ABSTRACT
컨버터 트랜스 포머 내에서 오일과 오일을 머금은 합판 절연체에서 생성되는 공간 전하는 전계의 분포도를 왜곡시킬 가능성이 크다. 이러한 전계의 왜곡(electric field distortion)은 절연 재료를 부분적으로 과도한 응력을 주게 된다. 따라서, 공간 전하에 영향을 주는 요인들 즉, 온도, 습도, 노쇠화 정도, 그리고 전계 등을 조사하는 것은 매우 중요하다. 절연 재료에서의 온도의 변화는 열로 손실되거나 다른 방식으로 손실되며 이는 전계의 모습을 매우 심하게 왜곡시킨다. 그러므로, 이 페이퍼는 주로 one layer pressboard와 two layer pressboard, 그리고 오일을 함유한 pressboard에서 온도의 변화가 가져다주는 공간 전하의 특성에 집중한다. 이러한 특성을 조사하기 위해서는 Pulsed electroacoustic (PEA) 시스템이 도입되었다. 두 개의 레이어 재료의 공간 전하 회복 방법이 이 페이퍼에서 제안되었다. 이 연구 페이퍼에서 발견된 점은 전계의 최대 값은 하부의 전극에서 발견되었다는 점이다. 그 이유는 온도 차 조건에서 한 개의 레이어 합판의 공간 전하 특성 때문이다. 더욱이, 20℃ 하부 전극에서 두 개의 레이어 오일 그리고 오일을 머금은 합판과 관련된 오일의 전계는 온도의 변화와 함께 증가하였고 반대로 상온(room temperature)에서는 감소하였다.
I. INTRODUCTION
HVDC 전련 송전 시스템에서 컨버터 트랜스 포머의 안정적이고 지속 가능한 운용을 유지하는 일은 매우 중요하다. 컨버터 트랜스포머의 주요 절연 재료는 오일과 합판이다. 공간 전하는 작동 중인 컨버터 트랜스포머 내에서 형성될 수 있으며 이 특징은 절연 물질의 특성을 내포하고 있다. 그러므로, 온도, 습도, 노쇠화, 두께, 전계 등 공간 전하에 영향을 주는 요인들의 분석은 상당히 중요하게 생각된다.
대게, 컨버터 트랜스포머에서는 온도차가 존재하기 마련이다. 미네랄 오일은 이와 관련해서 절연체와 냉각제 두 가지 역할을 수행한다. 이러한 미네랄 오일은 컨버터 트랜스포머 내에서 순환되며 이로 인해 상부의 온도가 하부의 온도에 비해 높은 현상이 발생한다. 더욱이, 온도차는 다른 정격 전압(voltage ratings) 와인딩(windings)들 사이에도 존재하며 중간 절연 물질을 통해서 온도차(temperature gradient)를 형성한다. 그러므로, 이 페이퍼의 목적은 오일과 오일을 함유한 합판에서의 온도차(temperature gradient)로 인한 공간 전하의 특성을 조사하는 것이다.
온도차로 인한 공간 전하의 특성을 분석하기 위해서는, 다음의 테스트 조건들이 세팅되어야 한다.
- 온도 차가 존재하지 않는 절연 물질
- 20℃의 온도 차가 존재하는 절연 물질
- 40℃의 온도 차가 존재하는 절연물질
- 20℃의 온도 차가 존재하지만 전극의 높은 온도의 위치가 바뀌어 있는 절연 물질
절연 물질은 한 개 레이어의 오일을 함유한 합판과 두 개 레이어 오일과 오일을 함유한 합판 모두를 포함한다. 이 페이퍼에서는, 다른 절연 물질들의 두 개의 레이어에 관해서 공간 전하 회복 방법이 제안되며 이는 공간 전하의 프로필을 온도차 조건하에서 정확하게 교정하기(calibrate) 위함이다. 더욱이, 온도차에서의 실험적 결과의 차이가 후에 서술되어있다. 상대적인 최대 전계 강도는 이 페이퍼 마지막에 기술되어 있다.
