서예슬
(Ye-Seul Seo)
*iD
김가현
(Ga-Hyun Kim)
*iD
박건희
(Keon-Hee Park)
*iD
임문섭
(Mun-Seop Lim)
*iD
최현준
(Hyen-Jun Choi)
**iD
임장섭
(Jang-Seob Lim)
†iD
-
(Department of Marine Electronics, Communication, Computer Engineering, Mokpo National
Maritime University, Korea)
-
(Department of Wind Power Industry, Green Energy Institute, Korea E-mail : hjchoi@gei.re.kr)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers
Key Words
Wet design cable, Crosslinked polyethylene (XLPE), Submarine power cable, Water tree
1. 서 론
PE (Polyethylene)는 주로 전력케이블의 절연재료로 사용되지만, 고온 환경에서 물리적 성질이 변하는 한계로 인해 고온 및 고압선의 절연재료로는
부적합하다 [1]. 이를 보완한 가교 폴리에틸렌 (Crosslinked Polyethylene, XLPE)은 열경화성 특성과 우수한 절연성능으로 전력케이블의 절연체로서
가장 널리 사용되고 있다 [2].
절연체의 특성은 전력케이블의 고장과 밀접한 관련이 있으며 전력케이블의 고장 유형은 사용 연수에 따라 초기고장, 우발고장, 열화고장으로 구분된다. 이는
그림 1과 같이 욕조곡선으로 나타난다 [3]. 초기고장은 제조 결함으로 발생하며, 우발고장은 자연재해 등 외부 사고로 유발된다. 열화고장은 장기 운용에 따른 절연 열화로 인해 발생하는데, 대표적인
현상으로 트리 (tree)가 있다.
그림 1. 전력케이블 고장율에 따른 욕조곡선
Fig. 1. The Failure rate of power equipment (bathtube curve)
트리는 수트리 (water tree)와 전기트리 (electrical tree)로 분류되며, 수트리는 케이블에 침투한 수분이 절연체 내 나무 모양의
통전 채널을 형성하여 부분 방전이나 전기트리를 유발하며, 결국 절연파괴로 이어진다. 수트리 발생은 전력케이블 절연체의 장기 신뢰성을 저하시키고, 케이블의
수명을 단축시키는 주요 원인이다 [4-
7].
이에따라 해저 전력망 및 해상풍력용 전력케이블의 장기 운전 신뢰성 확보를 위해 높은 절연성능과 내구성을 갖춘 절연체 개발이 요구되고 있다 [8-
9]. 케이블의 절연체는 여러 기계적 응력과 온도 변화, 여러 물리적 스트레스에 노출된다. 이러한 스트레스에 견디기 위해 케이블 절연체는 열적, 전기적,
기계적 특성을 확보해야 한다 [10].
그림 2. Dry design과 Wet design 케이블 구조
Fig. 2. Dry design and Wet design cable structures
해저케이블 설계는 크게 “Dry” 또는 “Wet” 설계로 분류된다. 그림 2의 (a)와 같이 Dry design은 케이블에 압출된 납 시스가 있으며, 그림 2 (b)의 Wet design 케이블은 납 시스 대신 폴리머층으로 구성되어있기 때문에 구조상 수분이 침투할 수 있다. 구조적 차이로 인해 Wet design
케이블은 더 넓은 범위의 동적 움직임을 견딜 수 있고, 기계적 피로 손상을 덜 받는다 [11].
기존에 사용되고 있는 Dry design의 절연체인 XLPE는 우수한 절연 성능을 가지고 있지만, 수트리에 취약하다. 이에 따라 TR XLPE (tree
retardant XLPE)와 WTR-XLPE (water tree retardant XLPE) 등이 지난 20~25년간 널리 사용되어 왔다 [12]. TR XLPE는 기존 XLPE에 수트리 억제제인 고분자 기반 화학 첨가물을 혼합하여 수트리 저항성을 향상시킨 절연재이다. TR XLPE의 경우,
배전용 전력케이블에서 주로 적용되고 있으나 송전용 초고압 전력케이블에 적용된 국내 연구가 점차 관심을 받고 있다. 따라서 Wet design 해저케이블에
적용 가능한 국내외 TR XLPE 절연재료의 전기적, 기계적 물성 평가가 필요하다 [13-
15].
