소소한 POWER SYSTEM

Abstract

    오일-페이퍼 절연 시스템 조건에서는 DC 전계가 적용되었을 때, 공간 전하(space charge 그리고 경계 전하(interface charge)가 쉽게 축적될 수 있다. 두꺼운 멀티 레이어 절연 시스템에 관한 공간 전하 그리고 경계 전하의 직접적인 측정은 아직도 측정에 있어서 많은 장애요소들이 있다. 멀티 레이어 오일-페이퍼 절연 시스템을 시뮬레이션을 통해서 이해하는 것은 매우 중요하게 여겨진다. 이 페이퍼에서는, 바이폴라(bipolar) 전하 이동 모델과 멀티 레이어(오일-페이퍼)에 관한 FEM을 사용한 시뮬레이션 파라미터를 기반으로 한 공간/경계 전하 시뮬레이션이 사용되었다. 전계 강도, 온도, 그리고 전계와 온도가 결합된 요인들이 공간/경계 전하에 미치는 영향이 각각 분석되었다. 공간/경계 전하 밀도를 계산하는 것과 온도와 전계 강도가 결합된 조건하에서의 멀티-레이어 오일-페이퍼 절연 시스템에서의 총전하량에 관한 새로운 방식이 이 연구 페이퍼에서 도입되었다. 결과 값들이 나타내는 점은 경계성 전하 밀도의 절대 값과 steady state에서의 총전하량은 전계 강도 그리고 온도와 함께 지수의 형태의(exponential) 방식으로 각각 증가한다. 게다가, 온도가 전계 강도에 비해서 전하 밀도와 총전하량에 더 큰 영향을 끼치는 모습을 보여주었다. 전계 강도-온도 이동 요인 αT’가 전하밀도 커브  해석을 또는 총 전하량 커브를 전하 밀도 주요 커브로 만들기 위해 도입되었고 또한, 전계와 온도가 결합된 조건에서의  총 전하량 주요 커브도 이에 해당한다. 멀티 레이어(오일-페이퍼) 절연 시스템에 대한 전하 밀도 또는 총전하량을 계산하기 위한 공식들이 이 페이퍼에서 소개되었으며 이는 전하 밀도 또는 전하량을 전계와 온도가 결합된 조건하에서 계산을 가능하게 한다.

1. Introduction

    컨버터 트랜스포머는 High Voltage Direct Current(HVDC) 전력 그리드에 있어서 가장 중요한 장비 중 하나이다. 컨버터 트랜스포머의 외부 부분은 주로 와인딩(winding) 코일과 부싱(bushing)을 열결 하는 데 사용된다. DC 전압 조건하에서, 오일-페이퍼 절연 시스템은 공간/경계 전하의 축적을 용이하게 한다. 공간/경계 전하의 축적은 주요 요소로써 오일-페이퍼 절연체의 성능을 저하시킨다. 공간/경계 전하는 오일-페이퍼 절연체의 전계를 부분적으로 왜곡시키며 이는 절연 재료의 성능 저하 또는 심지어 절연 파괴(insulation breakdown)까지 야기할 수 있다. 현재로써, 두 모델이 절연체에서의 공간 전하 움직임을 설명하는 데 사용된다. 단극(unipolar) 전하 이동 모델과 양극(bipolar) 전하 이동 모델이 이에 해당한다. 공간/경계 전하 시뮬레이션은 공간/경계 전하 이동(migration)과 축적 메커니즘을 이해하기 위해 효과적인 방법으로 제공한다.

    두꺼운 멀티-레이어 절연 시스템에 관해서 공간/경계 전하의 직접적인 측정 방식은 신호가 샘플 두께의 증가와 함께 소멸하려는 경향이 있기 때문에 가능하지 않다. 공간 전하 시뮬레이션에 관한 현재의 연구는 주로 싱글-레이어 구조나 동일한 물질로 구성된 2중 레이어 구조의 샘플에 대해서만 집중되어있다.

    그러므로, 이는 멀티-레이어 오일-프레스 보드와 오일 갭(gap)을 시뮬레이션 방식을 통해 연구하는 것이 필요로 한다. 

    이 연구 페이퍼에서는 양극(bipolar) 전하 이동 모델이 멀티-레이어 오일-페이퍼 절연 시스템에 관해서 공간/경계 전하 특성을 시뮬레이션하기 위해 사용되었으며 이는 upstream finite element method (FEM) 방식을 사용한다. 공간/경계 전하 특성에 관한 전계 강도, 온도, 그리고 전계와 온도의 결합된 영향이 각각 분석되었다. 공간/경계 전하 밀도와 멀티-레이어 오일-페이퍼 절연 시스템의 총전하량을 계산하기 위한 새로운 방식이 전계강도와 온도가 결합된 조건에서 소개되었다.

2. Simulation Method

2.1. Charge Injection

    공간 전하의 주입은 쇼트키(Schottky) 주입 모델을 가정한다(Equation (1) and (2)).

jh: 애노드 측면에서 정공의 유동(flux)

je: 캐소드 쪽에서의 전자(electron)의 유동(flux)

A: Richardson constant(1.2 × 106 A/m^2 ·K^2)

We, Wh: 전자와 정공의 주입 장벽(injection barrier)

kb: 볼츠만 상수( 1.38 × 10^-23 J/K)

E (0,t), E(d,t): 에노드와 캐소드에서의 전계 강도

ε0: 진공의 유전율

εr: 절연 재료의 상대적 절연 상수

e: 한 전하 캐리어의 전하량( 1.6 × 10^−16C)

2.2. Charge Carriers Movement

    절연체에서의 전하 이동은 일관성 있는 방식에 의해 지배된다. Equation (3)는 전계 분배를 설명하는 푸아송 공식이다. Equatiopn (4)는 이동 공식은 전하 캐리어 이동을 설명한다. Equation (5)는 convection equation이며 전하 밀도의 변화를 설명한다.

절연체 내에서 많은 트랩들이 존재한다. 이러한 트랩들은 물리적 화학적 결함으로 인해 생성된다. 전하 캐리어들이 매질(medium)로 이동할 때, 전하들이 갇히는(trapped) 현상이 발생 가능하다. 그동안, 갇흰(trapped) 전하 캐리어들은 트랩으로부터 이탈할 가능성 또한 존재한다. 4가지 타입의 전하 캐리어들이 존재하며 이는 free holes, free electrons, trapped holes 그리고 trapped electrons이다. 그러므로, 전하 밀도의 변화는 다음 수식들에 의해 설명된다.

Bef,hf, Bef,ht, Bet,ht, 그리고 Bet,h: free electrons/free holes, free electrons/ trapped holes, trapped electrons/trapped holes, 그리고 trapped electrons/free holes의 재결합 상수를 각각 나타낸다.

Beft, Betf, Bhft, and Bhtf: free electrons이 갇히는 움직임, 갇힌 electron이 이탈하는 움직임, free 정공이 갇히는 움직임, 갇힌 정공이 이탈하는 움직임을 각각 나타낸다.

Nt,e: 전자가 갇힌 양

Nt,h: 정공이 갇힌 양

Sef: 자유 전자의 밀도

Shf: 자유 정공의 밀도

총 밀도 변화는 이 4가지 형태의 전하 캐리어 변화를 요약한것이며 이는 Eq (10)에 나타나 있다.

2.3. Space Charge Movement at the Interface Between Oil Gap and Oil Impregnated Pressboard

    공간 전하는 두 가지 다른 절연체 경계면에 축적될 수 있다. 유전율(permittivity)과 전도성(conductivity)의 불연속성은 공간 전하 분극화를 야기하며 이는 Maxwell-Wagner (M-W) 분극화로 불린다. M-W 분극화 다이어그램은 Figure 1과 Equation (11)-(14)에 나타나 있다.

U: electrical potential

E1: electrical field strength for dielectric 1

E2: electric field strength for dielectric 2

ε1: relative dielectric constant for dielectric 1

ε2: relative dielectric constant for dielectric 2

l1: conductivity for dielectric 1

l2: conductivity for dielectric 2

ρ: charge density

    경계면에서의 분극화된 전하의 부분은 양쪽 경계면에서 레이어 구조로 이동하게 된다. 레이어로 이동하기 위해, 전하들은 반드시 레이어 구조의 에너지 장벽을 뛰어넘어야 한다. 이러한 움직임은 Eq (15)에 의해서 소개되며 Poole-Frenkel 수식이라고 부른다.

Wi: barrier's energy level (1.2eV)

A': probability of injection (여기서 0.4로 세팅되었다)

Figure 1에서의 모델은 ε2l1−ε1l2의 차이가 경계면에서의 극성이 좌측 또는 우측의 극성과 동일해지는지를 결정한다. 이러한 경우, 두 절연체의 relative dielectric constant가 전도성에 비해 상대적으로 유사하기 때문에 경계면에서의 전하의 극성은 대게 절연체의 전도성 크기에 의해 결정된다. Eq(3)~(5)를 Eq(6)~(9)과 같이 고려하여 해결하고 각 시간에 대한 각 포인트의 공간 전하 밀도를 얻기 위해서는 샘플 모델은 mesh 구조를 가지며 unit length ratio는 0.1009이다. 그리고, upstream finite element method가 적용된다. 플로우 차트는 figure 2에 나타나 있다.

3. Simulation Results and Discussions

3.1. Verification of Simulation Method

3개 레이어 (Oil-Impregnated Pressboard (OIP) + Oil Gap (OG) + Oil Impregnated Pressboard(OIP))는 컨버터 트랜스포머 절연 시스템에 설치된 가장 단순한 두꺼운 멀티-레이어 오일 갭과 오일-페이퍼로 고려된다. 3개의 레이어 (OIP+OG+OIP) 샘플에서의 두 경계면이 존재한다. 한 경계면은 (+) 전하 캐리어 축적을 가지며 반면에 (-) 전하 캐리어 축적이 다른 경계면에서 생겨난다. 이는 DC 전압 조건하에서 두 종류의 전하를 분석하는데 있어서 큰 기여를 한다. 시뮬레이션 결과와 PEA 측정 방식을 통해서 OIP+OG+OIP 구조에 관한 결과 값을 얻었으며 DC 15kV/mm가 적용되었다. 이에 대한 결과는 Figure 3a, b에 나타난다.

    공간 전하 주입은 호모 전하 주입이다. 양 전극에서의 공간 전하 캐리어들은 적용되는 전압이 장시간 이어 질수록 증가한다. 특히, 경계면에서 축적되는 밀도가 증가하게 된다. 캐소드 부근의 경계면에서는 (+) 전하가 축적되며 반면에 에노드 부근의 경계면에서는 (-) 전하가 축적된다. Figure 3b는 3중 레이어 (OIP+OG+OIP)가 DC 15kV/mm에 노출되었을 때 실험적 결과를 보여준다. Figure 3a에서의 시뮬레이션 결과는 Figure 3b에서 보이는 바와 같이 실험적 결과와 유사함을 보여준다. Figure 3c가 보여주는 점은 3중 레이어에 관한 양쪽 경계면에서 전하가 축적된 전하 밀도를 시간에 따라 보여준다. 이 결과로부터 알 수 있는 점은 경계면 부근에 전하 밀도는 0초부터 600초까지 매우 빠르게 증가하며 이러한 증가속도는 1200초부터 포화상태에 도달하기 전까지 서서히 감소하게 된다. DC 전압이 적용된 시간 동안 3중 레이어(OIP+OG+OIP)의 총 전하량 Q는 Eq (16)을 기반으로 계산되었다.

S: area of the electrode

l: thickness of the sample

q(x): charge density at position x, 0≤x≤l

Figure 3d가 보여주는 점은 3중 레이어의 총 전하량 Q는 DC 전압이 적용된 동안  매우 빠르게 증가하며 포화상태에 이르게 된다.

3.2. Electrical Field Strength Influence on the Space/Interface Charge Behaviour

    Figure 4는 20℃에서 다른 전계 강도에 따른 공간/경계 전하 시뮬레이션 결과를 보여준다. Figure 4a, b를 비교하면, 전계 강도의 증가는 뚜렷하게 전하 밀도 증가에 기여한다. 그러나, 경계면에 갇힌 전하의 극성은 바뀌지 않는다. 전계 강도를 20kV/mm에서 40kV/mm로 증가시키면 경계면에서의 전하 밀도 또한 2.4C/m^3부터 11.5C/m^3까지 증가하게 된다. Figure 4가 보여주는 점은 전계 강도는 공간/경계 전하 밀도 값에 매우 큰 영향을 끼친다는 점이다.

    Figure 4c는 (+)와 (-) 전하들이 서로 다른 전계 강도 조건하에 경계면 부근에 축적된 전하 밀도를 보여준다. 더 큰 전계 강도를 적용하게 되면, 전하 밀도의 증가 속도는 1200초 이전에는 매우 크다. 하지만, 1200초부터 1800초까지는 각 전계 강도에서의 전하 밀도의 증가 속도는 거의 동일하다. Figure 4d는 서로 다른 전계 강도 조건에서 캐소드 부근에 축적된 (+) 전하가 steady state에서 의 전하 밀도를 보여준다. Steady state에서의 전하 밀도는 또한 전계 강도의 증가와 함께 지수(exponential) 방식으로 증가한다.

    2중 레이어(OG+OIP)의 오일-절연 구조, 3중(OIP+OG+OIP), 4중, 5중, 6중, 7중 구조는 Figure 5에 나타나 있다. 오일 갭의 두께는 500 µm이며 오일음 함유한 프레스 보드의 두께는 1000 µm이다. 서로 다른 다중 레이어 오일-절연 구조에 관한 캐소드 부근 첫 번째 경계면 부근의 전하 밀도의 절대 값이 Figure 6에 분석되었다. 여기서 알 수 있는 점은, 전하 밀도의 절대 값은 steady state-에서 지수(exponential) 형태로 전계 강도의 증가와 함께 같이 증가한다. 이에 관련된 수식은 Eq (17)과 Table 2에 표시되었다.

Dsteady: charge density absolute value ata steady state

E: electric field strength (kV/mm)

AE, BE and CE: fitting coefficient

고 전계 강도에서는 구조의 영향력은 현저하게 커진다. 15kV/mm에서의 모든 구조물에 관해서 전하 밀도 절대 값은 약 2.5C/m^3이다. 하지만 40kV/mm의 고 전계 강도에서는, 2중 구조는 19.3C/m^3, 3중, 6중 구조는 12.5C/m^3, 4중, 5중, 그리고 7중 구조는 약 9.5C/m^3의 값을 가지게 된다.

    경계면 부근에 축적된 전하는 전극으로부터 주입되는 전하량에 의존적이며 분극화된 전하는 전도성(conductivity), 유전율(permittivity) 그리고 양 경계면에서의 절연체의 두께, 전극으로부터 전하 주입, 그리고 또한 절연체나 경계면으로부터의 전하 이동 등에 대해서도 영향을 받게 된다. 경계 전하 이동과 축적은 Figure 7에 묘사되어있다.  경계면에서 축적된 전하 밀도는 역학적 전하가 축적되기까지의 모습을 나타내고 소멸된 전하는 균형을 맞추려는 경향이 있으며 밀도 값은 변하지 않는다. 서로 다른 레이어 구조는 서로 다른 개수의 경계면을 포함하며 시스템 내에서의 전하 이동 거리는 각기 다르다. 이러한 현상은 경계면에서의 서로 다른 전하를 야기하기 하게 된다. 이 페이퍼에서는, 시뮬레이션 전계 강도는 15kV/mm, 25kV/mm, 30kV/mm, 35kV/mm 그리고 40kV/mm이다. 동일한 전계 강도에 관해서, 전하의 이동과 생성에 관련된 이유로 인해서, 경계면에서의 전하밀도는 서로 다른 오일-페이퍼 구조에 의해 다른 값들을 가지게 되고 이러한 차이점은 특히 고 강도 전계 값을 가질 때 그 차이점이 더욱 뚜렷하게 나타난다.

    다중 레이어 구조의 절연 시스템 내에 존재하는 공간/경계 전하들은 부분적으로 전계의 강도를 강화시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 실제적으로, 경계면에서의 기공(voids)의 존재는 항상 부분 방전 현상의 원인이 되어왔다 이는 항상 동일한 전계에 큰 영향을 끼친다. 현재의 모델에서는, 오일-페이퍼의 결함은 트랩(trap) 밀도에 의해 특징화 된다 (Table 1). 트랩(trap) 밀도는 여기서 오일-페이퍼 시스템 내에서의 전반적인 결함의 특징이지 지엽적인 결함을 뜻하지는 않는다. 아직까지는 경계면에서의 전하 축적과 부분 방전에 관한 지속적인 연구가 필요하다.

    오일-페이퍼의 서로 다른 레이어 구조에 따른 총 전하량과 전계 강도 사이의 관계는 Figure 8에 나타나 있다. 여기서 알 수 있는 점은, 전계 강도의 증가와 함께, 각 다중 레이어 오일-페이퍼 시스템에서의 총 전하량 또한 지수의 형태로 증가한다는 점이며 이는 Eq(18)에 설명되어있다. 결과 값에 대한 Fitting coefficients(Figure 8)의 결과는 Table 3에서 확인 가능하다.

    Figure 8에서 알 수 있는 점은, 프레스 보드 레이어의 구조를 다중으로 증가시킬수록, 더 큰 총전하량의 증가를 가져오며 이는 오일 갭의 레이어를 증가시키는 것보다 큰 값이다.

Qe: total charge quantity at steady state

E: electric field(kV/mm)

Ae, Be and Ce: fitting coefficients

    총전하량은 전반적인 시스템의 전하량의 총합이기 때문에, 시스템이 더 커질수록, 총전하량의 값 또한 더 큰 값을 갖는다. 그러므로, 15kV/mm~40kV/mm까지 각 전계 강도를 시뮬레이션한다면, 절연 구조의 레이어 구조의 증가에 따라 총 전하량 또한 증가하게 된다. 오일 갭 레이어와 비교해보면, 오일을 함유한 프레스 보드 레이어를 추가하는 것이 더 큰 총전하량을 가져오게 되고 그 이유는 프레스 보드의 레이어가 오일 갭에 비해 더 많은 전하의 축적을 유도하기 때문이다.

3.3. Temperature Influence on the Space/Interface Charge Behavior

    Figure 9는 15kV/mm (40℃ and 60℃)에서 3중 구조(OIP+OG+OIP)의 공간/경계 전하 시뮬레이션 결과를 보여준다. 여기서 보여주는 점은, 온도의 증가는 경계면 부근의 축적되는 전하의 밀도를 현저하게 증가시킨다는 점이다. 즉, 더 높은 온도는 더 많은 전하를 절연체 샘플에 주입하게 된다. 이러한 현상에 관한 이유는 주로 온도의 증가는 전하 캐리어에게 더 많은 에너지를 공급하여 이러한 전하 캐리어들이 샘플에서의 에너지 장벽을 극복할 수 있게 하기 때문이고 따라서, 전극 또는 경계면으로부터의 전하들이 레이어로 이동을 가능하게 한다.

   온도와 steady state에서 서로 다른 레이어를 가지는 오일-절연 시스템에 관한 캐소드 부근에서의 경계면 쪽 전하 밀도 사이의 관계는 Figure 10에 나타나 있다. 여기서 알 수 있듯이, steady state에서 전하 밀도 절대 값은 온도와 함께 지수의 형태 (exponentially) 증가한다는 점이며 이는 Eq(19)와 Table 4에 나타나 있다

DTsteady: charge density absolute values at steady state C/m^3

T: Temperature ℃

AT, BT and CT: fitting coefficients

 온도가 20℃에서 60℃로 증가하는 동안 전하 밀도 값은 약 200에서 400배 증가하였다. 경계 전하 밀도의 값이 50℃와 60℃에서 매우 큰 값을 가지기 때문에, 20℃ 부터 40℃까지의 전하 밀도 값은 각각 겹치기 시작한다. 20℃ steady state에서의 전하 밀도의 절대 값은 약 2.5C/m^3을 가진다. 50℃에서 서로 다른 레이어 사이에서의 서로 다른 전하 밀도는 5-20C/m^3이다. 60℃에서 서로 다른 레이어 사이에서의 서로 다른 전하 밀도는 30-80C/m^3의 값을 갖는다. 전극 전하의 주입을 추가하자면, 이는 주로 고온 조건에서 경계면에서 일어나는 전하 소멸과 축적의 더 지배적인 특성 때문이다.

서로 다른 레이어의 수를 가지는 모든 시스템에 관해서, 경계 전하 밀도는 또한 전계 강도의 증가와 함께 같이 증가한다. 그러나, 전계 강도가 15kV/mm에서 40kV/mm로 증가하는 동안, 경계 전하 밀도는 오직 5~10배 정도만 증가한다. 시뮬레이션 결과 값을 비교해 볼 때, 여기서 목격되는 점은, 온도는 전계의 강도보다 시스템의 공간/경계 전하 특성에 더 많은 영향을 끼친다는 점이다.

    멀티 레이어 오일-페이퍼 절연 시스템에 관한 총 전하량과 온도 사이의 관계는 Figure 11에 나타나 있다. 여기서 주목할만한 점은, 온도의 증가는 어떠한 종류의 다중 오일-페이퍼 절연 시스템 내에서의 총전하량을 지수(exponentially) 형태로 증가시키며 이는 Eq(20)와 Table 5에 나타나 있다. 

QQt: total charge quantity at steady state with unit C

T: Temperature with unit ℃

A_QT, B_QT, C_QT: fitting coefficient

Figure 11로부터 알 수 있는 점은, 서로 다른 온도와 동일한 DC field 조건 (15kV/mm)에서, 오일-프레스 보드 레이어의 증가는 더 큰 총전하량을 가져오며 이는 오일 갭의 증가보다 더 큰 수치이다.

4. Space/Interface Charge Behaviour Under the Electrical-Thermal Combined Stress

4.1. Charge Density Calculation Method for the Electrical-Thermal Combined Stress

    만약 전계 강도와 온도가 결합된 효과가 전하 밀도에 미치는 영향이 수량화될 수 있다면, 이는 컨버터 트랜스 포머에 사용된 멀티-레이어 오일-페이퍼 절연 시스템에서 전하 분배를 이해하는 데 있어서 매우 중요한 역할을 할 수 있다. 이 페이퍼에서는, 전계 강도와 온도가 결합된 전하 밀도는 전하 밀도 커브의 해석을 통해 계산되었다. 3중 레이어 (OIP+OG+OIP) 샘플이 제안된 방식을 설명하기 위해 선정되었다.

    DC 전압이 1800s 동안 적용된 steady state에서 3중 레이어 구조에서의 전하가 캐소드 부근 경계면에 축적된 전하 밀도 절대 값이 전계 강도와 온도가 결합된 조건에서 가지는 모습은 Figure 12에 나타나 있다. 각 온도에서, steady state에서 경계 전하 밀도 절대 값은 전계 강도에 따라 지수의 형태로 증가하며 이는 Eq (17)로 설명된다.

    Steady state 상태 그리고 40℃ 온도에서의 경계 전하 밀도 절대 값은 참고 온도로 선정된다. 40℃이하 전계 강도 조건에서 전하 밀도 변화의 커브는 참고 커브로써 선정되었다. 그러고 나서, 20℃, 30℃ 이하 그리고 전계 강도와 함께 하는 조건에서의 전하 밀도 변화의 커브는 x축에서 참고 커브 방향으로 수평적으로 이동되었다. 3가지 커브들의 조함은 전하 밀도 주요 커브라고 일컬어지며 Figure 12에서 보인다.

    온도 T' (T'=20℃, 30℃, or 40℃)에서 오리지널 커브에 관한 한 포인트에서의 전계 강도의 비율 주요 커브로 이동 이전과 이후에 전계 강도-온도 이동 요인 αT로 정의되며 이는 수식 Eq (21)에 나타난다. ET’는 커브 이동 이전에 관련된 온도 T' 그리고 오리지널 커브에 관한 한 포인트에서의 전계 강도이다. Eref-T는 온도 T'에서 커브가 참고 온도 T로 이동한 후에 한 지점의 전계 강도이다. 참고 온도 T=40℃에서 αT’ 값은 α40=1 정의된다. 30℃ 그리고 40℃에 관한 참고 온도 αT’ 값은 각각 α30과 α20으로 정의된다. 주요 커브로 이동 전후 그리고 이우에 대한 전계 강도 값을 기반으로 α30과 α20이 계산되며 α30=2 그리고 α20은=4의 값을 가지며 이는 Figure12에 나타나 있다.

전계 강도-온도 이동 요인 αT’는 또한 Arrhenius 수식을 통해 표현 가능하며 이는 Eq(23)에 나타나 있다.

R: Boltzmann constant, 8.314JK^-1

Ea: activation energy, KJ/mol

T: Temperature before shifting 

Tref: the reference temperatur, K

αT’를 기반으로 한 결과 값은 Figure 12에 나타나 있다. 삼중 구조에 관한 계산된 activation energy는 55kJ/mol이며 이는 Stanmm의 연구에서 제시한 값과 유사하다. 이것이 의미하는 바는 전계 강도와 온도가 결합된 영향력 아래에서 전하 밀도에 관한 위의 계산 방식이 옳다는 것을 말한다. 그러므로, 참고 온도에서 주요 커브의 fitting charge density data에 의해 3중 구조 (OIP+OG+OIP)와 관련된 전계 강도와 온도가 결합된 영향에 관해서 전하 밀도를 계산하기 위한 공식이 얻어지며 이는 Eq(22)에 나타나 있다. 전계 강도와 온도가 결합된 영향 조건하에서의 전하 밀도는 변화 요인 αT에 따라 주요 커브를 제거함으로써 얻어진다.

    위의 변화 방식과 함께, 멀티-레이어 오일-페이퍼 절연 시스템에 관한 전하 밀도 주요 커브가 얻어지며 이는 Figure 13에서 확인 가능하다. 경계면에서 steady state 전하 밀도 계산에 관한 수식들은 Table 6에 나타나 있다. Table 6에 포함된 수식들을 이용하여, steady state 경계성 전하 밀도는 서로 다른 오일-페이퍼 절연 시스템과 관련된 전계 강도+온도 조건을 반영하여 계산 가능하다.

4.2. Total Charge Quantity Calculation Method for the Electrical-Thermal Combined Stress

     위에서 제안된 변화 방식을 사용함으로써, 전계 강도와 온도가 결합된 영향력 아래에서 총전하량에 관한 주요 커브들이 서로 다른 레이어 구조의 절연 시스템에 관해서 얻어질 수 있으며 이는 Figure 14에 나타난다. 서로 다른 레이어에 관한 전계 강도와 온도가 결합된 영향력 아래서 총전하량을 계산하기 위한 수식들은 Table 7에 정리되어 있다. Table 7로부터의 수식들을 사용하여, 어떠한 온도 또는 어떠한 전계 강도에서 오일-페이퍼 절연 시스템의 서로 다른 레이어에 관한 총전하량을 계산할 수 있다.

5. Conclusions

     Steady-state에서 경계 전하 밀도 절대 값은 전계 강도와 온도가 증가함에 따라 지수 형태로 증가하게 된다. 온도는 전계 강도보다 더 큰 영향을 전하 밀도에 끼친다. 멀티-레이어(오일 갭-오일-프레스 보드 시스템)의 총 전하량 또한 전계 강도 또는 온도의 증가와 함께 지수의 형태로 증가한다. 온도는 전계 강도보다 총전하량에 더 큰 영향을 끼친다.

    전계와 온도가 결합한 영향력 아래 멀티 레이어 (오일-페이퍼) 절연 시스템의 공간/경계 전하 밀도 또는 총전하량을 계산하기 위해 새로운 방식이 제안되며 이는 전하 밀도의 변화 또는 총 전하량 커브를 사용한다. 전계 강도-온도 이동 요인 αT’이 이 페이퍼에 도입되었다. 전계 강도와 온도가 결합된 조건에서 멀티-레이어 오일-페이퍼 절연 시스템의 전하 밀도 또는 전하량 계산하기 위한 수식들이 소개되었다.

출처:

[1] R. Zou, J. Hao, and R. Liao, “Space/interface charge analysis of the multilayer oil gap and oil impregnated pressboard under the electrical-thermal combined stress,” Energies, vol. 12, no. 6, 2019.

Abstract

    AC 전계와 AC-DC 전계 조건 하에서 오일-합판 내부의 공간 전하가 automatic equipartition phase shift(AEPS)를 기반으로 한 빠른 공간 전하 측정 시스템과 함께 측정되었다. Phase 해상도는 1.79°이며 예를 들어 전체 주기 동안 201 equal division. 공간 전하 축적은 15kV/mm의 AC 전계에서 뚜렷한 모습을 보이지 않는다. 호모 전하들이 그라운드 된 전극에서 축적되고 전하밀도는 상부 전극으로 방향으로 점점 감소한다. 전하 주입의 양과 전하의 이동 거리 모두 전계의 형태와 강도에 매우 의존적이다. 공간 전하 축적은 15kV/mm의 AC-DC로 결합된 전계에서 상당하다. 음(-) 공간 전하 분배는 전반적인 주기에서 오일-프레스보드에서 지배적이다. 이는 주로 AC-DC 전계 조건하에서 전계와 분극화 시간 균형의 방해로 인해 일어난다. 극성 역전(예를 들어, 전합이 주기적으로 0V를 통과하는 것)은 DC 구성 요소들이 특정 영역을 초과하는 경우를 반드시 고려해야 한다. 오일-프레스보드에서 공간 전하의 축적은 전계 분배를 왜곡시킬 수 있다.

