Electrical Properties about Thermal and Water Degradation of Epoxy Powder for Bus Duct

부스닥트용 에폭시 분체도료의 열 및 수중열화에 대한 전기적 특성

Electrical Properties about Thermal and Water Degradation of Epoxy Powder for Bus Duct

김현희*·김상현

^†

Hyun-Hee Kim

^*

· Sang-Hyun Kim

^†

*

한국국제대학교 소방방재학과

,

경상대학교 전기공학과

(2009. 2. 25.

접수

/2009. 6. 19.

채택

)

요 약

에폭시분체도료는부스닥트

,

및전기기기에절연재료로광범위하게사용되어진다

.

특히

Coating

절연 방식의경우전류에의한줄열로인해전기화재및폭발의점화원인이된다

.

^{본연구는에폭시분체도}

료의열화특성에대해절연파괴

,

^아크방전

,

^수명특성

(V-t)

^{을중심으로비교검토하고이에대한기초데이터}

확보및전기화재원인인절연특성에대해연구하였다

.

온도변화에따른절연특성은시편

KS

가유리전 이온도

(Tg)

이전까지

8~10%

정도의감소로안정적이었다

. V-t

및아크방전특성의경우

,

열화시편에서도 안정적특성을유지하였다

.

^{열화에의한전기적특성의경우시편}

KS

^{가우수한성능을가지고있다}

.

ABSTRACT

Epoxy powder is being in use for insulation materials widely. Especially, in cause of coating insu- lation can be caused electrical fire and explosion by Joul’s heat. This study has been compared and examined around breakdown, arc discharge, and V-t about insulation of Epoxy powder. Also, it has been researched about insulation which is cause of electrical fire and its basic data. According to tem- perature change, sample KS was stable before the T

g

to be about 8~10% decrease in the breakdown test . In case of V-t and arc discharge, it had been kept up suitable characteristic. Also, in case of electrical characteristic, sample KS has excellent capacity.

Keywords :

Epoxy powder, Bus duct, Breakdown voltage, V-t Characteristic

1. 서 론

최근 도심지 건축물의시스템은 크고

,

다양한 용량 의전력에너지를 필요로 하고있으며 이러한 추세에

맞추어 부스닥트

(Bus Duct)

¹⁾는전력을 공급하는매개

체로서 안전하고 에너지의 손실이 적은 등의 다양한 장점으로반도체공장및초고층빌딩

,

백화점

,

신공항

,

항만등의다양한분야에공급되고있다

.

^{그러나전력}

용량이 큰수송매체이기 때문에전류에 의한줄열과 절연열화에의한사고및전기화재의위험성은상시적 으로존재하며이에대한실제적인대비책이요구되고

있다

.

²⁾최근들어

Mica

복합재료를절연체로설계하여

1200

내열성을향상시킨 화재방지용부스닥트와 광섬

유센서를 이용한열감지시스템으로 초기화재를감 지하는 부스닥트등화재방지를 위한연구가활발하

다

. Figure 1

에부스닥트의구조를나타낸다

.

부스닥트

는지중송전케이블과유사한도체와절연체로구성되 어있으며

,

이들을체결하고외부로 부터의보호를위 한금속닥트

(Steel Housing)

^{를갖고있다}

.

^{일반적인 부}

스닥트 도체의절연방법으로는 얇은고분자필름을 여 러겹감아절연하는방식과 에폭시분체도료를 이용 한코팅방식으로 나눌수 있으며

,

경제성뿐만 아니라 제작공정상의 이유로 점차에폭시 분체도료를코팅하 여 절연하는방식이 보편화되어가고 있는 추세이다

.

³⁾

부스닥트의설치환경은 지하구및밀폐공간등에서 의운용으로 열악한장소임과동시에

,

대전류송전으 로인한큰에너지로인해전기화재및폭발의점화에 너지로서 충분한 조건을 가지고 있다

.

