Discuss

3.1 트래킹과 침식에 의한 누설전류, 표면온도, 표면침식 그리고 표면방전영상

3.1.1 RBL_55P Original Composites / HVDC_3.5kV / Positive and Negative

3.1.1.1 Positive Polarity

그림. 4~그림. 6에서는 Dow Corning 사(RBL-1551- 55P) 비중(1.09)을 갖는 실리콘수지로서, (+)HVDC_3.5kV의 트래킹 및 침식 실험결과를 누설전류, 표면침식 그리고 표면방전영상을 나타내었다. 습윤한 상태의 젖음성에 의해 발생된 누설전류가 1.73~2.96mA을 나타내었다^[17]. 28분에 이르러 오손액이 하부전극으로 떨어지는 직후 표면방전이 개시되었다. 그때 21.02mA의 누설전류의 발생을 가져왔다. 이후 상당기간 연속적인이면서 간헐적인 트래킹에 의한 표면방전이 발생하였다. 트래킹과 침식이 지속될수록 누설전류의 크기는 증가하였고, 누설전류 전류가 증가할수록 주울열에 의한 표면의 온도는 상승하였고^[4], 상승된 온도는 열화상계측의 한계에 의하여 370℃ 정도까지 측정되었지만 500~700℃까지 발생된 경우로 볼 수가 있다^[4]. 이 결과 표면열화로 인한 표면상태가소수성에서 완전한 친수성으로 변화되어 오손액이 흐르는 미미한 협곡(오손액이 흐르는 길)이 발생되어지고 그리고 침식이 진행되기 시작하게 된다. 이와같은 방전의 결과를 그림. 6(b)에서 나타내었다. 방전은 하부전극에서 강력한 표면방전이 진행되고 더블어 상부전극으로 향하는 이동방전(mobile discharge)이 진행되어졌다^[17]. 그림. 5의 영상은 동시에 같은 종류 샘플 3개에 전압을 인가하여 측정한 실험결과로 그림. 5(b) 표면침식결과가 그림. 4의 누설전류 측정 결과를 나타낸 것이다. 최종적인 실험결과는 샘플 3개 모두 60mA/2s가 발생되지 않아 Pass한 상태이다. 처음방전이후 간헐적인 방전이 지속되었고, 210분의 강력한 간헐적인 방전으로 심하게 침식되어진 상태이다. 이후 300분경부터 방전이 55분 동안 지속되었고 그리고 325분정도에서 표면방전에 의한 온도가 370℃(그이상의 온도로 추측)상태를 지속하여 실험에 존료되는 시점까지 지속되었다. 303분~358분 범위의 누설전류는 11.01~46.97mA의 전류를 기록하였다.

그림. 4. Tracking and Erosion의 Leakage Current (HVDC_3.5kV_Positive Polarity)

Fig. 4. Tracking and Erosion의 Leakage Current (HVDC_3.5kV_Positive Polarity)

그림. 5. 트래킹 및 표면침식의 영상

Fig. 5. Image of tracking and surface erosion

그림. 6. 트래킹 및 침식에 의한 표면방전

Fig. 6. Surface discharge by tracking and erosion

3.1.1.2 Negative Polarity

그림. 7~그림. 9까지는 (-)HVDC_3.5kV의 트래킹 및 침식 실험결과를 누설전류, 표면침식 그리고 표면방전영상을 나타내었다. (-)HVDC 인가후 방전이 발생되지 않고, 습윤한 상태를 유지하는 27분 경우까지 누설전류는 1.85~2.93mA이었다. 처음 표면방전이 시작되는 경우 모든 트래킹 및 침식실험에서 오손액이 하부전극으로 떨어지는 순간 27분부터 개시되었고 누설전류는 –23.45mA를 나타내었다. 20분 동안 집중적으로 하부 전극에서 트래킹 및 침식이 진행되었고 그 결과 탄화되는 정도가 발생하게 되었다. 이와같은 표면상태는 이미 소수성은 사라지고 표면의 큰 협곡과 같은 침식이 이루어져상태이다^[6]. 초기 트래킹에 의한 침식으로 표면의 온도역시 건조대 방전 및 주울열에 의한 결과 표면에 열적열화가 진행되어 진 상태이다. 29분~58분까지 누설전류의 크기는 11.9~38.54mA을 나타내었다. 이후 몇 번의 간헐적인 방전형태는 있었지만 짧고 누설전류가 크지 않는 상태이다. 그러나 171분~360분(189분 동안) 실험규칙 6시간 실험종료 전까지, 지속적인 표면방전인 건조대 방전에 의한 아크성 방전이 지속되었다^[4]. 그로 인한 표면의 온도는 측정치 최대값인 370℃ 온도가 지속되었고, 열적열화는 가속되게 되었다. 표면의 트래킹 및 침식결과로 인한 누설전류는 –11.97~54.6mA 범위의 누설전류가 기록되었다. 정극성에 비하여 부극성 트래킹열화의 결과는 표면침식인 그림. 8에서 볼 수 있는 것처럼, 정극성 보다는 침식깊이와 트래킹 길이가 작음을 알 수 있었다^[6].트래킹 방전의 대부분이 하부전극 근방에서 발생된 결과이다.

