양철민
(Chul-Min Yang)
*†iD
정현철
(Hyun-Chul Jung)
*iD
정재철
(Jae-Cehol Jeong)
*iD
홍동석
(Dong-Suk Hong)
*iD
김현주
(Hyeon-Ju Kim)
*iD
-
(Technology Research Institute, Taihan Cable & Solution, Republic of Korea.)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers
Key Words
TR(tree retardant)-XLPE, Space charge, Thermal aging characteristic, OIT(Oxidation induction time)
1. 서 론
신재생에너지의 확대와 도서 지역 전력 공급수요 증가에 따라 고전압 직류 송전(HVDC) 및 배전(MVDC)은 중요한 기술로 자리 잡고 있다. [1]. 이를 위해 HVDC의 경우 DC 전용 절연 재료가 개발되어 적용되고 있으나, MVDC의 경우 기존 AC 배전용 케이블을 그대로 적용하려는 시도가
이루어지고 있다. 이와 같은 시도는 신규 케이블 설치 비용을 절감하고 기존 전력 인프라를 효율적으로 활용할 수 있다는 이점이 있다.
케이블의 절연 재료는 일반적으로 XLPE(Cross-linked Polyethylene)가 사용되나, XLPE는 습윤 환경에서 수트리(Water Tree)
열화가 발생할 수 있으며, 배전급 케이블의 경우 이를 방지하기 위해 TR(Tree Retardant) XLPE가 절연 재료로 널리 사용되고 있다 [2-
3].
따라서 현재 AC 배전용 케이블을 MVDC에 적용하기 위해서는 TR-XLPE의 DC 환경에서의 특성 평가가 중요하다. 그러나 기존의 TR-XLPE의
DC 환경에서 전기적 특성에 관한 연구는 많지 않다. 일반적으로 XLPE 내 첨가제들은 DC 환경에서 공간전하 축적의 주요 원인이며, 이는 국부적인
전계 집중을 유발하여 절연 재료의 열화를 가속하고, 조기 절연 파괴를 초래할 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 다양한 첨가제를 포함하는 TR-XLPE의
경우 공간전하 거동에 관한 연구가 필요하다 [4].
본 연구에서 AC 배전용 TR-XLPE 절연 소재의 DC 적용 가능성 검토를 위한 기초자료 확보를 위한 열화에 따른 전기적, 화학적 특성을 비교 분석하려고
한다. DSC 및 FTIR를 통해 첨가제 및 고분자의 화학적 특성 변화를 분석하였으며, 공간전하 분석을 통해 장기 열화에 따른 내부 전계 왜곡 및
충·방전 전하 특성을 평가하여 장기 열화에 따른 공간전하 특성 변화를 검토하였다. 이를 바탕으로 XLPE와 기존 AC 배전용 TR-XLPE의 열화
특성 및 공간전하 거동을 비교·분석하여 절연 재료 간 특성 차이를 확인하고, 향후 DC 배전 적용 가능성 검토를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
2. 실험 재료 준비 및 방법
2.1 시료 준비
각 XLPE 및 TR-XLPE 자재를 시편 제작용 금형에 넣고 그림 1.의 핫 프레스(Hot Press)를 이용하여 sheet 형태의 시편으로 제작하였다. 시편은 120℃ 5분간 성형 후 180℃에서 20분간 가교하였으며,
가교 후 공냉 하여 두께 1 mm의 sheet 형태 시료를 제작하였다.
이후 장기 운전 환경에서 발생하는 열화를 단기간에 재현하기 위해 가속 열화 조건을 140℃로 선정하였으며, air oven을 이용하여 140℃에서
최대 30일간 열화하였다. 각 시료의 열화 기간에 따른 명명 및 형상은 표 1에 나타내었다.
그림 1. 시료 제작용 Hot press 및 Air oven
Fig. 1. Hot press and air oven used for sample fabrication
표 1. 열화 시료 명명 및 열화 기간 조건
Table 1. Sample designation and aging period
2.2 FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
각 절연자재의 열화에 따른 화학적 구조 변화 분석을 위하여 FTIR 분석을 수행하였다. ATR(Attenuated Total Reflectance)
모드를 사용하였으며, 측정 범위는 4000-600 cm-1, 분해능은 4 cm-1, Scan 횟수는 32회로 설정하였으며, 모든 시료는 동일한 조건에서 측정하였다.
