2.1 에폭시 수지(Epoxy resins)

Diglycidyl ether of bisphenol-A의 Epoxy resins (DGEBA, KUKDO_YD_128, KUKDO. Chem. co, Korea)와 산무수물계 Me-THPA (Methyl tetrahydrophthalic Anhydride) 경화제를 사용하여 경화하였다. Epoxy Resin 특성 중 에폭시 당량 EEW(g/eq)는 184~190, Viscosity는 11,500~13,500 (cps at 25℃), Specific Gravity는 1.17 (at 20℃)의 범용적인 기본 수지를 사용하였다. 사용된 경화제, Me-THPA(Molecular Formula: C9H10O3)을 사용하였다. Molecular Weight은 166.17이었고 그리고 특징으로서 고순도, 경량, 저점도 및 광에 안정된 특성을 나타내며, 낮은 변동성 그리고 좋은 용해도를 갖고, 경화시 고온과 장시간이 요구되는 경화제이다.

경화촉진제(Catalyst)는 제3급 아민 BDMA(Benzyl DiMethyl Amine)를 사용하였다.

2.2 인공적 침상 보이드 샘플 제조

에폭시 수지 샘플은 그림 2. 1와 같이 (a) No Void 시료와 (b)~(d) 인공적인 침상 보이드 결함(갭 길이는 0.5, 1.0, 2.0mm)형태로 제조하였다. 인공적인 보이드 갭 길이는 텅스턴 재질의 침 전극으로, 일본 오구라 보석상(Ogura Jewelry Co., Japan.)에서 구입하였으며, 지름과 길이는 1mm 그리고 60mm이었고 그리고 침전극의 선단 각은 30° 그리고 곡률반경이 5μm 이었다. 트리샘플의 하부전극 측은 평판형 전극으로 도전성 실버페이스트로 코팅하였다. 제조된 트리샘플의 치수는 15×7×30mm3 이었다. 그리고 인공적 침전극 선단과 접지전극 사이 절연거리는 4.0mm로 하였다.

2.3 전기적 트리 부분방전 – AE (Acoustic Emission) 신호계측

3.1 Artificial Void Gap Length_0.0mm Electrical Tree PD

그림 3. 1에서는 에폭시수지(투명) 트리샘플을 인공적인 보이드의 갭길이 없는(무보이드) 샘플이 제조되었다. 상온상태에서 무보이드 샘플의 트리 개시 및 진전의 형상을 나타내었다.

초기 트리개시는 356분에서 개시되었고 전형적인 가지형 트리로 개시되었다. 초기트리 크기는 축방향 (0.274mm) / 측방향(0.167mm)이었다. 극도의 불평등한 전계강도 조건에서 지속적으로 고전계하에서 전기적, 기계적 스트레스 결과, 초기트리 개시 시점 잠복기(356분) 과정을 지나 트리가 개시되었다.

초기트리는 침 선단의 곡률반경에 따른 고전계에 의존하여 발생한다. 일단 초기트리가 발생하게 되면 트리 가지 첨두부분 또는 트리 채널 내부에서 부분방전이 발생하기 때문에 인가 전압레벨과 환경온도에 따라 트리형상은 변화될 수 있다.

그러나 상온에서 HVAC레벨이 13kV에서 초기트리가 시간에따라 진전되어 두 개의 가지형 타입으로 진전되는 양상을 나타내었다. 축방향 트리진전길이와 측방향 트리 진전길이를 살펴볼 때, 381분에 축방향과 측방향 트리길이가 0.488mm로서 같은 크기 이었다. 이후 시간에 따라 축방향과 측방향의 트리진전 길이는 큰 차이로 벌어져 진전되었다. 그리고 파괴말기인 633분에 이르렀을 때 축방향의 트리길이는 2.916mm이었고, 측방향의 트리진전길이는 4.986mm로서 2.07mm 차이로 트리가 진전된 상태이다. 최종 4분 후, 측방향 트리가 5.64mm로 진전되어 대항전극에 더욱더 다달았을 때 트리파괴가 진행되었다.