따라서 설치장

†

E-mail: [email protected]

소및운전상태를고려한장기수명및신뢰도향상을 위해서는코팅된 에폭시 절연체의전기적및열적특 성 변화^4,5)에따른 데이터베이스 구축이 필요하며

,

현 재로서는운전 중에발생할수있는 에폭시분체도료 의열화된절연특성에대한연구는거의전무한실정 이다

.

^{이는분체도료의특성향상및실제적인문제점}

파악을 위한 기초자료로 활용 가능하고 전기화재 및 점화에너지방지대책에기여할수있을것으로판단 된다

.

따라서 본연구에서는부스닥트의전기절연을 위한 에폭시 분체도료의 상용제품을각각유동 침적법으로 절연 코팅하여시험시편을제작하고다양한 열화조건 에 따른 전기적 특성변화를 비교검토하였으며

,

이를 토대로분체도료의절연특성향상을위한기초자료를 제시하였다

.

2. 실험 시편제작 및 방법

에폭시분체도료의전기적특성시험을위한시험시 편의제작과정을

Figure 2

에나타낸다

.

일정크기로절단된구리또는알루미늄기판

(100mm ×

100mm × 3mm)

을 산세척 후 에틸알코올

(99.9%)

에 함

침하여초음파세척을통해불순물을제거하였다

.

금 속기판을 전기로에서

200

^o

C

에서

20

분간 가열 하였으 며

,

이때비접촉식적외선온도계를통해확인하였으

며온도의오차는

± 5%

이하였다

.

가열된기판을수직

방향으로유동조에 함침하였다

.

Figure 3

에유동 침적법을 이용한 에폭시 분체도료

의코팅방법을보여주고있으며

,

본실험에사용된유 동 조는 스테인리스 원통형의 구조물 하단에 미세한

메쉬형

(mesh type)

다공판구조로설계되어져있다

.

유동조하단의주입구에서 외부공기를에어 콤프 레샤를통해주입하여유동조내의에폭시분체의유 동을발생시킨 후가열된 구리기판을수직으로

5

^초

간침적시켜 코팅하였다

.

이는 에폭시 분체도료의 최 적화된 경화와 두께를 위한 조건이다

.

^{상기의 방식으}

로제작된 시료는국내외

3

개사의 에폭시분체도료를 Figure 1.

Structure of bus duct.

Figure 2.

The diagram of sample manufacture process.

Figure 3.

Experimental setup for epoxy powder.

Table 1.

Characteristic of Test Sample

항목

ST KS HK

경화조건

(

^o

C/

분

) 200/20 200/20 200/20

도막두께

(

µ

m) 597.39 633.15 408.89

표면색상 선분홍 갈색 흑색 절연파괴전계

(kV/mm) 39.64 31.73 36.14

이용하였으며

,

아민계

(Amine)

로서기본적물성의특성 은

Table 1

^{에나타내었다}

.

본연구에서는실제운전 중에서발생가능한 핵심 적인 문제를검토하기위해열적인 가속열화 및수중 열화를 통해 각시편의 전기·기계적 특성을 검토하 였다

.

열적인열화를 위해유동침적법으로만든각각 의 시편을 전기오븐기에

120

^o

C

로

20

일

, 40

일

, 60

일간 유지하여가속열화를했으며

,

수중가속열화를위해서 전기 가열 용기에서

80

^o

C

의수중에서 동일기간 동안 침적시켰다

.

3. 실험결과 및 고찰

Figure 4

는에폭시 분체도료의 온도변화에 따른 교

류절연파괴전계값을보이고있다

.

실리콘오일에시 편을침적시키고전기히터를통해실리콘오일과시편 의온도를변화시켰으며

,

⁶⁾절연파괴시험은한국산업규 격

(KS)

에따라반구

(25mm

φ

)-

평판

(75mm

φ

)

전극을사용 하였다

.

⁷⁾그림에표시된데이터는동일한조건에서

10

회이상실험값을최소자승법에의해표시하였다

.

실 험결과로써실사용온도영역이라할수있는상온에서

140

^o

C

이내에서는외국산

HK

시편과국내산인

KS

시편 이다소높게나타났으며

,

다음으로

ST

시편순으로조 사되었다

.