2.3 DSC(Differential Scanning Calorimetry)
DSC 측정을 통해 각 시료의 열화에 따른 열적 특성을 분석하였다. 측정은 질소(N2) 분위기의 비활성 조건에서 수행하였으며, 1차 승온(First Heating), 냉각(Cooling), 2차 승온(Second Heating) 과정으로
진행하였다. 승온 과정은 25℃에서 200℃까지 10℃/min의 속도로 가열하였고, 냉각 과정은 200℃에서 25℃까지 10℃/min의 속도로 냉각하였다.
측정 결과를 바탕으로 각 시료의 1차 및 2차 용융온도(Tm), 결정화 온도(Tc) 및 결정화 엔탈피($\Delta$H)를 산출하여 열화에 따른 열적
특성 변화를 평가하였다.
2.4 OIT(Oxidation Induction Time)
각 시료의 산화 안정성을 평가하기 위해 DSC를 이용한 OIT 분석을 수행하였다. 분석은 질소(N2) 분위기의 비활성 조건에서 200℃까지 승온한 후 산소(O2)를 주입하여 산화 반응이 개시되는 시간을 OIT로 정의하였다.
2.5 공간전하 (Space Charge)
공간전하 특성은 PEA(Pulsed Electro-Acoustic)법을 이용하여 측정하였다. 시험 온도는 실제 케이블의 운전 온도를 고려하여 60
℃로 설정하였으며, 열화에 따른 공간전하의 생성 및 축적 거동을 명확하게 관찰하기 위해 실제 운전 전계보다 높은 30 kV/mm의 직류 전계를 인가하였다.
전압 인가 상태에서는 시간에 따른 공간전하 분포와 내부 전계 분포 변화를 측정하였으며, 전압 제거 후 방전 과정에서의 전하 방전 특성을 분석하였다.
공간전하 분포는 전압 인가 직후(0 h)와 3 h 경과 후 측정하였고, 방전 특성은 전압 제거 후 0, 1, 5, 15 및 30 min에서 측정하였다.
또한, 측정된 공간전하 분포를 바탕으로 시료 내부의 전계 분포를 계산하여 열화에 따른 전계 왜곡 특성을 분석하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 Structural Characterization
열화 중 발생한 화학적 변화 분석을 위해 ATR 모드에서 4000-600 cm-1 범위의 FTIR 스펙트럼을 분석하였으며 그 결과를 그림 1, 그림 2에 나타내었다.
먼저 XLPE 초기 상태(Pellet, PE-0)에서는 3300 cm-1 부근의 넓은 hydroxyl기 피크가 관찰되었으며, 이는 페놀계 유기 첨가제에 기인한 것으로 판단된다. 그러나 열화가 진행된 PE-7은 해당 피크가
현저하게 감소했으며, 이는 140℃의 고온 환경에서 첨가제의 소모 및 휘발로 인한 것으로 판단된다. 이와 함께 carbonyl 및 ester기 피크
역시 초기에는 높은 강도를 보였으나, 열화가 진행된 PE-7 시편에서 감소하는 경향을 보였다. 이후 장기 열화인 PE-15 이후부터 1700-1750
cm-1의 carbonyl기, 1300-1000 cm-1의 ester기 및 기타 산화 생성물 관련 피크가 증가하는 경향을 나타냈으며 이는 열화에 의한 산화 생성물의 형성에 기인한 것으로 판단된다 [5].
TR-XLPE의 경우 초기 상태(Pellet, TR-0)에서 완만한 형태의 hydroxyl 및 carbonyl기 피크가 관찰되었으며 이는 유기 첨가제에
의한 것으로 보인다. 초기 열화(TR-7)에서 감소하는 경향을 나타냈으며 이는 유기 첨가제의 손실로 인해 나타난 것으로 보인다. 장기 열화 구간에서
hydroxyl 및 carbonyl기 피크의 증가하는 경향을 보였으며, 이는 산화 생성물 형성으로 인한 것으로 판단된다 [6]. 또한, ester기도 유사한 증가 거동을 나타냈다.
