Abstract
2017년도에 ±1100kV의 HVDC 파워 트랜스포머가 처음으로 SIEMENS회사에 의해 제작되었다. 그동안 ±1000kV의 파워 트랜스포머가 중국에서 상용되었다. 이러한 예시들은 이제 곧 ultra-high voltage(UHV)의 시대가 다가옴을 의미한다. 이렇게 파워 트랜스포머의 전압이 급격하게 증가할수록 이에 맞춰서 파워 트랜스포머의 절연 능력 또한 더 우수한 성능을 요구한다. 기존에 트랜스포머에 사용되는 미네랄 오일은 전기적 절연 능력과 냉각 능력을 동시에 가지고 있지만 훨씬 더 높아지는 전압에 관련된 절연 능력에 대하여 새로운 문제를 직면하고 있다. 이 리뷰 페이퍼에서는, 기존의 미네랄 절연 오일의 기본 특성을 다루며, 후에 breakdown strength, permittivity, conductivity, 그리고 aging 같은 전기적 특성의 변화에 관해서 내용을 다룬다. 다음에는, 나노 단위로 개선된 절연 오일의 전기적 특성과 관련돼서 나노 분자들이 주는 영향을 중점으로 미네랄 절연 오일의 개선점을 알아본다. 분자와 원자 레벨의 미네랄 오일과 관련된 분자 시뮬레이션에 관한 연구들을 리뷰하였으며 마지막으로, 추가적으로 연구가 필요한 부분에 관해서도 이야기를 나눈다.
1. Introduction
절연 오일은 오일을 함유한 트랜스포머에서 절연 매개체로써 이미 널리 사용되고 있으며 전기적 에너지의 안전하고 지속 가능한 운용을 돕는다. 트랜스포머에 처음으로 적용된 미네랄 오일은 petroleum으로부터 추출되었다. 1940년대 이후로, 미네랄 오일은 이미 많은 트랜스포머, 캐패시터, 그리고 부싱(bushings)등의 많은 전력 장비에서 사용되고 있다.
기술의 발전과 함께, 더 많은 트랜스포머 오일들이 개발되었음에도 상대적으로 저렴한 미네랄 절연 오일이 아직도 많이 쓰이며 실제로 저렴한 값에 비해 좋은 절연 능력과 낮은 응결(condensation)점 그리고 낮은 점성도(viscosity)를 가지고 있다. 현재, 미네랄 절연 오일의 주요 천연 재료는 paraffin-based 그리고 naphthenic-based 천연 오일이며 이는 탄화수소(hydrocarbons)로 구성되어 있다. 탄화수소 요소들은 alkanes, cycloalkanes(one-, two-, three-, and four-membered rings) 그리고 aromatic 탄화수소(hydrocarbons)를 포함한다. 두 개의 주요 구성요소는 alkanes과 cycloalkanes이며 그리고 천연 오일의 유일한 차이점은 각 구성요소의 비율(proportion)이다.
1.1. Characteristics of Naphtenic-Based Mineral Insulating Oil
Napthtenic-based 오일의 주요 구성요소의 분자 구조는 Figure 1에서 처럼 나타난다. Naphthenic-based 미네랄 절연 오일의 중요한 특징들은 다음과 같이 요약된다.
1.1.1 Suitable Solubility
Naphthenic-based 절연 오일은 완화된(moderate) 용해성(solubility)을 가지며 고온, 전계, 습도, 금속 촉매로부터 생성되는 오일 슬러지를 용해시킬 뿐만 아니라 용해로부터 오는 트랜스포머의 절연 광택(varnish)을 예방한다. Naphthenic-based 오일은 오일 슬러지(sludge)를 용해할 수 있기 때문에, 이는 오일 슬러지가 절연체에 달라붙거나 오일 ducts나 쿨링 fins에 침전되는 것을 예방할 수 있으며 또한 트랜스포머 winding의 부분적 과열과 트랜스포머의 동작 온도에 있어서도 지속적인 운용을 하는 데 있어서 도움을 준다. 즉, 트랜스포머의 수명을 늘릴 수 있다.
1.1.2. Good Low Temperature Properties
저온 환경에 적합한 트랜스포머의 오일은 오일의 유동점(pour point)에 따라서 측정된다. Paraffinic-based 오일은 더 많은 paraffin 탄화수소(hydrocarbons)들을 포함하고 있고 이러한 포함물들은 naphthenic 미네랄 절연 오일에 비해 저온에서 더 쉽게 결정화(crystallize) 되며 또한 오일의 유동성이 감소하게 된다. 만약 paraffinic-based 오일이 유동점(pour point)이 dewaxing 과정을 통해 낮춰지게 된다면, 이 오일의 가격은 상대적으로 올라가게 되며 dewaxing의 제한 정도 때문에 유동점은 매우 낮은 값을 가질 수가 없다. Paraffinic-based 오일과 비교하였을 때 naphthenic-based 트랜스포머 오일에서의 paraffin 탄화수소(hydrocarbons)의 비율은 낮으며 또한 dewaxing 과정 없이는 낮은 유동점을 가지게 된다. ㄸ라서, naphthenic-based 트랜스포머 오일은 낮은 온도에서 우수성을 타고났다(endowed). -40℃같은 아주 극심하게 낮은 온도에서는, naphthenic-based 트랜스포머 오일은 보통 장비의 절연 특성의 영향 없이 계속 작동한다.
1.1.3. Favorable Heat Dissipation
일반적으로, 트랜스포머 오일은 유동성(fluidity)과 열 방출을 극대화하기 위해서 고온 점도성(high-temperature viscosity)은 가능한 한 낮은 값을 가져야 한다. 몇몇의 연구들이 보여주는 점은 naphthenic-based 그리고 paraffin-base의 트랜스 포머 오일에 관한 운동학(kinematic)적인 점성도는 40℃에서 유사하다. 하지만, 온도가 100℃에 도달하게 되면, naphthenic-based 트랜스포머의 오일은 운동학적(kinematic) 점성도는 paraffin-based 트랜스포머 오일의 운동학적(kinematic) 점성도보다 당연히 낮아지게 된다. 그러나, naphthenic-based 오일이 사용되면 트랜스포머 오일로써의 열 발산과 냉각기능에 관해 더 우수한 성능을 갖는다. QS2598A paraffinic-based 오일과 V-35 standard naphthenic-based 오일이 연구되었는데. 이전의 연구들을 통해 알 수 있었던 점은 온도가 -20~-50℃일 때, naphthenic 오일의 점성도가 paraffin-based 천연 오일의 점성도에 비해 훨씬 낮다는 점이다. 이 사실이 보여주는 점은 겨울의 경우 정지 상태의 트랜스포머를 naphthenic 트랜스포머 오일을 통해 동작시키는 것이 paraffinic 트랜스포머 오일에 비해 더 쉽다는 점이다. 비록, naphthenic 천연 오일은 다양하게 우수한 성능을 보유하고 있더라도, naphthenic-based 오일은 매우 희귀한 자원이며 전체 천연 오일의 2~3%만을 차지한다. 1970년대의 petroleum 위기 이후, naphthenic-based 천연 오일 자원은 점진적으로 감소하였다. 1980년대에는, naphthenic-based 천연 오일의 생산이 1970년대 생산량의 20%으로 줄어들었다.
1.2. Characteristics of Paraffinic-Based Transformer Oil
Paraffin-based 오일의 주요 성분의 관한 분자 구조의 모습은 Figure 2에서 처럼 나타난다. Paraffin-based 트랜스포머 오일의 중요한 특징은 다음과 같이 요약된다.
1.2.1. Suitable Density
트랜스포머가 극도로 낮은 온도에서 작동하게 된다면, 얼음이 녹으면서 액상의 수분이 생기게 된다. 그리고, 만약 이러한 액체가 전극 부근(electrodes region)에 흘러들어 가게 되면, 절연 파괴 전압(breakdown voltage)이 현저하게 낮아지게 된다. 즉, 부유하는 얼음(floating ice)의 생성은 가능한 한 반드시 미리 예방을 해야 트랜스포머를 안전하게 동작시킬 수 있다. 데이터가 보여주는 점은 순수 얼음의 실제 밀도는 0℃, 0.1 MPa에서 880~920kg/m3 범위에서 변한다. 그러므로, 트랜스포머 오일의 밀도와 부유 얼음 밀도 사이의 큰 차이는 쉽게 얼음의 출현의 통제할 수 있다. Paraffinic 오일의 밀도는 0℃와 20℃에서 naphthenic 오일의 밀도보다 더 낮다. 즉, paraffinic-based 오일은 naphthenic-based 오일보다 부유 얼음의 출현 통제의 관해서 더 효과적이다.
