남상민
(Sangmin Nam)
1iD
이윤재
(Yun-Jae Lee)
2iD
장성욱
(Sung-Uk Zhang)
†iD
-
(Digital Twin Laboratory, Dong-Eui University, Republic of Korea.)
-
(Digital Twin Laboratory, Dong-Eui University, Center for Brain Busan 21 Plus Program,
Republic of Korea.)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Epoxy Insulators, Carbonization, Finite Element Analysis (FEA), Thermo-Electric Analysis, Electromagnetic Analysis
1. 서 론
고전압 송전 시스템에서는 송전 케이블에 흐르는 전류가 공기나 기타 매질을 통해 누설될 위험이 있다[1]. 이러한 위험을 방지하기 위해 애자(Insulator)가 사용되며, 애자의 주요 목적은 고전압 송전 케이블과 지지 구조물 사이에서 절연 역할을 수행하여
전류의 외부 누설을 방지하는 것이다. 애자는 형태, 재료, 용도, 전압 수준에 따라 다양한 종류로 구분된다. 설계에 따라 애자는 일정한 기대 수명을
가지지만, 사용 환경에 따라 외부 요인으로 인해 설계 수명에 도달하지 못하고 파손될 수 있다[2].
애자 파손의 주요 원인은 크게 네 가지로 분류된다. 첫째, 송전선의 하중과 진동이 장시간 가해지면서 발생하는 기계적 스트레스로 인한 파손이다. 둘째,
낮과 밤의 온도 차 및 계절 변화로 인한 열적 요인이다. 셋째, 애자의 절연 성능을 초과하는 전압이 가해질 때 발생하는 전기적 요인이다. 마지막으로,
해안가나 주유소 인근과 같은 환경에서는 대기 중 화학 성분과 오염물질로 인해 부식이 발생할 수 있다[3-6].
이 중 전기적 요인에 의해 애자에 순간적인 고전압 전류가 흐르거나 아크 방전(Electric Arc)이 발생하면, 애자 표면에 국부적인 고온이 발생하여
탄화(Tracking)가 유발될 수 있다[7]. 탄화는 전기 절연에 사용되는 대부분의 유기 재료에서 발생할 수 있으며, 탄화가 발생하면 절연 성능이 저하되어 누설 전류가 증가하거나 절연 파괴의
위험성이 커지게 된다[8].
선행 연구로는 Park Jae-Jun 등이 에폭시 나노 복합체를 활용하여 전기적 탄화 성장과 절연 파괴를 분석한 연구가 수행되었으며[9], Iman Ahmadi-Joneidi 등은 전기적 스트레스와 환경적 요인에 따른 절연체 열화 과정을 FTIR 분석을 통해 조사하고, 절연체의 평균
수명을 약 20년으로 예측하였다[10]. 또한, Dipankar Ghosh 등은 MATLAB 소프트웨어를 활용하여 가속 노화 테스트를 수행하고, 애자의 실제 수명이 자연 노화보다 빠르게
감소함을 확인하였다[11].
본 연구에서는 에폭시 레진으로 제작된 옥외용 애자의 국부 영역에서 탄화가 발생할 경우, 애자의 전기적 특성 변화와 절연 성능 저하를 평가하고자 한다.
초기 탄화는 국부 영역에서 발생하고 시간이 지남에 따라 전기적 스트레스가 집중되어 크기가 확장되며, 본 연구에서는 탄화가 길이 방향으로의 확장만을
가정하여 분석하였다.
정량적 평가를 위해 Electro-Therma Analysis 및 Electromagnetic Analysis가 수행되었으며, 해석에는 융합부품소재
핵심연구지원센터의 ANSYS Academic Research 2024와 ANSYS Q3D Extractor가 활용되었다. 해석은 유한요소법(FEA)
기반으로 수행되었으며, 정상 상태의 애자 모델과 탄화가 발생한 애자 모델을 각각 제작하여 비교·분석하였다. 탄화 모델의 경우, 탄화 영역이 길이 방향으로
확장되는 것을 가정하고, 탄화 비율을 구간별로 나누어 해석을 진행하였다.
