1.1 연구의 배경

전력케이블은 전력을 수송하는 구리와 같은 도체를 중심으로 절연체를 이용하여 외부에 피복을 형성하는 구조를 가지고 있다. 이와 같은 전력케이블의 피복은 크게 열가소성 물질과 열경화성 물질로 구분할 수 있는데, 열경화성 물질은 열가소성 물질에 비하여 녹는점이 높아서 전류용량을 증대하기 용이할 뿐만 아니라 절연내력과 기계적 특성이 우수하여 절연 피복재료로 널리 사용되고 있다. 이와 같은 장점에도 불구하고 열경화성 물질은 재활용이 불가능하여 여러 가지 환경규제를 받을 수 있다 ⁽¹⁾,⁽²⁾.

일반적으로 전력케이블의 수명은 50년 정도로 예측하고 있는데 대부분의 전력케이블은 세계적으로 경제화가 활발하게 진행되기 시작한 1970년대부터 설치되었기 때문에 현 시점에서 설치 경과년수가 기대수명 50년에 다다른 전력케이블이 발생하고 있다 ⁽³⁾,⁽⁴⁾. 이에 따라 많은 국가에서 전력계통 내의 전력케이블을 교체 설치하고 있다. 기존에 설치된 전력케이블의 절연 피복재료인 cross linked polyethylene (XLPE)가 가지는 열경화성 단점을 보완하기 위하여 높은 녹는점과 우수한 절연내력을 가지면서도 재활용이 가능하여 친환경적 특성을 가지고 있는 polypropylene (PP) 재료를 개발하여 전력케이블용 절연 피복재료로 응용하는 것에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다 ⁽⁵⁾,⁽⁶⁾. 그러나 이와 같은 PP 절연 피복재료를 제품화하기 위해서는 여러 가지 특성에 대한 연구가 선행되어야 한다.

특히 본 논문에서는 전력케이블용 절연 피복재료의 여러 가지 특성 중에서 백화현상으로 인한 발생하는 전기적 절연내력 특성 변화에 대한 연구를 수행하였다. 백화현상이란 전력케이블을 설치할 때 장소의 제약 등으로 인한 굽힘과 기계적 마찰 등으로 인하여 전력케이블의 절연재료가 하얗게 변화하는 것을 말한다. 이와 같은 백화현상은 전력케이블의 표면상에 나타나는 현상으로서 이와 같은 현상으로 인하여 발생하는 열화특성에 대한 연구는 자세히 이루어지지 않았다. 따라서 본 논문에서는 세계적 케이블 회사인 A사와 국내의 (주)휴이노베이션에서 개발한 친환경 특성의 PP 절연 피복재료를 이용한 백화현상에 의한 열화특성을 측정하고 분석하였다.

1.2 연구의 목적 및 방법

일반적으로 전력케이블의 절연내력 특성은 피복재료의 샘플에 대한 실험을 통하여 측정될 수 있다. 그러나 절연파괴 현상은 전력케이블의 가장 취약한 부분에서 발생할 수 있기 때문에 이와 같은 전기적 취약부분에 대한 절연내력 특성 측정 및 분석에 관한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 전력케이블을 설치하고 운영할 때 발생할 수 있는 백화현상에 대한 절연 피복재료의 전기적 절연내력 특성 변화에 대한 연구를 수행하였다.

연구를 수행하기 위하여 세계적 전력케이블 회사인A사에서 개발한 PP 샘플과 (주)휴이노베이션에서 개발한 배전용 전력케이블 개발용 PP 샘플을 준비하고 동일한 조건에서 나타나는 전기적 특성을 비교, 분석하였다.

가로와 세로의 길이가 50mm×50mm이며 두께가 0.5mm인 sheet 형태의 PP 샘플을 이용하여 실험을 수행하였다. 모든 실험은 동일한 조건에서 7회 이상 반복 실시하였으며, 최대값과 최소값을 제외한 값을 분석하였다. 절연내력 특성 실험은 American society for testing materials (ASTM) D-149 규정에 따라 실시되었으며, 이때 전극시스템의 종류는 봉 대 봉으로서 stainless steel로 제작되었다. ASTM D-149 규정은 고체절연물의 절연내력 특성을 측정하는 국제적 표준 방법으로 봉 전극의 지름은 6.4mm이고 끝단에서의 곡률반경은 0.8mm이며 전극과 샘플을 실리콘 절연유 내에 위치시키고 시행하는 시험이다⁽⁷⁾.

2.1 실험 준비

선행 연구에서 XLPE와 PP 샘플에 대한 절연내력 특성을 측정한 후 비교한 결과, PP의 절연내력 특성이 XLPE보다 우수함을 확인할 수 있었다⁽⁸⁾.