II. SPACE CHARGE RECOVERY
온도는 acoustic velocity에 영향을 미치며 acoustic wave의 attenuation과 dispersion을 악화시킨다(aggravate). 그러므로, 이전의 여러 연구들이 온도 차 조건에서 한 개 절연 샘플에 관해서 진행되었다. 하지만 두 개의 다른 레이어가 가지는 acoustic wave velocities, 절연 특성, attenuation과 dispersion 계수(coefficient)를 고려하면 두 개의 다른 레이어에 관한 공간 전하 회복은 더욱 복잡하게 여겨진다.
그러므로, 두 개 레이어의 관한 공간 전하 회복 방법은 다음의 내용을 고려하여야 한다. 온도 측정, 속도 측정, 온도 분포 시뮬레이션, 두 개의 다른 레이어의 공간 전하 회복.
(1) The Temperature Measurement
절연체를 가로지르는 정확한 온도 차를 얻기 위해서는, 계산과 실험 모두 실행되어야 하며 그리고 두 레이어의 오일과 오일을 함유한 합판을 예시로 사용한다.
T_L 값이 정해지면 T_u 값은 수식 (1), (2), (3)을 통해 구할 수 있다. 참고 온도와 계산된 온도 그리고 측정된 온도가 Table 1에 나타나 있다. 여기서 보이는 점은 측정된 결과 값은 거의 계산된 결과 값과 비슷하다는 점이다. 이후 온도 차 조건에서 진행되는 공간 전하의 실험과 관련해서는, 온도 세팅은 실제 측정값을 기반으로 세팅한다.
(2) Acoustic Velocity vs Temperature
오일과 오일을 함유한 합판의 acoustic velocity는 온도에 따라 변하며 acoustic velocity는 두 레이어 공간 전하 회복을 위해 측정이 필요하다. 다른 온도 조건에서 오일과 합판의 속도 측정을 위해, 두 전극 사이의 온도가 20℃에서 60℃까지 증가한다. 그리고, 이 속도는 다음의 수식을 기반으로 계산된다.
오일의 acoustic wave는 PEA 장비로부터 직접적으로 측정되기 힘들다. 그러므로, 오일의 acoustic wave는 (4)~(6)의 수식을 기반으로 계산 가능하다.
20℃부터 60℃까지 온도가 변화는 조건에서 오일과 오일을 머금은 합판에서의 속도들 얻은 후에는, 관련된 수식은 Matlab 소프트웨어와 수식 (7)과 (8)과 관련해서 구할 수 있다. T(℃)는 실제 온도를 나타낸다.
Figure 1은 acoustic velocity vs 오일과 오일을 머금은 합판의 온도를 나타낸다. 이 값이 암시하는 점은 합판의 acoustic 속도는 온도와 함께 증가하며 반대로 오일의 acoustic 속도는 감소한다.
(3) Temperature Gradient Distribution
두 개 레이어 오일과 오일을 머금은 합판을 가로지르는 온도 차는 일정하지 않다. 정확한 온도는 COMSOL software의 시뮬레이션을 통해서 얻을 수 있다. Figure 2가 보여주는 점은 경계면에서의 온도가 36℃으로 측정되며 여기서 하부 전극은 20℃이며 상부 전극은 63℃이다. 또한, 오일을 머금은 합판에서 주로 온도가 떨어지는 것이 목격되며 이는 더 낮은 열적 전도성(thermal conductivity)때문이다.
(4) Space Charge Recovery Method for Two Different Layers
온도 차 조건에서 두 개 레이어 공간 전하 회복은 두 가지 측면을 포함한다: 수직적 공간 전하 밀도 회복, 그리고 축(axial) 시간 확장 회복. 두 레이어 공간 전하 회복은 또한 attenuation과 dispersion을 포함한다.
- 수직적 공간 전하 밀도 회복:
상온에서 생성되는 acoustic wave는 수식 (9)를 이용한다. p_o(t): pressure wave, k: matching coefficient, v_o: average velocity of both oil and oil-impregnated pressboard, ∂: surface charge density, e_p(t): pulsed electric stress.
온도 차 조건하에서는 acoustic wave는 다음과 같이 표현된다.
온도차 조건에서의 공간 전하를 상온(room temperature)의 공간 전하로 바꾸기 위해서, 수식 (11)이 두 레이어 수직 전하 밀도 회복을 위해 사용되었다.
