1.1 개요

송전망에서 애자는 전선을 안정적으로 지지하면서 절연내력을 보장하는 핵심 구성요소이다. 초기에는 유리나 자기 소재를 주로 사용했으나, 충격에 대한 취약성과 고중량, 그리고 고비용 문제가 있었다. 따라서, 최근에는 이러한 문제로부터 자유롭고, 발수성 특성을 가진 고분자 절연재료인 폴리머 애자가 선호되고 있다^[1].

옥외에서 사용되는 폴리머 애자는 염분, 안개, 지속적인 강우, 자외선 조사 및 코로나 방전과 같은 여러 조건에 노출된다. 이로 인해 폴리머 애자의 발수성이 일시적으로 감소하여 애자 표면에 수분 결로가 형성될 수 있다. 이와 같이 수분 결로가 형성되면 애자 표면에 흡착된 오염물질이 용해되어 이온화가 발생하고, 누설전류가 흘러 열이 발생한다. 열에 의해 결로가 국부적으로 증발하면 건조대(Dry Band)가 형성되어 애자 표면을 열화시키고 트래킹이나 기중 방전을 유발한다^{[2, 3]}. 따라서 폴리머 애자의 발수성 특성에 대한 연구가 필요하다.

1.2 연구의 배경

발수성은 수분이 표면에 결로를 형성하지 않도록 방해하는 특성을 의미하며, 이러한 발수성은 Fig. 1과 같이 크게 정적 발수성과 동적 발수성으로 분류된다. 정적 발수성은 외부 환경에 영향을 받지 않는 상태에서 폴리머 표면 위 물방울의 접촉각이 90° 이상인 성질을 의미한다. 동적 발수성은 외부 환경에 의해 접촉각이 변화하는 특성으로 발수성 전이, 유지, 회복이 있다^{[4, 5]}.

발수성이 회복되는 주요 이유 중 하나는 폴리머 내부의 저분자량(Low Molecular Weight, LMW)에 의해 발생한다. 폴리머 내부의 LMW는 온도에 의해 에너지를 얻어 폴리머 표면으로 확산해, 수분 결로 형성을 방해한다^[6]. 따라서, 코로나 방전이나 자외선 및 폭우 등으로 인해 발수성이 일시적으로 감소하더라도 해당 외부 요인이 없어지면, 폴리머 내부의 LMW가 표면으로 확산하여 발수성을 회복하는 메커니즘을 가진다. 이는 장기간 신뢰성 확보 측면에서 매우 중요하다.

최근 동적 발수성의 중요성이 강조되면서, 옥외용 폴리머 소재 관련 표준 IEC TR 62039가 2021년에 개정되었다. 이에 따라 발수성 전이에 대한 시험 항목이 새롭게 도입되었으며, 발수성 유지와 회복에 대한 항목도 반영될 예정이다^[7]. 발수성 전이 시험은 폴리머 샘플 위에 인공 오염층을 도포하여 LMW의 전이 특성을 고려한 것으로, 실제 환경과 거리가 멀다. 반면에 발수성 회복 시험은 실제 전기장에 의한 스트레스 상황을 모의한 특성 평가로 실제 환경에 대한 재현성이 높아 반드시 고려되어야 한다.

본 연구에서는 발수성 회복 시험을 위한 다중 침-대-평판 전극을 설계하였다. 다중 침-대-평판 전극은 샘플 표면에서 코로나 방전을 발생시켜 발수성을 일시적으로 감소시킨 후, 시간의 경과에 따른 발수성 회복 특성 시험을 위한 것으로 구성은 Fig. 2와 같다^[8].

기존에 타 기관에서 설계되었던 다중 침-대-평판 전극은 다음과 같은 문제점을 가지고 있었다^[8]. 침 말단부가 날카로워 시험 중에 고전압에 의해 발생하는 힘의 영향으로 침 말단부가 변형되거나 파손되기 쉬웠으며, 코로나 방전이 폴리머 샘플 가운데에서 집중적으로 발생해 접촉각 측정 위치에 따라 발수성 회복 시간이 상이하게 나타났다^[9]. 본 연구에서는 위와 같은 문제가 발생하지 않는 다중 침-대-평판 전극 설계를 위해 침 말단부 반경, 상부 전극 직경, 침 말단부와 폴리머 샘플 표면 사이의 갭과 같은 여러 Parameter를 고려하였다.

Fig. 1. Classification of hydrophobicity

Fig. 2. Schematic diagram of multiple needle-to-plane electrode

2.1 참고 모델

기존에 타 기관에서 설계한 다중 침-대-평판 전극을 참고 모델로 삼았으며, 참고 모델의 구조는 하부 평판 전극 위에 유리판, 폴리머 샘플 순서로 위치한다. 상부 전극에 AC 10kV 전압을 인가하였고, 하부 전극은 접지하였다. 참고 모델의 설계 Parameter는 Table 1과 같으며, 해석에 사용된 매질의 Parameter는 Table 2와 같다.