본 연구에서는 전기적 특성이 우수한 PP에 대해 백화현상이 미치는 영향을 실험을 통하여 확인하였다.

모든 샘플의 표면은 이소프로필 알콜을 사용하여 불순물을 제거한 상태에서 실험을 수행하였다.

그림 1은 각 PP 샘플의 표면 세척과 마이크로미터를 이용하여 두께를 재는 모습을 나타낸다. 모든 샘플의 두께는 0.5mm로 오차는 ±0.05mm이다. PP 샘플 표면에 백화현상을 유발하기 위하여 그림 2(a)와 같이 탁상용 바이스 사이에 PP 샘플을 접어서 고정한 후 5분간 상태를 유지하였으며, 이와 같은 작업을 반복하여 여러 방향으로 백화현상을 유발하였다. 그림 2(b)는 결과적으로 PP 샘플 표면에 발생한 백화현상을 나타낸다. 이와 같은 방법으로 60Hz의 AC 절연내력 특성과 파두와 파미가 각각 1.2/50μs인 뇌임펄스 절연내력 특성을 측정하기 위하여 동일한 크기를 가지는 두 가지 종류의 PP 샘플에 백화현상을 발생시켰다.

이때 이소프로필 알코올을 사용하여 PP 샘플의 표면을 닦아 PP 샘플의 화학적 구조에는 변화가 없이 이물질을 제거하였으며, 그림 3과 같은 모양의 전극지지 시스템을 사용하여 샘플을 고정하였다. 그림 3에서 보는 바와 같이 봉 대 봉 전극이 MC 나일론 재질의 지지대에 설치되어 있으며 상부 봉 전극에는 ratchet stop 기능을 가지는 마이크로미터가 연결되어 봉 전극 사이에 위치하는 PP 샘플에 인가하는 압력을 조절할 수 있다. 또한 봉 전극을 지지하기 위하여 MC 나일론 재질의 샘플 지지대를 설치하였다. 그림 3과 같은 전극지지 시스템의 봉 대 봉 전극 사이에 PP 샘플을 고정한 후에 실리콘유가 채워진 가압 챔버에 설치하였다. 그림 4는 온도 조절이 가능한 가압 챔버의 모습을 나타낸다. 일반적으로 절연유 내부에 존재하는 수분의 양이 30∼40ppm 이상이 되면, 절연내력이 저하된다고 알려져 있다. 따라서 실리콘유 내 수분의 영향을 최소화하기 위하여 실험에 사용된 실리콘 절연유는 그림 5와 같은 절연유 여과기를 이용하여 실리콘 절연유 내에 존재하는 수분의 양을 10ppm 이하가 되도록 유지한 후 실험하였다.

2.2 실험결과

본 연구에서는 A사와 휴이노베이션(주)이 개발한 친환경 배전급 전력케이블의 절연 피복재료인 PP 샘플을 이용하여 AC와 뇌임펄스 절연파괴 전압을 측정하였다. 그림 6은 AC 절연파괴 전압을 측정하기 위한

실험 개략도를 나타낸다. 그림 7은 제조사별 백화현상의 유무에 따른 AC 절연파괴 전압값의 변화를 나타낸다. 그림 8은 제조사별 백화현상의 유무에 따른 뇌임펄스 절연파괴 전압값의 변화를 나타낸다.

3.1 Weibull 분포 해석

각 샘플에 대한 AC와 뇌임펄스 절연파괴 전압을 측정한 후, 그 결과를 확률・통계 프로그램인 Minitab을 이용하여 Weibull 분포해석을 수행하였다. 확률분포에는 이산형 확률분포와 연속형 확률분포가 있으며, 이산형 확률분포에는 어느 실험이 오직 두 가지의 경우의 수만 가지는 경우에 행해지는 이항분포와 단위시간이나 공간에 희귀하게 일어나는 사건의 횟수에 대한 포아송 분포가 있으며, 연속형 확률분포로는 정규분포와 지수분포, 대수 정규분포와 Weibull 분포가 있다. 이때 가장 일반적이고, 모든 이론의 기본이 되는 이상적 분포가 정규분포이며, 고장률이 일정한 우발 고장기의 고장시간을 표현하는데 적합한 지수분포, 곱의 형태로 작용하는 열화로 인한 고장현상 모형을 나타내는 대수 정규분포, 그리고 제품의 초기 고장기, 우발 고장기, 마모 고장기 등의 전 구간을 표현 가능하여 제품의 수명 분포로 널리 사용되는 Weibull 분포가 있다. 본 연구에서 백화현상 유무에 의한 PP 샘플의 절연파괴 전압값을 분석하기 위하여 부품의 수명 추정분석, 산업현장에서 어떤 제품의 제조와 배달에 소요되는 시간분석, 그리고 신뢰성 공학에서 실패분석에 널리 사용되고 있는 Weibull 분포 해석을 수행하였다. 이와 같은 Weibull 분포 해석을 통하여 다양한 신뢰성 평가를 수행할 수 있다.