또한, 케이블 제조 시 XLPE 압출 가능 길이의 제한으로 장조장 해저케이블 생산에서 공장 접속함 (factory joint, FJ)은 필수적으로
포함된다 [16]. 공장 접속함은 반제품 상태로 생산된 케이블 코어를 연결하는 접속함으로 도체를 용접하고, XLPE 절연체를 테이프 몰딩 방식으로 케이블 외경과 동일하게
복원하는 접속함이다 [17].
본 연구에서는 해저케이블의 장기 신뢰성을 확보하기 위해 상용 XLPE와 TR XLPE A, TR XLPE B를 대상으로 전기적 특성과 기계적 특성을
측정하고 평가하였다. 전기적 특성을 평가하기 위해 체적저항률과 절연내력을 측정하였으며, 절연내력은 두 가지 방식으로 제작된 시편을 대상으로 평가하였다.
XLPE 3종의 펠렛을 약 0.2mm의 두께로 제작한 시편과 ASTM D6097 규격을 기반으로 제작한 6.4mm 가속 열화용 시편의 절연내력을 각각
평가하였다. 가속 열화용 시편은 추후 주파수 가속 열화에 따른 수트리 관찰용 시편이다. 이는 기존 절연재료 절연내력 평가와 차별화된 방법이다. XLPE
3종의 기계적 특성은 인장강도와 파단신율을 측정하고 평가하였다. 본 연구의 평가 결과는 추후 진행될 연구에 대한 전기적, 기계적 특성 평가의 기준에
사용될 예정이다.
2. 시료 제작 및 물성 평가 방법
2.1 체적저항률 평가
본 연구에서는 체적저항률을 측정하기 위해 XLPE, TR XLPE A, B의 펠렛을 120℃, 50bar에서 5분동안 성형을 거친 뒤 180℃, 280bar에서
20분동안 경화 과정을 거쳐 시편을 제작하였다.
체적저항률은 절연재료의 저항 특성을 나타내는 지표로, 전기 전도도의 역수로 표현되며, 값이 클수록 전기적 저항이 우수한 절연체임을 알 수 있다 [18]. 시편에 DC 전압을 인가하면 측정 시간에 따라 충전전류, 흡수전류, 누설전류 세 가지 형태의 전류가 흐르며, 일정 시간이 지나고 준안정상태에 도달한
누설전류 값을 이용해 체적저항률을 계산한다. 이때 유효단면적에 따른 전류밀도를 산출하고, 인가 전계와의 관계식을 통해 식 (1)과 같이 체적저항률을 계산한다. 일반적으로 절연재료의 체적저항률은 측정 온도와 인가 전계에 매우 민감하게 반응하며, XLPE의 체적저항률은 1014 [Ω⦁cm]이상을 나타낸다 [19-
21].
2.2 절연내력 평가
절연내력은 절연재료가 파괴되지 않고 견딜 수 있는 최대 전계를 의미한다. 절연내력은 파괴전압을 시편의 두께로 나누어 두께 단위당 전압 (kV/mm)으로
표현된다. 절연재료의 절연내력은 시편의 두께, 균일성뿐만 아니라 주파수, 전압 상승 속도와 같은 시험 조건에 영향을 받는다. 절연재료에서 절연내력은
시편의 두께가 증가하거나 전압 인가 시간이 증가할수록 감소한다 [22-
23].
2.2.1 시편 제작 및 절연파괴 시험 구성
절연내력을 측정하기 위해 XLPE 3종의 펠렛을 120℃, 50bar에서 5분 동안 성형을 거친 뒤, 180℃, 280bar에서 20분 동안 경화
과정을 거쳐 시편을 제작하였다. 그림 3의 (a)는 실제 시편 사진을 나타낸다. 시편의 AC 절연내력 시험은 ASTM D149-20, IEC 60243-1을 기반으로 진행하였다 [24-
25]. 절연내력 평가는 두께의 범위가 0.242±0.017mm인 시편을 그림 3의 (b)와 같이 20Φ의 구대구 전극 사이에 위치시켰으며, 이때 전극과 시편은 절연유가 담긴 지그 내에서 시험전압을 인가하여 평가하였다. 시험전압은
ramp 형태의 AC 전압을 1kV/s의 속도로 승압하여 절연파괴 발생 시의 전압을 취득하였다. 절연내력은 파괴전압을 시편의 두께로 나누어 산출하였으며,
통계적 분석을 위해 각 소재별로 10개의 시편을 평가하였다.