Introduction

    컨버터 트랜스포머는 가장 중요한 전기적 장비들 중에 하나이다. 이것의 사용은 현재 전 세계적이며 이는 HVDC (high voltage direct current) 송전 기술의 발전에 많은 기여를 했다. 컨버터 트랜스포머의 벨브 사이드(valvle side)는 AC와 DC 전계 모두 노출될 뿐만 아니라 DC full-voltage와 분극화 역전에 의해서 매복(impaction) 현상 (예, 전하 축적) 또한 일어나게 된다. 그러므로, 주요 절연체에 관해서 동작 응력은 복잡한것으로 여겨진다 (예, 오일-프레스보드). 공간 전하 축적은 오일-페이퍼 절연체의 낮은 전도성 때문에 피할 수 없는 현상이다. 이러한 현상은 DC 전계 조건하에서 더욱 뚜렷하며 이는 오일-프레스보드 절연 샘플 내에서 상당한 전계 왜곡 현상을 야기시킬 수 있다. 이는 전기적 노쇠화와 절연체의 성능 저하를 가속화시킨다. 공간 전하는 AC 조건 하에서 또한 오일-프레스보드 샘플 내에 축적될 수 있지만 축적되는 전하의 양은 뚜렷하게 나타나지는 않는데 그러한 이유는 각 분극화 (+,-극의 변환) 기간 동안 전하의 주입과 추출(extraction)을 반복하기 때문이다. 공간 전하의 축적으로 인해서 전계가 특정 강도를 초과하게 되면 이는 절연체 파괴를 야기할 수 도 있다. 하지만, DC 전계와 비교하면 AC 전계에 관한 공간 전하 조사는 아직도 충분하지 않다. AC 전계 조건에서의 공간 전하 형성 메커니즘은 아직도 더 많은 연구를 필요로 한다. 이러한 상황의 주요 이유는 AC 전계에서 짧은 기간 동안 공간 전하를 탐지하는 효과 적인 장비의 부족이다. 여러 연구들에 따르면 AC 조건하에서 오일-프레스보드의 공간 전하 측정과 관련된 몇 가지 탐지 시스템이 개발되었다. 몇몇의 현상들이 50Hz AC 전계에서 관측되었으며 이는 약간의 공간 전하 축적이 특정 위상에서 전극 근처에 발견된다. 하지만, 공간 전하 탐지에 관한 phase 해상도(resolution)는 제한적(오직, 18°)이다. 이는 너무 거칠어서 전체 주기 동안 오일-프레스보드에서 공간 전하 특성을 결정하기 힘들다. 최근, automatic equipartition phase shift (AEPS) 원리가 위상 감지 오류 분석을 기반으로 제안되었다. 이는 source 감지에 있어서 PEA 방식에 관한 전기적 펄스 같은 주파수 제한점을 극복하였다. 더욱이, phase 해상도는 주기적 응력에 관한 주파수 수집을 통해서 쉽게 강화되고 이는 AEPS원리의 특징적인 수식을 따라서 source를 감지한다.

    이 페이퍼에서는, AC와 그리고 AC-DC로 결함된 응력들이 수집되어 컨버터 트랜스포머 밸브 사이드 쪽을 극도의 동작 조건으로 시뮬레이션한다. 주기적 응력에 노출된 오일-프레스보드에서 공간 전하는 AEPS 기술을 기반으로 하는 빠른 공간 전하 시스템에 의해서 측정된다. 마지막으로, 전하 형성은 높은 phase 해상도(resolution)에 관해서 공간 전하 행동을 기반으로 논의된다.

Experiment

A. Sample Preparation

    미네랄 오일 (타입: #25 produced by Changcheng company)가 사용되었다. 그리고, Huapeng company에서 제공된 프레스보드는 섬유소 절연 페이퍼가 사용 되었으며 싱글 레이어의 두께는 500 um이다.  첫번째로, 절연 페이퍼는 8cm 지름의 원형 모양으로 준비되었다. 그리고 나서, 오일과 프레스보드는 50°C의 진공 오븐에서 24시간 동안 각각 배치된다. 마지막으로, 이렇게 준비된 프레스보드는 절연 오일에 함유되어 상온에서 24시간동안 함유 과정을 가진다.

B. Waveforms used for polarization

    두 종류의 주기적 응력 (AC 그리고 AC-DC 결합 응력)이 수집되어 컨버터 트랜스포머 밸브 사이드에서 극도의 운용 조건으로 시뮬레이션된다. AC 응력에 관한 전계 값은 15kV/mm rms 값을 적용하며 주파수는 50Hz이다. AC-DC 결합 응력에 관해서는 약 36.21kV/mm 그리고 -6.21 kVmm가 각각 적용된다.

C. Space Charge Measurement

     AC 그리고 AC-DC 결합 조건하에서의 공간 전하 특성은 AEPS 원리에 의해서 관측된다. 이는 AC응력과 펄스를 감지하는 것에 대해서 주파수의 수집을 쉽게 실현할 수 있다. 위상(phase)을 감지하는 것은 빠를 뿐만 아니라 보조적(auxiliary) 위상(phase) shift 장비 없이 자동적으로 shift 된다. 더욱이 equal division이 이 프로세스 동안 실현 가능하다. 펄스 주파수 fp는 2010Hz로 수집되며 이는 AC 주파수 fa: 50Hz의 특징적인 수식을 따른다. 또한, equal division은 201로써 AEPS 원리에 따라 위상 해상도 △'를 약 1.79˚를 실현시키기 위함이다.

    실험은 실온에서 수행되었다. 상부와 하부 전극들의 재료들은 각각 semicon과 Al이다. Semicon은 어쿠스틱 임피던스 매칭을 위해 사용되며 이는 ethylene vinyl acetate copolymer (EVA)와 conductive carbon black(CCB)로 구성된다.

Results and Discussions

A. Identification of Detecting Phase

    주기적 조건하에 공간 전하 측정 동안 Phase의 확인은 필수적 단계에 속한다. 측정하는 phase의 equal distribution은 AEPS원리를 기반으로 쉽게 실현 가능하다. 하지만, phase의 감지는 측정 시스템에서 초기의 여분의(auxiliary) phase trigger 장비 없이 무작위적이다. 그러므로, phase를 감지하는 것은 AC와 AC-DC로 결합된 응력 조건에서 공간 전하의 특성을 결정하기 위해 확인 작업이 필요하다.

    두 가지의 확인 방법이 이전의 연구들에 의해 소개되었으며 첫 번째 방법은 AEPS원리이고 두 번째 방법은 Hilbert transform 방식으로 임의적인(arbitrary) 파장의 기본 파형 요소를 기반으로 한다. AC와 AC-DC 웨이브는 일반적으로 주기적인 응력으로 단순히 공식적으로 이루어진다. 감지되는 위상에서 주기적 응력의 전압 (Va)가 위상 확인을 위해 사용되며 이는 정확한 위상 확인을 위한 것이다. Figure 1에서 보이는 바와 같이, 오실로스코프에 의해서 공간 전하 분배와 연관된 신호를 동시에 얻는 게 가능하다. 확인 작업의 결과물은 Figure 2에 나타나 있으며 이는 AC와 AC-DC 결합 응력을 포함한다. 뚜렷하게 위상을 감지하는 것에서의 별개의(discrete) 전압(Va)은 적용된 방식에 의해 위상 확인을 구별한 뒤에 주기적 응력과 함께 겹친다. 각 위상 감지 사이의 위상 간격은 동일한 분배를 가진다. 그 값은 약 1.7˚를 가지며 이는 AEPS원리를 기반으로 Figure 1에서 처럼 계산된 위상 해상도 △'와 동일하다. AC-DC 결합된 응력과 관련해서, 0V를 지나는 위상은 Figure 1(b)에서 처럼 Z0과 Z1로 표시되었다.

B. Space Charge Behavior under AC Stress

    공간 전하 특성은 위상 확인 후에 결정된다. 이 연구 페이퍼에서는, deconvolution이 신호 프로세스에 사용되며 이는 시스템에서 생기는 오류를 제거하기 위함이다. 음파 신호의 회복은 500um의 프레스보드 내에서의 파장 진행에 있어서 심각한 확산(dispersion)과 감쇠로 인해서 실현되기 어렵다.

    AC 15 kV/mm 조건에서의 공간 전하 특성은 Figure 2에서 나타난다. 이는 AC 응력이 오일-프레스 보드에 적용된 후 즉각 적인 모습이다. 공간 전하 분배는 최대 전계를 가지는 위상에서 거의 대칭적이다 (Figure 2(a), 90.41° 그리고 269.51°). 전하 피크는 낮으며 그라운드 전극과 비교하여 그리고 상부에서 넓게 되어있다. 이는 확산(dispersion) 그리고 음파의 감쇠와 연관되어 있을 가능성이 있다. 그리고, 여기서의 분석은 그라운드 된 전극 주변에서 공간 전하 분배에 초점을 맞추고 있고 이는 상부 전극 주변에서의 불충분한 공간 전하 해상도(resolution) 때문이다. 약간의 공간 전하의 양은 프레스보드에서 Area B에서 처럼 보여지듯이 관측이 가능하다. 명백하게, 이 공간 전하들은 전계에 상응하는 호모전하들이다. 호모전하 밀도는 그라운드 전극 근처에서 최대 값을 가진다 (약 2.4 C/m3). 그리고 상부 전극을 향할수록 감소한다. 이는 호모전하의 주요 소스는 하부 전극으로 부터 전하 주입으로 보여진다. 이 추론(deduction)은 Fig 2(b)에서 보여지는 것 처럼 전반적인 주기에서 추가적으로 공간 전하의 역하에 의해 확인 가능하다. 공간 전하 축적은 전극에서 많은 양의 유도된 전하로 인해서 뚜렷하지 않다. 하지만, 공간 전하 특성은 Area B에서 전하 밀도 스케일의 감소 후에 뚜렷하다. 호모전하 (전자와 정공, electron and hole)는 그라운드된 전극에서 주입이 가능하고 상응하는 전계 조건하에서 상부 전극으로 이동 가능하다. 주입된 전하의 양과 이동 거리 모두 전계에 의존한다.

C. Space Charge Behavior under AC-DC Combined Stress

    AC 응력 조건하에서 공간 전하 행동에서의 DC 요소의 효과는 Figure 3에 나타난다. 이는 또한 적용된 전압에 관하여 오일-프레스보드에서 감지된다. DC 그리고 AC 요소들이 모두 15kV/mm로 수집되며 이는 컨버터 트랜스포머 안에서의 극도의 동작 조건을 시뮬레이션한다. Figure 3 (a)에서 보이듯이, 공간 전하 축적은 위상 89.71°과 270.62°에서 상당하다. 음(-) 공간 전하 분배는 두 phase에서 지배적이다. 89.71°에서 공간 전하 밀도는 뚜렷하게 270.62°에서의 위상에서의 밀도 값 보다 더 크다. 이는 Figure 1(b)에서 보이는 것 처럼 전계와 분극화 시간에 관해서 균형의 방해에 의해 야기된다. 이렇게 두 위상 근처에 전계는 약 36.21 kV/mm 과-6.21 kV/mm의 값을 각각 가진다. 그러므로, 전하 주입(electron and hole)의 균형은 프레스보드에서 깨지게 된다. 많은 전자들이 프레스보드에 주입되게 되고 이는 상당한 양의 음(-) 공간 전하 축적을 야기하게 된다. 

    결합된 응력 조건에서 공간 전하 역학 특성은 Fig 3(b)에 나타나 있다.

음(-) 공간 전하 축적은 그라운드 전극 부근에서 중요하며, 특히 Area C 밀도 영역에서 이런 점이 나타난다. 전체적인 주기 동안 DC 요소에 의해서 강화된 전계로 인해서 관측 가능하다. AC 응력 조건에서 공간 전하 특성과 비교하면, 대칭적인 분배 DC 요소와 결합된 AC 응력 후에 사라진다. 이 조건에서, 분극 역전 지점 (즉, 0V를 주기적으로 지나는 전압)은 반드시 고려되어야 하는 문제점이다. 전기적 장비의 절연은 보통 심각한 전기적 왜곡으로 인해 파괴되며 이러한 왜곡은 절연체에 상당히 축적된 헤테로 전하들로 인해서 일어난다. 분극 역전에서 공간 전하 분배들은 Figure 3에서 Z0과 Z1로 표시되었다. 그라운드 된 전극에서 포함된 전하는 (+)이며 전하 밀도가 전압이 0V임에도 높게 나왔다. 이는 현저하게 그라운드 전극 근처 공간 전하 축적에 의해서 야기된다. Z0와 Z1를 통과하는 전계는 왜곡될 수 있다. 이는 Figure 4에서 보인다. 위상 Z0을 지나는 지점에서, 그라운드 전극 주변에 축적되기 시작하는 (-) 전하들은 결합된 응력 조건하에서 헤테로 전하로 여겨진다. Figure 4(a)에서 보이는 것처럼, 전계의 방향은 공간 전하 Esp에 의해 일어나며 이는 결합된 응력 조건하에서 적용된 전계(Eap)와 동일하다. 그라운드 전극 주변 전계는 이 경우 강화될 수 있으며 이는 전극으로부터의 더 많은 전하들의 주입을 야기한다. 위상 Z1을 지나는 지점에서, 음(-) 공간 전하는 Figure 4에서 처럼 호모 전하들로 시작한다. 전계는 그라운드 전극 주변에서 전계가 줄어들고 이는 Eap와 Esp에 같은 방향에 의해 일어난다. 그러므로, 전계는 DC 요소에 의해 일어나면 이는 컨버터 트랜스포머의 작동 기간 동안 반드시 통제되어야 한다.

Conclusions

AC와 AC-DC 전계 응력 조건하에서 오일-프레스보드에서의 공간 전하는 공간 전하 특성을 기반으로 높은 위상 해상도로 조사 되었다. 다음은 이 연구페이퍼로 부터 도출되는 몇 가지 결론이다.

1) 오일-프레스보드에서 공간 전하 축적은 AC 전계 (15kV/mm) 조건에서 뚜렷하지 않다. 호모 전하는 그라운드 전극 근처에서 축적되며 상부 전극으로 향할수록 상부 전극이 감소한다. 이는 아마도 전극으로부터의 전하 주입과 연관되어 있는 것처럼 보인다. 주입된 전하의 양과 전하 이동 거리는 전계에 의존적이다.

2) 공간 전하 축적은 15kV/mm의 AC-DC 결합된 전계 조건에서 동일한 요소에서 중요하다. (-) 음 공간 전하 분배는 오일-프레스보드내에서 전체적인 기간동안 지배적이다. 이는 AC-DC 전계 조건에서 주로 전계의 균형에서의 방해와 분극화로 인해 일어난다.

3) 분극 역전 (전압이 0V를 주기적으로 지나는 지점)은 DC요소가 특정 영역을 초과할 경우 반드시 고려하여야 한다. 오일-프레스보드 내에서 공간 전하의 축적은 전계를 왜곡시킨다.

출처: 

[1] R. Huang, J. Wu, Q. Wang, and Y. Yin, “Study on space charge behavior of oil-paper insulation under AC-DC combined stress,” C. 2016 - Int. Conf. Cond. Monit. Diagnosis, pp. 984–988, 2016.

    오일과 페이퍼(또는 프레스보드)는 트랜스포머(변압기)에서 절연체로써 널리 사용된다. 트랜스포머의 서비스 오류는 절연체의 컨디션과 밀접하게 연관되어 있으므로 절연체의 상태를 모니터링하는 것은 매우 중요하다. 전 세계 대부분의 파워 트랜스포머는 미네랄 오일을 주요 트랜스포머 오일로 채택하여 사용하고 있음에도 미네랄 오일은 낮은 발화점과 높은 환경 파괴 위험성을 동시에 가지고 있기도 하다. 특히, 낮은 생물학적 분해성과 높은 독성 성분들로 인해서 현대 사회에 접어들어서는 트랜스포머에 필요한 대체 절연 용액을 강조하여왔다. 최근, 네추럴 에스터 오일은 그것이 가지고 있는 높은 절연 강도, 높은 발화점, 그리고 우수한 생물학적 분해성으로 인해 많은 주목을 받고 있는 중이다. 또한, 에스터 오일은 수분 용해성에 특징과 황(sulfur) 물질을 함유하고 있지 않기 때문에 황(sulfur)과 관련된 부식을 억제할 수 있다. 이러한 특성은 트랜스포머 오일의 기계적 생명을 더 장기화하는데 유리하게 작용된다. 더욱이, 섬유소 기반의 페이퍼 (프레스보드)는 에스터 오일에서의 노쇠화 이후에 더 적은 영향을 받고 있음을 보여주는데 이는 더 높은 더 높은 중합 반응도(degree of polymerisation)을 통해 나타난다. 

    오일로 채워진 트랜스포머의 보통의 작동 온도는 60~65℃ 이지만 갑작스러운 부하 전류나 간헐적 폴트(faults)로 인해서 트랜스포머의 절연적 온도는 상승하는 경향을 보인다. 미네랄 오일의 열전도 능력은 매우 낮기 때문에 이로 인해서 특정 영역에 열을 집중 강화시키게 되고 결국 부분적 핫스팟(hotspot)을 야기한다. 핫스팟 부근의 온도는 200℃까지 상승할 가능성이 있으며 이로 인해서 트랜스포머 오일과 페이퍼(프레스보드) 절연체에 영향을 줄 수 있다. 핫스팟 형성이 지속될수록 절연체의 절연적 특성은 변하게 된다. 서로 다른 전기적 스트레스에서 이온적 움직임(mobility)은 절연체의 특성을 이해하는데 매우 핵심적인 단위이다. 잘 알려져 있다시피, 초기의 방전(discharge)은 트랜스포머의 최악의 고장을 야기할 수 있다. 따라서 오일과 프레스보드 재료에서의 표면 방전에서의 코로나(corona) 같은 초기(incipient) 방전(discharge)을 확인하는 것은 매우 중요해졌다. 또한, 광학 방출 기술(optical emission technique)은 방전 또는 지역 플라스마 온도 변화 동안에 형성된 방전 형태를 확인하는데 많은 공헌을 하였다. 

    컨버터 트랜스포머(converter transformer)는 AC 전압 스트레스(stress)에 노출될 뿐만 아니라 맥동(pulsating)하는 전압에도 노출된다. AC/DC 변환 아웃풋 전압 파형(waveform)에 왜곡을 야기한다. 추가적으로, 부하(load)의 다양성으로 인한 서로 다른 Total Harmonic DIstortions (THDs)와 함께하는 harmonic 전압의 형성은 높은 dv/dt 스트레스를 절연체에 제공한다. 오일로 함유된 프레스보드(Oil-Impregnated Pressboard, OIP)에서는 펄스의 전압이 부분 방전(partial discharge) 특성에 상당한 영향을 미치는 것으로 보고된다. 따라서, 이는 오일과 OIP 재료를 전압 파형 왜곡(voltage waveform distortion)의 조건하에서 테스트하는 것이 필요하다. 

출처: [1] S. Thakur and R. Sarathi, “Investigation on insulation performance of thermally aged natural ester oil impregnated pressboard,” IET Sci. Meas. Technol., vol. 13, no. 8, pp. 1194–1202, 2019.

ABSTRACT

    오늘날, 절연체에서의 공간 전하 측정에 관한 여러 방법들이 더 정교하게 발전되었다. 하지만, 서로 다른 공간 전하 측정 방법들의 존재는 칼리브레이션(calibration)과 측정 장비의 특징을 표준화시키여야 하는 필요성을 야기시켰다. 이 페이퍼에서는, 만들어진 샘플 내부에 존재하는 전하들이 어쿠스틱 방식과 열적 방식으로 사용될 수 있으며 두 가지의 측정된 값은 칼리브레이션 목적성에 부합하여 비교된다. 유효성을 위한 실험적 결과는 평평한 샘플을 이용하여 얻어졌으며 1개의 레이어와 멀티 레이어 샘플이 비교되었다. 추가적으로, 이 방법은 공간 전하 측정 시스템의 해상도나 정확도에도 사용될 수 있다.

1. INTRODUCTION

    고 전압 직류 (HVDC) 시스템의 사용성 증가와 함께, 공간 전하(space charge) 현상은 시간이 지날수록 더 주목을 받고 있다. 전기적 장비의 절연체 내부에서의 공간 전하의 존재는 전계(electric field)를 왜곡(distort)시키며 이는 전기적 노쇠화를 가속화시키며 심지어 전기적 장비의 고장을 야기할 수도 있다. 공간 전하를 측정을 위에 가장 널리 사용되는 비 파괴적(non-destructive) 방식은 어쿠스틱(acoustic)과 열적(thermal) 측정 방법이다. 이러한 방식들은 전하들(charges)이 전기적 방해로 인한 전하의 들뜬상태(exciting)의 원리는 따르고 기계적 반응을 측정할 뿐만 아니라 전하가 기계적으로 들뜬상태가 되었을 때 전기적 반응을 측정하는 반대의 방법(reverse method) 또한 따른다.

    어쿠스틱 왜곡과 전기적 신호 변환 증폭기 (transducer-amplifier)로 인해서, 공간 전하 측정 방법들은 보다 정확한 측정값을 얻기위해서 측정 이전에 수학적 계산과정이 필요하다. 이러한 선처리 과정은 디콘볼루션(deconvolution) 과정을 포함하고 있다. 그리고 전압이 공간 전하가 전하가 존재하지 않는 샘플에 적용되었을 때, calibration은 전극(electrodes)에서 표면 전하의 값들의 측정에 의해서 얻어진다. 전극에서의 어쿠스틱 신호들의 생성과 전파(propagation)에 관한 어쿠스틱 불연속성의 존재는 아직까지도 완전하게 설명하기 어려우며 이는 calibration에 영향을 미칠 가능성이 있다. 이 연구페이퍼에서는 calibration 목적에 관한 방법에 대해 서술하고 있으며 고형의 절연 샘플들은 공개된 저하 값들은 외부 전압에 의해 통제되며 이는 calibration과 장비 특성화에 사용된다. 절연체에서 공개된 공간 전하 값을 모방하기 위한 멀티레이어 샘플들의 사용의 유효성은 이 페이퍼에서 pulsed-electroacoustic (PEA) 방식을 통해서 증명되었다.

2. THEORETICAL BACKGROUND

    이전에 언급한 바와 같이, 공통적인 calibration 절차는 deconvolution 과정을 사용한 transfer function의 계산을 포함한다. PEA 방식에 관해서, deconvolutions는 이전에 측정 과정에서 사용되는 공통적 방식이다. 공간 전하가 존재하지 않는 샘플과 알려진 전압을 사용함으로써, deconvolutions은 전기적 그리고 어쿠스틱 왜곡 이전에 실제 측정된 신호와 계산된 신호에 사용을 통해 수행된다. 이 과정으로부터, 에러(errors)가 아마도 발생할 수 있으며 transfer function이 외부에 전극에서 발생하는 pressure wave와 비교함으로써 계산되며 이는 절연체의 전하들에서 오는 신호에 비해 다른 임피던스(impedance) 부조화(mismatch)를 가진다. Equation (1)-(3)은 하부 전극, 상부 전극, 그리고 절연체 샘플(insulation bulk)에서 발생된 pressure waves를 (샘플에서 하부 전극까지 전송된) 각각 나타낸다.

는 일시적인 pressure wave이며 [Pa]는 하부 전극, 상부 전극, 그리고 샘플 내부에서 각각 발생한다. F 는 푸리에 변형(Fourier Transform)을 대표하며, kg(x)는 기하학적 요소이다( 평평한 샘플의 경우 이는 수식 (1)과 동일하다. α(ω) 요인은 주파수 의존성 감쇠(frequency depedent attenuation) [neper/m]이며 이는 매질을 통한 전달 과정 동안 파장 강도(wave magnitude)의 감소를 설명한다. β(ω)는 주파수 의존성 위상 요인 (phase factor) [1/m]이며 확산(dispersion)이다. 그리고 이는 소리의 속도가 주파수 의존성이라는 것을 설명한다. 추가적으로 t는 시간[s], d는 샘플 두께[m], 그리고 v 는 샘플을 가로지르는 어쿠스틱 파형(acoustic wave)의 전파속도의 평균값을 나타낸다. 

는 하부 전극과 상부 전극 경계면 그리고 샘플에서의 각각의 생성 계수를 나타낸다. 생성된 pressure waves는 나눠지고 두 방향으로 이동할 때, 오직 transducer가 존재하는 하부전극에서만 감지된다.

는 어쿠스틱 임피던스 부조합으로 인한 하부 전극에서 전파 계수(transmission coefficient)이다.

상부 전극, 절연체, 그리고 하부 전극에서의 어쿠스틱 임피던스 [[kg·m^−2·s^−1]를 각각 나타낸다. Equation (7)-(9)에서 보다시피, 센서로 향하는 pressure waves의 부분 값 (분수 값)은 하부 전극, 샘플, 상부전극에 따라 다르다.

 이 pressure waves는 경계면에서 전달 상수 (transfer coefficient)에 영향을 받으며 샘플에서 발생되는 파장을 상쇄시키지만 상부에서의 파장은 해당되지 않는다. 외부 전극 신호들을 사용하여 전달 함수(transfer function)에 공통적으로 계산되기 때문에 이는 아마도 샘플로부터 온 측정된 신호에 편차(deviation)를 야기하게 된다. 전극들의 배열은 Figure 1에 보인다.

    공개된 전하의 값으로부터 시작된 절연체에서의 pressure wave의 압력의 사용과 함께, transfer fuctions은 직접적으로 절연체 샘플에 상응하여 계산된다. 어쿠스틱 감쇠 요인 같은 다른 값들은 아마도 샘플의 분명한 위치에서 직접적으로 공개된 전하 pressure waveforms과 비교를 통해 계산된다.

2.1. CALCULATION OF CHARGES

    절연체 레이어가 겹겹이 쌓여있는 모델에 관해서 공간 전하 측정이 이루어지며 이는 절연체와 절연체 사이의 경계면(나노 단위 두께 전극과 함께) 단일 단위에 샘플을 형성한다. 기하학적 측면과 절연체 레이어를 통제함으로써 두 전극 사이의 캐패시턴스 값을 알 수 있다. 각 전극에 대해서 캐패시턴스, 전압, 그리고 전하 사이의 관계는 다음과 같이 표현된다.

C는 칼리브레이션 샘플에서 각 전극 사이에서의 상호 캐패시턴스 값 [F]을 나타낸다. 대각선(diagonal) 값들은 각 전극의 캐패시턴스 값들이 무한대로 향함을 나타낸다. 칼리브레이션 샘플에서의 Q는 전하 [C] 그리고 U는 전압 [V]를 각각 나타낸다. 

    두 레이어로 구성된 샘플과 전극들의 모습은 Figure 2에 나타나 있다. 이 피규어에서 외부의 큰 원은 그라운드에 접지된 원형 쉘(shell)을 나타내며 이는 무한대의 반지름을 가진다. 비록 원형의 쉘이 무한대임과 동시에 더 낮은 전극(electrode (1) in Fig 2)이 동일한 그라운드 전압을 가지더라고 이는 독립적인 전극으로 고려되며 이를 통해 다른 전극들에서의 전압으로 인한 이 전극(electrode (1))에서 존재하고 있는 전하를 계산한다.

2.2. VOLTAGE APPLICATION AT THE DIELECTRIC BULK ELECTRODE

    이전에 언급한 바와 같이, 측정 방식은 경계면에서의 전극에서 고정된 전압으로 구성되며 이는 알려진 전하를 생성하기 위함이다. 그리고 후에 이들을 공간 전하로써 측정하며 여기에서 어쿠스틱 방법이 칼리브레이션 목적으로 사용된다.

    멀티레이어 샘플을 갇힌 전하(trapped charge)를 가진 싱글 레이어 절연체와 가능한 한 닮게 하기 위해서 경계면(interface)은 기계적 파형(mechanical wave)을 위해서 가능한 한 안 보이게 해야 한다. 이 방식에 의미는 전극 경계면은 반드시 두께를 어쿠스틱 신호 전달을 하는 더 높은 주파수 (^10 HZ 스케일) 파장보다 더 얇아야 하며 이는 측정 방식을 위함이다. 이러한 얇은 두께는 전극 경계면에서의 어쿠스틱 상호작용을 무시할 수 있게 해 준다. 그리고, 어쿠스틱 임피던스와 어쿠스틱 감쇠(attenuation)에서의 차이로 인한 어쿠스틱 신호에서 왜곡을 피할 수 있다. 얇은 전극 경계면은 또한 평균값을 가지는 같은 전극에서 다른 상호 캐패시터에 의해 생성되는 다른 전하들을 고려 가능하게 한다. 그 이유는 전극 두께와 비교하여 제한된 해상도(resolution)의 공간 전하 측정 시스템 때문이다. 

    이 페이퍼에서는, 두 가지 방식들이 전극 경계면에 전압을 적용하기 위해 제안된다. 첫 번째로는, 높은 저항을 통한 전극 경계면과 DC 전원 사이에 고정된 전기적 연결이다. 두 번째로는, 전극 경계면과 DC 전원 사이에서의 시간적 연결이다. 각각의 방식은 고유의 장점과 단점을 갖게 된다.