63.2% 확률의 절연파괴 전압값을 Weibull 분포해석을 통하여 계산한 결과, 척도모수 (scale parameter)와 형상모수 (shape parameter)를 구할 수 있으며, 척도모수는 실험결과값을 정규분포로 나타내었을 때의 평균값과 유사한 값을 가진다. 형상모수는 그래프의 기울기로서 실험의 재연성 정도를 나타낸다. 또한 절연파괴 전압값이 척도모수와 같아질 때의 신뢰도 함수는 0.632의 값을 가지게 된다. 즉, 실험결과값을 이용한 정규분포의 평균값은 고장확률이 63.2%가 되는 전압값을 의미한다. 다음의 (1)은 Weibull 분포 지수함수로 그 평균값을 나타내며 (2)에서 a와 b는 형상모수를 나타낸다. 또한 x0와 t0는 척도모수를 나타낸다. 이와 같은 63.2%의 확률을 가지는 절연파괴 전압값을 이용하여 분포의 신뢰성과 모수를 추정하는데 사용한다.

그림 9는 A사에서 제작한 PP 샘플의 절연파괴 전압에 대해 백화현상이 미치는 영향을 Weibull 분포해석을 통하여 분석한 결과를 나타낸다. 그림 9(a)에서 A사에서 개발한 PP의 AC 전압에 대한 형상모수는 백화현상이 없을 때 약 282이고 백화현상이 발생

한 후에는 249임을 알 수 있다. 또한 그림 9(b)에서는 A사에서 개발한 PP의 뇌임펄스 전압에 대한 형상모수가 백화현상이 없을 때 431이고 백화현상이 발생한 후에는 344임을 알 수 있었다. 그림 10은 (주)휴이노베이션에서 개발한 PP의 AC와 뇌임펄스 전압에 대해 백화현상이 미치는 절연파괴 전압특성을 Weibull 분포해석을 통하여 분석한 결과를 나타낸다. 그림 10(a)에서 백화현상이 없을 때 ㈜휴이노베이션에서 개발한 PP의 AC 전압에 대한 형상모수는 919이며, 백화현상으로 인하여 형상모수가 870이 되었음을 확인할 수 있었다. 또한 그림 10(b)에서는 휴이노베이션(주)에서 개발한 PP의 뇌임펄스 전압에 대해 형상모수가 백화현상이 없을 때 1,103이고 백화현상이 발생했을 때에는 1,590으로 확인되었다.

이와 같이 모든 절연파괴 실험 결과에서 형상모수는 249에서부터 최대 1,590으로 상당히 큰 값을 가지는 사실을 알 수 있었는데, 이와 같이 형상모수가 크다는 것은 실현의 재현성, 즉 각 PP 샘플의 특성이 균일하여 반복, 재현성이 있음을 나타낸다.

3.2 전계 해석

절연파괴 전압값을 각 샘플의 두께로 나누어 절연파괴 시의 전계값으로 환산한다. 그림 11에는 제조사별 PP 샘플에 AC 절연파괴 전압을 인가했을 때 백화현상의 유무에 따라 발생하는 열화특성을 나타낸다. 그림 12는 제조사별 PP 샘플에 뇌임펄스 절연파괴 전압을 인가했을 때 백화현상의 유무에 따른 열화특성을 나타낸다.

3.3 결과 분석

전력케이블의 설치시에 발생하는 굽힘 등의 공정으로 인하여 PP에는 백화현상이 발생할 것이며, 본 논문에서는 AC 절연파괴 전압값과 뇌임펄스 절연파괴 전압값의 열화를 그림 13과 같이 정리하였다. A사와 ㈜휴이노베이션의 PP 샘플 모두 백화현상이 발생했을 때, AC 전압에 대해서는 열화가 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 이와 반면에 뇌임펄스 전압에 대해서는 백화현상에 의하여 전기적 열화가 명백하게 발생함을 알 수 있었다. 다만 제조사별 열화율은 상이하였는데 이는 제조방법에서 기인되는 PP 샘플의 화학적 구조 차이에 의하여 발생하는 것으로 판단된다.