소소한 POWER SYSTEM

Introduction

파워트랜스포머의 전도체 와인딩은 절연유를 함유한 종이로 절연 되어 있다. 그리고 이러한 절연 기술을 트랜스포머의 수명을 약 25년 정도까지 사용가능하게 만든다(65~69℃에서 작동할 경우). 전형적인 트랜스포머는 10~12톤의 종이(30~120μm 두께, 0.7~0.8 kg/m^3밀도)와 45톤의 오일을 포함하고 있다. 열, 수분, 그리고 산소는 섬유의 변질을 야기하며 중합 분자 체인의 길이(polymer molecular chain length)를 줄일 뿐만 아니라 물질의 기계적 강도까지 약화 시킨다. 기계적인 부분 실패는 모자란 와인딩이나 절연종이의 파편, 오일 덕트안쪽의 섬유소쪽에서 나타날 수 있으며, 또한 전기적, 열적인 절연실패를 야기 할 수 있다. 트랜스포머 와인딩의 장력과 규정의 변화는 기계적, 전기적 왜곡을 야기 할 수 있으며, 노쇠화된 절연체 또는 와인딩의 쇼트회로 force의 관한 실패의 가능성을 증가 시킨다.

수분은 노쇠화의 주요 원인 중 하나이며 절연시스템에서의 수분의 존재는 전도성을 증가 시킬 수 있고 가스 버블의 형성에 도움을 주게 된다. 또한 트랜스포머에서의 수분은 전반적인 절연 시스템의 열적 안정성을 떨어뜨리게 되며 이러한 현상은 특히 과부화 조건에서 나타나게 된다.

절연종이는 kraft 과정으로 부터의 wood pulp로 만들어진다(탈 레닌과정 포함). 이렇게 만들어진 절연 종이는 90%의 섬유소와 6~7%의 lignin으로 구성된다. 보통의 자연적인 절연종이의 수분 함유량은 전체 무게의 4~5%이지만 절연종이로 사용될 경우 수분 함량이 0.5%이하로 떨어질때까지 건조 시킨다. 그리고 이렇게, 만들어진 종이는 절연 오일이 함유되도록 담가지게 되며 이러한 과정을 통해, 절연 능력의 향상을 증가 시키게 되고 와인딩부분에 있어서 냉각 작용을 이끌 수 있게 한다.

절연 종이의 주요 성분은 섬유소이며 이 섬유소는 자연적 글루코스 중합체이다 (natural polymer of glucose). 단량체(monomer) 유닛들은 긴 직선의 체인에서 결합되어 있으며 자연적인 상태에서 평균 체인 길이 또는 폴리머화 정도 (degree of polymerisation, DP) 20,000 monomer unit을 초과한다. 종이의 기계적 강도는 섬유소 본연으로 부터 오며 이러한 섬유소는 분자내 그리고 분자사이의 수소 결합에 의해 증가한다. 그리고 섬유소 체인과 미세 크리스탈라인 구조 사이에서도 일어난다.

종이의 강도는 주로 섬유서의 DP 수치의 따라 결정되게 되는데 제조 후, 종이의 DP 수치는 보통 1000~1300 사이 정도이다. 트랜스포머의 건조과정은 이러한 수치를 약 950까지 감소 시키며 동작 기간 동안의 노쇠화로 인해 이 수치는 더 하락하게 된다. DP 수치 950~500사이에서는, 종이의 강도는 실제적으로 일정하지만 수치가 500~200 범위라면, DP의 감소의 따라 종이의 강도 또한 비례적으로 같이 감소 하게 된다. DP 수치 150에서의 종이는 초기의 값의 20%정도의 강도만을 가지게 되며 DP 150 미만은 종이의 강도가 존재하지 않게 된다.

전기적 절연 종이에서 섬유소의 기능 저하는 저온의 화학반응의 복잡한 결과를 통해 일어나지만, 아직까지 완변하게 설명되지 않았다. 이러한 과정들은 체인 절단, 절연 파괴 성분의 배출(수소, 짧은 체인 탄화수소, 일산화 탄소, 이산화 탄소, 수분)을 포함하게 된다. 이러한 성분들은 오일안에서 용해되게 되며 트랜스포머 상태를 예측하는데 사용된다. 종이의 기능저하는 또한 더 큰 분자의 배출을 야기 하며 그 예로 프루프랄(2- furfuraldehyde (furfural))을 이야기 할 수 있으며 이 프루프랄은 오일안에서 확인되며 종이의 상태에 관하여 더 구체적인 정보를 전달 할 수 있다.

Failure mechanisms

섬유소의 변질(degradation)은 DP(폴리머화 정도 (degree of polymerisation) 수치를 낮추는 결과를 가져오게 된다. 그리고 이로 인해, 섬유 내부의 결합이 파괴되는 현상을 겪게되고 기계적 강도의 손실 및 섬유소의 찢어짐 현상 및 충격을 받는 현상에 놓이게 된다. 대조적으로, 전기적 절연 강도는 큰 영향을 받지 않는다. Figure 1에서 보여지는바와 같이 매우 많은 과정들이 이러한 변질과 실패의 기여하게 된다.

가스의 증식은 공통적으로 언급되는 동작 실패요인이다. 초기에 방출된 가스는 수분의 형태이지만, 온도가 증가 할수록 (90℃ 이상) CO 와 CO2 가 형성되게 된다. 가스 버블의 형성은 최소 150℃에서 paper/oil system에서 일어나게 된다. 가장 큰 위험요소는 과부하 조건 초기 동안에 존재하게 되는데 특히 급작스런 온도의 상승은 절연시스템으로부터 빠른 속도의 수분 증식을 야기 하기 때문이다.

오일에서의 가스 버블 형성은 부분방전에의해 지속될 수 있으며, 이러한 가스 버블의 증식은 섬락현상(flashover)로 이어질 수 있다. 절연 종이가 포함된 다른 실패 매커니즘에는 노쇠화 과정의 축적으로 인한 오일과 종이의 증가된 전도성이 포함된다. 감소된 저항성과 절연능력의 손실로 인한 열적 불안정성도 이에 파함된다.

