Abstract
이 연구에서는 미네랄 오일과 합성 이스터 오일인 MIDEL 7131을 머금은 두 가지 다른 절연 페이퍼가 열적 노쇠화를 거친 후에 보여주는 공간 전하의 특성에 대해서 비교 분석된다. 후에 결과에서 보이듯이 노쇠화 과정과 후에 필요한 실험 사이에 몇 일간의 대기시간은 수분 평형을 위해 필요하다. 그러나, 열적 노쇠화가 가해지면 더 많은 전하(charges)들이 오일 페이퍼 샘플(oil-paper sample)로 주입되게 되며, 오일과 오일페이퍼의 전도성(conductivity) 증가는 전하 축적의 감소를 야기할 수 있다. 오일-페이퍼 샘플들의 최대 전계(Max. electric field) 왜곡 현상에 대해서는 MIDEL 오일-페이퍼의 특성이 미네랄 오일-페이퍼의 비해 더 뛰어나다.
Introduction
HVDC 트랜스미션 시스템에서 트랜스포머(변압기)는 매우 중요한 역할을 하고 있지만 그의 따른 몇 가지 문제점들 또한 제기되어 왔다. 오일-페이퍼(Oil-Paper insulation) 절연은 파워 트랜스포머에 많이 쓰이며 오일페이퍼 내부의 공간 전하의 주입과 축적은 부분적 전계의 왜곡현상을 야기하는 원인으로 고려되며 이러한 현상은 절연 강도의 성능을 저하시킨다. 미네랄 오일은 현재 가장 경제적인 액화 절연체로 고려되기 때문에 많이 사용되긴 하지만, 주변 환경오염의 가능성으로 인한 단점 또한 포함하고 있다. MIDEL 오일은 새로운 형태의 트랜스포머 오일이며 미네랄 오일과 비교해서 쉽게 분해되는 특성이 있다. 이론적으로는 MIDEL 오일의 친환경적인 특성은 미네랄 오일의 대체 가능한 물질로 고려될 수 있다.
Experiment
A Test Samples
미네랄 오일로써는 shell ZX-I S4가 사용되었으며, 친환경적 오일로는 MIDEL 7131이 사용되었다. 절연 페이퍼의 두께는 0.5mm이다.
B. Sample Preparation and ageing experiment
오일과 페이퍼의 무게 비중은 10:1 비율로 적용되었다. 실험 준비 완료 후 노쇠화 과정이 진행될 수 있다. 페이퍼와 1.5g의 구리를 가스가 비커에 담겨있는 제거된 오일에 담가 둔 후 진공 오븐에 넣어둔다. 그 후, 노쇠화 조건으로 130 ℃ 와 200 mPa로 맞춰둔다. 이전에 기록된 연구에 의하면, 130℃ 에서 30일 동안 노쇠화가 진행된다면, 오일-페이퍼의 절연 능력은 거의 수명에 도달하게 된다. 따라서 30일의 기간이 전체 노쇠화 진행 시간 조건으로 추가된다. 200 mPa은 오일 함유 조건이며 질소 내에서 완전히 진공상태이다).
C. Space Charge Test (공간 전하 측정)
다른 에이징(노쇠화) 상태의 샘플들을 진공 오븐에서 꺼내게 되면, 약 며칠간의 대기 시간이 필요한다. 그 이유는, 대기시간을 가짐으로써, 테스트를 진행하는 온도(상온)에서 오일과 페이퍼의 수분 평형(moisture equipment)을 맞추기 위함이다. Figure 1은 노쇠화 과정 후 대기시간에 따른 두 오일의 수분함량을 보여준다. 위의 그림에서 보이듯이, 미네랄 오일과 MIDEL 오일은 수분 평형을 이뤄내기 위해서는 몇 일간의 대기 시간이 필요하다는 것을 보여주며, 이러한 현상은 샘플들의 수분 함량이 오븐에서 꺼내진 후에도 계속 변하고 있음을 나타낸다. 즉, 노쇠화 과정과 이후의 실험 과정 사이의 며칠간의 대기시간이 존재하여야 하여야 실험 결과의 질을 높일 수 있다.
