PD Patterns and PD Current Shapes of a Void in LDPE Teruyoshi Mizutani and Takeshi Kondo Department of Electrical Engineering, Nagoya University Nagoya, Japan 464-8603

Abstract PD는 절연체 열화의 원인으로, Void가 있는 LDPE (Low Density Polyethylene)에서의 PD실험을 통하여 PD Pattern과 PD current shape를 관찰하여 PD Mechanism 정보를 얻어 차후 이 PD Charac- teristics를 Insulation Diagnosis에 적용이 본 논문의 주 목적이다. ▶ PD Pattern(Ф- q - n ) ? Ф: Phase Angle q : PD magnitude n : PD number

PD Pattern및 Current Shapes Introduction 절연체의 Aging진행에서의 PD Pattern및 Current Shapes 관찰 및 연구 PD Data 추출 및 가공 PD Mechanism 정보 획득 절연진단 방법 연구 Insulating Materials Void Polarity

2. Experimental (A) (B) (C) 2-1. Measurements of PD pattern & PD current shape (A) (A) : Upper Electrode : AC voltage(60Hz, 10kW peak) (B) : Main Electrode (C) : Guard Electrode HPF : High Path Filter (B) (C) Fig. 1. Schematic Diagram of experimental setup

2. Experimental (A) (B) (C) 2-2. Observation of light emission (발광의 관찰) (A) ▶ Light emission을 관찰하기 위해서 Upper electrode로서 Transparent electrode(ITO electrode)를 사용. ▶ Light emission의 이미지는 Optical Microscope(광학현미 경)으로 관찰. ▶ Light emission의 이미지는 Single-Lens reflex camera 에 의해 사진으로 저장. (B) (C) Fig. 1. Schematic Diagram of experimental setup

2. Experimental 2-3. Measurement of gas volume of a void (진공에서의 가스 용량 측정) Hole을 가진 LDPE Sheet의 두께 : 2mm Hole의 지름 : 5mm Glass Pipe 외부 지름 : 2mm Glass Pipe 내부 지름 : 0.8mm AC Voltage 15kV peak 상태에서 Gas Volume의 변화는 Silicone Marker의 이동으로 측정되었다. Fig. 2. Sample Configuration for measurement of gas volume

3. Experimental Results 3-1. Changes in PD pattern & PD current shape Fig. 4. Typical time sequence of PD Fig. 3. PD pattern (Void : 지름=3mm, 높이=0.2mm) Fig. 5. PD current shapes of the first PD in each half-cycle

3. Experimental Results 3-2. Light emission & Void surface Fig. 6 & 7.에서 보듯이 Stage 3 & 5에서 Void의 Boundary쪽에 강한 Light emission이 보임. Stage 5에서 Void surface는 PD에 의해 부식되어 Stage 3보다 특히 Roughness(거칢). Fig. 6. Image of light emission & SEM photograph of void surface in stage 3 Fig. 7. Image of light emission & SEM photograph of void surface in stage 5

3. Experimental Results 3-3. Change in gas volume of a void (1) Fig. 8은 Fig. 2에서 보여 준 것처럼 Void에서의 Gas volume의 변화를 보여 준다. 이 변화는 4 stages로 나누어진다. Stage 1 : 초기에 gas volume는 약 80%로 빨리 감소. Stage 2 : 30분 후에, gas volume는 점점 95% 수준까지 회복. Stage 3 : 그리고 나서 gas volume는 천천히 감소. Stage 4 : 마지막으로 Breakdown전까지 다시 증가. Fig. 8. Change in gas volume Fig. 2. Sample configuration for measurement of gas volume

3. Experimental Results 3-3. Change in gas volume of a void (2) ▶ Fig. 9의 PD pattern의 변화는 Fig. 3.(Void : 지름=3mm, 높이=0.2mm)와 비슷한 경향을 보임. Fig. 9. PD pattern (Void : 지름=5mm, 높이=2mm)

3. Experimental Results 3-3. Change in gas volume of a void (3) Fig. 8의 stage (3)에서 PD magnitude의 감소에 PD current shapes를 관찰하였다. Fig. 10은 Current shape의 parameters의 변화를 보여 준다. Pulse width가 시간이 지남에 따라 증가하는 동안 Amplitude는 감소되었다. Current shape는 Gas volume의 감소와 함께 넓어짐을 볼 수 있다. Fig. 10. Change in parameters of current shape in stage (3) of Fig. 8. Fig. 8. Change in gas volume

4. Discussions ▣ Fig. 8의 결과로부터, LDPE안의 밀폐된 Void에서 Electronegative gas의 density의 변화를 추측. Stage 1 - Stage 2 : PD → LDPE의 Oxidation(산화) →Oxygen molecules(산소 분자들) 감소 Stage 3 - Stage 4 : 30분 후, Gas molecules는 점차로 회복 (aging process시 CO2나 H2O와 같은 Electronegative gas발생을 나타냄.) → 천천히 PD 감소(electronegative gases 소모; oxalic acid(옥살산) 발생) Stage 5 : Gas molecules는 Breakdown되기 전에 다시 증가. (electronegative gas 증가) Current Shape는 Slow rise time & slow decay time(파괴시간)을 가짐. Void Surface는 roughness함.

5. Conclusions ■ Closed Void의 열화 진행에서의 PD pattern변화 Stage 1 -> Stage 2 -> Stage 3 -> Stage 4 -> Stage 5 ■ Gas volume의 변화 (4 Processes) (1) 초기에, Gas volume는 빨리 감소. (2) 30분 후에, 점차로 회복. (3) 그런 후 천천히 감소. (4) Breakdown전까지 다시 증가. ■ PD pattern과 current shape의 변화는 Void에서의 electronegative gas변화의 정도로 설명. (Fig. 11 참조) ■ Stage 3과 Stage 5의 차이점 Void의 열화된 rough surface의 정도 ■ Void가 있는 LDPE에서의 PD Pattern과 Current Shape의 관찰 → 절연진단(Insulating Diagnosis)에 적용. Fig. 11. Speculated change in density of electronegative gases

References