상부 전극의 침전극 배열은 Fig. 3(a)와 같다. 침전극간 이격거리는 동일하고 전체 침전극의 개수는 31개이다. 안쪽 7개의 침전극 길이는 12mm이며, 중간 12개의 침전극 길이가 11mm, 최외각 12개의 침전극 길이는 9mm이다.

Fig. 3. Structure of the multiple needle-to-plane electrode

2.2 전극 설계

침 말단부 반경은 침전극의 변형을 방지하기 위한 핵심 요소로 설계 시 가장 먼저 고려하였고, 상부 전극의 직경은 폴리머 샘플 표면의 전계균일도를 향상해 시험 결과 값의 신뢰도를 위한 요소로 두 번째로 설계하였다. 침 말단부 반경과 상부 전극 직경 설계 시에는 갭을 40mm로 동일하게 적용하였다. 침 말단부와 폴리머 샘플 표면 사이 갭은 시험 시 조절 가능한 요소이므로, 마지막에 설계하였다. 또한, 폴리머 샘플 표면에서 코로나 방전을 균일하게 발생시키기 위해 Fig. 3(b)와 같이 라인 그래프 기능을 활용하여 폴리머 표면의 전계균일도를 확인하였다. 또한, 다중 침-대-평판 전극 설계 시 코로나 방전이 발생 가능한 모델 선정을 위해 침 말단부에서 샘플 표면까지의 수직선에서 최대전계와 평균전계를 통해 이용률을 계산하였다. 이용률은 전계평등도를 나타내는 척도로 사용되며, 일반적으로 0.3 이하일 때 불평등 전계로 분류한다. 코로나 방전은 불평등 전계에서 발생하므로, 각 Parameter에 대한 해석 시 이용률이 0.3 이하인 모델을 선택하였다. 이용률 도출 식은 (1)과 같다.

2.3 침 말단부 반경에 따른 해석

기존에 타 기관에서 설계한 참고 모델의 경우, 침 말단부 반경이 50μm로 매우 날카로워 전압을 인가한 반복 시험 시 고전압에 의해 발생하는 힘의 영향으로 침 말단부가 변형되는 문제가 발생하였다. 이러한 문제를 최소화하여 시험의 재현성 향상을 위해 Fig. 4와 같이 침 말단부 반경을 50μm에서 250μm, 500μm로 증가시키며 해석을 진행하였다.

폴리머 샘플 표면의 전계균일도는 세 가지 모델에서 거의 유사하게 나타났으며, 각 모델의 이용률은 Table 3과 같다. 침 말단부 반경은 폴리머 샘플 표면의 전계균일도에 큰 영향을 미치지 않지만, 침 말단부에 집중되는 최대 전계가 달라져 이용률이 변화하는 것을 확인하였다. 최종 모델의 침 말단부 반경은 변형이 발생할 가능성이 낮은 500μm로 선정하였다.

Fig. 4. Electric field analysis results according to tip radius of needle electrode

2.4 상부 전극 직경에 따른 해석

기존에 타 기관에서 설계한 참고 모델의 상부 전극 직경은 폴리머 샘플 직경인 140mm보다 작은 87mm이다. 이로 인해 폴리머 샘플 표면 중앙에 전계가 집중되어 접촉각 측정 위치에 따라 발수성 회복 시간이 상이하였다. 이 문제를 해결하기 위해 상부 전극 직경을 105mm, 120mm, 160mm, 200mm까지 증가시키며, 폴리머 샘플 표면의 전계가 균일하게 형성되는 모델을 선정하였다.

Fig. 5와 같이 상부 전극 직경에 따른 폴리머 샘플 표면의 전계균일도를 동일한 범위로 확인한 결과, 상부 전극 직경이 160mm일 때 폴리머 샘플 가운데 전계가 집중되지 않아 전계균일도가 가장 우수했으며, 이용률은 거의 동일했다. 따라서, 최종 모델의 상부 전극 직경은 폴리머 샘플 표면의 전계균일도가 가장 우수한 160mm로 선정하였다.

Fig. 5. Electric field homogeneity according to the upper electrode diameter

2.5 침 말단부와 샘플 표면 사이 갭에 따른 해석

기존에 타 기관에서 설계한 참고 모델의 침 말단부와 샘플 표면 사이 갭은 40mm이다. 시험 시 폴리머 샘플 표면에 코로나 방전을 균일하게 발생시킬 수 있는 적정 갭 선정을 위해 Fig. 6과 같이 40mm에서 10mm씩 줄여가며 폴리머 샘플 표면의 전계균일도와 이용률을 확인하였다.

Fig. 7과 Table 4에서 보는 바와 같이 폴리머 샘플 표면의 전계균일도는 갭 30mm와 40mm인 모델에서 우수하게 나타났으며, 각각의 이용률은 0.2, 0.21이었다. 따라서 시험 시 적정 갭은 40mm에서 30mm 사이로 선정하였다.

Fig. 6. Electric field analysis results according to the gap

Fig. 7. Electric field homogeneity according to gap