실제 탄화 형상은 매우 불규칙하기 때문에, 3D 모델로 정확하게 재현하는 데 한계가 존재한다. 이에 따라 본 연구에서는 해석의 효율성을 고려하여 탄화
형상을 단면이 정사각형인 형태로 간소화하여 모델링하였다.
본 연구의 목적은 탄화 현상이 에폭시 애자의 전기적 특성과 절연 성능에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 이를 위해 3D CAD 모델링 및 유한요소해석(FEA)을
기반으로 탄화 진행 정도에 따른 전기장 세기 전류 밀도, 줄 열 변화를 정량적으로 분석하고자 한다.
2. 방법론
2.1 3D 모델링
애자의 탄화에 따른 전기 절연 특성을 시뮬레이션으로 평가하기 위해 3D CAD 모델로 설계하여 해석 모델을 구축하였다. 실제 형상과 비교하였을 때
정밀한 유사성을 확보하는 해석 모델 제작은 해석 결과의 신뢰성과 정확성을 높이는 핵심 요소로 작용한다.
해석 모델 제작을 위해 애자의 단면을 Cross-sectioning 기술로 절단하여 내부 형상 정보를 확보하였다. 획득한 내·외부 형상 정보를 바탕으로
해석 모델이 제작되었으며, 실제 제품과의 형상 유사성은 Fig. 1을 통해 확인할 수 있다.
Fig. 2는 해석에 사용된 애자의 구조를 나타낸 것으로, 주요 구성 요소는 나사산(Screw Thread), 애자(Insulator), 그리고 탄화 영역(Tracking)으로
이루어져 있다.
본 연구에서는 탄화 길이 변화가 애자의 전기 절연 성능에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 하였으며, 탄화의 길이만을 변수로 두고 분석이 수행되었다.
따라서, 길이와 상관없는 요소인 탄화의 단면 형상과 크기는 해석 결과에 영향을 주지 않도록 일관되게 적용하였다. 탄화 단면은 정사각형 형태로 가정하였으며,
크기는 0.04mm²(0.2 mm × 0.2 mm)로 설정되었다.
해석에서는 탄화 영역의 길이가 증가함에 따라 애자의 전기 절연 성능이 어떻게 변화하는지를 평가하기 위해 탄화 길이를 단계별로 구분하여 해석하였다.
기준 길이는 위·아래 나사산 사이의 거리인 9mm를 100%로 설정하였으며, 이를 10%씩 등분하여 총 10단계로 탄화 길이를 구분하였다.
이러한 단계적 구간 설정을 통해 탄화 진행 비율에 따른 애자의 전기 절연 성능 변화를 정량적으로 평가할 수 있도록 하였으며, 각 비율에 따른 탄화
길이 변화는 Fig. 3과 Table 1을 통해 확인할 수 있다.
그림 1. 에폭시 애자 구조 및 단면 형상
Fig. 1. Structure and cross-sectional view of the epoxy insulator
그림 2. 에폭시 애자의 구조 및 트래킹 경로
Fig. 2. Structure of the epoxy insulator and tracking path
그림 3. (a) 기본 형상, (b) 50% 탄화 모델 형상, (c) 100% 탄화 모델 형상
Fig. 3. (a) Base geometry, (b) 50% carbonized model geometry, and (c) 100% carbonized
model geometry
표 1 백분율 비율로 표시된 탄화 길이
Table 1 Carbonization length as a percentage ratio
|
Percentage
|
length [mm]
|
|
10%
|
0.9
|
|
20%
|
1.8
|
|
30%
|
2.7
|
|
40%
|
3.6
|
|
50%
|
4.5
|
|
60%
|
5.4
|
|
70%
|
6.3
|
|
80%
|
7.2
|
|
90%
|
8.1
|
|
100%
|
9
|
2.2 경계조건
Table 2는 열−전기 해석에 적용된 재료 물성을 나타낸다. 해석에서는 열전도율(Thermal Conductivity)과 전기 저항률(Electric Resistivity)이
적용되었다. 절연체 영역에는 Epoxy Resin, 나사산에는 Al2024, 탄화 영역에는 Carbon을 사용하였다. Table 3은 ANSYS Q3D 전자기해석에 사용한 재료 물성을 정리한 것이다. Q3D 해석에서는 상대 유전율(Relative Permittivity), 상대
투자율(Relative Permeability), 전기 전도도(Bulk Conductivity), 유전 손실(Dissipation Factor, Dielectric
Loss Tangent)이 적용되었다. 재료는 열−전기 해석과 동일하게 적용되었다.