표 2.2 및 식 (2)에서 무보이드 트리샘플의 축방향 트리진전 속도가 14.23이 μm/min이었고, 측방향 속도는 19.48μm/min이다. 두 개 트리채널이 벌어지는 간격은 증가하지만 대항전극으로 향하는 절연거리는 점차로 짧아져서 트리침 선단의 전계강도와 트리가지 선단의 전계강도가 큰 차이로 트리가지 선단의 전계강도가 상대적으로 크게 되어 트리절연이 파괴되어졌다.

일반적으로 축방향 트리채널의 진전속도는 이처럼 가지가 두 개의 축으로 나뉘어 진전한 경우와 단일한 트리채널로 진전할 때 트리진전 속도가 매우 빠르게 진전되어 파괴에 이르렀다.

3.2 Electrical Tree-Partial Discharge AE Waveform Feature Extraction (FFT)_No Void Gap Sample

그림 3. 3에서는 No Void샘플에 HVAC 13kV/60Hz 전압을 인가하여 전기트리 개시 및 진전 그리고 파괴에 이르는 전체 과정에 부분방전에의해 전하량과 음향방출파(AE)그리고 광방출이 발생하게 된다.

본 연구에서는 Ramanujam Sarathi^[18]연구와 같이 트리열화 상태에 따른 부분방전 특성을 평가하기 위하여 AE Signal을 AE win™ 사용하여, 실시간 계측하였다. 트리개시 및 진전에 따른 열화과정을 3단계로 나뉘어 AE Waveform 특징을 FFT(Fast Fourier Transform)을 이용하여 주파수 특성을 특징으로 부분방전시 발생된 신호파형의 특징을 추출하였다.

그림 3. 3에서는 트리 초기단계 특징 (초기트리 개시:356분) 356분~440분(84분), 트리 진전 중기 단계 441분~577분(136분)까지 그리고 트리말기(파괴)단계 578분~637분(59분)까지 편의상 3단계로 나뉘어 특징을 추출하였다.

선택된 부분방전시 발생된 AE Waveform은 초기단계 371분, 440분, 중기단계 554분, 563분 그리고 말기 단계 626분, 633분의 대표적인 AE Waveform 신호의 특징을 추출하기 위하여 FFT를 수행하여 평가한 결과 그림 3. 3에서 나타내었다.

초기트리는 그림 3.1(a)~(d) 범위의 트리진전시 AE 신호파형을 나타내었고 주파수 특성을 나타내었다. 트리개시 후 15분과 84분에서 파형을 의미한 것으로 트리개시 15분에서 부분방전 특성은 격렬한 부분방전의 다중방전 특성을 나타내고 있다.

1.5ms동안 (7kByte) 중심주파수가 서로다른 다중방전의 결과로 여러 개의 중심주파수는 17kHz 그리고 그 이상의 주파수 피크를 갖는 다중방전의 결과를 나타내었다.

그러나 초기트리 발생 후 84분에서 이전보다 신호의 크기가 다소작지만, 다중방전으로 발생주파수가 거의 비슷한 공진주파수의 부분방전의 발생을 나타내었다. 공진주파수도 15분에서 발생한 경우와 거의 유사한 27.59kHz, 28.3kHz의 주파수 특성을 나타내었다. 트리열화 중기단계의 경우 그림 3.1(e)~(h)단계를 의미하고, 544분과 563분의 신호파형을 분석한 것이다.

트리진전에 의해 두 개의 갈라진 가지의 폭이 크게 진전되고 트리가지 선단이 대항 전극에 가까이 진전됨을 의미한 것이다.

그림 3. 3(c) (d)의 파형은 트리선단이 대항전극 가까이 진전되어 즉, 절연거리가 매우 작아져 트리선단 전계강도가 크게 증가되어 부분방전이 격렬하게 발생된 것을 추정할 수 있다.