마지막으로, 오일-페이퍼 절연 샘플은 PEA (Pulsed electroacoustic) 방법을 통해 측정된다. 이 연구에서, 모든 샘플들은 상온에서 15kV/mm의 DC 전압이 가해지게 된다. 전압이 적용되는 동안 공간 전하 측정이 이루어지게 된다.
Experiment Results
A. Space Charge
전압이 적용된 후 미네랄 오일을 함유한 페이퍼의 전하 분포도는 Figure 2에서 보인다. Figure 2에서 볼 수 있듯이 호모 전하(homocharge)의 주입이 발생된 것을 볼 수 있으며 음(-) 전하는 캐소드에 그리고 양(+) 전하는 애노드에 축적됨을 확인할 수 있다. 스트레싱 시간(stressing time)을 연장하게 되면, 전극에서의 전하들은 샘플 쪽으로 이동하게 된다. 이러한 현상은 노쇠화 과정은 전극에서의 전하 밀도 축적의 아주 적은 영향을 끼침을 알 수 있다. 추가적으로 캐소드와 에노드에서의 전하 축적은 대칭적이지 않으며 이러한 현상은 절연체에서의 시그널 왜곡에 의해서 발생된다. Figure 2 (a), (b), (c)가 보여주듯이 저 강하게 노쇠화가 진행되면, 더 많은 전하들이 샘플로 주입되게 됨을 알 수 있다 그리고, 이러한 전하들은 샘플에 깊숙이 갇히게 된다. 마지막 샘플의 노쇠화 과정을 고려하였을 때, 조금 이상한 실험 결과 값이 측정되었는데, 이론적으로는 마지막 샘플에서 더 많은 전하의 주입이 이루어져야 하지만, Figure 2(d)의 결과는 전극 주변의 전하의 주입은 이전 샘플들보다 명확하지 않은 모습을 보여주고 있다. 또한, 매우 적은 양의 전하만이 샘플에 축적됨을 보여준다. 이러한 결과는 아마도 강하게 노쇠화된 샘플의 높은 전도성에 의해 나타난 듯하다. 참고로 높은 전도성이 존재할 때, 샘플에서의 전하의 이동성 또한 매우 높은 편이다. 따라서, 전하는 샘플 내부에서 쉽게 갇히게 되지 않게 되고 전하들은 샘플 내부에서 빠르게 이동하거나, 전극에 의해 중성화되게 된다.
전압이 적용된 후 MIDEL 오일을 함유한 페이퍼의 전하 분포도는 Figure 3에서 보인다. Figure 3에서 볼 수 있듯이 음(-) 전하는 캐소드에 그리고 양(+) 전하는 애노드에 축적됨을 확인할 수 있다. 스트레싱(stressing) 시간의 연장을 통해, 전극에서의 축전된 전하의 양이 점점 감소되는 것을 볼 수 있으며, 이것은 전하들이 샘플 쪽으로 이동함을 나타낸다. 전압이 이 적용된 순간에, 캐소드의 전하 밀도는 7.5 C/m3 (fresh sample), 6.5 C/m3 (5 days aged sample), 8 C/m3 (15 days aged sample), 7 C/m3 (30 days aged sample)의 값을 가지는 반면, 애노드에서의 전하 밀도는 2.5 C/m3 , 2.3 C/m3 , 2.1 C/m3, 2.8 C/m3의 값들을 가지게 된다. 다시 말하면, 전극에 축적되는 전하들은 노쇠화 과정과 크게 연관성이 없음을 알 수 있으며, 노쇠화 과정으로 인해 영향을 받는 부분은 전하 주입 특성이 이에 해당된다. 처음 3가지의 샘플을 통해서 알 수 있듯이, 더 강하게 노쇠화된 샘플들이 더 많은 전하를 샘플에 주입하는 현상을 보여주고 또한 더 깊은 영역에 전하들이 갇히게 된다. 하지만, 가장 오래 노쇠화가 진행된 샘플 Fig. 3(d)을 들여다보면, 미네랄 오일처럼 조금 이상한 경과를 다시 보게 되는데 마지막 전하 주입은 그 이전 샘플들 보다 덜 주입되며, 전하들도 그 더 짧게 노쇠화가 진행된 샘플과 비교해서 더 얕은 영역에 갇히게 된다. 이러한 현상은 아마도 샘플의 높은 전도성과 연관이 있을 거라고 추측된다.
