1.1 연구의 배경

전력케이블이란, 알루미늄 또는 구리 재질의 도체에 고전압, 대전류의 전력을 송전하거나 배전할 때 사용하는 케이블을 의미한다⁽¹⁾. Cross linked polyethylene (XLPE)는 전기적 특성과 더불어 기계적 특성이 우수하기 때문에 현재 고전압용 전력케이블의 절연재료로 국내뿐만 아니라 세계 각국에서 널리 사용되고 있다. 이와 같은 XLPE는 제조공정 중에서 열적 불안정성을 개선하기 위한 가교공정이 수반됨에 따라 결함이 필연적으로 발생하기 때문에 장기적으로 절연재 열화의 주원인이 되고 있다⁽²⁾. 또한 XLPE는 제작 시에 가교 공정의 특성으로 인하여 전력케이블의 노후화 및 철거에 따른 재성형, 재활용이 불가능하기 때문에 폐기 및 소각에 따른 환경 측면에서 가교 구조를 가지지 않는 친환경 대체 절연재료의 개발이 시급한 실정이다. 이와 같은 이유로 인하여 기존의 XLPE 절연재료 이상의 우수성을 확보할 뿐만 아니라 재활용이 가능한 친환경성 절연재료의 개발이 이루어져야 한다.

이와 같은 친환경 전력케이블은 기존의 XLPE 절연케이블의 상시 도체 사용온도가 90℃인 것에 비하여 상시 도체 사용온도가 110℃로 약 20% 이상 우수하다. 따라서 전력케이블의 정격 전류를 상승시킬 수 있는 장점을 가지고 있다 ⁽³⁾.

1.2 연구결과의 파급효과

본 연구에서는 기존 전력케이블의 절연재료로 사용되고 있는 XLPE를 대체하기 위하여 재활용이 가능한 polypropylene (PP)를 개발하였으며, 개발된 샘플의 전기적 절연특성을 XLPE와 비교, 분석하였다. 이와 같은 친환경 절연재료의 개발을 통하여 환경적 측면으로는 친환경 제품에 부합되는 차세대 절연소재의 원천기술을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 가교공정 및 탈기공정 등이 제거되기 때문에 CO2 발생을 대폭 저감시킬 수 있다. 또한 재활용과 소각 및 매립에 따라 발생할 수 있는 환경오염 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 대책이 될 수 있을 것이다. 기술적 측면으로는 재활용이 가능한 고분자 절연재료 개발의 원천기술 확보와 함께 차세대 친환경 절연재료에 대한 평가기술을 확보할 수 있다는 의미를 가진다. 또한 경제적 측면에서는 친환경제품 시장에서 국내 관련사업체의 국제경쟁력과 CO2 배출량 저감을 통한 산업 경제성과 친환경성의 제고, 그리고 송전용량 증가로 인한 경과지 추가확보나 케이블의 추가 포설없이 계통을 보강할 수 있는 투자비 절감의 효과를 가져올 수 있을 것이다⁽⁴⁾.

1.3 연구동향

외국에서는 SUSCABLE라는 프로젝트명으로 2008년부터 2017년까지 9년간의 장시간에 걸쳐 연구를 진행하였으며 현재 배전급 지중선의 일부 시험구간에 설치되어 평가 중에 있다 ⁽⁵⁾. 이와 같은 친환경 절연재료의 개발에 앞장서고 있는 해외 기업으로는 Prysmian, Borelalis, Dow 등이 있으며 국내 전력케이블 업체로는 LS전선과 대한전선, 그리고 일진전기 등이 있다⁽⁶⁾.

2.1 실험 샘플

본 연구에서는 (주)휴이노베이션에서 개발한 3가지의 서로 다른 제조공정을 가지는 친환경 절연재료를 이용하여 각각의 샘플에 대한 전기적 절연내력 특성을 측정, 분석하였다.

첫 번째 샘플은 압력을 가한 후에 곧바로 quenching 작업을 거쳤으며, 두 번째 샘플은 압력을 가한 후에 120℃의 온도 하에서 20분간 열처리를 하고 quenching을 하였다. 그리고 세 번째 샘플은 압력을 가한 후에 140℃의 온도 하에서 20분간 열처리를 한 후에 quenching을 하였다.

샘플의 두께는 다음의 그림 1과 같이 micrometer를 이용하여 측정하였으며 그 값의 평균은 1.0mm이고 오차범위는 ±0.1mm 였다.

또한 Agilent사의 E4991A를 이용하여 각 샘플의 비유전율을 다음의 그림 2와 같이 측정하였으며 그 값은 표 1에 나타내었다.

2.2 실험 조건

본 실험에서는 3가지 조건에 따라 개발된 서로 다른 특성의 친환경 절연재료 물질을 sheet 형태로 제작하여 american society for testing materials (ASTM) D-149 규정을 준수하여 각 샘플의 절연내력 특성을 측정하였다. ASTM D-149는 고체절연물의 절연내력 특성을 확인하는 국제화된 표준 규격으로서 상용주파수인 60 Hz 조건에서 실험을 진행하는 방법이다.

본 연구의 절연내력 특성 분석에 사용된 전극시스템의 종류는 실린더 모양의 전극으로서 stainless steel 재질의 전극이며 실린더 전극의 지름은 6.4mm이고 끝단에서의 곡률반경은 0.8mm이다. 다음의 그림 3은 본 연구에 적용한 American Society for Testing Materials (ASTM) D-149 규정에 따른 전극시스템의 모습을 나타낸 것이다 ⁽⁷⁾.

또한 그림 4에는 ASTM D-149 규정에 따른 전극시스템에 1kV의 전압을 인가했을 때의 전계분포를 유한요소해석 프로그램을 사용하여 해석한 결과를 나타내었다. 체적전하밀도는 전속밀도의 크기와 비례하며 전위값은 포화되는 특성없이 체적전하밀도의 크기와 비례하기 때문에 1kV의 전압을 인가한 전계값에 식(1)과 같이 절연파괴 전압값을 대입하면 절연파괴 전계값을 계산할 수 있다.

모든 샘플의 표면은 이소프로필 알코올을 사용하여 측정 전에 세척을 하여 불순물의 영향을 최소화하였다. 샘플 표면에서의 전계 집중으로 인하여 발생할 수 있는 연면방전에 의한 절연파괴를 방지하기 위하여 절연 매질로서 KS 1종 2호 절연유를 사용하였으며 절연내력 실험 시 절연유의 온도는 30℃였다. 실험에 사용된 절연유는 다음의 그림 5와 같은 절연유 여과기를 사용하여 전기 절연유 관련 표준인 KS C 2301 기준에 적합한 조건인 30ppm 이하로 관리하였다. 또한 모든 실험은 각 샘플당 16회씩 반복 실험한 후에 와이블 분포를 이용하여 실험 결과를 해석하였다. 본 절연내력 실험에는 60Hz의 주파수를 가지며 100kV 용량을 가지는 AC 내전압 시험기를 사용하였으며 전압 인가 속도는 1kV/sec로 설정하였다. 그림 5는 실험 개략도를 나타낸다.