그림 3. AC 절연파괴 시험 구성
Fig 3. Configuring AC insulation breakdown test
2.2.2 가속 열화용 시편 제작 및 절연파괴 시험 구성
XLPE 3종의 펠렛을 표준 ASTM D6097 기반의 25.4Φ 시편 형태로 제작하였으며, 주파수 가속 열화 이후 절연내력 특성을 비교하기 위해
제작하였다 [26].
가속 열화용 시편은 그림 4의 (a)와 같이 직경 25.4Φ, 두께 6.4mm의 원형 시편으로 제작하였으며, 시편 중앙에 침선단 60°의 pin hole로 인공결함을 만들었다.
시편은 140℃, 50bar에서 18분 동안 성형을 거친 뒤, 180℃, 270bar에서 20분 동안 경화 과정을 거쳐 제작하였다. 제작이 완료된
시편은 80℃, 133Pa 이하의 진공 조건에서 160시간 동안 진공 오븐으로 열처리를 수행하여 제조 공정 중 시편에 포함된 가스 등의 불순물을 제거하였다.
절연파괴 시험 시에는 그림 4의 (b)와 같이 pin hole 내부 표면에 전도성을 띄는 silver paste를 얇게 도포하여 침 형상의 전극을 모의하였다. 시험 전극은 IEC
60243-1에서 권장하는 6mm rod-rod 전극을 이용하였으며 시험은 그림 5와 같이 구성하였다. 시험전압은 ramp 형태의 AC 전압을 1kV/s의 속도로 승압하여 절연파괴 발생 시의 전압을 취득하였다.
그림 4. 가속열화용 시편 및 silver paste 도포
Fig 4. Specimen for accelerated deterioration and apply silver paste
그림 5. 가속 열화용 시편 AC 절연파괴 테스트 회로
Fig 5. Acceleration deterioration specimen AC breakdown test
2.3 인장강도 및 파단신율 측정
인장강도는 케이블 절연체에 인장력이 가해졌을 때 견딜 수 있는 최대 응력을 말하며, 최대 응력을 시편의 초기 단면적으로 나눈 값으로 정의한다. 인장강도가
높을수록 케이블이 균열 및 파손에 강하다는 것을 의미한다. 신율은 케이블 절연체가 인장 시험 중 파단되기 전까지 초기 길이 대비 얼마나 늘어났는지
나타내는 비율로, 재료의 변형을 허용하는 연성과 유연성을 평가하는 지표를 말한다. 파단신율이 높을수록 케이블이 외부 스트레스나 반복 변형에도 쉽게
균열이 발생하지 않으며, 설치 및 운전 환경에서 기계적 안정성이 우수함을 나타낸다.
인장강도와 파단신율 시험은 IEC 60811-501을 기반으로 덤벨형 시편을 25mm/min의 속도로 인장하여 시편이 파단될 때까지의 응력과 변형을
측정하는 방식으로 수행하였다 [27].
그림 6. 시험용 덤벨형 시편
Fig. 6. Test dumbbell specimen
그림 6은 시험용 덤벨형 시편을 나타낸다. 시편은 XLPE와 TR XLPE A, TR XLPE B 3종을 사각형으로 압출하여 제작하였으며, 덤벨형 모양 금형으로
가공하여 제작하였다. 시편의 전체 길이는 75mm이며, 샘플의 중앙지점에서 양단 방향으로 10mm 지점에 인장 지점을 표기하였다.
시험 중 기록된 최대 응력과 초기 단면적을 이용해 인장 강도를 계산할 수 있으며, 파단 시 늘어난 길이를 통해 신율을 계산할 수 있다. 초기 단면적은
샘플의 너비와 두께의 곱으로 계산하였으며, 계산된 초기 단면적은 4.3 ~ 4.7mm2이다.
