Abstract
극성 역전의 작동은 컨버터 트랜스포머의 안정성(stability)에 영향을 미칠 수 있으며 이는 오일 내부에서 갑작스러운 전계(electric field)의 강화(enhancement)를 일으키기 때문이다. 극성 역전(polarity reversal) 후 오일 내부에서 일어나는 이러한 일시적인(transient) 전계 행동의 특성을 연구하기 위해, pulsed electroacoustic (PEA) 측정 방식이 사용되며 이와 관련된 샘플은 두 개 레이어의 오일과 합판이 극성 역전 조건에 놓이게 된다. 이 연구 페이퍼에서 초점을 맞춘 부분은 서로 다른 전압의 극성과 온도 차(temperature gradient)가 어떠한 영향력을 가지는가이다. 연구 결과로부터 알 수 있는 점은, 온도 차 조건에서 극성 역전 후 오일의 최대 전계(maximum electric field)는 극성이 (+) 극에서 (-)로 바뀔 때보다 극성이 (-) 극에서 (+)로 바뀔 때 더 높다는 것을 보여줬다. 더욱이, 극성 역전 후 주변 온도 조건 와 일시적인 상태(transient state)에서 오일 갭은 최대 전계 값을 가지게 되지만 반대로 온도 차 조건에서는 steady-state에서 최대 전계 값을 가지게 된다.
I. INTRODUCTION
컨버터 트랜스포머는 HVDC 파워 시스템에서 가장 중요하게 여겨지는 장비 중 하나이다. 전류 전원 컨버터(Current source converter) 기술을 기반으로 밸브 사이드(valve side)의 와인딩(winding)은 DC와 AC 전압을 다룰 뿐 아니라 또한 극성 역전된 전압(different polarities of voltage in case the power reversal) 같은 전압도 다룬다. 극성 역전 동작 동안, 공간 전하는 빠르게 소멸되지 않을 뿐 아니라 자체적으로 전계(electric field)를 만들어 내어 새롭게 발생된 일시적으로 capacitive 한 전계와 중첩되게 된다. 결론적으로, 극성 역전 현상 후, 오일 갭(oil gap)에서의 전계는 매우 강력하게 강화되며 이는 결국에 컨버터 트랜스 포머의 안정성과 수명 위협하게 된다. 따라서, 극성 역전 동작은, 컨버터 트랜스 포머의 절연 특성을 확인하기 위한 규칙적(routine) 실험이다. 극성 역전 스탠더드는 몇 가지 중요 요소들로 구분되며 이러한 요소들은 전압 강도, 극성, 적용 시간, 극성 역전 시간, 극성 역전 횟수 같은 극성 역전 현상 후의 전계(electric field)에 영향을 미치게 된다. 컨버터 트랜스 포머 내에 존재하는 온도 차(temperature gradient) 조건 하에서 전계는 궁극적으로 공간 전하의 행동에 의해 결정된다고 볼 수 있다. 따라서, 극성 역전 조건에서 온도 효과는 반드시 연구되어야 하는 부분 중 하나이며 이를 통해 기존에 존재하는 스탠더드에 내용이 추가될 수 있어야 한다.
다음의 내용은 본격적인 내용을 다루기에 앞서 연구되었던 이전 내용들에 대한 간략한 설명이다.
- 공간 전하 적용 시간에 따른 오일의 일시적 전계(transient field)는 극성 역전 적용 시간(Tr)과 전하 축적과 소멸에 관한 시간 상수에 의존한다. 극성 역전 적용 시간(Tr)이 만약 시간 상수보다 길거나 가까운 값을 가질 경우 극성 역전 시간은 극성 역전 후 오일 내의 전계에 아주 큰 영향을 미치게 된다. 이와 반대로, 극성 역전 적용 시간이 시간 상수보다 짧을 경우 극성 역전 후 전계에 미치는 영향을 이전 상황보다 덜하게 된다.
