박재준
                     (Jae-Jun Park)
                     †iD
            
            Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
            
            
            
            
            
               
                  
Key words
               
                HVDC IPT (HVDC Inclined-Plane Tracking),  Cycloaliphatic Epoxy+Epoxidized Soybean Oil/Microsilica_65wt% Composites,  Leakage Current,  Surface erosion and amount,  Thermal imaging camera
             
            
          
         
            
                  1. Introduction       	
                절연체(Insulators)는 전력 시스템의 안전한 작동을 보장하기 위해 송전선에서 기계적 지지 및 전기 절연 역할을 하게된다. 도자기, 유리 및
                  실리콘 고무 복합 절연체[1]와 비교하여 고리지방족 에폭시 수지 (cycloaliphatic epoxy resin) 절연체는 우수한 인터페이스 성능[2], 소수성(hydrophobicity)[3], 열화로 인해 응용 가능성이 좋은 차세대 옥외 절연체이다.
               
               일반적으로 마이크로 크기 실리카의 65wt%∼70wt%까지 충진시키는 것은 중전기기 설비의 치수 안정성 즉, 절연물 내에   도체가 몰드 될 때 열팽창계수를
                  만족시키기 위해 에폭시 메트릭스에 과도하게 충진시켜 제조하여 왔다[4]. 콤포지트와 도체의 선팽창계수가 유사한 값을 갖게 될 때면 열적인 스트레스가 계면에 영향을 주어지지 않지만, 팽창계수가 큰 차이를 갖게 될 때,
                  계면에서 박리와 공극이 형성되어 콤포지트 내 결함의 형성은 전기적트리로 또는 콤포지트 표면의 결함은 내트래킹성의 영향을 받게 된다.
               
               옥외용 에폭시/마이크로 실리카 콤포지트의 성능은 오손된   환경과 높은 습도 레벨에는 제한되어 사용하고 있다. 도전성의 오손층이 절연성능을 상당히
                  감소시킴으로, 표면에서 누설전류, 건조대 아킹(arching) 그리고 섬락(flashover) 등의 현상이  발생하게 된다. 오손물 및 습도의 효과는
                  표면의 젖음성을 증가시키는 반면 소수성(hydrophobicity)의 표면은 습도 및 습기에 반발성을 증가하게 한다. 소수성을 증가시키기 위해서 실리콘
                  오일과 같은 물의 반발력을 갖도록 에폭시 수지에 도입하기도 한다[5,6].
               
               2050 탄소중립, “그린 뉴딜정책”에 따라 온실가스 배출 저감의 일환으로 석유화학물질 사용을 억제하고 대신에 친환경 바이오 에폭시를 옥외 전기 절연물로
                  사용하여 옥외배전용   중전기기 절연소재를 개발하기 위하여 친환경 특성을 갖는   식물성 오일을 에폭시화하여 개발된 ESBO를 본 연구에 사용하였다.
                  CAE/ESBO가 혼합된 콤포지트에 온도를 인가하면, 지방족 탄소와 탄소간 거리 (체인간 거리)가 늘어나며, 구부러진 체인들도 펴짐으로써 결국은 열팽창계수의
                  증가를 가져오게 된다. 
               
               R.Wang의 연구[7,8]에서 ESBO 함량의 증가는 지방산 체인과 체인의 거리가 늘어나게 되고, 에폭시기(옥시란, Oxyrane)와의 사이가 멀어져서 가교점의 수가 줄어들게
                  되고 그로 인하여 가교밀도의 감소와 수소 결합의 정도가 약해지는 결과를 가져온다. 역으로, ESBO 함량이 감소하면 반면에 Oxyrane(옥시란)의
                  수가 증가하여 그로 인한 가교밀도가 증가되어 열적팽창계수가 작아지게 된다. 즉, 단단한 방향족 반복 단위를 갖는 CAE 보다  더욱 가교구조를 약하게
                  하는 경향이 있다. 이와같이 가교 밀도가 감소하는 결과를 가져오는 여러 연구들이 보고되었다[9-11].
               
               CAE는 낮은 수분 흡수[12,13]와 높은 인장강도[14], 우수한 열 안정성[15] 그리고 지방족고리의 견고한 특성 [16-17]으로 경화시 수지의 강도를 향상시키는데 도움을 준다. 그리고 지방족고리는 에폭시의 공간거리를 작게 하기 때문에, 수지의 가교밀도의 향상을 가져오게
                  된다[18-22].
               
               본 연구에서는 옥외배전용 중전기기에 사용될 함량비 CAE:ESBO=100:0,90:10,80:20,70:30,60:40, 50phr:50phr/W12est_65wt%
                  Composites 6종류를 제조하여, 배전용 옥외환경 하에서 대체되는 바이오에폭시의 적용 가능성을 평가하기 위한 (+)HVDC 3.5kV, 0.3ml/min,
                  IPT Tracking and Erosion 연구를 실시하였다.
               
               평가내용은 시간에따른 누설전류크기와 트래킹 길이 내에서 열화상 카메라를 이용한 실시간 표면온도 데이터를 얻었고 그리고 침식량을 계측하였으며, 트래킹
                  인가시간과의 관계를 평가 하였다. 
               
             
            
                  2. Experiments	
               
                     2.1 고리형지방족 에폭시 (Cycloaliphatic Epoxy; CAE)
                  CAE는 CY-184(diglycidyl 1,2-cyclohexanedicarboxylate, Huntsman Co.)를 사용하였다. 국내 상품명은
                     ES-602 옥외용 에폭시 수지이다. 에폭시 당량은 164~172g/eq이고, 수지 비중(Specific gravity)는 1.20~1.25이다.
                     25℃에서의 점도는 700~900 MPa·s이다. Flash point(인화점)는 169℃이다. 
                  