반면약

150

^o

C

이상에서는실사용영역에서 가장 높은절연내력을보여준 외국산

HK

시편과 국내 산

KS

시편의 외형상 변화와 함께 급격한 절연내력의 변화를 보였다

.

그원인으로서는외부열에너지에대한에폭시수지 의결합력약화에의한거동으로예상되며

,

특히에폭

Figure 4.

AC breakdown depend on temperature.

Table 2.

Analysis DSC & TGA Sample

Name Glass Transition

Temperature [

^o

C] Weight Loss Temperature [

^o

C]

ST 110 280

KS 125 270

HK 110 350

Figure 5.

AC breakdown depend on aging time.

시 수지의 유리전이온도

(T

g

)

와 밀접한 관계를 가지고 있다

.

따라서 각 시편의 유리전이온도를파악하기 위 해

DSC(Differential Scanning Calorimetry, Q200, TA

Instruments

사

)

분석과 분해온도 측정을 위해

TGA

(Thermogravimetric Analyzer, SDT Q600, TA Instru- ments

사

)

분석을실행하였으며

,

이에대한결과를

Table

2

에표시한다

.

각시편의 경우 온도에 대한 절연파괴

전압은

Tg

부근에서 하강하기 시작하여온도의 증가 에대해 더욱급격히 하락하는 경향을 보인다

.

각시

편에대한

DSC

및

TGA

분석결과를

Table 2

에표시 한다

.

부스닥트는수분과온도에대한영향으로인해에폭 시절연재료의중요한열화요인으로보고되고있다

.

^8,9)

따라서

Figure 5

는 에폭시 분체도료의

120

^o

C

의 공기 중및

80

^o

C

의수중에서장기간열화에따른교류절연 파괴 전계 값을보여주고있다

.

공기 중에서 열화시 킨시료는 열화기간이 경과함에 따라대부분의시편 에서 외형상큰변화는 없었으나 절연파괴전계값은 소폭의감소를보였다

.

^{특히국내산}

KS

^{시편은거의변}

화가 발생하지 않을정도로 우수한 특성을 보였으며

,

반면외국산

ST

시편은상대적으로가장큰변화가관 찰되었다

.

수중 열화 시킨 시편의 경우에는 대부분의 시편이열화기간의경과에따라외형상변화뿐만아니 라 절연파괴전계값도 큰폭의 감소를 보였다

.

공기 중 열화 결과와 마찬가지로 수중 열화에서도 국내산

KS

시편이열화기간에 따른변화폭이가장작았으며

,

외국산

ST

시편의변화폭이가장크게조사되었다

.

부분방전에 의한에폭시 절연재료의열화는 시스템 의안정성확보및수명에중요한 요인으로작용한다

.

그러나이들수명데이터나파괴데이터는산만하고흐 트러져 있어신뢰도 확보과중요하며절연 및열화통 계에서는와이블

(Weibull)

분포¹⁰⁾를많이취하고 있다

.

수명특성의 분석을위해 식

(1)

을이용하여

Weibull

분 포를취하였다

.

(t

≥

t

^l

)

= 0 (t < t

l

) (1)

t

는확률변수

, t

1은위치매개변수

, m

은형상매개변 수이다

.

여기서 형상파라미터

m

의 값에 의해

m < 1, m = 1, m > 1

의각각에대하여초기고장형

,

우발사고

형

,

마모고장형의 수명분포를 특징 지 울 수 있다

.

Figure 6

^{에에폭시절연체의수명특성을나타내었다}

.

본실험에서는구

-

평판의준평등전계를구성하고연

면방전을막기위해

Si-Oil

^내에서

AC

^{전압을인가하였}

다

.

수명실험의데이터는 인가전압의

20

점이상의 결

과를

Weibull

분포에 적용시켜 누적파괴확률의

50%

인

값을취했다

.

또한각시편의 인가전압의경우예상되

는절연파괴전계

95%~65%

사이의 전압을 인가하여

절연파괴가발생하는시간을측정하였다

.

