2.1 샌드페이퍼 입도에 따른 케이블 표면 거칠기
접속함을 조립하기 위해서는 케이블 외부 반도전층을 제거하고 절연을 노출해야 한다. 배전 케이블에서는 시공이 간편한 스트립퍼블 외부 반도전층을 많이
사용하지만 초고압 케이블에서는 외도 반도전층 전계가 높아 본딩 타입을 적용한다[8-9]. 따라서 외부 반도전층을 제거하기 위해 장비를 이용하거나 유리로 외부 반도전층을 제거 한 후 샌드페이퍼로 절연층 표면을 다듬질한다. 다듬질 후 표면의
거칠기는 샌드페이퍼의 입도에 따라 달라지는데 입도는 단위 면적당 입자의 숫자를 나타내는 것으로 숫자가 낮을수록 표면이 거칠고, 높을수록 표면이 곱다[10].
그림. 1. 접속함 조립을 위한 케이블 준비 과정
Fig. 1. Preparation process for cable accessories assembly
표 1. 샌드페이퍼 입도에 따른 표면 상태 및 조도
Table 1. Surface condition and roughness according to grain size of sandpaper
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샌드 페이프 입자 크기
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현미경 사진
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RZ 평균 조도 [㎛]
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#320
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13.11
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#400
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9.75
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#600
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5.94
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#800
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4.71
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그림 1은 접속함 조립을 위한 케이블 준비 과정을 보여준다. 접속함 조립을 위해 케이블 준비 과정에서 외부 반도전층을 제거하는 방법과 사용하는 샌드페이퍼
입도는 제조사 마다 다르다. 일반적으로 유리나 전용 공구를 이용해 외부 반도전층을 제거하고 전동 벨트 샌더기를 이용해 칼날이나 유리 자국이 남지 않게
다듬질한 후 최종적으로 수동으로 다듬질을 마무리 한다. 따라서 샌드페이퍼 입도를 얼마까지 다듬질 하는가에 따라 케이블 준비 시간과 노동 강도가 달라진다.
샌드페이퍼 입자 크기에 따른 표면 상태와 표면 거칠기를 비교하기 위해 샌드페이퍼 입도를 #320, #400, #600, #800으로 다듬질한 케이블
시료를 제작하였다.
표 1은 샌드페이퍼 입도에 따른 표면 상태 및 표면 거칠기 측정 결과이다. 표면 거칠기는 Mitutoyo사 SJ-311로 측정하였고 10점 평균 거칠기
RZ로 나타내었다. 위치에 따른 편차를 고려하기 위해 케이블의 상, 하, 좌, 우 4곳을 측정하고 평균한 값으로 비교하였다. 입도가 #320인 샌드페이퍼로
다듬질한 시료의 평균 표면 거칠기는 13.11㎛이고, #400인 샌드페이퍼로 다듬질한 시료는 9.75㎛, #600 샌드페이퍼로 다듬질한 시료는 5.94㎛,
#800 샌드페이퍼로 다듬질한 시료는 4.71㎛로 측정되었다. #320으로 다듬질한 시료에서 10㎛를 초과했고 #400~#800은 10㎛미만으로 측정되어졌다.
2.2 계면 상태에 따른 연면방전 특성
2.2.1 시료 제작
표면 다듬질 상태, 계면압력, 윤활제 종류에 따른 연면방전 특성을 비교하기 위해 모델 케이블과 미니 고무 슬리브를 제작했다.
그림. 2. 연면방전 시험 시료 단면도 및 사진
Fig. 2. Cross section and photograph of specimen for surface discharge test
그림 2의 (a)는 연면방전 시험 시료의 단면도를 나타내고 (b)는 전극 및 미니 고무 슬리브 조립이 완료된 시료의 사진이다. 연면방전 시험 시료는 케이블의 외부 반도전층을 완전히 제거하고 폭 6mm를 제외한 절연부를
가공 후 SUS 재질의 전극을 양쪽에서 삽입했다. 전극의 외경은 케이블 절연 외경과 동일하게 제작하였고, 케이블 절연과 고무 슬리브 계면에서 연면방전이
발생하도록 전극 간격을 6mm로 선정하였다. 표면 거칠기에 따른 연면방전 특성 시험을 위해 이 구간의 절연 표면은 입도가 다른 샌드페이퍼로 다듬질했다.
미니 고무 슬리브는 초고압 접속함 제작에 사용되는 실리콘 고무로 제작하였고, 계면압력에 따른 연면방전 특성 평가를 위해 내경 Ø28mm와 Ø31mm로
2종류 제작하여 절연 외경 Φ 35.7mm, Φ38.1mm 케이블에 삽입하여 계면압력을 다르게 하였다. 또한 미니 고무 슬리브 삽입이 용의하도록 도포하는
윤활제로 실리콘 오일과 그리스를 사용하여 시료를 제작하였다.
그림. 3. 연면방전 실험 사진
Fig. 3. Photograph of surface discharge test
제작된 시료는 그림 2와 같이 고무 슬리브 외부로 표면을 따라 방전이 발생하지 않게 절연유 내에서 연면방전 시험을 실시하였다. AC 내전압 시험기는 Phenix의 6CCE100-5/D149를
이용했고, 전압 인가는 0.5kV/sec 속도로 연면방전이 발생할 때까지 상승시켰다.
