發電所用 케이블 고무의 物性 및 트래킹 安全性 評價에 關한 硏究 : 發電所用 케이블 고무의 物性 및 트래킹 安全性 評價에 關한 硏究 = A Study on the Physical Properties and Tracking Safety Evaluation of Rubber for Power Plant Cables

국문 초록 (Abstract)

전력설비와 전기기기의 장기 사용이 증가함에 따라 절연재료의 노후화, 표면 오염, 수분 부착 및 전기적 스트레스가 중첩된 환경에서 발생하는 표면 트래킹（surface tracking） 현상은 절연 파괴와 전기화재를 유발하는 중요한 안전 문제로 다루어지고 있다. 특히 발전소용 케이블은 고전압 운전 조건과 오손 환경에 장기간 노출되므로 절연재의 전기적 특성뿐 아니라 재료 자체의 물성 변화와 열화 거동을 함께 평가할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 발전소용 케이블 고무의 물성과 트래킹 안전성을 종합적으로 평가하기 위하여 실리콘 고무를 기재로 선정하고, 실리카 （SiO₂） 보강제 함량을 0, 10, 20 및 40 phr로 변화시킨 시편을 제작 하였다. 시료는 실리콘 고무 100 phr를 기준으로 실리콘 오일 3 phr, 가교제 2,5-bis（tert-butylperoxy）-2,5-dimethylhexane 0.5 phr를 동 일하게 유지하고, 실리카만 변화시켜 A（0 phr）, B（10 phr）, C（20 phr）, D（40 phr）로 구분하였으며, 시편 크기는 80 mm × 150 mm × 1 mm로 통일하였다. 물성 평가는 표면분석, 성분분석（EDX）, FT-IR 분석, XRD 분석 및 DSC 분석으로 수행하였다. 표면분석에서는 실리카 함량에 따라 표면 미세구조와 분산 상태 차이가 확인되었고, 20 phr 시편에서 비교적 균일한 분산 상태가 나타났다. 성분분석（EDX）에서는 주요 원소 분포가 조성 변화와 전반적으로 일치하였으며, mapping 결과 또한 20 phr 조건에서 균질한 분포 경향을 보였다. FT-IR 분석에서는 실리카 첨가 후에도 실리콘 고무의 기본 결합 구조가 유지되었고, XRD 분석에서는 실리카 함량 증가에 따라 무기상 관련 특성 변화가 확인되었으며, DSC 분석에서는 조성 변화에 따른 열적 거동 차이가 나타났다. 트래킹 안전성 평가는 IEC 60587 경사평면 트래킹 시험을 기준으로 전압, 회전수, 저항 및 오염도 조건을 변화시키면서 누설전류 특성과 표면 열화 양상을 비교하였다. 전압 변화 시험에서는 A 시편이 2.2/ 2.6/3.0 kV에서 각각 2.4, 3.6, 10.2 mA, B 시편이 2.0, 9.1, 9.4 mA, C 시편이 2.8, 6.0, 7.5 mA, D 시편이 1.9, 5.8, 13.4 mA의 평균 누설전류를 나타내었으며, 특히 3.0 kV 조건에서 A 시편은 10분 이후, D 시편은 10분 이후부터 누설전류가 급격히 증가하여 60분 시점에서 가장 심한 열화 양상을 보였다. 회전수 변화 시험에서는 A 시편이 6.1/6.8/7.5 RPM에서 3.4, 3.6, 1.8 mA, B 시편이 5.2, 9.1, 5.2 mA, C 시편이 5.4, 6.0, 6.1 mA, D 시편이 3.3, 5.8, 3.1 mA를 나타내었 고, B 시편의 6.8 RPM 조건에서는 10분 부근부터 높은 전류 피크가 반복되며 60분 시점까지 불안정한 거동이 지속되었다. 저항 변화 시험 에서는 A 시편이 22/10/1 kΩ에서 3.6, 3.6, 4.2 mA, B 시편이 9.1, 5.3, 4.7 mA, C 시편이 6.0, 3.2, 3.8 mA, D 시편이 5.8, 4.0, 3.6 mA를 나타내었으며, 저항이 낮을수록 초기 가속 열화가 뚜렷해졌고, 1 kΩ 조건에서는 10~30분 구간에서 누설전류 피크가 집중되었다. 오염도 변화 시험에서는 A 시편이 2/4/8 wt%에서 3.8, 3.6, 4.8 mA, B 시편이 2.3, 9.1, 3.1 mA, C 시편이 3.4, 6.0, 3.3 mA, D 시편이 3.4, 5.8, 4.6 mA를 나타내었고, 전체 평균은 4 wt%에서 가장 높게 나타나 가장 불리한 조건으로 정리되었다. 