                  CY-184 기계적, 전기적 특성과 내아크 및 트래킹 저항이 뛰어난 고분자수지로서, 다음몇가지 특성을 갖고 있다.
                  (1) 에폭시 기(Epoxy group)은 분자 말단에 위치해서 반응성이 보다 풍부해서 경화과정의 물성이 매우 광범위하게 얻어진다. (2) 경화 반응은
                     중부가 반응(Polyaddition reaction)  또는 개환중합(Ring-opening polymerization)등으로 다른 열경화성수지에
                     비해 경화수축이 적다. (3) 대칭성이 견고하고 우수한 Bisphenol Backbone을 가지므로 고온특성 및 강인성이 우수하다. (4) 에테르와
                     방향족 고리가 결합되므로 내약품성이 높다. (5) 규칙적으로 탄화수소그룹과 이급 수산그룹이 분포되므로 접착성이 높은 특성을 갖고 있다.
                  
                  
                        
                        
그림 1. CAE의 분자 구조
                     
                     
                        
Fig. 1. Molecular structure of CAE
                      
                
               
                     2.2 바이오 에폭시 (Epoxidized Soybean Oil ; ESBO)
                  ESBO(Epoxidized Soybean Oil)는 대두유를 에폭시화하여 얻은 유기 화합물의 집합체이다. ESBO의 합성[23,24][20,21]은 대두유(195g)와 포름산(23g)을 그림 2에서 나타낸 합성과정으로 온도계와 자석 교반기가 장착된 3구 플라스크에 넣고, 다양한 과산화수소에 대한 포름산에 대한 탄소 이중 결합의 3가지 다른
                     몰비와 함께 2가지 다른 조건의 시간과 온도를 사용하여 ESBO을 합성한 제품으로 당량이 232g/eq.인 사조해표의 E-03 바이오에폭시를 사용하였다.
                     폴리염화비닐(PVC) 플라스틱의 가소제 및 안정제로 사용된다.
                  
                  다중 불포화 식물성 오일은 에폭시화에 사용할 수 있는 탄소-탄소 이중 결합의 수가 많기 때문에 에폭시화 오일 제품의 전구체(precursors)로
                     널리 사용된다. 에폭사이드 그룹(epoxide group)은 이중 결합보다 더 반응성이 높기 때문에 에너지적으로 더 유리한 반응 부위를 제공하고 오일을
                     우수한 염산 제거제 및 가소제로 만든다.  
                  
                  
                        
                        
그림 2. ESBO의 합성과정 및 ESBO 분자구조 
                     
                     
                        
Fig. 2. The synthesis process of ESBO and the molecular structure of ESBO
                      
                
               
                     2.3 IPT 트래킹 및 침식성을 위한 샘플제조 과정
                  화학양론에 의한 함량비에폭시수지는 고리형 지방족에폭시수지로서 CY-184(diglycidyl 1,2-cyclohexanedicarboxylate ,Huntsman
                     Co.)를 사용하였다. 경화제는 고리형 지방족 산무수물 경화제로서 1,2-cyclohexanedicar-boxylic anhydride (HY 1235,
                     Huntsman Co.)를 사용하였다. 그리고 경화촉진제(촉매)로 사용된 3차 아민은 DY_062 (benzyldimethyl amine, Huntsman
                     Co.)를 사용하였다. ESBO는 사조해표제품인 E-03을 사용하였고 그리고 마이크로 실리카는 SILBOND® W12est로서 가공된 Micro Silica를
                     iron-free grinding 후 공기 분리 및 유기 규소 화합물(organo-silicon compound)로 코팅하여 생산되는 표면개질된 마이크로
                     필러이다. 에폭시실란(epoxy silane)으로 표면 처리되었으며, 이 제품의 평균 입자크기는 16μm이다.
                  
                  
                        
                        
표 1 CAE/ESBO/W12est_65wt% 복합재
                     
                     
                        
Table 1 CAE/ESBO/W12est_65wt% Composites
                     
                     
                           
                              
                                 | No | CAE (CY-184) | ESBO (E-03) | Microsilica (SILBONDⓇW12est) | Hardener | Accelerator (DY062) | 
                           
                                 | 1 | 100 phr | 0 phr | 65wt% | 80 | 0.5 | 
                           
                                 | 2 | 90 phr | 10 phr | 65wt% | 78.4 | 0.49 | 
                           
                                 | 3 | 80 phr | 20 phr | 65wt% | 76.8 | 0.48 | 
                           
                                 | 4 | 70 phr | 30 phr | 65wt% | 75.2 | 0.47 | 
                           
                                 | 5 | 60 phr | 40 phr | 65wt% | 73.6 | 0.46 | 
                           
                                 | 6 | 50 phr | 50 phr | 65wt% | 72.0 | 0.45 | 
                        
                     
                   
                  
                        
                        
그림 3. CAE:ESBO/Silbond®W12est_65wt% Composites 제조과정
                     
                     
                        
Fig. 3. CAE:ESBO/Silbond®W12est_65wt% Composites manufacturing process
                      
                
               
                     2.4 (+)HVDC 용 트래킹 시스템과 측정방법
                  
                  
                  (1) 판정 기준
                  
                  
                  
DC 전원이 사용되는 것을 제외하고는 트래킹 및 침식 시험 시스템 설정은 IEC 60587 표 2, ASTM D2303, Inclined Tracking and Erosion Test(IPT) 트래킹 및 침식 테스트를 준수한다. 그리고 Chinease
                     STD_DL/T810-2002(중국의 HVDC 규정)의 기준과 SPS-Korea-0241-2014(한국 전기산업진흥회 단체표준)에 근거하여 자체적으로
                     트래킹 규정을 설정하였다. HVDC의 국제 표준규정이 현재까지는 만들어지지 않았기 때문에 현재까지 사용되고 있는 규정에 근거하여, HVDC 트래킹
                     실험은 샘플을 적용하고자 하는 환경에 따라 인가전압 레벨과 오손액의 속도를 다르게 설정하여 실험을 실시한다.
                  