1.2.2. Favorable Electrical Properties
전기적 성능의 우수성은 트랜스포머 오일의 성능을 고려함에 있어서 매우 중요한 부분이며 주로 절연 파괴 전압(breakdown voltage)과 절연 손실(dielectric loss)을 포함한다. 이러한 두 개의 요소들은 트랜스포머 오일 내부의 습도에 영향을 받으며 이는 작은 양의 습도일지라도 절연 파괴 전압과 절연 손실에 있어서 매우 큰 영향을 끼친다. Paraffinic-based 오일과 naphthenic-based 오일의 절연 파괴 전압과 절연 손실 능력은 거의 동일하며 수분이 없는(anhydrous) 조건에서는 전기적 특성과 관련해서 두 물질 사이에 뚜렷한 차이점이 없다.
1.2.3. High Antioxidation Stability (높은 항산화 안정성)
항산화 안정성(Antioxidation stability)은 트랜스포머가 산소에 저항하는 능력에 있어서 매우 중요한 요소로 여겨진다. Paraffinic-based 오일의 항산화 안정성은 naphthenic-based 오일보다 더 높은 편이며 이는 paraffinic-based 오일이 naphthenic-based 오일에 비해 트랜스포머 수명에 있어서 더 장기간의 서비스를 제공한다는 점이다.
Paraffin-based 트랜스포머 오일의 항산화 안정성 밀도는 naphthenic-based 오일에 비해 더 우수하지만, naphthenic-based 트랜스 포머 오일의 용해성(solubility), 저온 성능(low-temperature performance), 그리고 운동학적(kinematic) 점도성(viscosity)은 praffin-based 트랜스포머 오일에 비해 우수한 편이다. 반면에, 이 두 오일의 전기적 특성과 관련해서는 뚜렷한 차이점을 보이지는 않는다. 전반적으로, 이 두 오일은 각각 뚜렷한 장점과 단점을 가지고 있다. 하지만, naphthenic-based 오일은 뛰어난 저온에서 우수한 성능을 보여주기 때문에 적합한 alkane, cycloakanes, arenes, low waxt content( less than 3%), 복잡하고 비싼 dewaxing 과정이 필요 없다. 그러므로, 트랜스포머 절연 오일은 주로 naphthenic-based 천연 오일로부터 정제된다.
절연 오일의 특성과 노쇠화로 인한 부산물은 트랜스포머의 수명과 아주 밀접한 관계가 있다는 것이 발견되었다. 파워 그리드의 지속적인 전압 상승과 지속적인 부하(loads)의 증가가 의미하는 점은 현재 절연 재료의 성능과 관련해서 이전에 겪지 못한 문제점들을 현재 그리고 앞으로 계속 직면해야 한다는 점이다.
그러므로, 파워 트랜스포머와 오일과 관련해서 UHV 파워 트랜스미션의 안정적 구동을 위한 절연 성능의 조건을 만족시키는 일은 앞으로도 계속되어야 할 연구 과제이다.
2. Properties of Mineral Insulating Oil
미네랄 오일을 머금은 트랜스포머에서, 트랜스포머의 절연 시스템은 미네랄 절연 오일(mineral insulation oil), 그리고 절연 페이퍼(insulation paper)로 구성된다. 트랜스포머 운용에 있어서 대게, 오일-페이퍼 절연 시스템은 전계(electric field), 열적 장(thermal field), 그리고 물리적 장(force field)등의 요소에 영향을 받는다. 오일-페이퍼 절연 시스템의 물리-화학적(physicochemical) 특성 시간이 지날수록 점점 왜곡되는 현상을 보인다. 그러므로, 이러한 현상들은 절연 파괴 강도(breakdown strength), 절연 상수(dielectric constant), 그리고 전도성(conductivity) 같은 전기적 특성에 직접적인 영향을 미친다. 위의 언급된 미네랄 오일의 요소들이 다음 섹션에서 다뤄진다.
2.1. Breakdown Voltage of Mineral Insulating Oil
절연 재료의 전기적 특성과 열적 안정화는 매우 밀접하게 연관되어있으며 전기적 특성은 절연체의 열적 안정성이 떨어질수록 성능이 저하되게 된다. 그러므로, 오일-페이퍼 절연체의 전열 파괴 전압을 고려할 때 열적 안정성을 연구하는 것은 매우 중요하다. 습도와 온도 두 가지 모두 트랜스 포머의 오일-페이퍼 절연체 노쇠화에 있어서 매우 큰 영향을 미친다. 특히, 습도는 오일-페이퍼 절연의 전기적 특성에 있어서 노쇠화를 가속시키며 이로 인해 트랜스포머의 수명을 단축시킨다.
오랜 시간 동안, 많은 학자들이 트랜스포머에서의 수분 생성과 이 수분이 트랜스포머에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. 기본적으로, 절연 용액에서 습도는 3가지의 상태가 존재하는데 이는 용해 상태(dissolved state), 유화 상태(emulsified state), 그리고 분산된 상태(dispersed state)이다. 절연 오일에서의 습도는 전기적 특성에 아주 큰 영향을 끼치는데 즉, 전기적 전도성, 확산 요소(dissipation factor)를 증가시키고 트랜스포머 오일의 전기적 강도를 저하시킨다.
절연 파괴 전압과 미네랄 오일의 수분 함량 사이의 관계는 Figure 3에서 처럼 나타난다.
서로 다른 온도와 수분 함량에 따른 미네랄-오일 페이퍼 절연 시스템의 열적 노쇠화 비율에 관한 연구가 진행되었다. 오일과 페이퍼에서의 수분함량의 변동 강도는 밀접한 연관성을 보여주며 두 물질의 전반적인 변동 경향 사이의 관계는 초기의 수분 함량과 일정하다(consistent). 수분의 함량과 함량의 변화는 노쇠화 과정 동안 acid, furfural, 그리고 다른 요소들의 성분의 변화에 영향을 준다. 서로 다른 온도에서 오일-페이퍼 절연 샘플이 가속화된 열적 노쇠화를 겪을 때 발견된 점은, 미네랄 오일의 수분 함량에 영향을 주는 가장 큰 요인은 오일의 종류라는 점이다.
미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템이 수분에 의해 영향을 받을 때, 절연 물질의 성능은 시간에 따라 저하되게 되며 오일-페이퍼의 절연 능력 손실이 증가하게 된다. 그리고, 절연 저항성이 저하되고 이는 장비의 수명을 단축시킨다. 미네랄 오일의 수분이 증가할수록, 미네랄 오일의 절연 파괴 전압은 감소하게 된다. 작동시간이 길어질수록, 절연 오일의 절연 파괴 전압 강도는 떨어지며, 특히 노쇠화의 중간 과정을 겪을 때쯤, 절연 파괴 전압의 감소 속도는 급격히 가속화된다.
트랜스포머의 전력 주파수 파괴 전압에 관한 실험이 표준 절연 오일 파괴 전압 측정 방식에 의해 테스트되었다. 이 실험으로 발견된 점은, 트랜스포머 오일의 절연 파괴 전압은 트랜스포머의 수분 함량이 증가할수록 뚜렷하게 감소했다는 점이다. 수분 함량이 40mg/kg 이상일 때, Karamay No 25 모델의 트랜스포머의 절연 파괴 전압은 약 35kV에 가까웠으며 이는 트랜스포머 표준에 있어서 최솟값이다.
수분 이외에도, 절연 페이퍼의 노쇠화 과정으로 인해 산성(acid)이 생성되며 이는 절연 오일에 흘러들어 가 그 특성에 영향을 미친다. 이러한 산성(acid)은 트랜스포머에 안정적인 운용에 있어서 부정적인 영향을 준다. 트랜스포머 오일의 산성은 아마도 트랜스포머 금속 부분의 침식을 일으킬 수 있으며 이러한 침식으로 새로운 물질의 생성은 절연 오일의 산화(oxidation)를 가속화시킬 수 있다.
연구들이 보여주는 점은, 오일의 종류가 오일의 노쇠화 과정에 있어서 생성되는 산성도에 큰 영향을 주며 식물성 오일과 미네랄 오일의 혼합물은 보통의 트랜스포머 오일에 비해 그 산성도가 더 높음을 보였다. 많은 양의 산성과 수분이 절연 시스템 내부에 축적되게 되면, 산성도와 수분의 시너지 효과(synergistic)로 인해 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템의 노쇠화를 가속시키게 된다. 절연 페이퍼에서의 산성의 가속화된 노쇠화 효과는 더 작은 분자 무게와 함께 하는 산성에 있어서 더 뚜렷하다. 그러므로, 미네랄 오일-페이퍼 절연체의 산성도는 트랜스포머의 동작 여부를 결정하는 데 있어서 중요한 지표가 된다.