FTIR 분석 결과, XLPE와 TR-XLPE 모두 초기 열화 구간에서는 첨가제의 소모 및 휘발로 인해 hydroxyl, carbonyl 및 ester기
피크가 감소하는 경향이 보였다. 반면, 장기 열화 이후 고분자 및 첨가제의 산화 생성물 생성으로 인해 다시 증가하는 유사한 거동을 나타내었다. 따라서
FTIR 분석으로는 두 소재 간의 뚜렷한 열화 거동 차이를 확인하기 어려웠으며, 이를 보완하기 위해 DSC 및 공간전하 특성 분석을 추가로 수행하였다.
그림 2. XLPE 열화 FT-IR 스펙트럼: (a) 전체 피크 영역, (b) hydroxyl기 피크 영역, (c) carbonyl기 피크 영역 및
(d) ether기 피크 영역
Fig. 2. FT-IR spectra of aged XLPE: (a) full spectral region, (b) hydroxyl group region,
(c) carbonyl group region, and (d) ether group region
그림 3. TR-XLPE 열화 FT-IR 스펙트럼: (a) 전체 피크 영역, (b) hydroxyl기 피크 영역, (c) carbonyl기 피크 영역
및 (d) ether기 피크 영역
Fig. 3. FT-IR spectra of aged TR-XLPE: (a) full spectral region, (b) hydroxyl group
region, (c) carbonyl group region, and (d) ether group region
3.2 Thermal Analysis
열화 기간에 따른 XLPE 및 TR-XLPE의 열적 특성 변화를 분석하기 위해 DSC 및 OIT 분석을 수행하였으며, 그 결과는 표 2, 그림 4 및 그림 5에 나타내었다.
먼저, XLPE 자재의 열화 초기 단계인 PE-7 시료에서 결정화 엔탈피가 초기 74.77 J/g에서 72.19 J/g으로 일시적으로 감소하였다.
이는 열화 초기 단계에서 발생한 첨가제 및 저분자 성분의 손실에 따른 결정화 거동 변화에 기인한 것으로 판단된다. FTIR 분석에서도 첨가제 관련
피크의 감소가 관찰되었으며, OIT 역시 13.05 min으로 감소하였다. 이후 장기 열화 구간인 PE-15, PE-30의 결정화 엔탈피는 초기 수준으로
회복하였다. 이는 열처리 과정에서 비결정 영역의 분자 사슬이 재배열되면서 재결정화가 진행되어 회복된 것으로 판단된다 [7].
반면, OIT는 초기 대비 지속적인 감소가 관찰되었으며, 이는 내부의 산화방지제가 열화에 의한 소모로 인해 감소한 것으로 판단된다.
TR-XLPE의 경우 초기 열화 구간인 TR-7의 결정화 엔탈피는 초기 71.56 J/g에서 66.44 J/g로 감소하였으며, OIT 역시 21.09
min에서 14.66 min으로 감소하였다. 이 역시 XLPE와 마찬가지로 열화에 의해 초기 첨가제 손실 및 분자 구조의 변화에 의한 것으로 보인다.
반면, TR-15 시료에서는 열화 전 시료와 유사하게 결정화 엔탈피가 71.34 J/g로 회복하였으며, OIT도 일시적으로 증가하였다. 이는 결정구조의
재배열에 따른 산소 확산 억제 효과와 관련이 있을 가능성이 있다 [8]. 최대 열화 구간인 TR-30에서는 결정화 엔탈피의 유의미한 변화는 없었으며, OIT는 12.48 min으로 감소하였다. 전반적으로 열화 거동은
XLPE와 유사하게 나타났으나, OIT 감소폭은 TR-XLPE가 상대적으로 작게 나타났다. 이는 두 소재의 적용된 첨가제의 함량 또는 조성 차이에
의한 것으로 보인다.
전체적인 분석 결과, 열화 기간에 따른 융점(Tm1, Tm2) 및 결정화 온도(Tc)는 두 소재 모두 급격한 변화가 관찰되지 않았다. 반면, 결정화 엔탈피와 OIT는 열화 초기 고분자 구조 변화 및 첨가제의
소모로 인해 변화하는 경향을 나타냈다. 특히 결정화 엔탈피는 장기 열화 구간에서 초기 수준으로 회복하는 경향을 보였으며, 이는 열처리에 따른 분자
사슬의 재배열 및 재결정화에 기인한 것으로 판단된다. 또한, OIT의 감소폭은 TR-XLPE 대비 XLPE가 더 크게 나타났으며, TR-XLPE가
상대적으로 우수한 산화 안정성을 유지한 것으로 판단된다.