                  본 연구에서는 인가전압레벨은 3.5kV이며 오손액유속은 0.3ml/min 설정하여 실험평가를 실시 하였다. 설정된 실험 규정은 표 3과 같다.
                  
                  
                        
                        
표 2 IEC 60587 국제 규정 (트래킹 및 침식)
                     
                     
                        
Table 2 IEC 60587 International Regulations (Tracking and Erosion)
                     
                     
                           
                              
                                 | 시험전압 (kV) | 선호하는시험전압 [kV] | 오손액유속 [ml/min] | 직렬 저항기의 저항 [kΩ] | 
                           
                                 | 1.0~1.75 | - | 0.075 | 1 | 
                           
                                 | 2.0~2..75 | 2.5 | 0.15 | 10 | 
                           
                                 | 3.0~3.75 | 3.5 | 0.3 | 22 | 
                           
                                 | 4.0~4.75 | 4.5 | 0.6 | 33 | 
                           
                                 | 5.0~6.0 | - | 0.9 | 33 | 
                        
                     
                   
                  
                        
                        
표 3 본 연구의 트래킹 및 침식 기준
                     
                     
                        
Table 3 Tracking and erosion criteria of this study
                     
                     
                           
                              
                                 | 시험전압 (kV) | 선호하는  시험전압 [kV] | 오손액유속 (ml/min) | 직렬 저항기 [kΩ] | 평가기준 | 
                           
                                 | 누설 전류 (mA/2s) | 침식 길이 (mm) | 침식 깊이 (mm) | 
                           
                                 | 3.0~3.75 | 3.5 | 0.3 | 22 | 60 | 25 | 2.5 | 
                        
                     
                   
                  
                  
                  (2) 측정 방법
                  
                  
                  
한 쌍의 스테인리스 전극이 편평한 직사각형 절연체 샘플 (KS C IEC 60587:125×50×6mm)이 표면에 부착된다. 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 연결된다. HVDC 부극성 실험은 상부전극에 부극성 전위를 갖는 것으로 정의를 내리고 하부전극은 접지로 연결된다. 샘플은 측정 샘플표면이 아래쪽에
                     수평을 이루는 각도 45 °로 설치된다. 상부 전극 아래에 고정된 여과지를 사용하여 오손 물질 (탈이온수 + NH4Cl + 비누제인 Triton X-100으로
                     만든 오손액)을 Perostaltic Pump (정량펌프)로 일정한 간격 동안 미량의 오손액을 그림 4(a)에서 보여준 바처럼 전극사이 샘플 아랫방향으로 떨어뜨린다. 오손액이 필터용지(저수)를 통하여 상부전극의 구멍으로부터 약 20분정도에서 흘러 나오고
                     그리고 하부전극은 댐핑의 효과 없이 오손액이 흐르도록 일련의 갭을 갖게 되었다. 지정된 전극들은 절연거리(상부전극 하부 끝에서 하부전극 위 까지)를
                     50mm로 분리하고 연속적인 불꽃 또는 섬광(scintillation) 즉, 건조대아크 (Dry Band Arc)가 발생하도록 (+)HVDC 3.5kV를
                     인가한다.
                  
                  
                        
                        
그림 4. 트래킹 실험 시스템
                     
                     
                        
Fig. 4. Tracking Experiment System
                     
                   
                  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 한다. 저항 R1은 전류를 제한하기 위한 저항이며, R2는
                     누설전류의 계측을 위한 저항이다. IEC 60587에 따라 오손액의 전도도는 2.5 mS/cm로 하였다. 오손액이 배출되는 상부전극에 정극성전압을
                     인가하여 (+)HVDC 3.5kV에서는 0.3ml/min 유량이 일정하게 흐르게 된다. 인가전압 극성과 전압레벨은 IEC 60587, 중국 및 한국
                     전기산업진흥회 단체규정에 준용하여 fail 조건을 누설전류 60mA 이상의 전류가 2초 동안 지속된 경우와 침식 길이 25mm 이하, 침식깊이 2.5mm
                     범위을 기준으로 평가하였다. 그러나 본 연구에서는 트리킹 인가시간 6시간을 반드시 준용하지는 않았다. 
                  
                  
                  (3) 측정 시스템
                  
                  
                  
a) 누설 전류 (Leakage Current)
                  누설전류 측정은 그림 5와 같은 누설전류 측정 장치인 Datatec사, SEFRAM/DAS60으로 6채널, 전력분석함수 400Hz이상, 14비트 resolution, 1Ms/s
                     sampling rate, 100kHz bandwidth 그리고 HVDC, AC+HVDC RMS voltage measurement 을 할 수 있는
                     레코더를 사용 하였다.
                  