위의 분석들을 기반으로, 시간이 지날수록 미네랄 절연 오일의 특성은 산화적 성능 저하와 함께 같이 능력이 저하되게 된다. 반면에, 수분, 작은 산성 분자, 그리고 절연 페이퍼의 노쇠화 과정으로부터 생성되는 CO, CO2 같은 가스들은 미네랄 오일로 이동하게 된다. 수분, 가스, 그리고 오일에 녹아든 산성의 구조는 Figure 4에서 처럼 나타난다. 오일에서 수분과 불순물들은 전계가 적용된 조건에서 특정 방향으로 작은 브리지(small bridge)를 형성한다. 즉, 양(+) 극 성 그리고 음(-) 극 성 전극들이 이러한 작은 브리지(small bridge)와 연결되면, 이 작은 브리지 틀 통해 흐르는 누설 전류(leakage current)가 증가하게 되며 수분과 불순물이 가지는 높은 전기적 전도성으로 인해 부분적인 과열, 수분의 수증 기화, 그리고 공기 거품의 형성을 야기한다. 가스는 상대적으로 낮은 절연 상수와 액체에 비해 상대적으로 높은 전압 내구성(withstand)을 가지다. 즉, 전기적 방전(discharge)이 가스의 공기 거품에서 처음으로 일어나게 된다. 대전된 분자들이 오일 분자들과 충돌할 때, 즉 거품(bubble)의 부피가 지속적으로 증가할 때 더 많은 가스가 분해된다(decomposed). 그리고 거품들은 작은 공기 브리지 형성을 위해 배열되며 이러한 공기 브릿지는 전계가 존재하는 조건에서 전극과 연결된다. 오일의 절연 파괴는 이 브릿지가 두 전극을 통해 파괴될 때 일어난다.
2.2. Dielectric Constant of Mineral Insulating Oil
미네랄 절연 오일의 실제 동작 동안에는, 미네랄 절연 오일의 분자들은 빛의 영향, 전기, 자성(magnetism), 물리적 그리고 화학적 반응들을 겪게 됨으로써 부산물들이 형성된다. 이러한 부산물들은 미네랄 오일의 절연 특성에 있어서 매우 큰 영향을 미친다.
회귀 전압(the return voltage) 측정 방법을 이용한 실험에서는, 전류의 분극화 방법(depolarizing the current method)과 주파수 영역 절연 분광학(spectroscopy)을 통해 발견된 점은 자동 산화(autoxidation)의 free radical 연쇄 반응(chain reaction) 과정이 일어난다는 것이며 이는 미네랄 절연 오일 내부의 산성도를 증가시킨다. 수지를 함유한 물질(Resinous substances), 저 중합체(oligomers), 그리고 고 분자 무게를 가진 점성 물질(viscous substances)들이 산성과 알코올 종류 사이의 추가적인 응축 반응을 통해서 생성된다.
수분 함량은 이 과정에 의해 생성되는 화합물(compounds)의 양과 함께 증가하며 결국에는 산화물, 알코올, aldehydes, ketons, 산화 화합물 등을 수분과 함께 증가시킨다. 이러한 물질들은 분자 내부의 열적 움직임을 강화시키며 동위 쌍극자(equivalent dipoles)의 수를 증가시킨다. 즉, 분자 체인이 끊어지고, 교차 결합의 힘을 약화시키며, 미네랄 오일의 분극화 능력(polarization capacity)을 강화시킨다. 또한, 운동학적 점성도, 절연 상수, 그리고 절연 소멸 요소를 증가시키지만 회복 전압(recovery voltage)은 감소시킨다. 이러한 요소들의 변화는 미네랄 절연 오일의 절연 특성에 영향을 주게 된다.
개선된 Coelho 모델을 통한 연구에서 보이는 점은 이 모델은 외부 회로에서 Coelho 이론의 공간 전하 분극화를 수정하기 위해 전기 밀도에 대해 소개한다. 이 모델은 미네랄 오일에서의 저-주파 응답에 관해서 더 나은 이해를 제공하며 기존 미네랄 오일의 절연 특성에 관해서도 설명 가능하다.
2.3. Electrical Conductivity of Mineral Insulating Oil
한 연구는 미네랄 절연 오일의 전기적 전도성에 대해서 이야기를 하고 있는데 이 연구가 보여주는 점은 미네랄 절연 오일의 전기적 전도성이 더 높을수록 더 높은 분극화 전류 초기 값을 가지며 미네랄 절연 오일의 전기적 전도성이 더 낮을수록 더 낮은 분극화 전류 초기 값을 갖게 되며 이는, 전류 소멸 시간을 연장하게 된다. 또 다른 연구는, 90℃에서 미네랄 오일의 DC 전기적 전도성에 관해서 보여주며 이는 전력 오일의 부피 저항성 결정자 표준에 따른다. 이 연구로부터 알 수 있는 점은, 미네랄 절연 오일의 DC 전기적 전도성은 노쇠화 과정에 의해 증가한다는 점이다. 이 연구 분석에 따르면, 이러한 현상은 유기적 산성의 소멸(dissolution)과 노쇠화 과정에서 일어나는 미네랄 오일의 산화에 의한 성능 저하로 생성되는 부산물에 의해 일어난다. 미네랄 절연 오일의 산성도의 변화에 관한 분석이 내리는 결론은 미네랄 절연 오일의 증가된 산성도는 오일 생산물의 전도성을 증가시키는 반면 미네랄 절연 오일의 절연 성능은 감소하게 된다. 노쇠화 과정 동안, 만약 미네랄 절연 오일의 산성도가 점진적으로 증가하게 되면, 전기적 전도성 또한 증가하게 되고 특히, 노쇠화 과정 후반부에 이 경우가 심하다. 아주 많은 양의 보고서들이 오일의 전도성이 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템의 노쇠화 동안 증가한다고 이미 보고가 되었다.
다른 한 연구는 분극화와 탈분극화 전류를 사용함으로써 미네랄 절연 오일 내의 전하 캐리어에 관해서 특징화 했으며 그리고 계산된 절연 오일 전도성에 의한 주파수 반응에 관해서 시뮬레이션했다.
미네랄 절연 오일의 전기적 전도성 증가는 시간이 지날수록 미네랄 오일에 녹아는 노쇠화 부산물의 증가로 인해 주로 일어나며 이러한 부산물에 해당하는 물질들은 보통 수분, 산(acid), furan 화합물 등이 해당된다. 게다가, 전기적 절연 분자(silica and paper), 반도체성 분자(carbon), 그리고 전도성 분자(copper)등의 작은 분자들은 미네랄 절연 오일의 전기적 전도성과 직접적인 연관이 있다는 것이 밝혀졌다.
예를 들어, carbon 같은 반도체 분자들은 현저한 전도성의 상승을 야기한다. 이 연구 페이퍼는 미네랄 절연 오일의 산성도와 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템의 전기적 전도성 사이에 관계를 측정하였다. 실험적 샘플은 NO.25 트랜스포머 오일로 구성되어있으며 절연 winding은 ABB transformer 회사에 의해 제공되었다. Winding의 copper strip 양면 모두 10개의 절연 섬유소 페이퍼 레이어로 커버되어 있으며 각 두께는 75um, 길이 12cm, 너비는 2.8cm이다.
실험적 결과는 Figure 5에 나타나 있다. 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템의 노쇠화 과정 동안, 미네랄 절연 오일의 올레산(oleic acid: 불포화 지방산)의 함유와 전기적 전도성이 증가하며 특히, 노쇠화 후반부에 이 현상이 더 도드라진다. 미네랄 절연 오일의 산성도 증가는 전도성의 증가를 야기하며 이로 인해 절연 성능의 저하를 가져온다.
3. Modification of Mineral Insulating Oil
위에서 언급된 분석들이 누설하는 점은 온도, 습도, 그리고 작은 산성 분자들이 미네랄 절연 오일에 전기적 성능에 영향음 미침에 있어서 가장 중요한 역할을 한다는 점이다. 다음은, 이러한 주요 요인들을 기반으로 미네랄 절연 오일의 전기적 성능을 향상하는 방법과 미네랄 절연 오일의 특성을 저하시키는 요인들에 관해 이야기 나눈다.
3.1. Modification with Nanoparticles
1994년도에 Nano-dielectric (나노 절연체)의 개념이 도입되었으며 이는 나노스케일의 절연체의 특성은 나노스케일의 절연체와 기질 물체(substrate material) 사이의 경계면(interface)에 의해 결정된다. 경계면 효과는 나노스케일 절연체에 있어서 매우 중요한 특징이며 나노스케일 절연체의 전기적 특성을 결정한다. 1995년에는 나노액상(nanofluid)의 개념이 도입되었다. Nanoscale 접착제는 액상 매개체(liquid medium)에서 쉽제 안정화되지 않는다, 그리고 표면 면적이 넓으며 열 전도성이 높다.
3.1.1 Effect of Nanoparticles on the Breakdown Voltage of Mineral Insulating Oil
절연 파괴 전압의 감소는 미네랄 절연 오일의 노쇠화 과정에 있어서 가장 두드러지는(prominent) 문제점이다. 이전의 한 연구는 신선한 미네랄 오일과 노쇠한 미네랄 오일을 fullerence (C60)과 함께 수정하였으며 수정된 미네랄 절연 오일 샘플의 절연 파괴 전압이 측정되었다. 이 연구로 밝혀진 점은, 수정된 오일의 절연 손실은 더 낮아졌으며 노쇠화 과정 동안 절연 파괴 전압은 더 높아진 상태로 유지되었다.