추가록, 수분의 증식으로 인해서 오일에서의 섬유소 물질은 부분적 전계와 나란히 하려는 경향을 보여주며, 이러한 결과는 쇼트서킷, 전도체 사이의 미약한 절연 경로(특히 젖었을경우)를 발생시킨다.

Effects of temperature, water and oxygen on insulation life

• Effects of temperature: 온도의 증가 특히 (140℃ 이상)에서는 노쇠화의 속도가 급속도로 증가함을 보여준다.

• Effects of oxygen: 산소의 증가 또한 종이의 수분 함량을 0.3%에서 5%정도까지 증가 시키며, 이로 인해 변질의 속도를 빠르게 만든다.

• Effects of water: 종이의 변질 속도의 증가는 직접적으로 수분의 함량을 늘리게 되고 이로인해 절연 기술 수명에 영향을 미치게 된다.

Abstract

트랜스포머는 파워그리드의 안정적인 구동을 위해 가장 중요하게 여겨지는 장비이다. 이 페이퍼는 미네랄오일/자연 이스터 오일의 혼합물을 통해 파워 트랜스포머의 노쇠화 방지에 초점을 두었다. 혼합오일-종이 절연체 그리고 미네일 오일-종이 절연체은 264일동안 실험되었으며 110℃에서 열적 노쇠화를 가속 시켰다.

오일의 색깔, 오일 산성도, 종이의 중합 반응의 정도(the degree of polymerization, DP), 그리고 오일-종이 절연의 다른 노쇠화 조건에서의 열적 안정성들이 조사되었다. 후에 연구 결과에서 보여지듯이, 혼합 절연 오일은 오일의 산화를 억제할 뿐만 아니라, 혼합오일-종이 절연체의 노쇠속도 비율 또한 억제 시킴을 발견했다. 다시 말해서, 오일-종이 절연은 혼합 오일을 사용함으로써 열적 안정화의 향상을 기대할 수 있다.

Introduction

트랜스포머의 역할은 안정적 그리고 효과전기 전기공급의 중점을 두기 때문에, 전력의 송전과 배전에 있어서 가장 중요하게 여겨지는 부분중의 하나이다. 대부분의 고 전압 트랜스포머는 용액으로 채워져 있으며 이러한 용액은, 전기적 절연체로 사용되기도 하지만 열 매체(heat transfer medium/냉매제)로 사용되기도 한다. 이러한 파워 트랜스포머 안정성의 향상과 수명의 연장을 위해서 절연 재료, 특히 절연오일에 집중하여야 한다.

트랜스포머에서 가장 많이 쓰이는 절연용액은 미네랄 오일이다. 미네랄 오일은 상대적으로 가격이 저렴한 편이며, 가격의 비해 좋은 전기적 특성들을 가지고 있다. 하지만, 새로운 물질들의 등장으로 인해, 미네랄 오일의 단점들이 많이 노출 되어왔다. 그리고 21세기의 벌어진 전세계 오일 쇼크는 새로운 물질 또는 대체물질을 찾게 하는 기폭제를 마련했다.

자연 이스터(natural ester)는 미네랄 오일과 비교하였을때 화재로부터의 안정성, 친 환경성, 우수한 절연 강도를 보유하고 있기 때문에 현재 사용되는 트랜스포머 절연 시스템에 적합하다. 기존의 봉합된 튜브관 노쇠화 연구들은 절연종이가 자연 이스터안에 있을때 열적 노쇠화가 현저히 느려진것을 발견했다. 하지만, 자연 이스터 용액은 미네랄오일의 비해 낮은 산화 안정성, 높은 유동점, 점도성의 단점을 가지고 있기때문에 사용전 여러 방면으로 고려를 해야한다.

미네랄 오일과, 자연 이스터가 가지고 있는 각각의 장점과 단점을 보완할수 있도록, 미네랄 오일과 자연 이스터 용액을 혼합하는 방법을 고려 할 수 있다. 이 연구에서 혼합의 비율은 80%의 미네랄 오일 20%의 자연 이스터 오일( 올리브 오일로 부터 추출)이다.

6-ditert-butyl-4-methylphenol (T501) 과 high-purity alkylation-α-naphthylamine (L06)이 이 혼합 오일에 0.3%의 농도로 추가 되었으며 이러한 추가물질은 산화 안정성을 향상 시킬 수 있다. 노쇠화 방지를 위해서, 장기간의 동작 동안 파워 트랜스포머의 성분들은 여기서 만들어진 혼합 오일에 의해 향상 될 수 있다. 

이 페이퍼에서는, 가속화된 열적 노쇠화 실험은 110℃에서 264일동안 수행되었으며, 미네랄오일-종이 절연체 vs 혼합오일-종이 절연체의 비교를 중점으로 두고 있다.

Experiment

A. 재료(Material)

실험에서 사용된 종이는 Kraft paper이며 트랜스포머에서 많이 사용된다. Kraft paper의 기술적 수행능력은 international standard  IEC 641-3-1를 충족 시킨다. 또한 트랜스포머 실험에 쓰인 미네랄 오일은 보통의 미네랄 오일이며 XinJiang Kelamayi, China 에서 생산 되었다. 혼합 절연 오일은 이 연구팀에 의해 개발 되었다.

B. 가속화된 열적 노쇠화 실험(Accelerated Thermal Aging Experiment)

 샘플에 대한 사전 조치 들은 다음과 같다. 첫째, 샘플 종이는 5g의 롤형태로 말려 있으며 이를 통해 유리병에 들어갈 수 있게 한다. 현재 동봉된 트랜스포머의 실제 산화를 시뮬레이션 하기 위해 모든 샘플들은 진공 챔버에 두었으며 90℃에서 48시간 동안 건조 시킨다. 두번째로는, 절연 오일 (40℃)은 진공 박스 안으로 스며들게 한후, 24시간동안 평상 온도(room temperature)로 내린다. 세번째로는, 이 말려진 페이퍼 롤을 진공 박스로 부터 꺼낸후 250ml의 유리병안으로 넣어둔다. 그리고 나서, 미네랄 오일 또는 혼합 절연 오일을 이 유리병 안에 20:1(용액:종이)의 비율로 부어 넣는다(각각의 유리병은 200g의 오일과 10g의 종이를 가진다). 실제 트랜스포머의  구리 이온을 시뮬레이션 하기 위해서, 10cm^2의 얇은 구리판을 모든 병에 배치한다. 그리고 나서, 각각의 병은 질소로 충전후 밀봉한다. 마지막으로, 이 유리병들은 노쇠화 오븐에 넣어지고 110℃까지 가열되어 가속화된 노쇠화 테스트를 진행한다. 초기 종이의 수분 함량은 0.5% 미만으로 한다.