표 2. DSC 분석을 통한 열화 기간별 TR-XLPE 열적 특성표
Table 2. DSC analysis of TR-XLPE thermal properties across different aging periods
|
|
Tm1
(℃)
|
Tc
(℃)
|
Tm2
(℃)
|
$\Delta$H
(J/g)
|
OIT
(min)
|
|
PE-0
|
103.24
|
91.66
|
103.05
|
74.77
|
24.66
|
|
PE-7
|
103.18
|
91.67
|
103.17
|
72.19
|
13.05
|
|
PE-15
|
103.05
|
91.98
|
103.18
|
74.40
|
4.21
|
|
PE-30
|
103.16
|
92.34
|
103.03
|
73.36
|
5.36
|
|
TR-0
|
103.42
|
90.95
|
102.89
|
71.56
|
21.09
|
|
TR-7
|
103.02
|
91.51
|
102.90
|
66.44
|
14.66
|
|
TR-15
|
102.50
|
91.31
|
102.62
|
71.34
|
15.01
|
|
TR-30
|
103.35
|
90.64
|
103.28
|
70.25
|
12.48
|
그림 4. 열화 시료별 DSC curve: (a) XLPE 1차 승온, (b) XLPE 1차 냉각, (c) XLPE 2차 승온, (d) TR-XLPE
1차 승온, (e) TR-XLPE 1차 냉각 및 (f) TR-XLPE 2차 승온
Fig. 4. DSC curves of aged samples: (a) XLPE 1st heating, (b) XLPE 1st cooling, (c)
XLPE 2nd heating, (d) TR-XLPE 1st heating, (e) TR-XLPE 1st cooling, and (f) TR-XLPE
2nd heating
그림 5. 열화 시료별 OIT 변화: (a) XLPE (b) TR-XLPE
Fig. 5. Changes in OIT for different aged samples: (a) XLPE and (b) TR-XLPE
3.3 Space Charge Density
전압 인가 상태(Voltage-on) 조건에서의 공간전하 축적 거동을 분석하기 위해 공간전하 분포를 측정하였으며, 그 결과를 그림 6에 나타냈다. 열화 전 XLPE 및 TR-XLPE 시료 모두 시간에 따른 공간전하 축적은 크게 관찰되지 않았으며, TR-XLPE는 XLPE 대비 상대적으로
낮은 공간전하 분포를 나타내었다. 선행 연구에 따르면 TR-XLPE에 포함된 극성 첨가제는 수트리 억제뿐만 아니라 공간전하 주입 및 트랩 형성 특성에
영향을 미치는 것으로 알려져 있다 [9]. 따라서 두 소재의 열화 전 공간전하 특성의 차이는 첨가제의 종류 및 함량 차이에 의한 것으로 판단된다.
열화 7일에서는 두 소재 모두 공간전하 축적이 증가하는 경향을 나타냈으며, 특히 XLPE는 TR-XLPE 보다 전극 인근에서 높은 공간전하 축적이
관찰되었다. FTIR 분석에서 뚜렷한 산화 생성물의 증거가 관찰되지 않은 것을 고려하면, 이러한 변화는 고분자의 결정구조 변화에 따른 트랩 분포 변화의
영향으로 판단된다. 실제 DSC 분석에서는 엔탈피의 감소가 관찰되어 결정구조의 변화가 발생하였음을 의미한다. 이러한 결정구조의 변화는 결정/비정질
계면의 전하 트랩 분포를 변화시켜 공간전하 축적을 증가시킨 것으로 보인다 [10].