B. Total Charge Amount and Electric Field Distortion
외부 전계 (external electric field)의 영향 아래, 샘플에 축적되는 전하의 양은 reference [1](‘Space charge behavior in multilayer oil-paper insulation under different DC voltages and temperatures’)에 의해서 계산되었다. 아래 Figure 4에서 뚜렷하게 나타나듯이, 전하의 양은 전압 적용 초기에 급격하게 증가함을 알 수 있다. 그러고 나서, 전하의 양은 스트레싱 시간에 맞춰서 점진적으로 증가하게 된다. 전하의 양은 노쇠화 진행에 따라 변하게 되며, 15일 동안의 노쇠화가 진행된 샘플이 가장 많은 양의 전하 (0.088C)를 보유하게 되는 반면, 가장 강하게 노쇠화가 진행된 샘플은 가장 적은 양의 전하(0.016C)의 전하를 보유하게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 마지막 샘플 (30 days)의 더 적은 양의 전하가 발생하는 이유는 아마도 샘플의 더 높은 전도성에 의한 것이라고 여겨진다. 샘플에 주입된 전하들은 그것의 높은 전도성으로 인해 쉽게 갇히지 않는다, 그리고 이러한 전하들은 샘플을 통해 반대편의 전극으로 이동하고 샘플에서 중성화되거나 다른 방식으로 소멸되게 된다. 그리고, 이러한 현상은 샘플의 절연 능력을 저하시킴을 나타낸다.
미네랄 오일과 MIDEL오일의 샘플에서의 전하량 축적과 관련해서의 비교는 불가능한데 그 이유는 두 오일의 최고 값(peak value)이 거의 비슷하기 때문이다. 하지만, 전하량의 변화 경향은 아마도 이러한 특성을 이해하는데 실마리가 될 수 있다. 미네랄 오일-페이퍼 샘플의 전하량은 노쇠화의 마지막 과정에서 감소하기 시작하는 반면, MIDEL-Oil 샘플은 전하량이 중간 지점부터 감소한다. 위의 내용으로 결론을 내자면, 고 전압 레벨 (high voltage level)에서 미네랄 오일의 절연 수행능력이 MIDEL oil에 비해서 더 우수함을 알 수 있다. 50Hz 에서 미네랄 오일-페이퍼 샘플의 유전율(permittivity)은 순서대로 3.34, 3.42, 3.8, 3.2이다. 이 유전율 순서에서 알 수 있듯이 노쇠화가 진행될수록 유전율을 3번째 샘플까지 점점 증가하지만, 마지막 샘플에서는 유전율이 감소함을 알 수 있다. MIDEL 오일-페이퍼 샘플 또한 같은 경향을 보인다. 처음 두 샘플에 관해서는 4.21에서 4.27로 유전율이 증가하였지만, 마지막 두 샘플에 대해서는 3.8에서 3.7로 감소 현상을 보였다. 즉, 총전하의 양과 상대적인 유전율(relative permittivity) 사이 서로 상관관계에 있음을 목격할 수 있다. 열적 노쇠화 이후에 오일-페이퍼는 아마도 더 높은 상대적 유전율을 갖게 될 수 있으며, 이것이 의미하는 바는 더 강한 전하의 결합능력을 의미하고 샘플에서의 더 많은 양의 총전하량을 뜻한다.