C. 열중량 분석 실험(Thermogravimetry Experiment)

열중량 분석(Thermogravimetery (TG))은 물질들이 통제된 온도 프로그램에 있는동안, 온도의 함수로써 물질의 질량(mass)을 측정하는 기술이다. Derivative thermogravimetry (DTG) 커브는 처음의 derivative of TG 커브이다. TG와 DTG 분석 기술의 적용은 미네랄 오일-종이 절연 시스템의 오일과 종이의 열적 행동을 비교하기 위함이고 또한 혼합오일-절연 시스템에서의 오일과 종이의 열적 행동을 분석한다. 이 페이퍼는 초기 분해 온도(initial decomposition temperature (IDT)), 최대 분해 속도(maximum speed of decomposition (MSD)), 최대 분해 속도에서의 온도(temperature at maximum decomposition speed (TMDS))에 집중하고 있다.

각각의 미네랄 오일 샘플(15~15.4mg)과 혼합 오일 샘플(15~15.4mg)은 33℃ 부터 250℃ 그리고 450℃까지 테스트되었다. 온도 확인 속도는 질소 유동(50ml/min)하에서 3℃/min의 비율로 측정되었다. 종이의 TG 실험 이전에는, 오일을 함유한 종이 샘플은 각각 다른 기간동안 노쇠화 되었으며 아세톤(aceton 100ml)에 담가지게 해놨다. 그리고, 동일하게 동봉된 유리병에 15일동안 각각 놓여지게 된다. 추가적으로 아세톤은 5일마다 한번씩 교체되었다. 이런 방식으로 오일이 추출 되었으며 그리고 각각의 종이 샘플(5.0~5.2mg) dms 33℃ 부터 500℃까지 질소 유동 (50ml/min)하에 온도 확인 속도 5℃/min 로 측정되었다.

Result and Discussion

A. 오일 색깔(Oil Color)

오일의 색깔은 오일 자체의 질적 특성을 보여주는 중요한 요소이다. 몇몇의 경우에는 오일의 색깔로 오일의 부패 정도가 확인 가능하다. Figure 1에서 보여지듯이 미네랄오일-종이 절연 샘플과 혼합오일-종이 절연 샘플에서의 오일의 색깔을 보여 주며 이 오일들은 110℃도에서 다른 기간동안 노쇠화가 진행 되었다. 신선한 미네랄 오일은 색이 밝고 맑았으며, 신선한 혼합 오일은 자연 이스터(올리브 오일)로 인해 노란 빛을 띄었다. 또한 미네랄 오일은 시간이 지날 수록 갈색 또는 적갈색의 색을 띄게 됬으나, 혼합 오일은 최종적으로 초록빛을 띄었다. 열적 노쇠화 과정동안, 오일색의 변화 속도는 오일의 부패화 속도를 반영한다. 미네랄 오일의 퇴색 속도는 혼합오일의 비해서 상당히 빠른 편이다. 더욱이, 끈적한 슬러지(sludge)가 눈에 보였으며, 절연 종이 바깥쪽 표면과 미네랄 오일-페이퍼 샘플 유리병 벽면에 침전됨이 174일과 264일에 확인되었다. 반면에, 혼합 오일-종이 절연 샘플에서는 슬러지(sludge)는 샘플 간격동안 발견 되지 않았다.

B. 오일의 산성도(Oil Acidity)

오일의 산성도는 절연 오일의 직접적으로 노쇠화 정도를 알려주는 지표이기때문에 이 실험에서는 혼합오일과 미네랄 오일의 노쇠화 진행과정동안의 오일 산성도가 측정되었다. Figure 2는 혼합 오일과 미네랄오일의 노쇠화 시간에 따른 산성도를 나타낸 모습이다. 보통의 조건에서는 자연이스터의 산성도가 미네랄 오일의 산성도보다 높은 경향이 나타났다. 혼합 오일은 20%의 자연 이스터와 80%의 미네랄 오일로 구성되어 있기때문에 신선한 혼합오일의 산성도는 신선한 미네랄오일보다 아주 약간 높은 편이다.

노쇠화가 진행되면 혼합오일과 미네랄오일의 산성도는 증가하게 된다. 노쇠화 초기에는 혼합 절연 오일과 미네랄 오일의 부패속도는 매우 느린편이며 두 오일의 산성도는 아주 약간 증가하는 정도이다. 하지만 일정 시기를 지나면 두 오일은 빠르게 부패하게 되고 산성도 또한 급격하게 증가한다. 하지만 이 특정 시기 이후에, 혼합오일의 산성도는 미네랄 오일의 산성도보다 현저하게 낮음이 포착되었다 (89일 차 부터). 이 지표는 장기간의 노쇠화 과정동안 혼합 오일이 미네랄 오일의 비해 산화 안정성이 훨씬 우수함을 보여준다. 즉, 일정 기간 이후에는 혼합 오일은 더 느린 노쇠화 비율과 낮은 오일 산성도를 포함하고 있다는 뜻이다.