인장강도 시험은 IEC 60811-501 표준에 따라 시편 인장 속도를 25mm/min으로 설정하여 시험을 수행하였으며, XLPE를 대상으로 250mm/min의
고속 조건을 추가 적용하였다. 이는 케이블 포설 및 설치 과정에서 발생하는 실제 변형 속도가 표준 조건 (25mm/min)보다 빠를 가능성을 고려하여,
인장 속도 변화에 따른 재료의 기계적 거동 특성을 평가하기 위함이다. 그림 7은 인장강도 시험 환경을 나타낸다.
그림 7. 인장강도 시험 구성 환경
Fig. 7. Tensile strength test configuration environment
3. 물성 측정 결과
3.1 체적저항률 측정 결과
본 연구에서는 규격 IEC 62631-3-1을 참고하여 체적저항률을 측정하였으며, 직경 75mm의 원형 전극 사이에 시편을 위치시킨 후 1분 동안
2kV의 DC 전압을 인가하여 누설전류를 측정하고 이를 이용해 체적저항률을 산출하였다. 표 1은 각 시편의 체적저항률 측정 결과 평균값을 나타낸다. 같은 전압 조건에서 TR XLPE B의 체적저항이 가장 높게 산출되었으며, XLPE 대비 약
5.9배 더 높은 체적저항을 가진다. TR XLPE A의 체적저항은 XLPE 대비 약 3.3배 더 높게 산출되었으며, TR XLPE가 기존 XLPE에
비해 체적저항이 더 우수함을 확인하였다.
표 1. 체적저항률 측정 결과 (평균)
Table 1. Volume resistivity measurement result (average)
|
Sample name
|
Thickness [mm]
|
Measurement current [A]
|
Volume resistivity [Ω∙cm]
|
|
XLPE
|
0.258
|
3.24×10-11
|
2.12×1017
|
|
TR XLPE A
|
0.275
|
2.91×10-11
|
6.95×1017
|
|
TR XLPE B
|
0.284
|
5.87×10-12
|
1.25×1018
|
3.2 절연내력 특성 평가
절연내력의 분석은 와이블 분포함수의 척도모수(α)와 형상모수(β)를 통해 진행하였으며 박스차트를 통해 데이터 분포를 확인하였다. 척도모수는 와이블
불신뢰도 함수의 63.2%값을 나타내며, 값이 클수록 평가 재료의 절연내력이 우수함을 알 수 있다. 또한, 형상모수는 불신뢰도 함수의 기울기를 의미하며,
값이 클수록 절연내력 값의 편차가 적음을 나타낸다. 박스차트는 데이터 분포를 시각화한 그래프이다. 박스의 높이는 와이블 분포의 형상모수를 상대적으로
비교할 수 있으며, 파란점 (■)은 누적분포 1%의 값으로, 개별 점으로 표시된다. 빨간 원 (○)은 와이블 분포의 척도모수에 해당하며, 누적 분포가
63.2%에 도달하는 절연파괴강도 값으로 정의된다.
3.2.1 절연내력 분석 결과
그림 8의 (a)는 시편의 절연내력을 와이블 분포를 통해 분석한 결과를 나타내며 그림 8의 (b)는 와이블 분포에 따른 박스차트를 나타낸다. 표 2는 와이블 분포의 척도모수와 형상모수의 분석 결과로, XLPE 대비 TR XLPE A, B의 형상모수와 척도모수의 증가 비율을 나타낸다. 척도모수
측면에서 TR XLPE A, B는 XLPE 보다 약 2% 상승하여 유사한 성능을 보였다. 형상모수의 경우에는 TR XLPE A는 XLPE 대비 73%
상승한 값을 가져 1% 누적 확률 분포 값이 21% 상승하였다. 이는 TR XLPE A의 절연내력 값의 편차가 적어 시편이 균일함을 의미한다. TR
XLPE B의 형상모수는 XLPE 대비 2% 상승하여 XLPE와 유사한 절연내력 특성을 가짐을 알 수 있다.