    경계면(interface)과 DC 전원 사이에 고정된 전기적 연결은 언제든지 전압값을 수정할 수 있다. 그리고, 이는 전체적인 측정동안측정 동안 전압을 일정하게 유지한다. 저항(resistance)은 일시적인 공간 전하 측정 동안 전하의 자유로운 이동(free flow)을 피하기 위함이다. 저항과 샘플 캐패시턴스 사이에 RC 시간 상수는 반드시 pulse duration 보다 몇 배 더 높아야 하는데 그 이유는 측정 방식에 영향을 주지 않기 위함이다. 동시에, 이는 PEA 측정 방식에 경우 높은 전압 펄스(high voltage pulse)에 관해서 전도성 경로를 무시한다.

    시간적 연결 방식은 전극에서 전압을 적용하는 것으로 구성된다. 그리고 나서 물리적으로 전압의 감소 없이 전원을 차단하는데 이는 전하들이 전극에 머물도록 한다. 이 방식의 장점으로는 높은 저항이 필수로 하지 않으며 그 이유는 전원이 일시적으로 전하를 공급할 능력이 없기 때문이다. 그리고 PEA 측정 방식에 경우에는 전원 펄스에 관해서 다른 대체 경로가 없다.

    반면에, 단점으로는 전류 누수로 야기되는 경계면에서의 전하(charges)의 연속적 소멸이며 이는 이 측정 방식을 훨씬 복잡하고 어렵게 만든다.

3. EXPERIMENTAL SETUP

    이 페이퍼에서는 실험적 세팅을 위하여 PEA 방식을 통한 측정 방법이 수행 되었다. DC 전원과 전극 경계면 구조 사이에 고정된 연결이 선정되었다. 두 샘플이 비교 분석을 위해 사용되었으며 여기서 단일 레이어 에폭시 그리고 전극 경계면에 샌드위치 구조의 두 레이어 에폭시 구조가 적용된다.

3.1. SAMPLE PREPARATION

    듀얼 레이어 샘플은 두 에폭시 레이어 (Araldite MY 740, hardener HY 918, Huntsman)를 구성한다. 각 샘플은 30nm의 금 도금을 포함하며 이는 두 레이어 사이 경계면에 Figure 3처럼 배치된다.

    샘플의 기하학적 특성은 Table 1과 Table 2에 나타나있다. 표에서 나타난 바와 같이 0.06mm 두께의 오차범위를 가지며 이는 오직 미미한 측정식 왜곡을 가져온다. 그리고 이는 Section 4에 정리되어 나타난다. 적은 양의 실리콘 오일은 경계면(interface)에 사용되며 acoutic 접촉(contact)을 향상시킨다.

3.2 TEST SETUP

    PEA 방식을 위한 공통적 배치가 샘플 경계면에 연결된 DC 전원 사용의 차이점과 함께 사용된다. 셋업 된 등가 회로는 Figure 4에 묘사되었다. 펄스는 펄스 생성기(HTS 80-12-UF, Behlke)에 의해 생성된다. 사용된 오실로스코프는 (Waverunner 44 Xi-A 400 MHz Lecoy)이다. 어쿠스틱 센서는 편광된 PVDF (polarized polyvinylidene fluoride) 25 µm 필름과 5 mm의 비-편광 PVDF(non-polarized PVDF) 후면부로 구성되며 증폭된 전압 신호는 50Ω 송전 라인을 통해서 오실로스코프에 전달된다.

    각 전극에서 예상된 전하-전압 관계는 finite element 소프트웨어를 통해 계산되었으며 이를 통해 상호 캐패시턴스 매트릭스 값을 얻을 수 있다. 기하학적 모델은 Table 1에 나타나 있는 것처럼 듀얼 레이어 샘플로 나타나며 안쪽 전극은 매우 얇으며 사용된 에폭시의 relative permittivity는 4.1이다. 다르게 적용된 전압 레벨에서의 전하 값들은 수식 (11)을 통해 계산되었다. 테스트 동안 저 전압(low voltage)은 각 테스트의 짧은 시간 동안 에폭시에서 공간 전하 축적을 피하기 위해 사용되었다. 전극 경계 두께 때문에, 각 전극의 전하들은 전하 밀도 볼륨 대신에 표면 전하 밀도처럼 다루며 이는 PEA 측정 방식에 대해서 더 공통적인 방식이다. Figure 5는 각 전극에서의 표면 전하 밀도와 경계면에서의 전압 사이의 관계를 보여주며 하부 전극이 그라운드 된 동안 상부 전극에 고정된 5kV 전압을 유지한다. 

    Figure 5에서 세 가지 경계면 전압 값이 테스트를 위해 사용되었다. 각 경계 전극에서 1.32 kV에서 하부 전극에서의 전하 밀도는 경계면에서의 전하 밀도와 동일하다. 2.14kV를 가지는 전극 경계면에서는 전하 밀도는 0이다. 전극 경계면에서의 3.01kV는 상부 전극에서의 전하밀도는 경계면에서의 전하 밀도와 동일하다.

    Table 1과 2에서 보이는 바와 같이, 싱글 레이어는 듀얼 레이어 샘플의 전체 두께보다 두껍다. 두 샘플 사이에서 의미 있는 비교를 도출하기 위해, 상부와 하부 전극 사이에서의 전계는 반드시 동일한 양의 표면 전하를 생성하기 위해 동일해야 한다. 이를 달성하기 위해, 상부 전극 전압과 듀얼 레이어 샘플에 사용된 펄스 전압은 싱글 레이어 샘플에 관해서 Kd 요인 값에 의해 곱해진다.

ds: 싱글 레이어 두께 [m]

dd: 듀얼 레이어 전체 두께 [m]

    따라서 이 수식의 의미는 싱글 레이어에서의 적용된 전압이 듀얼 레이어 샘플의 외부 전극에 적용된 전압보다 kd배수를 가진다. 펄스 전압 또한 이 상수에 곱한 값을 가진다.

4. EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION

    모든 실험에 관하여 측정 시간은 30초 미만이다. 낮은 전압이 적용된 짧은 기간 동안의 테스트 동안 눈에 띄는 공간 전하의 축적이 진행되지는 않았다. 측정 결과 값이 보여주는 점은 그 어떤 선-처리도 포함되지 않은 전압 신호를 보여준다. 이는 각 샘플에서의 전기적 그리고 기계적 왜곡을 비교하기 위함이다. 실제적으로, 이 점이 의미하는 바는 측정 결과가 측정된 전압 신호를 보여주지만 전하의 값을 보여주지는 않는 점이다. 

    실험적 결과에 관해서는, 싱글 레이어 zero 경계면 전하에서의 샘플과 듀얼 레이어 샘플 사이의 비교가 수행되었다. 상부 전극에서의 5kV의 전압과 경계면에서의 2.14kV 전압이 듀얼 레이어 샘플에 관하여 사용되었다. 싱글 레이어 샘플에 관해서 (수식 (12)와 관련), 5.9kV의 전압이 두 샘플 상부 전극 상부에서 동일한 전계 값(≈3.17kV/mm)을 유지하기 위해 사용되었다.

4.1. COMPARISON BETWEEN SINGLE LAYER AND DUAL LAYER SAMPLE

    Figure 6 a, b로부터, 싱글 레이어부터 더블 레이어로 오는 신호 비교가 가능하다. 측정된 결과로 보이는 것은 두 샘플에 관한 하부 전극에서의 전하를 대표하는 신호 전압(signal voltage)들은 동일하다. 그럼에서 불구하고, 듀얼 레이어 샘플에서 값들이 조금 더 크다. 이 차이점은 더 짧은 경로로 통과한 어쿠스틱 신호 결과로 나타난 샘플의 더 작은 두께 덕분으로 보인다. 그러므로, 더 작은 감쇠(attenuation) 현상을 겪는다.

    Figure 6b 경계면에서 나타난 점은 작은 방해(disturbance) 피크(peak) 값이 구별될 수 있으며 이는 헤테로전하들과 유사하다(resemble). 이 피크 값들은 두 요인으로 인해 일어난 것처럼 보인다. 첫 번째로는, 설치된 샘플의 균일하지 않은 두께(표면의 거침 정도와 구별되는)가 전극 경계에 관해서 전체적으로 균일하지 않은 전계 결과를 도출한듯하다. 그리고 이는 심지어 공간 전하의 존재 없이도 측정된 신호 값들이 만들어 낸다. 두 번째 요인으로는 전극 경계면에서의 분극화(polarization)로 여겨지며 이러한 분극화는 심지어 측정 시스템의 해상도와 비교하여 전극 경계면의 최소 두께 값임에도 이러한 영향을 미치는 것으로 보이며 이는 주목할 점으로 여겨진다. 오일 같은 경계면의 이질성(inhomogeneity)과 매우 작은 규모(microscale)에서 레이어들 사이에어의 산화 레이어, 빈 부분들(cavities), 불순물들(impurities)의 존재는 또한 전하의 축적을 생성한다. 그럼에도 불구하고, 짧은 기간 동안의 테스트와 낮은 전계로 인해서 공간 전하의 축적은 무시할 정도로 추정된다. 

    심지어 듀얼 레이어 샘플 경계면에서의 측정된 신호들과 함께 상부와 하부 전극에서 측정된 신호들은 두 샘플 사이에서 일정하다. Figure 6b에서 나타나는 경계면에서의 Non-zero 총 전하가 미치는 영향은 전극에서 나타나는 표면 전하에 큰 영향을 끼치지는 않는다.

    하부 전극 피크 값 바로 다음으로 오는 (-) 피크 값은 단지 공간 전하의 축적 값일 뿐만 아니라 piezo-amp 반응과 작은 언더슛(undershoot)으로 여겨지는 비-이상적인 전압 펄스 파장으로 인한 어쿠스틱 신호의 직접 반응 조합 값 또한 포함한다. 연속적인 피크 값들에서, 이러한 펄스 왜곡은 측정되지 않으며 그 이유는 어쿠스틱 손실들이 소멸되었기 때문이다.

4.2. MEASUREMENT OF GENERATED CHARGES AT THE INTERFACE ELECTRODE

    Figure 7a, b는 전극 경계면에서 서로 다른 전압을 가지는 듀얼 레이어 샘플에서 측정된 값들을 보여준다. Figure 7a에서는 1.32kV의 에폭시-에폭시 경계 전압을 가지는 측정된 신호가 확인 가능하다. 경계면에서의 이 전압과 함께 에폭시-에폭시 경계면에서의 전하 값은 반드시 하부 전극에서의 전하 값과 동일해야 한다. 실험에서 측정된 차이점은 샘플 재료의 신호 감쇠 때문에 발생한다. 하부 전극-에폭시 경계면에서 어쿠스틱 임피던스 불일치(mismatch)와 절연체-절연체 경계면에서의 차이점은 equation (1)~(10)에서 처럼 반드시 신호에 영향을 주어서는 안 된다. 그 이유는 절연체 두 레이어 모두 동일한 재료이기 때문이다. 이는 다음의 방식을 통해 설명 가능하다.

수식 (1)과 (3)을 (7)~(10)과 결합한 후 순간적인 어쿠스틱 손실을 무시하면 이는 다음과 같은 수식을 나타낸다.

x는 하부 전극에서 절연체-절연체 경계면까지의 거리 [m]이다. 수식들로부터 보이는 바와 같이, 계수들은 두 신호 모두에 동일하다.

    Figure 7b에서는, 안쪽의 경계면이 3.01kV이며, 에폭시-에폭시 경계면에서의 측정된 값은 측정된 상부 전극의 값과 동일하지 않다. 이러한 경우에는, 상부 에폭시-전극 경계면에서의 어쿠스틱 감쇠와 어쿠스틱 임피던스의 불일치(mismatch) 그리고 절연체-절연체 경계면이 상당한 역할을 하게 된다. 또한, 이러한 것들인 동일한 전하 값들을 가지고 있더라도, 측정된 신호 값들은 동일하지 않다. 이전과 동일한 절차들과 상부와 하부 전극 사이의 거리 d를 고려하면 다음과 같은 수식들이 나타난다.

    수식 (14)~(21)은 반드시 설명되어야 하는데, 샘플의 수학적 손실들(α(ω) and β(ω))은 고려되지 않았다. 이는 Figure 7a, b의 결과 차이점에 추가되었다.

5. ACOUSTIC ATTENUATION AND DISPERSION COEFFICIENT CALCULATION

    절연체 샘플에서 알려진 전하 값과 관련된 이러한 방식은 외부의 전극에서 어쿠스틱 신호의 불연속성에 의한 간섭 없이 기계적 손실의 직접적 측정이 사용될 수 있다. 이러한 점은 ∆x [m]의 간격을 가지는  s1과 s2로 이름 지어진 절연 샘플에서 두 전극들을 이용하여 수행될 수 있으며 그리고 이러한 전극들에서 동일한 전하들을 생성하기 위해 전압 값을 적용함으로써 이 전극들에서 생성된 pressure wave들은 동일하다.

절연체 샘플에서 두 pressure wave들이 생성되었기 때문에 어쿠스틱 생성과 transmission 계수들이 두 전극에 관해서 동일하다 (a_s):

    수식 (2)~(6)에서 나타난 봐와 같이 각 내부 전극으로부터의 어쿠스틱 파장이 센서에 도달하는 것과 관련된 수식은 다음과 같다.

    각 절연체 전극에서 오는 신호 사이에 측정된 비율은 기계적 손실 효과에 관해서 직접적 transfer fuction이며 이는 수식 (28)에 유도되었다.

    α 과 β을 구하는 것은 감쇠(attenuation)에 관해서 직접적 값을 부여한다. 그리고, 외부 전극에서의 어쿠스틱 불연속성의 간섭 없이 확산 (dispersion) 값도 해당된다. 제안된 칼리브레이션 샘플을 적용함으로써, transfer function은 외부 전극 그리고 내부 전극의 측정을 통해서 계산될 수 있고 이는 외부 상부 전극에서의 어쿠스틱 불연속성을 피한다.

6. Equipment Characterization

    이 페이퍼에서 나타난 칼리브레이션 된 샘플들의 사용은 공간 전하 측정 시스템의 정확도를 위해 비교 분석되었다. 그리고 장비의 셋업과 후-처리(post processing) 분석이 포함되어있다. 절차들은 제안적으로 칼리브레이션 된 샘플에서 짧은 측정 기간 동안 수행되는 구성 된다. 짧은 기간 동안의 측정은 상당한 공간 전하 축적을 피하기 위함이고 그리고 오직 전극에서의 표면 전하를 측정한다. 후-처리 과정 후 공간 전하의 결과적인 값에 대해서 칼리브레이션 된 샘플의 각 전극에 전하 밀도의 선 처리 계산 값 비교가 가능하다. 비교의 편차는 테스트 하에 측정 시스템의 정확도를 반영한다.

7. Conclusion

    레이어 경계면에서 레이어들에서 전극과 함께 멀티레이어 샘플들의 사용은 싱글 레이어 절연체 대표하며 이는 특정된 부분의 공개된 전하 값과 함께 한다. 샘플은 측정 참고 사항들과 측정 장비의 칼리브레이션 관해서 사용되며 이는 공개된 각 전극에서 전하의 수용 능력 때문이다. 절연체-절연체 경계면 전극에서 얇은 두께 때문에, 이는 볼륨 대신에 전하의 지역 분배로써 고려되고 이는 공간 전하 측정 시스템의 공간 해상도를 확인하기 위해 사용된다.

    이 연구 페이퍼에서는, PEA 측정 방식이 실험적 테스트를 위해 사용되었다. 하지만, 전극 경계면과 함께 멀티레이어 샘플은 어떠한 어쿠스틱 그리고 열적 방식에 관해 작동하는 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고 추가적인 연구가 필요하다.

    이러한 샘플들을 만드는 것은 각 레이어의 일정한 두께를 유지하기 위해 특별한 주의를 요구하며 이는 Figure 6에서 나타난 바와 같이 경계면에서의 작은 왜곡 효과를 피하기 위함이다.

    각 레이어를 함께하는 샘플을 내부 전극에 비교에 의해 어쿠스틱 감쇠를 수량화하기 위해  사용되며 이는 외부의 전극 경계면에서 어쿠스틱 임피던스의 불-일치(mismatch)의 간섭이 없다. 여기서 제안된 멀티 레이어 샘플들과 서로 다른 절연체 재료들과 함께 적용 가능하지만 추가적인 연구가 필요하다.

출처:

[1] G. Mier-Escurra, A. Rodrigo Mor, and P. Vaessen, “A calibration method for acoustic space charge measurements using multilayer samples,” Sensors (Switzerland), vol. 18, no. 8, 2018.

Abstract

  이 연구 페이퍼에서 절연 물질은 광선(irradiation) 챔버에서 조사되었으며 이는 공간적 환경을 재생산한다. 광선이 존재하는 조건에서, polymeric 재료들은 내부와 표면에 전하를 저장하게 된다. 새로운 pulsed electroacoustic space charge measeurement unit이 최근에 개발되었다 (2003년 페이퍼). 이는 광선 챔버 위에 올려놓을 수 있게 제작되었으며 이로 인해 광선이 존재하는 조건에서 polymeric 절연체 내부에 공간 전하의 특성을 관측할 수 있게 되었다. 이 페이퍼에서, 새로운 시스템이 아크릴 재료의 실험으로 얻어진 결과와 함께 소개되었다.

Introduction

  예를 들어 위성이나, 우주선 같이, 우주 공간에서 사용되는 재료들은 다양한 대전된 물질들에 노출되게 된다. 이러한 재료들이 광선(irradiation)에 노출되게 되면, polymeric 재료들은 내부와 표면에 많은 양의 전하들을 축적하게 되는데, 이러한 전하의 축적은 정전기적(electrostatic) 방전(discharge)을 유발하게 되고 이로 인해 위성 장비에 존재하는 전기 장치의 변화(perturbation)를 가져오게 된다. 

  이 페이퍼 에서 실험적 결과는 PMMA sheet으로부터 얻어졌으며 이로부터 얻어진 peak 전하 값은 이 연구를 진행하기에 알맞은 값을 제공한다. 또한 이 페이퍼는 FEP, PTFE도 같이 조사하였다. 

Mountable PEA Unit

  우주 공간에서의 공간 전하 측정을 실행하기 위해서는 장비는 최대한 작아야 한다. Figure 1은 이와 관련된 제품의 모습을 보여준다.

유동적인 전극을 사용함으로써 Table 1에 나타난 다양한 재료들의 테스트가 가능하다.

재료들을 측정하기 위해서는 진공 상태(10^-4Pa)에서 1시간 동안 재료들이 존재하게 된다. 이를 통해 얻어진 실험값들은 우주 공간에서 이러한 측정이 가능하다는 점을 보여준다. 

Conclusion

이 페이퍼는 새로운 PEA 방법을 개발하였으며 이는 광선이 존재하는 진공상태에서 절연 물질의 공간 전하 측정이 가능한지에 관한 내용이다. 그리고 이는 실험을 통해 가능할 수 있음을 제시하였다.

[1] F. Kaori, V. Griseri, T. Maeno, C. Laurent, D. Payan, and L. Levy, “Internal space charge measurement for space environment monitoring.” 2003.

  절연체의 내부적 공간 전하 현상은 깊게 고려해봐야 할 문제 중 하나이며 공간 전하를 측정하는 방법에 관한 우수한 결과들이 현재 많이 나타나 있다(thermal pulse, thermal step, pressure wave propagation, laser-induce pressure pulse, and pulsed electroacoustic, etc). 국제 학회인 Lage High Voltage Electric System (CIGRE)에 맞춰서 새로운 공간 전하 측정 방식을 표준화하는 작업은 지속적으로 요구되어 왔다.  

  케이블의 절연에 관해서 지속적인 연구적 관심이 유지되는 동안, 광학 장비(optical devices), 정전기 방지(anti static), medical 재료 등의 새로운 물질에 관한 관심이 증가하게 되었다.

  일본에서 PEA(Pulsed Electroacoustic) 방식은 절연 물질(dielectric materials)에서 공간 전하를 측정하는 흔한 방식 중 하나이다. Figure 1은 PEA 측정 방식에 포함되는 test electrode의 모습이다. Pulsed-electroacoustic (PEA)의 방식이 공간 전하를 포함하는 샘플에 적용된다면, 공간 전하의 갑작스러운 움직임(movement)이 acoustic wave를 생성하며 이러한 wave는 샘플에서 전파된다(propagate). 전극(electrode) 아래 위치한 Piezoelectric sensor는 acoustic wave를 전기적(electri signals)로 변환하며 이는 oscilloscope에 의해 측정된다. 신호의 강도(amplitude of signal)는 전하 밀도(charge density)와 관련이 있으며 그리고 시간적 지연(delay)은 전극에서의 거리를 의미한다. 이러한 방식을 이용하여 내부 공간 전하의 분포를 확인할 수 있다. 

  기본적인 전극(electrodes)의 설치는 Figure 2에서 처럼 나타난다. 상부 전극 유닛은 High Voltage(HV: 고전압) 전극과 고 주파 신호(high frequency signals)의 반사를 예방하는 임피던스 회로로 구성되어 있다. 측정과 DC bias 전압을 위한 HV 펄스는 커플링 캐패시터를 이용함으로써 적용가능하다. 하부의 전극(lower electrode)에 위치한 piezoelectric sensor와 amplifier는 shielding box에 의해 동봉되어 있다. 또 다른 amplifier는 상업적으로 설치된다.

  Figure 3는 5kV의 전압이 0.2mm 두께의 polystyrene(PS)에 적용된 심플한 예를 보여주며 내부의 공간 전하는 존재하지 않는다. 전계(electric field)와 potential 분포는 관측된 전하 분포와 Poisson's equation을 통해 쉽게 계산 된다. 비록 PEA Space charge measurement가 많은 종류의 polymers에 적용 가능하더라도, 80%의 연구들이 polyethylen과 polyethelen-based-materials에 관해서 이야기한다. 이러한 현상에 관한 이유 중 하나는, 이에 관한 연구들이 전력 회사나 케이블 제조업 회사로부터 연구 지원을 받기 때문일 것이다. 이러한 회사들은 대학 연구기관에 공간 전하의 측정을 문의함으로써 자회사의 DC power cable의 성능을 향상하기를 원한다. DC cable은 이러한 기술을 적용함에 있어서 산업적 적용의 아주 좋은 예이다. 그러나, 일본에서의 DC 고전압 케이블은 실망스럽게도 약한 편이다. 현재, 공간 전하에 관련된 주제는 polyethylene 분야에서 점진적으로 기본적인 원리에 집중을 하며 반대로 실제 제품 개발에는 낮은 연관성을 보인다.

  케이블 절연에서 공간 전하의 지속적인 관심이 최근 새로운 물질을 사용함으로써 다시 재조명되고 있으며 이와 관련된 물질을은 광학 장비(optical device), 정전기 방지 제품(antistatic products), 그리고 medical material 등이 이에 해당된다. 

PROGRESS OF THE PEA METHOD IN JAPAN

  1985년 일본에서 PEA method가 개발된 이후, 이 방식은 공간 전하를 측정하는 가장 흔한 방식으로 자리매김 했다. 많은 연구자들이 Figure 5에서 보이는 것처럼 많은 분야에 관해서 연구 성과를 달성해왔다. PEA 기술에서 resolution의 역할을 매우 중요한데, 특히 공간 전하 측정에서 강도 해상도(magnitude resolution)와 공간적 해상도(spatial resolution)의 역할이 매우 중요하다. 추가적으로, 공간 전하 측정 반복 속도 또한 중요하게 여겨진다. 해상도(resolution)는 전체적인 측정 시스템의 신호-노이즈 비율(signal to noise ratio)에 의해서 결정되기 때문에, 외부와 내부 모두에서 노이즈를 반드시 줄여야 한다(외부: 펄스 생성기로부터 유도된 노이즈/ 내부: amplifier의 열적 노이즈). 해상도 향상과 관련돼서 추가로 이야기하자면, 추가적인 기능들이 특정한 목적으로 개발되었는데, 고 전압 응용, 온도 조절, lightning unit, 소프트 웨어들이 이에 해당된다. 

IMPROVEMENT OF THE PEA METHOD

Resolution in the Thickness Direction of a Specimen

  샘플의 두께 방향에서 공간적 해상도 (acoustic 신호와 평행하는 해상도)는 acoustic signal의 넓이를 줄임으로써 향상될 수 있다. Acoustic wave가 펄스 전계(pulse electric field)의 적용으로 생성되었을때, 적용된 전계 시간에서의 길이는 나노 sec 단위로 짧아야 한다. 추가로, acoustic wave는 piezoelectric sensor에 의해 감지되며, 이 piezoelectic에 사용되는 재료는 매우 얇아야 한다. 공간적 해상도는 처음 약 100um정도이며 1994년에 5um까지 향상되었으며 최신 값은 2um이다(1999년 연구 페이퍼임). 이러한 결과들은 증발된 piezoelectric sensor를 사용함으로써 가능해졌다.

Resolution in the Surface Direction of a Specimen

  공간 전하의 3D 측정에서, 샘플의 표면 방향이 또한 결정된다. 처음 3D 측정은 작은 전극을 기계적으로 이동시킴으로써 수행되었으며 이를 통해 해상도가 전극의 면적에 의존적임을 확인하였다. 1996년도의 이 면적은 약 1mm^2였으며 당시 표면 해상도는 약 1mm였다. 새로운 3D PEA 시스템에서 Acoustic lens 방식은 1998년에 도입되었으며, 압력 wave propagation 방식을 사용하는 유사한 방법이 존재한다. 최근 3D PEA시스템에서 옆 측면의 해상도는 약 100um이고 해상도 깊이는 5um이다.

Time Resolution

  PEA measurement는 아마도 높은 반복 비율과 함께 반복되는데 이는 신호의 평균값을 목적으로 하며 변화 현상을 관측하기 위함이다. 기존의 mercury switch를 사용했을때, 신호를 매 400ms마다 측정이 가능하다. Ouput 신호의 간극은 20um까지 향상되며 이는 펄스 생서기를 위한 fast semiconductor switch를 사용함으로써 가능해진다. 따라서, 공간 전하의 빠른 변화의 진화과정을 측정 가능하게 한다. AC electric field조건하의 공간 전하는 처음 phase-resolving 시스템을 통해 측정되었으며 이는 적용된 전압의 주기에서 20개의 서로 다른 phase angle에서의 profile을 측정한다. AC field 조건에서 공간 전하 profile은 전력 주파수에서 현재 직접적으로 측정이 가능하다.

Signal-to-Noise Ratio

  최소 전하 밀도(minimum charge density)는 약 0.1C/m3정도를 측정할 수 있으며 이 값은 noise 감소 레벨에 의존적이다. 비록, 이는 오직 하나의 전기적 전하/10^11원자에 상응하더라도, 몇몇의 전하들은 1mm의 두께와 약 5kV/mm의 전계를 왜곡시킬 수 있다.

VARIOUS ARRANGEMENTS OF THE PEA METHOD HIGH-VOLTAGE SYSTEM

High Voltage System

  1994년 절연 파괴 테스트가 550kV에서 달성될 동안 고 전압 케이블의 공간 전하 측정이 Figure 6에서 처럼 새로운 방식에 의해 개발되었다. 샘플은 XLPE calbe이며 3mm 두께의 절연체를 가지고 있다. 이 테스트 동안, 전하 무리(cluster)들이 한 전극에서 다른 전극으로 이동하는 것이 목격되었으며 이를 packet charge라고 부른다. 고 전계 조건에서 종이 샘플의 사용을 통한 많은 방식들로 전하의 특성을 확인할 수 있다. 그리고, 이러한 현상들은 절연 파괴와 관련된다고 고려된다. 추가적으로, Figure 7에서 처럼 아주 큰 전극들이 설치되었으며 이는 약 150kV의 고전압에서 테스트되었다.

High Temperature Systems

  Polymer (mobility and trap site)의 절연적 특성은 온도에 의존적이다. 따라서, 다양한 온도에 따라서 공간 전하의 특성을 측정하는 것은 매우 가치 있는 일로 고려된다. 종이 샘플에 관련해서, Figure 8에서 처럼 실리콘 오일 bath에서의 테스트 전극은 샘플을 가열하기 위해 사용된다. Current transformer가 파워 케이블의 ageing 조건과 동일한 조건에서 케이블의 측정을 위해 사용되었다. 기본적인 전극 세팅은 보통의 환경적 chamber에 배치될 수 있게 되었으며 이 실험은 70℃ 그리고 85% RH에서 수행되었다. Tape 또는 Band 히터는 샘플의 조사를 위함이다.

Lightning Unit

  실제 기능적 polymer들 사이에서, photoconductive 재료들은 복사기들, 그리고 새로운 electroluminescent display에 많이 사용된다.  이러한 제품들의 제조 공장들인 제품들이 발광에 노출되었을 때의 내부 공간 전하를 측정하고 싶어 해 왔다. 이를 성취하기 위해서, 개선된 전극을 이용하여 photoconductor가 측정되며 이때 사용된 전극은 상부에 창문이 전구와 함께 존재하며 이때 전구는 빛을 내뿜은 역할을 한다. 최근, 광학(optical fiber)은 요구된 파장의 가시광선의 제공을 위해 사용되고 있다.

User Interface

  PEA 시스템의 output 신호들은 반드시 디콘 볼루션(deconvolution) 과정을 거쳐 공간 전하 profile로 변환시켜야 한다. 이러한 수학적 분석은 초기에 복잡하다고 여겨졌다. 하지만 소프트웨어의 발전을 통해, 공간 전하 profile로의 변환이 매우 단순화되었다. 지난 몇 년 동안, 이러한 소프트웨어의 발전으로 인해, 공간 전하, 전계, 그리고 potential profile을 실시간으로 측정이 가능하게 되었다. 또한 공간 전하 측정에 관한 소프트웨어의 User Interface 또한 매우 크게 발전되어 사용자들이 쉽게 접근할 수 있게 되었다. 