- 축(axial) 시간 확장 회복:
축 시간 확장 회복은 온도 차 조건하에서 수식 (12), (13)을 기반으로 한 실제 속도의 사용을 요구한다. 공간 전하 화복 결과는 Figure 13에 나타나며, 이 공간 전하 결과는 40℃ 온도차에서 두 개의 레이어 0.5mm 오일 그리고 0.5mm 오일-오일을 머금은 합판이 4kV/mm 전계에 적용되었을 때의 모습을 나타낸다. 이것이 암시하는 것은 수직적 수평적 회복 후에 두 개의 레이어 오일 그리고 오일을 머금은 합판의 공간 전하 회복 결과를 보여준다.
III. EXPERIMENTAL METHODOLOGY
트랜스 포머에 사용에는 높은 퀄리티의 오일과 합판이 사용되었다. 오일과 합판의 함유 처리 과정은 이전 연구 절차를 따른다. 함유 처리 과정 후에는, 실험을 수행하기에 앞서 4일간의 대기 시간을 가진다. 온도 차 조건하에 공간 전하의 측정을 위해 수정된 PEA 시스템이 도입되었으며 외부로부터 적용된 전계의 강도는 10kV/mm이다. 앞서 언급한 것과 같이 서로 다른 4가지 조건이 테스트되는데 이에 사용돼 전 절연 물질은 0.5mm 한 개 레이어 합판과 두 개 레이어 0.5mm 그리고 0.5mm 오일을 함유한 합판이다. 전압은 샘플에 1시간 동안 지속적으로 적용하며 그러고 나서 전력 차단 후 소멸 과정을 1시간 동안 지속한다.
IV. SPACE CHARGE RESULTS
Figure 4(a)는 10kV/mm의 전계 강도에서 온도 차 없이(without temperature gradient) 0.5mm의 오일을 머금은 합판의 공간 전하 측정을 나타낸 것이다. 애노드로부터의 호모 전하 주입은 매우 뚜렷하게 측정된다. Figure 4(b)가 암시하는 점은 40℃의 온도 차 조건에서 공간 전하를 보여주며 많은 양의 (+)전하들이 애노드로부터 주입되고 이 양(+) 극성 전하들은 캐소드 부근에서 많은 양의 음(-) 극성 전하들을 유도할 수 있으며 이는 결국에 캐소드 쪽에서 상당한 양의 전계를 강화시킨다.
Figure 5(a)는 두 개 레이어 0.5mm 오일과 0.5mm 합판이 온도차 없이 10kV/mm조건에서의 공간 전하 결과를 보여준다. 호모 전하 주입은 명백히 (+) 전하 축적을 애노드 부근에 야기시킨다. 음(-) 극 성 전하는 오일을 가로지르며 이동할 수 있으며 경계면(interface)에서 축적할 수 있다. 이러한 음극(-) 경계성 전하는 캐소드에서 몇몇의 양(+) 극성 전하들을 유도할 수 있으며 이러한 현상은 전하 중성화 현상으로 인해 캐소드에서 음(-) 극성 전하의 감소를 야기한다.
Figure 5(b)는 40℃의 온도 차 조건에서 오일과 합판의 공간 전하의 모습을 나타낸다. 상당한 양의 양(+) 극성 전하들이 애노드로부터 주입되며 이는 음(-)극 성 전하들을 캐소드 부근에 유인함으로써 캐소드의 peak값을 증가시킨다. 오일의 전계(electric field)가 증가 될 수 있으며 이는 Figure 5(a)의 경향과 반대된다.
Figure 6는 높은 온도에 전극을 캐소드로 뒤집으며 20℃의 온도 차를 가지는 샘플의 공간 전하를 나타낸 것이다. Figure 6(a)가 나타내는 점은 호모 전하 주입이 합판에서 매우 뚜렷하다는 점이고 특히 전자의 주입은 더 높은 온도 때문이다. Figure 6(b)와 Figure 5(a)를 비교하면, 더 많은 양의 음극(-) 성 전하들이 경계면에 축적되며 이는 캐소드에서의 온도 증가로 인해 일어난다. 더욱이, 경계성 음극(-) 전하들은 애노드에서 양(+)극 성 전하들을 유도하며 이는 애노드로부터의 전하 주입의 조합과 함께 양(+)극 성 전하들의 증가를 야기한다.