- 극성 역전 후 오일과 합판에서 보이는 노쇠화 효과와 관련되서 극성 역전 적용 시간이 길면 길수록 노쇠화된 샘플이 신선한 샘플보다 일시적(transient) 전계가 더 크게 감소된 것을 알 수 있었으며 이는 노쇠한 샘플의 극성 역전 적용 시간보다 더 작은 시간 상수 때문이다.
- 두 개 레이어 오일-페이퍼 절연 시스템에서 전압 극성이 전하 행도에 미치는 효과에 관해서 알 수 있는 점은 서로 다른 재료를 가지는 전극은 적용된 전압의 다른 극성 조건에서 공간 전하 행동에 아주 큰 영향을 준다는 점이다. 이는, 서로 다른 재료가 서로 다른 물질적 특성과 기능을 가지고 있기 때문이다.
- 극성 역전 후 오일과 합판의 일시적 전계(transient field)에 관한 시뮬레이션으로 알 수 있는 부분은 극성 역전 후 일시적 capacitive 전계와 중첩된 남아 있는 전하의 분포에 의해서 오일의 전계가 강화된다는 점이다.
- 다른 연구는, 극성 역전후 온도차가 LDPE 재료의 일시적 전계에 미치는 영향이며 온도 차 조건에서 극성 역전 적용 시간이 길어질수록, 이는 LPDE의 전계를 증가시킬 수 있다는 것이다. 이러한 현상은 주변 온도(ambient temperature)에서 일어나는 현상과 반대된다.
PEA 측정 방법이 공간 전하의 분석을 위해 도입되었으며 준비된 샘플은 다음과 같다.
- 극성 역전 후 두 개 레이어의 오일과 오일을 머금은 합판(two layers oil and oil-impregnated pressboard)
- 여기서 크게 고려할 점은 두 가지이며 이는 온도 차(temperature gradient)와 다른 전압 극성(different voltage polarities)이다.
다음은 이 실험에서 사용된 실험 절차이다.
- 극성 역전 후 (+ → - and - → +), 온도 차가 존재하지 않는 절연 재료
- 극성 역전 후 (+ → - and - → +), 40℃의 온도 차가 존재하는 절연 재료
실험 방식이 이후 에 자세하게 다뤄지며 그러고 나서 주변 온도 조건과 온도 차 조건에서 극성 역전 후 발생되는 공간 전하의 행동에 관해서 이야기될 것이다.
II. EXPERIMENTAL METHODOLOGY
A. Sample Preparation
컨버터 트랜스 포머에서 사용되는 합판과 오일은 매우 높은 퀄리티를 가지고 있다. 실험에서 사용된 합판은 한 회사로부터 받았으며 미네랄 오일로 사용된 오일의 모델은 ZXI-S3이며 이는 Shell 회사에 의해 제작되었다. 오일을 합판에 함유시키는 과정은 이전에 연구 절차를 따랐으며 실험 전 4일의 대기시간을 가지게 된다.
B. Voltage Reversal Waveform
극성 역전 동작 전압은 임의적인(arbitrary) function generator에 의해서 얻어지며 고 전압 앰프(amplifier)를 통해 10kV까지 증가한다. 실험에 사용된 샘플은 0.5mm의 합판과 0.5mm의 오일로 구성된다. 극성 역전 작동 시간은 90초로 고정되어 있다. 전압 적용 시간은 120분 동안 지속되며 이는 표준 시간인 90보다 긴 시간으로 steady state에 도달하기 위함이다. 전압 동작과 관련된 시간은 다음 Figure 1을 통해 나타내어졌다.
III. EXPERIMENT RESULTS
Figure 2(a)는 상온(room temperature)에서 (-)에서 (+)로의 극성 역전 후 0.5mm 오일과 0.5mm의 오일을 머금은 합판에서의 공간 전하 결과를 나타낸 것이다. 호모전하 주입은 음(-) 전하 축적을 캐소드 부근에 야기하고 반대로 몇몇의 양(+) 극 전하들은 오일 레이어를 가로지르며 이주하게 되는데 이는 경계면(interface) 부근에 양(+) 전하 축적을 야기한다. 오일 갭(oil gap)에서의 이온화는 또한 경계면에서 양(+) 극 전하 형성에 기여하게 된다. 이러한 양(+) 극 전하들은 음(-) 극 전하들을 애노드 부근에 유도하게 되고 중성화 과정을 통해 애노드의 양(+) 극 전하들의 감소를 이끌어 낸다.