                  
                        
                        
그림 5. SEFRAM/DAS60 누설전류 측정시스템
                     
                     
                        
Fig. 5. SEFRAM/DAS60 Leakage Current Measurement System
                      
                  측정된 결과의 자료를 볼 수 있도록 제공된 Seframviewer를 이용하여, 원하는 데이터를 얻을 수 있다. 측정 자료의 결과 값을 누설전류 최대값을
                     얻기 위하여 데이터 획득 샘플링 율은 100μS로 데이터를 계측하였다. 1초에 10,000포인트의 자료가 계측된다. 1분이면 60만 포인트가 되며
                     주파수로 표현하면 10kHz이다. 6시간 동안의 누설전류 자료를 분석하기 위하여  1분에 하나의 자료를 얻을 수 있도록 60만 포인트의 신호 중 가장
                     큰 누설전류 최대값의 크기를 그래프에서 나타내었다. 
                  
                  b) 열화상 카메라
                  IPT and Erosion Test에서 트래킹 길이(50mm) 구간에서 오손액이 흐르면 용량성 전류가 흐르고 표면방전이 발생될 때 트래킹 구간에서
                     표면온도를 측정하기 위하여 그림 6과 같이 측정한 열화상 카메라는 AT3003X 모델 (디텍터의 해상도는 384×288로서 측정 정밀도는 ≦±0.3°C이다), 측정소프트웨어는 IRIS
                     Solution, IR Discovery Software로 Frame 속도 60Hz로 조절이 가능하였다. 1초 동안 1∼60 frame 측정 가능한
                     시스템의 성능을 갖는다. 본 열화상 카메라의 측정 frame은 1초 동안 60point 표면온도를 측정하였다. 열화상 케메라의 측정온도 범위는 (-)20∼599℃
                     범위의 온도를 측정하였다. 측정재료의 열화상카메라의 표면온도의 정확도를 높이기 위하여  에폭시 재료(고분자인 PE,PP,PVC와 같은) 재료의 방사율(emissivity)
                     보정을 0.94로하여 측정온도 정확도를 높였고 그리고 실시간 (+)HVDC Tracking and Erosion의 방전 및 진전상태를 디지털 비디오카메라를
                     이용하여 측정하였다. 측정비디오카메라는 HDR-CX 550(Sony)을 이용하였다.
                  
                  
                        
                        
그림 6. 열화상 카메라의 측정시스템 
                     
                     
                        
Fig. 6. Infrared camera measurement system
                      
                  트래킹 길이에서 오손액이 떨어져 흐르는 구간의 표면온도를 정밀 측정하기 위하여, 50mm 트래킹 길이를 3등분하여 상부,중부, 하부를 R1, R2,
                     R3영역으로 구분하여 표면온도를 계측하였다.
                  
                  
                        
                        
그림 7. IPT 트래킹 샘플의 트래킹 길이 (50mm; R1, R2, R3)
                     
                     
                        
Fig. 7. Tracking length of the IPT tracking sample (50mm; R1, R2, R3)
                      
                  c) 침식중량 측정 및 영상촬영
                  OHAUS사, Adventurer 전자천칭을 침식량 측정을 위해 이용하였고, Sony HDR- CX240E HD Flash Camcorder를 영상촬영을
                     위해 사용하였다
                  
                  
                        
                        
그림 8. 침식량측정 및 영상촬영 장치 
                     
                     
                        
Fig. 8. Erosion measurement and imaging device
                      
                
             
            
                  3. Result and Discussion	
               
                     3.1 CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% 복합체 트래킹 및 침식성
                  그림 4(b)에서 나타낸 바와같이 (+)HVDC IPT System이 3 채널 (채널_A, 채널_B, 채널_C)로 구성되어 있다. 누설전류, 트래킹 시간, 침식량은
                     3 종류 측정 샘플의 결과를 모두 나타내었고 그리고 트래킹 길이 내 표면의 열화상 카메라의 표면온도, Video 영상 등은 채널_B 샘플의 결과를
                     나타낸 것이다.
                  
                  그림 9에서는 IPT 측정 전의 샘플과 IPT 측정 후 샘플의 표면침식 영상을 나타내었다.  동일한 조건하 (+HVDC:3.5kV, 오손액 속도 0.3ml/min)에서
                     트래킹 및 침식성 실험결과 A, B, C 채널에서 침식량과 트래킹 fail 시간의 관계를 나타내었다.
                  
                  A_채널에서는 156분 후 fail되었고 침식량은 0.9328g, B 채널에서는 133분 후 fail되었고 침식량은 0.9545g, 그리고 C 채널
                     에서는 205분 후 fail되었고 침식량은 0.9432g의 침식량을 나타내었다. 
                  
                  침식량은 실험 전 샘플의 중량을 측정하였고, 실험 후 80℃  에서 24시간 건조시켜 침식된 량을 부드러운 붓으로 털어내고 중량을 측정하여 실험 전
                     중량과 실험 후 중량의 차이를 침식량으로 계산하였다.
                  
                  
                        
                        
그림 9. CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% Composites의 트래킹 실험 전 후 표면침식 사진
                     
                     
                        
Fig. 9. CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% Surface erosion photos before and after
                           tracking experiments of composites
                        
                      
                  그림 10, 11에서는  CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% Composites의 A,B,C 채널에서 트래킹 및 침식성의 전기적 누설전류
                     특성 결과를 나타내었다.
                  
                  
                        
                        
그림 10. CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% Composites의 트래킹 및 침식성 누설전류 특성
                     
                     
                        
Fig. 10. Tracking and erosion leakage current characteristics of CAE:ESBO=100phr:
                           0phr/W12est_65wt% composites
                        
                      
                  
                        
                        
그림 11. CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% Composites의 B-채널 Leakage Current 특성
                     
                     
                        
Fig. 11. CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% B-channel Leakage Current characteristics
                           of Composites
                        
                      
                  (+)HVDC 3.5kV를 인가하였고, 필터용지 (ADVANTEC, 2, 150mm)를 8장 포게어 상부전극 뒷면에 설치하여 일정시간 0.3ml/min
                     오손액이 일정한 속도로 동작하여 오손액을 저장후 약 32분 정도에서 첫 오손액이 IPT 표면으로 흐르기 시작한다. 
                  