PEA in Conjunction with Other Measurements

  위의 언급된 개선된 방법들은 오직 공간 전하 측정에 관한 이야기들이다. PEA 방식은 비-파괴적이기 때문에, 이러한 방식은 샘플을 다른 분석적 방식에 추가 적용하여 더 많은 정보의 획득을 가능하게 해 준다. 전하 이동과 관련돼서, 공간 전하의 측정 과정 동안, 전도 전류를 측정할 수 있다. Thermally Stimulated Current 또한 이와 관련해서 오랫동안 연구되어 왔으며 이를 통해 TSC와 공간 전하의 비교가 가능해졌다. 추가적으로 전기적 특성과 관련해서, 화학적 그리고 물리적 분석 (X-ray microanalysis) 또한 내부 공간 전하의 원점을 찾는데 유용하게 이용된다.

EXAMPLES OF INDUSTRIAL APPLICATIONS OF SPACE CHARGE MEASUREMENT

Epoxy Resins for Electronic and High-Voltage Insulation

  Figure 9에서 처럼 전기적 회로가 저 전압(low voltage)에서 운용되더라도, 얇은 절연체 내부에는 아주 강한 전계(strong electric field)의 존재가 가능하다. 좋은 절연 수행 능력이 비용의 절감을 위해서라도 반드시 필요한 부분이다. 절연체의 좋은 퀄리티를 유지하는 것은 매우 중요한데, 예를 들어 epoxy resin(에폭시 레신)은 많은 수의 이온 불순물을 함유하고 있으며 이는 크로마토그래피(chromatography: 색층 분석법)를 통해 확인 가능하다. 에폭시 레슨은 1kV/mm이하의 전계에서 사용되며 높은 습도와 높은 온도에서 운용된다. 만약 절연체가 20um보다 얇을 경우 (반도체의 경우), 전계의 조건에서 PEA 측정 방식의 제한된 해상도로 인해서 공간 전하 프로필을 관측하는 것은 매우 어렵다. 하지만, 전력 장비의 경우에는, 많은 종류의 절연체들이 존재하며 150um두께에서는 공간 전하가 쉽게 측정된다. 추가적으로 전기적 장비에서 절연체는 주요 연구대상이 아니지만, 이와 반대로 고 전압(high voltage)에서는 절연체는 주요 연구대상으로 여겨진다. 다시 말하자면, 고 전압에서 절연체에 존재하게 되는 공간 전하의 관한 연구와 관련된 시장은 앞으로 매우 증가 될 가능성이 높다.

  Figure 10은 PWB에서 구리 이온의 이동을 보여준다. 에폭시 레신은 고 전압 장비에서 매우 중요한 절연 재료인데, 오직 몇몇의 연구자들만이 내부 공간 전하의 관해서 측정을 했다. 에폭시 레신이 높은 농도의 충전재로 사용되기 때문에, 처음에 acoustic signal이 왜곡현상을 겪게 될 것이라고 생각되어 왔다. 하지만, 예상과는 다르게, 매우 선명한 공간 전하 프로필이 측정되었다. 이러한 최근 연구가 누설하는 점은, 충전재와 수분이 에폭시 레신에 있어서 공간 전하 이동에 영향을 미치는 요인이라는 것이다. 같은 현상에 관한 연구가 기존의 절연 테스트 방법을 통해 이루어졌다. Gas-insulated switchgear는 두꺼운 에폭시 레신에서의 공간 전하의 관한 연구가 막 시작되었다(1999년 페이퍼).

Space Charge Related To Electrostatic Discharge

  정전기적(electrostatic) 현상은 공간 전하(space charge)와 매우 밀접하게 연관되어 있다. 특히, polyvinyl chloride(PVC) 같은 몇몇은 플라스틱 종이들은 상당히 높은 표면 potential 측정값을 보여주며 정전기적 방전(electrostatic discharge, ESD)은 이러한 물질들에서 쉽게 일어나는 편이다. 

  만약 전하(charges)들이 오직 표면에만 축적된다면 (충전의 경우), ionizer를 이용해 이러한 전하들이 제거 가능하며 ionizer는 축전된 전하에 이온들을 공급함으로써 재결합(recombination)을 강화시킨다. 만얀 전하들이 polymer 내부에 축적된다면, 이는 쉽게 줄어들기 어렵다. Figure 11은 PVC 판의 전하 프로필에 모습을 보여준다. 음극 내부 전하들이 초기에 한쪽 방향에서 목격되며 그 지점은 표면으로부터 약 100um 정도 떨어진 거리이다. 그러고 나서, 양극 전하들이 두 전극 표면에 유도된다. 샘플의 표면이 사포(sandpaper)로 제거되었을 때, 다양한 깊이에서의 공간 전하의 프로필이 Figure 11에서 처럼 나타날 수 있다. 이러한 결과가 보여주는 점은, 공정 기간 동안 초기 공간 전하가 polymer내부에 축적되면, 이는 안정화되며 즉, 표면의 potential이 유지됨으로써 EDS(정전기적 방전)이 쉽게 일어날 가능성이 높아진다. 

  잘 알려져 있듯이, ESD는 전기 회로에서 많은 문제들을 일으키는데, 이는 많은 전기 제품들의 고장이나 오작동을 일으킨다. Figure 12는 새로운 anti-static polymer(500um)이 2kV에 적용되었을 때의 공간 전하 프로필의 모습을 보여준다.

  에폭시 접착제는 딱딱하게 굳어지는 과정에서 전하(charges)를 생성하는 모습이 목격되었다. 양(+) 극 전하들은 딱딱하게 굳어지는 상황에서 생성되지만, 굳어진 이후에 공간 전하의 변화는 비행동적이다. 

CONCLUSION

  이 페이퍼에서는 PEA method를 이용하여 공간 전하의 측정이 산업에서 어떻게 이루어지는지를 소개했다. 절연체로 사용되는 재료들은 공간 전하에 의해서 영향을 받을 뿐만 아니라, 새로운 기능의 polymer 또한 내부 전하에 영향을 미친다. 공간 전하를 측정하는 사용자들은 적합한 실험 조건을 달성하기 위해 많은 연구들을 해왔으며 이는 다양한 재료에 적용되어 왔다. 일본에서는 현재, 공간 전하에 관한 연구들이 계속해서 확장되어 가고 있고 또한 아직도 많은 재료들이 공간 전하에 관해서 연구되어야 한다. 

출처:

[1] F. Kaori, “Industrial applications of space charge measurement in Japan.” IEEE Electrical Insulation Magazine, 1999.

Abstract

  서로 다른 절연 상수(dielectric constants)와 전도성(conductivities)을 가지는 2개 또는 그 이상의 다른 물질들로 결합된 멀티레이어 절연체에서는 그 경계면에서 공간 전하(space charge)가 축적된다. 만약, 축적된 전하에 의해서 부분 전계(local field)가 증가되면, 절연체의 전기적 견고성(electric durability)이 감소하게 된다. 이 연구 페이퍼에서는, 오일을 머금은 PPLP(polypropylene laminated paper)를 이용하여 공간 전하의 축적을 측정하며 이는 3개의 레이어(kraft paper, polypropylene(PP), kraft paper)로 구성되며 이 샘플은 아주 강한 DC 전계(electric field)에 놓이게 된다. 실험 결과로 알 수 있는 점은, 내부의 공간 전하는 PP layer의 양쪽 표면 모두 축적되며 그리고 kraft layer에서의 전계는 사라진다.

Introduction

  멀티 레이어 절연체는 전력 장비에 널리 사용되며 이에 해당하는 제품들은 오일을 머금은 케이블(oil-impregnated cable)과 트랜스포머 등이 해당된다. 2개 또는 2개 이상의 다른 물질로 구성된 멀티 레이어 절연 체내에서는 강한 DC 전계가 적용되었을 때 내부 공간 전하가 서로 다른 물질의 경계면에서 축적된다. 이러한 분극화(polarization)는 Maxwell-Wanger Polarization으로도 알려져 있으며, 이는 멀티 레이어의 전기적 견고성과 관련 있으며 그 이유는 경계면에서의 전계가 분극화로 인해 강화될 수 있기 때문이다. 이 연구 페이퍼에서는, pulsed electroacoustic 측정 방법을 통해 서로 다른 오일을 함유한 polypropylene으로 래미네이트 된 페이퍼(PPLP) 내부의 공간 전하의 분포를 측정한다.

Space Charge Accumulation in Multilayer Insulators

  멀티 레이어 절연체와 그와 동일한 전기적 회로가 Figure 1에 처럼 나타난다. 

ε: 절연 상수

δ: 전기적 전도성

  PP의 절연 상수(ε)는 오일을 함유한 kraft paper와 유사하기 때문에 경계면에서의 극성(polarity)과 축적되는 전하의 양은 전기적 전도성(δ)에 의존한다.

Transient Phenomena of Space Charge Distribution in PPLP Specimens

  공간 전하 분포는 pulsed electroacoustic (PEA) method에 의해 측정된다. 이 연구를 위해, high resolution PEA 측정법을 Figure 2와 같이 구성하였으며 이 장비를 통해 공간 전하의 측정이 가능하다.

  PPLP 필름은 2개의 Kraft paper 사이에 PP 필름을 래미네이트 하였다. 미네랄 오일, 실리콘 오일 그리고,  dodecyle benzen이 절연 오일로써 사용되었으며 각각의 PPLP 오일은 진공 챔버(vacuum chamber)에서 0.1 atm 기압, 30분 동안 이러한 오일들 중 하나로 함유(침유, impregnated) 과정을 거친다. 오일을 함유한 150um 두께의 kraft paper는 비교를 위한 대상으로 사용된다. 

  -5kV의 DC bias 전압이 오일을 머금은 샘플에 1분 동안 적용되며 공간 전하는 ground(earth) 전극(anode) 사이드로 부터 측정된다. 공간 전하 분포의 시간 의존도가 관측되며 이는 2번의 주기 동안 0.3초 간격의 측정을 통해 이뤄진다. Figure 4부터 7의 상위 부분의 그래프는 전압이 전용된 직후 3초 동안의 공간 전하 특성을 보여주며 하부의 그래프들은 3 초동 안 short 된 상황에서의 공간 전하의 움직임을 보여준다.

  Figure 4는 오일을 함유한 kraft paper 샘플의 공간 전하 특성을 보여준다. 전압의 적용 직후, anode 부근에 hetero 전하들이 나타났으며 1분 이후 hetero 전하의 양이 증가함을 보였다. 비록 kraft paper에서 acoustic signal의 아주 큰 attenuation으로 인해서 cathode 쪽 HV 전극에서의 공간 전하는 뚜렷하게 관측되지 않았더라도 유사한 hetero 전하가 전압 +5kV가 반대의 극성으로 적용되었을 때 나타나였다. 극성 의존성은 모든 경우에서 뚜렷한 것이 아니기 때문에, -5kV가 적용되었을 때의 결과가 이 페이퍼에서 얻어졌다. 

  유도된 전하들이 ground 된 전극에서 나타나며 일시적으로 전극들이 쇼트될 때 유도된 전하들은 시간에 따라 감소한다. 따라서, 공간 전하 분포는 3초 이내에 사라져 버렸다. 이러한 hetero 전하 특성은 아마도 절연 오일에서 이온에 의존하기 때문이다.

  Figure 5는 미네랄 오일을 함유한 PPLP 샘플의 공간 전하 특성을 보여준다. 신호 레이어(왼쪽에서 오른쪽 방향)는 ground 된 전극(anode). 40um의 kraft paper, 45um의 PP, 70um의 kraft paper, 그리고 HV 전극(cathode)을 보여준다.

  Kraft paper의 전기적 전도성이 PP 필름보다 크기 때문에, 전압이 적용된 직후 양(+) 극성 전하들이 경계면에 축적되기 시작한다. 그러고 나서, anode에서의 전하는 3초 이내에 사라진다. 이 경우, 전계(electric field)는 오직 PP필름에만 존재한다. 전극이 short 되었을 때, 전하는 ground 된 전극에 나타나며 이는 kraft paper와 PP 필름의 경계성 전하들로 인해 유도된다. 유도된 전하는 감소되며 3초 이내로 사라지게 된다.

  Figure 6은 dodecyle-benzene-impregnated PPLP 샘플의 공간 전하의 모습을 보여준다.

초기의 공간 전하의 분포는 미네랄 오일을 머금은 샘플의 행동과 동일하지만 전하 분포의 변화는 미네랄 오일을 머금은 샘플에 비해 2배 더 빠르다. 이러한 이유는, dodecycle-benzene의 점도성(viscosity)이 4.2 cSt로 이는 미네랄 오일의 점도성 8.2 cSt보다 낮기 때문이며 이로 인해 이온들의 이동성이 더 커지게 된다.

  아래 Figure 7에서 보이듯이, 실리콘 오일을 머금은 PPLP 샘플과 미네랄 오일을 머금은 샘플의 공간 전하의 특성이 아래와 같이 나타나 있다. 비록 실리콘 오일의 점성도(3000 cSt)가 미네랄 오일(8.2 cSt) 보다 훨씬 크지만, 공간 전하의 분포 변화는 같은 속도로 일어난다. 이러한 사실이 전해주는 것은 실리콘 오일 내의 이온들이 미네랄 오일 내의 이온들보다 더 작다는 점이다. 이러한 가능성은 후에 추가적인 실험을 통해 이온을 확인하고 이러한 이온 무리의 사이즈를 측정해야 한다.

Ultra Fast Measurement of Charge Distributions

  이 섹션에서는 급속 탐지 측정 방식을 통해 측정된 일시적 공간 전하의 특성에 관해 이야기한다. 각 아웃풋(output) 신호의 간격은 펄스 생성기의 반복 속도에 의존한다. 새롭게 개발된 펄스 생성기는 반도체(semiconductor) 스위치를 포함하고 있으며 이는 펄스를 50kHz의 주파수로 생성할 수 있다. 이를 통해 output 신호는 매 20u초마다 획득 가능하다. Figure 8은 2차원 이미지를 보여주며 이는 PPLP에서 공간 전하의 시간 의존성을 보여준다. 샘플은 실리콘 오일을 함유시킨 다음 공기 중에 노출된 채로 상온에서 보관되었으며 100ppm 이상의 수분을 함유한다. 5초, 0.5초, 0.05초 동안의 전압의 적용 직후 공간 전하 분포의 시간 의존성은 Figure 8(a), (b), 그리고 (c)에서 보인다. 수평 축은 샘플에서의 위치를 나타내며 수직 축은 시간을 나타낸다. Kraft paper와 전극 경계면에서의 전하는 kraft paper와 PP필름 사이의 경계면으로 100ms의 시간 동안 이동한다.

Conclusion

  오일을 함유한 PPLP, 멀티레이어 절연체에서의 공간 전하의 특성이 DC bias 전압 조건에서 관측하였을 때, 공간 전하가 kraft paper와 PP film 사이 경계면에서 축적되는 것이 목격되었다. 이러한 전하들은 내부의 이온들이 적용된 전계(electric field)의 영향으로 인해 이동성을 갖추기 때문에 축적 되게 되며 전계는 오직 PP film에서만 존재한다. 이러한 특성은 모든 절연 오일에서 나타나며 그리고 공간 전하의 변화 속도는 반드시 오일의 점성도와 이온 집단의 사이즈와 연관되어야 한다.

출처:

[1] T. Maeno and F. Kaori, “Transient phenomena of space charge distribution in polypropylene laminated Paper.” 1998 IEEE International Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics, 1998.

Abstract

  컨버터 트랜스포머 같은 HVDC 장비의 발전에 있어서 공간 전하의 형성은 항상 큰 문제점으로 고려되어 왔다. 공간 전하의 존재는 부분적 전계 현상을 왜곡할 수 있을 뿐 아니라 절연 재료의 성능 저하 그리고 장비의 절연 파괴 현상까지 야기할 수 있다. 그러므로, 이러한 공간 전하의 형성과 확산 특성에 관한 요소들을 조사하는 것은 매우 중요한 사안이다. 이러한 요소에 해당하는 것들은 온도, 습도, 노쇠화, 두께, 멀티-레이어 구조, 그리고 전계 등이 해당된다. 이 연구 페이퍼는 주로 멀티레이어와 두께가 오일-합판 절연 시스템에서 공간 전하에 미치는 영향에 관해서 다루고 있다. 공간 전하는 Pulsed electroacoustic technique (PEA) 방식에 의해 측정된다. 공간 전하 측정에 관한 결과는 양적으로 분석되어 서로 다른 합판과 오일 두께 비율과 경계성 전하 밀도 사이의 관계를 정리한다. 새로운 공간 전하 보간(interpolation) 방식은 공간 전하를 멀티 레이어 오일과 합판 모델에 삽입하면서 이루어지고 이는 COMSOL software를 통해 이루어진다. 오일을 머금은 합판 멀티 레이어의 부분적 전계는 시뮬레이션 가능하며 이는 극성 역전 후 전계의 강화에 대해서 이루어진다. 공간 전하 시뮬레이션 결과가 암시하는 것은 합판 두께의 증가는 경계성 전하 증가를 억제할 수 있다는 것이며 반면에 오일 두께의 증가는 경계성 전하의 증가를 용이하게 한다. 더욱이, 전계 시뮬레이션 결과가 보여주는 것은 멀티 레이어 오일과 오일을 머금은 합판 구조에 관한 전계 차 (electric field gradient) 존재하며 이는 공간 전하에 의해 발생한다. 극성 역전 후, 오일의 최대 전계는 공간 전하에 의해 일어나며 그 값은 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 계산되었다.

1. INTRODUCTION

공간 전하 형성은 HVDC 시스템에서 가장 크게 고려되는 문제점 중 하나이다. 공간 전하의 존재는 부분적으로 전계의 강도를 증가시킬 수 있으며 이는 절연체 일부분에 과응력이 부과될 가능성을 부여한다. 최악의 경우, 절연체의 성능 저하로 이어지며 영구적 절연 파괴의 결과를 초래할 수 있다. 그러므로, 공간 전하 형성과 확산에 영향을 미치는 요인을 분석하여야 하며 이러한 요인에 해당되는 사항들은 온도, 습도, 노쇠화, 전계, 그리고 멀티레이어 등이 있다. 이 페이퍼에서는, 공간 전하 특성에 관한 멀티 레이어와 두께 효과의 관해서 조사하였다. 즉, 멀티 레이어 오일에서의 전계와 합판에서의 전계가 시뮬레이션되었다.

  멀티 레이어 절연 재료는 경계면(interfaces)을 포함하는데 이는 High Voltage(HV) 장비에 있어서 취약 부분으로 여겨진다. 이러한 경계면(interfaces)들은 서로 다른 절연 재료들의 사용으로 인해 흔하게 존재한다. 크게 두 종류의 경계면이 존재하는데 그중 하나는 화학적 경계(chemical interface, crossed-linked interface)이고 다른 하나는 물리적(physical interface, EPR and XLPE attached using external mechanical force)이다. 이러한 물리적 경계면은 잠재적 장애물로 여겨질 수 있으며 이는 전하의 이동을 방해하거나 전하가 경계면에 축적되는 현상을 야기한다. 이러한 현상에 두 가지 이유를 들 수 있는데 Maxwell-Wanger 이론에 의하면 경계성 전하 형성은 전도성(conductivity)과 유전율(permittivity)의 불연속성이 생길 때 발생한다(즉, 서로 다른 물질의 사용으로 인해 전도성과 유전율의 값이 차이가 날 경우). 더욱이, 경계면에서의 전하 축적은 경계면 자체의 구체적인 특성에 의해 영향을 받는데 예를 들면, 경계면에서의 결합 파괴(broken bonds)와 사슬 구조 접합을 고려하면 경계면 상태로부터 오는 트랩(traps)은 경계면에서의 공간 전하 형성에 기여하게 된다. 전통적으로, 멀티 레이어 샘플에서 전계의 계산은 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 한다. Maxwell-Wanger 이론은 오직 선형 재료(linear material)에 관해서만 유효하며 그 의미는 절연 재료의 전도성은 외부 전계에 비례한다는 뜻이다. 하지만, 실생활에서의 절연 재료는 비-선형이며, 특히 높은 전계(high electric-field)에서 그 정도가 더 심하다. 그러므로, 공간 전하 측정 결과는 Maxwell-Wanger 이론의 일부분에 동의하지 않는다(defy). 공간 전하에 의해 일어나는 전계와 Maxwell-Wanger 이론에 의한 전계 사이의 주요 차이점은 표면 상태에 기여한다(attributed). 경계 전하(interface charge) 형성에 관한 표면에 효과는 이전에 증명되었으며 이 공간 전하는 2개 레이어 LDPE 필름 사이에서 관측된다. 표면의 거침 정도나 충분하지 않은 경계의 압력으로 인해 불완전하게 결합된 서로 다른 절연 물질을 고려해 보면 공간 전하의 결과는 반드시 멀티 레이어 절연 물질의 전계 계산과 관련돼서 같이 평가되어야 한다. 이 연구 페이퍼에서 다뤄진 멀티 레이어 구조는 CIGRE 그룹 A2/D1.41을 기반으로 제작되었다. 이 그룹은 전계를 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 이전에 시뮬레이션하였지만, 이 연구 페이퍼는 전계를 공간 전하 측정 결과를 기반으로 계산한다.

  이 연구 페이퍼는, 멀티 레이어와 오일, PB(pressboard) 두께가 공간 전하 역학(space charge dynamics)에 미치는 영향에 대해서 다루려 한다. 측정 방식은 공간 전하를 더 얆은 샘플에서 더 두꺼운 샘플에 관한 내용으로 확장한다. COMSOL 소프트웨어에서 사용된 추측된 공간 전하 결과는 Maxwell-Wanger 이론과 비교되며 특히, 극성 역전 현상(polarity reversal) 이후의 전계의 모습에 집중한다.

2. EXPERIMENT DETAILS

2.1. SAMPLE PREPARATION

오일과 오일을 머금은 PB의 공간 전하 특성에 관한 두께 그리고 멀티 레이어 효과를 분석하기 위해, 신선한 오일과 오일을 머금은 PB가 준비되었다. PB(pressboard, 합판) 회사로 부터 제공받았으며 사용된 오일은 신선한 오일로써 ZXI-S3 모델을 Shell 회사로부터 제공받아 사용한다. 간략하게 실험 준비에 관해 설명하자면 다음과 같다.

1. 우선 PB는 fan-assisted 된 105℃의 온도를 가지는 오븐에서 3일 동안 가열되어 수분의 함량은 0.5% 이하로 맞춘다.
2. 미네랄 오일은 105℃에서 3일 동안 가스가 제거돼야 하고 수분 함량은 10 ppm 이하여야 한다.
3. 그러고 나서, 완전히 건조된 합판은 가스가 제거된 오일을 완전히 머금을 수 있게 하여야 하고 이때 주변 조건은 200mbar/60℃이며 3일 동안의 과정을 거쳐 완전한 함유 상태를 달성할 수 있게 하여야 한다.
4. 사용되지 않은 샘플들은 건조기 (desiccator)에 보관되어야 하며 이때 진공 상태(vacuum condition)를 유지하여야 샘플이 주변 환경으로부터 수분을 흡수하는 것을 예방할 수 있다.

샘플의 절연 특성은 Table 1에 정리되었다.

2.2 SAMPLE CHARGE MEASUREMENT

  공간 전하는 개선된 pulsed electroacoustic (PEA) 시스템을 통해 측정된다. 오일과 PB의 공간적 해상도는 31um과 44um이다. 공간 전하 특성과 관련된 두께의 효과를 조사하기 위해 서로 다른 비율로 섞인 오일과 PB에서의 공간 전하(space charge)가 PEA를 통해 측정되었으며 두께의 관한 자세한 내용은 Table 2에 정리되었다.

외부 전계 (external electric field)는 10kV/mm가 적용되었다. 이 실험에서 펄스 생성기가 사용되며 이 생성기는 waveform 800V와 1kHz 그리고 10ns의 너비를 가진다. 전압 적용 시간(voltage application time)은 2시간이며 외부 DC 전압 supply를 차단 후에는 소멸 과정(decay process)이 시작되고 이는 1시간 동안 지속된다. 이 실험은 상온(ambient room temperature)에서 진행되었다.

3. SPACE CHARGE RESULTS

  Figure 1은  0.3mm의 오일 그리고 0.3mm의 PB가 10kV/mm의 전계가 적용되었을 때의 공간 전하의 모습을 나타낸 것이다. 호모 전하 주입은 2개 레이어의 오일과 PB에 관해서 나타난다. 주입된 양(+) 극 성 전하는 애노드 부근에 축적된다. 음(-) 극 성 전하는 오일을 가로질러 이동하고 오일과 PB 경계면에서 축적되며 이는 오일 내부 전계의 감소를 야기한다. 

Figure 2가 나타내는 것은 0.6mm의 오일과 0.3mm의 PB에 전계가 10kV/mm가 적용되었을 때의 공간 전하 모습이다. Figure 1과 비교하였을 때, 오일 두께를 증가시키는 것은 음(-) 극 경계성 전하 밀도(negative interfacial density)를 증가시키게 된다. 즉, -2.6C/m3, 10kV/mm의 값을 가지며 Figure 1에서는 1.03 C/m3의 값을 갖는다.

  Figure 3은 0.3mm 오일과 0.5mm PB가 10kV/mm의 전계가 적용되었을 때의 공간 전하의 모습이다. Figure 1과 비교하자면 PB두께의 증가는 양(+) 극 성 전하의 주입을 용이하게 만드며 이는 더 적은 양의 음(-) 극 성 정하를 경계면에 축적시키는 것처럼 보인다. Figure 3에서 음(-) 극 경계성 전하 밀도는 약 0.6C/m3이며 이는 Figure 1에서 보여주는 1.03 C/m3보다 적은 값이다.

  Figure 4는 0.5mm 오일 그리고 0.5mm에 PB가 전계 10kV/mm가 적용되었을 때의 공간 전하의 모습이다. Figure 4의 공간 전하 강도는 Figure 1과 유사하다. Figure 4에서 경계성 전하 밀도는 약 1.27 C/m3이다.

4. DISCUSSION

  Figure 1, 2, 3, 4의 비교를 통해 알 수 있는 점은 오일 두께의 증가는 음(-) 극 경계성 전하 밀도(the negative interfacial charge density)를 증가시킨다는 점이며 이와 반대로 PB 두께의 증가는 음(-) 극 경계성 전하 밀도를 감소시킨다는 것이다. 이러한 결과와 관련돼서 몇 가지 연관된 원인들이 존재한다.

  Maxwell-Wanger 이론에 의하면, 두 개 레이어의 오일과 PB 샘플에서의 steady-state 전계는 수식(1)처럼 추정(deduced)될 수 있다.

수식 (1)은 고정된 d_oil과 E_av과 함께, E_pb는 d_pb의 증가와 반대로 감소한다. 이는 경계성 전하 밀도가 d_pb의 증가와 반대로 감소함을 반영한 것이다. 경계성 전하 밀도 q(t) (C)는 수식 (2)처럼 추론(deduced) 된다.

수식 (2)는 d_pb의 증가 조건이 경계성 전하 밀도 q(t)의 감소를 야기할 수 있음을 확인시켜준다.

  더욱이, 경계성 전하 밀도의 두께 의존도는 전하 트랩핑(charge trapping)과 디트 랩핑(detrapping) 속도와 연관이 있다. 고형 절연 물질의 DC 전계 강도는 증가된 샘플의 두께와 반대로 감소한다. 이 현상이 암시하는 점은 샘플의 두께를 증가 시킴에서 트랩핑 속도는 디트랩핑 속도보다 빠르다는 점이다. 그러므로, PB의 증가된 두께는 양(+) 극성 전하의 트랩핑 속도를 증가시킬 수 있으며 반대로 오일-PB 경계면에서 음(-) 극 경계성 전하 밀도의 감소를 야기한다.

  위의 내용을 토대로, 오일의 증가된 두께는 음(-) 극 경계성 전하 밀도를 증가시키는 반면 증가된 PB의 두께는 음(-)극 경계성 전하 밀도를 감소시킨다. 이렇게 서로 상반되는 경향은 가정을 세울 수 있게 도와주는데 이는 오일과 PB의 동일한 두께 비율은 동일한 전계 조건에서 유사한 공간 전하 분포를 보여준다는 가정을 세울 수 있다.

  이를 확인하기 위해, 경계성 전하와 최대 전계는 Maxwell-wanger 이론과 공간 전하 밀도를 기반으로 추가적으로 조사되어야 한다. 오일과 PB의 경계성 전하는 수식 (3)과 (4)를 기반으로 계산될 수 있다.

Figure 5(a)는 수식 (3)과 (4)를 기반으로 경계성 전하 밀도의 절댓값을 보여준다. Figure 5(b)는 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 한 PB의 최대 전계 값이다.

  Figure 5(a)는 경계성 전하 밀도 Q(t) vs 서로 다른 오일 레이어의 최대 값을 보여준다. Figure 5(a)는 오일-PB 경계면에서 표면 전하가 증가된 오일의 두께와 함께 증가하고 반대로 증가된 PB두께와 감소하는 것을 보여준다. 더욱이, 경계성 전하는 PB와 오일 사이의 같은 두께 비율과 함께 경계성 전하가 같다.