미네랄 절연 오일 샘플의 수분 함량 측정이 보여주는 것은 모든 C60-doped 샘플은 C60가 첨가되지 않은 샘플보다 더 낮은 수분 함량을 보였다. CO60의 증가와 함께, 미네랄 절연 오일에 의한 수분 흡수는 감소되었다.
또 다른 연구는 미네랄 절연 오일을 CaCu3Ti4O12(CCTO) 나노분자와 함께 수정하였는데 이는 높은 절연 상수를 가지고 있다. 미네랄 오일을 포함하고 있는 나노 액상(Nano-Fluid) 다른 종류의 CCTO와 함께 준비되었으며 초음파 효과가 사용되었다(ultrasonic effect). 나노 물질-수정된 미네랄 오일 샘플 (also called nanofluid)는 중요한 요소이며 이는 ASTM (American Society for Testing and Materials)과 IEC (International Electrotechnical Commission) standards에 의해 측정되었다. 이 실험 결과가 보여주는 것은 미네랄 절연 오일에서 CCTO 나노분자의 성분과 함께 AC 절연 파괴 전압이 증가한다는 점이다. Table 1에서는 미네랄 절연 오일의 파괴 전압이 수정된 C60와 CCTO 나노분자와 함께 표시되었다.
한 연구는 미네랄 절연 오일을 5~40%의 nano-TiO2와 함께 수정하였으며, 오일의 충동 파과 진업을 수정 전후로 나눠서 IEC standard에 맞춰서 측정하였다. 양(+) 극 펄스 조건에서는, 특정 조건에서 절연 파괴 강도가 우선 최대치까지 증가하게 되고 이후에는 감소하기 시작한다. 음(-) 극 펄스 조건에서는, 다른 nano-TiO2 농도(concentrations)와 샘플의 절연 파괴 전압이 개선되지 않은 미네랄 오일에 비해서 낮았다. 이 현상이 암시하는 점은 나노 분자의 함유량이 매우 높을 때, 이 나노 분자는 미네랄 오일과 합쳐지게 되며(aggregate) 절연 능력의 저하를 야기한다.
미네랄 오일의 절연 파괴 전압은 nano-TiO2 개선 이후에 증가하는 메커니즘에서 nano-TiO2의 분극화는 전기적 응력 나노 액상의 전자 트랜스퍼 과정에서 전기적 트랩(electronic trap)으로써 행동한다. 게다가, 나노 분자들의 높은 특정 표면 영역은 전자 확산 가능성의 증가에 효과를 가져오며 이는 전기적 impact energy를 낮추며 오일의 이온화를 막는다. 오일 확산 특성과 트랩 네트워크는 nano-TiO2의 추가에 의해 바뀌며 효과적으로 대전체(carriers)의 이동성을 낮춘다.
한 연구는 미네랄 절연 오일의 노쇠화 성능에 관한 nano-TiO2의 효과에 대하여 연구하였다. 수정되지 않은 절연 오일과 nano-TiO2로 수정된 미네랄 오일의 가속화된 노쇠화 실험은 6일간 지속되며 이는 샘플의 절연 파괴 전압(dielectric breakdown voltage)과 부분방전 개시 전압(partial discharge inception voltage)을 측정한다. 개선된 미네랄 절연 오일의 부분 방전 개시 전압은 노쇠화 이후 개선되지 않은 미네랄 절연 오일의 1.16배이며 그리고 절연 파괴 전압(breakdown voltage)은 최대 8kV이며 이는 개선되지 않은 절연 오일보다 높은 값이다. 이러한 결과들이 보여주는 것은 절연 파괴 전압과 미네랄 절연 오일의 부분 방전 개시 전압은 Nano-TiO2 물질을 동반한 개선법과 함께 성능이 향상될 수 있다. 위의 연구들은 nano-TiO2가 미네랄 절연 오일에 긍정적인 영향을 줄 수 있음을 알려 주고 있다.
SiO2 분자들은 (nano-SiO2)는 Figure 8에서 보이는 것처럼, 종종 절연 나노 분자로 절연 오일의 개선을 위해 사용된다. 한 연구는 nano-SiO2를 Karamay NO25 미네랄 오일에 첨가한 후 nano-SiO2의 부피 마찰력 20%를 준다. 이 실험의 결과가 보여주는 점은, nano-SiO2로 수정된 절연 오일의 AC 절연 파괴 전압이 개선되지 않은 절연 오일보다 높다는 점이다. 하지만, 절연 파과 전압이 감소할수록 반대로 샘플의 습도는 올라간다.
한 연구는 1%의 nano-SiO2를 미네랄 절연 오일에 첨가하였으며, 이 샘플은 35일간 100℃에서 노쇠화 과정이 진행된다. 그리고, parameter testing은 7일에 한 번씩 확인한다. 이 실험으로 확인된 것은 노쇠화 과정이 진행되는 동안 nano-SiO2의 첨가는 미네랄 절연 오일의 절연 파괴 전압을 상승시켰다. Nano-SiO2와 nano-TiO에 관한 미네랄 절연 오일의 절연 파괴 전압은 Table 2에서 처럼 나타난다.
유사하게, Al2O3는 절연 재료로써 많이 연구되어 왔는데, 한 연구는 사이즈 25~125nm의 Al2O3 분자들을 절연 오일에 첨가하였다. 농도의 효과는 형태학(morphology), 유전율(permittivity), 절연 파괴 특징과 관련된 나노 분자의 사이즈에 관해서 연구되었다.
비전도성 nano-Al2O3는 절연 나노분자의 분극화는 전위 트랩(potential trap)을 외부 전계 조건하에서 생성하며 이는 빠르게 움직이는 전자의 속도를 늦추고 이러한 전자들을 음(-) 극으로 대전된 나노분자들로 변환시킨다. 더욱이, 전자의 더 높은 이동성은 나노 분자의 더 큰 sheilding effect를 가져온다.
Nano-Al2-O3로 수정된 절연 오일의 성능이 다른 전극 물질과 관련해서 측정되었다. 이 측정이 말해주는 점은 nano-Al2O3의 개선된 미네랄 절연 오일의 절연 파괴 전압이 개선되지 않은 미네랄 절연 오일보다 높게 측정되었다는 점이다. 최대 절연 파괴 전압은 nano-Al2O 3가 20mg/L일 때 측정되었다. Nano-Al2O3의 분자 구조는 Figure 9에 나타나 있다.
3.1.2. Effect of Nanoparticles on the Dielectric Properties of Mineral Insulating Oil
절연 파괴 전압에 관해 내용을 추가하자면, 절연 특성들은 매우 중요한 요소들이며 이는 미네랄 절연 오일의 전기적 특성을 반영한다. 개선된 미네랄 절연 오일을 ceramic nanomaterials zirconia (ZrO3)와 TiO2로 개선하였으며 이러한 물질들의 특성은 절연 소멸 요인이 개선되지 않은 미네랄 절연 오일보다 낮았다. Nano-ZrO2로 개선된 미네랄 절연 오일과 비교하자면, nano-TiO2로 개선된 미네랄 절연 오일이 더 높았다 (절연 소멸 요인, dielectric dissipation factors). 이러한 현상은 아마도 nano-TiO2 분자가 nano-ZrO3 분자보다 더 높은 유전율(permittivity)을 가지고 있기 때문일 것이다. Nano-TiO2 용액의 운동학적인(kinematic) 점도 성은 nano-ZrO2보다 높으며 이는 nano-TiO2 filler의 분자 사이즈가 nano-ZrO2의 분자 사이즈보다 크기 때문이며 즉, 용액의 흐름은 더 효과적으로 방해받는다. Nano-ZrO2의 분자 구조는 Figure 11에 묘사되었다.
Nano-TiO2로 개선된 DB-No 25 미네랄 오일은 새로운 저주파 (0.1~1 MHz)의 모습이 nano-TiO2로 개선된 미네랄 절연 오일 내에서 절연 주파수 응답이 서로 다른 온도와 습도 함량에 따라서 나타남을 보여줬다.
Nano-TiO2에 관해 추가적으로 이야기하자면, 미네랄 절연 오일의 절연 특성의 개선점은 nano-SiO2의 추가로 유도되며 이에 관해 연구되었다. 이러한 용액들과 관련해서, 절연 내구력 특성들은 quasi-uniform 전계에서 강화되며 이는 nano-SiO2 농도가 약 0.2g/L일 때 일어난다.
한 연구는 미네랄 절연 오일을 nano-Al2O3로 다른 분자 사이즈에 따라서 개선하였으며 샘플의 전기적인 특성을 측정하였다. 결과가 보여주는 점은, nano-Al2O3 (분자 사이즈 23nm)가 0.25wt% 일 때 절연 특성이 69%까지 증가하였다. 위의 실험이 밝혀낸 점은 더 작은 반경을 가지는 나노 분자들이 개선된 절연 오일의 더 향상된 전기적 특성을 보여준다는 것이다. 추가적으로, 개선된 절연 오일의 전기적 특성은, 나노 분자의 농도의 증가와 함께 향상되는 경향을 갖는다.