그림 8. 와이블 불신뢰도 함수 분석 결과 및 박스차트
Fig. 8. Weibull unreliability function analysis results and box charts
표 2. 와이블 누적분포함수 및 형상모수
Table 2. Weibull cumulative distribution function and shape parameter
|
Sample name
|
XLPE
|
TR XLPE A
|
TR XLPE B
|
|
Breakdown strength [kV/mm]
|
63.2% (α)
|
209.8
|
213.8 (2%)
|
213.5 (2%)
|
|
10%
|
171.2
|
290.1 (11%)
|
175.1 (2%)
|
|
1%
|
138.5
|
168.3 (21%)
|
142.3 (3%)
|
|
Shape Parameter (β)
|
11.1
|
19.2 (73%)
|
11.3 (2%)
|
3.2.2 가속 열화용 시편 절연내력 분석 결과
그림 9의 (a)는 가속 열화용 시편의 절연내력을 와이블 분포로 분석한 결과를 나타낸다. 그림 9의 (b)는 와이블 분석 결과에 따른 박스차트를 나타낸다. 표 3에서 척도모수 값은 XLPE가 11.2kV/mm, TR XLPE A, B는 11.8kV/mm로 확인되었다. TR XLPE A, B의 척도모수는 XLPE
대비 5.36% 상승하였는데 이는 TR XLPE 소재가 XLPE보다 더 높은 평균 절연 파괴 강도를 보임을 알 수 있다. 형상모수의 경우에는 XLPE가
16.2, TR XLPE A가 11.7, TR XLPE B가 18.7로 나타났다. TR XLPE B는 XLPE보다 약 15.4% 증가하였고, TR
XLPE A는 27.8% 감소하였는데 이는 TR XLPE B가 XLPE 대비 더 우수한 신뢰성과 시편의 균일성을 가짐을 의미한다. 반면 TR XLPE
A는 형상모수 값이 낮아 데이터의 범위가 넓으며, 절연내력 특성 편차가 상대적으로 큼을 알 수 있다.
그림 9. 가속 열화용 시편 와이블 불신뢰도 함수 결과 및 박스차트
Fig. 9. Sample Weibull unreliability function analysis results and box charts for
acceleration degradation
표 3. 가속 열화용 시편 와이블 누적분포 및 형상모수
Table 3. Sample Weibull cumulative distribution and shape parameter of acceleration
degradation
|
Sample name
|
XLPE
|
TR XLPE A
|
TR XLPE B
|
|
Breakdown strength [kV/mm]
|
63.2% (α)
|
11.2
|
11.8 (5.4%)
|
11.8 (5.4%)
|
|
10%
|
9.7
|
9.7
|
10.4 (7.2%)
|
|
1%
|
8.4
|
8.0 (-4.8%)
|
9.2 (9.5%)
|
|
Shape Parameter (β)
|
16.2
|
11.7 (-27.8%)
|
18.7 (15.4%)
|
3.3 인장강도 및 파단신율 측정 결과
그림 10는 인장강도 측정 결과를 나타낸다. 인장강도는 최대 응력을 초기 단면적으로 나누어 계산하였다. 인장강도 측정 결과 XLPE가 18.4MPa로 가장
높은 인장강도를 나타냈으며, TR XLPE B는 17.2MPa, TR XLPE A는 16.4MPa로 XLPE보다 낮은 인장강도를 보였다.
그림 11는 XLPE 3종의 덤벨형 시편을 대상으로 파단신율 측정 결과를 나타낸다. 파단신율은 변형이 일어난 최대 길이를 초기 길이로 나누어 계산되며 재료의
연성을 나타내는 지표이다. 측정결과 XLPE가 890.5%로 가장 높은 파단신율을 보였으며, TR XLPE A가 830.9%로 가장 낮았다. TR
XLPE B는 883.9%로 XLPE와 비슷한 수준임을 확인하였다.
인장속도가 빠를수록 인장강도와 파단신율 모두 높게 측정되었는데, 이는 고분자 소재의 점탄성 거동에 따라 변형 속도가 증가할 경우 분자사슬의 응력 완화와
재배열이 충분히 일어나지 못하여 순간적으로 내부 저항이 증가하기 때문으로 추정되며, 선행연구에서도 유사한 결과를 보였다 [28-
29].