                  그림 11에서는 채널 B의 시간에따른 누설전류 크기의 결과를 매 1분 마다 최대값의 결과를 나타내었다. 표면이 Wetting 되지 않을 때 약 1.5mA 정도의
                     누설전류 결과이고 첫 오손액이 흐르는 이후 표면방전은 지속적으로 발생하고 오손액의 흐름에 의한 전도성 전류의 세기는 점차로 증가하여  주울열이 발생한다.
                     오손액이  처음 흐르는 길이 전로로 형성되고 이후 지속적인 오손액이 흐름에 따라 표면방전이 격렬하게  발생하여 트래킹 거리 내 전로의 확장이 상부에서
                     하부로 갈수록 넓어졌다.
                  
                  그림 11에서 누설전류크기를 시간순서에따라 나타내었다. 처음 오손액이 32분에 한방울 표면을 타고 떨어져 내려오는 순간의 영상은 그림 12(b)에서 나타내었고, 그림 11의  (1) 검정색으로 표시된 된 1.5mA 누설전류의 크기를 나타낸 것이다. 한방울 오손액이 흐를 때 표면방전의 결과 누설전류 9.7mA를 기록하였다.
                     그림 11의 (2)에서 붉은색으로 표시된 점으로 표현하였다. 이후 방전이 지속적으로 진행되어 61분 정도에 이르렀을 때 48분 동안 트래킹의 진전, 표면방전
                     그리고 침식의 결과 25∼33mA의 누설전류 결과를 나타내었다. 32분의 첫 오손액이 흐를 때 열화상 카메라를 통한 표면온도는 앞서 표현한 바 그림 12(b)에서 나타낸 것처럼 트래킹 길이가 50mm인데 3등분한 면적을 상부전극 직하단부터 R1, R2, R3 프로그램으로 영역을 구현하여 표면온도를 측정
                     하였다.
                  
                  
                        
                        
그림 12. CAE:ESBO=100:0phr/W12est_65wt% Composites의 IPT Tracking and Erosion 표면방전영상(체널
                           B영상)
                        
                     
                     
                        
Fig. 12. CAE:ESBO=100:0phr/W12est_65wt% Composites' IPT Tracking and Erosion Surface
                           Discharge Image (Channel B Image)
                        
                      
                  그림 13(a) 결과에서, 1분 동안 표면온도를 볼 때, R1영역의 온도는 검정색으로 표현되었고 100℃를 전후한 결과를 볼 수 있다. R2는 빨강색으로 표현되어
                     있고 온도는 120℃ 전후한 표면온도를 나타내었다. 그리고 R3는 145℃ 전 후 온도를 기록하고 있다. 매우 짧은 시간 동안 방전 및 오손액으로
                     누설전류로 인한 주울 열 등이 복합적으로 이루어진 결과라 사료된다. 표면방전이 모바일방전(Mobile Discharge)의 결과로 상부에서 가운데로
                     그리고 오손액이 최후 하부전극에 다다를 때, 하부전극 바로 위에서 방전이 극심하게 발생하였다.
                  
                  그림 13(b) 경우 트래킹 및 침식성 실험이 60분 지난 직후 1분 동안 표면온도의 결과를 나타내었다. 표면의 온도는 R1의 경우 검정색으로 나타내었고 100℃
                     전후 온도를 기록하였다. 그리고 R2의 경우 빨강색으로 트래킹 및 침식성의 실험이 60분 지난 직후 1분 동안 표면온도를 나타낸 것이다. 펄스적으로
                     나타낸 온도는 모바일 방전이 발생하여 스쳐지나간 결과로 사료된다. R2의 열화상 카메라 측정 결과 1분 동안 8회 모바일 방전이 발생 됨을 의미한
                     것이다. R3의 경우 하부전극 바로 위에서  중간부분 하단까지 영역에서 발생한 표면방전, 아크방전 그리고 건조대 방전 등 다양한 방전이 하부전극에서
                     격렬하게 진행된 결과로 사료된다. 표면온도는 약 150℃∼350℃를 넘은 범위의 표면온도를 나타낸 것이다. 이와같이 고온의 표면온도로 인하여 트래킹
                     후반으로 진행할수록 CAE:ESBO=100phr:0phr으로 표면의 열화가 진행되고 표면의 고분자체인들이 분해되기 시작하는 온도로 침식의 진행이 시작된
                     것으로 사료된다.
                  
                  
                        
                        
그림 13. CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% Composites의 B-채널 첫 오손액이 흐를 때부터 32분, 60분,
                           129분 후 각 1분 동안 표면온도특성
                        
                     
                     
                        
Fig. 13. CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% The surface temperature characteristics
                           for each minute after the first flow of the B-channel of the composites were measured
                           at 32 minutes, 60 minutes, and 129 minutes
                        
                      
                  그림 13(c) 에서는 트래킹 및 침식성 실험이 129분 지난 후 fail에 가까이 진행된 상태의 표면온도를 나타내었다. R1의 경우 100℃ 이하의 표면온도를
                     나타내었고 그리고 모바일 방전이 초기 트래킹의 경우처럼 거의 올라오지 않았다. 침식된 장소에서 지속적으로 표면온도가 R3상부 영역과 R2 하부영역
                     겹쳐진 곳에서 침식이 진행된다. 그곳으로 오손액이 흐를 때 600℃ 이상의 표면온도가 발생하여 순간 수분이 증발되어져 그 부위에서 건조대 아크방전이
                     연속적으로 발생되었다.
                  
                  600℃ 이상의 온도는 고분자 체인의 열분해 및 체인의 절단이 쉽게 진행되어 더욱더 건조대 아크의 방전이 크게 되어 누설전류의 급격한 증가를 가져온
                     것이다.
                  
