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  1. (Energy R&D Team, Product & Solution Research Center, LS Cable&System Ltd., Korea)



Outdoor Termination, Insulating Oil, Silicone Rubber, Swelling

1. 서 론

송전선로 지중화는 기존 가공선로를 직매, 관로 또는 전력구 등의 형태로 지하에 케이블을 매설하는 방식을 말한다. 가공선 경과지 주변 전자파 피해와 쾌적한 도시 미관, 태풍 등 자연재해에 의한 고장 예방 차원에서 송전선로 지중화에 대한 요구는 꾸준히 증가하고 있다(1,2).

송전 선로를 지중화하기 위해서는 가공선과 지중 케이블을 연결하는 기중 종단 접속함이 필요하다. 가교 폴리에틸렌 케이블에 적용할 수 있는 기중 종단 접속함은 condenser cone 타입, prefabricated 타입, pre-molded 타입이 있으나 현재는 제품의 시공 편의성과 품질적인 안정성이 우수한 Pre-molded 타입이 주를 이루고 있다. 일부 낮은 전압급과 특수한 경우에 절연유를 사용하지 않는 Dry 타입을 적용하기도 한다(3,5). Pre-molded 타입 기중 종단 접속함은 외부 반도전층 끝단 전계 집중을 완화시키기 위해 케이블 절연 외경 보다 내경이 작게 제작된 스트레스 콘을 삽입하고 고분자 또는 자기 애관을 조립 후 내부에 절연유를 주입하는 공정으로 조립된다. 절연유 주입은 이물 혼입 방지와 작업자 안전을 위해 애관 하부에서 펌프를 이용해 주입하는 방법을 적용하고 있다. 절연유는 주입하기 전에 가열하여 점도를 낮추어야 되고, 이를 위해 추가적인 장비와 시간이 필요하게 된다. 따라서 절연유 가열을 위한 장비와 시간을 줄이기 위해 점도가 낮은 절연유를 사용할 경우 내부에 함침되는 실리콘 고무에 어떤 영향이 있는지 검토가 필요하다.

본 논문에서는 점도가 다른 3종의 절연유에 따라 실리콘 고무가 얼마나 팽윤되는지 무게 증가율을 통해 조사하였다. 완전히 팽윤된 실리콘 고무의 기계적 특성으로 경도, 인장강도, 신장률을 측정하였고, 전기적 특성으로 체적 저항, 비유전율, 유전정접을 측정하여 절연유에 따른 특성 변화를 조사하였다. 또한 푸리에 변환 적외분광 분석(FTIR)과 열 질량 분석(TGA)을 통해 화학적 특성 변화를 검토하였다.

2. 본 론

2.1 시료 제작

절연유에 따른 실리콘 고무의 팽윤양, 팽윤 후 기계적, 전기적 특성 변화를 알아보기 위해 250mm×250mm×1mm 시트 시료와 외경 Ø60mm, 높이 65mm 원통형 시료를 제작하였다. 인장강도, 신장률, 체적저항, 비유전율, 유전정접, FTIR, TGA 측정에는 시트 시료를 사용했고, 무게 증가율은 함침 기간에 따라 무게 증가량 측정이 용의하도록 체적이 큰 원통형 시료를 사용했다. 경도는 KS M 6518에 따라 12mm 이상 두께로 측정하게 되어 있어 무게 증가량 측정에 사용한 원통형 시료를 사용했다(6). 완성된 시료는 표 1과 같은 특성을 가지는 3종의 절연유에 각각 함침했다.

표 1. 절연유 특성

Table 1. Properties of insulation oils

절연유 A

절연유 B

절연유 C

규격

동점도 40℃ [cst]

620

1,700

2,200

ASTM D445

동점도 100℃ [cst]

33

80

90

인화점(COC) [℃]

150

190

200

ASTM D92

유동점 [℃]

-20

-14

-10

ASTM D97

증발량 [%]