해석의 경계조건으로는 전압 인가 조건과 대류 조건이 설정되었다. Fig. 4의 (a)는 전압 인가 조건으로, 해석 모델의 운용 전압을 기준으로 600V의 전위차가 인가되었다. (b)에서는 대류 조건으로 22W/m2·℃가 적용되었으며, 전압은 나사산 내부 면에 인가되었고, 대류는 절연체 외부 전체와 나사산의 외부 노출 표면, 상·하부
두 면에 지정되었다.
전자기 해석을 위한 경계조건도 설정되었다. Fig. 5의 (a)는 기본 형상 모델의 경계조건으로, 첫 번째 Source는 한쪽 나사산의 내부 면에, Sink는 그 반대편 나사산의 외부 면에 지정되었다. 반대편에서도
두 번째 Source는 외부 표면에, Sink는 내부 면에 설정되었다.
Fig. 5의 (b)는 10%~90% 탄화 모델의 경계조건으로, (a)와 동일하게 Source는 나사산 내부 면에 지정되었으며, 탄화가 진행된 구간의 외부 면은 Sink로 설정되었다. 반대 면의 경계조건은 기본 형상
모델과 동일하게 적용되었다.
표 2 재료의 열 및 전기적 물성
Table 2 Thermal and electrical properties of materials
|
Component
|
Material
|
Thermal
conductivity
[W/m·℃]
|
Electric
resistivity
[Ω·m]
|
|
Insulator
|
Epoxy resin
|
0.44
|
3.06×1013
|
|
Screw thread
|
Al 2024
|
121
|
5.82×10-6
|
|
Tracking
|
Carbon
|
1.5
|
0.01
|
표 3 재료의 전자기적 물성
Table 3 Electromagnetic properties of materials
|
Material
|
Epoxy resin
|
Aluminum
|
Carbon
|
|
Relative Permittivity
|
4
|
1
|
1
|
|
Relative Permeability
|
1
|
1
|
1
|
|
Bulk Conductivity
[S/m]
|
4.08×10-14
|
3.8×7
|
2.18×104
|
|
Dielectric Loss Tangent
|
7.48×10-3
|
0
|
0
|
그림 4. (a) 전압 인가 조건, (b) 대류 경계 조건
Fig. 4. (a) Applied voltage condition, (b) Convection Boundary conditions
그림 5. (a) 기본 형상 경계조건, (b) 10%~90% 탄화 모델 경계조건, (c) 100% 탄화 모델 경계조건
Fig. 5. (a) Base geometry boundary condition, (b) 10%-90% carbonization model boundary
condition, (c) 100% carbonization model boundary condition
마지막으로 Fig. 5의 (c)는 100% 탄화 관통 모델의 경계조건으로, 전류가 탄화 경로를 따라 완전히 관통하는 경우를 가정하였다. 이때 Source는 한쪽 나사산의 내부 면에,
Sink는 반대쪽 나사산의 내부 면에 각각 설정되었다.
해석 수행을 위해 주파수 Sweep 조건도 추가되었다. Sweep 설정은 시작 주파수 0.01GHz, 종료 주파수 1GHz, 주파수 스텝 크기 0.01GHz로
적용되었다.
3. 결 과
본 연구에서는 에폭시 절연 애자의 열화 및 절연 성능 변화를 종합적으로 분석하기 위해 전기장 세기, 전류 밀도, 줄 열, 전하 밀도를 주요 해석 지표로
선정하였다. 각 물리량은 탄화 진행에 따른 전기적·열적 거동을 정량적으로 평가하고, 절연 파괴 및 열화 특성을 분석하는 데 중요한 역할을 한다.