열화 15일에서는 두 소재 모두 공간전하 축적이 더욱 증가하였으며, FTIR 분석에서도 carbonyl기의 증가가 확인되었다. 이는 열화에 의해 산화
생성물이 생성되었음을 의미한다. carbonyl기와 같은 산화 생성물은 전하 트랩으로 작용하여 전하 이동을 억제하므로 공간전하 축적 증가에 영향을
미친 것으로 판단된다. 특히 TR-XLPE는 열화 초기에는 XLPE 보다 낮은 공간전하 축적을 나타냈으나, 열화 15일부터는 오히려 높은 공간전하
축적을 보였다. 이는 열화가 진행됨에 따라 TR-XLPE에 포함된 첨가제의 열화와 산화 생성물의 증가가 전하 트랩 특성 변화에 큰 영향을 미친 결과로
판단되며, 따라서 열화가 진행됨에 따라 TR-XLPE와 XLPE의 공간전하 거동이 역전된 것으로 보인다.
열화 30일에서는 XLPE의 공간전하 축적이 지속적으로 증가하였다. 반면 TR-XLPE는 시료 내부의 과도한 전하 축적으로 인해 정상적인 PEA 신호를
획득하기 어려웠다. 따라서 TR-XLPE는 초기에는 우수한 공간전하 억제 특성을 나타냈으나, 장기 열화 이후에는 첨가제 및 고분자의 산화 생성물 증가로
인해 오히려 XLPE 보다 많은 공간전하가 축적되는 거동을 나타내었다. 이러한 자재별 거동의 차이는 열화에 의해 고분자 및 첨가제의 열화에 따른 화학적
변화가 전하 트랩특성 변화에 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다 [11]. DSC 분석에서는 결정화 엔탈피 및 용융 특성의 유의미한 차이가 관찰되지 않았음에도 불구하고 XLPE 대비 현저한 황변 현상이 확인되었다. 이는
고분자 또는 유기첨가제의 산화에 의해 형성되는 chromophore 구조와 관련된 것으로 알려져 있다 [12]. 이러한 고분자 및 유기 첨가제의 열화 과정 중에 생성된 산화 생성물은 전하 트랩특성에 영향을 미친 것으로 보인다.
각 소재의 열화에 따른 방전 특성을 분석하기 위해 전압 제거(Voltage-off) 후 시간에 따른 방전 전하밀도를 그림 7에 나타내었다. 열화 전 시료에서는 TR-0이 PE-0보다 빠른 전하 방전 특성을 나타냈다. 이는 전압 인가(Voltage-on) 조건에서 확인된
낮은 공간전하 축적 특성과 일치하는 결과로, TR-XLPE가 초기에 우수한 공간전하 제어 특성을 나타냈음을 의미한다.
열화 7일에서는 두 시료 모두 방전 시간이 길어지는 경향을 나타냈다. PE-7은 TR-7 대비 느린 전하 방전 특성을 보였으며, 열화 초기에도 상대적으로
많은 잔류 공간전하가 유지되는 것으로 확인되었다.
열화 15일에서는 두 시료 모두 방전 시간이 증가하는 경향을 보였으나, 특히 TR-XLPE의 방전시간이 XLPE 보다 길게 나타났다. 이는 전압 인가(Voltage-on)
조건에서 확인된 공간전하 축적 증가와 동일한 경향으로, 장기 열화 과정에서 형성된 deep trap에 의해 전하의 이동 및 소멸이 지연된 결과로 판단된다.
30일 열화에서도 자재별로 공간전하 방전 거동의 뚜렷한 차이가 나타났다. XLPE는 열화가 진행됨에 따라 방전 시간이 지속적으로 증가하는 경향을 보였으나,
TR-XLPE의 경우 시료 내부에 공간전하가 과도하게 축적되어 정상적인 방전 신호를 취득할 수 없었다. 따라서 장기 열화가 진행될수록 TR-XLPE는
전하 방전 특성은 크게 저하되었으며, 이는 Voltage-on 조건에서 확인된 공간전하 축적 거동과도 잘 일치하였다. 그림 8은 그림 7에서 측정한 공간전하 방전 신호를 적분하여 전압 제거 후 시간에 따른 잔류 전하밀도를 나타내었다. 열화가 진행될수록 전압 제거 후 동일한 시간에서의
잔류 전하밀도가 증가하는 경향을 나타냈으며, 이는 전하 방전 속도가 감소하여 공간전하가 장시간 시료 내부에 잔류함을 의미한다. XLPE의 경우 열화
기간이 증가할수록 잔류 전하 밀도가 증가하였다. 또한 TR-XLPE 역시 TR-7, TR-15 시료에서 잔류 전하밀도가 증가하여 전하 방전 특성이
저하되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 그림 7의 방전 특성을 정량적으로 뒷받침하는 결과로 판단된다.