AE 파형의 진폭이 상대적으로 큰 발생을 가져왔고 그리고 그 파형의 FFT는 27.17kHz의 공진주파수를 갖는 주파수 특성을 나타내었다. 트리열화 말기단계의 경우 그림 3.1(i)~(k)까지 과정을 의미하는 것으로 트리전압 인가시간 626분, 633분 AE 신호의 주파수 특징을 나타내었다. 파괴말기에서는 트리채널 내에서 부분방전의 경우 다중 부분방전 펄스 군의 존재를 시사하고 있다. FFT의 결과에서 중기보다는 상대적으로 높은 주파수를 갖는 방전의 존재를 나타내고 있다 사료된다.

3.3 Artificial Void Gap Length_0.5mm Electrical Tree PD

그림 3. 4에서는 인공적인 보이드 갭길이 0.5mm 트리샘플에 대한 보이드방전의 교류트리 특성을 평가 하였다. 상온 상기압하에서 인공적인 0.5mm 보이드 샘플을 제조하였고, 미량의 공기가 주입된 인공적인 보이드로서 트리침전극의 선단전계강도는 $E_{tip}$의 전계를 갖게된다. 0.5mm 보이드를 갖고있기 때문에 트리침 선단으로부터 대항전극(트리샘플 평면하부전극(-))까지 4.5mm이고 인공적인 보이드를 갖는 트리침 선단으로부터 대항전극까지는 4mm이다. 0.5mm 인공적인 보이드내에 전압인가 이후로부터 초기트리의 발생까지 일정한 잠복기(111분)를 나타내었고, 111분에서 초기트리가 발생하였다. 트리형상은 가지형 트리의 개시를 나타내었다. 즉, 축 방향트리 개시/0.107mm, 측 방향트리개시/0.071mm로서 개시 되었다. 초기트리 개시 이후 일정한 인가전압하에서 트리진전시 축방향과 측방향 트리진전이 거의 같은 크기로 진전되었다. 트리인가전압 400분 에 있어 축방향/측방향 트리진전길이는 2.0mm로서 일정하였고, 이후 수 분내로 트리 절연파괴가 진행되었다.

인공적 침상보이드의 트리침($지름:1mm\phi ,\: 길이:60mm$)의 제조공정은 선단 곡률반경 5μm(내각 30$^{\circ}$)인 트리침의 30mm까지 이형재에 젖시어 금형에 넣고 에폭시수지 및 절연물질을 진공으로 탈기포처리를 실시하여 그리고 경화조건에따라 경화시켜 샘플을 제조하였다. 경화된 샘플의 트리침을 제거한 후 에폭시 절연물 내 인공적인 트리침 형상을 갖도록 상온. 상기압(공기중) 실험실에서 트리침을 다시 주입하여 절연물 내 인공적인 트리침선단과 텅스턴 재질의 트리침선단과의 갭길이를 현미경을 통하여 0.5mm로 조정하였다. 그리고 트리침 후단(+)전원측 절연물을 에폭시 본딩으로 접착하여 고정하였고 외부로부터 공기 유입이 이루어지지 못하도록 하였다.

0.5mm 갭길이 보이드 방전 트리진전속도

초기트리 개시 시간은 약 111분, 축방향 트리길이 0.107mm이었고 파괴에 이르는 시간은 403분이었다. 그때 절연거리는 4.0mm이다. 트리진전속도=13.33$\mu m/\min$이다. 보이드 방전의 경우가 무보이드 트리 진전속도(14.23이 μm/min)에 비하여 오히려 진전속도가 느린 결과를 나타내었다.