Figure 2(b)는 극성 역전 후 공간 전하의 행동을 보여준다. 양(+)극 전압의 조건에서는, 애노드 부근에서 이전에 주입된 음(-) 극 성 전하들이 애노드로부터 주입된 양(+) 극성 전하들에 의한 중성화(neutralization)를 통해 점차 감소하게 된다. 또한, 이전에 축적된 양(+) 극 경계성 전하들은 극성을 음(-) 극으로 바꾸게 된다. 이러한 현상은 새로운 캐소드로부터의 호모 전하 주입에 의한 결과로 고려된다. 호모 전하들은 오일을 가로질러 이동하고 이전의 경계성 전하들과 중성화된다. 더욱이, 경계면에서의 음(-) 극성 전하들은 캐소드의 양(+) 극성 전하들을 유도하게 되고 전하 소거에 의해 캐소드 peak 값이 감소하게 된다.
Figure 3 (a)는 상온(room temperature)에서 전압 극성이 (-)에서 (+)로 바뀔 때 transient state 그리고 steady state를 포함한 공간 전하의 특성을 보여준다. 극성 역전 후 거울 이미지 형태의 전하 활동 모습이 목격된다. Figure 3(b)는 극성이 (+)에서 (-)로 바뀐 후 상온에서 transient와 steady state를 포함한 공간 전하의 모습을 보여준다.
Figure 4(a)는 40℃의 조건 차에서 극성이 (-)에서 (+)로 바뀔때 transient와 steady state 공간 전하 특성을 보여준다. Figure 3(a)와 비교하면 (-) 조건에서는, 음(-) 극 전하들은 상부 전극(top electrode)을 통해 주입되었으며 이는 온도 차 조건에서 오일 내의 전계의 강도를 증가시킨다. Figure 4(b)는 전압이 극성이 반대인 경우(+ → -)에 공간 전하의 모습을 보여준다. Figure 4(a)에서 보이듯이 (-) 전압, 120분 조건과 비교하여 (+) 전압, 120분 조건에서 더 적은(less) 양의 경계성 전하들이 존재한다. 또한, Figure 4(b)는 (+) 전압 조건에서, 상당한 양의 양(+) 극성 전하들이 상부 전극(top electrode)을 통해 120경에 주입되게 되며 이는 온도 차 조건의 오일 내부에서 전계를 매우 크게 강화시킨다.
Figure 5(a)와 (b)는 주변 온도와 40℃의 온도 조건에서 극성이 (-)에서 (+)로 변하는 극성 역전 동안의 오일과 합판의 공간 전하의 프로필을 보여준다. Figure 5(a)에서는 전하들이 상부와 하부 전극(top and bottom electrodes)에서의 전하들의 극성이 극성 역전 적용 기간 동안 바뀌는 모습을 볼 수 있다. 하지만, 극성 역전 적용 동안 주변 온도 조건에서 경계성 전하 peak은 뚜렷한 감소를 보이지 않는다. Figure 5(b) 또한 상부와 하부 전극에서의 전하들의 극성이 극성 역전 기간 동안 변하게 되지만 온도차 조건의 극성 역전 기간 동안 경계성 전하 밀도의 강도는 증가한다.