  Figure 5(b)는 PB와 오일 사이에서 서로 다른 두께의 조합과 함께하는 PB의 최대 전계의 값을 보여준다. PB의 바뀌지 않은 두께와 관련해서 이는 PB의 최대 전계 값이 증가된 오일의 두께와 함께 증가함을 보여준다. 오일의 두께 변화 없이는, PB의 최대 전계 값이 증가된 PB의 두께와 반대로 감소한다. Figure 5(a)와 Figure 5(b)의 비교점은 증가된 경계성 전하가 PB에서의 최대 전계의 증가를 야기한다는 것이다.

  경계성 전하의 양 q(t)는 또한 공간 전하 결과를 바탕으로 수식(5)을 통해 계산할 수 있다.

Figure 6(a)와 (b)는 공간 전하의 결과와 관련해서 PB내의 경계성 전하 밀도와 최대 전계의 절댓값을 보여준다. Figure 5와 Figure 6을 비교하면, 같은 경향이 목격되는데 즉, 경계성 전하와 최대 전계는 오일의 두께 증가와 함께 증가한다. 더욱이, 경계 전하와 전계는 Maxwell-Wanger 이론 값보다 적다. 이는 아마도 신선한 오일과 신선한 PB와 관련성이 있으며 이러한 신선한 샘플은 더 적은 양의 공간 전하 주입이 일어나며 이로 인해 더 적은 강도의 전계 강화 현상이 나타난다. Figure 6(a)에서는 경계성 전하들이 오일과 PB의 비율이 동일할 때 거의 같은 값을 보여줌을 나타낸다.

  경계성 음(-) 극 전하들은 또한 공간 전하의 특성을 분석하기 위해 요약되었다(a C/m3 , b C/m3 and c C/m3는 캐소드, 경계면, 애노드에서의 최대 전계 밀도이다. d C/m3 , e C/m3 and f C/m3는 캐소드, 경계면, 애노드에서의 전하 밀도의 합이다. g μm은 애노드 peak 움직임에 대한 거리이며 이는 전하의 주입으로 인해 발생한다. 

  오일과 PB의 서로 다른 두께 조합에 관련된 요약이 Table 3에 나타나 있다. Table 3에서는, a1 , b1 , c1과 a4 , b4 , c4를 비교하며, 오일과 PB의 비율이 같을 때 공간 전하 밀도는 매우 유사하다. 더욱이, "d1과 e1", "d2과 e2" "d3과 e3" , "d4과 e4"의 합은 각각 -19.995 C/m3 , -64.919 C/m3 , -6.917 C/m3 -26.256 C/m3이다. 그중에서도, "d1과

위의 내용은 기반으로, 이전에 세워둔 가정(hypothesis)을 확인할 수 있는데 이는 경계성 전하(interfacial charge)는 오일과 PB사이 두께 비율이 같을 때 전하의 행동이 거의 동일하다는 것을 확인하였다. 그리고 이것은 전계 측정에 있어서 더 얇은 샘플에서 멀티 레이어로 된 더 두꺼운 샘플로의 공간 전하를 보간(interpolate)할 수 있게 해 준다.

5. ELECTRIC FIELD DISTRIBUTION OF FOUR AND LAYERS OIL AND OIL-IMPREGNATED PB

  멀티 레이어는 4개 그리고 6개의 오일과 PB의 레이어 구조로 되어있으며 이는 CIGRE working group A2/D1.41에 의해 제안되었으며 Figure 7에 나타나 있다. 단순한 4개 그리고 6개의 레이어 모델은 컨버터 트랜스포머의 전계의 일부분을 모방한 것이다. 오일과 합판의 두께와 멀티 레이어 구조를 고려하였을 때 공간 전하를 직접적으로 측정하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 공간 전하를 모델로 보간(interpolating) 하기 위한 새로운 방식이 다음과 같이 이야기될 수 있다.

  공간 전하의 보간(interpolating)을 위한 방식은 다음과 같다.

1. 샘플 모델을 서로 다른 두께 비율로 나눈다.
2. 서로 다른 두께 비율을 기반으로 경계성 전하를 요약한다.
3. 서로 다른 두께에 관해서 경계성 전하를 측정한다.
4. 공간 전하를 모델로 보간(interpolate)한다.
5. 전계 분포도를 입력한다.

  첫째로, 각 오일과 PB 레이어의 두께는 Figure 7에서 처럼 나타난다. 4개와 6개 레이어의 오일과 PB는 수식(6)을 기반으로 서로 다른 두께 비율 섹션으로 나눠진다.

  Table 4는 4개와 6개 레이어 된 모델을 11개와 15개의 두께 비율 섹션으로 각각 나눈다. 

  두 번째로, 경계성 전하 밀도는 샘플의 서로 다른 두께에 관해서 경계성 영역에 관해서 요약한다. 경계성 전하 밀도 vs 서로 다른 두께 비율은 Table 5에 표시되었으며 Figure 8는 경계성 전하 밀도 vs 서로 다른 두께 비율(1:0.5~1:2.333)을 나타낸다.

  세 번째로는, 경계성 전하 밀도 vs 샘플 두께는 Matlab에서 curve fitting function을 이용하여 나타낸다. 공간 전하 밀도 vs 샘플 두께 비율은 두 개의 exponential function을 이용하여 나타낸다. 수식 (7)을 기반으로, 서로 다른 경계성 전하 밀도가 계산될 수 있으며 그리고 이 결과는 Table 5에 표시된다. 더욱이, 측정된 경계성 전하 밀도들은 Figure 9에 표시되었다.

  네 번째로는, 공간 전하를 멀티레이어 PB와 오일로 보간(interpolate) 하기 위해, 서로 다른 경계성 전하 밀도 사이의 비율은 수식(8)을 통해 계산된다.

비율은 반드시 기존에 존재하는 수식들과 곱해져야 하며 이는 공간 전하 vs 각 레이어의 시간을 나타낸다. 그리고, 공간 전하는 오일과 PB 모델의 멀티레이어에 보간(interpolate) 되며 이는 이전에 다뤄진 방식을 기반으로 COMSOL software에서 시뮬레이션된다. 

  0.3mm 오일과 0.6mm PB에서의 공간 전하 결과를 토대로, 공간 전하를 두께 비율 1:2에서 1:5로 예를 들어 확정한다면, 상대적인 경계성 전하는 79.15 C/m3 (Table )이며 두께 비율은 1:2이다. 수식 (8)을 기반으로 비율 1.1은 -87.59 C/m3과 -79.51 C/m3로 나눠 진후 얻어질 수 있다. 그러고 나서, 이 비율은 수실들과 곱해지며 이는 공간 전하 vs 시간으로 1:2의 비율과 함께 하며 그리고 공간 전하는 그러므로 두께 비율 1:2에서 1:5로 확장될 수 있다.

  4개 레이어 섹션 숫자는 9, 10, 11 (Figure 7a)가 예를 들기 위해 선택되었다. 공간 전하를 모델로 보관한 뒤, 공간 전하의 분포도는 Figure 10(a)에 나타나며 가는 정도(thinness)는 Figure 10a에서 공간 전하 결과의 20000 μm 이하이며 이는 Figure 10(b)에서 확대되었다.

  마지막으로, 정전기적(electrostatic) 모델이 4개 레이어 오일과 PB의 시간 의존적 전계 분포도를 계산하기 위해 선정되었다. 4개 레이어의 오일과 PB 기하학적 모델은 Figure 7에 표시되었다. 적용된 전계는 Figure 11에 보인다. 샘플들이 100 mm의 두께를 가질 때, PR(Polarity Reversal) 전압 1000 kV이 절연 샘플에 적용된다. Mesh level 세팅에서는,  “extremely fine”의 mesh level이 전계와 전계에 영향을 미치는 서로 다른 PR시간 효과에 관해서 후에 시뮬레이션되었다.

  4개 레이어 오일과 PB의 전계 분포도는 Figure 12에 나타난다. PB의 전계는 애노드에서 캐소드로 증가하는 반면 오일의 전계는 애노드에서 캐소드로 감소한다. 

  위의 내용을 기반으로, 다음의 전계 시뮬레이션은 Figure 7a의 section number 1, 2, 3을 기반으로 하며 1’, 2’, 3’, 4’는 Figure 7b을 기반으로 한다. 이러한 이유는 오일 갭 두께의 증가 때문이며 이는 PR 현상 이후 더 높은 경계성 전하 밀도와 더 높아진 오일의 전계 강화를 가져온다. 이는 다음의 전계 시뮬레이션으로부터 확인 가능하다.

6. FURTHER ANALYSIS OF THE ELECTRIC FIELD FOR FOUR AND SIX LAYERS PB AND OIL

  공간 전하를 4개와 6개 레이어 모델에 보간(interpolation) 한 후, 공간 전하를 기반으로 한 전계가 시뮬레이션되었으며 이 전계는 PR 현상 이후 강화되었다. 더욱이, 공간 전하 기반의 4개 6개 레이어 전계는 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 한 전계 값과 비교 분석되었다.

  Figure 13a와 Figure 13b는 4개와 6개 레이어가 steady-state 전계 (Maxwell-Wanger 이론 기반)를 보여준다. PB의 전계는 PB의 더 높은 저항성(resitivity)으로 인해 오일에 비해 더 높다. 더욱이, Figure 13a와 Figure 13b를 비교하면, 이 점이 나타내는 것은 증가된 레이는 PB의 전계를 26.5 kV/mm 에서 25.9 kV/mm로 감소시키며 오일의 전계는  9.1 kV/mm 에서 8.9 kV/mm로 감소시킨다.

이러한 현상을 설명하기 위해서는 오일과 PB의 steady-state 전계가 수식 (9)와 (10)을 통해 계산 가능하다. M은 유한한 레이어를 나타낸다 (M>=4). 

  수식 (9)와 (10)에서, 만약 오직 2개의 서로 다른 샘플이 전도성 v1와 v2라면 샘플 두께 a와 b일 때 위의 수식(10)은 다음과 같이 (11)이나 (12)처럼 단순화시킬 수 있다.

a와 b는 오일과 PB의 두께를 나타낸다. 더욱이, d는 고정된 샘플 두께이고 E_av는 외부 전계(external electric field)이다. α 의 증가는 수식 (11)에 의해 각 레이어의 전계를 증가시킬 수 있다. 이와 반대로,  β 의 증가는 수식 (12)에 따라 각 레이어의 전계를 감소시킨다.

  Figure 14(a)와 Figure 14(b)는 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 한 극성 역전 후 10초에서의 4개와 6개 레이어 오일과 PB 전계를 보여준다. 오일의 일시적 전계(transient electric field)는 유전율(permittivity)과 관련이 있다. PB와 비교하였을 때, 오일의 더 낮은 유전율은 더 높은 일시적 전계를 야기한다. Figure 13(a), (b) 그리고 Figure 14(a), (b)를 비교해보면, 오일의 일시적 전계가 steady-state에 더 높다는 것이 뚜렷하게 나타난다.

  Figure 14(a)와 Figure 14(b)를 비교하자면, 오일의 일시적 전계(transient electric field)는 오일의 두께 증가와 함께 같이 증가한다. 이는 수식(13)과 (14)를 통해 계산 가능하며 𝜀1은 오일의 유전율(permittivity)을 나타내며 𝜀2는 PB의 유전율 값이며 이는 𝜀1보다 높다. 이 결과가 보여주는 것은 각 레이어의 일시적 전계는 수식 (13)을 기반으로 오일의 두께 증가와 반대로 감소한다. 더욱이, 각 레이어의 일시적 전계는 수식 (14)를 기반으로 PB 두께가 증가함과 동시에 같이 증가한다.

  Figure 15(a)와 Figure 15(b)는 steady-state에서 공간 전하와 관련된 전계를 보여준다. 여기서 알 수 있는 점은 PB의 전계는 오일의 전계가 외부 평균 전계와 비교해서 감소될 때 강화된다. 이러한 현상은 PB내부의 전하 때문이며 이는 외부 전계와 같은 방향으로 전계를 생성한다. 하지만, 오일에서의 전하는 외부 전계와 반대 방향으로 전계를 생성하며 이는 오일에서의 전계 강도를 감소시킨다.

  더욱이, 4개와 6개 레이어 오일과 PB에서 공간 전하에 관한 전계 차(electric field gradient)가 존재한다. Figure 15(a)와 Figure 15(b)에서, PB의 전계는 증가하고 오일의 전계는 anode로부터 캐소드로 감소한다. 이는 Figure 16에서의 설계도 다이어그램을 설명하는 데 있어서 도움이 된다. 오일과 PB의 서로 다른 비율로 인해, PB에서의 아주 많은 양의 공간 전하가 캐소드 부근에서 PB의 전계를 증가시키며 오일에서는 전계를 감소시킨다. 그러므로, 두꺼운 멀티 레이어 오일과 PB샘플에서의 전계 차가 존재한다.

  공간 전하에 의해 일어나는 4개 그리고 6개 레이어의 전계는 Figure 15a와 15b에 나타나 있다. 여기에서는, 공간 전하에 의한 레이어의 증가와 함께 딱히 뚜렷한 전계의 감소가 나타나지 않는다.

  Figure 15(a)와 Figure 12를 비교점이 나타내는 것은 오일 갭의 최소 전계는 Figure 15(a) 더 낮다. 이러한 결과는 더 높은 경계성 전하 밀도로부터 나타나며 이는 더 높은 오일-PB 두께 비율 때문이다. 이러한 결과는 Figure 7(a)에서 section 1과 section 9의 비교를 통해 나타난다. 

Figure 17(a)와 Figure 17(b)는 PB와 오일의 멀티 레이어 전계를 보여주며 이는 극성 역전 현상 10초 경과 지점에서 공간 전하에 의한 모습을 보여준다. 이 점이 암시하는 것은 오일의 전계는 PB에서 전계가 극성 역전 현상 이후 감소하는 동안 강화됨을 나타낸다. 전반적인 전계는 외부 적용 전압과 공간 전하에 의한 전계로 구성되며 이는 수식 (15)에서 보인다. 오일 내에서의 헤테로 전하는 극성 역전 후 호모 전하로 바뀐다. 그러나, PB에서 이전 단계의 전압 적용에서의 호모 전하는 극성 역전 후 헤테로 전하처럼 여겨지며 이는 PB내에서의 전계 감소에 기여한다. 

  Figure 17(a)와 17(b)로 부터, 극성 역전 후 멀티레이어 오일과 PB내에서는 전계 차(electric field gradient)가 존재한다. 극성 역전 이후, 오일의 전계는 캐소드로부터 애노드로 감소한다. 하지만, PB의 전계는 캐소드에서 애노드로 증가한다. 이러한 현상은 Figure 18에서의 구조를 통해 설명 가능하다. 오일과 PB의 서로 다른 두께 비율을 고려하면, PB내에서 상당한 양의 남아있는 공간 전하는 외부 전계와 비교해서 반대 방향으로 전계를 생성한다. 이러한 현상은 PB내의 전계 강도의 증가를 캐소드에서 애노드 방향으로 야기하며 결국 멀티 레이어의 전계 차(electric field gradient)를 야기한다.

  Figure 19는 공간 전하 또는 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 한 전계의 계산을 보여주며 이는 4개 또는 6개의 오일 레이어에 관해서 서로 다른 극성 역전 이후 과정에 관해서 이야기한다. 시뮬레이션 결과가 보여주는 점은 공간 전하에 의해 일어나는 오일의 전계는 Maxwell-Wanger 이론을 통해 구해진 값보다 더 높다. 더욱이, 극성 역전 이후, PB와 오일의 4개 6개 레이어의 1번째 라인은 Figure 7(a)와 7(b)에서 오일의 전계는 6개의 레이어 일 때 4개의 레이어 보다 높으며 이 값들은 공간 전하 결과와 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 행해졌다.

  현재의 표준 PR 작동 시간은 2분이다. 극성 역전 후 오일의 일시적 전계(transient electric field)는 steady-state상태의 전계보다 낮다. 오일의 일시적 전계(transient electric field)는 14.4 그리고 -15.8kV/mm이며 이는 4개와 6개 레이어가 극성 역전 후 10초 경과하였을 때의 값이다. 4개 6개 레이어에서의 오일의 steady state 전계 값은 각각 15.4kV/mm, 16.2 kV/mm이다.

  더욱이, Figure 19에서는 극성 역전 후 60초 경과 지점에서 공간 전하에 의해 일어나는 전계는 뚜렷한 감소를 가지지 않는다. 이러한 두 가지 요소는 현재 2분 동안의 극성 역전 작동 시간이 아마도 10kV/mm 조건에서 멀티레이어 오일과 PB에 관련해서 시간이 줄어들 수 있다.

7 CONCLUSION

  오일과 PB의 공간 전하 특성은 DC 전계 조건에서 PEA 측정 방법을 통해 조사되었다. 멀티레이어와 두께가 오일과 PB에서 공간 전하에 미치는 실험을 통해 확인되었으며 추가적인 보간(interpolation)을 위해 COMSOL software를 통해 전계를 시뮬레이션하였다. 이러한 값들은 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 계산된 전계의 값들과 비교되었으며 이 연구 페이퍼에 관련된 결론들은 다음과 같다.

• 증가된 PB 두께는 경계성 전하의 감소를 야기하며 그리고 증가된 오일 두께는 경계성 전하의 증가를 야기한다.
• 동일한 외부 전계 조건에서 동일한 PB와 오일의 두께 비율은 거의 유사한 공간 전해 분배 모습을 보여준다. 이러한 현상은 공간 전하의 측정을 얇은 샘플에서 두꺼운 샘플로 확장할 수 있으며, 이는 컨버터 트랜스포머에서의 전계 분포의 계산을 도와주며 디자인의 향상에도 이점을 가져다준다. 
• 공간 전하에 의해서 오일과 PB내에서 일어나는 전계 분포에는 전계 차가 존재한다. PB의 전계가 애노드에서 캐소드로 증가할수록, 오일의 전계는 애노드에서 캐소드로 감소한다. 더욱이, 극성 역전 이후, 오일의 전계는 캐소드에서 애노드로 감소하며 PB에서의 전계는 캐소드에서 애노드로 증가한다.
• 극성 역전 이후, Maxwell-Wanger 이론과 공간 전하에 의해 일어나는 전계를 비교하였을 때, 이러한 현상이 암시해주는 점은 공간 전하에 의해서 오일에서 생성되는 전계는 Maxwell-Wanger 이론으로부터의 전계의 값보다 높다는 점이며 추가로, 극성 역전 동작 시간은 오일과 PB의 멀티레이어에 현재 2분가량 적용되는 시간이 10kV/mm조건에서 줄어들 수 있다는 점이다.

출처:

[1] B. Huang, Z. Xu, M. Hao, and G. Chen, “Multilayers Oil and Oil-impregnated Pressboard Electric Field Simulation based on Space Charge,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 26, pp. 530–538, 2019.

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.

Abstract

  절연 재료 내부에서 공간 전하의 형성은 절연체의 노쇠화 또는 동작의 오류를 야기하는 가장 큰 요인중 하나이다. Pulsed-Electroacoustic method (PEA) 측정 방식은 절연체의 공간 전하 측정을 위해서 가장 널리 사용되는 측정법 중 하나이다. 현재 연구들에 의하면 여러 가지 요인들이 PEA 측정법에서 공간 전하 분포의 정확도에 영향을 미치는 것으로 확인되었으며 특히 멀티 레이어의 샘플이 이에 고려된다. 이 연구 페이퍼에서는, 하부 전극과 멀티 레이어에서 반사된 신호 위주로 내용을 다루고 있다. PEA 장비는 COMSOL software를 기반으로 모델이 된다. 전개된 모델을 기반으로 적합한 하부 전극 두께의 수치가 주어지며, 여러 레이어 샘플 모델의 유효성은 시뮬레이션 결과와 계산 결과의 비교를 기반으로 이루어진다.

INTRODUCTION

  절연 재료들은 HVDC 장비에서 절연체로써 널리 사용된다. 공간 전하는 절연 재료의 성능에 영향을 미치는 여러 요소 중 하나이다. 절연체가 고 전압에 노출되게 되면, 전하의 주입이 일어날 수 있다. 또한, 주입된 전하는 절연체 내부에 갇히거다 축적되게 되는데 이러한 현상으로 인해 부분적으로 전계를 강화시키며 이는 절연체 성능을 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 절연 재료의 공간 전하 측정은 매우 중요하다.

   Pulsed-Electroacoustic (PEA) method는 공간 전하 분포 측정에 있어서 가장 널리 사용되는 측정 장비이다. PEA 시스템의 디자인과 관련하여 정확한 측정을 위해 몇 가지 요소들을 고려해야 한다. 이에 해당하는 요소들은, 샘플의 두께, 전극의 두께(electrode thickness), 센서 두께, 멀티 레이어 샘플(multilayer samples), 그리고 펄스 전압의 강도와 넓이 등이 이에 해당한다.

  그러나, 이 페이퍼에서는, 주로 두 가지 주요 요소인 전극 두께(bottom electrode)와 멀티 레이어 샘플(multilayer samples)등을 PEA 기술을 이용하여 주의 깊게 살펴본다. PEA 방식에 의한 공간 전하 측정 실험 동안, attenuation, dispersion, 그리고 acoustic signal의 왜곡으로 인해, 반사된 신호는 오실로스코프에서 인식 되기 힘들다. 따라서, 반사된 신호는 추출하거나 완전하게 제거하기가 힘들다. 

  이 연구 페이퍼에서는, acoustic wave의 진행 특성을 파악하기 위해서 다음의 acoustic 모델이 COMSOL 소프트웨어를 통해 구현되었다.

• Single layer sample (polyethylene) model
• Three layers sample (Epoxy/paper/Epoxy) model

그러고 나서, 디자인된 모들은 실험을 위해 제안된 장비들의 적합한 수치들을 적용하여 시뮬레이션을 진행한다. 더욱이, 3개 레이어 샘플에서 acoustic signal 진행의 특징과 관련돼서 모델이 시뮬레이션된 뒤 분석 과정에 들어간다. 접근방식의 유효성은 이론적 수식을 기반으로 한 계산 값과 비교하여 수행된다.

PEA METHOD

Acoustic 특징을 명확하게 설명하기 위해 acoustic wave 진행 관련 그림이 Figure 1에 묘사되었다.

 재료의 acoustic impedance i는 다음 수식에 의해 결정될 수 있다.

설명한 대로, acoustic pressure는 Material 1과 Material 2의 경계면(interface)에서 생성되며 이는 양쪽 방향으로 전파(propagate)된다. 그리고 이러한 pressure wave의 전파와 반사(transmission and reflection)는 Material 2와 Material 3 사이의 경계면에서 일어난다. Specific generation coefficient (G12), transmission coefficient (T23) 그리고 reflection coefficient (R23)은 다음의 수식을 통해 값을 구할 수 있다.

그러므로, Figure 1에서의 압력(pressure) 값은 아래의 수식을 따라 결정할  수 있다.

MODEL DESIGN

  샘플 내에서의 acoustic wave 진행 시뮬레이션에 관해서, COMSOL 소프트웨어가 사용되었다. Electrostatic과 Pressure Acoustic 모듈이 acoustic wave의 시간적(temporal) 강도의 분석을 위해 선택되었다. Single layer 샘플 모델을 예로 들자면 이 디자인된 모델의 기하학적 구조(geometry)는 다음과 같다.

  이 모델은 샘플 내에서의 acoustic wave 진행의 관한 분석을 제공한다. 단순화된 모들은 다음의 추정 내용(assumption)들을 기반으로 분석된다.

• Attenuation과 Dispersion은 시뮬레이션을 진행하는 동안 무시된다.
• Acoustic Pressure는 삽입된 공간 전하에서 electric pulse의 적용에 의해 발생한다.
• 샘플에서의 내부적인 힘은 무시된다.

이러한 추정 상황에 따르면, 경계 조건(boundary conditions)을 결정할 수 있다.

ELECTROSTATIC PHYSIC INTERFACE

  모델들의 electric pulse는 5ns의 pulse width와 전계 강도 8500V/m로 세팅되어 있으며 이는 보간 기능(interpolation function)을 통해 디자인되었다. Pulse width는 시간을 기반으로 실험에서 많이 사용된다. Electric pulse는 상부 전극(upper electrode)에 적용되며 하부 전극(lower electrode)은 ground와 연결된다. 

  모델에 공간 전하를 삽입하는 목적과 함께, 보간 기능이(interpolation function)이 공간 전하의 삽입을 위해 활용된다. 전하의 양은 또한 전하 보존 이론을 충족한다.

PRESSURE ACOUSTIC PHYSICS INTERFACE

시뮬레이션 동안, acoustic wave의 진행 과정 특성은 부분적 미분 수식을 통해 다음과 같이 설명된다.

이전의 추정 내용들과 균일하게 분배된 permittivity ε 를 고려함으로써 electric pulse에 의해 유도된 mechanical force가 다음에 의해 계산된다.

• ρ: electric charge in the sample 
• △E(t): electric field of applied electric pulse signal

Acoustic wave의 pressure (p)는 수식 (10)을 (9)에 적용합으로써 값을 결정할 수 있다.

Single layer 모델의 다른 재료들의 성분들은 Table 1에 나열되었다. 반도체(semiconductor)의 레이어는 상부 전극(upper electrode)과 샘플 사이에 배치되며 이는 acoustic impedance 매칭을 향상하기 위함이다. 

SIMULATION RESULTS

Various Thickness of bottom electrode

  Acoustic wave의 진행에 관해서 하부 전극의 두께가 주는 영향을 확인하기 위해서, 3가지의 서로 다른 두께를 가진 하부 전극(bottom electrode: 300, 360, 400um)들이 시뮬레이션을 위해 준비되었다. Polyethylene (PE)가 절연체 재료로써 선정되었다. 샘플의 두께는 300 um으로 세팅되었으며 acoustic wave 진행에 관한 결과는 Figure 3에 나타나 있다.

  Figure 3에서 보여지듯이 반사된 신호가 하부 전극 두께 300um에서 발생한다. 360um의 전극 두께에서는 중첩된(overlapped) 신호가 상부 전극의 강도를 증가시킨다. 400um 두께의 하부 전극에서는 반사된 신호가 원본 신호 안에서 더 이상 존재하지 않음을 보였다. 시뮬레이션 결과가 보여주는 점은 하부 전극의 두께는 400 um보다 두꺼워야 300um polyethylene (PE) 샘플에서 일어나는 신호 반사 현상을 피할 수 있다.

Multilayers Sample

경계면에서의 반사 작용 때문에 생기는 복잡한 acoustic transmission을 고려해보면 3개의 레이어 Epoxy/Paper/Epoxy는 제안된 acoustic model의 예시를 위해 선정되었다. Acoustic simulation 결과는 정확하게 position과 반사 신호 강도의 정보를 제공해주며 이는 멀티 레이어 공간 전하 측정에 관한 공간 전하 회복에 관해서 이점을 가져다줄 수 있다.

멀티 레이어의 시뮬레이션 결과는 Figure 4에서 처럼 나타난다. 2개의 반사 신호가 있으며 이는 원본 신호에서 일어나고 두 개의 반사 신호(P_4r', P_5r')는 상부 전극과 Sample 1/Sample 2 경계 사이에서 존재한다. 실험 결과가 암시하는 점은 반사 현상은 아마도 PEA 시스템의 하드웨어적인 요소로부터 오는 것인 아닌 것으로 추정되며 아마도 이러한 현상은 멀티 레이어 샘플의 반사 현상으로부터 야기된다고 생각된다.

DISCUSSION

Thickness of lower electrode

Figure 3의 시뮬레이션 결과에 의하면, 반사된 신호의 위치는 하부 전극의 서로 다른 두께와 함께 변한다는 점이다. 그 이유는 반사된 신호는 샘플/하부 전극의 경계면과 하부 전극/센서의 경계면에서 생성되기 때문이다. 그러므로, 반사된 신호의 진행 시간은 하부 전극의 두께와 하부 전극의 acoustic speed에 의해 지배된다. 싱글 레이어 샘플 측정의 이론적 acoustic wave의 진행은 Figure 5에 표시되었다.

하부 전극에 의해 유발되는 acoustic reflection을 피하기 위해서는, 하부 전극 두께의 범위를 선정하는 것은 매우 중요하며 이는 여러 개의 서로 다른 샘플의 두께를 충족시킬 수 있다. Single layer 샘플에 관해서는 싱글 레이어의 두께와 속도는 각각 d_1과 v_1으로 표시되며 하부 전극의 두께는 d_2 그리고 소리의 속도는 u_2로 나타내어진다. Figure 5를 기반으로 수식 (11)은 다음을 반드시 만족하여야 한다.

Table 1의 coefficients를 활용하면 수식 (11)은 수식 (12) 또한 만족시켜야 한다.

Figure 3에서 acoustic wave simulation을 고려하면 샘플이 약 300um의 고정된 두께를 가진다고 하였을 때, 하부 전극의 두께는 반드시 360um보다 커야 acoustic wave의 반사 현상으로부터 오는 간섭(interference) 현상을 피할 수 있다. 실험 결과들은 또한 수식(11) 확인할 수 있으며 반사되는 신호는 샘플 두께 300um 정도에서 일어나고 400um의 두께에서는 축소된다.

Reflection within multilayers samples

3개 레이어 샘플 내에서의 acoustic wave의 진행은 Figure 6에 설명되었다. 아래의 디자인이 설명하는 점은 3개의 반사 현상은 원본 신호 내에서 일어날 가능성이 있으며 이는 최악의 경우로 고려된다.