공기가 채워진 인공적보이드 갭 (0.5mm) 텅스턴 트리침이 주입된 기체 방전으로서 보이드 방전시 잠복기 111분을 지나 트리가 개시되었다. 그러나 전압 인가 직 후 보이드 내 공기 분자들에 기체방전이 시작되었다. 이는 기체의 방전시 타운젠드 방전을 적용할 수 있다. 미소갭 (0.5mm) 전기장 내 고전계 (13kV인가 전압)에 의해서 가속된 전자가 기체(공기)분자를 이온화 또는 여기화 시키는 $\alpha$작용(충돌전리)으로 양이온와 전자의 발생을 가져오고 양이온은 음극인 텅스텐 음극전극으로 끌려가 충돌하여 2차 전자를 발생시키는 과정을 의미한다. 이와같은 과정을 $\gamma$작용이라 한다. 이처럼 기하급수적으로 전자가 늘어나는 특성을 말한다. 이처럼 인가전압 초기에는 공기분자에게 전자의 충돌로 인하여 중성인 공기분자가 충돌전리에 의하여 전자와 양이온이 발생하게 된다. 물론 충돌전리에 의해 이온화가 된 경우의 중성기체 분자들도 있지만, 기체분자에게 여기된 상태로 남아있게 된다. 13kV/60Hz 교번전압이 음의 반주기 1/120초 동안 전자주입의 충돌전리와 또다시 1/120초 동안 일부 전자를 추출하여 전극 후면에 존재할 수 있고 공극면의 표면에 전도성의 표면을 형성할 수가 있다. 또한 충돌전리에 의해 양이온은 텅스턴전극이 부극성시 끌려가 금속면을 충돌하여 $\gamma$ 작용 (2차전자)인 2차 전자의 발생을 가져올 수 있다. 이처럼 기하급수적으로 발생된 이온화에의한 전자와 전극면으로부터 주입된 전자의 운동에너지에 의해 일부전자들은 침전극면 전방 절연체에 전자의 트랩을 가져올 수가 있다. 실제 전자가 이동할 수 있는 도전로가 기체 방전으로 인하여 형성될 것이다.

실제 텅스턴의 침전극 전계세기 $E_{tip}$과 에폭시 인공적 보이드 갭 선단 전계세기 $E_{tip}$와의 전계차이를 가져올 수 있다. 0.5mm 갭 길이는 실제로 짧은 거리로서 타운젠드 이론에 잘맞은 경우로 볼 수 있다.

트리침 선단에서 대항전극(-전극)과의 전계와 인공적 보이드 선단(트랩된전자와 탄화 및 도전성 트리선단)과 대항전극(-전극)사이 전계강도 차이, 즉 인공적 보이드 트리선단의 전계가 텅스턴 트리침선단 전계보다 작으면 잠복기가 오래되어 초기 트리의 발생이 지연된다. 반대로 텅스턴 트리 침의 전계가 인공적 보이드 트리선단 전계 보다 클 때 초기트리가 발생할 것으로 사료된다.

트리침(선단)에서 트리가 시작되면 트리 끝의 r이 작아져 트리 끝의 Etip이 바늘 끝의 Etip보다 강해집니다. 그러므로 트리의 진전율은 빨라졌고, 새로운 트리 침(+선단)과 평판전극(-전극) 사이의 전극 거리 d가 조금씩 가까워질수록 새로운 트리 침(선단)의 Etip이 훨씬 강해져서 진전과정에서 트리의진전속도가 빨라졌습니다.

따라서 우수한 절연재를 얻기 위해서는 잠복기시간을 최대한 길게하고 진전속도를 지연시켜야 한다^[10,13].

3.4 Electrical Tree-Partial Discharge AE Waveform Feature Extraction(FFT)_Void Gap Length: 0.5mm

그림 3. 6에서는 0.5mm 인공적인 보이드 갭 길이 결함을 모의한 샘플에 HVAC 13kV/60Hz 전압을 인가하여 인공적인 보이드 결함에서 보이드 방전의 전기트리 개시 및 진전 그리고 파괴에 이르는 전체과정의 특성을 평가하기 위하여 AE(Acoustic Emission) 신호를 실시간 소프트웨어로써 AE win™ 사용하여 계측하였다.

앞서 평가하는 방법과 같이 미소 보이드 갭길이 0.5mm일 때, 전압인가로 부터 27초 또는 38초(잠복기), AE Signal Waveform의 특징추출로서 FFT의 특성을 평가하였다.

