자연 유기 절연 물질(Natural organic insulating materials)-오일을 함유한 종이(Oil-impregnated paper)

자연 유기 절연 물질(Natural organic insulating materials)-오일을 함유한 종이(Oil-impregnated paper)

a) 성분 및 제조(Properties, manufacture) 

오일을 함유한 종이는 고 전압 절연 시스템에 있어서 가장 중요한 절연 복합체이다. 여러개의 레이어로 구성된 종이가 절연체로 사용 될 수 있기때문에 종이의 섬유소적인 측면을 고려하면 소프트 페이퍼와 오일의 직렬 연결이 주는 절연적 특성을 고려해 볼 수 있다. 만약, 플레이트 타입의 절연 두께 s 유전율(permittivity) ε를 고려해본다면, 순수 오일(s1, ε1)과 순수 종이(s2, ε2)의 직렬 연결을 생각해 볼 수 있다. 이 두 물체가 직렬로 연결되었을 경우,

s1 과 s2는 미지수 이며 기준 공기 볼륨 v에 의해 소거될 수 있다.

(위의 과정은 수식의 유도과정, 티스토리 수식 입력기의 기능이 제한적이라서 캡쳐하였습니다)

따라서 ε1=2.2 ε2=5.6에 관해서, 오일/종이 라미네이션의 전기적 응력 비율은 E1/E2=ε1/ε2 ~ 2.55 값을 가진다.

따라서, 오일은 종이보다 전기적으로 더 응력이 가해진다. 정교한 라미네이션의 사용을 통해, 많은 수의 얆은 필름을 얻을 수 있으며 높은 전기적 강도를 가지고 있다. 따라서, 오일-종이 절연체가 가지는 우수한 절연 파괴 강도에 큰 기여를 한다고 볼 수 있다. 종이는 오일 레이어의 형태로 업그레드 될 수 있으며 불순물들의 브릿지 현상을 억제하는 역할을 하고 절연시스템의 기계적인 안정성을 보장한다. 

두꺼운 오일-페이퍼의 절연체더라도 절연 파괴 강도는 최대 400kV/mm까지 가지며 DC 전압 캐패시터에서 동작 전계 강도는 최대 100 kV/mm, AC 응력에서는 최대 20kV/mm 까지 적용된다. 높은 질의 오일-종이 절연 방출 요인은 (the dissipation factor) tanδ~3*10^-3의 값을 가지며 볼륨 저항성 ρ~10^15 Ωcm, 그리고 허용 제한 온도는 100℃ 이다.

장비의 오일-페이퍼 절연 시스템은 반드시 주의 깊게 제작되어야 한다. 그 이유는 유해한 가스의 방출을 예방하기 위함이며 이러한 가스는 부분방전 또는 오일의 절연 파괴 전계 강도를 줄일 수 있기때문이다. 추가적으로, 수분은 완전히 제거되어야 한다. 왜냐하면 수분은 오일의 전기적 강도에서 눈에 띄는 왜곡 현상 뿐만 아니라, 종이의 노쇠화(변질)을 야기 시키기 때문이다.

제작과정은 10^-3~10^-4 mbar의 진공 챔버에서 진행되며 온도는 최대 110℃이다. 제품의 건조 시간은 절연체 두께의 따라서 증가하며 수 일에서 수 주의 시간을 소요한다. 

건조 과정은 영구적인 방출요인 모니터링 시스템에 의해 관리 된다. 건조 기간 동안, 잔여 수분과 가스제거과정 사이의 압력은 흡수 등온선에의해 설명된다(Figure 2.5-4).

건조된 페이퍼 절연체는 가능하다면 진공상태에서 오일을 머금는 과정을 거치게 되고 이 과정에 사용되는 오일은 최근 정제된 오일이나 따듯한 미네랄 오일이 적용된다. 종이의 축축해지기 쉬운 특성은 건조한 종이가 오일에있는 수분을 흡수하려는 현상을 유발한다. 결과적으로, 오일은 종이에 잔여 가스들을 용해시키고 부분방전 퍼포먼스 향상에 기여하게 된다.

b) 케이블 절연에서의 오일을 함유한 종이(Oil-impregnated paper as cable insulation)

오일-페이퍼 절연체는 케이블 절연에 있어서 또한 지배적인 역할을 한다. 최대 60kV 전압의 범위에서는 소위 compound-filled cable이 사용되지만 PE cable에 의해 대체되었다. 110kV 또는 이 보다 높은 전압에서는 오일로 채워진 케이블이 지배적이다.

처음에, 전도체는 페이퍼 테이프 절연에 의해 20~30mm 넓이 그리고 0.1~0.15mm의 두께로 오버랩 없이 감겨 있다. 종이 절연체는 건조되게 되고 오일을 함유하게 된다. 미네랄 오일의 낮은 점도성은 오일로 채워진 케이블에 사용되고 미네랄 오일은 레신(resin) 첨가제와 함께 compound-filled cable에 관해서 함께 두꺼워 진다.

