절연 물질의 열적 특성(Thermal Properties in Insulating Materials)

전력을 전달할때 전도체에는 저항의 손실(ohmic losses)로 인해 열이 발생한다. 그리고 이러한 열의 발생은 절연체의 절연 능력 손실과 금속에서의 에디-전류 손실(eddy-current losses)을 거치게 된다. 메탈과 비교하였을때 절연체는 매우 낮은 열적 안정성을 가지고 있기때문에 종종 절연체의 허용 온도 상승은 장비 사용의 제한을 두게 된다. 따라서, 절연 재료의 열적 특성을 이해하는 것은 장비의 설치와 디자인과 관련해서 매우 중요한 문제로 여겨진다.

a) 비열 (Specific Heat)

비열의 사전적 의미: 물질 1그램의 온도를 1℃ 올리는 데 드는 열량과 물 1그램의 온도를 1℃ 올리는 데 드는 열량과의 비율. 물의 비열은 1cal/g℃로서, 모든 물질 가운데 가장 크다(네이버 국어사전:https://ko.dict.naver.com/#/entry/koko/6008e6d946bc423395a59a1b38a94819).

열적 전달의 관성력으로 인해서, 절연 물질은 반드시 짧은 열적 펄스를 흡수 할 수 있어야 한다. 그리고 이러한 열적 펄스는 급작스런 부하의 변화로 인해 온도의 증가로 인한 열적 용량을 통해 일어난다. 비열(specific heat) c 로 표기한다.

m=질량

W=공급된 에너지

b) 열 전달(Heat Transport)

정적인 작동 조건에서의 지속적인 스트레스의 작용동안, 저항의 손실로 인해 열이 생성되며 이러한 열은 반드시 주변으로 방출되어야 한다. 전달 매커니즘은 열적 전도성, 열의 대류성, 열의 복사(방사선)로 이루어진다. 열 전도에서, 열적 전류의 흐름은 다음의 수식으로 표현되어 지다.

A: the area of the plate

s: the plate thickness

 (T1 - T2):the temperature difference

λ 는 열적 전도율로서 기술적으로 적용된 온도 범위네에서는 일정하다고 가정한다.

전기적 장비로부터의 빠른 열손실 제거는, 좋은 열적 전도율이 요구된다. 이러한 요구 조건은 크리스탈라인 절연 재료가 최고의 옵션이 될 수 있는데, 그 이유는 크리스탈 격자에서의 원자의 규칙적인 배열과 작은 원자 간격은 원자의 움직임의 좋은 전달을 확보 할 수 있기때문이다. 대조적으로, 비결정질 구조의 재료는 뚜렷하게 안좋은 열적 전도율을 가지고 있다 (크리스탈라인의 구조 vs 결정쿼츠)

quartz crystal λ = 6 ... 12 W/mK vs quartz glass λ = 1.2W/mK

쿼츠(석영) 성분의 좋은 열적 전도성은 상당한 양의 λ을 증가시 킬 수 있다(몰딩으로 채워진 케이스). 그리고 이러한 경우는 크리스탈 쿼츠가 모래의 형태 또는 쿼츠 파우더의 형태로 여과 재료(filter material)로 사용되었을때를 말한다.

열의 대류에의한 열전달에 관해서는, 열적 전류 P 는 경계면 면적 A에 비례한다. 그리고, 열 방출과 흡수의 온도차에도 역시 비례 한다.

α: 열적 변화 수

c) 선형 열적 팽창(Linear thermal expansion)

절연 재료들은 건설 재료들이며 빈번하게 메탈과 접촉하게 된다. 유기 절연 재료들의 매우 큰 열적 팽창에 관해서, 기계적인 과응력(overstress)의 위험이 존재한다. 그리고 이것은 더 큰 균열을이나 전극의 분리현상을 가져 올 수 있다. 무기(inorganic) 절연 재료들의 관해서는, 선형의 열적 확장은 메탈보다는 낮은편이다. 따라서, 유기(organic) 물질을 무기 물질들(epoxy resin with quartz) 추가함으로써 선형 열적 팽창의 값을 향상 시킬 수 있다. 부분적으로, 크리스탈라인의 물질은 비결정질 구조의 물질보다 매우 큰 열적 팽창지수 가진다.

d) 열적 안정화 (Thermal stability)

절연 재료로서 중요하게 여겨지는 요소 중 하나는 열이 가해졌을때 형태를 유지하는 능력이다. 이를 결정하기 위한 2가지 방법이 있다. 첫번째 방법은 Martens 방법이며. 10 x 15 mm^2 단면 과 120mm 길이의 표준 테스트 전극에 균일한 응력(휨 응력(bending stress) 500N/cm^2)에 노출 시킨다. 동시에, 주변 공기의 온도는 50°C/h의 비율로 증가한다. 그리고 물체가 특정한 휨현상을 보여주며 형체의 변화가 생기는 온도를 측정하는것을 Martens 방식이라고 한다.

두번째로는, Vicat 방식으로써, 1 mm^2의 뭉툭한 형태의 바늘을 10N 또는 50N의 힘 조건하에서 1 ± 0.1 mm로 절연체를 뚫는 온도를 측정한다. 다음의 표는 위의 두 방식에 관한 물질들의 정보를 보여준다. 

플라스틱 범위에서는, 몰딩은 장력, 압축, 휨강도에서 감소를 보여줄 뿐만 아니라, 전기적, 절열적 성분의 상당한 왜곡현상을 보여준다. 열이 가해졌을때 모형 유지력의 높은 값은 무기 형태의 물질이 유기 형태의 물질보다 훨씬 우수한 능력을 보여 준다.

출처:

D. Kind, High-Voltage Insulation Technology. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2011.