C. 오일의 열적 행동(Thermal Behavior of Oil) 

Figure 3 은 오일-종이 절연 샘플에서의 혼합오일과 미네랄 오일의 TG 와 DTG 커브 각각 다른 노쇠화 시간에 따라 나타내어 졌다. 미네랄 오일의 분해 반응은 주로 한 단계이며, 혼합 오일의 분해 반응은 주로 두 단계로 이루어 진다. 혼합오일이 2 단계로 이루어지는 이유는 미네랄 오일과 자연 이스터 용액의 혼합물이기 때문이다. Figure 3에서 보여지듯이 미네랄 오일의 분해는 주로 100℃ 부터 200℃까지 이루어진다. 30℃ 부터 250℃까지는 미네랄 오일의 분해만이 존재하고 질량은 100%에서 20%로 감소하게 된다. 그리고 나서 250℃ 부터 450℃까지는, 혼합된 절연 오일에서의 자연 이스터 구성원이 질량 손실이 일어나게 된다. 이로 부터 추정 되는것은, 자연 이스터의 열적 안정성은 미네랄오일에 비해 더 우수하다는 점이다.

Table 2는 오일-종이 절연 시스템에서의 혼합 절연유와 미네랄 오일의 TG/DTG 데이터를 3℃/min의 가열 비율에서 각각의 다른 노쇠화 시간의 따라 나타내었다. 모든 미네랄 오일 샘플의 초기의 IDT는 1℃ 내외에서 변동함을 보여 주었었다. 혼합 절연 오일 샘플에서의 미네랄 오일 IDT 역시 1℃내외에서 변동하였으나, 혼합 절연 오일 샘플안에서의 자연 이스터는 1.5℃내외에서 변동함을 보여 주었다. 

하지만, 모든 샘플시간과 관련해서, 자연 이스터의 초기 분해 온도는 미네랄 오일에 비해서 약 2.5배 정도 더 높은 경향을 나타내었다.

이 두 그룹 오일의 열적 행동의 비교는 Figure 3(b)에서 더욱 뚜렷하게 나타난다. 모든 미네랄 오일 샘플(혼합 절연유에서의 미네랄 오일과 자연 이스터 용액 포함)의 최대 분해속도에서의 온도는 노쇠화 과정동안 매우 적은 변화만을 보여주었다. 하지만 자연 이스터의 최대 분해 속도에서의 온도는 미네랄 오일보다 2배 이상의 값을 보여 주었다. 추가로, 모든 미네랄 오일 샘플과 혼합유에서의 미네랄 오일의 최대 분해 속도는 노쇠화가 진행될때 살짝 감소함을 보였다. 반면에, 혼합유에서의 자연 이스터 용액은 노쇠화 진행 과정동안 거의 변하지 않았다. 

Figure 3, Table 2, Table 3으로 부터 알수 있는것은 자연 이스터의 IDT와 TMDS 는 모든 샘플 시간대에서 미네랄 오일보다 높음을 확인 할 수 있다. 자연 이스터의 열적 안정성은 또한 노쇠화 과정에 있어서 미네랄 오일보다 우수함을 보여주었다. 자연 이스터와 미네랄 오일로 구성된 혼합 절연유는 자연 이스터의 우수한 열적 안정성으로 인해 혼합유의 열적 안정성의 향상에 큰 도움을 줄 수 있게 된다. 

D. 종이의 중합 반응 정도(Degree of Polymerization (DP)of Paper)

절연 종이는 보통 섬유소로 구성되어 있다. 섬유소는 선형, 주기적은 중합체 체인, β-D glucopyranose 로 구성된다. 체인당 일정 유닛을 DP라고 부른다. 그리고 이 DP는 섬유소 종이의 노쇠화 상태를 나타내기 위해 사용된다. 신선한 종이의 DP 는 약 1200정도이며, 200 정도의 수치 하락까지는 받아들일 수 있는 정도이며, 종이의 장력은 약 20%정도 하락하게 되고 내부 섬유의 힘은 축소되며, 섬유소 종이는 트랜스포머안에서 수명을 다하게 된다. Figure 4는 혼합유와 미네랄 오일 (110℃, 264일동안)에서의 종이 노쇠화 관련 DP 수치를 나타낸다. 특히 40일 이후에는 혼합유에서의 종이의 DP 값은 미네랄 오일에서의 종이의 DP 값보다 훨씬 높은 것을 알 수 있다. 이러한 수치는 혼합 오일은 절연 종이의 노쇠화를 효과적으로 억제함을 나타낸다.

E. 종이의 열적 행동(Thermal Behavior of paper)

Table 4와 Table 5에서 보여지듯이, 혼합유와 미네랄 오일안에서의 노쇠화 과정 종이의 초기 분해 온도(IDT)는 노쇠화 시작과 함께 초기에 증가 한 뒤 하락하는 모습을 보여준다. 특히 174일 이후에는 PINEM의 IDT 는 PIMO보다 높은 모습을 보여주었다. 그리고 110℃에서의 전체 노쇠화 과정동안, 혼합된 절연 오일에서의 노쇠화된 종이의 DP는 미네랄 오일에서의 노쇠화된 종이의 DP 값보다 높음을 보여주었다. 그리고 PIMEM의 TMDS 는 PIMO 노쇠화 시작후 동일 시점에 약간 높은 모습을 보여 줐다. 그리고 PINEM의 MSD은 노쇠화 진행후 동일시점에 PIMO보다 약간 낮은 모습을 보였다. 이러한 현상들은, 혼합유에서의 종이의 열적 특성이 미네랄 오일에서의 종이의 열적 특성보다 우수함을 보여준다.

*maximum decomposition speed (TMDS)

*maximum speed of decomposition (MSD)

Conclusions

위의 실험 결과를 모두 종합해 보면 혼합유(미네랄오일+자연 이스터 용액)의 사용은 오일-종이 절연 시스템의 노쇠화 방지효과를 증가 시킬 수 있음을 보여준다. 또한, 혼합유의 사용은 절연 종이의 변질의 속도를 억제하는 모습을 보였고 혼합 오일을 사용함으로써, 오일-종이 절연 시스템의 열적 안정화의 향상을 기대 할 수 있게 된다.

출처: R. Liao, J. Hao, L. Yang, and S. Grzybowski, “Study on aging characteristics of mineral oil/natural ester mixtures-paper insulation,” Proc. - IEEE Int. Conf. Dielectr. Liq., no. July 2017, 2011.