IV. DISCUSSIONS
높은 온도(high temperature)는 전극(electrode)으로부터 전하의 주입을 용이하게 할 수 있다. Figure 4(a)와 Figure 3(a)를 비교하자면, 더 많은 전하들이 높은 온도를 가진 상부 전극으로 부터 주입되었다. 공간 전하의 주입인 문턱 전계(threshold electric field)와 관련이 있다. 문턱 값 보다 적은 값을 가질 경우, 소량의 전하들만이 절연체 내부에 갇히게 된다 (Ohmic behaviour). 공간 전하에 관한 문턱은 Ohmic부터 공간 전하 제한 전류 전도(space charge limited current_SCLC conduction)의 시작과 함께 동시에 일어난다. 문턱 전계(threshold electric field)는 온도에 매우 의존적이며 온도가 더 높아질수록 이는 문턱 전계를 더 낮추게 되어 전하들이 더 많이 주입되게 된다. 즉, SCLS의 문턱보다 전계 값이 높을 때, 과잉 전하들은 높은 온도의 상부 전극으로부터 주입된 것이며 이는 주변 온도의 조건에서의 소량의 전하 주입과 비교하여 매우 뚜렷하다.
온도 차 조건에서 적용된 전압 극성은 오일과 합판의 경계에서 경계성 전하 강도에 영향을 미친다. Figure 4(a)와 Figure 4(b)를 비교해 보면, 더 많은 경계성 전하들이 온도 차 조건에서 (+) 전압일 때보다 음(-)극 전압 조건에서 생성된다. 이전의 연구들로부터 밝혀진 점은 정공(holes)들이 Al로부터의 전자보다 더 쉽게 주입된다는 점이다.
그러나, 경계성 전하 밀도는 이론적으로 전극 재료의 기능에 의해 결정된다. Al의 성능은 4.08±0.05eV이며 반대로 SC 는 Al에 비해 더 낮은 전압 장벽을 가지고 있다. 그러므로, 공간 전하 샘플과 또는 두 동일한 재료의 경계성 전하 극성은 SC 재료의 전압 극성에 의해 결정되며 이는 SC의 낮은 전압 장벽 때문이다. 이러한 결과는 이미 하나 또는 두 개 레이어의 공간 전하 실험에 관한 SC/AC 전극 관련 이전 연구들로부터 이미 확인되었다. 그러나, 온도 차(temperature gradient) 조건에서 서로 다른 두 레이어의 절연 물질에서는 더 많은 요소들이 경계성 전하 밀도의 서로 다른 강도를 서로 다른 전압 조건에서 설명하기 위해 고려되어야 한다.
다른 전압 극성 조건에서 특히 온도 차 조건에서의 경계성 전하 차이의 강도는 경계면에서 전하의 움직임에 의해 설명될 수 있다. 양(+)극 성 전압 조건에서는, 음(-) 극 경계성 전하들은 합판으로 이동하기가 힘든데 그 이유는 오일에 비해 합판의 더 높은 저항성(resistivity) 때문이다. 더욱이, 상당한 양의 양(+) 극 성 전하들은 높은 온도로 인해 애노드로부터 주입되며 경계성 전하의 중성화(neutralization)를 이끌어 낸다. 그러나, 음(-) 극 성 전압 조건에서는, 음(-) 극 경계성 전하들은 오일을 쉽게 가로지르며 이동 가능한데 그 이유는 외부 전계가 가해졌을대 오일의 더 낮은 저항성(resistivity) 때문이다. 이 현상은 더 많은 양(+) 극 성 전하들을 경계면에 축적시키며 이는 전자(electrons)들의 움직임 때문에 일어난다. 위의 내용을 기반으로, 음(-) 극을 가진 온도 차 조건에서 더 높은 강도의 전하들은 경계면(interface)에 축적할 수 있게 된다.