0.67

0.06

0.25

KS C 2101

비유전율

2.18

2.18

2.18

ASTM D924

2.2 실험 방법 및 결과

2.2.1 기계적 특성 평가

팽윤은 폴리머의 비결정질 공간에 절연유 분자가 침투하여 폴리머의 분자 고리를 넓혀 일어나는 현상으로 일정 온도, 압력에서 포화된다(7). 팽윤되는 정도는 두께 증가율 또는 무게 증가율로 평가할 수 있으나 두께 증가율은 온도에 따라 수축되는 변수가 있어 무게 증가율로 팽윤되는 정도를 평가하는 것이 더 명확하다(8). 따라서 팽윤되는 정도를 비교하기 위한 실험에서는 원통형 시료 10개씩 3종의 절연유에 함침하여 90℃ 오븐에 넣고 주기적으로 무게를 측정하여 포화될 때까지 소요되는 기간과 포화된 후 무게 증가율을 측정하였다.

그림. 1. 함침 기간에 따른 무게 증가율

Fig. 1. Weight increase rate with impregnation period

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그림 1은 시간에 따라 각 절연유에 함침한 원통형 시료의 평균 무게 증가율 측정 결과이다. 시료 A, 시료 B, 시료 C는 절연유 A, B, C에 함침된 실리콘 고무 시료를 말한다. 무게 변화가 완전히 포화되었을 때 점도가 낮은 절연유에 함침한 시료 A가 14.5%로 가장 많이 무게가 증가했고, 다음으로 시료 B가 8.7%, 시료 C가 4.6%로 가장 적게 증가하였다. 무게 증가율이 포화 될 때 까지 소요된 기간은 시료 A가 27일, 시료 B가 20일, 시료 C가 15일 정도이다. 점도가 낮은 절연유에 함침한 실리콘 고무가 더 오랫동안 더 많은 절연유를 흡수하는 경향을 보였다.

그림. 2. 절연유 팽윤에 따른 실리콘 고무의 경도

Fig. 2. Hardness of swollen silicone rubbers

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그림 2는 무게 증가율을 측정하여 완전히 포화된 시료들의 Shore A 경도를 평균과 95% 신뢰구간으로 표시한 그래프이다. 미함침 시료의 평균 Shore A 경도가 39.44이고 시료 A는 34.86, 시료 B는 36.08, 시료 C는 36.76으로 각각 측정되었다. 미함침 시료 대비 시료 A는 12%, 시료 B는 9%, 시료 C는 7%씩 경도가 감소하였다. 무게 증가율이 높을수록 팽윤이 많이 일어나고 경도는 낮아지는 경향이다.

인장강도 및 신장률은 1mm 시료를 90℃ 절연유 3종에 12일간 함침하여 완전히 팽윤시킨 후 KS M 6518의 아령형 3호로 절단하여 만능 재료시험기로 측정하였다.

그림. 3. 절연유 팽윤에 따른 실리콘 고무의 인장강도 및 신장률

Fig. 3. Tensile strength and elongation of swollen silicone rubbers

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그림 3은 함침 절연유에 따른 실리콘 고무의 인장강도 및 신장률 측정 결과 그래프로 절연유 팽윤에 의해 인장강도 및 신장률 모두 저하되는 것으로 나타났다. 인장강도 결과에서 시료 C의 평균은 6.93MPa로 미함침 시료 7.39MPa 대비 6% 감소한 반면 시료 A와 시료 B의 평균은 5.08MPa과 5.17MPa로 미함침 시료보다 30%이상 크게 감소하는 것으로 나타났다. 신장률 결과도 시료 A와 시료 B의 평균이 각각 419.76%, 420.06%로 미함침 대비 27% 감소했고, 시료 C는 512.98%로 미함침 대비 11% 감소했다. 팽윤되는 정도에 따라 인장강도 및 신장률 저하 폭이 다르게 나타났고, 특히 시료 A와 B의 인장강도가 크게 저하되어 스트레스 콘의 계면압 저하가 우려된다.

2.2.2 전기적 특성 평가

전기적 특성 평가는 인장강도 및 신장률 측정과 같은 조건으로 함침된 1mm 시트 시료를 이용해 체적저항, 비유전율 및 유전정접을 측정하였다.

체적 저항률은 ASTM D257에 따라 ANDO VMG-100 Highmegaohm Meter를 이용해 측정했다. 체적 저항률 계산은 식(1)로 계산된다(9).