전기 에너지의 송전과 배전 네트워크는 파워 트랜스포머, 스위치기어, 과 전압 어레스터(overvoltage arrestors), 절연체, 파워 케이블, 트랜스포머등의 고 전압관련 장비들이 포함된다. 그리고 이러한 고 전압 장비들은 내부와 외부의 과 전압으로 인해 순간적으로 매우 높은 전압이나 전류에 노출되게 된다. 고 전압에서 사용되는 충격 전압은 저 전압 (low voltage system)에서 사용되는 충격 전압의 개념과 다소 차이점을 보인다. 고 전압에서 사용되는 충격 전압과 충격전류는 고 전압 충격의 생산과 측정동안 발생하는 특수한 경우를 설명하기 위해 도입된다. 

간략하게 이와 관련된 용어들을 정리 해보려 한다.

1. 뇌 충격전압(Lightning Impulse Voltages)

외부의 과전압에 의해서 고 전압 장비에 전기적 강도가 전해 질 수 있는데 이러한 원인중 하나는 벼락 또는 뢰전(lightning strokes)에 의해 나타난다. 그리고 이러한 뇌 충격전압은 full lightning impulse voltage, 와 chopped lightning impulse voltage로 구분된다.

2. 개폐 충격전압(Switching Impulse Voltage)

이름 그대로 스위칭 동작으로 인해 발생하는 충격 전압이다. 스위치의 동작으로 인해 고 전압 장비 내부에 과 전압이 흘러 들게 되고 이로 인해 이러한 고 전압 장비들은 강한 스트레스(응력)에 노출되게 된다.

3. 지수형태의 충격 전류(Exponential Impulse Currents)

지수형태의 충격 전류는 상대적으로 매우 빠른 형태이며 지수함수 형태로 peak value까지 빠르게 도달한뒤 상대적으로 느린 속도로 0의 값으로 내려 오게 된다.

4. 사각 충격 전류(Rectangular Impulse Currents)

이름 그대로 사각형 형태의 충격전류를 보여주기 때문에 장시간 충격전류라고도 불린다.

충격 전압 테스트를 위한 전압 생성기

충격 전류 테스트를 위한 전류 생성기

출처: K. Schon, High Impulse Voltage and Current Measurement Techniques. 2013.

고전압 절연 시스템에서 공간전하 축적의 효과(The Effect of Space Charge Accumulation in High Voltage Insulation Systems )

HVDC(High Voltage Direct-current)는 현재 배전시스템에 있어서 매우 중요한 주제이다. 특히, 경제적 그리고 환경적 요인이 많이 작용하며 현재 AC 시스템에 의해 운용되는 장거리 송전시스템을 DC시스템으로 대체하기 위해서 HVDC의 연구는 지속적으로 필요하다. DC 전원은 AC 전원의 경우보다 절연 물질이 다르게 대전(charged)되게 된다. 이러한 이유로, 절연체의 대전(charging)을 분석하기 위해 특별한 측정방법을 사용하여야 한다(e.g. 공간전하 측정, 부분방전 측정 등). 

만약 전계(electric field)가 절연물체와 상호작용관계에 있다면, 분극화(polarization) 매커니즘이 시작되게 된다. 구속 대전 캐리어(bound charge carriers: fast polarization, relaxing polarization)과 자유 대전 캐리어(free charge carrier: migration polarization, space charge polarization)들은 이러한 매커니즘에 기여될 수 있다.

A) 절연체에서의 전자와 이온의 이동(Migration of Electrons and Ions in Dielectrics)

바운드 그리고 자유 전하(bound and free charge) 모두 분극화 (polarization)과정에 기여한다. 공간전하의 분배는 자유 전하의 흐름 또는 갇힌 전하(trapped charge, 갇히기 전에는 자유상태)에 의해 영향을 받을 수 있다. 자유 대전 캐리어는 갇힌 전하의 비해서 절연체를 대전시킴에 기여하는 바가 상대적으로 훨씩 적다. 그리고 갇힌 전자는 절연 재료 내부에 존재하게 된다. 그리고 대전캐리어들(electron, holes, ions)은 다른 방식으로 재료에 주입이 될 수 있다. 대부분의 경우들은 캐소드쪽에서의 주입 또는 애노드로 부터의 추출(전공 인젝션)들이 이에 해당한다. 또한 이러한 상황들은 쇼트키 효과를 통해 설명될 수 있다(Schottky effect). 대전 캐리어들은 절연체나 전극의 사이의 potential barrier를 극복하게 된다. 공간전하의 분배는 적용된 전압에 극성에 의지 할 뿐만 아니라, 전극의 재료, 절연체의 내부구조에도 의지하게 된다. 대전 캐리어의 주입의 관한 다음 선택지는 열 방출이나 절연체 내부 기포에서 발생하는 부분방전에 의한 주입이 있다. 분극 이동의 효과는 또한  ε’ (-)/f (Hz) 특성(Figure 1)에 의해 확인 될 수 있다(절연체 분광학 이용: the dielectric spectroscopy).

B) 절연체에서의 공간전하(Space Charge Profiles in Dielectrics)

전기적 절연체에서 공간전하는 3가지로 분류 될 수 있다(homo-space charge/hetero-space charge/internal-space charge).

• 비균일 공간전하(Hetero-space charge): (+)공간전하라고도 불리며 종종 고형 절연체에서 발생한다. 대부분의 경우들이 내부 구조에서 전하와 결합한 경우 이다. 이러한 현상은 캐소드에서 방출하는 전자에 비해 훨씬 더 이동성이 좋은 전자에 의해 유발된다. 그 결과, (+)극성의 전하가 캐소드쪽에 축적되는 현상이 벌어지게 된다. 이런 종류의 공간 전하는 폴리에틸렌(PE:polyethylene) 같은 중합체(고분자자) 또는 polyethylene terephthalate(PET), polyethylene naphthalate (PEN) 같은 물질에서 일어난다.

