Abstract
Polypropylene laminated paper(PPLP)는 매우 중요한 절연 물질이며 오일로 채워진 케이블(OF: oil filled cable), mass impregnated (MI) cable, 그리고 고열 초전도체(HTS: high temperature superconductor cable) 케이블에서 성공적으로 사용되어왔다. PPLP는 기본의 Kraft 절연 페이퍼를 베이스로 향상된 절연 물질이다. 이 물질은 한 개의 PP 필름이 두 개의 kraft 페이퍼에 샌드위치처럼 끼어져 있는 형태를 가지고 있다. DDB 오일을 머금은 PPLP 샘플은 DC 전계 조건하에 공간 전하의 분배가 PEA(pulsed electroacoustic method)를 이용해 조사되었다. 전계의 분배와 왜곡현상은 한 개, 두 개, 그리고 세게의 레이어를 기반으로 한 PPLP 샘플로부터 얻어진 결과를 토대로 이야기되었다. 실험 결과가 보여주는 점은 공간 전하는 페이퍼와 PP 사이의 경계면(interface)에서 시간이 지날수록 축적된다는 점이었다. 그 결과, 축적된 공간 전하에 의해서 발생한 전계는 PP 필름 내부에서 강화되는 반면 페이퍼에서는 감소되는 모습을 보여 주었다. 즉, 더 많은 공간 전하가 축적될수록, 더 심한 전계 왜곡 현상이 PP 필름 내부에서 발생하였다. 그리고 공간 전하의 분배와 전계 왜곡 현상은 멀티레이어 PPLP 샘플에서 반복적인 패턴을 보여주었다.
I. Introduction
PPLP (polypropylene laminated paper)는 Kraft 페이퍼를 향상한 절연 물질이며 절연 능력이 우수하고 매우 안정적인 재료이다. PPLP 절연 재료는 다양한 케이블에 사용되었으며 그 케이블의 종류는 다음과 같다.
- OF: Oil-filled Cable
- MI: Mass-impregnated cable
- HTS: High temperature superconductor cable
높은 전도성의 오일이 사용된 MI 케이블은 오일을 머금고 있으며 친환경적이며 오일 누수로 인한 화재의 위험의 대해서 높은 안정성을 가지고 있다. MI 케이블은 깊은 수중에서 oil changing valve 없이 장거리로 적용된다.
더 높은 저항성과 더 낮은 pp 필름의 유전율 Kraft 페이퍼에 비해서 때문에, 전기적 응력은 대부분 PP 필름에 적용된다. 잘 알려진 점은 이러한 개선점으로 인해 PPLP에서 절연 강도가 PP 비율에 비례한다는 점이다. 그러나, HVDC 케이스에 관해서는, 오일을 머금은 PPLP 샘플에서 공간 전하의 역학은 아주 많은 주의를 요한다. 중합 케이블(polymeric cable)에서는, 공간 전하의 부족한 정보가 가장 큰 문제점이며 전하의 역학(charge dynamics)은 절연 시스템에서 매우 중요한 역할을 하며 HVDC 케이블 작동에 있어서 큰 영향을 끼치며 안정적인 HVDC 케이블 운용에 있어서 이를 알아내는 것은 매우 중요하다. 오일을 머금은 PPLP 또는 액상 질소에서의 공간 전하의 역학들이 조사되었다. 매우 고 전압의 DC 케이블 절연에서 공간 전하 역학을 이해하는 것은 매우 중요하며 특히 PPLP 절연체의 경계면(interfaces)에서의 이해가 중요하게 여겨진다.
이 페이퍼에서는, 높은 점도성의 DDB 오일을 머금은 PPLP 샘플에서의 공간 전하의 역학이 조사되었다. 경계면 영역에 축적되는 공간 전하는 부분적인 전계를 왜곡시키며 특히 PP레이어를 가로지르며 이러한 현상이 일어난다. 이 페이퍼는 멀티 레이어 PP 샘플에서 일어나는 전계의 왜곡 현상과 이로 인한 전기적 능력에 관해서 이야기하고 있다.