3.1.3. Effect of Nanoparticles on the Thermal Stability of Mineral Insulating Oil
장기간 운용되는 트랜스포머 내부의 온도는 매우 높기 때문에 미네랄 절연 오일은 반드시 높은 열적 안정화 특성을 갖고 있어야 한다. 미네랄 오일이 boron nitride nanoparticle (nano-BN)의 추가를 통해 열적 안정화가 개선되었으며 이는 Figure 12에 나타나 있다. Nano-BN으로 개선된 미네랄 절연 오일의 열적 안정화는 개선되지 않은 미네랄 절연 오일보다 높다. Nano-BN의 함유량이 0.1wt% 일 때, 개선된 오일의 열적 전도성이 온도의 증가와 함께 지속적으로 증가하며 온도가 27℃일 경우, 70% 이상의 증가를 보여준다.
미네랄 절연 오일의 개선이 nanodiamond(ND)를 통해 이뤄지며 이와 관련된 측정법이 누설하는 점은 ND로 개선된 미네랄 절연 오일의 열적 전도성은 질량 분율(mass fraction)이 0.13%에서 14.5% 증가하였으며 이는 개선되지 않은 미네랄 절연 오일보다 높다. ND로 최대 1%까지 채워진 기본 용액 점도성 내의 변화는 매우 작다. 뚜렷한 점은 열적 전도성의 더 큰 강화는 ND 공유 결합(covalent) 표면 개선의 디자인을 통해 이뤄질 수 있으며 이는 ND/base 용액 용매화(solvation)를 최적화한다.
한 연구는 분산된(dispersed) aluminum nitride nanoparticles(nano-AlN)을 포함한 미네랄 오일 based nanofluids의 열적 특성에 관해 연구하였다. 이러한 결과가 나타내는 점은 미네랄 절연 오일의 열적 트랜스퍼 계수(thermal transfer coefficient)는 향상될 수 있으며 트랜스포머의 내부 열은 나노분자를 추가함으로써 쉽게 열을 확산시킬 수 있다. Nano-TiO2가 0.01wt% 일 때, 운동학적 점성도(the kinematic viscosity)는 최저 상태이며 그 값은 24℃에서 15.80m^2/s이다. Nano-AlN은 0.01wt %이며 이는 최저 운동학적 점성도 (24℃에서 15.80m^2/s)를 준다. 40℃에서는 동일인 nano-TiO2와 nano-AlN으로 개선된 샘플은 가장 낮은 운동학적 점성도인 7.21 그리고 7.32m^2/s의 값을 각각 보여줬다. 보통, 미네랄 절연 오일의 점성도는 nano-TiO2로 개선된 오일이 nano-AlN으로 개선된 오일보다 낮으며 nano-TiO2는 또한 nano-AlN보다 향상된 열적 안정성을 가진다.
Nano-TiO2가 미네랄 절연 오일로 첨가될 때, 불순물의 지름인 감소 하며 낮은 전계 조건에서 샘플의 유동성(fluidity)은 매우 크게 향상되었다. 대전된 나누 분자들은 주요 트랜스미션 요인이 되며 증가된 전계와 함께 천천히 떠다닌다. 그 이유는 미네랄 절연 분자들이 높은 점성 저항력을 제공하기 때문이다.
위에서 설명된 내용들은 나노 단위의 재료들로 개선된 미네랄 절연 오일은 전력 주파수 절연파괴, 부분 방전 전압, 그리고 양(+) 극 충동 절연 파괴 전압에 관한 3가지 전기적 특성에서 강화된 모습을 보여주었다. 음(-) 극 극성 충동 절연 파괴 전압은 나노분자들의 표면 개선에 의해 영향을 받으며 원본 오일 샘플은 그리고 테스트 방식에도 영향을 받는다. 위의 분석이 나타내는 점은 나노 분자의 첨가는 미네랄 절연 오일의 저항성(resistivity)을 낮추며 절연 손실 각도는 증가시킨다. 나노 용액과 미네랄 절연 오일의 전형적인 절연 특성은 Table 4에 나타나 있다.
3.2. Modification of Non-Nanoparticles
Petroleum 자원의 제한성과 심각하게 증가된 환경적 문제들은 미네랄 절연 오일의 대체 방안의 대한 연구를 자극했다. Natural esters는 아주 매력적인 미네랄 오일의 대체 방 안으로 여겨진다. 그리고, natural ester 오일과 미네랄 절연 오일의 혼합은 또한 흥미로운 연구 분야이며 많은 연구들이 활발하게 진행 중이다. 2002년 한 연구는 natural ester 오일과 미네랄 절연 오일의 전기적 그리고 물리 화학적(physicochemical) 특성을 서로 다른 비율에 맞춰서 진행하였다. 여기서 밝혀진 점은 natural ester content의 함유량이 20% 이하일 때 모든 전기적 물리 화학적(physicochemical) 특성들이 기존의 트랜스포머 미네랄 절연 오일보다 우수하다는 점이다. Ester 오일의 함유량이 50%를 초과할 경우, 밀도(densitiy)와 점도성(viscosity)은 표준 제한 초과하게 된다. 미네랄 절연 오일의 질량 결정 과정에 있어서 밀도는 보통 중요하지 않지만 낮은 온도에서는 매우 중요해진다. 추가적으로, 미네랄 오일에 첨가된 natural ester 오일은 부분적 열적 응력(local thermal stress)에서 가스 발생 gasification) 현상을 억제한다(suppress).
2009년도 한 연구에 의하면 natural ester 오일은 매우 높은 수분 포화도를 가지며 이 natural ester 오일이 미네랄 오일로 첨가될 때, 이 혼합 오일의 산화 반응을 억제하는데 도움을 준다. 그러나, natural ester 오일의 점성도는 매우 높다. 그래서, natural ester 오일의 초과된 함유량은 혼합 오일의 점성도를 증가시키는 결과를 가져온다. 또한, natural ester의 가수분해 현상은 미네랄 오일의 산성도를 높이며 혼합 오일의 절연 파괴 전압을 낮추는 결과를 가져온다. 미네랄 절연 오일의 산화 안정성은 natural ester오일을 미네랄 오일에 적절한 양을 배합함으로써 효과적으로 절연 특성을 향상할 수 있다.
또 다른 실험 결과는 혼합 오일의 생물학적 분해도(biodegradability)가 미네랄 절연 오일보다 높기 때문에 더욱 친환경적(enviromentally benign)이라는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 야자수 오일(palm oil)을 미네랄 오일에 첨가하고 이 야자수 오일의 함유량에 따른 혼합 오일의 절연 파괴 특성을 조사한다면 야자수 오일이 20% 이하일 때 혼합 오일의 절연 파괴 강도는 감소하며 20%으로 이상일 때는 절연 파괴 강도는 증가함을 보였다. 야자수 오일의 비율이 80% 이상을 경우, 최대 전계 전압 강도는 87kV로 측정되었다. 더욱 히, 40℃에서 혼합 오일의 운동학적 점성도(kinematic viscosity)는 오일의 함유량의 증가화 함께 같이 증가하였다.
Natural ester 오일은 수분과 관련해서 높은 친화력(affinity)을 가지고 있다. 그리고, 더 많은 수분이 섬유소 페이퍼에서 natural ester오일로 이동이 가능해진다. 동시에, natural ester 오일은 용액 내에서 가수분해(hydrolysis)를 통해 수분을 소비하고 그리고 수분이 섬유소 페이퍼와 ester 오일 사이에서 steady dynamic 평형상태에 도달할 수 있게 한다. 그러나, 유리 지방 산(free fatty acids)이 가수분해 시 ester 교환 반응의 2차적인 반응물(reactants)로 생성되며 이는 섬유소 구조의 변화를 야기할 뿐만 아니라 섬유소 페이퍼의 전기적 성능 또한 저하시킨다. 2010년도 연구에 의하면 natural ester 오일이 섞여있는 혼합 오일-페이퍼 절연체에서 항 노쇠화 능력은 미네랄 오일-페이퍼 절연체의 능력보다 우수함을 밝혀냈다. 이러한 결과에 대한 이유 중 하나는 혼합 오일-페이퍼 절연 시스템에서의 natural ester는 안정적인 수소(hydrogen) 결합을 습도와 산성 분자들과 함께 야기하고 또한 수분과 산성의 시너지(synergistic) 효과로 인한 위험성을 절연 페이퍼 시스템에 부과한다. 게다가, 혼합 오일-페이퍼 절연의 열적 균열 비율은 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템보다 낮음을 나타났다.