                
               
                     3.2 CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt% 복합체 트래킹 및 침식성
                  그림 14에서는 CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt% Composites IPT 트래킹 및 침식 실험결과를 나타내었다. 트래킹 실험
                     전 후 영상에서 트래킹에 의해 침식된 부분의 영상을 나타내고 있다. 각각의 A, B, C-채널 에서 IPT 트래킹 및 침식성의 전압인가 시간은 A-채널
                     에서는 147min, B-채널에서는 119분 그리고 C-채널에서는 184분의 결과를 얻게 되었다. 전반적으로 A,B,C_채널의 누설전류는 IPT시간이
                     증가함에따라 증가하는 결과를 나타내었다.
                  
                  
                        
                        
그림 14. CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt% Composites의 트래킹 실험 전 후 표면침식 사진
                     
                     
                        
Fig. 14. Surface erosion photos before and after the tracking experiment of CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt%
                           Composites
                        
                      
                  
                        
                        
그림 15. CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt% Composites의 트래킹 및 침식성 누설전류 특성
                     
                     
                        
Fig. 15. Tracking and erosion leakage current characteristics of CAE:ESBO=80phr: 20phr/W12est_65wt%
                           composites
                        
                      
                  
                        
                        
그림 16. B-채널에서 IPT 누설전류의 119분 결과
                     
                     
                        
Fig. 16. The 119-minute results of IPT leakage current on B-channel
                      
                  그러나 채널-B에서는 디지털카메라 동영상과 열화상 카메라의 표면온도 그리고 누설전류를 측정하였다. [그림 5.3.3]에서 IPT 누설전류 119분 결과를 3개의 영역으로 나뉘어 처음의 누설 전류 영역은 트래킹 오손액이 한 방울 트래킹 길이 표면을 타고 내려왔을
                     때, 미약한 누설전류 1.25mA의 측정 결과로 트래킹 길이 내 Wetting이 이루어지지 않은 상태를 나타내었다. 그때의 표면온도는 25∼30℃
                     정도이었다. 오손액이 한 방울 트래킹 길이 표면을 타고 흐르는 그 때의 누설전류의 크기는 16.645mA이었다.
                  
                  첫 오손액의 Wetting 이후 61분 동안 ( 편의상 구분)의 누설전류 특성을 나타내었다. 오손액 한방울 흐르는 이후 10분 정도에서는 오손액이
                     흐르는 동안 이동방전이 10분정도에서 지속적으로 발생하였고 그리고 표면은 누설전류 흐름에 의해 이동방전으로 발수성과 같은 표면의 상태는 거의 사라지고
                     그리고 누설전류가 흐르기 좋은 수많은 전로의 형성을 가져왔다. 
                  
                  누설전류가 10분 정도까지는 15∼25mA의 누설전류가 측정되었고 이후 61분 동안 즉, 전체 90분 정도까지 오손액이 0.3ml/min 지속적으로
                     흐를 때 트래킹 하부전극으로 오손액이 흘러 모여들어 하부전극 바로 위에서 누설전류의 급격한 증가는 오손액이 흘러 그곳으로 모일 때 매우 큰 불꽃이
                     발생하였다. 그때 표면온도는 급격히 상승하여 오손액의 수분을 증발시키고 또다시 불꽃방전이 일어나 침식된 부분에서 격렬하게 방전이 일어난다. 이후 증기의
                     발생으로 건조대가 형성되고 그로 인한 아크의 발생이 빈번하게 발생되었다. 또 다시 오손액이 그곳으로 흘러 들어와 다시 섬락을 갖는 불꽃 방전들이 격렬하게
                     발생하게 되었다. 그때 누설전류는 40mA까지 발생하고 간헐적으로 20∼25mA의 낮은 전류가 흐르고 또 다시 오손액이 흐르면 섬락을 갖는 불꽃이
                     발생하고 수분을 증발시켜 건조대를 형성하는 반복된 과정의 아크방전이 지속하게 된다. 그때 누설전류 크기는 40mA의 크기를 갖는 누설전류를 나타내고
                     있다. 그림 17(a)(b)(c)(d)에서는 트래킹 길이에 오손액 한방울 흐른 후로부터 61분동안 열화상 카메라를 통한 표면의 R1온도분포 그림 17(b)에서, R2 온도분포에서는 그림17(c)에서, 그리고 R3의 온도분포에서는 그림 17(d)에서  트래킹 길이의 영역에서 온도분포의 결과를 나타내었다.
                  
                  R1 영역에서는 61분동안 100℃ 전후로서 표면온도를 나타내었고 그리고  R2영역에서는 낮은 온도의 경우 70∼80℃영역에서 150℃ 전 후를 갖는
                     표면온도를 나타내었다. R3영역에서 오손액 한방울 흐른 이후 15분 정도에서는  90℃∼160℃정도의 표면온도를 나타내었다. 이후 45분 정도에서는
                     대부분 표면온도가 202℃를 기록하였다. 
                  
                  특이한 사실은 CAE:ESBO=100phr:0phr/W12est_65wt% 일 때 표면방전이 격렬해지고 침식이 진행될 때 표면온도는 거의 대부분 600℃
                     전후 온도를 나타내었다. 그러나 CAE: ESBO=90phr:10phr/W12est_65wt%에서는 간헐적으로 온도가 더욱 낮은 온도를 기록하였다.
                     그리고 CAE: ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt%에서는 ESBO함량이 20 phr 혼합의 결과 표면온도가 현격하게 큰 차이를 나타낸
                     것이다.
                  