II. Experiment Setup
A. Sample Preparation
PPLP는 라미네이트 처리된 절연 물질 중 하나이며 두 개의 Kraft paper사이에 하나의 PP (polypropylene) 필름이 샌드위치처럼 끼여있는 구조를 가지고 있다. 이 실험에 사용되는 샘플은 상업적으로도 이용되는 샘플로써 Kraft 페이퍼와 PP필름 사이의 접착이 매우 잘 되어있다. Figure 1은 PPLP 샘플의 구조를 보여준다.
Film의 총 두께는 약 120um이다. PP와 Kraft 페이퍼의 경계(interface)는 두 물질이 혼합되어 있으며 이는 Kraft 페이퍼의 섬유소 구조가 PP 필름을 페이퍼에 래미네이트 처리 과정으로 압축될 수 있게 허용한다. 이 물질은 대게 잘 결합되어 있으며 샘플의 각 레이어는 PPLP 필름으로부터 분리될 수 없다. 결론적으로, PPLP의 경계면은 뚜렷하거나 명확하게 표시되지는 않지만 PP와 Kraft 페이퍼의 영역의 개념으로 다가갈 수 있다.
높은 점도성(viscosity)의 DDB 오일은 실제 MI 케이블에 사용되며 이 케이블은 DDB 오일을 머금고 있다. 섬유소의 축축해지기 쉬운 (hygroscopic) 특성으로 인해, 진공 가스 제거(degassing) 처리가 필요하다. 진공 오븐 100℃에서 건조 후, disc PPLP 샘플은 가스가 제거된 DDB오일을 100℃의 진공 오븐에서 2일동안 처리된다. 완전하게 오일을 함유한 후에는 샘플은 오븐에 테스트를 실행하기 전까지 보관된다.
B. Experimental Equipment
PEA (Pulsed electroacoustic) 기술은 고형 그리고 액상의 절연체 내에 공간 전하를 측정함에 있어서 가장 효과적인 기술로 고려되어왔다. 현재의 연구에서 사용된 PEA 시스템은 현재 매우 좋은 질의 공간적(spatial) 해상도와 민감도를 가지고 있으며 이는 얆은 PVDF piezoelectric 센서와 좁은 간격의 펄스 생성기 때문이다.
이 페이퍼에서는 오직 양(+) 극 성의 전압만이 적용되었다. 캐소드의 재료는 알루미늄(aluminium)이며 애노드는 반도체성 폴리머(semiconducting polymer)이다. 오일-페이퍼 절연 시스템에 있어서 수분은 실험 결과에 영향을 미치는 가장 민감안 요인 중 하나이기 때문에, 이 페이퍼에서 다뤄지는 모든 실험은 상온(room temperature)과 통제된 습도에서 진행되었다. 샘플을 오일이 담긴 컨테이너에서 꺼내기 전, 오일이 함유된 수분이 테스트되며 모든 샘플의 수분은 10ppm (parts per million) 이하이다. 공간 전하의 프로필의 기록은 30분 동안 진행되며 매 5분마다 기록을 측정한다. 높은 점도의 케이블 오일이 사용되는 만큼, 오일의 acoustic 속도, 오일 Kraft paper와 PP는 매우 가까운 관계이다. 그러므로, PPLP의 다른 부분의 acoustic impedance는 매우 유사하며 데이터의 처리를 쉽게 만든다.
III. Results
A. Charge Distribution in Single Film of PPLP sample
다른 레이어와 경계면에서의 공간 전하 역학의 관한 내용이 이 부분에서 다루어진다. Figure 2에서 보이는 것처럼, 캐소드와 애노드의 위치는 검은색과 빨간색의 실선으로 표시되었다.