2011년도 연구에 따르면, 오일-페이퍼 절연의 노쇠화에 있어서 혼합 오일의 이러한 상당히 억제하는(inhibitory) 효과의 주요 이유는 노쇠한 절연 페이퍼가 새로운 ester groups을 생성하기 때문이다. 이러한 ester 그룹은 절연 페이퍼의 열적 노쇠화(thermal ageing)를 억제한다(inhibit). 알데히드(aldehyde) 그룹의 함유량은 혼합 오일-페이퍼 절연 노쇠화 과정에서 생성되며 이는 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템에서 생성되는 알데히드(aldehyde) 그룹 함유량보다 낮은 수치를 기록한다. 이를 통해 알 수 있는 점은 자기 자신의 산화와 절연 페이퍼의 성능 저하 비율을 억제(restrain)할 수 있다는 점이며 또한 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템의 열적 안정화(thermal stability) 능력을 향상할 수 있다는 점이다. Natural ester 오일과 함께하는 혼합 오일의 열적 노쇠화 (thermal aging)는 혼합 오일에서의 수분과 산성(acid)의 함유량이 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템보다 높았으며 혼합 오일-페이퍼 절연 시스템에서의 절연 파괴 전압이 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템에서의 절연 파괴 전압보다 높았다.
요약하자면, natural ester 오일은 높은 발화점, 우수한 전기적 절연 성능, 높은 생물학적 분해능력, 그리고 풍부한 생산성이라는 높은 이점으로 인해 절연 물질로 많은 각광을 받고 있다. 그러나, 대부분의 natrual ester 오일의 운동학적(kinematic) 점도성(viscosity)은 높은 편이며 이는 절연유로써 트랜스포머의 열 방출에 있어서 좋지 않은 영향을 끼친다. 게다가, 노쇠화 이후 naturla ester 오일의 산성도는 기존의 미네랄 오일-페이퍼 시스템에 비하여 높으며 이는 절연 시스템에 영향을 끼친다. Natural ester 오일이 미네랄 오일에 첨가되었을 때, 노쇠화된 절연 페이퍼는 화학적 반응을 겪게 되고 이로 인해서 ester group을 형성하게 되고 오일-페이퍼 절연 시스템의 노쇠화를 억제하게 되고 미네랄 오일-절연 페이퍼의 서비스 수명을 연장시킨다. 그러므로, 미네랄 오일과 natural ester 오일의 적절한 배합을 이룬 혼합 오일은 두 물질의 상호 보완(complementary)적인 이점을 가져다줄 수 있다.
4. Application of Computer Simulation Technology
분자 구조 시뮬레이션 기술은 기초적인 측정 방법과 양적인 분석을 통해 전기 절연 시스템의 미세한 물리적 그리고 화학적 연구를 가능하게 해 주며 이를 통해, 절연 시스템의 성능 저하는 장비의 파괴 메커니즘의 향상을 기대할 수 있게 한다. 고-전압 방식 발전 방식과 절연 기술에 따르면, 다중물리 시스템(multiphysics)을 가진 컴퓨터의 수학적 시뮬레이션, 전자기적 변환 분석의 결합을 통해서 효과적으로 High-voltage 분야의 이론적 서포트가 가능하다.
4.1. Molecular Simulation of Water and Acid in Oil-Paper Insulation System
2007년도 연구는 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템에서 수분의 효과와 산성의 효과를 Condensed-Phase Optimised Molecular Potential For Atomistic Simulation Studies (COMPASS) force field를 통해 실행하였다. 2009년도 연구는 열적 노쇠화(thermal ageing)에 있어서 트랜스포머 오일의 항 노쇠화 성능과 절연 페이퍼의 효과에 관해서 이를 나타내었다. 혼합 오일에서 polymer acid와 섬유소 사이의 Ester 교환 반응과 ester의 케톤(ketonic) 산소 원자와 수분 분자 사이에서 생성되는 수소 결합 항 노쇠화 능력을 제공한다. 혼합 오일에서의 절연 페이퍼 성능 저하 속도는 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템에 비해서 현저하게 느렸으며 생물학적 분해도는 미네랄-절연 오일에 비해 훨씬 높아 친환경적임을 나타내었다. 항노쇠화 오일과 수분 분자를 친환경적 결합력은 미네랄 오일에 비해 훨씬 강하며 혼합 오일에서의 노쇠화는 미네랄 오일보다 훨씬 느리다. 또한, 혼합 오일과 오일을 머금은 페이퍼의 중합도(polymerization degree)는 현저하게 미네랄 오일과 오일을 머금은 절연 페이퍼에 비해서 높았다.
2010년도 연구 페이퍼는 미네랄 오일-섬유소 절연 페이퍼와 혼합 오일-섬유소 절연 페이퍼의 열적 노쇠화에서 수분과 산성의 효과에 관해서 조사하였다. 그 결과는 혼합 오일-페이퍼의 항 노쇠화 능력이 미네랄 오일-절연 페이퍼보다 우수하다는 점이며 그리고 혼합 오일-페이퍼 절연 시스템에서의 natural ester 오일은 습도와 산(acid)을 포함하며 안정적인 수소 결합의 형성을 야기한다. 그리고 이러한 결합은 습도와 산의 시너지 효과로 인한 절연 페이퍼에서 일어나는 위험한 효과를 예방하는 이점이 있다. 혼합 오일-페이퍼 절연 시스템에서, 절연 페이퍼 섬유소에서 수산기(hydroxyl)와 지방산(fatty acids)의 에스테르화(esterification) 절연 페이퍼의 노쇠화를 억제한다(inhibited). 섬유소의 서로 다른 표면에서의 오일의 분자 입체 배열은 미네랄 절연 오일-페이퍼 절연 재료 사이에서의 상호 교환 분석을 통해 이루어졌다. 오일 분재의 입체 배열(conformation)과 무정형(amorphous) 영역 경계에서의 섬유소 분자는 Figure 13에 표시되었다.
페이퍼에서의 수분의 확산은 방해되며 이는 섬유소 크리스털 표면에서의 미네랄 절연 오일 밀도 때문이다. 즉, 이러한 현상은 페이퍼에서의 수분 확산을 가속화시킨다. 그러고 나서, 미네랄 오일-페이퍼 절연의 열적 특성에 관한 초기 수분 함량의 효과와 관련된 연구가 진행되었다. 그 결과가 보여주는 점은 furfural의 확산 능력과 적은 양의 산성 분자들이 수분의 증가와 반대로 현저하게 감소됨을 보여주었다. 그리고 그 이유는, 수분, furfural, 그리고 적은 양의 산성 분자들은 안정적인 수소 결합을 생성하며 동시에 상호 작용 에너지는 이러한 종류들의 극성으로 인해 바뀌게 된다.
4.2. Molecular Simulation of Thermal Cracking
미네랄 절연 오일의 열분해(pyrolysis)는 성능 저하의 주요 형태 중 하나이며 이는 트랜스포 머내에서 내부 절연 시스템에 결함(defects)이 생길 때 일어난다. 분자 시뮬레이션은 미세한 메커니즘을 연 구하기 위해 중요한 도구 중 하나이며 미네랄 오일-페이퍼의 열분해 (pyrolysis)는 최근에 분자 시뮬레이션 툴을 이용하여 연구되었다. 이러한 연구들은 오일-페이퍼 절연 시스템에서의 균열 과정에 관해서 더 나은 이해를 제공하는 트랜스포머의 과열 현상으로 인한 결함 이후 트랜스포머의 수명에 관해서 지속적인 연구를 가능하게 해 준다.
트리 글 라세이 드(triglycerides)의 열분해(pyrolysis)와 연관된 생성의 메커니즘을 연구하기 위해서, 트리 팔미틴(tripalmitin) 모델에 500 ps MD 시뮬레이션이 reactive force field (ReaxFF) (at 1500 and 2000 K)를 이용하여 실행되었다. 2016년 연구는 ReaxFF를 기반으로 한 분자 시뮬레이션 방식은 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템이 가지는 열분해(pyrolysis) 과정의 미세한 메커니즘을 연구하기 위함이며 그리고 실험과 이론적 내용의 상호 연관성을 통하여 절연 페이퍼의 초기 분열 메커니즘과 주요 제품의 형성 메커니즘을 분류하기 위함이다. 그동안, 절연 페이퍼의 열적 균열 현상의 미세 역학 메커니즘이 원자 레벨에서 연구되었다. 2016년 연구 페이퍼는 분자 시뮬레이션을 통한 트랜스포머 오일의 열적 균열 반응 메커니즘을 연구하였고 서로 다른 온도에서의 미네랄 절연 오일 분자의 시뮬레이션 모델을 만들었다. 그리고, 트랜스포머의 열분해 과정 동안 오일에서의 가스 분자 생성 규칙에 관해 연구하였다. 트랜스포머 오일에서 3가지 전형적인 요소들의 (alkanes, cycloalkanes, aromatic hydrocarbons) 미세한 균열 메커니즘이 ReaxFF을 통해 이뤄졌으며 이는 온도와 열분해 과정 사이의 관계를 확인하기 위함이다. 제안된 미네랄 절연 오일의 원자 레벨에서의 열적 분해의 운동학적(kinetic) 메커니즘 실험으로부터 얻어진 열분해 결과와 일치하였다(consistent).