특히 B 시편의 4 wt% 조건에서는 10분 시점에서 약 11 mA, 60분 시점에서 약 14 mA까지 상승하여 가장 큰 변동성을 보였다. 대표 가혹조건인 3.0 kV, 7.5 RPM, 1 kΩ 및 8 wt%에서 평균 누설전류는 A 5.25 mA, B 5.60 mA, C 5.17 mA, D 6.17 mA로 나타났으며, 20 phr인 C 시편이 가장 낮은 값을 보여 가장 안정적인 절연 성능을 나타내었다. 한편 본 논문은 화재 발생 시간을 직접 제시하지 않았으며, 대신 누설전류 급증 시점, 탄화 진행 및 아크 거동을 기준으로 위험 구간을 판단하였다. 이상의 결과를 종합하면, 실리카 보강제 함량 변화는 발전소용 케이블 고무의 물성과 트래킹 안전성에 직접적인 영향을 미치며, 20 phr 조성이 미세구조적 균질성, 열적 안정성 및 전기적 안정성을 함께 만족한 가장 적정한 조성으로 정리되었다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 4
• II. 관계 이론 6
• 1. 실리콘 고무 6
• 1） 실리콘의 역사 6
• 2） 실리콘의 화학구조 6
• 3） 실리콘 제조 6
• （1） 콤포지트 8
• （2） 가교 공정 10
• 4） 실리콘 고무의 특성 11
• 2. 트래킹 실험 장비 및 시험 기준 12
• 1） 트래킹 실험 장비 12
• 2） 트래킹 시험 기준 12
• 3. 트래킹 현상 13
• 1） 트래킹（Tracking） 열화 13
• 2） 경사평면법 13
• 3） 비교트래킹 지수 16
• 4. 아크 17
• 1） 일반적으로 발생이 되는 아크 17
• 2） 정상적으로 발생되는 아크 18
• 3） 사고 시 발생되는 아크 18
• 4） 내아크성 （Arc resistance） 18
• III. 시료 및 실험 방법 19
• 1. 시료 19
• 1） 실리콘 고무（Silicone Rubber）의 응용 19
• 2） 시료（실리콘） 제조 공정도 19
• 3） 시료（실리콘） 조성 및 제작 20
• 2. 물성 평가 21
• 1） 표면분석 21
• 2） 성분분석（EDX） 22
• 3） FT-IR 분석 22
• 4） XRD 분석 23
• 5） DSC 분석 23
• 3. 트래킹 안전성 평가 24
• 1） 트래킹 측정 회로도 25
• 2） 트래킹의 시험 조건 26
• 3） 트래킹 측정 장치 26
• 4） 실험 방법 29
• 5） 평가 방법 및 데이터 처리 29
• IV. 결과 및 검토 30
• 1. 물성 분석 30
• 1） 물성 분석 장비 30
• 2） 전자현미경 분석 결과 32
• （1） 표면분석 32
• （2） 성분분석（EDX） 결과 32
• （3） 성분분석（EDX-MAPPING） 결과 41
• （4） FT-IR 분석 결과 50
• （5） XRD 분석 결과 51
• （6） DSC 분석 결과 53
• 2. 인가전압 변화에 따른 보강제별 누설전류 특성 56
• 1） 보강제별 표면 누설전류 56
• 2） 보강제별 평균 누설전류 60
• 3. 펌프 유속 변화에 따른 보강제별 누설전류 특성 63
• 1） 보강제별 표면 누설전류 63
• 2） 보강제별 평균 누설전류 67
• 4. 직류 저항 변화에 따른 보강제별 누설전류 특성 69
• 1） 보강제별 표면 누설전류 69
• 2） 보강제별 평균 누설전류 73
• 5. 오손액 농도 변화에 따른 보강제별 평균
• 누설전류 특성 75
• 1） 보강제별 표면 누설전류 75
• 2） 보강제별 평균 누설전류 79
• 6. 보강제별 트래킹 탄화 82
• 1） 트래킹 탄화 평가 방법 및 측정 한계 82
• 2） 표면상태 육안 판정 기준 83
• 3） 전압 변화에 따른 보강제별 표면 상태 83
• 4） 펌프 유속 변화에 따른 보강제별 표면 상태 88
• 5） 직류 저항 변화에 따른 보강제별 표면 상태 92
• 6） 오손액 농도 변화에 따른 보강제별 표면 상태 96
• 7） 보강제별 표면 트래킹 탄화 거동 종합 99
• V. 결 론 101
• 참고문헌 105
• Abstract 109
• 감사의 글 113