Figure 2에서 보이는 것처럼, PPLP Bulk 샘플에는 전하의 축적이 목격되지 않는다. 캐소드의 peak 값에 비해서 애노드 peak 값은 약간 더 넓고 작은 강도를 가진다. 그 이유는, PPLP 샘플을 통한 신호 attenuation과 acoustic wave의 scattering 때문이다. 측정 기간 동안 두 경계 영역에서의 peak 값은 약 3배 정도 증가한다. 동시에, 이 peak 값은 시간에 따라사 급격하게 감소한다. 캐소드의 peak 값을 예로 들자면, 음(-) 극 전하는 10C/m3의 값으로부터 5C/m3의 값으로 처음 5분 동안 감소한다. 그리고 30분간의 전압 적용 이후에는, 초기 전하 밀도값의 20% 정도 더 감소하게 된다. 애노드의 전하 밀도 그리고 애노드 옆에 경계 영역에서의 전하밀도는 캐소드 쪽에 비해 작은 편이지만 대칭적 구조는 변화의 트렌드 또한 대칭적으로 나타난다.
Figure 3이 보여 주는 점은 9kV/mm DC 공급의 제거 후 한 개의 PPLP 필름의 전하 소멸 커브를 보여준다. 이 결과는 멀티 레이어를 가로지르는 소멸과정에서 남아있는 전하들을 보여준다. 경계성 peak의 전하 극성은 이웃한 전극과 같은 극성을 가진다. 양(+) 극 성 peak은 캐소드에서 발견되며 이는 경계면의 (-)전하에 의해서 유도된 전하이다. 추가적으로, 모든 peak들은 시간과 함께 감소하지만 소멸 속도는 그렇게 빠르지는 않다. 왼편 경계에 위치한 음(-) peak의 강도는 10C/m3 에서 4C/m3으로 30분동안 감소하게 된다. 오직 60% 전하들만이 전극으로 부터 소멸되거나 PP레이어의 양(+)극 성 전하와 함께 중성화된다. 만약 경계성 영역이 전하 캐리어들을 위한 트랩(traps)의 기능을 한다면, 트랩 깊이(trap depth)는 상대적으로 깊어질 것이다. 소멸 속도(decay rate)는 전하 축적 속도(charge accumulation rate)와 비교 가능하다.
PPLP 절연의 멀티레이어 구조 내에서 전계 분배는 푸아송 수식을 베이스로 한 공간 전하 분배로부터 결과를 얻을 수 있다. Figure 4에서 보이는 것처럼, 오일을 머금은 두 개의 Kraft 페이퍼 레이어 내에서의 전계는 전극 사이에 표시되어 있으며 파란색 선으로 표시되며 전압의 적용 시간과 함께 감소한다.
Volts-on 결과로부터, bipolar 전하 주입이 시작되며 대부분의 주입된 전하들은 Kraft paper와 PP 혼합의 경계 영역에 갇히게 된다. PP 레이어를 가로지르는 전계는 양쪽의 경계 영역에 축적된 전하들에 의해 강화된다. 더 많은 전하들이 축적될수록 전계가 PP 레이어에서 더 강하게 강화돼버린다.
PPLP 필름 샘플에서 전기적 분배의 다른 설명은 전압의 분배(voltage distribution)이다. 만약 샘플이 equivalent circuit으로 표현된다면, 재료의 서로 다른 부분이 직렬로 구성된 모습일 것이다. 그리고, 각 부분은 저항과 캐패시터의 병렬연결 구조로 표현될 수 있다. 전압이 steady-state에 도달한 이후에는, 샘플의 서로 다른 부분에 걸리는 전압 분배는 절연 물질의 저항성에 의해 결정된다. PP 레이어를 통한 전압은 오일-Kraft 페이퍼를 통한 접안보다 더 많이 하강한다. 이러한 현상은 PP에서 더 강한 전계(electric field)를 생성하게 된다. 이 연구 페이퍼는 이 분석의 내용을 계속 다룰 것이다.