• 균일 공간전하(Homo-space charge): (-) 공간 전하라고도 불리며, 캐소드로 부터의 빠른 전자 주입으로 인해 발생한다. 이러한 주입은 절연체 내부와 같은 극성의 전극 주변에서 전하 캐리어의 양을 증가시키며 XLPE(cross-linked polyethylene)같은 물질에서 일어나게 된다. 

• 내부 구조의 공간전하(Space charge in inner structure):  크리스탈 래티스 구조의 결함에서 갇힌 전하(trapping of charge)에 의해 발생할 수 있다. 또한 무정형 (amorphous), 다결정질(polycrystalline) 재료안의 트랩에서도 발생 한다. 

C) 공간전하 측정 원리(Space Charge Measurement Principles)

절연체 내부에서의 공간전하의 특성을 조사하기 위해 몇 가지 모니터링 방법이 사용된다. 초기에는 이를 측정하기 위해 절연체를 얇은 면으로 절단하였다. 하지만, 현재의 측정 기술을 양적인 측면에서 훨씬 더 발전되었드며, 가장 널리 쓰이는 방식은 다음과 같다.

• LIPP: laser-induced pressure pulse

• PWP: pulse pressure wave

• TP: thermal pulse

• PEA: pulsed electroacoustic

HVDC Converter Transformer

HVDC 마켓의 지속적인 성장은 HVDC 송전 시스템의 있어서 전압과 송전 용량을 꾸준히 증가 시킬수 있게 하였다. 현재 HVDC converter transformer 800kV의 전압 레벨까지 도달하였으나, Siemens(지멘스) 회사는 1100kV 그리고 587MW 수준의 트랜스포머를 제작하여 중국 1100KV HVDC 프로젝트에 참여했다.

Converter transformer는 삼상(three-phase) AC 네트워크와 converter 벨브(vavles)를 연결한다. Converter transformer는 HVDC 시스템에서 매우 중요한 부분을 담당하고 있으며 이것이 가지고 있는 기능은 다음과 같다.

• AC 네트워크와 converter valves 사이의 전력의 전달

• 전압 전환에 있어서의 전압 레벨 보조

• AC 와 DC 시스템 사이의 전류적 독립성

• 폴트(fault) 전류를 최소화 하기위한 short-circuit current 임피던스의 공급

ABB converter transformer(https://new.abb.com/products/transformers/power/hvdc-converter)

Converter Transformer 의 구성요소

A) 코어와 와인딩(Core and Winding)

(https://sari-energy.org/oldsite/PageFiles/What_We_Do/activities/HVDC_Training/Presentations/Day_3/1.Converter_Transformer.pdf)

Converter Transformer의 동작원리는 자속 (magnetic flux)를 기반으로 한다. 코어 타입은 steel로 라미네이트 되어 있으며 converter transformer에 현재 널리 사용된다. 위의 그림은 전형적인 코어와 와인딩 구조 (single-phase three winding 컨버터 트랜스포머)를 보여 주고 있다. 벨브 와인딩(Valve winding)은 코어에 가장 가까우며 라인 와인딩(line winding)으로 둘러 쌓여 있으며 바깥 쪽 레이어는 탭 와인딩(tap winding)으로 구성된다. 왼쪽 편의 벨브 와인딩은 Y connection (the upper bridge 용) 이며 오른쪽 벨브 와인딩은 Delta connection(the lower bridge 용) 으로 이루어진다. 컨버터 트랜스포머의 전형적인 절연 물질은 오일과 섬유소 절연체가 많이 사용된다. 

전도체들은 turn사이에서 절연을 위해 섬유소 종이로 감겨 있으며, 섬유소 보드(board)는 기계적인 서포트 뿐만 아니라 절연 능력의 향상을위해 배치된다. 섬유소 절연과 함께 있는 전체적인 와인딩은 절연유(insulating oil)에 담가지게 된다. 그 이유는 고 전압의 대한 절연 뿐만아니라 트랜스포머 내부에서 발생되는 열을 자연스레 또는 강제로 발산시키기 위함이다.

B) 부싱(Bushing)

부싱은 컨버터 트랜스포머 위쪽에 확연히 눈에 띄게 자리잡고 있으며, 큰 전력의 이동에 관여한다. 라인쪽(line side)의 부싱은 AC 기술을 기반으로 디자인 되어있으며 반면에 HVDC 부싱은 Valve 사이드 쪽에 항상 존재하며, LCC-HVDC 기술의 핵심적인 역할을 하게 된다. 현재, Oil-impregnated paper 와 resin-impregnated paper의 기술이 주로 HVDC 부싱에 적용된다. 

C) 쿨링 시스템(Cooling System)

컨버터 트랜스포머의 쿨링 시스템은 보통의 큰 규모 트랜스포머(오일 덕트, 파이프, 라디에이터로 구성된)의 쿨링 시스템과 유사하다.

D) 오일 탱크(Oil Tank)

접지된 오일탱크는 컨버터 트랜스포머의 내부 고전압 요소들을 커버한다. 

위의 열거된 요소들을 이외에, 탭 차저(tap charger), 모니터링 시스템, 보호 장비들이 컨버터 트랜스포머 구성에 포함된다.

컨버터 트랜스포머의 구조(Configuration of Converter Transformers)

정격 전력(power rating)과 운송 제한(transportation limitation)에 따라서 컨버터 트랜스포머는 4가지의 구조로 나누어 질 수 있다.

컨버터 벨브(valves)로 전력을 전달하기 위해서는, 컨버터 트랜스포머는 three phase 그리고 에 관한 더블 valve 와이딩을 포함한 단일 유닛부터 sing phase와 single valve 를 포함한 6개의 분리된 유닛까지의 범위까지 설정될 수 있다. 일반적으로, 더 큰 규모의 HVDC 프로젝트는 더 큰 규모의 정격전압(Power Rating)을 필요로 한다. 그리고, 이러한 큰 규모의 HVDC 프로젝트는 더 많은 분리된 컨버터 트랜스포머를 필요로 하게 된다.