(1)
$\rho =R_{x}\times\dfrac{A}{h}$

여기서 $R_{x}$는 측정된 체적 저항이고, $A$는 전극의 유효 단면적, $h$는 시료의 두께를 나타낸다.

그림. 4. 절연유 함침에 따른 실리콘 고무의 체적 저항률

Fig. 4. Volume resistivity of swollen silicone rubbers

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그림 4는 체적 저항률 측정 결과로 기계적 특성과 유사하게 팽윤이 많이 될수록 체적 저항률이 조금씩 저하되었다. 미함침 시료의 저항률이 2×10Ω㎝이고 가장 팽윤이 많이 된 시료 A의 체적저항률이 1.35×10Ω㎝로 미함침 시료 대비 체적저항이 6.75% 감소한 것으로 나타났다. 실리콘 고무에 비해 상대적으로 체적 저항이 낮은 절연유가 많이 팽윤 될수록 체적저항이 감소하는 것으로 사료된다.

비유전율과 유전정접은 ASTM D150을 따라 ANDO Dielectric Loss Measuring Set로 측정하였다(10). 그림 5는 비유전율 및 유전정접 측정 결과이다. 미함침 시료의 비유전율은 2.77이고 절연유의 비유전율이 2.18인 점을 고려하면 실리콘 고무에 흡수된 절연유의 양에 반비례하여 비유전율이 감소되어 시료 A가 2.5, 시료 B가 2.61, 시료 C가 2.6으로 측정되었다. 유전정접은 미함침 시료가 0.026%, 시료 A, B, C가 0.058%, 0.043%, 0.04%로 각각 측정되어 팽윤이 많이 될수록 증가하는 경향을 보였다.

그림. 5. 절연유 팽윤에 따른 실리콘 고무의 비유전율 및 유전정접

Fig. 5. Relative permittivity and dissipation factor of swollen silicone rubbers

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2.2.3 화학적 특성 평가

화학적 특성 평가도 3종의 절연유에 각각 함침된 1mm 시료로 FTIR과 TGA 분석을 실시했다.

그림 6은 FTIR 결과로 (a)는 시료 A ~ C와 미함침 시료의 결과를 중첩해서 나타낸 것이고, (b)는 절연유와 미함침 시료의 결과를 중첩하여 나타낸 것이다. (a)에서 절연유에 팽윤된 시료들은 그림에서 표시된 ①, ②, ③ 스펙트럼 대역에서 미함침 시료에서 나타나지 않은 피크가 있는 것을 알 수 있다. (b)에서 절연유와 미함침 시료의 FTIR 결과를 보면 (a)에서 절연유에 팽윤된 시료에서 나타났던 피크들이 절연유의 피크 대역과 일치함을 알 수 있다. 또한 절연유에 의해 C-H 결함이 증가하고, 실리콘 고무의 Si-CH, Si-O-Si, Si(CH), Si(CH) 결합의 강도는 감소하는 것으로 나타나 절연유에 팽윤되면서 실리콘 분자 결합 일부가 끊어지는 것으로 보인다.

그림 7은 시료 A ~ C와 미함침 절연유의 TGA 분석 결과이다. 미함침 시료의 초기 열분해 시작 온도가 372℃인 것에 반해 절연에 팽윤된 시료 A는 160℃, 시료 B는 164℃, 시료 C는 168℃로 급격하게 떨어진 것을 알 수 있다. 또한 절연유의 팽윤양에 비례해 저하되는 것으로 나타났다. XLPE 케이블의 운전 온도가 도체 온도 기준 90℃인 점을 고려할 때 실리콘 고무가 팽윤에 의해 열분해 시작 온도가 저하되었더라고 운전 중에 열분해가 되지는 않을 것으로 보인다.

그림. 6. 시료들의 FTIR 스팩트럼

Fig. 6. FTIR spectra of samples

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그림. 7. 팽윤된 실리콘 고무의 TGA 그래프

Fig. 7. TGA graph of swollen silicone rubbers

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3. 결 론

본 논문에서는 기중 접속함 내부에 채워지는 절연유의 점도에 따라 실리콘 고무로 만들어진 스트레스 콘의 특성 변화를 알아보기 위해 3종의 절연유에 실리콘 고무를 함침하여 팽윤양, 기계적 특성, 전기적 특성, 화학적 특성 변화를 검토하였다.