B. Charge Distribution in Two Films of PPLP Sample.
Figure 5는 9kV/mm의 전계가 적용되었을 때, PPLP 샘플의 두 개의 필름에서의 공간 전하 분배를 보여준다. 캐소드로부터 얻어진 negative peak는 전압의 적용 시간과 함께 감소하며 PPLO 샘플의 단일 필름과 유사하다. 음(-)극성 전하들은 캐소드로 부터 주입되고 Oil-Kraft 페이퍼로 이동하게 되며 Kraft 페이퍼/PP 경계면 왼편에서 이동이 막히게 된다.
Figure 5에서 애노드 측면에서 빨간 라인으로 표시된 곳에서는 예상된 positive peak이 관측되지 않는다. 그 이유 중 하나는 acoustic 신호의 attenuation 때문이다. 또 다른 이유 중 하나는 PEA 시스템은 오직 순 전하(net charge)만을 측정하기 때문이다. 애노드에 위치한 전하는 아마도 주입된 호모 전하의 순 전하 일 것이며 전극은 전하를 유도하며 오일-Kraft 페이퍼에서 negative 이온들은 전계가 적용되었을 때 전극으로 이동하게 된다.
PPLP 샘플이 가지는 두 필름의 중간 부분에서는 두 반대 극성의 전하 Peak이 존재한다. 둘 다 시간과 함께 증가하지만 positive peak은 negative peak에 비해 더 빠르게 steady-state에 도달한다. 샘플의 두께와 acoustic wave velocity 정보에 의하면 이 두 peaks는 오일-Kraft 페이퍼와 PP의 경계(interface)에 위치한다. PEA test cell에 세팅된 샘플의 두 필름이 각각 PEA 전극 사이에 함유되어 있기 때문에, 오일 레이어의 얇은 슬라이스(thin slice)가 필름들 사이에 세팅되어야 한다. 이 페이퍼의 PEA 시스템은 오일의 얇은 레이어에서 전하 분배를 나누기 위한 공간적 해상도(spatial resolution)를 얻기 어렵다.
오일 절연 페이퍼의 전기적 특성은 오일 조건에 매우 의존적인 편이다. 외부의 전압이 적용된다면 이온화 과정이 일어날 가능성이 있다. 그 결과, positive 전하들이 캐소드 부분으로 이동하며 첫 번째 PPLP 필름의 PP 오른편 경계에서 막히게 되고 negative 전하들은 애노드 부분으로 이동하며 두 번째 PPLP 필름의 PP 왼쪽에서 막히게 된다.
Figure 6는 전하의 축적을 기반으로 한 푸아송 수식을 기반으로 계산된 전계의 분배 모습을 보여준다. 각각의 레이어에서는, 단일 필름 샘플을 다룬 section A(Figure 4)에서 처럼 유사한 패턴이 얻어진다. PP 필름을 통하는 전계는 상당하게 강화 된며 가장 낮은 전계 부분분 오일 레이어와 두 개의 PPLP 필름 사이에서 발견된다. 애노드 부근 PPLP의 두 번째 필름을 통하는 전계는 캐소드 부근 첫 번째 필름에 비해서 더 작다. 이러한 현상은 acoustic sensor에서 매우 먼 부근의 신호 attenuation을 야기하게 된다.
C. Charge Distribution in Three Films of PPLP Sample
실제 PPLP 절연 케이블의 멀티 레이어 구조를 고려해 볼 때, PPLP 샘플의 3개의 필름이 동일한 외버 전계 조건하에 테스트되었다. Figure 7은 PPLP의 3개 필름이 9kV/mm 조건에서 테스트된 모습을 보여준다. 다시 말하자면, 캐소드의 peak는 감소하며 PP와 함께하는 오일-Kraft paper의 왼편 경계에서의 peak은 전압 적용 시간과 함께 증가한다. 유사한 positive/negative 전하들의 pairs가 다음 두 필름 사이에서 발견된다. 각 필름에서 PP 레이어의 양면으로부터, 유사한 분배 패턴이 negative(left hand side)와 positive(right hand side) 전하의 축적과 함께 발견된다. 예상한 대로, 애노드와 가까운 영역에 전하밀도는 적은 편이다.