그림. 7. Tracking and Erosion의 Leakage Current (HVDC_3.5kV_Negative Polarity)

Fig. 7. Tracking and Erosion의 Leakage Current (HVDC_3.5kV_Negative Polarity)

그림. 8. 트래킹 및 표면침식의 영상

Fig. 8. Image of tracking and surface erosion

그림. 9. 트래킹 및 침식에 의한 표면방전

Fig. 9. Surface discharge by tracking and erosion

표 3에서는 전체 360분 동안 트래킹 및 침식 실험결과 (+)HVDC와 (-)HVDC 누설전류크기에 따른 전류펄스수와의 관계를 나타내고 있다. (+)HVDC에서는 5mA 이하의 전류펄스수가 65.3%을 나타내었다. 이는 무 방전시 누설전류로서, 침식에 큰 영향을 주지 못한 전류이다. 그러 나 트래킹 및 침식에 영향을 주는 전류크기는 20mA 이상의 전류크기로 건조대에 의한 아크성 전류가 주울열에 의해 표면온도를 증가시켜 표면열적 열화를 가속시키고 트래킹 및 침식에 크게 영향을 주는 요소로서 25.81%을 나타내었다^[2].

표 3. 전류크기 및 펄스 수에 따른 정극성과 부극성 비교

Table 3. Comparison of positive polarity and negative polarity according to current amplitude and pulse number

$ \quad \quad \quad \quad $LC Polarity	5mA 이하	10~20mA	20~53.98mA
(+) HVDC	65.3%	8.89%	25.81%
(-) HVDC	38.07%	1.38%	60.55%

$ \quad \quad \quad \quad $LC

Polarity

5mA 이하

10~20mA

20~53.98mA

(+) HVDC

65.3%

8.89%

25.81%

(-) HVDC

38.07%

1.38%

60.55%

(-)HVDC에서는 5mA 이하는 38.07%이었고 20~53.98mA 전류크기는 60.55%을 나타내었다. 누설전류크기 만의 평가로서는 (-)HVDC가 가혹한 조건임을 알 수 있다. 그러나 표 4의 표면 침식을 볼 때, (+)HVDC의 경우 손실 침식량의 경우 3개 샘플의 침식량의 평균값은 1.22g이었고, (-)HVDC의 경우 0.937g으로 오히려 (+)HVDC 극성이 가혹함을 알 수 있었다. (-)HVDC가 (+)HVDC보다 극성의 영향을 근본적인 원인을 규명할 필요가 있다^[3,^13].

표 4. 트래킹 및 침식에 기인한 침식 손실중량

Table 4. Erosion Loss Weight due to Tracking and Erosion

HVDC Voltage & Polarity	Types of Sample	Sample Number
HVDC Voltage & Polarity	Types of Sample	A[g]	B[g]	C[g]	Average
3.5 kV_Positive	Dow Corning, RBL_1551_55P SiR	1.17	1.93	0.55	1.220
3.5 kV_Negative	Dow Corning, RBL_1551_55P SiR	1.38	0.73	0.68	0.937
3.5 kV_Positive	Dow Corning, RBL_1551_55P/nano silica_15wt%	2.22	0.54	3.22	1.998
3.5 kV_Negative	Dow Corning, RBL_1551_55P/nano silica_15wt%	0.88	0.43	0.31	0.547

3.1.2 RBL_55P Original+Nano Silica_15wt% Composites/ HVDC_ 3.5kV /Positive and Negative

3.1.2.1 Positive Polarity

그림. 10~그림. 12에서는 Dow Corning 사 (RBL-1551-55P) 비중(1.09)을 갖는 실리콘수지에 표면 처리된 나노실리카 15wt%을 충진분산시킨 나노콤포지트를 제조하였다.