컨버터 트랜스포머의 절연 (Insulation in Converter Transformer)

컨버터 벨브의 연결로 인해서, DC 스트레스는 컨버터 트랜스포머의 벨브 와인딩으로 유입되게 된다. ABB리포트에 따르면 upper bridge에 연결되는 컨버터 트랜스포머 벨브와인딩의 DC 요소들은 HVDC 전압 레벨의 3/4에 해당하게 되고 lower converter transformer의 벨브와인딩에는 1/4의 HVDC 전압레벨이 해당하게 된다. 주어진 주파수의 AC stress 에서는, 전계의 분배는 절연 물질의 유전율(permittivity)에 의해 결정된다.

오일이나 종이의 유전율(permittivity)의 변화는 크게 잘 일어나지 않는다. 그리고 주어진 주파수에서 오일과 종이사이의 유전율의 차이또한 그렇게 크지 않다.(오일: 2.2/oil-impregnated kraft paper: 3.5). 그러므로, AC 트랜스포머에서 전계의 분배는 매우 잘 예측되며 컨틀롤 하기도 용이하다.

DC stress에 관련해서는 전계의 분해(the field distribution)은 저항력(resistivity)에 의존하게 된다. 저항력(resistivity)의 값은 내부 또는 외부의 상황 즉, 온도, 습도, 노쇠화에 관련해서 매우 민감하다. 결론적으로, DC 응력이 절연시스템에 유입되게 되면, 전계 분배는 불균형해지며 컨트롤 하기 어려워진다. 이러한 현상은, 컨버터 트랜스포머의 단점으로써 계속해서 극복되어야 할 부분이다. 또한 이러한 DC stress가 주는 현상은 절연체에서의 공간전하 축적으로 이어질 수 있다. 

출처: 

[1]https://sari-energy.org/oldsite/PageFiles/What_We_Do/activities/HVDC_Training/Presentations/Day_3/1.Converter_Transformer.pdf

[2]A. Carlson, “Specific Requirements on Hvdc Converter Transformers.Pdf,” Ludvika, Sweden.

약 100년전 "war of currents"라는 AC와 DC 파워 시스템이 앞으로의 전력 보급방식을 두고 전쟁 아닌 전쟁을 벌인적이 있었다(DC: 토마스 에디슨 vs AC: 니콜라 테슬라). 결국 AC 시스템의 승리로 끝나게 되고 이 방식은 현재 대분의 전력 공급 시스템으로 자리 잡게 되었다. 하지만, 기술의 발전, 특히 반도체의 급격한 성장으로 인해 고 전압(High Voltage) , 특히 직류 고 전압(HVDC)의 이용이 가능하게 되었으며 이미 많은 나라에서 상용화에 돌입했다. 

AC 시스템의 비해서 DC 시스템이 가지는 장점들은 다음과 같다.

• 장거리 송신에 있어서 전력 손실이 적다.

AC 시스템의 비해서 송전 라인의 수가 적은편이다(HVDC 시스템에서는 오직 두개의 송전 라인만을 필요로 한다). 또한 리엑티브(reactive) 전류와 스킨 효과(skin effect)가 존재하지 않음으로 전력손실이 상대적으로 적다.

• 장거리 송신에 있어서 비용이 AC 시스템의 비해서 저렴하다.

AC 시스템의 비해서 변전소 건설비용은 비싼편이지만, 그래도 송전탑의 폭이 좁은 편이며 500~800km 이상의 거리를 송전할때는 오히려 HVDC 시스템이 HVAC 시스템보다 비용이 저렴한 편이다.

        AC vs DC 비용 비교

(https://www.quora.com/Up-to-what-distance-is-DC-transmission-efficient)

• 안정성이나 동기화관련 문제가 없다.
  

우선 DC 시스템은 Phase angle (위상)이 존재 하지 않기 때문에 매우 안정적이며 그리고 서로 다른 주파수를 가지는 두 AC 시스템 사이를 연결함에 있어서도 문제가 없다.

• 더 큰 용량의 short-circuit capacity

두개의 AC 시스템이 AC 방식으로 연결이 된다면 short circuit capacity 는 증가하게 되고 추가적인 설비의 업그레이드가 필요하게 된다. (e.g. 서킷브레이커). 하지만, DC 링크는 기존의 AC 시스템의 변화 없이 바로 연결이 가능하기 때문에 추가 업그레이드가 필요 없다.

현재 HVDC 시스템이 제공하는 서비스는 LCC-HVDC(Line-commutated HVDC)와 VSC-HVDC(Voltage-source Converter HVDC) 두개의 시스템이다. LCC HVDC 시스템은 장거리 대용량의 전력 송전을 위해 사용되며 VSC-HVDC시스템은 off-shore(해안가) 에서 발생하는 풍력 또는 외곽 지역과 관련되서 사용된다.

전기적 특성 테스트(Electrical properties) Part 2

c) 트랙킹 강도(Tracking strength)

절연 시스템이 전기적으로 스트레스(stress)를 받을때, 표면 저항에 의해 결정되는 전류는 표면을 흐르게 되고 이러한 전류를 누수 전류 또는 크립페이지 전류(creepage current)라고 한다. 쉽게 이야기 하자면, 주변 환경들 (온도, 압력, 습도, 오염도 등)은 이러한 누수 전류값 결정에 있어서 핵심적인 역할들을 한다. 절연 물질은 기술적으로 이러한 누수 전류에 관하여 잘 견뎌내야 한다. 만약 견뎌내지 못하거나 한계 값만을 버틴다면, 표면 성분의 품질 저하 또는 악화 현상이 일어나게 된다.

누수 전류 (Leakage currents)는 열을 생성하며, 또한 그 작용으로 인해 표면의 화학적 응력(stress)을 가하게 된다. 과 응력의 시각적 효과는 추적가능해지며 이러한 결과는 절연 재료의 변질이나 부패로 인해 발생한다. 이러한 현상들은 전도성 경로의 형태로 나타나며 추가적인 전기적 응력을 통해 절연 물질의 악화를 초래하고 또는 전도성 경로를 남기지 않고 침식을 야기 하게 된다.