  Table 1의 내용들을 기반으로, 각 경계면에서의 acoustic impedance, transmission, 그리고 reflection factors들은 계산될 수 있으며 이는 Table 2에 표시되었다. 추가적인 조사와 모델의 유효성 확인을 위해서는, acoustic wave의 강도가 시뮬레이션된 값과 비교되며 이러한 비교는 반사된 acoustic wave의 강도와 위치에 중점을 둔다.

추가적으로, Figure 6을 기반으로 반사된 acoustic waves는 다음 수식들을 기반으로 계산 가능하다.

다른 acoustic wave들은 또한 Equation 8을 이용하여 구할 수 있다. 계산 값과 시뮬레이션 결과에 대한 내용은 Table 3에 표시되었다. 계산된 값은 거의 시뮬레이션 결과 값과 비슷하다. 반사된 신호의 강도와 이웃한 원본 신호 사이의 비율의 값은 계산 가능하며 이는 공간 전하 회복에 관한 반사된 신호의 제거를 위한 이점이 될 수 있다. 반사된 신호 중 하나는 P_3r'의 예상과는 반대로 감지되지 않는다. 이는 왜냐하면, 반사된 acoustic wave가 3개의 반사 작용 후 너무 약해서 감지되기 어려울 정도이기 때문이다.

Acoustic wave pressure의 강도로부터의 분리 후, 반사된 신호의 위치가 결정된다. 계산 과정은 다음의 과정을 겪는다. 첫 번째로,  특정한 샘플 레이어를 통과하는 acoustic wave 진행 시간은 다음과 같다.

그러므로, Figure 6에 따르면, P_3'와 P_4r' 사이에 시간 차와 위치 차는 다음 수식들에 의해 결정된다.

P_5r'과 P_6'의 사이의 차이는 다음과 같다.

이러한 위치 차는 반사된 신호 P_4r'이 26ns와 130um에서 원본 신호 P_3'이후에 감지됨을 나타낸다. 반사된 신호 P_5r'은 26ns와 130um에서 감지되며 이는 원본 신호 P6' 이전에 일어난다. 시뮬레이션 결과들은 또한 실험 결과들과 비교되며 비교 후 납득할만한 결과를 보여준다.

CONCLUSIONS

PEA 시스템의 디자인 측면에서, 측정 샘플의 두께가 고려되었으며 주로 하부 전극의 두께를 고려하였다. 제안된 single layer 샘플 모델을 기반으로, 샘플의 두께와 하부 전극 두께 사이의 적합한 제안점이 고려되었으며 모델링을 통해 유효성을 확인하였다. 멀티 레이어 샘플 모델을 기반으로, 시뮬레이션 결과는 계산 값, 실험값과 유사함을 보여 주었으며 반사된 acoustic wave의 강도와 위치는 제안된 모델에 의해 정확하게 결정될 수 있음을 보여주었다.

출처:

[1] Y. Hou, B. Huang, G. Chen, K. Ye, and X. Zhao, “The Improvement of the Pulsed-Electroacoustic ( PEA ) System Measurement from the Acoustic Wave Transportation Perspective,” 2018 12th Int. Conf. Prop. Appl. Dielectr. Mater., no. 1, pp. 1024–1027, 2018.

Abstract

Pulsed electroacoustic (PEA) cell에서의 acoustic wave의 특성을 알아보기 위하여, 이 연구 페이퍼에서는 시뮬레이션을 기반으로 분석을 하였다. 이 모델은 Matlab 환경에서 시뮬레이션되었으며 이는 acoustic과 전기적 quantities의 유사점(analogy)을 기반으로 하였다. 즉, 이러한 방식을 통해 연속적으로 연결된 송전 라인(transmission lines)의 PEA cell 모델이 구현 가능하다. 이 페이퍼에서는 4가지의 그래프가 구현되었는데 그중 2개의 그래프는 쉽고 빠르게 최소 ground 전극과 흡수제 두께를 얻기 위해 사용되었다. 여기서 흡수제는, 구체적인 샘플이 사용되며 이를 통해 메인 PEA 아웃풋 시그날에서의 반사작용을 피할 수 있다. 같은 이유로, 나머지 2개의 그래프 또한 정학한 샘플의 두께가 필요하며 이는 주어진 PEA cell에서 테스트 가능하다.

I. INTRODUCTION

  High Voltage Direct Currnet (HVDC) 송전(transmission) 분야에서는 공간 전하의 축적 (space charge accumulation)의 현상은 절연체의 전기적 능력에 가장 큰 영향을 주는 요인 중 하나이다. PEA 측정 방식은 가장 널리 쓰이는 방식이며 공간 전하의 측정을 위해 사용된다. 작동 원리는 전하의 진동으로부터 생성되는 acoustic wave의 진행을 기반으로 운용된다. PEA cell은 여러 개의 다른 재료로 구성되기 때문에, acoustic wave가 이를 지나갈 때 반사(reflection) 현상이 발생하게 된다. 모든 acoustic wave를 고려할 때 (진행 wave 그리고 반사 wave) 이 waves들은 piezoelectric sensor에 의해 감지되며, 이대 주요 PEA cell 아웃풋 신호는 왜곡 현상을 겪게 된다. 이상적인 경우, 최종 아웃풋 신호는 오직 두 peaks에 의해 구성되며 이는 acoustic waves들이 두 전극(two electrodes)에 축적된 전하들로부터 오기 때문이다. 다른 경우에는, 대신 ground 전극과 흡수제 두께를 기반으로 할 뿐만 아니라, 샘플의 특성(ground 전극, 흡수제, 샘플의 두께의 무능력 때문에), PEA cell에서의 반사된 wave들은 메인 신호와 중첩될 수 있으며 따라서, 아웃풋 전하 프로필은 왜곡될 가능성이 있으며 정확한 결과를 얻어내기 힘들다. 위의 내용을 기반으로 PEA cell에서의 acoustic wave의 특성과 PEA cell 두께의 효과에 관해서 더 나은 이해를 위해 시뮬레이션 모델이 제작되었으며 이는 공간 전하가 존재하지 않은 상황에서 DC 전압에 노출되게 된다.

II. THE PEA TECHNIQUE

  이미 많은 연구 자료들이 PEA 기술에 대하여 설명하였지만, 다시 간략하게 집고 넘어가려고 한다. 우선, PEA cell의 모델은 Figure 1에서 처럼 나타난다. 이는 두개의 acoustic 그리고 electrical 한 두 개의 메인 부분으로 구성되어있다. 

파란색 점선으로 표시된 첫 번째 부분은 전기적 회로와 관련된 부분이며 이는 고전압 Vdc와 펄스 생성기 e_p(t), 그리고 신호 증폭기(amplifier)로 구성되어있다. 그 다음 빨간 점선으로 구성된 하부 부분은 전극(electrodes), 샘플, 변환기(transducer), 그리고 흡수제(absorber)로 구성된다. 전압 생성기 Vdc는 전기적 응력(elecrical stress)을 샘플에 가하기 위해 사용되며 이를 통해 전하의 축적을 야기할 수 있다. 그리고 펄스 생성기 e_p(t)는 축적된 전하를 진동시켜 전하로부터 acoustic wave를 생성하게 만든다. 이렇게 생성된 wave는 변환기(transducer)에 도달하게 되며 이 부분에서 전기적 신호로 바뀌게 된다. 흡수제(absorber)는 센서와 같은 재료(PVDF: Poly Vinyl Dene Fluoride)로 만들어지며 이는 변환기를 통과한 wave를 흡수하기 위해 사용된다. 이 측정 장비에서 증폭기(amplifier)는 매우 중요한 역할을 하는데 이는 변환기를 통과한 신호의 강도를 증가시키기 위해 사용되며 반면에 하부 전극(bottom electrode)은 센서와 흡수제 보호를 위해 사용되고 workbench와 접촉한다. 워크벤치는 electromagnetic 노이즈를 줄이기 위한 보호장비로 여겨진다.

III. REFLECTION PHENOMENON

  PEA cell을 통과하는 acoustic wave는 반사 현상을 겪게 되는데 이는 서로 다른 acoustic impedances Z 때문이며 각각 PEA cell의 sound velocity v, density p의 곱(product)을 통해 계산된다. 즉, acoustic wave가 PEA cell 두 요소 경계면에 도달 할때 acoustic wave의 일부는 다른 요소로 넘어가지만 그렇지 못한 부분은 반대 방향으로 반사되는 현상을 겪는다. 넘어가는 wave는 K^T로 나타내며 반사되는 부분은 K^R로 표시한다. 

  샘플 A를 고려해보면 샘플과 전극(Al) 사이의 경계성 전하들(interfacial charges)의 관한 acoustic wave가 Figure 2에 나타나있다.

빨간색으로 표시된 wave p_+(t)는 양(+) 극 성 표면 전하들로부터 생성되고 파란색으로 표시된 wave p_-(t)는 음(-) 극 성 표면 전하로부터 생성된다. p_+(t)는 웨이브 진행 과정 동안 센서에 도달하기 위해 시간 tau(t)를 필요로 하며 부분적 wave는 샘플을 통과하는 반면 그렇지 못한 부분은 각각의 경계면에서 반사된다. 또한, p_-(t)는 tau_GR(t)의 시간을 필요로 하며 이는 p_-(t) 전극/센서 경계면에 도달할 때 부분적인 wave가 반대방향으로 반사된다. 반사된 wave는 2*tau_GR(t) 이후 전극/샘플 경계에 도달하며 이는 다시 센서 방향으로 반사된다. 최종적으로 3*tau_GR(t) 이후에는 ground 전극에서 반사된 wave는 센서에 의해 감지된다. 센서에 의해 acoustic wave가 감지된 후 이 wave는 absorber로 넘어가게 되며 센서와 같은 물질을 사용하기 때문에 이 둘은 같은 acoustic impedance를 가진다. 즉, 이로 인해 모든 wave가 온전히 absorber로 반사 작용 없이 이동 가능하다. 그러나, 흡수제/하부 전극 경계에서 동시에 일시적인 wave가 부분적으로 반사되며 그리고 일정 시간 후 센서에 의해서 다시 감지된다. 

IV. SIMULATION MODEL

  이전의 모델 설명을 위해, 모델이 Matlab 소프트웨어에서 구현되었다. 이 모델은 acoustic(force or pressure and velocity)과 electrical quantities(voltage and current) 사이의 유사성(analogy)을 기반으로 구현되었다. 추가적으로, 각각의 PEA cell 요소는 각각 다른 물질의 특성에 의해 특징되며 이러한 특성에 포함된 것들은 longitudinal resistance (R), inductance(L), transversal capacitance(C), 그리고 conductance(G)이다.

  Acoustic wave의 생성을 고려해보면, pressure-voltage 유사성에 따라서, 이 모델은 voltage pulse source에 의해서 구현될 수 있다. 그러므로, 축적된 표면 전하와 함께하는 한 개의 레이어의 경우 두 개의 pulse generators가 샘플 표면에 삽입된다. 이러한 generators의 강도는 비례적(proportionally)으로 pressure wave에 맞춰 세팅되면 pressure wave는 표면 전하에 의해 생성된다.

V. MODEL VALIDATION AND SIMULATION RESULTS

A. Theoretical Validation

구현 모델이 첫 번째로 고려해야 할 유효성(validation)은 동일한 PEA cell의 실행을 통해 만들어진다. 

• LPED layer: 200um
• Sound velocity of the middle: v=1950 m/s
• d_GR: greater than 330um, 즉 만약 d_GR이 325um이면 반사된 신호 p가 Figure 3에서처럼 나타나게 된다.

B. Experimental Validation

PEA cell의 구성 요소들과 특징들은 Table 1에 정리되었다. 실험에 의한 PEA cell의 아웃풋 신호는 Figure 4에서 처럼 오실로스코프에 나타났으며 반면에 시뮬레이션에 의한 아웃풋 신호 값은 Figure 5에서 처럼 나타난다. 실험적 그리고 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있는 점은, 흡수제, 샘플의 특징, 흡수제에서 반사된 신호들이 양극(+) 성 전하에 의해 생성된 acoustic wave와 섞여버린다. 그러므로, PEA cell 아웃풋 신호는 왜곡 현상을 겪게 된다.

VI. USEFUL GRAPHS

쉽고 빠르게 최소 ground 전극과 흡수제의 두께를 측정하기 위해 (메인 PEA cell output signal의 반사를 피하기 위해), 두 종류의 그래프가 구현되었다.

  Figure 6에서 처럼, 소리 속도 v_a와 샘플의 두께를 기반으로 최소 값을 계산할 수 있다. 예를 들면, v=2200m/s, d_sa=2mm, minimum의 값을 가지는 XLPE 샘플에 관해서 최소 d_GR은 3mm의 값을 반드시 가져야 한다. Figure 7에서 대신에 최소 흡수제 두께 d_ABS가 선택되며 같은 샘플에 관해서 이는 반드시 1mm보다 커야 한다. 비슷하게, 고정된 d_GR값과 d_ABS 값을 가지는 PEA cell관해서 또 다른 2개의 그래프가 구현되었다. 

  Figure 8은 d_sa의 최대 값이 선정되며 이는 main output signal의 반사작용 없이 테스트될 수 있다. 그 이유는 ground electrode내에서 반사된 wave 때문이다.

V. CONCLUSION

이 연구 페이퍼의 목적은 PEA cell의 개선된 시뮬레이션 모델을 통해 PEA cell에서의 acoustic wave 특성의 더 나은 이해와 아웃풋 신호의 반사작용을 피하기 위함이다. 시뮬레이션 결과가 보여주는 점은 Main PEA cell output 신호에서의 반사작용의 존재는 엄격하게 전극과 흡수제 두께, 그리고 샘플의 특징에 의존한다. 이러한 이유로, 절연 재료를 선정함에 있어서 많은 주의를 요구로 하며 이렇게 선정된 샘플들은 PEA cell에서 테스트 될 수 있어야 한다. 이 연구 페이퍼에서 제공된 그래프들은 매우 유용하며 쉽고 빠르게 샘플이 PEA cell에서 측정 가능 아웃풋 신호의 왜곡 현상 없이 여부를 판단할 수 있다. 

출처:

[1] A. Imburgia et al., “The Acoustic Wave Behavior Within the PEA Cell for Space Charge Measurement,” 2018 IEEE Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenom., pp. 275–278, 2018.

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.

1. 극성 역전 후 (+ → - and - → +), 온도 차가 존재하지 않는 절연 재료
2. 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

1. 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.
2. 극성 역전 동작 후, 오일의 전계값은(electric field) 온도 차 조건에서 증가하지만 주변 온도 상황에서는 감소한다.
3. 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.

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

1. 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.
2. 한 개 레이어 합판에 관해서, 온도의 증가는 전하의 이동성을 증가시키고 하부 전극 주변의 최대 전계 값을 증가 시킨다.
3. 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.

Abstract

Polypropylene laminated paper(PPLP)는 매우 중요한 절연 물질이며 오일로 채워진 케이블(OF: oil filled cable), mass impregnated (MI) cable, 그리고 고열 초전도체(HTS: high temperature superconductor cable) 케이블에서 성공적으로 사용되어왔다. PPLP는 기본의 Kraft 절연 페이퍼를 베이스로 향상된 절연 물질이다. 이 물질은 한 개의 PP 필름이 두 개의 kraft 페이퍼에 샌드위치처럼 끼어져 있는 형태를 가지고 있다. DDB 오일을 머금은 PPLP 샘플은 DC 전계 조건하에 공간 전하의 분배가 PEA(pulsed electroacoustic method)를 이용해 조사되었다. 전계의 분배와 왜곡현상은 한 개, 두 개, 그리고 세게의 레이어를 기반으로 한 PPLP 샘플로부터 얻어진 결과를 토대로 이야기되었다. 실험 결과가 보여주는 점은 공간 전하는 페이퍼와 PP 사이의 경계면(interface)에서 시간이 지날수록 축적된다는 점이었다. 그 결과, 축적된 공간 전하에 의해서 발생한 전계는 PP 필름 내부에서 강화되는 반면 페이퍼에서는 감소되는 모습을 보여 주었다. 즉, 더 많은 공간 전하가 축적될수록, 더 심한 전계 왜곡 현상이 PP 필름 내부에서 발생하였다. 그리고 공간 전하의 분배와 전계 왜곡 현상은 멀티레이어 PPLP 샘플에서 반복적인 패턴을 보여주었다.

I. Introduction

PPLP (polypropylene laminated paper)는 Kraft 페이퍼를 향상한 절연 물질이며 절연 능력이 우수하고 매우 안정적인 재료이다. PPLP 절연 재료는 다양한 케이블에 사용되었으며 그 케이블의 종류는 다음과 같다.

• OF: Oil-filled Cable
• MI: Mass-impregnated cable
• HTS: High temperature superconductor cable

높은 전도성의 오일이 사용된 MI 케이블은 오일을 머금고 있으며 친환경적이며 오일 누수로 인한 화재의 위험의 대해서 높은 안정성을 가지고 있다. MI 케이블은 깊은 수중에서 oil changing valve 없이 장거리로 적용된다. 

  더 높은 저항성과 더 낮은 pp 필름의 유전율 Kraft 페이퍼에 비해서 때문에, 전기적 응력은 대부분 PP 필름에 적용된다. 잘 알려진 점은 이러한 개선점으로 인해 PPLP에서 절연 강도가 PP 비율에 비례한다는 점이다. 그러나, HVDC 케이스에 관해서는, 오일을 머금은 PPLP 샘플에서 공간 전하의 역학은 아주 많은 주의를 요한다. 중합 케이블(polymeric cable)에서는, 공간 전하의 부족한 정보가 가장 큰 문제점이며 전하의 역학(charge dynamics)은 절연 시스템에서 매우 중요한 역할을 하며 HVDC 케이블 작동에 있어서 큰 영향을 끼치며 안정적인 HVDC 케이블 운용에 있어서 이를 알아내는 것은 매우 중요하다. 오일을 머금은 PPLP 또는 액상 질소에서의 공간 전하의 역학들이 조사되었다. 매우 고 전압의 DC 케이블 절연에서 공간 전하 역학을 이해하는 것은 매우 중요하며 특히 PPLP 절연체의 경계면(interfaces)에서의 이해가 중요하게 여겨진다.

  이 페이퍼에서는, 높은 점도성의 DDB 오일을 머금은 PPLP 샘플에서의 공간 전하의 역학이 조사되었다. 경계면 영역에 축적되는 공간 전하는 부분적인 전계를 왜곡시키며 특히 PP레이어를 가로지르며 이러한 현상이 일어난다. 이 페이퍼는 멀티 레이어 PP 샘플에서 일어나는 전계의 왜곡 현상과 이로 인한 전기적 능력에 관해서 이야기하고 있다.

II. Experiment Setup 

A. Sample Preparation

  PPLP는 라미네이트 처리된 절연 물질 중 하나이며 두 개의 Kraft paper사이에 하나의 PP (polypropylene) 필름이 샌드위치처럼 끼여있는 구조를 가지고 있다. 이 실험에 사용되는 샘플은 상업적으로도 이용되는 샘플로써 Kraft 페이퍼와 PP필름 사이의 접착이 매우 잘 되어있다. Figure 1은 PPLP 샘플의 구조를 보여준다.

  Film의 총 두께는 약 120um이다. PP와 Kraft 페이퍼의 경계(interface)는 두 물질이 혼합되어 있으며 이는 Kraft 페이퍼의 섬유소 구조가 PP 필름을 페이퍼에 래미네이트 처리 과정으로 압축될 수 있게 허용한다. 이 물질은 대게 잘 결합되어 있으며 샘플의 각 레이어는 PPLP 필름으로부터 분리될 수 없다. 결론적으로, PPLP의 경계면은 뚜렷하거나 명확하게 표시되지는 않지만 PP와 Kraft 페이퍼의 영역의 개념으로 다가갈 수 있다.

  높은 점도성(viscosity)의 DDB 오일은 실제 MI 케이블에 사용되며 이 케이블은 DDB 오일을 머금고 있다. 섬유소의 축축해지기 쉬운 (hygroscopic) 특성으로 인해, 진공 가스 제거(degassing) 처리가 필요하다. 진공 오븐 100℃에서 건조 후, disc PPLP 샘플은 가스가 제거된 DDB오일을 100℃의 진공 오븐에서 2일동안 처리된다. 완전하게 오일을 함유한 후에는 샘플은 오븐에 테스트를 실행하기 전까지 보관된다.

B. Experimental Equipment

  PEA (Pulsed electroacoustic) 기술은 고형 그리고 액상의 절연체 내에 공간 전하를 측정함에 있어서 가장 효과적인 기술로 고려되어왔다. 현재의 연구에서 사용된 PEA 시스템은 현재 매우 좋은 질의 공간적(spatial) 해상도와 민감도를 가지고 있으며 이는 얆은 PVDF piezoelectric 센서와 좁은 간격의 펄스 생성기 때문이다.

  이 페이퍼에서는 오직 양(+) 극 성의 전압만이 적용되었다. 캐소드의 재료는 알루미늄(aluminium)이며 애노드는 반도체성 폴리머(semiconducting polymer)이다. 오일-페이퍼 절연 시스템에 있어서 수분은 실험 결과에 영향을 미치는 가장 민감안 요인 중 하나이기 때문에, 이 페이퍼에서 다뤄지는 모든 실험은 상온(room temperature)과 통제된 습도에서 진행되었다. 샘플을 오일이 담긴 컨테이너에서 꺼내기 전, 오일이 함유된 수분이 테스트되며 모든 샘플의 수분은 10ppm (parts per million) 이하이다. 공간 전하의 프로필의 기록은 30분 동안 진행되며 매 5분마다 기록을 측정한다. 높은 점도의 케이블 오일이 사용되는 만큼, 오일의 acoustic 속도, 오일 Kraft paper와 PP는 매우 가까운 관계이다. 그러므로, PPLP의 다른 부분의 acoustic impedance는 매우 유사하며 데이터의 처리를 쉽게 만든다.

III. Results

A. Charge Distribution in Single Film of PPLP sample

다른 레이어와 경계면에서의 공간 전하 역학의 관한 내용이 이 부분에서 다루어진다. Figure 2에서 보이는 것처럼, 캐소드와 애노드의 위치는 검은색과 빨간색의 실선으로 표시되었다.

  Figure 2에서 보이는 것처럼, PPLP Bulk 샘플에는 전하의 축적이 목격되지 않는다. 캐소드의 peak 값에 비해서 애노드 peak 값은 약간 더 넓고 작은 강도를 가진다. 그 이유는, PPLP 샘플을 통한 신호 attenuation과 acoustic wave의 scattering 때문이다. 측정 기간 동안 두 경계 영역에서의 peak 값은 약 3배 정도 증가한다. 동시에, 이 peak 값은 시간에 따라사 급격하게 감소한다. 캐소드의 peak 값을 예로 들자면, 음(-) 극 전하는 10C/m3의 값으로부터 5C/m3의 값으로 처음 5분 동안 감소한다. 그리고 30분간의 전압 적용 이후에는, 초기 전하 밀도값의 20% 정도 더 감소하게 된다. 애노드의 전하 밀도 그리고 애노드 옆에 경계 영역에서의 전하밀도는 캐소드 쪽에 비해 작은 편이지만 대칭적 구조는 변화의 트렌드 또한 대칭적으로 나타난다.

  Figure 3이 보여 주는 점은 9kV/mm DC 공급의 제거 후 한 개의 PPLP 필름의 전하 소멸 커브를 보여준다. 이 결과는 멀티 레이어를 가로지르는 소멸과정에서 남아있는 전하들을 보여준다.  경계성 peak의 전하 극성은 이웃한 전극과 같은 극성을 가진다.  양(+) 극 성 peak은 캐소드에서 발견되며 이는 경계면의 (-)전하에 의해서 유도된 전하이다. 추가적으로, 모든 peak들은 시간과 함께 감소하지만 소멸 속도는 그렇게 빠르지는 않다. 왼편 경계에 위치한 음(-) peak의 강도는 10C/m3 에서 4C/m3으로 30분동안 감소하게 된다. 오직 60% 전하들만이 전극으로 부터 소멸되거나 PP레이어의 양(+)극 성 전하와 함께 중성화된다. 만약 경계성 영역이 전하 캐리어들을 위한 트랩(traps)의 기능을 한다면, 트랩 깊이(trap depth)는 상대적으로 깊어질 것이다. 소멸 속도(decay rate)는 전하 축적 속도(charge accumulation rate)와 비교 가능하다.

  PPLP 절연의 멀티레이어 구조 내에서 전계 분배는 푸아송 수식을 베이스로 한 공간 전하 분배로부터 결과를 얻을 수 있다. Figure 4에서 보이는 것처럼, 오일을 머금은 두 개의 Kraft 페이퍼 레이어 내에서의 전계는 전극 사이에 표시되어 있으며 파란색 선으로 표시되며 전압의 적용 시간과 함께 감소한다.

  Volts-on 결과로부터, bipolar 전하 주입이 시작되며 대부분의 주입된 전하들은 Kraft paper와 PP 혼합의 경계 영역에 갇히게 된다. PP 레이어를 가로지르는 전계는 양쪽의 경계 영역에 축적된 전하들에 의해 강화된다. 더 많은 전하들이 축적될수록 전계가 PP 레이어에서 더 강하게 강화돼버린다.

  PPLP 필름 샘플에서 전기적 분배의 다른 설명은 전압의 분배(voltage distribution)이다. 만약 샘플이 equivalent circuit으로 표현된다면, 재료의 서로 다른 부분이 직렬로 구성된 모습일 것이다. 그리고, 각 부분은 저항과 캐패시터의 병렬연결 구조로 표현될 수 있다. 전압이 steady-state에 도달한 이후에는, 샘플의 서로 다른 부분에 걸리는 전압 분배는 절연 물질의 저항성에 의해 결정된다. PP 레이어를 통한 전압은 오일-Kraft 페이퍼를 통한 접안보다 더 많이 하강한다. 이러한 현상은 PP에서 더 강한 전계(electric field)를 생성하게 된다. 이 연구 페이퍼는 이 분석의 내용을 계속 다룰 것이다. 

B. Charge Distribution in Two Films of PPLP Sample.

  Figure 5는 9kV/mm의 전계가 적용되었을 때, PPLP 샘플의 두 개의 필름에서의 공간 전하 분배를 보여준다. 캐소드로부터 얻어진 negative peak는 전압의 적용 시간과 함께 감소하며 PPLO 샘플의 단일 필름과 유사하다. 음(-)극성 전하들은 캐소드로 부터 주입되고 Oil-Kraft 페이퍼로 이동하게 되며 Kraft 페이퍼/PP 경계면 왼편에서 이동이 막히게 된다.

  Figure 5에서 애노드 측면에서 빨간 라인으로 표시된 곳에서는 예상된 positive peak이 관측되지 않는다. 그 이유 중 하나는 acoustic 신호의 attenuation 때문이다. 또 다른 이유 중 하나는 PEA 시스템은 오직 순 전하(net charge)만을 측정하기 때문이다. 애노드에 위치한 전하는 아마도 주입된 호모 전하의 순 전하 일 것이며 전극은 전하를 유도하며 오일-Kraft 페이퍼에서 negative 이온들은 전계가 적용되었을 때 전극으로 이동하게 된다.

  PPLP 샘플이 가지는 두 필름의 중간 부분에서는 두 반대 극성의 전하 Peak이 존재한다. 둘 다 시간과 함께 증가하지만 positive peak은 negative peak에 비해 더 빠르게 steady-state에 도달한다. 샘플의 두께와 acoustic wave velocity 정보에 의하면 이 두 peaks는 오일-Kraft 페이퍼와 PP의 경계(interface)에 위치한다. PEA test cell에 세팅된 샘플의 두 필름이 각각 PEA 전극 사이에 함유되어 있기 때문에, 오일 레이어의 얇은 슬라이스(thin slice)가 필름들 사이에 세팅되어야 한다. 이 페이퍼의 PEA 시스템은 오일의 얇은 레이어에서 전하 분배를 나누기 위한 공간적 해상도(spatial resolution)를 얻기 어렵다. 

  오일 절연 페이퍼의 전기적 특성은 오일 조건에 매우 의존적인 편이다. 외부의 전압이 적용된다면 이온화 과정이 일어날 가능성이 있다. 그 결과, positive 전하들이 캐소드 부분으로 이동하며 첫 번째 PPLP 필름의 PP 오른편 경계에서 막히게 되고 negative 전하들은 애노드 부분으로 이동하며 두 번째 PPLP 필름의 PP 왼쪽에서 막히게 된다.

  Figure 6는 전하의 축적을 기반으로 한 푸아송 수식을 기반으로 계산된 전계의 분배 모습을 보여준다. 각각의 레이어에서는, 단일 필름 샘플을 다룬 section A(Figure 4)에서 처럼 유사한 패턴이 얻어진다. PP 필름을 통하는 전계는 상당하게 강화 된며 가장 낮은 전계 부분분 오일 레이어와 두 개의 PPLP 필름 사이에서 발견된다. 애노드 부근 PPLP의 두 번째 필름을 통하는 전계는 캐소드 부근 첫 번째 필름에 비해서 더 작다. 이러한 현상은 acoustic sensor에서 매우 먼 부근의 신호 attenuation을 야기하게 된다.