Figure 8에서는 PPLP 3개의 필름을 통과하는 전계 분포를 나타내며 이 내용은 2개의 필름의 내용과 유사하다. PP 레이어를 가로지르는 전계는 강화되는데 그 이유는 PP 레이어 양면에 축적된 공간 전하 때문이다. 가장 낮은 전계는 두 필름 사이에 오일 갭에서 관측된다.
IV. Discussion
A. Factors that Affect Space Charge Distribution in PPLP
PPLP는 특별하게 여겨지는 절연 물질 중 하나이며 샌드위치 구조로써 비 호모화된 물질(non-homonized material)이다. 다른 물질들에 있어서 경계성 공간 전하를 의논할 때, Maxwell-Wanger 이론은 매우 높게 묶여있으며 (bracketed) 이는 유전율과 전도성 비율의 불연속성이 경계면에서 전하를 유도한다는 것이다. 첫 번째로, PPLP 샘플의 다른 레이어의 유전율(permittivity)과 전도성(conductivity)은 다른 값을 갖는다.
그러나 이는 트랜스 포머에서 사용되는 오일과 오일 절연 페이퍼 케이스와는 다르다. 트랜스 포머에서는, 절연 페이퍼의 유전율(permittivity)은 미네랄 오일보다 훨씬 크나, 전도성(conductivity)은 더 작다. 하지만, 이 현상은 오일을 머금은 PPLP에서 다르게 나타나는데, PP의 유전율은 오일 Kraft 페이퍼보다 더 작으며 전도성 또한 더 작다. 분극화(polarization)는 전하 분포에 있어서 영향을 미치기는 하나 그 영향력은 미미한 편이다. 두 번째로는, 상업적 PPLP 필름 (고온 고압에서 래미네이트 됨)은 녹은 PP를 깊게 절연 페이퍼 섬유소로 압축하고 그 결과로 더 얇은 순수 PP 레이어가 필름 중간에 생기게 된다 (Figure 1).
높은 점도성 절연 오일이 함유된 후, 절연 구조는 내부부터 외부까지 대칭적 구조를 이루며 이는 PP의 레이어, PP와 Kraft 페이퍼의 혼합물, 오일-Kraft 페이퍼처럼 구성된다. PP의 상대적 유전율 (2.2)와 DDB 오일의 상대적 유전율 (2.2±0.2)가 매우 유사하기 때문에 PP와 오일-Kraft 페이퍼의 전도성은 9kV/mm의 전계에서 그 값이 매우 작다. 그러므로, 상업적 오일을 머금은 PPLP 샘플에서의 Maxwell Wanger 분극화로 인해 경계성 공간 전하는 아마 작을 것이다.
오일-Kraft 페이퍼에서의 이온화는 다른 요소이며 공간 전하 축적에 영향을 미친다. Positive, negative 이온들은 외부의 전압이 적용되는 조건에서 반대 방향으로 이동한다. 오일 또는 Kraft paper가 흡수한 수분은 이온화될 수 있으며 테스트 샘플에서의 전하 형성에 기여하게 된다. 이러한 수분은 전도성과 오일-Kraft 페이퍼에서의 전하 생성 속도에 영향을 끼칠 수 있다. 그러므로, 샘플 조건과 주변 온도 그리고 상대적 습도의 조건들은 일정하게 유지하여야 한다. 오일이 함유한 습도는 10 ppm 이하로 유지하여야 한다. 그러나 PEA 시스템은 오픈된 공간에 위치하며, 진공상태로 위치하고 있지 않다. 이러한 상황은 샘플에서 전하의 움직임에 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 실험 조건의 일관성을 유지하기 위해서, 이 페이퍼에서 제공된 결과들은 같은 날에 샘플링이 된 재료들이다.