비록 절연 물질들이 침식에 의해 반대로 영향 받더라도 (예를들어, 먼지 퇴적물의 감소), 추가적인 전기적 응력성이 가능하지 않다. 침식은 plates 나 pits에서 일어난다 (Figure. 2.2-4)

이러한 트랙킹은 야외 지역의 절연 표면을 제한할 뿐만 아니라, 원치 않은 상황에서 실내 조건에서 일어 날 수 있으며 심지어 장비 내부에서도 일어날 가능성이 있다.

이러한 트랙킹 현상은 물질의 특성, 전극과 표면의 형태나 마감처리 등의 영향을 받게되고 또한 외부 조건들에 의해 영향을 받기도 한다. 여러 트랙킹의 합류는, 완전한 플래시오버(섬락현상)이 일어나기 쉽게 만들거나 섬락현상을 초래하게 된다.

Figure 2.2-5는 전극이 최소 3mm두께의 절연 샘플위에 올려져 있는 모습이며 이 전극에는 380V 의 AC 전압이 걸려 있다. 피펫(pipette) 은 미리 정해진 전도성의 물질을 매 30초당 한방울씩 샘플위에 떨어트린다. 그리고 이 방식은 전극들 사이에서 절연 물체 표면을 젖게 만들고 또한 누수 전류(leakage currents) 를 일으킨다. 샘플의 떨어지는 방울의 수는 자동적으로 테스트 회로의 스위치가 차단될까지의 값을 측정하거나 방울 드랍으로 인한 표면의 가장 깊은 구멍의 깊이를 측정한다.

d) 아크 저항력(Arcing resistance)

상당한 양의 전력 아크와 함께 절연체 표면을 가로지르는 플래시어보(섬락현상)은 매우 드물다. 하지만, 절연 시스템에서 기본적으로는 존재 가능한 상황이기도 하다. 다시 말해서, 절연체는 아크 현상에 노출되지 않거나 노출되더라도 최소한의 상태로 노출 시켜야 한다. 즉 아크현상에 대해서 강항 저항력을 가져야 한다. 

높은 아크 온도와 절연 물질의 불완전한 연소때문에, 전도성 경로가 남게 되고 더이상 추가적인 전기적 응력을 허용할 수 없게 된다. 아크 저항력의 값을 측정하기 위해서는, 탄소성 전극은 220V의 DC 전압이 적용되게 되고 절연 판(insulating plate)에 배치되게 된다.

아크가 절연체 표면에 내려치게 되면, 전극은 약 1mm/s 속도로 이동하게 되며 최대 20mm까지 분리되게 된다. 아크 저항력은 6단계의 레벨로 나타난다 (L1~L6). 그리고 이러한 레벨은 절연 물질을 판단함에 있어서 참고 된다.

전기적 아크현상(electric arc)(https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_arc)

e) 절연(유전) 상수(율)와 소산(흩어짐) 요인(Dielectric constant and dissipation factor)

유전율 εr 절연물질에서의 분극화효과로 부터 유발된다. 실질적인 절연 물질에 관해서는, 변형 분극화(electronic, ionic, lattice polarization)를 제외하고, 지향 평극(orientation polarization)이 특히 중요하다. 그 이유는, 실제로 많은 절연 물질들이 그 자체의 분자 구조에서 영구적인 쌍극자(permanent dipoles: 쌍극자(작은 자석과 같이 양과 음의 자극 또는 전극이 서로 마주 대하고 있는 물체))를 보유하고 있기 때문이다.

이것은 분극화 손실(polarization losses)의 주요 원인이며 tan δ과 εr 의 주파수 독립성에 관해서 영향을 주게 된다.(tan δ and εr : 기술적으로 중요한 파라미터)

다양한 분극화 매커니즘은 서로 다른 완화 시간을 소유하기때문에, 주파수 함수로써 εr의 변화는 Figure 2.2-6에 나타나 있다. 서로 다른 완화 시간은 주파수 제한을 생성하게 되는데 (각각의 매커니즘은 더 이상 존재하지 않음) 그 이유는 상응하는 쌍극자(dipole)의 움직임이 일어나지 않기 때문이다. 이것이 왜 유연율 εr 이 반드시 감소되어야 하는 이유 이다.

계단형식 εr 의 단계 변화는 쌍극자 움직임의 변화에 의해 설명될 수 있다. 유전율 εr의 각각의 변천 영역에서는, 소산 요인 tan δ 최대값을 갖는다.

하지만 오직 위의 그림 a~b영역은 절연의 기술적 측면에서 매우 흥미로운데, 즉, 지향 편극(orientation polarization)이 사라지는 주파수 영역이다.

절연 물질의 특성의 관한 이야기는 전압과 온도의 의존도에서 시작하게 된다. 만약 커브 tan δ=f(U)가 이온화의 무릎 포인트(포화 시작단계)을 보여준다면, 부분방전의 시작을 증명하게 된다.

뿐만아니라 분극화 손실의 발생은 이온적 전도로 인해 절연 손실이 커브 tan δ=f(ν) 부터 식별 된다. 

tan δ 과 εr 의 측정은 잘 알려져 있듯이 브릿지 회로를 통해 결정된다. 

출처: D. Kind, High-Voltage Insulation Technology. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2011.

전기적 특성 테스트(Electrical properties) Part 1

a) 절연파괴 전계 강도 (Breakdown field strength)

절연 물질이 절연 파괴 전계의 값을 일정하게 유지하지 않더라도, 절연 물질에서 절연 파괴 전계의 강도를 측정하는것은 너무 나도 중요한 과정중에 하나 이다. 더욱이 절연파괴 전계 강도는 여러가지 요인들에 의해 많이 또는 적게 영향을 받는데 이에 해당하는 조건들은 다음과 같다.

• 전극 곡면의 반경과 표면의 마감 처리 상태(radius of curvature and surface finish of the electrodes)
• 레이어의 두께(layer thickness)
• 전압의 종류(type of voltage)
• 스트레스의 작용 기간(stress duration)
• 압력(pressure)
• 온도(temperature)
• 주파수(frequency)
• 습도(humidity)
• etc...