설정된 경계조건을 기반으로 ANSYS Workbench를 이용하여 열-전기 해석이 수행되었으며, ANSYS Q3D를 통해 주파수에 따른 애자의 전자기적
특성을 분석하였다.
3.1 전기장 세기
여기서, $\vec{E}$는 전기장, $\vec{F}$는 전기력이 작용하는 힘, q는 전하를 의미한다. 식 (1)을 통해 계산된 전기장 세기는 단위 전하당 작용하는 힘의 크기로 정의되며, 전기장 해석에서 전기적 절연 성능 평가의 핵심 지표로 활용된다. 본 연구에서는
전기장 해석 결과로부터 전체 모델 영역에서 전기장 분포를 도출한 후, 이를 기준으로 최대 전기장 세기를 계산하였다. 계산 결과는 해석 소프트웨어의
후처리(Post-processing) 과정을 통해 도출되었으며, 이를 통해 모델 내 전기장 분포의 공간적 특성을 정량적으로 평가하였다. 또한, 도출된
최대 전기장 세기는 절연 재료의 유전 강도와 비교하여 절연 파괴 여부를 판단하는 주요 기준으로 활용되었다.
그림 6. (a) 기본 형상 총 전기장 세기, (b) 50% 탄화 모델 총 전기장 세기, (c) 100% 탄화 모델 총 전기장 세기
Fig. 6. (a) Base geometry total electric field intensity, (b) 50% carbonized model
total electric field intensity, and (c) 100% carbonized model total electric field
intensity
그림 7. 탄화 길이에 따른 최대 전기장 세기
Fig. 7. Maximum electric field intensity with respect to tracking length
Fig. 6는 총 전기장 세기 분포를 나타낸다. (a)는 기본 형상 총 전기장 세기, (b)는 50% 탄화 모델 총 전기장 세기, (c)는 100% 탄화 모델 총 전기장 세기이다. (a)의 경우 나사산 사이에 전기장을 형성하고 있으며, 최대 총 전기장 세기는 나사산 주변에 발생한다. (b)는 탄화가 진행되어 내부에 형성되었을 때, 총 전기장 세기가 탄화 모델 주변에 발생한다. (c)의 경우는 탄화 모델이 관통하였다. 최대 총 전기장 세기는 (a)와 같은 형태로 형성된다. 이는 탄화가 절연부를 완전히 관통하면서 전기적으로 도통되는 경로가 생기며 내부에서는 유의미한 전위차가 형성되지 않고 애자의
외부 영역으로 분포하게 된다. 외부의 전기장은 기본 형상 모델과 유사한 형태로 나타나는 결과를 보이며 이는 탄화가 관통되었을 때 도전 경로가 안정화된
상태를 의미하며, 탄화가 불완전한 10~90% 구간에서만 전기장 집중과 절연 파괴 위험이 큰 것을 확인 할 수 있다.
Fig. 7은 탄화 길이에 따른 최대 전기장 세기를 그래프로 나타내었다. 최대 총 전기장 세기의 값은 기본 형상 모델의 경우 1.78×105V/m이다. 탄화가
진행되면 국부적인 전기장 집중 현상이 발생하기 때문에 총 전기장 세기는 증가한다. 이는 기본 형상에서 탄화가 10%(0.9mm) 진행된 부분에서 가장
큰 증가 폭인 약 6.01배 증가비를 보이며, 이후 탄화 길이가 증가하면서 도전 경로가 점차 확장되면 전기장 집중 현상이 분산되고 전기장 세기 증가
폭이 완만해지는 양상이 나타난다. 탄화 모델의 경우 최대 총 전기장 세기는 탄화 길이가 90%(8.1mm)일 때 6.83×106V/m이다. 이때 기본
형상 모델보다 약 38.38배 증가하였다. 탄화가 절연부를 관통하였을 때 최대 총 전기장 세기가 1.65×105V/m이다. 관통한 탄화 모델의 경우
탄화 길이가 90%일 때보다 약 41.4배 감소하였다. 에폭시 레진의 최대유전강도는 직류에서는 일반적으로 1.5~3×107V/m 사이의 값을 가진다[12,13].