그림 6. 절연자재 2종 열화 조건별 공간전하 축적: (a) PE-0, (b) PE-7, (c) PE-15, (d) PE-30, (e) TR-0,
(f) TR-7 및 (g) TR-15
Fig. 6. Space charge accumulation in the two insulation materials under different
thermal aging conditions: (a) PE-0, (b) PE-7, (c) PE-15, (d) PE-30, (e) TR-0, (f)
TR-7, and (g) TR-15
그림 7. 절연자재 2종 열화 조건별 방전 전하밀도: (a) PE-0, (b) PE-7, (c) PE-15, (d) PE-30, (e) TR-0,
(f) TR-7 및 (g) TR-15
Fig. 7. Space charge density distributions of the two insulation materials under different
thermal aging conditions: (a) PE-0, (b) PE-7, (c) PE-15, (d) PE-30, (e) TR-0, (f)
TR-7, and (g) TR-15
그림 8. 열화 기간에 따른 (a) XLPE 및 (b) TR-XLPE의 잔류 전하밀도 방전 특성
Fig. 8. Residual charge density discharge characteristics of (a) XLPE and (b) TR-XLPE
at different aging periods
3.4 Electric Field Distribution
공간전하의 축적은 절연 재료 내부의 전계 분포를 변화시키며, 국부적인 전계 집중을 유발하여 절연 파괴와 같은 결함의 원인이 될 수 있다. 따라서 공간전하
축적에 따른 내부 전계 왜곡 특성을 확인하기 위해 전압인가 조건에서 측정한 내부 전계 분포를 그림 9에 나타내었다.
열화 전 XLPE와 TR-XLPE 모두 시간 경과에 따른 내부 전계 분포 변화가 관찰되지 않았다. 또한, TR-XLPE는 XLPE 대비 전계 왜곡이
작게 나타나 초기 상태에서 우수한 공간전하 억제 특성을 나타내었다.
열화 7일 차에는 두 시료 모두 전압인가 3시간 이후 전극 인근에서 전계 집중 현상이 관찰되었으며, 열화 전 대비 왜곡이 증가하는 경향을 나타냈다.
그러나 TR-XLPE는 XLPE 대비 상대적으로 완만한 전계 분포를 나타냈다.
열화 15일 차 두 시료 모두 내부 전계 왜곡이 더욱 증가하였으며, 특히 TR-XLPE는 XLPE 대비 전계 왜곡과 전극 인근의 전계 집중 현상이
뚜렷하게 관찰되었다. 이는 앞서 확인한 공간전하 축적 거동 증가 결과와 일치하며, 열화 과정에서 생성된 고분자 및 첨가제의 산화 생성물이 전하 트랩특성에
영향을 미쳐 내부 전계 왜곡을 증가시킨 결과로 판단된다. 이러한 결과는 열화가 진행될수록 공간전하 축적으로 내부 전계 왜곡이 증가함을 보여준다. 특히
TR-XLPE는 열화 초기에는 XLPE 대비 작은 전계 왜곡을 나타냈으나, 열화 15일 이후에는 오히려 더 큰 전계 왜곡을 나타내어 공간전하 거동이
역전됨을 확인하였다.
또한, 30일 열화 시료에서는 시료 내부의 과도한 공간전하 축적으로 인해 정상적인 전계 분포 측정할 수 없었으며, 따라서 장기 열화 과정에서 생성된
첨가제 및 고분자 열화 산화 생성물은 공간전하 축척 증가시킬 뿐만 아니라 내부 전계 왜곡을 유발하는 것으로 판단된다.