V. DISCUSSIONS
Figure 4(a)와 Figure 4(b)를 비교 하자면, 애노드에서의 높은 온도와 함께 상당히 많은 양의 주입된 양(+)극 성 전하들은 절연체 내부에서 새로운 애노드로 여겨질 수 있다. 몇몇의 이유들이 이를 뒷받침 하는데 이는 다음과 같다.
많은 양의 양(+)극성 전하 주입은 문턱(threshold)와 상호 관계적일 수 있으며 이 문턱은 전극의 온도에 매우 의존적이고 더 높은 온도는 전하 주입과 관련해서 문턱을 낮출 수 있게 된다.
전도성은 온도와 전계 모두에 있어서 기능을 한다. 공간 전하는 절연체의 전도성(conductivity)와 유전율(permittivity)에 의해 형성된다. 전도성 차의 생성은 전도성이 온도에 의존적이기 때문이며 공간 전하는 이러한 전도성의 불 연속성으로 인해 형성 가능하다. 그러므로, 절연 재료의 전도성 차는 샘플내에서 공간 전하의 형성을 용이하게 만든다.
이렇게 증가된 온도는 공간 전하 캐리어의 전하 이동성을 강화시킨다. 공간 전하의 형성은 공간 전하 주입 비율 그리고 추출 속도와 관련이 있다. 전자의 이동성은 상온에서 양(+)극성 전하와 비교해서 더 높다. 그러나, 온도 차 조건에서 애노드의 높은 온도는 양(+)극성 전하 이동성을 강화 시킬 수 있으며 이는 샘플로 더 많은 양의 양(+)극성 전하 주입을 야기한다. 더욱이, 전하 추출 속도가 캐소드의 낮은 온도에서 느리다는 점을 고려하면 더많은 양의 양(+)극 성 전하들이 절연체 내부에서 갇히게 된다.
Figure 5(a),(b)로 부터 알 수 있는 점은 음극(-)성 전하는 두 경계면에 존재한다는 점이다. 오일과 오일을 함유한 합판사이의 물리적 경계는 전하의 이동을 막는 장애물이라고 생각 될 수 있다. 또한 Figure 5(b)에서 처럼 음극 경계성 전하는 온도 차 조건에서 더 낮음을 확인 할 수 있다. 오일의 전도성은 합판과 비교하여 상온에서 더 높은 편이다. 그러나, 온도 차 조건에서는 더 높은 온도로 인한 더 많은 양의 양(+)극 성 전하 주입이 캐소드로 부터 주입된 음(-)극성 전하를 중성화 시킬 수 있으며 이는 음(-)극 경계성 전하의 감소를 야기한다. Figure 6(a), (b)로부터 높은 온도는 전하의 양과 움직임을 증가 시킬 수 있음을 확인하였다.
최대 전계 값은 Figure 7을 통해 요약 되며 A는 한 개 레이어 합판 그리고 B는 두 개 레이어 오일과 오일을 머금은 합판을 나타낸다. A1부터 A3 그리고 B1부터 B3는 0℃부터 40℃까지의 온도차를 나타낸다. A4그리고 B4는 반대 상황의 온도차 조건을 나타낸다.
Figure 7이 암시하는 점은 온도 차 증가느 더 많은 양의 전하를 주입현상을 만든다는 점이고 이는 두 샘플 모두에서 심각한 전계의 강화 현상을 야기한다는 것이다.
VI. CONCLUSIONS
- 온도 차 증가는 높은 온도의 전극으로 부터 공간 전하 주입을 용이하게 만들며 이는 한 개 레이어 그리고 두 개 레이어의 오일과 오일을 머금은 합판에서의 심각한 전계의 강화를 야기한다.
- 한 개 레이어 합판에 관해서, 온도의 증가는 전하의 이동성을 증가시키고 하부 전극 주변의 최대 전계 값을 증가 시킨다.
- 오일과 오일을 머금은 합판에 관헤서는, 20℃의 하부 전극에서 오일의 전계는 온도 차 조건에서 증가하게 되고 반면에 주변 온도(ambient)에 의해서는 감소한다.
출처
[1] B. Huang, M. Hao, Z. Xu, and G. Chen, “Temperature Gradient Effect on the Space Charge Behaviour in Thick Oil and Oil-impregnated Pressboard,” no. Icdl, pp. 25–29, 2017.