Abstract
서로 다른 절연 상수(dielectric constants)와 전도성(conductivities)을 가지는 2개 또는 그 이상의 다른 물질들로 결합된 멀티레이어 절연체에서는 그 경계면에서 공간 전하(space charge)가 축적된다. 만약, 축적된 전하에 의해서 부분 전계(local field)가 증가되면, 절연체의 전기적 견고성(electric durability)이 감소하게 된다. 이 연구 페이퍼에서는, 오일을 머금은 PPLP(polypropylene laminated paper)를 이용하여 공간 전하의 축적을 측정하며 이는 3개의 레이어(kraft paper, polypropylene(PP), kraft paper)로 구성되며 이 샘플은 아주 강한 DC 전계(electric field)에 놓이게 된다. 실험 결과로 알 수 있는 점은, 내부의 공간 전하는 PP layer의 양쪽 표면 모두 축적되며 그리고 kraft layer에서의 전계는 사라진다.
Introduction
멀티 레이어 절연체는 전력 장비에 널리 사용되며 이에 해당하는 제품들은 오일을 머금은 케이블(oil-impregnated cable)과 트랜스포머 등이 해당된다. 2개 또는 2개 이상의 다른 물질로 구성된 멀티 레이어 절연 체내에서는 강한 DC 전계가 적용되었을 때 내부 공간 전하가 서로 다른 물질의 경계면에서 축적된다. 이러한 분극화(polarization)는 Maxwell-Wanger Polarization으로도 알려져 있으며, 이는 멀티 레이어의 전기적 견고성과 관련 있으며 그 이유는 경계면에서의 전계가 분극화로 인해 강화될 수 있기 때문이다. 이 연구 페이퍼에서는, pulsed electroacoustic 측정 방법을 통해 서로 다른 오일을 함유한 polypropylene으로 래미네이트 된 페이퍼(PPLP) 내부의 공간 전하의 분포를 측정한다.
Space Charge Accumulation in Multilayer Insulators
멀티 레이어 절연체와 그와 동일한 전기적 회로가 Figure 1에 처럼 나타난다.
ε: 절연 상수
δ: 전기적 전도성
PP의 절연 상수(ε)는 오일을 함유한 kraft paper와 유사하기 때문에 경계면에서의 극성(polarity)과 축적되는 전하의 양은 전기적 전도성(δ)에 의존한다.
Transient Phenomena of Space Charge Distribution in PPLP Specimens
공간 전하 분포는 pulsed electroacoustic (PEA) method에 의해 측정된다. 이 연구를 위해, high resolution PEA 측정법을 Figure 2와 같이 구성하였으며 이 장비를 통해 공간 전하의 측정이 가능하다.
PPLP 필름은 2개의 Kraft paper 사이에 PP 필름을 래미네이트 하였다. 미네랄 오일, 실리콘 오일 그리고, dodecyle benzen이 절연 오일로써 사용되었으며 각각의 PPLP 오일은 진공 챔버(vacuum chamber)에서 0.1 atm 기압, 30분 동안 이러한 오일들 중 하나로 함유(침유, impregnated) 과정을 거친다. 오일을 함유한 150um 두께의 kraft paper는 비교를 위한 대상으로 사용된다.
-5kV의 DC bias 전압이 오일을 머금은 샘플에 1분 동안 적용되며 공간 전하는 ground(earth) 전극(anode) 사이드로 부터 측정된다. 공간 전하 분포의 시간 의존도가 관측되며 이는 2번의 주기 동안 0.3초 간격의 측정을 통해 이뤄진다. Figure 4부터 7의 상위 부분의 그래프는 전압이 전용된 직후 3초 동안의 공간 전하 특성을 보여주며 하부의 그래프들은 3 초동 안 short 된 상황에서의 공간 전하의 움직임을 보여준다.
Figure 4는 오일을 함유한 kraft paper 샘플의 공간 전하 특성을 보여준다. 전압의 적용 직후, anode 부근에 hetero 전하들이 나타났으며 1분 이후 hetero 전하의 양이 증가함을 보였다. 비록 kraft paper에서 acoustic signal의 아주 큰 attenuation으로 인해서 cathode 쪽 HV 전극에서의 공간 전하는 뚜렷하게 관측되지 않았더라도 유사한 hetero 전하가 전압 +5kV가 반대의 극성으로 적용되었을 때 나타나였다. 극성 의존성은 모든 경우에서 뚜렷한 것이 아니기 때문에, -5kV가 적용되었을 때의 결과가 이 페이퍼에서 얻어졌다.