C. Charge Distribution in Three Films of PPLP Sample

  실제 PPLP 절연 케이블의 멀티 레이어 구조를 고려해 볼 때, PPLP 샘플의 3개의 필름이 동일한 외버 전계 조건하에 테스트되었다. Figure 7은 PPLP의 3개 필름이 9kV/mm 조건에서 테스트된 모습을 보여준다. 다시 말하자면, 캐소드의 peak는 감소하며 PP와 함께하는 오일-Kraft paper의 왼편 경계에서의 peak은 전압 적용 시간과 함께 증가한다. 유사한 positive/negative 전하들의 pairs가 다음 두 필름 사이에서 발견된다. 각 필름에서 PP 레이어의 양면으로부터, 유사한 분배 패턴이 negative(left hand side)와 positive(right hand side) 전하의 축적과 함께 발견된다. 예상한 대로, 애노드와 가까운 영역에 전하밀도는 적은 편이다.

Figure 8에서는 PPLP 3개의 필름을 통과하는 전계 분포를 나타내며 이 내용은 2개의 필름의 내용과 유사하다. PP 레이어를 가로지르는 전계는 강화되는데 그 이유는 PP 레이어 양면에 축적된 공간 전하 때문이다. 가장 낮은 전계는 두 필름 사이에 오일 갭에서 관측된다.

IV. Discussion

A. Factors that Affect Space Charge Distribution in PPLP

  PPLP는 특별하게 여겨지는 절연 물질 중 하나이며 샌드위치 구조로써 비 호모화된 물질(non-homonized material)이다. 다른 물질들에 있어서 경계성 공간 전하를 의논할 때, Maxwell-Wanger 이론은 매우 높게 묶여있으며 (bracketed) 이는 유전율과 전도성 비율의 불연속성이 경계면에서 전하를 유도한다는 것이다. 첫 번째로, PPLP 샘플의 다른 레이어의 유전율(permittivity)과 전도성(conductivity)은 다른 값을 갖는다.

  그러나 이는 트랜스 포머에서 사용되는 오일과 오일 절연 페이퍼 케이스와는 다르다. 트랜스 포머에서는, 절연 페이퍼의 유전율(permittivity)은 미네랄 오일보다 훨씬 크나, 전도성(conductivity)은 더 작다. 하지만, 이 현상은 오일을 머금은 PPLP에서 다르게 나타나는데, PP의 유전율은 오일 Kraft 페이퍼보다 더 작으며 전도성 또한 더 작다. 분극화(polarization)는 전하 분포에 있어서 영향을 미치기는 하나 그 영향력은 미미한 편이다. 두 번째로는, 상업적 PPLP 필름 (고온 고압에서 래미네이트 됨)은 녹은 PP를 깊게 절연 페이퍼 섬유소로 압축하고 그 결과로 더 얇은 순수 PP 레이어가 필름 중간에 생기게 된다 (Figure 1). 

  높은 점도성 절연 오일이 함유된 후, 절연 구조는 내부부터 외부까지 대칭적 구조를 이루며 이는 PP의 레이어, PP와 Kraft 페이퍼의 혼합물, 오일-Kraft 페이퍼처럼 구성된다. PP의 상대적 유전율 (2.2)와 DDB 오일의 상대적 유전율 (2.2±0.2)가 매우 유사하기 때문에 PP와 오일-Kraft 페이퍼의 전도성은 9kV/mm의 전계에서 그 값이 매우 작다. 그러므로, 상업적 오일을 머금은 PPLP 샘플에서의 Maxwell Wanger 분극화로 인해 경계성 공간 전하는 아마 작을 것이다.

  오일-Kraft 페이퍼에서의 이온화는 다른 요소이며 공간 전하 축적에 영향을 미친다. Positive, negative 이온들은 외부의 전압이 적용되는 조건에서 반대 방향으로 이동한다. 오일 또는 Kraft paper가 흡수한 수분은 이온화될 수 있으며 테스트 샘플에서의 전하 형성에 기여하게 된다. 이러한 수분은 전도성과 오일-Kraft 페이퍼에서의 전하 생성 속도에 영향을 끼칠 수 있다. 그러므로, 샘플 조건과 주변 온도 그리고 상대적 습도의 조건들은 일정하게 유지하여야 한다. 오일이 함유한 습도는 10 ppm 이하로 유지하여야 한다. 그러나 PEA 시스템은 오픈된 공간에 위치하며, 진공상태로 위치하고 있지 않다. 이러한 상황은 샘플에서 전하의 움직임에 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 실험 조건의 일관성을 유지하기 위해서, 이 페이퍼에서 제공된 결과들은 같은 날에 샘플링이 된 재료들이다.

  주입된 전하와 주입된 이온들은 전계에 영향 하에서 이동하게 된다. 물리적 경계면(physical interface)은 이온화나 주입과 상관없이 공간 전하를 막거나 천천히 이동하게 만든다. 이러한 경계면은 전하 carrier를 위한 trapping center로써의 역할을 하게 된다. 이 페이퍼에서 보여주는 소멸 결과들은 느린 소멸 과정을 보여준다. 이는 경계면 영역이 전하 캐리어를 위한 아주 깊은 트랩(trap)으로써 역할을 하고 있음을 암시한다.

B. Electric Field Distortion

  절연 샘플에서의 공간 전하 축적은 전계의 분포에 있어서 영향을 끼친다. 실험적 결과로 나타나는 점은 반대 극성의 전하들이 PP 양면에 축적된다는 점이다. PP필름을 통하는 축적된 공간 전하에 의해 발생한 전계는 적용된 전계와 같은 방향성을 가진다. 이와 반대로, PP를 통하는 전계는 강화되지만, 오일-Kraft 페이퍼를 통하는 전계는 시간이 지날수록 감소한다. 이러한 현상은 MI 케이블이 PPLP 절연 시스템과 고 전압 레벨에서 적용되는 데 있어서 이점을 가져다준다. PP의 절연 파괴강도는 오일-Kraft페이퍼에 비해서 훨씬 강한편이다. PP 레이어에서 더 심하게 왜곡된 전계 분배는 납득할만한 결과를 가져다 준다. 동시에, 더 강한 전계 강도는 PP 양면에 축적된 전하를 PP레이어로 이동하는데 더 큰 가능성을 야기한다. 이것은 왜 적용된 전압이 제거된 후 경계 전하들의 소멸이 느린 이유 중 하나이다. 몇몇의 전하는 이미 PP레이어로 주입되었으며 소멸을 천천히 한다. 이러한 현상은 적용된 전압의 극성이 역전된 후에는 잠재적인 위험성을 가져올 수 있다. 오일-Kraft 페이퍼를 통하는 전계는 극성 역전(polarity reversal) 이후 강화된다.

V. Conclusion

  래미네이트 절연체(PPLP)의 서로 다른 레이어에서 존재하는 공간 전하 분포와 전계 왜곡 현상은 9kV/mm의 전계가 적용된 상황에서 조사되었다. 다음은 이 연구 페이퍼를 요약한 결론이다.

  PPLP 절연 구조에서의 경계면(interfaces)들은 전극이나 외부 응력 작용으로 인한 샘플 내에서 생기는 이온으로부터 이주하는 전하들을 막거나(block) 가둔다(trap). 두 전극으로부터 오일-Kraft 페이퍼 레이어로의 호모 전하 주입은 관측 가능하다. 순수 PP 레이어에서의 전하 역학은 뚜렷하게 관측하기 힘들다. PEA 시스템에 의해서 발견된 대부분의 전하들은 주로 Kraft paper/PP의 경계면에서 축적됨을 보인다(9kV/mm). 전계의 분포는 전하의 형성을 기반으로 하고 있으며 이는 PP레이어를 가로지르는 전계가 상당히 강화됨을 보여준다. 더 많은 전하들이 축적될수록, 더 심한 전계 왜곡현상이 일어나게 된다. PPLP의 멀티 필름은 반복적인 전하 분포 패턴을 보여준다. 경계면에서의 더 깊이 갇힌 전하들(trapped charges)은 전하 역전 현상(voltage polarity reversal)이 일어났을 때 잠재적인 위험성을 가지고 있다. 따라서, 경계성 공간 전하와 전계의 행동은 지속적으로 조사되어야 HVDC 케이블 시스템을 안정적으로 운용할 수 있다.

출처:

[1] M. P. and P. L. Zhiqiang Xu, Miao Hao, Bo Huang, George Chen, “Space Charge Dynamics and Electric Field Distortion in the Laminated Insulation for HVDC Cable,” vol. 3, pp. 605–608, 2017.

Abstract

  이 연구 페이퍼는 파워 트랜스포머에서 사용되는 오일-페이퍼 절연 시스템의 공간 전하 특성에 중점을 두고 있다. 이 페이퍼는 공간 전하(space charge)의 이해와 Pulsed electroacoustic measurement methods(PEA 측정법)을 서두로 하고 있다. 그러고 나서, 오일-페이퍼 절연에 관한 공간 전하 특성과 관련된 최근 20년 치 연구의 대해서 전반적으로 둘러본다. 더 정확한 공간 전하 측정 결과를 얻기 위해 몇몇의 환경적 요인과 acoustic wave recovery가 언급됨이 필요하다.

1. Introduction

  1950년 이후부터 High Voltage Direct Current(HVDC) 시스템은 에너지 송전을 위해서 현재까지 계속해서 사용되고 있다. HVAC 송전 시스템에서 사용되는 기존의 트랜스포머와 비교하여, 컨버터 트랜스포머(converter transformer)는 더욱 복잡한 구조를 가지며 구동함에 있어서 더 많은 조건들이 요구된다. 이런 많은 조건들은 lightning과 switching에서 오는 과전압(overvoltage), AC와 DC의 결합된 전압, DC 사이드 winding에서의 극성 역전(Polarity Reversal)이 포함된다. 컨버터 트랜스포머의 안정성과 지속 가능성은 HVDC transmission 시스템에 있어서 매우 중요하게 여겨진다. 그 이유는, 컨버터 트랜스포머의 구동 실패는 전반적인 파워 시스템의 breakdown을 야기할 수 있으며 엄청난 경제적 손실을 가져올 수 있다. 컨버터 트랜스포머의 주요 절연 물질은 절연 오일(insulation oil)과 섬유소 페이퍼(cellulose paper)이다. 앞서 언급한 바와 같이 이러한 복잡한 메커니즘에서 절연체의 노쇠화 과정은 피할 수 없는 부분 중 하나이다. 많은 연구에 의하면, 트랜스포머 절반이 절연체의 노쇠화 과정에 의한 고장 문제를 겪는다. 공간 전하 밀도(Space charge density)는 절연 물질의 노쇠화 상태와 매우 밀접하게 연과 되어 있다. 그러므로, 공간 전하의 양은 절연 물질의 노쇠화 상태 지표의 역할을 할 수 있다. 이러한 공간 전하의 형성은 전계의 왜곡 현상을 만들어낼 수 있으며 노쇠화를 가속시킬 수 있다. 공간 전하의 고려는 전도성과 절연파괴 메커니즘과 매우 밀접하게 관련되므로 공간 전하의 관한 내용은 매우 많은 영역에서 다뤄진다. 이 연구 페이퍼 초기 부분은 최근 20년간의 연구 과정을 돌이켜 본다. 그러고 나서, 오일-페이퍼 절연 물질에서의 더 정확한 공간 전하 측정을 위한 내용들이 다뤄진다.

2. PEA Technique in Space Charge Test

  Pulsed electroacoustic (PEA) 기술은 1980년대에 개발되었다. 이 기술은 폴링 과정(poling process), 즉 전계 응력의 적용, 분극화, 전계의 제거 후 등의 상태에서 공간 전하를 측정할 수 있다. 따라서, PEA 측정법은 절연체 내부의 공간 전하 역학과 관련해서 매우 중요한 정보를 제공해준다. 다른 기존의 측정법들과 비교해서, PEA 측정법은 비파괴적인(non-destructive) 방식을 이용하여 절연체의 공간 전하 특성을 관측할 수 있다. 또한 이 방식을 통해, 물리적 과정의 이해를 달성할 수 있을 뿐 아니라, 부분 방전이나 절연 물질의 전기적 절연파괴의 대한 위험도를 최소화할 수 있다.

  PEA 측정을 위한 기본적인 세팅과 설계도는 Figure 1에 나타나 있다. 기본적으로, 두 전극 사이 절연물질에 전기적 펄스를 적용한 이후에 acoustic wave가 전하가 있는 위치와 두 전극(two electrodes) 그리고 실험 물질 내부에서 발생한다. 이러한 acoustic wave는 한 전극 뒤편에 부착되어있는 piezo-electric 센서에 의해 감지된다. 이러한 전기적 신호는 시간 도메인에 의해 표현되며 전하 분배(charge distribution)를 나타낸다.

v_sa: Sound Velocity, T: Pulse Width, p(x): Bulk Charge, e_p: Pulse Amplitude

3. Research Progress

  오일-페이퍼 절연체의 공간 전하의 관한 초기의 연구는 ABB회사에서 1994년에 연구되었다. 그 당시 연구는 Pressure Wave Propagation (PWP) 방식을 사용하였다. 그러나, 당시 연구 성과로 뚜렷한 점을 찾기 힘들었는데 그 이유는 실험 장비가 굉장히 제한적이었기 때문이다. 1997년 이후로 오일-페이퍼 절연체의 관한 공간 전하 측정 실험이 PEA 측정 방식을 통해 행해졌다. 그동안 공간 전하의 관한 많은 연구들이 진행되었으며 공간 전하와 관련된 부분은 Applied Voltage, 온도, 습도, 노쇠화(aging), 경계면(interface), 극성 역전(polarity reversal), 그리고 AC 전계(electric field) 들이다. 

3.1 Applied Voltage

  보통, 상대적으로 낮은 온도 (20℃)에서, 적용된 DC 전압은 전하 밀도에 매우 큰 영향을 끼칠 뿐만 아니라, 전하 주입 (charge injection) 깊이에도 아주 큰 영향을 끼친다 (Figure 2). 적용된 DC 전압의 증가와 관련해서, 전하 밀도와 전하 주입 깊이는 절연 샘플 내부에서 같이 증가한다.

Volts-off 실험 (서로 다른 적용 전압 조건에서 일시적인 전원 차단)으로 확인된 점은 증가된 적용 전압(applied voltage)은 전극에서의 매우 많은 양의 전하가 더 많은 양의 호모 전하 주입에 의해 유도된다 (Figure 3). 더욱이, 실제 주입 전하는 또한 적용된 전압의 증가와 함께 같이 증가하는 경향이 있다.  

3.2 Test Temperature

  오일-페이퍼 절연 시스템이 각각의 다른 온도(15℃~60℃)에 배치되었을 때와 관련된 측정 실험들이 많이 수행되었다. 결과에서 보이는 것처럼 공간 전하의 문턱전압에 관련해서 온도는 제한한 영향력을 가지고 있었다. 여러 다른 온도 조건하에 (60℃ 이하), 공간 전하들의 주입은 거의 같은 전압 레벨에서 일어 나는 경향을 보였다. 그러나, 온도는 오일과-페이퍼 샘플에서 공간 전하의 이동성과 분배에 관해서 더 큰 영향을 끼친다. 더 높은 온도는 더 높은 공간 전하 주입 이동성의 결과를 가져오며 더 깊게 주입된다. 공간 전하의 소멸 과정(decay process) 또한 이전의 내용을 충족한다. 

  게다가, 다른 전압과 온도의 조건들 하에서, 전하 밀도의 peak value를 비교했을 때 뚜렷하게 나타나는 점은 적용된 전압과 실험 온도 둘 다 캐소드의 전하 밀도에 매우 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있으며 이러한 현상은 아마도 애노드 부근에도 일어날 가능성이 있다 (Figure 4). 실험 온도가 60℃에 가까워지고 적용된 DC 전압이 8kV (about 60kV/mm) 정도 되면, 캐소드의 전하 밀도는 최대치에 도달하게 된다. 이점이 암시하는 바는 높은 온도와 높은 레벨의 전기적 응력의 조함은 아마도 오일-페이퍼 절연 시스템에서 매우 치명적인 악영향을 끼칠 수 있다는 점이다.

3.3 Moisture Content

  보통, 산업 스케일 트랜스포머 장비에서는 오일-페이퍼 절연체의 습도는 매우 낮은 레벨 (절연체 무게의 5% 이하)로 유지하여야 하며 진공 오븐을 통해 건조되어야 한다. 습도를 컨트롤하는 가장 큰 이유는 트랜스포머 절연 성능에 매우 큰 영향을 미치기 때문이다. 다시 말하자면 오일-페이퍼 절연체의 전기적 파괴 강도를 낮추며 열적 내구성 또한 저하시킨다. 그 결과, 이러한 영향은 절연체의 절연파괴로 이어질 수 있으며 절연체의 수명 또한 줄어들게 된다. 따라서 절연체의 습도는 가장 나쁜 영향을 끼치는 물질이라고 단언할 수 있다. 

  공간 전하의 역학은 오일-페이퍼 절연 시스템의 3가지 레이어와 3가지 다른 습도(0.28%, 1.32%, 4.96%) 따라 변하며 PEA 기술을 이용하여 6kV (28.5kV/mm)의 조건에서 측정되었다. 주파수 범위 10^-2Hz ~ 10^2Hz 내에서, 오일을 머금은 페이퍼의 오일 전도성은 습도의 증가와 함께 매우 큰 폭으로 증가하였다. 다시 말하면, 멀티 레이어 오일-페이퍼 절연 시스템에서 습도는 전하 분배와 관련해서 매우 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있다. 즉, 오일-페이퍼 샘플의 더 높은 습도는 더 많은 양극성(+), 음극성(-) 전하 주입을 이끌어 낸다. 몇몇 느리게 움직이는 전하들은 샘플에 높은 전도성으로 인해 갇히게 된다 (Figure 5). 게다가, 샘플에서 빠르게 움직이는 총 절대 전하의 양은 습도와 매우 밀접한 관계를 갖는다. 

5가지의 오일-페이퍼 샘플이 각각 다른 습도와 관련돼서 연구되었다 (1%, 3%, 5%, 7% 그리고 9% at 25℃(10kV/mm)). Figure 6가 보여주는 것은 신선한 샘플이 다른 습도의 양 (30 min of Polarization)에 따른 공간 전하의 분배를 표시한다. 이 점으로 알 수 있는 것은 습도의 영향은 습도 함량에 따라 절연체에 미치는 영향이 다르다는 것이다. 습도가 7% 이하 일 때는, 더 높은 습도가 공간 전하가 평형상태로 도달하는데 유리한 반면, 만약 9% 이상의 습도의 경우에는 반대의 영향을 끼친다.

3.4 Ageing

  절연체의 수명은 보통 처음 서비스를 시작할 때부터 마지막 절연 파괴가 일어나는 시점까지의 시간 경과를 측정함으로써 결정된다. 절연체의 작동 기간 동안,  절연체의 화학적, 물리적, 전기적 특성이 악화되는 것을 노쇠화(aging)이라고 일컫는다. 그리고, 이로 인해 절연체의 사용 수명을 줄어들게 된다. 수년 동안, 싱글 열적 응력 노쇠화 (single thermal stress aging: accelerated aging) 테스트 절차들은 매우 유용함을 입증했고 실험실에서 액체 또는 고체 절연 시스템의 수명을 예측하는 데 사용될 수 있다. 그래서, 노쇠화 실험을 토대로, 공간 전하와 관련된 재료 노쇠화(material aging)가 연구되었다. 

3.4.1 Aged Paper+New Oil

  절연 페이퍼 노쇠화에 따른 공간 전하의 특성을 조사하기 위해서, 미네랄 오일을 머금은 페이퍼의 가속화된 열적 노쇠화 실험이 섭씨 130도(130℃)에서 18일 동안 진행된다 (샘플은 싱글 레이어이며 50um의 두께를 가지고 있다. 그 이후에, 페이퍼 샘플은 외부와 차단된 진공 오븐에서 새로운 미네랄 오일과 함께 침유 되며 이 준비는 공간 전하 테스트(30kV/mm)를 위한 것이다. 10일 이후에 페이퍼의 DP는 600 이하이며 이는 절연체 수명의 중간 상태쯤을 나타낸다. 18일 이후에는 DP의 값은 300 이하였으며, 이는 절연체의 수명이 거의 다했다는 뜻이다.

  실험 결과가 보여주는 점은 노쇠화 과정이 진행되면 진행될수록, 극성이나 전도성의 부산물들 또한 같이 증가한다는 점이다. 즉, 이러한 현상은 더 많은 공간 전하들이 샘플로 주입되는 것을 훨씬 쉽게 만든다. 절연체의 노쇠화 과정이 악화될수록, 더 많은 양의 전하 밀도가 애노드에서 목격돼 더 많은 양의 공간 전하가 오일-페이퍼 내에서 축적됨을 알 수 있다 (Figure 8 and 9). 신선한 오일과 비교해보면, 18일의 기간 동안 노쇠화된 오일-페이퍼 샘플의 최대 전계 (electric field) 심각한 수준으로 높게 측정되는데 이는 평균 전계 (average electric field)의 값보다 70% 이상 높은 값이다.

3.4.2 Aged Oil+New Paper

  또 다른 중요한 주제 중 하나는 오일-페이퍼 절연물 질의 공간 전하와 관련된 오일의 노쇠화를 조사하는 것이다. 이를 위해 Gemini X 모델의 미네랄 오일이 130℃에서 최대 22일 동안 열적 노쇠화 진행과정을 겪는다. 선 처리된 신선한 페이퍼 샘플은 다른 노쇠화 상태의 오일과 함께 침유 되어 연속적인 오일-페이퍼 절연 샘플을 형성한다. 그 후에는, 3가지 오일-페이퍼 샘플들이 PEA측정법을 통해 DC 6kV (3개의 레이어, 210um, 30kV/mm)의 조건에서 공간 전하 역학을 관측한다.

  결과 값이 보여주는 점은, 오일 성분은 오일-페이퍼 절연 샘플의 공간 전하 역학에 있어서 매우 중요한 효과를 가져온다는 점이다.  오일 노쇠화가 악화되면, 오일의 산성이 증가하게 된다. 극성/전도성 부산물이 생산된다면 이는 전하 주입을 더 쉽게 만들고 샘플 내부에 더 많은 전하들을 축적시킨다. 캐소드 부근에 갇힌 음극(-)의 전하와 캐소드 부근 페이퍼-페이퍼 경계면에 갇힌 양극(+) 성 전하들은 오일의 노쇠화와 함께 증가하게 된다. 게다가, 심각하게 노쇠화된 오일에서는 페이퍼 샘플의 trap 에너지 밀도는 신선한 오일 샘플과 비교해서 훨씬 높은 값을 가진다. 페이퍼-샘플에 갇힌 느리게 움직이는 전하의 양은 22일 동안 노쇠화된 오일에서 새로운 오일에 비해 2배 정도 더 많은 trap 에너지 밀도를 가졌다. 

  그러므로, 이러한 오일의 상태는 느리게 움직이는 전하의 총량을 증가시켰으며, 전하의 왜곡 현상 또한 증가시켰다 (Figure 9 and 10). 14일이 지난 후 6kV의 volt-on 과정에서 전계(electric field) 강도의 최대 % 는 55%이며 22일 이후에는 25%의 값을 가진다. 

 3.4.3 Aged Oil-Paper

  오래전 PEA 측정법을 이용한 열적 노쇠화를 거친 오일-페이퍼 시스템의 공간 전하 진화과정을 확인하려는 연구가 있었다. 이 측정은 오일을 머금은 페이퍼 샘플을 통해 이루어졌고 이 샘플은 70um의 두께와 0.43%의 미네랄을 함유하며, 적용되는 전계 강도는 절연 파괴 강도의 약 80%를 적용한다. 결론적으로, 호모-전하 주입 현상이 뚜렷하게 나타났으며 전하 운집의 형성은 적용된 전계와 함께 열적 스트레스(응력)에 의해 촉발되었다. 

 이를 확인하기 위한 또 다른 실험이 (3개의 레이어, 220um의 두께, 35kV/mm) 보여주는 점은 노쇠화가 진행될수록, 문턱전압의 값이 감소한다는 것이며 이로 인해 전하 주입이 용이해지게 된다. 따라서 전하 밀도가 증가할 뿐 아니라, 오일-페이퍼의 총 전하량 또한 증가하게 된다. 이는 Figure 11에 자세하게 나타나 있다. 

다른 샘플(single layer, 130um, 10kV/mm) 실험에서 보이는 점은 신선한 샘플과 노쇠화된 샘플에 의해서 형성되는 공간 전하는 저강도 전계(low electric field condition)에서 매우 다르다는 점이다. 섬유소의 노쇠화와 함께, 더 많은 트랩(traps)들이 페이퍼 샘플 내에서 형성되게 된다, 즉 더 많은 전하들 특히 양극(+) 성 전하가 갇히게 되고 노쇠화가 진행될수록 전계 왜곡현상이 두드러지게 된다.

3.5 Interfaces

High Voltage 시스템에서는, 여러 종류의 절연체 경계면들이 존재한다. 예를 들면 다음과 같다.

• Solid-Soild: Cable accessories, insulation paper with paper, and paper with metallic conductor
• Solid-gas: Gas-insulated high voltage switchgear: GIS
• Solid-liquid: Insulation paper with oil

경계면 영역(interface region)에서는 절연 물질의 유전율(permittivity)과 전도성(conductivity)의 차이로 인해 경계성 분극화(interfacial polarization) 그리고 공간 전하 형성의 현상을 겪게 된다. 다음은 파워 트랜스포머와 관련된 두 가지 다른 종류의 경계면에 대한 내용이다.

3.5.1 Paper-Oil Interface

 연구에 의하면 외부에서 전계가 가해졌을 때 경계성 전하 Peak은 오일과 합판의 경계면에서 매우 빠르게 형성된다. 그러나, 경계성 전하의 역학은 신선한 오일과 노쇠화된 오일에서 매우 다르며 이러한 차이점은 습도와 오일의 전도성으로부터 온다. PEA 테스트 연구에 사용된 샘플(500um의 오일 gap 그리고 200um 두께의 오일을 함유한 절연 합판)이 나타내는 점은 전하 소멸 속도는 1개의 레이어 오일을 함유한 페이퍼에서 훨씬 느리다는 점이다. 경계면은 더 깊은 트랩을 만드는데 기여하게 되며 이것은 전하들이 트랩에 갇혀서 소멸되기 힘들게 만든다. 그러므로, 새로운 오일 갭 그리고 오일을 머금은 합판과 비교하여 더 많은 전하 이주 비율이 뚜렷하게 노쇠화된 오일 갭 그리고 오일을 머금은 합판에서 목격된다. 소멸 과정 5분 이후에는 샘플에서 전하가 거의 관측되지 않는다 (Figure 13). 가장 큰 이유는 아마도 노쇠화된 샘플의 더 높은 전도성 때문일 것이다. 

오일 쪽 전극의 같은 극성에서의 전하들은 경계면에 축적되고 그리고 이 축적되는 양은 적용된 전압의 증가와 함께 같이 증가한다 (Figure 14). 경계성 전하의 양은 오일 레이어의 두께의 증가와 반대로 감소하며 그 이유는 오일에서의 전하 재결합 때문이다. 결과가 보여주는 점은 경계면들은(interfaces) 오일-페이퍼 절연체 내부에서 전하 이주(migration)의 직접적인 영향력을 가지며 결국에는 전계의 왜곡 현상으로 이어질 수 있다. 경계성 전하들은 오일 레이어에 가까운 전극과 같은 극성을 가진다는 것이 증명되었다.

더욱이, 오일과 오일/고체 조합의 전계(electric field) 측정은 직접적으로 electro-optical 측정법과 비교될 수 있다. Kerr electro-optic 효과는 절연 용액에서 전계를 측정하기 위해 1983년 이후부터 사용되어왔다. 그리고 트랜스포머에서 DC 전압 조건하에 오일/고체 조합의 절연 시스템의 측정은 1997년 이후부터 사용되어 왔다. 이것은 PEA 결과가 유효하다는 점을 보여주며, 전하 역학의 내부 메커니즘을 확인시켜준다.

3.5.2 Paper-Paper Interface

  페이퍼-페이퍼 경계면 주제에 관해서, 멀티 레이어 오일을 함유한 페이퍼 오일 갭 없이 여러 경계면을 가지는데 여기서는 이 부분을 들여다보려고 한다. 이번에 실험에 사용된 샘플은 4개의 레이어를 가지고 있으며 이를 통해 공간 전하의 특성을 알아보려고 한다. Figure 15에서 보이는 결과는 호모 전하 주입은 오일-페이퍼의 물리-화학적 성분을 고려할 때 모든 상황에서 목격된다. 대부분 조건에서는, 공간 전하는 경계면에서 축적되며 이 현상은 페이퍼-페이퍼 경계면이 공간 전하 주입의 속도를 완화시킴에 있어서 상당히 중요한 역할을 하는 것을 나타낸다 (Figure 16). 경계성 전하(interfacial charge)들은 주로 이온 전하와 전하 분극화에 의해 형성된다.  

적용된 DC 전압의 극성은 경계면에 갇힌 전하의 극성에 영향을 미친다. 음(-) 극 전압의 조건하에서는, 음극(-) 전하는 경계면에서 축적되며 양(+) 극 전하는 양(+) 전압 하에 경계면에서 축적된다. 오일-페이퍼 경계면으로부터 차이점은 호모 전하 주입이 일어나게 되면, 페이퍼-페이퍼 샘플 경계면에서 축적된 전하의 극성은 보통 PVDF 센서 주변에 있는 가장 가까운 전극에 반대의 극성을 가진다.

