2.1 절연파괴 실험준비

다음의 그림 1에는 SJB와 NJB의 구조를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 SJB는 단위 길이의 두 초전도코어가 격벽을 사이에 두고 연결되는데 그 접합부는 epoxy resin을 이용하여 함침한 후 최종적으로 PPLP로 최외각을 절연하는 구조이다. 이와 같은 구조에서 절연적으로 가장 취약한 부분은 PPLP와 epoxy resin 사이 계면을 따르는 경로이다 ⁽⁹⁾. 따라서 본 연구에서는 이와 같은 두 경로에 대한 연면절연파괴 특성을 다양한 압력 조건의 액체질소 내에서 분석하였다.

Fig. 1. Schematic view of NJB and SJB

이때 고체 절연물 표면에 존재하는 불순물에 의한 영향을 최소화하기 위하여 모든 샘플의 표면은 에탄올을 사용하여 세척한 후 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 epoxy resin의 종류는 Stycast 2850FT이며, 경화제는 Loctite CAT 9을 사용하였다. Epoxy resin과 경화제를 100:3.5의 질량비로 혼합하여 0.13Pa 압력 조건에서 27시간 동안 가스를 제거한 후 60℃의 온도에서 48시간 동안 경화시켰다. Epoxy resin 시편의 표면에 전극 모양과 동일한 홈을 만들고 연면 방전거리는 5~110mm로 조정하였다. 또한 void의 영향을 최소화하기 위하여 사포 (#1,200)를 이용하여 표면을 연마하고, 에탄올로 세척한 뒤 실험을 진행하였다.

실험에 사용한 전압은 60Hz의 주파수를 갖는 AC와 파두와 파미가 각각 1.2/50μs인 뇌임펄스 전압이었으며, 각 조건에 대하여 7회 이상 동일한 실험을 반복 수행하고 통계 프로그램인 Minitab을 사용하여 결과를 분석하였다. 그림 2에는 epoxy resin과 PPLP 계면 사이에서의 연면절연파괴 특성을 분석하기 위하여 사용된 샘플의 구조를 나타내었다. 실험에 사용된 전극의 형상은 봉 대 봉 전극을 사용하였으며, 고체 절연물의 절연파괴전압 특성은 최대전계가 아닌 평균전계 특성에 의존하기 때문에 전극의 직경을 2mm로 고정하였다. 전극의 재질은 stainless steel을 사용하였다 ⁽¹⁰⁾. 그림 3에는 전극지지대를 이용하여 샘플을 지지한 모습을 나타내었다. 전극은 glass fiber reinforced plastic (GFRP)로 제작한 전극지지대에 고정하였다. 그림 2(b)와 같이 epoxy resin 샘플과 PPLP 샘플 사이에 전극을 위치시킨 후 전극시스템이 잠길 정도의 충분한 액체질소를 채운 압력 챔버 안에 넣어 실험을 진행하였으며, 압력은 기체질소를 사용하여 0.1MPa ~ 0.5MPa로 조절하였다. 그림 4에는 전체적인 실험 구성도를 나타내었다.

Fig. 2. Image of the specimen

Fig. 3. Picture of the specimen with an electrode system

2.2 절연파괴 실험결과

압력 챔버에 액체질소를 채우고 시스템의 압력을 각각 0.1, 0.3, 그리고 0.5MPa로 조절하여 PPLP와 epoxy resin 계면에서의 절연파괴전압 특성을 확인하기 위하여 AC와 뇌임펄스전압을 인가하여 연면 절연파괴 전압을 측정한 후, 결과를 분석하였다. 그림 4에는 본 실험의 구성도를 나타내었으며, 그림 5는 다양한 압력과 거리에 대한 PPLP와 epoxy resin 계면에서의 AC 절연파괴전압을 나타낸다. 그림에서 LCD는 length of creepage discharge의 약어로서 두 봉 전극 사이의 연면거리를 나타내며, VCD,MEAN은 평균 연면절연파괴 전압값을 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 LCD가 증가함에 따라 AC에 대한 연면절연파괴 전압은 포화하며 증가하는 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 연면거리에 따른 절연파괴전압은 압력이 증가함에 따라 증가한다는 사실을 알 수 있다. 그림 6은 PPLP와 epoxy resin 계면에 대한 압력과 거리 변화에 따른 뇌임펄스 절연파괴전압의 변화를 나타낸다. 뇌임펄스 전압에 대한 절연파괴특성 역시 AC 전압에 대한 절연파괴특성과 유사하게 LCD와 압력이 증가함에 따라 VCD,MEAN이 증가한다는 사실을 알 수 있다. 특히 0.1MPa에서 0.3MPa로 압력이 증가할 때의 절연파괴전압에 비하여 0.3MPa에서 0.5MPa로 압력이 증가할 때의 절연파괴전압에서의 포화특성이 강하게 나타남을 알 수 있다.

결과적으로 본 실험을 통하여 PPLP와 epoxy resin 계면에서의 절연파괴특성은 LCD와 압력이 증가함에 따라 포화하면서 증가한다는 사실을 확인할 수 있었으며, 이에 대한 특성을 추세선으로 함수화할 수 있다.

Fig. 4. Schematic drawing of dielectric experiment

Fig. 5. Creepage discharge voltage along the surface of PPLP/Epoxy resin(@AC)

Fig. 6. Creepage discharge voltage along the surface of PPLP/Epoxy resin(@Imp.)

3.1 전계해석을 통한 실험결과 분석

본 연구에서는 PPLP와 epoxy resin 계면에서의 절연파괴실험 결과를 유한요소해석 (finite element method, FEM) 프로그램인 COMSOL을 사용하여 절연파괴시 전계값을 계산하였다. 전계의 크기는 절연파괴전압에 비례한다는 특성을 이용하여, 식(1)과 같이 인가전압이 1kV 일 때 전극시스템에서 발생하는 전계를 계산한 후 절연파괴 실험을 통해 얻은 실제 결과 값을 이용하여 절연파괴 시 전계값을 계산하였다. 여기에서 E1kV,MEAN은 인가전압이 1kV일 때 FEM 해석을 통하여 계산한 평균 전계값을 의미하며, E1kV,MEAN은 절연파괴 시 평균 전계값을 나타낸다. 이와 같이 AC 전압에 대한 절연파괴 시 평균 전계값을 압력별 LCD에 대하여 분석한 결과를 그림 7에 나타내었으며, 뇌임펄스 전압에 대한 결과를 그림 8에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 절연파괴전계는 압력과 LCD의 영향을 받는다는 사실을 알 수 있다.

Fig. 7. ECD along the surface of PPLP/Epoxy resin (@AC)

Fig. 8. ECD along the surface of PPLP/Epoxy resin (@Imp.)

3.2 절연파괴 기준전계 도출

그림 7과 8에서 보는 바와 같이 ECD,MEAN은 LCD가 증가함에 따라 특정 값에 수렴하면서 감소하는 특성을 확인할 수 있었다. 또한 압력이 증가함에 따라 ECD,MEAN의 값은 포화특성을 가지면서 증가한다는 사실을 알 수 있었다. 본 연구에서는 초전도케이블용 SJB의 설계를 위한 PPLP와 epoxy resin 계면에서의 절연파괴 기준전계를 추세선을 이용하여 LCD에 따른 함수로 변환하여 계산하였다. 이때 초전도케이블은 일반적으로 전기적 절연특성 및 초전도선재의 임계전류 향상을 위하여 0.5MPa 이상의 압력 조건에서 운전되기 때문에 본 논문에서는 초전도케이블의 최소 운전압력인 0.5MPa의 값을 기준전계로 설정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.