유도된 전하들이 ground 된 전극에서 나타나며 일시적으로 전극들이 쇼트될 때 유도된 전하들은 시간에 따라 감소한다. 따라서, 공간 전하 분포는 3초 이내에 사라져 버렸다. 이러한 hetero 전하 특성은 아마도 절연 오일에서 이온에 의존하기 때문이다.
Figure 5는 미네랄 오일을 함유한 PPLP 샘플의 공간 전하 특성을 보여준다. 신호 레이어(왼쪽에서 오른쪽 방향)는 ground 된 전극(anode). 40um의 kraft paper, 45um의 PP, 70um의 kraft paper, 그리고 HV 전극(cathode)을 보여준다.
Kraft paper의 전기적 전도성이 PP 필름보다 크기 때문에, 전압이 적용된 직후 양(+) 극성 전하들이 경계면에 축적되기 시작한다. 그러고 나서, anode에서의 전하는 3초 이내에 사라진다. 이 경우, 전계(electric field)는 오직 PP필름에만 존재한다. 전극이 short 되었을 때, 전하는 ground 된 전극에 나타나며 이는 kraft paper와 PP 필름의 경계성 전하들로 인해 유도된다. 유도된 전하는 감소되며 3초 이내로 사라지게 된다.
Figure 6은 dodecyle-benzene-impregnated PPLP 샘플의 공간 전하의 모습을 보여준다.
초기의 공간 전하의 분포는 미네랄 오일을 머금은 샘플의 행동과 동일하지만 전하 분포의 변화는 미네랄 오일을 머금은 샘플에 비해 2배 더 빠르다. 이러한 이유는, dodecycle-benzene의 점도성(viscosity)이 4.2 cSt로 이는 미네랄 오일의 점도성 8.2 cSt보다 낮기 때문이며 이로 인해 이온들의 이동성이 더 커지게 된다.
아래 Figure 7에서 보이듯이, 실리콘 오일을 머금은 PPLP 샘플과 미네랄 오일을 머금은 샘플의 공간 전하의 특성이 아래와 같이 나타나 있다. 비록 실리콘 오일의 점성도(3000 cSt)가 미네랄 오일(8.2 cSt) 보다 훨씬 크지만, 공간 전하의 분포 변화는 같은 속도로 일어난다. 이러한 사실이 전해주는 것은 실리콘 오일 내의 이온들이 미네랄 오일 내의 이온들보다 더 작다는 점이다. 이러한 가능성은 후에 추가적인 실험을 통해 이온을 확인하고 이러한 이온 무리의 사이즈를 측정해야 한다.
Ultra Fast Measurement of Charge Distributions
이 섹션에서는 급속 탐지 측정 방식을 통해 측정된 일시적 공간 전하의 특성에 관해 이야기한다. 각 아웃풋(output) 신호의 간격은 펄스 생성기의 반복 속도에 의존한다. 새롭게 개발된 펄스 생성기는 반도체(semiconductor) 스위치를 포함하고 있으며 이는 펄스를 50kHz의 주파수로 생성할 수 있다. 이를 통해 output 신호는 매 20u초마다 획득 가능하다. Figure 8은 2차원 이미지를 보여주며 이는 PPLP에서 공간 전하의 시간 의존성을 보여준다. 샘플은 실리콘 오일을 함유시킨 다음 공기 중에 노출된 채로 상온에서 보관되었으며 100ppm 이상의 수분을 함유한다. 5초, 0.5초, 0.05초 동안의 전압의 적용 직후 공간 전하 분포의 시간 의존성은 Figure 8(a), (b), 그리고 (c)에서 보인다. 수평 축은 샘플에서의 위치를 나타내며 수직 축은 시간을 나타낸다. Kraft paper와 전극 경계면에서의 전하는 kraft paper와 PP필름 사이의 경계면으로 100ms의 시간 동안 이동한다.
Conclusion
오일을 함유한 PPLP, 멀티레이어 절연체에서의 공간 전하의 특성이 DC bias 전압 조건에서 관측하였을 때, 공간 전하가 kraft paper와 PP film 사이 경계면에서 축적되는 것이 목격되었다. 이러한 전하들은 내부의 이온들이 적용된 전계(electric field)의 영향으로 인해 이동성을 갖추기 때문에 축적 되게 되며 전계는 오직 PP film에서만 존재한다. 이러한 특성은 모든 절연 오일에서 나타나며 그리고 공간 전하의 변화 속도는 반드시 오일의 점성도와 이온 집단의 사이즈와 연관되어야 한다.
출처:
[1] T. Maeno and F. Kaori, “Transient phenomena of space charge distribution in polypropylene laminated Paper.” 1998 IEEE International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics, 1998.