Power Transformer Insulation (파워 트랜스포머 절연)

이번엔 파워 트랜스포머의 절연이란 무엇인지 알아보고 트랜스포머의 어떠한 기술들이 적용되어있는지 예를 들어 알아보려 한다.

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A) Transformer Insulation (트랜스포머 절연)

파워 트랜스포머와 관련된 절연 시스템은 액상 또는 가스 같은 유동체로 고형의 물체와 함께 구성된다. 페트롤륨 기반의 오일이 파워 트랜스포머의 절연체로 1880년대부터 1970년대까지 사용되었고 당시에 사용되던 미네랄 오일의 가연성의 문제를 해결하기 위해 도입되었다. 그리고 현재는 오일뿐만 아니라 발화점이 높은 유동체 (e.g. 실리콘, 발화점이 높은 탄화수소, chlorinated benzens, chlorofluorocarbons)들이 사용된다.

가스를 기반으로 하는 절연 시스템은 질소, 공기, 플루오르 성의 기체(fluorogases)들을 포함한다. 플루오르 성의 기체가 사용되는 이유 중 첫 번째는 가연성을 피하기 위함이고 두 번째로는 내부 오류로부터 발생하는 이차적인 문제를 제한하기 위함이다. 어떤 트랜스포머들은 끓는점이 낮은 액체들을 사용하기도 한다 (e.g. 액상화된 프레온). 프레온 액상은 가열된 열을 2 phase 쿨링 시스템으로 전달되는 과정에서 냉매로 쓰인다.

코어 파트와 코일 부분에 있어서, 절연(insulation)은 크게 major insulation 과 minor insulation으로 구분된다. Major insulation과 minor insulation에 해당하는 부분들은 다음과 같다.

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Major insulation:

- high voltage winding

- low voltage winding

- core winding

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Minor insulation:

- Coil의 일부분

- 설치 구조의 따른 winding 부분

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마지막으로 권회간 절연(turn insulation)은 도체의 각 가닥을 절연하거나 그룹 지어진 통째를 절연하는 방법에 해당한다.

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B) Oil-insulated Transformer (절연유 트랜스포머)

적은 비용, 높은 절연 내력, 우수한 열전달 특성, 절연 고 응력(dielectric overstress)부터의 회복력 같은 장점들은 미네랄 오일이 절연물질로 널리 사용될 수 있게 해준다. 또 전열에는 고형의 절연물질과 함께 사용되어 절연유가 가지고 있는 단점들이 보완될 수 있다.

Major Insulation에 포함되는 것은 얇은 나무로 이루어진 pressboard (wood-based paperboard)의 격막이며 이 격막은 오일의 공간의 따라 변한다.

Oil Transformer Press Board

(Image: https://www.indiamart.com/proddetail/oil-transformer-press-board-19077217373.html)

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오일의 유전율은 2.2이며 고체 형태의 유전율은 보통 4.0 정도에 해당하기 때문에 오일에서의 유전 응력(dielectric stress)는 pressboard의 유전 응력보다 더 높고 디자인 구조는 보통 호일 안의 응력에 의해 제한된다.

트랜스포머에 감겨있는 전도체의 절연은 에나멜이나 특수종이 (나무 또는 나일론 베이스)가 될 수 있다. 전도체에 직접적으로 사용하는 절연은 호일 안에 있는 잠재적으로 유해한 streamer를 억제하며 구조의 강도를 증가시킬 수 있다. 다시 말하자면, 유전 응력(dielectric strength)의 제한은 보통 오일의 유전 응력이다.

Heavy paper winding 은 보통 winding으로부터 오는 leads에 사용된다. 이 경우에는, 도체의 표면(높은 응력)부터 멀리(상대적으로 낮은 응력)까지 접점을 이동시킴으로써 오일에서 절연은 응력을 줄이는 역할을 한다. 다시 언급하자면, 오일 안에서의 응력은 사용될 절연 페이퍼의 양을 결정하며 열과 관련돼서 필수 절연을 위한 최소한의 전도체 사이즈를 설정한다.

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C) Askeral-Insulated Transformers

(Askeral: 합성, 내화성, 염소처리된 탄화수소 그룹의 일종으로 절연 유체로 사용되었음)

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이 형태의 트랜스포머는 절연유 트랜스포머 (oil-insulated transformer)와 유사한 구조를 공유한다. 상대적으로 유전율이 높은 askeral 물질은 유전 응력을 고체물질로 전달하는 것을 용이하게 한다.

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Askeral 물질은 과도한 유전 응력으로부터 회복력에 있어서 제한된 능력을 보유하기 때문에 균일하지 못한 절연내력 (dielectric field)에서는 절연강도가 제한될 수밖에 없다. Askeral 물질은 대게 3.4kV 이상의 동작 전압에서는 잘 사용되지 않는다.

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Askeral은 매우 잘 용해되는 용제 (solvent)이기 때문에 물질에 부패가 일어나게 되면 환경이나 인체에 매우 해롭기 때문에 1970년대 중반 이후로 이 트랜스포머의 제조를 완전히 멈추었다.

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D) Fluorogas-Insulated Transformers

(플루오르화 가스 절연 트랜스포머)

플루오르화 된 가스들은 대게 질소나 공기에 비하여 더 강한 절연내력을 보유하고 있다. 비록 플루오르화 된 가스들의 열전도 특성이 오일에 비해 떨어지더라도, 질소나 공기보다는 더 좋다 (플루오르화 된 가스들은 질소나 공기에 비해 밀도가 높다).

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어떤 물질의 절연내력이나 열전도 능력은 압력이 과 함께 증가한다. 예를 들면, 플루오르화 가스 절연 트랜스포머에 3 atm gage 압력을 가하면 오일이 가지고 있는 유전 응력(dielectric stress)의 수치만큼 접근할 수 있다. 그리고 이러한 gas를 활용한 절연은 고체 형질의 절연체들(barrier, layer, disk insulation, turn insulation, lead insulation)과 함께 사용되면서 절연 능력이 보강될 수 있다. 다시 말하면, 절연유로 트랜스포머의 절연 기술을 적용하는 것과 비슷하다고 이야기할 수 있다.

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Fluorogas-insulated transformer의 장점은 높은 온도에서 절연유 트랜스포머보다 경제적이라는 점이다. 그리고 앞서 언급한 바와 같이 고형의 절연물질과 함께 사용이 가능하다고 하였는데, 다시 말하면 플루오르화 절연 가스는 고형체의 절연물질에 적합하다는 점인다. 여기에 해당하는 고형의 물질들은 glass, asbestos(석면), mica (운모), 고온의 수지(resins), ceramic (세라믹) 등이 포함된다. 플루오르화 된 절연 가스들은 인접해있는 고 형체의 절연체의 비해서 몇 배는 더 높은 유전 응력(dielectric stress)을 가지게 된다.

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E) Nitrogen and Air-Insulated Transformers

질소와 공기로 절연된 트랜스포머는 보통 34.5kV 또는 그보다 낮은 동작 전압으로 제한되어 있다. 공기로 절연된 트랜스포머는 청정지역에 종종 위치되어 있으며 대기로 통풍시킨다. 하지만 오염지역에서는 봉인된(sealed) 건설이 요구되며, 질소는 보통 1 atm의 압력과 조금 상승된 동작 온도에서 사용된다.

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출처:https://www.electricityforum.com/td/utility-transformers/transformer-insulation

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