(+) HVDC_3.5kV의 트래킹 및 침식 실험결과를 누설전류, 표면침식 그리고 표면방전영상을 나타내었다. (+)HVDC 인가후 28분에서 첫 표면방전이 개시되었고 그때 누설전류 최대값은 16.02mA를 나타내었다. 무방전상태인 28분 이전까지는 앞서 설명한 습윤한 조건에서 누설전류는 1.12~1.73mA을 나타내었다. 처음방전개시로부터 초반(69분 동안)에 지속적인 방전이 이어졌고 그때 누설전류 크기는 15.02~48.44mA을 나타내었다. 샘플 3개를 (+)HVDC 3.5kV를 인가하여, 트래킹 및 침식실험 결과 그림. 11의 침식결과를 나타내었다. 그러나 그림. 10 누설전류 특성결과는 그림. 11(b)의 결과를 나타낸 것이다. 트래킹 및 침식결과 침식량에 대한 평가결과는 표 4에서 나타내었다. 3개 샘플의 손실중량을 평균한 결과를 나타내었다. 그림. 5(b)의 경우는 0.54g으로 69분 동안 트래킹 및 침식 후 이후 방전이 발생하지 않은 결과이다. 이는 오손액이 98분 이후 탄화물이 쌓이고 일정하게 오손액이 펌핑될 때 하부전극으로 흐르지 못하고 밖으로 떨어진 결과로서 이후 방전이 발생하지 못한 결과이다^[13,^15]. 그러나 그림. 11(a)~그림. 11(c)의 침식결과는 매우 가혹한 상태를 보여주고 있다.

그림. 10. Tracking and Erosion의 Leakage Current (HVDC_3.5kV_Positive Polarity)

Fig. 10. Tracking and Erosion의 Leakage Current (HVDC_3.5kV_Positive Polarity)

그림. 11. 트래킹 및 표면침식의 영상

Fig. 11. Image of tracking and surface erosion

그림. 12. 트래킹 및 침식에 의한 표면방전

Fig. 12. Surface discharge by tracking and erosion

3.1.2.2 Negative Polarity

그림. 13~그림. 15에서는 Dow Corning 사(RBL-1551-55P) 비중(1.09)을 갖는 실리콘수지에 표면 처리된 나노실리카 15wt%을 충진분산시킨 나노콤포지트에 (-) HVDC_3.5kV의 트래킹 및 침식 실험결과를 누설전류, 표면침식 그리고 표면방전영상을 나타내었다. (-)HVDC 인가 후 25분에서 첫 표면방전이 개시되었고 그때 누설전류 최대값은 -18.98mA를 나타내었다. 무방전상태인 25분 이전까지는 앞서 설명한 습윤한 조건에서 누설전류는 1.08~ 1.54mA을 나타내었다. 처음방전개시로부터 360분 종료시까지 지속적으로 표면방전이 지속되었고, 건조대방전 및 도전성 오손액에 의해 지속적인 방전이 발생하였다. 누설전류크기는 증가하였으며, 그로인한 주울열의 발생과 아크성의 방전으로 인한 표면은 방전이 발생한 전시간 동안 열화상 측정기로부터 측정된 온도 370℃가 지속되었다. 누설전류 크기는 –15.29~-47.63mA로서 트래킹 및 침식이 가속될수록 점진적인 누설전류의 증가를 가져와 열적열화 및 표면침식이 진행되었다^[14,^15]. 특징적인 것은 (+)HVDC의 경우 트래킹 및 침식에서 간헐적인 방전의 발생이 빈번하다. 그러나 (-)HVDC의 경우 오손액이 하부전극으로 떨어지는 순간부터 지속적인 표면방전이 발생하였다^[16].

그림. 13. Tracking and Erosion의 Leakage Current ( HVDC_3.5kV_Negative Polarity)

Fig. 13. Tracking and Erosion의 Leakage Current ( HVDC_3.5kV_Negative Polarity)

그림. 14. 트래킹 및 표면침식의 영상

Fig. 14. Image of tracking and surface erosion

그림. 15. 트래킹 및 침식에 의한 표면방전

Fig. 15. Surface discharge by tracking and erosion

그리고 (-)HVDC 방전의 경우 하부전극에서 방전이 개시되어 이동방전이 크게 발생하지 않았으며, 하부전극 부근에서 집중적으로 방전이 지속되는 특성을 나타내었다. 표 4의 트래킹 및 표면침식의 (+)HVDC와 (-)HVDC의 극성 평가에서 볼 때, 표면침식량이 (+)HVDC가 (-)HVDC보다 많은 침식량을 나타내고 있다. 또한 (+)HVDC 실험에서 RBL-1551-55P/나노실리카_15wt%을 충진분산시킨 나노콤포지트의 경우 RBL-1551-55P보다 오히려 트래킹 및 침식이 용이하게 된 결과이다. 이는 표면처리된 나노실리카 충진으로 미분산된 입자와 응집된 입자의 존재의 가능성이 매우 크고 그리고 미소 보이드의 존재에 의하여 오히려 결함을 갖는 경우로 사료된다^[12,^13,^15].

