유기 물질(Organic materials)은 탄소를 포함하고 있으며, 이러한 탄소는 긴 체인형태나 링의 구조로 형성될 수 있다. 미네랄 오일과 식물성 오일 모두 자연적 유기 용액 그룹에 속한다. 파라핀(paraffin), 비투먼(bitumen) 들은 천연오일의 성분으로써 고체 그룹에 속하고 추가로 왁스(wax), 레신(resin), 나무(wood), 섬유소 재료들(종이, 실크, 솜, 삼배)등이 있다. 고 전압 공학에서 중요한 물질은 미네랄 오일, 종이 그리고 제한적이긴 하지만 나무와 비투먼(bitumen)이다.
미네랄 오일(Mineral Oil)
미네랄 오일은 천연 오일(crude oil)의 가스 제거, 탈수, 불순물 제거 후 증류법에 의해 얻어진다. 주로, 나프탈렌과 있는 포화 탄화수소 또는 알케인 구조와 함께하는 포화 탄화수소가 사용되는데 그 이유는 포화되지 않은 아로마틱 탄화 수소에 비해 화학적으로 더 안정적이기 때문이다. 다음은 이에 관련된 몇몇의 예를 보여준다.
아로마틱 탄화수소의 제거는 정제 과정을 통해 제거 될 수 있다. 잘 알려져있듯이 절연 오일의 전기적 특성은 수분과 가스 함량의 증가로 인해 왜곡되는 현상을 보여 준다. 따라서, 절연에 사용되는 오일은 반드시 고 전압 장비에 적용 되기전에 사전의 처리과정이 필요하다. 이러한 사전 처리 과정은 정제 공장에서 가스 제거와 건조 과정을 통한다.
넓은 지역의 얇은 필름이 생산되는 곳에서 표면 가스제거 과정은 보통 적용되며, 이 과정동안, 오일은 약 50℃~60℃ 온도 및 10^-2mbar의 진공상태에 노출되게 된다
Figure 2.5-1은 오일 정제 플랜트의 기본 셋업을 보여준다. 정제된 오일은 절연 파괴 전압을 50 ... 60kV 정도로 가져야 하며, 이 값은 절연 파괴 전계 강도 200kV/cm 정도에 해당한다(breakdown field strength of about 200kV/cm).
절연 오일은 수분을 흡수하는 성질때문에 변질(노쇠화)위험에 놓여 있다. 열과 산소의 결합된 효과로 인해, 산화 물질들이 오일안에 용해될수 있는 형태로 생성된다(예, acids: 산). 용해되지 않는 물질 또한 생성되는데 슬러지(sludge: 끈적 거리는 진흙같은 물질)의 형태로 생성된다. 오일의 산화는 구리의 촉매 작용으로 인해 가속화 된다. 이러한 이유로 순수 구리(bare copper) 전도체가 절연 오일에 잘 사용되지 않는다. 중립화와 비누화의 수치는 노쇠화 상태를 특정화 하는데 매우 유용하다. 그리고, 중립화 수치는 potassium hydroxide(KOH) 제공함으로써 1 g 의 오일을 포함한 자유 산성 물질들을 중화 시킨다. 반면에, 비누화 수치는 KOH의 양을 설명하고 이 KOH는 자유 산성 물질 그리고 경계 산성물질들을 중립화 시키기때문에 중립화의 수치 또한 포함한다.
Figure 2.5-2는 변질된 오일이 신선한 오일에 비해 방출 요인(dissipation factor)이 더 나쁘다는 점을 보여준다. 따라서, 트랜스포머 같은 절연 오일이 사용된 큰 규모의 장비들은 반드시 오일의 변질 상태를 주기적으로 확인하여야 한다. 이러한 이유로, 절연에 사용되는 오일은 절연 파괴 전계 강도, 방출요인(dissipation factor), 불순물의 함유량이 조사되어야 한다. 만얀 필요하다면, 오일의 정제 과정이 반드시 필요하며 또는 사용된 오일을 교체하여야 한다. 오일의 교체는 중성화 값이 0.5 mg KOH/g oil을 초과하거나, 용해성의 슬러지가 chloroform(CHCl3)클로로포름(마취제의 일종))에서 발견되었을때 실행한다.
오일의 산화 안정성은 변질(노쇠화) 억제제를 참가하면서 증가시킬 수 있다. 이런 억제제들은 오일 분자에서 깨진 결합과 반응하게 되고 안정적이고, 비활성적이면서 무해한 화합물을 형성하면서 산화 과정을 방지할 수 있다. 억제제들은 이런 진행 과정에서 고갈되게 되므로, 반드시 시간에 맞춰서 다시 채워넣어야 한다.
미네랄 오일의 응고점(solidifying point)은 -40 ℃이며 전기적 특성은 불순물에 따라 변할 수 있다. 절연 파괴 전계 25 kV/mm의 강도는 약 mm 범위의 간극에서는 유효하다. 얇은 레이어의 절연 파괴 전계의 강도는 약 100kV/mm까지 측정되었으며, 필름은 μm 범위의 간극에서 300kV/mm 정도까지 측정되었다. 다시 말해서, 낮은 절연 상수와의 결합은 오일-종이 절연시스템이 왜 우수한 전기적 강도를 가지고 있는지 설명해 준다.
전기적 방전이 일어날 경우는, 오일은 가스의 형태로 분해 된다. 아크(arc)상태에서는, 오일의 열적 기능저하는 약 60%의 수소와 10%의 다른 가스들, 25%의 포화, 불포화 탄화 수소들의 형태로 일어난다. 기능저하 요인인 수소의 높은 함량은 아크의 집중적인 냉각을 가져온다.
전극의 예리한 끝부분에서 (예: 캐패시터에서 메탈 호일(metal foils)의 끝부분), 지속적인 방전은 오일 분자들이 고체 물질의 형태로서의 중합반응을 야기 시킬 수 있다(X-wax formation). 이러한 결과는 액상의 요소들보다 더 낮은 전열 파괴 전압(lower breakdown voltage) 값을 가지게 되고 이로 인해 절연 파괴를 시작하게 된다.
열적인 성분에서, 비열(specific heat)과 장기간의 열적 안정화는 특히 매우 중요하다. 절연적인 요소를 제외하고 오일은 높은 비열을 장점을 가지기 때문에 빈번하게 냉각제로도 사용된다. 그러나 장기간적인 측면에서의 열적 안정화는 오직 약 90℃까지만 이루어 지기 때문에 이로 인해 많은 장비들이 제한된 정격 전압(permissible rated power)을 가지게 된다.
절연 물질로서 오일의 응용은 종이 형태의 섬유소나 합판(press board)와의 결합을 통해 이루어진다. 오일을 함유한 종이는 전기적으로 매우 강하며 지속적인 응력 노출에서도 절연능력을 증명했다. 이러한 오일을 함유한 종이는 고 전압 기술에서 매우 중요한 절연 물질로 여겨 진다. 이 러한 기술의 존재로 인해 현재의 트랜스포머, 부싱, 캐패시터, 케이블이 많은 발전을 이룰 수 있었다.
출처:
D. Kind, High-Voltage Insulation Technology. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2011.