그림 3.6(a)(b)에서 Waveform과 (a)’(b)’ FFT 특징추출된 결과를 나타내었다. 인가전압 직후 27초일 때, AE Waveform 신호는 방전의 크기를 나타내는 지표로서 AE진폭이 10mV이상의 크기를 나타내었고 그리고 약 1.5ms 동안 다중방전이 발생한 결과를 얻을 수 있었다. 침선단의 고전계에서 발생하는 전자들이 $\alpha$ 충돌전리와 $\gamma$의 2차전자의 발생에 이르기까지 전자의 발생을 가져와서 전자사테에 이르는 다중 방전이 지속하게 된 것이다. 인가전압초기로서 공기분자의 충돌전리로 인하여 이와같은 전자의 발생은 보이드 갭 내의 채널에 전자들이 인공적 트리선단 및 채널 내 표면의 도전로를 형성시키고 인공보이드 선단에 전자들이 트랩되어지고 강력한 전계로 인한 에폭시 chain을 자르고 분해시키는 과정의 결과로 111분에 이르러 보이드 방전에 초기트리가 개시된 것이다. 잠복기동안 초기기체방전의 AE Waveform의 FFT는 다중의 방전의 결과로 58kHz, 38초의 AE Waveform의 결과는 99.75kHz의 결과로 공진주파수가 매우 높아진 방전으로 표현된 것이다.

그림 3.6(c)(d)에서는 초기트리가 개시되고 15분후, 17분후 보이드 방전의 전기트리 특성을 나타내고 있다. 트리의 초기단계로서 보이드 방전이 매우 격렬하게 진행된 방전으로 AE Waveform 진폭의 크기는 이전보다 더욱더 높은 방전의 결과를 나타내고 있다. 126분, 128분 방전파형의 FFT 결과주파수 분포는 20~100kHz 영역의 공진주파수는 55.18kHz의 결과를 나타내었다.

그림 3.6(e)에서는 다중방전 보다는 단일한 방전의 양상으로 파괴 말기 트리선단이 대항전극에 가까이 트리가 진전될 때, 트리선단의 전계강도와 트리 침 선단의 전계강도가 더욱더 큰 차이를 나타낼 때, 나타나는 단일한 방전의 양상으로 사료되며, 오히려 FFT 주파수 분석결과 넓은 영역의 주파수를 갖지만 중심주파수는 25.7kHz로 낮은 공진주파수를 나타내고 있다.

그림 3.6(f)에서는 파괴직전의 방전의 형태로서 보이드 방전이 격렬하게 진행하였고, 보이드 트리가 4.0mm 절연거리에서 2.0mm 절연거리까지 트리가 진전된 상태로서 보이드 트리 선단 전계강도가 매우 크게 작용되어 방전의 집중도가 큰 방전 으로 순간적으로 절연이 파괴되는 결과를 가져오는 것으로 사료된다.

AE Waveform 방전의 크기는 500mV가 넘어선 큰 다중방전으로 FFT 주파수 분석결과 크게 4개 부류의 주파수 공진형태를 얻을 수 있었다. 즉, 77.42kHz, 133kHz, 164kHz, 281kHz를 기록하였다. 그러나 164kHz가 주요 공진주파수로서 특징을 나타내고 있다. 이처럼 보이드 갭 길이가 작은 즉, 미소 갭에서 보이드 방전의 특징은 기체방전의 과정으로 인하여 초기트리 개시까지 잠복기간이 111분 동안 진행되었고 잠복기 과정의 방전은 타운젠드 이론의 방전 양상으로 진행되었다. 그리고

초기트리가 개시될 때까지 보이드 방전은 다중 방전으로 주파수의 분포가 넓고 공진주파수는 고주파 영역의 주파수를 나타내었다. 파괴 중기 및 말기 영역의 방전은 무보이드 방전과는 공진주파수가 다른 높은 다중방전을 나타내었다. 그리고 파괴 직전의 특징은 AE Waveform의 진폭신호의 크기가 500mV 이상을 나타내었고 다중 AE Waveform으로 공진주파수가 고주파인 164kHz 이상의 주파수를 나타내었다.