시뮬레이션을 통해 계산된 최대 전기장 세기 분포 값은 에폭시 레진의 유전강도 대비 충분한 절연 여유를 확보하고 있음을 확인하였다. 따라서, 시뮬레이션에
적용한 탄화 크기 범위 내에서는 전기장 세기가 절연 파괴 임계값을 초과하지 않으며, 탄화가 진행되더라도 충분한 절연 여유가 확보됨을 확인하였다.
3.2 전류 밀도
여기서, $\vec{J}$는 전류 밀도(A/m2), $\vec{I}$는 전류(A), A는 전류가 흐르는 단면적(m2)을 의미한다. 식 (2)와 같이 전류 밀도는 단위 면적당 흐르는 전류의 양을 나타내며, 전기적 도전 경로 내에서 전류의 분포 특성을 평가하는 주요 지표로 활용된다. 본 연구에서는
전류 밀도 해석 결과로부터 전체 모델 영역에서 전류 밀도 분포를 도출한 후, 이를 기준으로 최대 전류 밀도를 계산하였다.
Fig. 8은 총 전류 밀도(Total Current Density) 분포를 나타낸다. (a)는 기본 형상 모델, (b)는 50% 탄화 모델, (c)는 100%
탄화 모델의 전류 밀도 분포로 각각 나타내었다. 기본 형상 모델에서는 전류 밀도가 전압이 인가된 나사산 내부 면을 중심으로 분포하고, 외부로 갈수록
전류 밀도가 감소하는 형태를 보였다. 50% 탄화 모델에서는 탄화 영역이 형성되며 전류가 탄화 부위로 집중되었고, 특히 탄화가 시작된 부근에서 최대
전류 밀도가 발생하였다. 100% 탄화 모델에서는 탄화가 완전히 관통하여 반대편 나사산과 연결되었고, 전류가 탄화 경로 전체로 흐르면서 최대 전류
밀도가 형성되는 결과를 나타냈다.
그림 8. (a) 기본 형상 총 전류 밀도, (b) 50% 탄화 모델 총 전류 밀도, (c) 100% 탄화 모델 총 전류 밀도
Fig. 8. (a) Base geometry total current density, (b) 50% carbonized model total current
density, and (c) 100% carbonized model total current density
그림 9. 탄화 길이에 따른 최대 전류 밀도
Fig. 9. Maximum current density according to tracking length
Fig. 9는 탄화 길이에 따른 최대 전류 밀도 변화를 보여준다. 전체 모델 영역에서 최댓값을 도출한 결과, 탄화가 30%(2.7mm) 진행된 구간에서 국부적인
전류 집중이 가장 크게 발생하였다. 이는 탄화 초기 단계에서 좁은 도전 경로를 따라 전류가 집중되기 때문으로 분석된다. 이후 탄화 길이가 증가함에
따라 전류가 점차 넓은 탄화 경로로 분산되었고, 전류 밀도는 감소하거나 일정한 수준을 유지하는 경향을 보였다.
기본 형상 모델의 최대 전류 밀도는 4.19×10-2A/m2로 계산되었으며, 탄화가 완전히 관통한 모델에서는 6.67×106A/m2까지 급격히 증가하였다.
이는 탄화가 진행될수록 전류가 탄화 경로를 통해 집중적으로 흐르게 되고, 관통 시점에서는 전류가 직접 탄화 경로를 따라 흐르면서 전류 밀도가 증가하는
절연 열화를 보여주는 결과로 해석된다.
3.3 줄 열
여기서, Q는 단위 부피당 발생하는 줄 열량(W/m3), $\vec{J}$는 전류 밀도(A/m2), $\vec{E}$는 전기장 세기(V/m)를 의미한다.
식 (3)을 통해 계산된 줄 열은 전도성 물질 내에서 전류가 흐를 때 발생하는 열로, 전기 에너지가 열 에너지로 전환되는 현상을 나타낸다.