Figure 5(a)와 (b)에서 극성 역적 동작 과정 동안, 경계성 전하의 강도는 온도 차 조건에서 증가하며 반대로 상온(room temperature)에서는 약간 감소하는 경향을 가진다. 온도 차 조건에서 경계성 전하의 증가의 현상에 관해서 몇 가지 이유를 들 수 있다. 전계는 상부 전극(top electrode) 부근에서 강화되는데 그 이유는 극성 역전 후 새롭게 적용된 전계와 중첩된 남아있는 전하들 때문이며 이는 상부 전극으로부터 전하 주입을 용이하게 만든다. 더욱이, 극성 역전 이전에 상부 전극과 비교하여 경계성 전하들은 다른 극성을 가진다. 극성 역전 후, 상부 전극과 비교하여 경계성 전하들은 같은 극성(polarity)을 갖는다. 상부 전극 부근으로 부터의 높은 온도는 전하 캐리어 이동성을 증가시키며 이는 경계성 전하 밀도의 증가를 야기한다. 주변 온도 조건에서 경계성 전하의 변화는 뚜렷하지 않다. 이러한 결과는 주로 합판의 더 높은 저항성(resistivity)과 신선한 오일과 합판 샘플 사이의 경계성 장벽(interfacial barrier)의 효과로 인해 나타나며 이는 경계성 전하의 느린 소멸 속도로 이어진다.
극성 역전 동작 후, 오일의 일시적 전계(transient electric field)가 강화되며 합판의 양쪽면의 전계(electric field)도 증가하게 된다. 이러한 결과는 오일내의 헤테로 전하들이(heterocharges) 전압의 극성이 바뀐 뒤 호모 전하(homocharge)처럼 여겨 지기 때문이며 이는 오일 내부의 전계의 강화를 이끌어낸다. 반면에 합판 와 관해서는, 극성 역전 이전에 주입된 호모 전하들이 헤테로 전하가 되며 합판 양쪽면의 전계의 강화를 야기한다. 합판과 비교하였을 때 오일의 더 낮은 전기적 절연 성능 때문에 오일 내부에서의 전계의 행동을 더 주의 깊게 살펴야 한다. 극성 역전 과정 후 오일에서 일시적 최대 전계(transient maximum electric field)는 Figure 6에 요약해서 표시되었다.
- A1: (-)→(+), 주변 온도 조건
- A2: (-)→(+), 40℃ 온도 차 조건
- A3: (+)→(-), 주변 온도 조건
- A4: (+)→(-), 40℃ 온도 차 조건
A2에서 오일의 전계는 A4와 비교하였을때 높은 값을 가지며 이는 A2 상황일 때 오일에서의 전계 강화가 극성 역전이 (-)에서 (+)로 바뀔 때 더 심하다는 것을 보여준다. 이는 경계성 전하의 더 높은 강도에 관해서 A2값이 A4보다 더 높기 때문이며 이러한 현상은 결국 극성 역전 후 오일 내에서 심각한 전계의 강화를 야기하게 된다.
Figure 4(a)와 3(a)를 비교해보면, 전압 적용 시간이 더 길수록, 주변 온도 조건에서의 오일 내분의 전계는 감소하게 되며 반면에 온도 차 조건에서는 오일 내부의 전계가 증가하게 된다. 이에 따르면, 극성 역전 동작 후, 오일에서의 일시적 전계(transient electric field)는 주변 온도 조건에서 최대 값에 도달하게 된다. 그러나, 극성 역전 후, 오일에서 steady-state 전계는 온도 차 조건에서 최대 값을 가지게 된다.
V. CONCLUSION
- 온도 차 조건에서, 오일 내부에서의 일시적 전계(transient electric field) 극성이 (-)에서 (+)로 바뀌는 극성 역전 과정에서 (+)에서 (-)로 바뀌는 상황보다 더 높은 값을 가진다.
- 극성 역전 동작 후, 오일의 전계값은(electric field) 온도 차 조건에서 증가하지만 주변 온도 상황에서는 감소한다.
- 극성 역전 동작 기간 동안, 경계성 전하(interfacial charge density)의 강도는 온도 차 조건에서 증가하며 주변 온도 상황에서는 감소한다.
출처:
[1] C. T. Bo Huang, Miao Hao, Zhiqiang Xu, George Chen, “Effect of Voltage Reversal on Space Charge in Oil and Oil-impregnated Pressboard under Temperature Gradient,” pp. 98–101, 2018.