2017년도 연구는 ReaxFF를 사용하여 원자 레벨에서의 역학 반응 메커니즘을 연구하였으며 이는 높은 온도에서 미네랄 절연 오일 열분해 과정에서의 reactive MD와 산(acid)이 주는 영향을 시뮬레이션하기 위함이다. 이 실험으로 발견된 점은 온도가 올라갈수록, 페이퍼에서 고려되는 3가지 반응물들의 균열 속도는 현저하게 증가하며 그리로 열분해로 인한 생성물들은 주로 작은 분자와 라디칼(radicals)이다. 반응 경로가 누설하는 점은 산(acid) 성 조건에서는 수소(H) 원자는 조로 포름산(formic) 내의 수산기(hydroxyl) 수소(H)와 탄화수소(hydrocarbon)에서의 수소(H) 사이의 반응을 통해 생성된며 이는 포름산에 의한 미네랄 오일의 열분해 과정의 가속화의 이유가 된다.
4.3. Molecular Simulation of Small Molecular Diffusion
미네랄 절연 오일(습도와 가스 분자 포함)에서 용해성 물질의 확산 행동과 그 효과에 관한 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템의 연구가 진행되었다. 특히, 오일-페이퍼 절연 시스템에서 작은 분자들의 확산 행동이 고려되는데, 자유 부피 이론(free volume theory)이 미네랄 절연 오일에서의 가스에 관한 확산과 mass transfer 현상의 설명을 위해 제안된다. 이러한 내용은 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템의 노쇠화로 생성되는 가스의 확산을 기초로 한다. 자유 부피 이론은 미네랄 절연 오일에서 작은 가스 분자의 확산 행동을 이해하기 위해 매우 중요하게 여겨진다. 다른 연구들에 의하면, 절연 페이퍼 그리고 오일 페이퍼의 미세한 모델이 분자 시뮬레이션 방식에 의해서 개발되었다. 서로 다른 온도와 관련해서 이 모델이 가지는 습도의 움직임 궤적(trajectory)과 확산(diffusion) 계수(coefficient)는 MD를 통해 계산되었다. 수분 분자의 확산 계수, 자유 부피 모델, 그리고 움직임 궤적 사이의 관계들이 조사되었다. 수분 분자의 확산 계수는 실험적으로 얻어졌으며 이는 계산 값과의 비교를 통해 확인된다. 분사 시뮬레이션으로 얻어진 결과는 실험적 결과의 84~222%의 값을 가진다. 가스 분자 확산의 미세한 메커니즘은 확산 계수, 이동 특성(displacement characteristic), 자유 부피, 그리고 상호작용을 통해 분석되었다. 서로 다른 가스 분자의 확산 특성에서의 차이점이 논의되었으며 이러한 요인들은 가스 분자 확산에 영향을 주게 된다. 즉, 이에 관한 결과들이 Table 5와 Table 6에 요약되었다. (D is the diffusion coefficient, a is the slope of the curve, R 2 is the goodness of fit). 연구들이 보여주는 점은 섬유소에서 가스 분자의 확산 계수는 오일에서의 계수보다 낮으며 또한 두 개의 절연 매개체는 가스 분자의 확산 계수는 순서에 따라 다르다. 자유 부피는 오일에서 가스 확산 영향에 영향을 주는 주요 요인이며 반대로 내부 분자 상호작용은 섬유소 확산 행동의 영향을 주는 주요 요소이다.
4.4. Molecular Simulation of Nanoparticle Modification
최근 연구들에 의하면 트랜스포머에서의 오일-페이퍼 절연에 사용되는 나노 재료(nanomaterial)가 각광을 받고 있다고 전하고 있다. 많은 연구들이 이미 미네랄 오일-페이퍼 절연 시스템의 향상을 위해 나노 분자 개선을 수행하였으며 이는 이러한 물질들의 열적, 기계적, 그리고 절연적 성능을 포함하고 성공적인 연구들이 이미 많이 제안되었다.
2010년도 연구는 정전기(electrostatic) 전계 시뮬레이션을 수행하였으며 이는 barium strontium titanate 나노 분자의 suspensions이 합성 절연 오일 내에서 전계에 미치는 영향을 연구하기 위함이다. 시뮬레이션을 통해 확인된 점은 절연 오일의 전계는 높은 절연 상수 나노 분자를 첨가함으로써 급격하게 분극화(polarization)를 통해 변한다는 것이다. 나노 분자들은 캐소드 표면에서 큰 전자 추출 전계(large electron extraction field)의 생성이 가능하며 그리고 간극(gap)을 가로지르는 더 높은 전계의 경로를 형성할 수 있다. 이러한 현상은 streamer 파형 진행 흐트러짐(jitter)을 최소화하는데 도움을 준다.
한 연구는 미네랄 절연 오일에서 MD 시뮬레이션을 통한 나노 분자의 확산(dispersion) 안정화에 관해 연구를 진행하였다. 이 연구 결과는 지름 18nm의 nano-Al2O3이 미네랄 절연 오일에서 안정적인 확산을 형성하는 것을 보여줬다. 2015년도 연구는 미네랄 오일-페이퍼 합성 절연 시스템의 특성에 나노 물질이 미치는 영향에 관한 내용 실험과 시뮬레이션을 통해 행해졌다. 이 내용은 또한 미네랄 오일-페이퍼 합성 절연 시스템의 충동 절연 파괴 전압을 나노분자 유무에 따라 진행하였다. 이 그룹들은 모델을 발전시켰으며 이는 오일-페이퍼 시스템에서 액체 주입을 설명하고 표면, 그리고 절연 페이퍼 표면을 따르는 표면 전하 분포를 따르는 액체 주입 경로에서의 전계를 계산한다. 이를 통해 확인된 점은 개선된 절연 페이퍼의 전압을 견디는 특성은 개선되지 않은 절연 페이퍼에 비해 10% 정도 증가하였다. 표면 전하 밀도는 나노 분자 수정에 따라서 0.020에서 0.016C/m^2로 감소하였다. 그리고, 나노 분자들은 미네랄 절연 오일에서의 액상 주입의 발전을 제한하며 그리고 뿐만 아니라 절연 페이퍼의 절연 특성을 향상한다. 2015년도 연구는 시스템의 유동학(rheological)적 특성과 확산 계수에 관해 조사하였다. 그리고, 나노 클러스터(nanocluster)의 확산과 안정화에 관해서도 조사하였다. CuO-alkane 시스템의 계산된 점성도(viscosity)는 1.613 mPa이며 온도는 303K이다.
한 연구는 나노물질로 개선된 미네랄 절연 오일의 열전달 특성에 관해서 연구하였다. 이를 수행하기 위해 이 연구는 tnano-SiO2로 개선된 트랜스포머 오일을 다른 nano-SiO2 농도에 따라 준비하였고 열적 전도성 값과 비교하였다. 이 결과가 보여주는 것은 개선된 미네랄 오일의 열적 전도성은 점진적으로 nano-SiO2의 농도 증가와 함께 같이 증가하였다.
미네랄 절연 오일 액상 시스템에서의 나노 클러스터(nano-SiO2, nano-Al2O3, and nano-ZnO)의 서로 다른 종류에 관한 컴퓨터 모델은 원자 분자 레벨에 따라 구성되며 시스템 점송도에서의 온도가 주는 영향을 조사하기 위해 구성된다. 연구 결과가 보여주는 점은 순수 미네랄 절연 오일의 점성도와 나노 액상의 점성도는 온도의 증가와 반대로 감소하며 그리고 온도에 관한 점성도 관계는 나노 분자의 첨가 이후에도 변하지 않는다. 나노액상의 점성도는 순수 오일보다 높고 그리고 nano-SiO2는 가장 적합한 접착제로써 점성도 증가를 최소화한다. 순수 미네랄 절연 오일과 나노 물질로 개선된 미네랄 절연 오일의 점성도는 온도가 증가하면 반대로 감소한다. Nano-ZnO의 분자 구조가 Figure 14에 나타내어졌다.
더욱이, 다양한 시스템에서 수분/오일 경계면에서의 구조적 그리고 역학적 특성들이 에너지가 흩어지는(dissipative) 분자 역학 시뮬레이션에 의해서 조사되었다. 연구 페이퍼에서 사용된 모든 나노 분자들은 예측대로 액상 상태에서 고체 상태와 관련된 변천과정에서 표면 밀도의 증가가 목격되었다. 그러나, 수분/오일 경계에서는 서로 다른 나노분자들은 서로 다른 접촉 각도를 가지고 있으며 이는 시스템에서의 나노 분자 혼합물이 훨씬 더 복잡한 구조를 가지고 있게 만든다.