다른 샘플들의 최대 왜곡 전계 값이 Figure 5에 나타내어졌다. 그림에서 보이듯이 왜곡 요인은 샘플에 축적되는 전하의 양과 아주 밀접한 관계가 있음을 보여 주는데 즉, 더 많은 전하들이 더 강한 전계 (high electric field)를 샘플에서 생성하게 된다. 이러한 전계는 노쇠화 진행과 함께 증가하게 되지만, 후반부로 갈수록 높아진 전도성으로 인해 감소하게 된다. 이러한 요인은 절연체의 절연 능력을 추정함에 있어서 적용될 수 있다.
C. Conductivity
Figure 6, 7에서 보이듯이 미네랄 오일과 MIDEL 오일의 전도성(conductivity)은 비슷한 경향을 보인다. 즉, 두 경우 모두 초반에 전도성이 급격하게 감소하며 점진적으로 일정한 상태로 접어들게 된다. 하지만, MIDEL 오일이 이러한 상태로 접어드는데 더 많은 시간이 걸리며 약 6000초 정도 소요되는 반면 미네랄 오일은 약 3000초 정도로 미네랄 오일의 절반 정도의 시간만을 소요한다. 열적 노쇠화가 진행될수록 오일의 전도성은 점점 증가하게 되는데, 즉 전류를 흐르는 능력 또한 증가함을 뜻하며 절연 능력의 저하로 이어진다. 위의 그림에서 볼 수 있듯이 MIDEL 오일의 전도성이 미네랄 오일에 비하여 더 높은 것을 알 수 있으며, 이것의 의미하는 바는 미네랄 오일의 절연 능력이 MIDEL 오일에 비해 더 우수함을 알 수 있다. MIDEL 오일의 높은 전도성은 아마도 두 가지 이유가 관계될 수 있는데 그 첫 번째는 MIDEL 오일이 미네랄 오일에 비해서 더 많은 수분 함량을 포함하고 있으며 그리고 다른 하나는 MIDEL 오일의 자체 특성으로 인한 것으로 추정된다. DC 전도성 장비의 제한으로 인해, 오일을 머금은 페이퍼의 전도성은 측정할 수없었다. 하지만, 여러 가지 정황을 살펴 추정할 수 있는 것은 오일-페이퍼는 트랜스 포머 오일과 같은 경향을 가진다는 것이며 즉, 전도성은 노쇠화가 진행될수록 증가하게 될 것이다.
Conclusion
결론적으로, 열적 노쇠화 과정과 그 이후 진행되는 실험 사이에는 며칠간 (약 4일, 이 실험 페이퍼에 의하면)의 대기 시간이 필요하며 상온에서 이루어지는 이 대기시간을 통해, 수분 평형상태에 도달할 수 있게 되며 이 연구를 더욱 정밀하게 만들어 준다. 노쇠화가 진행될수록, 더 많은 전하들이 오일-페이퍼 샘플에 주입되게 되며 이로 인해 전압-ON 과정 동안 공간 전하들이 샘플에 주입되게 된다. 하지만, 오일과 오일-페이퍼의 전도성의 증가는 아마도 전하 축적의 감소를 이끌어 낼 수 있다. 각각 다른 샘플의 최대 왜곡 전계(the maximum electric field distortion)만 놓고 본다면 MIDEL 오일-페이퍼의 절연 능력이 미네랄-오일 페이퍼보다 더 우수함을 보여준다. 이 실험을 통해, 총 전하량과 상대적 유전율(relative permittivity)이 상호 관계에 놓여있음을 확인할 수 있으며 이는 앞으로 오일-페이퍼 샘플의 공간 전하 특성을 예측하는 데 있어서 매우 중요한 부분이 될 수 있다.
출처:
[1] C. Tang, B. Huang, J. Hao, M. Hao, S. Guo, and G. Chen, “The space charge behaviors of insulation paper immersed by mineral oil and MIDEL 7131 after thermal ageing,” 2016 Int. Conf. Cond. Monit. Diagnosis, pp. 44–47, 2016.