                  
                        
                        
그림 17. CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt% Composites의 트래킹 거리의 표면온도특성 (채널_B 표면온도)
                     
                     
                        
Fig. 17. CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt% Surface temperature characteristics of
                           the tracking distance of Composites (Channel_B surface temperature)
                        
                      
                  그림 17(d) 트래킹 및 침식성에의한 트래킹구간 R3의 표면 온도변화에서 fail 전 27분 동안의 트래킹 길이 R1, R2, R3영역에서 표면온도를 나타내었다.
                     검정색은 R1의 영역에서 표면온도를 나타내었다. 표면온도는 27분 중 마지막 2분정도에서는 급격하게 표면온도가 증가되어 160℃ 전 후의 표면온도를
                     나타내었다. 이것은 트래킹의 침식으로 인한 오손물의 흐름으로 침식 깊이는 더욱더 커진 상태이며, 더욱더 큰 섬락방전이 지속적으로 진행되기 때문에 R1의
                     영역에서도 온도가 매우 높은 상태로 되어졌다 사료된다. 그리고 R2영역에서는 빨강색의 경우로서 100∼202℃ 범위를 왔다갔다 하는 표면온도를 나타내었다.
                     그러나 R3의 경우 거의 대부분 R3영역인 하부전극 근방에서 침식이 진행되었고 열화가 진행되어 오손액이 흘러들어와 거대한 섬락을 갖는 불꽃방전 및
                     건조대아크 방전 등이 발생된 결과로서 ESBO가 석유화학에폭시(CAE)와 일정량 혼합 되어져 표면온도가 낮아지는 것으로 사료된다.
                  
                  
                        
                        
그림 18. CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt% Composites의 트래킹 거리의 표면온도특성 (채널_B 표면온도)
                     
                     
                        
Fig. 18. CAE:ESBO=80phr:20phr/W12est_65wt% Surface temperature characteristics of
                           the tracking distance of Composites (Channel_B surface temperature)
                        
                      
                  그림 18에서는 트래킹 및 침식에서 섬락과같은 불꽃방전의 경우 등 100분 과 117분일 때 디지털 카메라에서 영상을 나타낸 것이다.
                  
                
               
                     3.3 CAE:ESBO Contents Ratio/W12est_65wt% Composites 트래킹  및 침식성에 대한 IPT fail 시간
                  그림 19에서는 친환경 BiO Epoxy의 옥외 배전용 절연물을 개발하여 배전용 애자에 적용하기 위하여 6종류 샘플을 제조하였다. 샘플은 앞서 설명한바로 CAE:ESBO함량비(100:0,
                     90:10, 80:20, 70:30, 60:40, 50phr:50phr)/W12est_65wt% Composites를 (+)HVDC, 3.5kV,
                     오손액 (전기전도도: 2.5mS/cm) 0.3ml/min의 속도로 IPT실험 결과 A,B,C 채널의 트래킹 및 침식성에 대한 fail 시간의 결과를
                     나타낸 것이다. 그림 20에서는 그림 19의 자료를 와이블플롯으로 나타내었고  Y축 IPT Erosion Test Time [63.2%] 와이블 플롯 스케일 파라 미터를 나타낸 것이다. ESBO
                     함량이 증가 할수록 IPT 트래킹 fail 시간이 감소되었다.
                  
                  이유는 다음과 같다. ESBO 함량의 증가는 지방산 Chain의 과 Chain이 늘어나게 되어 에폭시기와 사이가 멀어져서 가교점의 수가 감소되어 가교밀도의
                     감소로 수소 결합의 정도도 약해지는 결과를 가져온다. 오손액이 30분 정도에서 한방울 떨어져 흐를 때, 트래킹 길이는 도전로가 형성되고 지속적인 오손액의
                     흐름에 하부 전극 상부에 표면에 오손액이 합류되어 방전원이 되어, 건조대아크 및 누설전류 크기가 증가되어 온도상승 및 주울 열에 의한 가열 등으로
                     트래킹에 의한 침식이 가속되어 fail이 발생하게 된다. 이처럼 ESBO함량의 증가가 트래킹 fail에 기여하는 바가 크다 사료된다.
                  
                  
                        
                        
그림 19. CAE:ESBO/W12est_65wt% Composites의 트래킹 fail 시간 특성
                     
                     
                        
Fig. 19. CAE:ESBO/W12est_65wt% Tracking failure time characteristics of composites
                      
                  
                        
                        
그림 20. 표 4의 CAE:ESBO/W12est_65wt% Composites의 IPT fail 시간의 와이블플롯 스케일파라미터
                        
                     
                     
                        
Fig. 20. Weibull plot scale parameter of IPT fail time for CAE:ESBO/W12est_65wt% Composites
                           from Table 4
                      
                  
                        
                        
표 4 와이블플롯 특성파라미터의 결과
                     
                     
                        
Table 4 Results of the Weibull plot characteristic parameters
                     
                     
                           
                              
                                 | Type of Samples | shape  parameter | scale  parameter[min] | 
                           
                                 | DGEBA:ESBO=100:0 /μ_Silica_65wt% composites | 4.52 | 149.2 | 
                           
                                 | DGEBA:ESBO=90:10 /μ_Silica_65wt% composites | 5.43 | 167.3 | 
                           
                                 | DGEBA:ESBO=80:20 /μ_Silica_65wt% composites | 4.44 | 164.2 | 
                           
                                 | DGEBA:ESBO=70:30 /μ_Silica_65wt% composites | 19.13 | 125.3 | 
                           
                                 | DGEBA:ESBO=60:40 /μ_Silica_65wt% composites | 2.51 | 120.1 | 
                           
                                 | DGEBA:ESBO=50:50 /μ_Silica_65wt% composites | 10.22 | 113.2 | 
                        
                     
                   
                
             
            
                  4. Conclusion	
               6종류 샘플 CAE:ESBO=(100:0, 90:10, 80:20, 70:30, 60:40, 50phr:50phr)/W12est_65wt% Composites의
                  IPT Tracking and Erosion의 특성실험에서, 트래킹 인가전압 (+)HVDC 3.5kV, 오손액 속도 0.3ml/min의 속도로 실험결과
                  누설전류와 트래킹길이 내 방전에따른 표면온도 그리고 침식깊이 (침식량)에 대한 ESBO 증가에따라 다음과 같은 결론을 얻게되었다.
               