그림 10. 인장강도 측정결과
Fig 10. Result of electric field analysis
그림 11. 파단신율 측정결과
Fig 11. Result of electric field analysis
4. 결 론
해저 전력망이 확대됨에 따라 Wet design 해저케이블 절연재료의 신뢰성 평가가 요구되며, 본 연구는 이를 위한 기초 데이터를 제공하고자 수행되었다.
본 연구에서는 XLPE, TR XLPE A, TR XLPE B의 전기적 및 기계적 특성을 종합적으로 평가하였다.
전기적 특성 평가 결과, 체적저항률은 TR XLPE B가 XLPE 대비 5.9배 높게 나타났다. AC 절연파괴 강도 와이블 척도모수 63.2% 기준은
TR XLPE A, B가 XLPE 대비 약 2% 증가했으며, 가속 열화용 시편에서도 XLPE A, B 모두 XLPE 대비 5% 증가한 성능을 확인하였다.
기계적 특성 평가에서 인장강도는 XLPE가 TR XLPE A 보다 약 12%, TR XLPE B보다 약 7% 우수함을 확인하였다. 파단신율도 XLPE가
TR XLPE A 보다 초기 길이 대비 6.7% 더 큰 변형을 보였다.
본 연구의 결과는 향후 주파수 가속 열화 시험에서 수트리 발생 후 시편의 전기적 특성 변화를 비교 및 분석하는 기준 자료로 활용될 예정이다. 또한,
XLPE의 공장접속함 제작 후 기계적 특성 평가를 비교하는 기준이 될 것으로 기대된다. 이를 통해 전력케이블 절연체의 장기 신뢰성과 내구성을 확보하는
데 기여할 것으로 기대된다.
Acknowledgements
This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and
Planning(KETEP) grant funded by the Korea government(MOTIE) (RS-2024-00449926, Development
of Reflectometry-Based Diagnostic Technology for Detecting Aging in Wet Type Submarine
Cables for Offshore Wind Power)
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저자소개
She received her B.S. degree from Mokpo National Maritime University (MMU), Korea,
and is currently pursuing her M.S. degree in marine electronic communication computer
engineering at MMU. Her research interests include transformer degradation diagnostics,
cable aging detection, high voltage insulation testing, asset management, and applications
of artificial intelligence (AI) in power systems.
She received her B.S. degree from Mokpo National Maritime University (MMU), Korea,
and is currently pursuing her M.S. degree in marine electronic communication computer
engineering at MMU. Her research interests include power cable insulation diagnostics,
XLPE thermal degradation, reliability of marine and underground cables, and high-voltage
insulation testing.
He received a B.S. from Mokpo Maritime University (MMU) in 2020 and M.S. in marine
electronic communication computer science from MMU in 2022. Currently, he is researching
electrical evaluation at the AD&P (Aging Diagnostics & Prediction) LAB, MMU, Korea.
His research focuses on insulating materials for power cables, thermoplastic materials,
high voltage testing, asset management, AI, and big data analysis.
He received his B.S. degree from the Marine Engineering, Mokpo National Maritime University,
in 2024. He is pursuing the master’s degree in marine electronic communication computer
science and he is interested power transformers diagnosis, cable insulation materials,
asset management and high voltage testing.
He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees in mechanical engineering from Korea
Maritime & Ocean University, Busan, in 2009, 2011, and 2018, respectively. From 2011
to 2016, he was an assistant manager at Hyosung Heavy Industries, where he specialized
in thermal and fluid analysis of electric motors. Since 2016, he has been a Principal
Researcher with the Wind & Marine Energy Research Division at the Green Energy Institute
(GEI), Mokpo, South Korea. His research interests include offshore wind farm control
systems, tidal-current turbine design, and performance analysis of renewable energy
systems.
He received the B.S., M.S., and Ph.D. degrees from Chonnam National University, Gwangju,
in 1989, 1991, and 1996, respectively. Since 1996, he has been a Professor with Mokpo
National Maritime University, Mokpo, South Korea. His research interests include high
voltage (HV) power cables, insulation diagnosis using artificial intelligence (AI),
life estimation of power equipment, and health index of power cables.