주입된 전하와 주입된 이온들은 전계에 영향 하에서 이동하게 된다. 물리적 경계면(physical interface)은 이온화나 주입과 상관없이 공간 전하를 막거나 천천히 이동하게 만든다. 이러한 경계면은 전하 carrier를 위한 trapping center로써의 역할을 하게 된다. 이 페이퍼에서 보여주는 소멸 결과들은 느린 소멸 과정을 보여준다. 이는 경계면 영역이 전하 캐리어를 위한 아주 깊은 트랩(trap)으로써 역할을 하고 있음을 암시한다.
B. Electric Field Distortion
절연 샘플에서의 공간 전하 축적은 전계의 분포에 있어서 영향을 끼친다. 실험적 결과로 나타나는 점은 반대 극성의 전하들이 PP 양면에 축적된다는 점이다. PP필름을 통하는 축적된 공간 전하에 의해 발생한 전계는 적용된 전계와 같은 방향성을 가진다. 이와 반대로, PP를 통하는 전계는 강화되지만, 오일-Kraft 페이퍼를 통하는 전계는 시간이 지날수록 감소한다. 이러한 현상은 MI 케이블이 PPLP 절연 시스템과 고 전압 레벨에서 적용되는 데 있어서 이점을 가져다준다. PP의 절연 파괴강도는 오일-Kraft페이퍼에 비해서 훨씬 강한편이다. PP 레이어에서 더 심하게 왜곡된 전계 분배는 납득할만한 결과를 가져다 준다. 동시에, 더 강한 전계 강도는 PP 양면에 축적된 전하를 PP레이어로 이동하는데 더 큰 가능성을 야기한다. 이것은 왜 적용된 전압이 제거된 후 경계 전하들의 소멸이 느린 이유 중 하나이다. 몇몇의 전하는 이미 PP레이어로 주입되었으며 소멸을 천천히 한다. 이러한 현상은 적용된 전압의 극성이 역전된 후에는 잠재적인 위험성을 가져올 수 있다. 오일-Kraft 페이퍼를 통하는 전계는 극성 역전(polarity reversal) 이후 강화된다.
V. Conclusion
래미네이트 절연체(PPLP)의 서로 다른 레이어에서 존재하는 공간 전하 분포와 전계 왜곡 현상은 9kV/mm의 전계가 적용된 상황에서 조사되었다. 다음은 이 연구 페이퍼를 요약한 결론이다.
PPLP 절연 구조에서의 경계면(interfaces)들은 전극이나 외부 응력 작용으로 인한 샘플 내에서 생기는 이온으로부터 이주하는 전하들을 막거나(block) 가둔다(trap). 두 전극으로부터 오일-Kraft 페이퍼 레이어로의 호모 전하 주입은 관측 가능하다. 순수 PP 레이어에서의 전하 역학은 뚜렷하게 관측하기 힘들다. PEA 시스템에 의해서 발견된 대부분의 전하들은 주로 Kraft paper/PP의 경계면에서 축적됨을 보인다(9kV/mm). 전계의 분포는 전하의 형성을 기반으로 하고 있으며 이는 PP레이어를 가로지르는 전계가 상당히 강화됨을 보여준다. 더 많은 전하들이 축적될수록, 더 심한 전계 왜곡현상이 일어나게 된다. PPLP의 멀티 필름은 반복적인 전하 분포 패턴을 보여준다. 경계면에서의 더 깊이 갇힌 전하들(trapped charges)은 전하 역전 현상(voltage polarity reversal)이 일어났을 때 잠재적인 위험성을 가지고 있다. 따라서, 경계성 공간 전하와 전계의 행동은 지속적으로 조사되어야 HVDC 케이블 시스템을 안정적으로 운용할 수 있다.
출처:
[1] M. P. and P. L. Zhiqiang Xu, Miao Hao, Bo Huang, George Chen, “Space Charge Dynamics and Electric Field Distortion in the Laminated Insulation for HVDC Cable,” vol. 3, pp. 605–608, 2017.