Compound-filled cable에서는 오일이 함유되는 온도에서 허용된 재료는 낮은 점도성을 가지고 있으며 주변온도 그리고 동작온도에서는 높은 점도성을 가지고 있다. 이렇게 다른 특성을 가짐으로써, 케이블의 이동 및 설치시 케이블의 물리적 파괴를 예방할 수 있다.

간단한 셋업으로 여겨지는 Compound-filled cable의 사용은 medium 전압에 있어서 부분방전에 위험으로 인해 매우 제한적이다. 열적 응력(stress)의 작용동안은, compound(복합체)는 전도체의 표면 피복으로 확장되게 되고 이러한 확장뒤에는 이전 상태로 돌이킬 수 없는 확장을 하게된다. 냉각 후에는, 가스로 채워진 공간들이 생성되고 이러한 부분들은 부분방전의 시작점이 된다. 그리고 이러한 현상은 허용 동작 전계 강도를 4kV/mm로 제한한다. Compound-filled cable은 또한 내부 와 와부 가스 압력이 작용한 케이블에서 동작 전압에 있어서 60kV이상에서는 그 사용이 제한되게 된다.

이전에 언급한 compound-filled cable 절연에서의 공간의 형성은 그 어떤 위험으로 부터 예방된다. 이러한 예방은 가스 압력을 15 bar nitrogen을 유지하면서 예방하게 되고 이로 인해 공간(cavities)에서의 개시 전압(inception voltage)를 증가 시킬 수 있다. 9kV/mm 의 동작 전계 강도는 SF6를 추가함으로써 최대 12~13kV/mm까지 얻어질 수 있다. 외부의 가스 압력 케이블에서는, 보통의 compound-filled cable은 강철 파이프 안쪽에 설치되며 nitrogen(15 bar 압력)으로 채워진다. 전도체 표면 피복은 압력막처럼 행동하게 되며 공간(cavities)의 생성을 방지하고 공간에서 높은 압력을 유지한다.

낮은 점도성의 미네랄 오일은 oil-filled 케이블에 사용되고 빈 공간(cavities)의 생성을 방지한다. 확장 베슬(vassels)은 보통 수 km의 간격으로 배치되는데 이러한 배치를 통해 케이블을 일정 압력으로 유지할 수 있다. 낮은 점도성의 오일을 따듯하게 함으로써 확장 베슬로 흘러들어 가게 하는데  전도체 표면으로의 확장 없이 가능하다. 냉각시에는, 확장 베슬로 부터 케이블 절연체로 다시 흘러들어 가게 된다.

압력의 값은 절연 파괴 전계 강도에 영향을 미치며 다음 그림에서 보여지는바와 같다.

만약 오일의 압력이 낮은 bar의 값을 가진다면, 낮은 압력의 oil-filled cables을 가지며, 15 bar 의 오일 압력을 가진다면 높은 압력의 oil-filled cable을 가진다. 동작 전계 강도는 최대 14kV/mm이며 유럽국가들 사이에서는, 낮은 압력의 oil-filled cable 사용이 지배적이다.

충동 전압의 강도를 고려하였을때, 더 얇은 종이가 종종 최대 응력 범위내에서 배열된다. 즉, 전도체 내부에 배치되고 반면에, 외부영역은 보통의 케이블 페이퍼가 사용된다. ac 강도의 증가를 제외하고, 균일 전계 분배에서의 라미네이션의 결과는 더 얇은 종이 레이어의 높은 절연 상수로 인해 전압 분배가 외부쪽, 즉 전계가 약한쪽으로 이동하게 된다. 이러한 측정방법들은 400kV의 oil-filled cable을 1640kV의 충동전압을 견딜 수 있게 디자인 할 수 있으며 이 경우 절연 벽의 두께는 28mm 밖에 되지 않는다. 또한 최대 전계 강도는 이 경우에 93kV/mm 이다.

Oil-filled cable의 방출 요인(dissipation factor)은 약 2~4*10^-3정도이다. 이것은 송전 전압의 증가와 관련한 절연 손실이 케이블에서의 전력 전달에 있어서 제한적이라는 것이다. 

방출요인 tanδ=2*10^-3 에서는 전력의 전달과 관련해서 송전 전압 700kV에서 전도체의 지름은 최대값에 도달하며 더 높은 송전 전압은 오직 절연체의 방출요인이 2*10^-3보다 낮을때만 가능하다. 이런 종류의 절연 시스템은 오일을 머금은 플라스틱 호일, 합성 페이퍼, 또는 페이퍼/플라스틱 조합으로 구성된다.

출처:

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