그림 10. (a) 기본 형상 줄 발열, (b) 50% 탄화 모델 줄 발열, (c)100% 탄화 모델 줄 발열
Fig. 10. (a) Base geometry joule heat, (b) 50% carbonized model joule heat, and (c)
100% carbonized model joule heat
그림 11. 탄화 길이에 따른 최대 줄 발열
Fig. 11. Maximum Joule heat according to tracking length
Fig. 10는 줄 발열 분포를 나타낸다. (a) 기본 형상 모델에서는 나사산 주변에서 최대 줄 발열이 발생하였다. (b) 50% 탄화 모델에서는 탄화 영역의 말단에서 최대 줄 발열이 형성되었으며, (c) 100% 탄화 모델에서는 탄화가 절연부를 완전히 관통한 상태로, 탄화가 시작된 부근에서 최대 줄 발열이 발생하였다. 특히, 완전 탄화된 모델에서는
탄화 경로 전반에 걸쳐 줄 발열이 증가하는 현상이 관찰되었다.
줄 발열량 변화는 Fig. 11에 나타내었다. 기본 형상 모델의 최대 줄 발열량은 1.39×10-3W/m3로 계산되었으며, 탄화가 진행될수록 줄 발열량은 지속적으로 증가하였다.
탄화 길이가 90%에 도달한 시점에서 최대 줄 발열량은 1.3W/m3로 증가하여, 초기 대비 약 935.25배 증가하였다. 이후 탄화가 절연부를 완전히
관통한 100% 구간에서는 최대 줄 발열량이 급격히 증가해 4.44×1011W/m3로 계산되었다.
이러한 결과는 탄화가 절연부를 관통함에 따라 전류가 탄화 경로로 집중되어 흐르게 되고, 전류 밀도의 급격한 증가로 인해 줄 발열량이 증가하는 현상을
보여준다.
3.4 전하 밀도
여기서, 𝜎는 면 전하 밀도(C/m2), Q는 표면에 축적된 총 전하량(C), A는 전하가 분포된 면적(m2)이다. 본 연구에서는 ANSYS Q3D
해석을 통해 도출된 전하 분포 데이터를 바탕으로 전체 모델에서 최대 전하 밀도를 계산하였으며, 이를 절연 성능 평가 및 절연 열화 분석의 주요 기준으로
활용하였다.
그림 12. (a) 기본 형상 면적 전하 밀도, (b) 50% 탄화 모델 열 유속, (c) 100% 탄화 모델 면적 전하 밀도
Fig. 12. (a) Base geometry charge surface density, (b) 50% carbonized model charge
surface density, and (c) 100% carbonized model charge surface density
그림 13. 탄화 길이에 따른 최대 전하 밀도
Fig. 13. Maximum charge density according to tracking length
Fig. 12는 ANSYS Q3D Extractor를 활용하여 도출한 전하 밀도 분포 해석 결과를 나타낸다. (a) 기본 형상 모델에서는 절연체 표면에 7.39×10-11C/m2의 전하 밀도가 형성되었다. (b) 50% 탄화 모델에서는 탄화가 진행된 영역을 중심으로 전하가 집중되었으며, 절연체 표면에서 2.00×10-8C/m2의 전하 밀도가 계산되었다. (c) 100% 탄화 모델에서는 탄화가 절연부를 완전히 관통하였고, 애자 표면 전반에 걸쳐 전하 밀도가 분포하며 7.30×10-10C/m2의 전하 밀도가
나타났다.
Fig. 13는 탄화 길이에 따른 최대 전하 밀도 변화를 나타낸다. 기본 형상 모델에서의 최대 전하 밀도는 9.54×10-9C/m2로 계산되었으며, 탄화가 진행됨에
따라 전하 밀도는 증가하는 경향을 보였다. 탄화 길이가 90%(8.1mm)에 도달했을 때 최대 전하 밀도는 6.40×10-7C/m2로 나타났고, 이는
초기 대비 약 67.09배 증가한 수치이다. 그러나 탄화가 100% 진행되어 절연부를 완전히 관통하면 내부 전위차가 사라지고 도전 경로가 형성되어
전하 축적이 급격히 감소하며, 최대 전하 밀도는 7.40×10-9C/m2로 낮아졌다.