팽윤양은 점도가 낮을수록 더 많은 절연유를 흡수하였고, 완전히 팽윤되는데 소요되는 시간도 더 길었다. 기계적 특성, 전기적 특성, 화학적 특성 모두 팽윤양에 따라 변화되는 것으로 나타났다. 특히 시료 A와 시료 B는 인장강도가 30% 이상, 신장률이 27% 이상 감소하는 것으로 나타났다. 이런 특성 변화는 점도가 낮은 절연유를 사용할 경유 스트레스 콘이 팽윤되어 계면압이 저하될 수 있음을 의미한다. 전기적 특성 평가에서는 실리콘 고무에 비해 체적저항, 비유전율이 낮은 절연유가 팽윤이 많이 될수록 시료에서 차지하는 비율이 증가하여 특성들을 변화시켰다. 가장 팽윤이 많이 된 시료 A도 1.35×10Ω㎝로 충분한 체적저항을 유지했고, 비유전율은 스트레스 콘 안쪽의 XLPE와 바깥쪽의 절연유의 비유전율과 차이를 줄일 수 있어 전계 집중을 더 완화하는 방향으로 변했다. 화학특성 평가에서는 FTIR, TGA 분석 결과로 절연유에 의해 C-H 결합이 증가하고 Si-CH, Si-O-Si, Si(CH), Si(CH) 결합이 일부 끊어져 기계적 특성 저하와 열분해 시작 온도 저하로 나타난 것으로 보인다.

상기의 결과로 팽윤양은 절연유 점도에 반비례하고 팽윤에 의해 실리콘 분자 결합이 끊어져 기계적 특성 변화가 나타났다. 특히 인장강도와 신장률 변화 폭이 커서 계면압 저하가 우려되므로 팽윤에 의한 계면압 저하를 고려하여 초기 계면압을 설계할 필요가 있다. 향후에는 실제품에 대한 시뮬레이션과 실험을 통해 팽윤에 의해 계면압이 얼마나 저하되는지 연구할 예정이다.

References

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Jinhoon Son, 2014, A Study on the Efficient Relocation Process of the Converting Overhead Transmission lines to Under- ground Transmission Lines, Masters Dissertation, hanyang university, pp. 6-7Google Search
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Weinlein Andreas, Peters Ulrich, Laage Uwe, Horst Memmer and, 2015, Worldwide Experiences and Challenges with EHV XLPE Cable Projects 330 kV to 500 kV, Jicable 15, A1-1Google Search
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Oono Kouichi, Kaneko Satoshi, Isao Takaoka and, 2017, Development of Dry Type Outdoor Termination for 66-110kV XLPE Cable, Jicable 07, C5-1-17Google Search
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2018, Physical Test Methods for Vulcanized Rubber, KS M 6518Google Search
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2002, Underground Power Cable System, T&S Construction Dept. KEPCOGoogle Search
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Abe Keiichi, Maeda Teruhiko, Shimonaka Toshiomi, Tokihiro Umemura and, 1992, A Swelling Characteristics of PET in oil, in Proc. of Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena Annual Report, pp. 753-758Google Search
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2007, Standard Test Methods for DC Resistance or Conductance of Insulating Material, ASTM D257Google Search
10 
1998, Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insula- tion, ASTM D150Google Search

저자소개

Jin-Wook Choe
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.9.1124/au1.png

He received M.S degree in electrical engineering from Gyeongsang National University in 2009.

He has been working at LS Cable&System Ltd. from 2009.

Currently, he is a Doctor’s course in Kyungpook National University.

His research interests are EHV power cable accessaries and busduct.

Seok-Hyun Nam
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.9.1124/au2.png

He received M.S degree in electrical engineering from Seoul National University in 2000.

He has been working at LS Cable&System Ltd. from 2000.

Jin-Gyu Kim
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He received the Ph.D. degree in Electrical Engi- neering from Kyungpook National University, Daegu, Korea, in 1998.

Currently, he is a pro- fessor in the Department of Electrical Engineering at Kyungpook National University, Daegu, Korea.

His research interests are electrostatics, EHD and plasma applications.