               ① ESBO함량 증가에따른 트래킹 방전의 특성
                 ESBO 함량이 증가할수록 오손액이 필터용지 8장이 포개어진 상태가 오손액을 저수하는 것으로 일정시간 후 상부전극 끝부분에서 샘플의 트래킹길이
                  표면으로 일정하게 흐르게 된다. 첫 번째 오손액이 표면을 wetting 하는 시간이 약 32분 정도이다. 이후 표면을 타고 오손액이 흐르면서 표면방전은
                  시작된다. 전반에는 이동방전이 심하게 오손액을 타고 상하로 이동하면서 표면의 전로를 다양하게 형성하게 된다. 지속적으로 오손액은 흐르게 되고 용량성
                  전도성 전류로서 주울열의 발생을 가져온다.
               
               오손액이 흐를 때 표면의 방전은 더욱더 강화되어 누설전류의 크기도 점차 증가되어 진다. 하부전극 바로 위에 흐르는 오손액이 일정한 위치로 누적되어
                  본류처럼 그 위치에서 건조대 아킹을 만들어 집중적으로 방전이 진행되고 이후 건조대 아크로 인한 오손액이 기화되어 건조대를 더욱더 강하게 형성함으로
                  표면의 온도 상승과 더불어 강력한 아킹으로 침식이 진행되어 진다. 침식부위로 오손액이 흐르때면 강력한 불꽃방전이 섬락을 형성하여 표면온도가 순수한
                  CAE_100phr인 경우 600℃ 이상의 표면온도를 형성하여 침식은 더욱더 가속하여 진행하고, 누설전류의 크기는 더불어 크게 증가되어 60mA/2s에
                  이르러 fail이 되어진다.
               
               결론적으로 ESBO 함량이 증가할수록 가교점 들이 멀리 떨어져 있고 지방족의 체인이 많아져 표면방전이 강화되어 누설전류 증가도 빨라지고 그로 인한
                  침식이 급격하게 진행되어 fail 시간이 짧아지는 것으로 사료 된다. 
               
               ② 트래킹길이 내 표면온도 특성  
               열화상 카메라를 이용하여 트래킹 길이 (50mm)내에서 상부전극 직하로부터 하부전극 바로 위까지 3개 영역 (R1, R2, R3)으로 프로그램하여
                  1초에 60개의 온도 프레임을 센싱하였다. ESBO 함량이 증가함에 따라, 즉 CAE_100phr+ESBO_0phr/W12est_65wt%에서는 건조대
                  아킹 및 섬락의 불꽃방전시 표면온도는 600℃가 넘은 온도를 나타내었다. 그러나 CAE_80phr+ESBO_20phr/W12est_65wt%에서부터
                  거의 일정하게 표면에서 방전 즉, 건조대 아킹과 불꽃에 의한 섬락방전 등 같은 조건에서도 표면온도가 최고 202℃을 나타내었다. 이처럼 높은 표면의
                  온도차를 나타낸 이유를 다음같이 생각한다.
               
               바이오에폭시(ESBO)가 도입된 경우 표면 온도가 낮아지는   이유는 다음과 같다. 
               본 연구에서 사용된 바이오에폭시는 대두유의 이중결합을 산화시켜서 에폭시기를 도입했기 때문에, 바이오 에폭시의 주사슬에는 에스테르기가 3개 존재하고
                  있다.  이 그룹은 물 분자와 친화성이 매우 높기 때문에 공기 중에 노출될 경우 다량의 물 분자를 흡습한 상태로 존재 한다. 그런 이유로 샘플이 트래킹
                  시험에 사용 될 경우 국부적으로 아킹에 의해 고온이 되면 물 분자가 휘발되면서 잠열을 빼앗아가기 때문에 표면 온도가 떨어지게 지는 것으로 결론에 이르렀다.
                  
               
               ③ 트래킹 지속시간 특성
                 트래킹 지속시간은 ESBO 함량이 증가할수록 CAE:ESBO= 100:0, 90:10, 80:20/W12est_65wt%에서는 증가하였고 이후
                  감소되는 경향의 IPT 트래킹 시간을 나타내었다. ESBO함량이 증가할수록 가교점들이 멀리 떨어져 가교밀도가 감소하기 때문에 어느 시점의 표면에서
                  트래킹 표면방전이 삼화될 때 빠르게 침식이 진행되어 누설전류가 더욱 증가되어 fail이 빠르게 일어나는 것으로 사료된다.
               
             
          
         
            
                  Acknowledgements
               
                  본 연구는 2024년 중부대학교 지원에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.
                  
                  			
               
             
            
                  
                     References
                  
                     
                        
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            저자소개
            
            
               
               
               Jae-Jun Park is a Professor of the Department of Electrical Electronics Engineering
               at Joongbu University, Korea. He was born in Jeonnam Gangjin, Korea. He Received the
               B.Eng., M.Eng., and Ph.D. degrees in electrical engineering from Kwangwoon University,
               Korea in 1985, 1987 and 1993, respectively. His research interests are high voltage
               insulation materials, polymer nanocomposites, high voltage electric facilities diagnosis(electrical
               treeing defect), BiO Epoxy etc.