실험결과국산

KS

^{시편은수명특성의기울기가완만}

하게 진행함에따라 우수한 특성을 나타내고있으며

,

외국산

HK

의경우고전계의경우다소기울기가급격 히강하되나저전계의경우안정된수명특성을나타낸 다

.

그러나외국산

ST

의경우고전계및저전계에서 도다소급격한기울기특성을나타냄에따라마모고 장형에서도다소문제점을드러내고있다

.

부스닥트의경우수송전력량이 비교적 크고전류의 흐름이 높아절연성능에문제가 생길경우단락에 의 한아크방전의가능성이발생될수있다

.

¹¹⁾아크방전의 경우국부적인줄열상승으로인해전기화재의 직접 적인점화에너지로작용할수있으며

,

이에대한검 토가 중요하다

.

또한부스닥트의 특성상 고전압에 의 한영향보다는절연재료의결함또는표면상의문제점 이대두됨에 따라본실험에서는연면방전에 의한아 크방전 실험을 통해 각 시편의 표면절연특성을 비교 검토하였다

. Table 3

과

Figure 7

은 에폭시절연재료의 아크방전에대한실험조건¹²⁾과실험사진을나타낸것이다

.

에폭시절연재료의공기중및수중에서장기열화에

따른아크방전특성을

Figure 8

에나타낸다

.

에폭시분

체도료의 표면에 전극 간격을

8mm

로 고정시킨 후

12.5kV

를인가하여

Figure 6(a)

의시험조건에 따라아 크방전 시간을 측정하였다

.

시험은 각단계별

60

초씩 인가하여 최종

7

^{단계까지이루어졌다}

.

시험결과로써외국산

ST

시편이최종

7

단계

(420

초

) F t

( )

= 1

− −

t

−

t

l

t

s

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞^m

exp

Figure 6.

V-t characteristics on epoxy.

Table 3.

Experimental Condition

Step Current Time cycle Total Time 1 10[mA] 1/4s on, 13/4s off 60[sec]

2 10[mA] 1/4s on, 3/4s off 120[sec]

3 10[mA] 1/4s on, 1/4s off 180[sec]

4 10[mA] Continuous 240[sec]

5 20[mA] Continuous 300[sec]

6 30[mA] Continuous 360[sec]

7 40[mA] Continuous 420[sec]

까지 견디어 가장 우수한 특성을 보였으며

,

^국산

KS

시편의 경우열화에 대한큰변화없이안정된 성능을 보여주었다

.

^{반면 외국산}

HK

^{제품의 경우}

60

^일열화

시킨경우아크방전에대해매우취약한특성을보였다

.

분체도장의두께와밀도가클수록전기적절연특성 은방전간

Gap

의차이와절연물의밀도차에의한방 전차폐의기능향상으로우수할것으로예상되나기계 적특성은오히려저하될가능성이있다

.

이러한특성

을검토하기위해

(200m × 25m × 4 m)

알루미늄부스바

형태의도체에동일한유동침적법을 통해제작하였다

. Figure 9

^{에나타낸밴딩시험은}

Zwick

^사의

Material test 1494

를사용하였으며

,

하부에고정된시편의받침대는 직경이φ

50mm

^{의원통형고정자를사용했으며}

,

^고정자

의중심에서부터의간격은

120mm

로두고상부압입

자

(

^φ

20mm)

^를

10mm/min

^{속도로진행하여시편중심부}

에기계적

stress

를가하였다

.

수중

60

일경과된시편의경우

610N

의압력과

11mm

의변형률에서파단이 발생하였으며

ST

시편역시비 슷한 경향을 보였다

.

그러나 도막 두께가 상대적으로 적은

(408.89

µ

m)

시편

HK

의경우

,

장비한계치의

stress

와더불어

80mm

^{의변형률이진행됨에있어서도}

crack

과 파단은 발생하지 않았고 곡면의 일부에서 고분자 백화현상이 다소관측되었다

.