그림 9. 절연자재 2종 열화 조건별 공간전하 전계 분포도: (a) PE-0, (b) PE-7, (c) PE-15, (d) PE-30, (e) TR-0,
(f) TR-7 및 (g) TR-15
Fig. 9. Electric field distribution of two types of insulation materials under different
aging conditions: (a) PE-0, (b) PE-7, (c) PE-15, (d) PE-30, (e) TR-0, (f) TR-7, and
(g) TR-15
4. 결 론
본 연구는 열화에 따른 화학적, 열적 및 공간전하 특성 분석을 분석하여 AC 배전용 TR-XLPE 절연 재료의 DC 적용 가능성 검토를 위한 기초자료를
확보하고자 하였다. FTIR 분석 결과, 열화 초기에는 carbonyl 및 ether기의 감소가 관찰되었으나, 열화가 진행됨에 따라 증가하는 경향을
보였다. 이는 열화 초기에 첨가제의 소모 및 손실이 우세하게 발생하고, 이후에는 열 산화 생성물의 형성으로 인한 영향으로 판단된다.
DSC 및 OIT 분석 결과, 열화 초기 단계에서 결정화 엔탈피 및 OIT가 감소하였으며, 이는 산화방지제와 같은 유기 첨가제의 소모 및 분자구조
변화에 의한 것으로 보인다. 반면 장기 열화 구간에서는 결정화 엔탈피가 회복하는 경향을 나타냈으며, 이는 열 노출에 따른 재결정화 현상에 의한 것으로
보인다. 또한, 융점(Tm) 및 결정화 온도(Tc)는 열화 전반에 걸쳐 큰 변화가 관찰되지 않아 가교 구조가 비교적 안정적으로 유지되는 것으로 확인되었다.
공간전하 분석 결과, 초기 TR-XLPE는 XLPE 대비 낮은 공간전하 축적과 빠른 전하 방전 특성을 나타내어 우수한 공간전하 특성을 보였다. 그러나
열화가 진행됨에 따라 공간전하 축적 및 잔류 특성이 증가하였으며 특히 열화 15일 이후에는 XLPE 보다 더 큰 공간전하 축적 및 내부 전계 왜곡을
나타내어 공간전하 거동이 역전되는 특성을 확인하였다. 또한, 열화 30일의 조건에서는 과도한 공간전하 축적으로 인해 정상적인 PEA 신호를 취득하기
어려웠다. 이는 열화 과정에서 생성된 고분자 및 첨가제의 산화 생성물이 전하 트랩 특성에 영향을 미친 결과로 판단된다. 따라서, TR-XLPE는 XLPE
대비 초기에는 우수한 공간전하 특성을 나타내지만, 장기 열화 시 고분자 및 첨가제의 산화 생성물 형성으로 인해 공간전하 거동과 내부 전계 분포가 크게
변화할 수 있음을 확인하였다.
상기의 결과는 기존 AC 배전용 TR-XLPE를 DC 절연 재료로 적용할 경우 장기 열화에 따른 공간전하 특성과 및 첨가제의 장기 안정성에 대한 추가적인
검토가 필요함을 시사한다.
Acknowledgements
This research was supported by the Ministry of Climate, Energy and Environment (MCEE)
and the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) through
the research project (No. RS-2024-00449926).
References
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저자소개
He received his M.S. degree in Organic Materials Engineering from Chungnam National
University in 2022. Since 2023, he has been with the R&D Center at Taihan Cable &
Solution, where he is currently a Associate Research Engineer. His research interests
focus on the development and property evaluation of power cable materials.
He received his M.S. degree in Automotive Engineering from Honam University in 2020,
after completing his B.S. in Electronic Engineering. He is currently a Research Engineer
in the Reliability Research Team at Taihan Cable & Solution. His research interests
focus on space charge, partial discharge, and diagnostic technologies.
He received his M.S. degree in Electrical Engineering from Daejin University, Korea,
in 2011. Since joining the R&D Center at Taihan Cable & Solution in 2011, he has been
engaged in research on space charge and diagnostic technologies. He currently serves
as the Reliability Research Team Leader at the R&D Center.
He received his M.S. degree in Electrical Engineering from Wonkwang University, Korea,
in 2002. Since joining the R&D Center at Taihan Cable & Solution in 2007, he has been
engaged in research and development of power cable technologies. He currently serves
as the Director of the R&D Center.
He received his B.S. degree in Electrical Engineering from Chung-Ang University, Seoul,
Korea, in 1992. Since 1991, he has been with Taihan Cable & Solution, where he currently
serves as the Chief Technology Officer (CTO).