한 연구는 MD 시뮬레이션을 수행하였으며 이를 통해 anionic, nonionic, zwitterion(쌍성 이온)의 미세적 행동을 오일/수분 경계면에서 조사하였다. 이 실험의 결과는 이 4가지 종류의 계면활성제(surfactants)는 안정적인 monolayer를 오일/수분 경계면에서 형성할 수 있다. 다른 연구가 지적한 점은 nanofluids는 우수한 열적 성능을 가지고 있기 때문에 높은 열 전도성으로의 소유는 절연 시스템에서 훌륭한 냉각제 역할을 할 수 있을 거라고 예상한다. 평형 상태 MD 시뮬레이션과 자동 수정 기능을 통해, BN suspension의 열적 전도성을 조사하였다.
nonionic 나노분자/계면활성제(surfactant) 시스템에서 여러 번의 MD 시뮬레이션이 실행되었다. 실험 결과의 분석은 나노분자의 흩어지는(dispersive) 상호작용과 계면활성제가 물리적 특성이 오일/수분 경계면에서 연관되어 있다.
수분 확산에서 nano-SiO2의 효과와 그 메커니즘은 naphthenic based 미네랄 절연 오일과 관련해서 MD 측정을 통해 연구되었다. 미네랄 절연 오일이 nano-SiO2로 개선된 샘플 모델과 다른 수분 함량도에 관한 모델을 만들었다. Figure 15b는 개선되지 않은 모델이며 MD 시뮬레이션을 통해 완전한 완화 이후에 미세한 요인들을 계산하였다. Figure 15c, d는 개선된 모델과 개선되지 않은 모델의 Connolly 표면에 관한 통계적 결과를 보여준다. 이전의 발견들은 트랜스포머의 평소의 작동 조건에서 nano-SiO2는 미네랄 절연 오일에서 수분 분자의 확신이 느려지게 만들며 이는 미네랄 오일에서 수분 분자의 흡수를 통해 이루어진다. 그러므로, 이는 수분 분자가 작은 브릿지를 만들 가능성을 줄인다. 이 실험 결과가 밝혀낸 부분은 왜 미네랄 절연 오일의 절연 파괴 전압이 nano-SiO2의 첨가로 증가하게 되는지를 알려준다.
위의 예들은 분자 시뮬레이션 기술이 트랜스포머에 사용되는 미네랄 절연 오일에 있어서 매우 중요한 역할을 함을 보여준다. 한편으로는, 분자 시뮬레이션 기술은 거시적 현상(나노 분자가 미네랄 절연 오일 점성도에 미치는 영향, 미네랄 절연 오일에서 수분 확산의 온도 의존 정도)의 출현에 관해서 설명할 수 있다. 반면에, 분자 시뮬레이션 기술은 강력한 가이드를 제공하며 이는 미네랄 절연 오일과 관련된 성능 연구에 대해서 추가적인 방안을 제시할 수 있다. 이와 관련된 추가적인 연구들로는 나노 분자의 첨가량, 그리고 혼합 비율 등이 이에 해당된다.
5. Conclusions and Prospects
기존의 미네랄 오일과 관련해서 연구 방법들이 이미 많이 진행되었으며, 미네랄 절연 오일의 부분 노쇠화 그리고 균열 메커니즘에 관해 둘러봤으며 몇몇 요소들이 절연 성능에 어떻게 영향을 끼치는지에 관해서도 알아봤다. 이러한 내용을 기반으로, 미네랄 절연 오일의 성능 향상에 관한 방법들이 제시되었음에도 아직도 많은 영역들이 계속해서 연구되어야 한다. 이와 관련된 내용들을 다음을 통해 정리해뒀다.
(1) 파워 그리드의 작동 전압의 증가와 함께, 절연 능력, 기계적 강도, 열 저항 특성에 관한 트랜스포머의 능력이 점점 강화되어야 한다. 그러므로 기존의 미네랄 오일을 더 나은 방법으로 활용하는 것은 매우 중요하게 여겨진다.
(2) 미네랄 절연 오일은 재생이 불가능하기 때문에, 이로 인한 자원 고갈 문제가 계속해서 대두되고 있다. 동시에, 환경 문제에 관한 관심의 증가로 인해 미네랄 오일의 사용의 제한은 점점 강화되는 추세이다. 참고로 미네랄 오일의 생물학적 분해능력은 매우 낮으며 환경오염 가능성도 매우 높다. 이에 따라, 최근 연구들이 보여주는 점은 식물성 오일은 매우 친환경적이며 생물학적 분해능력 또한 매우 높다. Sunflower 오일, 올리브 오일, rapeseed 오일 같은 식물성 오일들은 미네랄 오일에 비해 매우 높은 발화점과 절연 유전율을 가지고 있으므로 대체 연료로써 각광받고 있다. 하지만, 대부분의 식물성 오일들은 높은 점도성, 유동점을 가지며 심지어 노쇠화 과정 이후에 산성도(acid)도 높은 편이다. 따라서, 전기적 그리고 기계적 장비들이 장기간 운용에 사용되면 식물성 오일이 가지는 단점, 특히 고온 고압으로부터 오는 부산물들에 의해 큰 영향을 받는다.
(3) 나노 물질로 개선된 미네랄 절연 오일 방전 과정의 미세한 메커니즘은 연구 가치가 높다. 예를 들면, 미네랄 오일을 머금은 페이퍼 보드 표면을 따라 서서히 진행되는 creeping은 미네랄 절연 오일-페이퍼 경계면이 가지는 거시적 구조에서의 나노 분자들의 효과에 관해서 연구되어야 하며 그리고 나노 분자들이 미네랄 절연 오일-페이퍼 경계면에서 streamer development에 끼치는 영향에 관해서도 탐구되어야 한다.
(4) 나노 물질로 개선된 절연 오일의 거시적 적응성 또한 추가적인 연구가 필요하다. 서로 다른 나노 물질의 첨가는 미네랄 절연 오일의 열적 전도성 향상에 영향을 미치며 전반적인 열전달 효과에도 영향을 끼친다. 트랜스포머의 장기간 운용에 있어서 미네랄 오일은 절연 매개체로 사용되기 때문에, 전기적, 항-노쇠화, 습도, 그리고 안정성(degree of nanoparticle agglomeration)에 관한 특성들 모두 중요한 요소들이며 이는 성능과 응용에 있어서 영향을 미친다.
(5) 나노 물질로 개선된 미네랄 절연 오일의 메커니즘과 절연 페이퍼의 관한 추가 연구도 필요하다. 트랜스포머의 내부 절연은 주로 절연 페이퍼와 미네랄 절연 오일로 구성된 하이브리드(hybrid) 시스템이다. 그러나, 오일-페이퍼 하이브리드 절연 시스템에 관한 깊은 연구가 아직까지는 진행되지 않은 상황이다. 게다다, 소수의 연구들만이 나노 물질로 개선된 오일-페이퍼 시스템의 전기적 특성에 관해서 보고 하였으며 이는 장기간의 전기적/열적 노쇠화와 높은 습도 함량에 관한 조건에서 진행되었다. 오일-페이퍼 시스템의 절연 상수는 나노 분자의 첨가로 인해 변하며 이는 트랜스포머의 전계 분포에 있어서 아주 큰 영향을 끼친다. 그러나, 이러한 효과의 메커니즘은 현재 뚜렷하지 않기 때문에 이와 관련된 오일-페이퍼 하이브리드 시스템에서의 나노 분자 영향에 관연 추가 연구가 필요하다.
(6) 종합적인(Multidisciplinary) 통합 연구는 현제 미네랄 오일에서의 기본 이론을 발전시키기 위한 최신 경향으로 고려되는 중이다. 거시경제적 관점에서는 미네랄 오일의 관한 연구는 기존 물리학, 기계학, 광학, 전자기학 등을 포함하며 미시경제적 관점은 분자 화학, 표면 과학, 양자 역학 등의 이론들을 포함한다. 거시 관점 특성과 미시 관점 특성은 미네랄 절연 오일을 조사함에 있어서 통합해서 이루어져야 더 나은 이해를 달성할 수 있다.
(7) 분자 시뮬레이션 기술은 아직도 노쇠화, 균열 그리고 거시 스케일의 미네랄 절연 오일 특성을 연구함에 있어서 중요한 역할을 한다. 미네랄 절연 오일의 특성은 트랜스포머의 복잡한 내부 환경에 큰 영향을 받는다. 현제의 분자 시뮬레이션은 트랜스포머가 특성 상태를 같은 것을 요구하며 이 상태에 해당하는 트랜스포머의 작동 환경은 완벽하게 시뮬레이션되기 힘들다. 그러므로, 분자 시뮬레이션 기술은 미네랄 절연 오일이 여러 요소의 시뮬레이션과 결합된 상황에서 더 유사한 시뮬레이션의 환경 제공을 위해 추가적인 연구가 필요하다.
출처:
[1] X. Wang, C. Tang, B. Huang, and J. Hao, Review of Research Progress on the Electrical Properties and Modification of Mineral Insulating Oils Used in Power Transformers. 2018.