절연파괴전계에서는

ST

에비해다소낮았지만밴딩시험의경우두께가적은

HK

가우수한것으로 관측되었다

.

4. 결 론

본연구에서는국내에서개발된 부스닥트용에폭시 분체도료의다양한 열화조건에 따른전기적 절연성능 을비교검토하였다

.

에폭시분체도료의 경화온도및시간

,

표면상태

,

수 중열화 조건에서

KS

시편이 외국산 제품에 비해 열화 에대한전기적특성변화폭이안정적이었다

.

온도변 화에따른절연내력시험에서도유리전이온도

(T

g

)

이

전까지

8~10%

의절연파괴전계의감소로안정적인것

으로 조사되었다

.

시험시편의 대부분은

Tg

근처에서 급격한 절연내력의 감소가 시작되었다

.

수명특성

(V-t)

Figure 7.

Schematic apparatus of arc discharge.

Figure 8.

Characteristic on arc discharge.

Figure 9.

Stress-strain of epoxy insulation.

에서도 안정적인 절연특성을 유지하였으며

,

아크방전 특성의경우

, 60

^{일경과된열화시편에서도안정적인특}

성을유지했다

. 3

종의에폭시분체도료제품의 열화에 대한 전기적 특성을비교해 볼때

KS

^{시편의 성능이}

우수한 것으로판단된다

. 감사의 글

본연구는

2007

년도

LS

전선의산학연구지원으로수

행되었으며

,

^{이에감사를드립니다}

. 참고문헌

1. KC Agrawal, “Industrial Power Engineering Handbook”, ELSEVIER, pp.855-958(2001).

2.

김기화

, “

전기설비사고의열적특성분석

”,

한국화재

소방학회논문지

, Vol.11, No.4, pp.25-31(1997).

3.

日本機械

, “

機械工學便覽事典

,

エンジニアリング 片

, C.”,

^日本機械

(1996).

4. S. Skale, V. Dolecek and M. Slemnik, “Electro- chemical Impedance Studies of Corrosion Protected Surfaces Covered by Epoxy Polyamide Coating Systems”, Progress in organic coatings, Vol.62, No.4, pp.387-392(2008).

5. Krzysztof Strzelec and Piotr Pospiech, “Improvement of Mechanical Properties and Electrical Conductivity

of Polythiourethane-modified Epoxy Coatings Filled with Aluminium Powder”, Progress in Organic Coatings, Vol.63, Issue1, pp.133-138(2008).

6.

^이병성

,

^송일근

,

^이재봉

,

^한상옥

, “

^{가속열화방법에의}

한주상변압기절연물의열열화특성평가

”,

전기전 자재료학회논문지

, Vol.16, No.12, pp.1136-1141 (2003).

7. KS C IEC 60243-1, “

^{절연재료의절연내력}

-

^시험방

법

-

제

1

부

:

상용주파수시험

”, pp.1-15 (2002).

8. G.Z. Xiao and M.E.R. Shanahan, “Water Absorption and Desorption in an Epoxy Resin with Degrada- tion”, J. Polym. Sci: Part B, Polym. Phys., 35, pp.2659-2670(1997).

9. R.A. Perthric, E.A. Holins, I. McEwan, E.A. Pollock and D. Hayward, “Effect of Cure Temperature on the Structure and Water Absorption of Epoxy/amine Thermosets”, Polym. Inter., 39, pp.275-288(1996).

10. J.S. White. “The Moments of Log-Weibull Order Statistics”, Technometrics, Vol.11, No.2, pp.373- 386(1969).

11.

최인혁

,

최연규

,

이동일

,

이원교

,

강병규

,

박준호

, “

송 전용

13,000lbs

자기애자의수명예측연구

”,

전기전 자재료학회논문지

, Vol.20, No.7, pp. 636-644(2007).

12. ATD

^·

ASTM, “Standard Test Method for High-

Voltage, Low-Current, Dry Arc Resistance of Solid

Electrical Insulation”, American Society for Testing

and Materials, D 495-99, pp.1-20(1999).