2.2.2 연면방전 실험 결과
계면 상태에 따른 연면방전 특성을 검토하기 위해 계면압력, 표면 거칠기, 윤활제를 변수로 시험을 실시했다. 각 시료는 15개씩 연면방전 시험 후
2 파라미터 와이블 분포 통계 분석을 통해 평균의 의미를 가지는 척도 파라미터인 누적 파괴 확률 63.2% 값을 신뢰구간 95%에서 비교하였다.
표 2. 케이블 절연 외경 및 미니 고무 슬리브 내경에 따른 계면압력
Table 2. Interfacial pressure according to outer diameter of cable insulation and
inner diameter of mini rubber sleeve
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케이블 절연 외경
[mm]
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미니 고무 슬리브 내경
[mm]
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계면압력
[MPa]
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35.7
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31
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0.083
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38.1
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31
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0.115
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38.1
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28
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0.175
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표 2는 계면압력에 따른 연면방전 특성을 조사하기 위한 시료의 케이블 절연 외경, 미니 고무 슬리브 내경, 계면압력을 나타낸다. 최소 0.083MPa에서
최대 0.175MPa의 계면압력이 가해지도록 케이블 절연 외경 및 미니 고무 슬리브 내경을 선정하였고, 케이블 절연 표면 다듬질은 입도 #400 샌드페이퍼로
다듬질하고, 윤활제는 그리스를 사용하였다.
그림 4는 계면압력에 따른 연면방전 전계의 와이블 분포 그래프이다. 계면압력이 0.83MPa인 시료의 누적 파괴 확률 63.2% 전계는 5.83kV/mm,
0.115MPa인 시료는 6.90kV/mm, 0.175MPa인 시료는 7.66kV/mm로 95% 신뢰구간이 겹치지 않고 계면압력이 높아질수록 연면방전
전계가 상승하는 것으로 나타났다.
그림. 4. 계면압력에 따른 연면방전 전계의 와이블 통계 분석
Fig. 4. Weibull statistical analysis of surface discharge dielectric strength with
interfacial pressure
표면 다듬질에 사용한 샌드페이퍼 입도에 따른 연면방전 시험은 전극 사이 절연체 표면을 입도 #320, #400, #600, #800인 샌드페이퍼로
다듬질한 시료로 계면압력이 0.083MPa, 0.115MPa이 되도록 케이블 절연 외경과 미니 고무 슬리브 내경을 선정했고, 윤활제는 그리스를 사용했다.
그림 5는 계면압력이 0.083MPa인 경우와 0.115MPa인 경우 표면 다듬질에 따른 연면방전 전계를 와이블 분포로 나타낸 그래프이다. (a)는 계면압력이
0.083MPa인 시료들의 결과로 #320 샌드페이퍼로 다듬질한 시료의 누적 파괴 확률 63.2% 전계는 5.36kV/mm, #400 샌드페이퍼로
다듬질한 시료는 5.83kV/mm, #600 샌드페이퍼로 다듬질한 시료는 5.77kV/mm, #800 샌드페이퍼로 다듬질한 시료는 5.89kV/mm로
나타났다. #400~#800 샌드페이퍼로 다듬질한 시료의 척도 파라미터는 95% 신뢰구간이 상당부분 겹쳐서 연면방전 전계 차이가 없는 것으로 볼 수
있고, #320 샌드페이퍼로 다듬질한 시료는 다른 시료들에 비해 7.1~9% 연면방전 전계가 낮고, 95% 신뢰구간도 겹치지 않아 차이가 있는 것으로
판단된다. (b)는 계면압력이 0.115MPa 인 경우 연면방전 시험 결과이다. #320 샌드페이퍼로 다듬질한 시료의 누적 파괴 확률 63.2% 전계는
6.71kV/mm, #400 샌드페이퍼로 다듬질한 시료는 6.90kV/mm, #600 샌드페이퍼로 다듬질한 시료는 6.86kV/mm, #800 샌드페이퍼로
다듬질한 시료는 6.87kV/mm로 나타났다. 계면압력이 0.115MPa인 경우 95% 신뢰구간이 겹치는 수준으로 다듬질에 따른 연면방전 전계는 차이가
없다고 볼 수 있다.
그림. 5. 표면 다듬질에 따른 연면방전 전계의 와이블 통계 분석
Fig. 5. Weibull statistical analysis of surface discharge dielectric strength with
surface treatment
그림 6은 계면압력이 0.083MPa인 경우와 0.115MPa인 경우 윤활제에 따른 연면방전 전계를 와이블 분포로 나타낸 그래프이다. 계면압력이 0.083MPa인
경우 연면방전 전계가 실리콘 오일 적용 시료의 누적 파괴 확률 63.2% 전계는 5.85kV/mm, 그리스 적용 시료는 5.83kV/mm이고 계면압력이
0.115MPa인 경우는 각각 6.86kV/mm, 6.90kV/mm로 나타났다. 계면압력에 따른 차이는 나타났으나 윤활제 종류에 따른 연면방전 전계
결과는 신뢰구간 95%구간이 겹치게 나타나 윤활제 종류에 따른 연면방전 차이는 없다고 볼 수 있다.
그림. 6. 윤활제에 따른 연면방전 전계의 와이블 통계 분석
Fig. 6. Weibull statistical analysis of surface discharge dielectric strength with
lubricants