4. Conclusion

본 논문에서는 HVDC 초고압용 애자의 절연소재를 개발하기 위하여 Dow Corning 사 RBL-1551-55P제품을 이용하여, 2종류의 샘플을 제조하였다. RBL-1551-55P 원형과 RBL-1551-55P/표면처리된 나노실리카 15wt% 충진된 콤포지트 두 종류의 나노콤포지트에 대하여 IPT 트래킹 및 침식시스템을 이용하여 (+)HVDC와 (-)HVDC 극성에 관한 트래킹 및 침식에 관한 연구를 실시하였다. 실험의 pass 및 fail의 경우, 현재까지 HVDC의 경우 국제적인 기술기준이 마련되지 못한 상태이며, AC의 경우 IEC 60587을 사용하고 있다. 위와 같은 AC규정의 전압만 HVDC에 적용하고, 나머지 규정을 IEC 60587준하여 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 두 종류샘플인 RBL-1551-55P 원형 제품, RBL-1551- 55P/nano silica_15wt% 충진분산된 나노콤포지트의 트래킹 및 침식실험결과 (+) HVDC 3.5kV, (-)HVDC 3.5kV에 대한 두 종류 실험결과 60mA/2s 조건으로 6시간이 pass 되었다.

둘째, (+)HVDC와 (-)HVDC의 극성에 대하여 트래킹 및 침식결과로서, 누설전류 특성으로 볼 때 (-)HVDC가 (+)HVDC보다 트래킹 및 침식에 영향을 주는 전류의 크기 및 전류펄스수가 상대적으로 가혹한 조건임을 알 수 있었다. 그러나 실제 표면의 트래킹 및 침식결과인 침식깊이와 트래킹길이의 영상을 볼 때, (+)HVDC가 (-)HVDC보다 훨씬 더 가혹한 조건임을 알 수 있었다. 위와 같은 연구내용에서 (-)HVDC가 가혹한 누설전류을 발생하였음에도 침식정도가 낮은 이유를 연구할 필요성을 갖게 되었다.

셋째, (-)HVDC의 경우 하부전극에 트래킹 및 표면의침식이 집중되었고 그리고 이동방전의 발생이 적었고 반대로 (+)HVDC의 경우 하부전극에서부터 방전이 개시되어 이동방전을 통하여 상부전극으로 이동되는 결과를 가져왔다. 이의 결과는 여러 연구자와 동일한 결론을 가질 수 있었다.

넷째, 나노입자의 균질한 분산과 입자와 실리콘수지와의 결합력에 의해 트래킹 및 침식에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 2018도 중부대학교 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.

References

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저자소개

박 재 준 (Jae-Jun Park)

1985년 광운대학교 전기공학과 학사

1987년 광운대학교 전기공학과 석사

1993년 광운대학교 전기공학과 박사

1997년~현재 중부대학교 전기전자공학과 교수

E-mail : jjpark@joongbu.ac.kr

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers

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ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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Study on Inclined Plate Tracking and Erosion Characteristics of HVDC for Liquid Silicone Rubber Nano Silica Composites

Abstract

Key words

1. Introduction

2. Experiment

2.1 Materials

2.2 SiR/Nano Silica Composites Preparation

2.3 HVDC용, Tracking and Erosion 시스템 및 실험

2.4 Measuring System

2.4.1 Leakage Current

2.4.2 Thermo Imager(열화상 카메라)

2.4.3 Camcorder 및 전자천칭

3. Result and Discuss

3.1 트래킹과 침식에 의한 누설전류, 표면온도, 표면침식 그리고 표면방전영상

3.1.1 RBL_55P Original Composites / HVDC_3.5kV / Positive and Negative

3.1.1.1 Positive Polarity

3.1.1.2 Negative Polarity

3.1.2 RBL_55P Original+Nano Silica_15wt% Composites/ HVDC_ 3.5kV /Positive and Negative

3.1.2.1 Positive Polarity

3.1.2.2 Negative Polarity

4. Conclusion

감사의 글

References

저자소개

박 재 준 (Jae-Jun Park)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

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1. Introduction

2. Experiment

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2.2 SiR/Nano Silica Composites Preparation

2.3 HVDC용, Tracking and Erosion 시스템 및 실험

2.4 Measuring System

2.4.1 Leakage Current

2.4.2 Thermo Imager(열화상 카메라)

2.4.3 Camcorder 및 전자천칭

3. Result and Discuss

3.1 트래킹과 침식에 의한 누설전류, 표면온도, 표면침식 그리고 표면방전영상

3.1.1 RBL_55P Original Composites / HVDC_3.5kV / Positive and Negative

3.1.1.1 Positive Polarity

3.1.1.2 Negative Polarity

3.1.2 RBL_55P Original+Nano Silica_15wt% Composites/ HVDC_ 3.5kV /Positive and Negative

3.1.2.1 Positive Polarity

3.1.2.2 Negative Polarity

4. Conclusion

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