이러한 결과는 탄화가 진행될수록 전기적 경로가 형성되고 전하가 국부적으로 집중되며 전하 밀도가 증가하는 절연 열화 과정을 보여준다.
4. 결 론
본 연구에서는 에폭시 절연 애자의 탄화 길이 증가가 전기 절연 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 유한요소해석 기반 ANSYS Workbench와
Q3D Extractor를 활용하여 수치 해석을 수행하였다. 해석 결과, 탄화 길이가 증가할수록 전기장 세기, 전류 밀도, 줄 발열량, 열 유속,
전하 밀도가 모두 증가하는 경향을 보였으며, 이에 따라 절연 성능이 저하되는 현상이 확인되었다.
특히, 초기 탄화가 발생하면 국부적으로 전기장이 집중되는 양상이 나타났고, 탄화 길이가 90%에 도달하는 구간에서 전기장 최댓값이 급격히 증가하며
절연 성능 저하가 극대화되었다. 이는 탄화 영역의 전기적 취약성으로 인해 전압이 집중되기 때문으로 분석된다. 다만, 에폭시 레진의 유전 강도 특성을
고려할 때, 본 연구에서 적용한 탄화 체적과 운용 정격 전압 600V 조건에서는 절연 파괴가 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
또한, 탄화 길이가 30%를 초과하면 총 전류 밀도가 증가하는 경향을 보였으며, 이는 누설 전류 증가로 해석된다. 누설 전류 증가와 함께 줄 발열량도
상승하여, 발열 현상이 애자의 열적 안정성을 저하시키고 장기적으로 열적 피로 및 추가 절연 파괴로 이어질 가능성이 있는 것으로 판단된다.
탄화가 100% 진행되어 애자 내부를 완전히 관통하면 절연 기능은 사실상 상실되며, 전류는 탄화 경로를 따라 직접 흐르게 된다. 이로 인해 전기장
세기와 전류 밀도는 감소하지만, 구조적으로 절연 기능을 유지할 수 없는 상태로 평가된다.
결론적으로, 탄화 길이가 증가할수록 전기적·열적 스트레스가 누적되어 절연 성능이 저하되고, 특히 탄화 길이 90% 구간에서 절연 열화가 극대화되는
것으로 확인되었다.
본 연구를 통해 탄화 초기 단계에서의 관리의 중요성을 확인하였다. 향후 연구에서는 온도 변화, 습도, 오염물질 등 다양한 외부 환경 요인을 반영한
실험과 해석을 추가로 수행하여 애자 수명 예측 모델 개발이 필요할 것으로 고려된다.
Acknowledgements
This work was supported by Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning
(KETEP) grant funded by the Korea government (MOTIE)(RS-2023-00281219, AC/DC Hybrid
Distribution Networks RD&D Project: Safety Operation for MVDC System)
References
M. Bindi, M. C. Piccirilli, A. Luchetta and F. Grasso, “A Comprehensive Review of
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저자소개
Sangmin Nam received his master’s degree in mechanical engineering from Dong-Eui University,
Busan, South Korea. His research interests include microelectronics reliability using
finite element analysis and bicycle mechanical analysis.
Yun-Jae Lee currently an M.S. student in the Department of Mechanical Engineering
and the Center for Brain Busan 21 Plus Program at Dong-Eui University, Busan, South
Korea. His research interests include microelectronics reliability using finite element
analysis and power transmission and distribution system analysis.
Sung‑Uk Zhang received a bachelor’s degree in electrical engineering from Sogang
University, Seoul, South Korea; a master’s degree in biomedical engineering, and
a Ph.D. degree in mechanical engineering from the University of Florida, Gainesville,
FL, USA. He is an associate professor at the Department of Automotive Engineering,
Dong-Eui University, Busan, South Korea. Before joining the university, he was
with Samsung Electronics, Giheung-gu, Young-si, Gyeonggi-do, South Korea. His
current research interests include digital twin technology for microelectronics reliability,
artificial intelligence for structural health monitoring, semiconductor process simulation,
and, multiphysics and multiscale simulation using finite element analysis.