3.6 Polarity Reversal

  DC 전압의 극성 역전(polarity reversal)은 HVDC 트랜스미션 운영에 있어서 매우 중요하며 특히 컨버터 트랜스포에서 더욱 주의를 요하며 이는 전력 흐름을 제대로 통제하기 위함이다 (Figure 17). 잘 알려져 있듯이, 전압 역전(voltage reversal) 후에는 오일 내부에 트랜지언트 전계 강화는 즉시 일어나며 오일 내부의 축적된 전하는 섬유소 합판과 비교해서 반대의 극성을 가진다. 이 임시적인 전압 분배는 절연체의 유전율(permittivity)과 전도성(conductivity)에 의해 지배되며 또한 이러한 것들은 적용된 전압, 습도, 그리고 온도 등에 영향을 받을 가능성이 있다. 이전에 한 연구에 의하면, (샘플: 1mm 두께, ±15kV/mm) 극성 역전(polarity reversal)이 일어나면 상당한 전계 왜곡이 관측됨을 알 수 있었다. 

  오일 gap과 두꺼운 합판 조합의 시스템 내 (1mm thick pressboard with 0.5 mm thick oil film)에서 공간 전하 역학에 관한 연구들이 진행되었다. 3가지의 오일 다른 상태의 오일이 실험에서 사용되었는데 신선한 오일, 중간 정도 노쇠화된 오일, 심하게 노쇠화된 오일이다. 신선한 오일과 중간 상태의 오일을 비교했을 때, 심하게 노쇠화된 오일에서 전하의 주입 상태가 강하게 강화된 모습을 볼 수 있다. 그러므로, 오직 오일에서 작은 전계 강화 현상이 목격된다. 상당한 호모 전하 주입이 다시 일어나며 거울 효과가 목격된다 (Figure 18).

신선한 오일을 함유한 종이 샘플과 노쇠한 오일을 함유한 종이 샘플 모두에서 극성 역전(polarity reversal) 작용 시간에 의해 일어나는 효과에 관한 추가적인 조사가 이루어졌다. 신선한 오일 샘플과 관련해서, 오일 gap에서 전계 강도는 전압 역전이 일어나뉘 즉시 10%보다 작아진다. 그러므로, 극성 역전 시간은 전계 강화에 영향을 미침에 있어서 제한적이다. 노쇠화한 오일 샘플에 관해서는 오일 gap을 가로지르는 전계 (electric field)는 전압 강화에 의해 상당히 강화된다 (Table 1). 다른 연구에서도 보이는 바와 같이 reversal time은 공간 전하 축적에 영향을 미침을 알 수 있다.

3.7 AC Electric Field

  하드웨어와 테스트 환경의 복잡성 때문에, AC 조건(stressing lags) 절연 물체 내의 공간 전하의 역학을 조사하는 일은 DC 조건에 비해 꽤 뒤처져 있다. 특히, 오일-페이퍼 절연체에 관해서 많은 조사들이 이루어지지 않았다.

  이 실험에서 사용되는 샘플은 22일 동안 노쇠화 과정을 거치며 AC 전계 (electric field) 60kV/mm (peak to peak) 조건에 놓이게 된다. Figure 19 연구 결과에 따르면, 오일-페이퍼 절연 샘플의 공간 전하 축적은 sinusoial AC 조건하에 그 양이 DC 조건과 비교해서 상당히 줄어드는 것을 알 수 있다. 그러나, 몇몇의 양극(+) 성 전하들이 페이퍼 내의 Al 전극 주변에 축적되는 모습이 관측되었다. 오일 성분은 전하 분배에 있어서 뚜렷한 영향을 미친다. 오일의 심각한 부패는 매우 많은 양의 전하들이 오일을 함유한 절연 페이퍼로의 주입을 이끌어 낼 수 있다. 

4. Key points for Space Charge Testing of Oil-Paper Insulation Systems

  PEA 측정 방법은 polymer 재료의 공간 전하의 행동을 관측하기 위해 개발되었으며 XLPE, LDPE, polyimide 그리고 오일-페이퍼 같은 대부분의 homogeneous solid 재료들에 적용되어 왔다. 하지만 오일-페이퍼 절연 재료에 있어서, 이 재료의 헐거운(loose) 부분과 다공성(porous), 그리고 축축해지기 쉬운(hygroscopic) 구조뿐만 아니라 멀티-레이어 구조로 인해서, 공간 전하의 측정은 이러한 polymers에 비해서 더욱더 복잡해진다. PEA 측정법을 사용함에 있어서 아주 많은 오류들이 발생할 수 있기 때문에, 많은 주의가 요구되며 가장 주의 깊게 생각해야 할 부분은 charge density calibration, signal processing, waveform recovery, and charge distribution calculation 등이다. 이후에 이야기할 부분은 공간 전하 테스트와 관련된 몇몇의 key points들이다. 

4.1 Test Condition Control

  오일-페이퍼 절연은 절연 페이퍼(insulation paper, pressboard) 그리고 오일로 구성되어 있으며 이러한 구조는 수분을 매우 쉽게 흡수할 수 있으며 온도에 의해 절연체 내부 공간 전하 행동에 있어서 큰 영향을 받는다. 그러므로, 공간 전하 테스트 조건을 제대로 통제하여야 정확하고 재현 가능한 (reproducibility) 결과를 얻을 수 있다. 한편으로 테스트 조건이 포함하는 바는 짧은 기간(시간(hour) 단위~일(day) 단위)부터 장 기간 (주(week) 단위 ~월 (month) 단위)까지이다.

4.1.1 Relative Humidity (Moisture Content)

 PEA를 이용한 공간 전하 테스트에 관해서는 오직 한 개의 샘플에 관한 테스트 절차는 대게 30분에서 3시간의 전압 응력(stress) 그리고 30분에서 1시간의 소멸 과정을 포함한다. 오일-페이퍼 샘플이 upper 그리고 lower 전극들에 의해 커버되어 있어도, 대부분 공기 중에 노출되어 있어서 오일-페이퍼 샘플의 PEA test cell은 외부 환경으로부터의 수분 흡수를 막지 못하며 몇몇의 경우에는 매우 많은 양의 수분을 흡수하게 된다 (Table 2). 이러한 경우에는, 오일-페이퍼의 수분 함량이 테스트가 진행될수록 같이 증가하게 되며 테스트 결과의 부정확함을 야기한다.

대부분의 실험에 관해서는 오일-페이퍼 샘플은 선처리 과정을 거치는데 이를 통해 수분 흡수량에 제한을 둘 수 있으며 실제 트랜스포머 환경과 유사하게 만들 수 있다. 그러나, 실험 과정 동안, 절연 페이퍼(insulation paper, pressboard) 그리고 오일은 주변의 수분과 평형상태를 이룰 때까지 수분을 매우 빠르게 흡수하게 된다. 선 처리된 절연 페이퍼 (Weidmann, transformer board TIV/IEC, 1 mm in thickness with an original moisture content of less than 0.5%)의 수분 흡수 능력에 관한 간단한 테스트는 Figure 20에서 보이는 것처럼 공기 중에 노출된 비커에 샘플이 놓이게 된다. 

이 결과로부터 알 수 있는 점은, 샘플이 공기 중에 한번 노출되면 건조했던 페이퍼 샘플은 매우 빠르게 수분을 흡수한다는 점이며 수분의 함량은 처음 몇 시간 이내로 굉장히 신속하게 증가한다. 같은 원리가 오일과 오일-페이퍼의 경우에도 적용되지만 오일-페이퍼 물질의 수분 평형상태의 도달 방식은 꽤 복잡한 편이다. 테스트가 진행되는 동안 오일-페이퍼 절연체 내부의 뜻하지 않은 수분의 증가는 신호 처리과정과 공간 전하 특성의 분석과 관련해서 매우 큰 영향을 끼칠 수 있다. 

(1) Influence on the Space Charge Behavior

  이전 연구 결과로 알 수 있는 점은 수분의 함량이 5% 이내 이더라도 전하 주입, 움직임, 축적에 있어서 매우 큰 영향을 끼친다는 점이다. 오일-페이퍼 샘플의 더 많은 수분의 함량은 전하의 더 높은 이동성과 더 많은 양의 양극(+) 성 그리고 음극(-) 성 전하의 주입을 이끌어 낸다는 점이다. 더욱이, 전하의 더 높은 이동성은 상대적으로 느린 전하가 샘플 내부에 높은 수분 함량과 함께 갇히게 만드는 현상을 이끌어 낸다. 샘플이 4.96%의 수분 함량을 포함하는 동안에는, 샘플의 더 높아진 전도성으로 인해 샘플로 주입된 전하들인 반대편 전극으로 빠르게 이동한다. 따라서, 몇몇의 전하들이 갇히게 (trapped)된다. Figure 20에 의하면, 상온(room temperature) 그리고 보통의 습도 조건에서는 선 처리(preprocessed)된 절연 페이퍼 샘플의 시간은 5%의 수분 함량에 6시간 이내로 도달하게 된다. 그러므로, 수분 함유량의 뜻하지 않은 증가에 관해서 많은 주의가 필요하다.

(2) Influence on the signal processing of space charge test

  PEA 실험에서는 electric pulse가 테스트에 사용되는 샘플에 적용되게 되며 그 결과로 공간 전하 위치에 작은 힘(perturbation force)을 가하게 된다. 이로 인해, acoustic wave가 생성된다. Piezoelectric sensor에 의해 제공된 전압 신호로부터 최종 공간 전하 정보가 계산되며 이는 감지된 acoustic wave의 값으로부터 변환된 값이다. 그러므로, 오일-페이퍼 절연체 같은 샘플 내부의 acoustic wave의 증식(propagation)은 매우 신중하게 다뤄줘야 한다.

 대게, 고체나 액체 (1차원)에서의 acoustic velocity V는 Newton-Laplace 방정식에 의해 주어진다.

미네랄 오일에서 acoustic velocity V (m/s)와 수분 함량 P (%)의 관계는 다음과 같다.

수식 (2)와 (3)에서 보이듯이, 수분 함량의 변화 또한 오일-페이퍼 절연체 내부의 acoustic velocity에 영향을 미친다. 즉, 더 많은 수분의 함량은 더 빠른 acoustic velocity를 야기한다. 그러므로, 시간영역과 관련해서 수분은 공간 전하 분배의 변화를 이끌어 내게 된다. 

4.1.2 Environment Temperature

 대부분 실험에서 상온이 뜻하는 바는 20℃에서 26℃ 사이 값이며 평균적으로 23℃를 뜻한다. 통제되지 않은 실험실 내부에서는 실험 온도의 값이 15℃에서 20℃로 변할 수 있다. 예를 들면, 약 몇 달간의 장기간 노쇠화 실험은 샘플에서의 장 기간 실험된 공간 전하 실험은 다른 노쇠화 상태에 놓일 수 있다는 의미를 포함한다. 그러므로, 상대적 습도 그리고 온도의 변화는 공간 전하의 행동과 오일-페이퍼의 공간 전하 신호 처리과정 모두 영향을 주게 된다. 

압력 범위 0~1400 bar의 미네랄 오일 내에서 소리의 속도와 온도(10~121℃)의 온도의 상관관계는 Figure 21에 나타나 있다.

  또한, acoustic 신호를 전기적 신호로 바꾸는 역할을 하며 PEA 실험에 사용되는 PVDF는 온도 변화에 매우 민감하다. 두 개의 축 방향 지어진(biaxially oriented) PVDF film(-24uC/m^2*K)으로 pyro-electrical coefficienct가 그 한 예이다. 비록 PVDF의 특징이 최근 들어 많이 향상되었더라도, 온도 변화로 인한 PVDF의 변화 효율의 영향은 아직도 많은 주의를 요구로 한다.

4.2 Signal Processing and Recovery

4.2.1 Acoustic Impedance

 여러 번 언급했듯이, PEA 측정방식은 acoustic wave의 생성과 진행을 기반으로 하고 있다. 다른 샘플 레이어 또는 멀티레이어의 서로 다른 샘플의 경우들에서, 키 포인트는 acoustical mismatching이다. 즉, 서로 접촉된 물체들의 acoustic impedances 사이의 차이을 의미 한다. 이 방식은 wave 생성에 관한 계산, transmission, 그리고 reflection에 있어서 많은 주의를 요구한다. 특히, 감지된 acoustic 신호 그리고 attenuation of the acoustic propagation과 관련된 PEA 측정법을 이용한 멀티 레이어 절연체에서의 공간 전하 분배를 측정하기 위한 내용은 반드시 고려되어야 하는데 attenuation은 크게 두 가지로 분류된다. 그 첫째는, acoustic wave가 경계(interface: from one dielectric to another dielectric, or from one layer to another layer)를 통해 전달되었을 때 일어나고 다른 하나는 절연체 내부에서 acoustic wave의 진행상황 동안 일어나게 된다.

 Acoustic pulse의 생성과 진행이 절연체 내부에서 일어나게 되면, 다른 레이어의 경계에서 반사되게 된다. Acoustic impedance Z는 acoustic pulse가 이동할 때 재료의 특징적 성분이며 다음과 같이 정의된다. 

Wave가 여러 개의 졸연체를 평면(planar) wave로써 지나갈 때를 고려하면, 생성 계수(generation coefficient) G, 송전 계수 (transmission coefficient) T 그리고 반사 계수 (Reflection coefficient) R은 다음과 같이 계산된다.

그러므로, 더 큰 impedance mismatch는 더 많은 % 의 소리 wave 에너지가 경계면(interface)나 레이어의 경계면(boundary between one layer and another)에서 반사 되게 된다. 특히 오일-페이퍼의 경우에는, 오일과 페이퍼의 acoustic impedance의 차이는 wave attenuation(웨이브가 신호가 약해짐)의 가장 큰 이유이다. 더욱이, 음속(speed of sound)의 변화는 다른 물질 내에서 acoustic impedance의 변화를 이끌어내며 결국에는 송전 계수와 공간 전하 신호에 영향을 미치게 된다.

4.2.2 Sound Wave Propagation in Multi-Layer Oil-Paper

앞서 언급한바와 같이, 소리가 매개체를 통화하게 되면, 그 강도(소리 웨이브의 에너지)는 거리 증가에 따라 반대로 감소한다. 이상화된 재료에서는 소리의 압력(신호의 진폭)은 오직 웨이브의 퍼짐(spreading of wave)에 의해 줄어든다. 그러나, 천연 재료(natural material)에 관련해서는 모든 상황들이 sound wave의 에너지를 더 약하게 만든다. Sound wave 진행 동안 더 약해지는 결과들은 매개체(medium)의 분산이나 흡수로부터 온다. 흩어짐(scattering)은 소리의 반사(reflection)이며 다공성(porous) 물질의 원래 wave 진행 방향과 다른 방향이며 흡수(absorbtion)는 소리 에너지가 열전도 그리고 점도 성의 에너지 손실로 인한 다른 에너지로의 변환을 의미한다. 이렇게 흩어짐과 흡수의 결합된 효과를 attenuation이라고 부르며 wave가 물질을 통해 진행될 때의 소멸 비율(decay rate)에 의해 계산된다.

다음은 이와 관련된 예시이다 (sample with two layers (one oil immersed paper layer and one oil layer, Figure 22). 소리 wave 진행과 attenuation의 계산, 그리고, 소멸이 이 Figure 22에 나타나 있다.

Attenuation과 소멸(dissipation)을 무시했을 때, 압력 wave P_0 (expansion wave or compression wave)는 position 1 (x=0)에서 생성되어 layer A (insulation paper), layer B(insulating oil), electrode 2(layer C, EL2), 그리고 PVDF(layer D)를 통해 이동한다. 이후, 마지막 압력 wave P_0는 PVDF에 도달하게 되고 이는 계산을 통해 구할 수 있다.

소멸 평면 wave(decaying plane wave)는 다음 attenuation 요인(factor)에 의해 표현 가능하다. 

진폭(amplitude)은 wave가 초기 위치에서 x 거리만큼 이동후에 줄어든 진폭(reduced amplitude)이다. Quantity(수량)은 x방향으로 이동한 attenuation 계수이다. 용어 e는 exponential(or Napier's constant)이며 약 2.71828의 값을 갖는다. 그러고 나서, attenuation 후에 PVDF에 의해 얻어진 pressure wave P'_1은 다음의 수식처럼 계산된다.

만약 소멸 요인(dissipation factor)을 고려한다면, 최종 pressure wave P''_1은 다음과 같이 계산된다.

액체에서는, attenuation factor에 관해서 클래식한 수식이 사용된다.

또한 소멸 요소 (dissipation factor)의 계산은 다음과 같다.

보통은 오일-페이퍼 내부의 공간 전하 진화의 정확한 계산을 위해서, attenuation과 acoustic wave 진행의 소멸(dissipation)이 반드시 고려되어야 하고 경계면에서 transmission attenuation 또한 고려하여야 한다. 온도의 차이가 두 전극 사이에 있을 경우에는 물체의 밀도가 더 이상 homogeneous 하지 않기 때문에 훨씬 더 복잡해질 뿐만 아니라, acoustic velocity는 더 이상 일정한 값을 가지지 않고 온도차에 의해 변하게 된다.

5. Recent Research Results

5.1. Space Charge Dynamics in Pressboard-oil-pressboard Multilayer System

 이전 연구에서 의하면 샌드위치 구조의 샘플( 0.5mm 두께의 오일을 함유한 pressboard 두 레이어와 0.5mm의 미네랄 오일 갭(gap)에 관련해서 실험이 진행되었다 (Figure 23). 이 샘플은 실제 컨버터 트랜스포머가 가지는 멀티 레이어 구조의 절연 시스템에서의 공간 전하 특성을 측정하기 위해 연구되어왔다. 공간 전하의 특징은 상온(room temperature)에서 PEA 측정 장비를 통해 진행되었다. 

  DC 전압이 샘플에 적용되었을 때, 오일 갭(gap)과 합판(pressboard) 사이 경계면에 점점 전하들이 축적된다 (Figure 24(a)). 양극(+) 성 전하들이 처음 경계면인 오일 갭(gap)과 합판의 첫 번째 레이어 사이에 축적되는 반면 음극(-) 성 전하들은 다른 경계면인 오일 갭(gap)과 합판의 두 번째 레이어 사이에 축적된다. 이러한 상황은 Maxwell-Wanger 분극화(polarization)를 충족시킨다. 참고로 이 내용은 서로 다른 물질의 유전율과 전도성의 불연속성이라는 조건하에 전하들이 경계면에서 형성 가능하다. 

소멸 실험(decay experiment)은 외부의 전압을 차단함으로써 실행 가능하다. 이 실험 결과가 알려주는 점은 절연체에서 실제 공간 전하 프로필을 보여준다는 점이다. Figure 24(b)에서 보여주듯이, 1시간에 비 분극화 과정 경우에는, 축적된 전하들이 천천히 감소함을 볼 수 있다. 이는 신선한 오일 그리고 오일을 함유한 합판의 멀티 레이어 내에서 축적된 전하의 이동성이 매우 작음을 뜻한다.

이 결과과 크게 의미하는 바는 없으며 절연 용액(insulation oil)에서는 이동성의 개념이 매우 제한적이다. 용액의 움직임으로 인해 제한적이며 또한 절연체 종류의 범위는 양극(+) 성과 음극(-) 성의 대전체(carrier)가 될 수 있다. 따라서, 전하 이동에 관한 측면에서, 더 많은 주의가 절연 용액을 분석함에 있어서 필요하다. 

5.2 Space Charge Dynamics of Oil-Paper and Oil-gap under Combined AC and DC Voltages

5.2.1 Cellulose Particles

  추가적인 공간 전하 역학의 조사 이전에 있어서, AC, DC 그리고 DC combined AC electric field 조건에서의 미네랄 오일 내에서 섬유소 particles 축적의 관한 조사가 이루어졌다. Figure 25의 결과는 흥미로운 모습을 보여주는데 두 전극 사이에 브리지(bridges) 현상이 일어난다는 것이다. 

  한 쌍의 13mm 지름의 구형 놋쇠 전극(spherical brass electrodes)이 실험에 사용되었다. 두 전극의 거리는 10mm의 간격을 유지한다. 15kV DC 전압이 샘플에 적용되면, 분자들(particles)이 분극화(polarized)되기 시작한다. 더욱이, 섬유소 분자들은 외부 전계의 라인과 같은 방향의 병렬 상태로 나란히 있게 된다. 그리고 60초 이후에는, 두꺼운 브리지(bridge)가 형성되게 된다.

  15kV AC 전압 조건하에서, 뚜렷하게 보이는 점은 전극 표면에 분자들이 균일하게 축적된다는 것이다. 이러한 현상은 주로 전계의 변화에 기여한다는 점이다. 분자들이 전극과 접촉했을 때, 분자들은 대전(charged)된다. 다른 분자들은 아마도 이렇게 대전된(charged) 분자와 접촉할 수 도 있다. 그러므로, 분자 체인(particle chains) 길게 늘어지게 되며 전계 라인에 따라서 병렬로 분배된다. 3kV DC combined 15kV AC 조건하에서는, 10분이 지난 후 완전한 브리지가 전극 사이에서 형성된다. 비록 분자 축적과 브리지 현상이 순수 15kV DC 전계에 비해서 훨씬 느릴지라도 결합된 전압 조건하에서 형성된 브릿지는 훨씬 밀도가 높다.

5.2.2 Oil-Paper and Oil-Gap

  AC, DC, 그리고 DC combined AC 전압 조건 하에서 분자 움직임과 연관되기 위해서, 미네랄 오일 그리고 오일을 함유한 합판(pressboard) 안에서의 공간 전하 프로필(profiles)이 AC, DC, 그리고 DC combined AC 전압 조건에서 조사되었다. 50Hz의 AC 전압 그리고 상온(room temperature)에서 샘플은 0.5mm의 합판과 0.5mm의 오일 갭(oil gap)으로 구성되어 있으며 그에 대한 결과는 Figure 26에서 처럼 나타난다. Figure 26이 나타내는 점은 절연 시스템에서 축적된 전하들의 모습이 관측되지 않는다는 점이다. 대신 샘플 벌크(sample bulk)에서 약간의 움직임(oscillations) 정도만 포착이 된다. 이러한 현상은 아마도 상대적으로 작은 AC 전계(electric field)때문이며 그 값은 9.6 kVmm r.m.s이다. 이 실험이 보여주는 점은 AC 조건에서 공간 전하의 주입과 축적은 DC조건에 비해 훨씬 낮다는 점이다. AC 조건하에서, 오일 갭(oil gap)이 적용되었을 때, 양극(+) 성 그리고 음극(-) 성 전하들 둘 다 합판에서 보다 훨씬 빠르게 움직인다는 점이다. 그러므로 주입된 전하들은 아마도 오일 갭에서 오일/합판의 경계면에 의해 갇히는(trapped) 것보다 계속 표류하려고 한다. 더욱이, 섬유소 분자 실험(cellulose particle experiment)으로 부터, AC 전압 조건에서 오일 갭(oil gap)과 함께 브리지(bridge)를 형성하는 대신에 분자들은 전극의 표면에 축적된다. 그 이유는 아마도 뚜렷한 전하 주입이 오일과 합판의 절연 시스템에서 존재하지 않기 때문일 것이다. 

  Figure 27은 즉각적으로(instantaneous) 적용 전압이 제거된 후에 공간 전하(space charge)의 모습을 보여준다. 신선한 오일 샘플에서는, 상당히 낮은 전계 조건에서는 뚜렷한 공간 전하 축적이 샘플 벌크(sample bulk)에서 목격되지 않으며 오직 적은 양의 양극(+) 성 전하들만이 상부 전극과 합판 사이의 경계면 주변에 위치하게 된다.

  컨버터 트랜스포머 관련해서, 벨브 와인딩(valve winding)은 HVDC 시스템에서 AC 그리고 DC 전압 둘 다 관련된 중첩(superposition) 현상을 가지게 된다. AC와 DC가 결합된 응력(stress) 조건에서의 절연 능력은 보통 AC와 DC 구성품의 각각의 계산을 통합함으로써 얻어진다. 

  그러나, 절연체는 보통 비선형(non-linear)시스템이기 때문에 이 방식은 정확하지 않을 수도 있다. 한 연구에 의하면, LDPE에서 이중으로 중첩된(superimposed) 조건하에서 상당한 공간 전하 축적(space charge accumulation)은 DC impact와 AC impact를 합한 것보다 꽤 다르다는 것이 포착됐다. 

  이중으로 중첩된(superimposed) 전계 조건(+4.8kV/mm DC stress combined with 9.6kV/mm AC stress)에서 하나의 레이어인 오일을 머금은 합판과 하나의 레이어 오일에서의 공간 전하 특성이 조사되었다. Figure 28에서 보이듯이, phase angle 81˚에서의 공간 전하의 양은 AC와 DC 응력이 조합된 후에 굉장히 증가하였다. 낮은 DC stress (+4.8kV/mm, 문턱 전계보다 훨씬 낮은 값임)가 AC stress 9.6kV/mm와 결합하면, 많은 양의 경계성 음극(-) 전하(interfacial negative charges)들의 존재가 오일/합판 경계면에서 관측된다. 이러한 음극(-) 경계성 전하 밀도는 매우 빠르게 최대 값(약 4.3C/m3)까지 초반 5분 안에 증가하게 되고 이 값은 순수 DC 전압 조건에서의 공간 전하와 비교했을 때보다 훨씬 높은 값이다. 그러고 나서, 이 최대 값은 계속 감소하게 되며 이러한 결과는 아마도 상부 전극으로부터 주입된 양극(+) 성 전하들의 중성화(neutralization)에 의한 것일 수도 있다. 이에 부응하는 것은 Figure 29 (the space charge dynamics at a phase angle of 261˚)에서 보이는 것처럼, 그라운드 전극(ground electrode)의 peak 값은 최대 값(약 7.3 C/m3)까지 5분 동안 증가하고 그 후 60분 경과 시점에 점차 6.1C/m3까지 감소한다. 그라운드 전극에서 많은 양의 공간 전하의 현상은 아마도 상당한 양의 음극(-) 성 전극이 경계면에 축적되었기 때문일 것이다. 음극 경계성 전하(negative interfacial charge)는 그라운드 전극에서 양극(+) 성 전하들 유도할 수 있다. 그러므로, capacitive 한 전하(capacitive charge)를 그라운드 전극의 추가와 함께 최대 전하 밀도는 5분 경과 시점에 그라운드 전극에서 나타난다. 그 후, 그라운드에서의 전하 감소는 오일과 합판 사이 경계면에서 전하의 중성화(neutralization)와 관련 있다. 이러한 현상은 아마도 오일 갭을 가로지르는 전계(electric field)의 분배가 5분 동안 급격하게 강화될 수 있다는 점이다. 이후, 이러한 강화(enhancement)는 감소하기 시작한다.

이전 결과들이 암시하는 점은 DC와 AC 전계의 중첩(superimposition)으로 부터의 공간 전하의 양은 DC와 AC 구성품들을 각각 추가로 심플하게 생성된 공간 전하와 비교하여 훨씬 높다는 점이다. 다시 말하자면, DC와 AC 구성품의 중첩(superimposition)으로 인해서 신선한 오일 그리고 오일을 함유한 합판 샘플 내 공간 전하의 역학은 가속화될 수 있다.

5.3 New Oil-Paper Combination

  기존의 오일-페이퍼 절연체에서의 공간 전하 행동의 이해로부터 공간 전하 주입, 축적을 감소하는 다른 방법들과 절연 특성을 향상하는 방법이 연구되어왔다. 크게 두 가지 방식이 존재하는데 그중 하나는 절연 재료의 조합을 최적화하는 방법이며 다른 하나는 개선된 섬유소 합판 그리고 새로운 타입의 절연 오일 같은 개선된 절연 재료를 적용하는 것이다.

5.3.1 Space Charge in the Polypropylene Laminated Paper(PPLP)

  Polypropylene Laminated Paper (PPLP)는 지하 송전 케이블 같은 상업적 HVDC 프로젝트에 사용되어 왔다. PPLP사용이 가지는 이점은 높은 AC, DC 절연 파괴 강도를 가지고 있다는 점이며 또 하나는 표준 Kraft 페이퍼와 비교하여 더 낮은 절연 손실 능력을 가진다는 점이다. 그러나, 이에 관한 메커니즘은 아직까지도 발견되지 못했다. 그러므로 겹쳐진(lapped) PPLP의 공간 전하의 특성을 알아보기 위해 실험되었다. 

  Figure 30은 PPLP 샘플(총 220 um의 두께)이 1kV의 전압이 적용되었을때의 공간 전하의 모습이다. 점선은 펄스 전계 조건하에서의 샘플의 신호를 나타내며 이는 캐소드와 애노드의 위치 정보를 준다. 음(-) peak은 캐소드로부터 얻어지며 1kV 전압이 적용된 후에 매우 작은 값은 가진다. 애노드에서 예상되는 양(+) peak 값은 발견되지 관측되지 않는다. 이러한 현상은 단순하게 페이퍼의 attenuation 때문은 아니다.  순 전하(net charge)는 PEA에 의해 측정되며 주입된 호모 전하로부터 그 결과로 생기는 전하이다. 그리고 전극은 전하를 유도하며 잠재적인 이온들은 적용된 전하에 의해 일어난다. 샘플에서 뚜렷한 음(-), 양(+)의 peak들은 Kraft 페이퍼와 polypropylene 사이에 경계 영역에서 축적된 전하라고 고려된다. 

11kV의 적용 6분경과 후 Volt-off 결과는 Figure 31에서처럼 나타난다. 이것이 보여주는 것은 샘플에 남아있는 공간 전하에 대한 정보이다. 더욱 중요한 것은 경계 영역과 전극에 가까운 전하 극성은 capacitive 한 전하처럼 뚜렷하게 관측되며 이는 적용된 전압의 제거 때문이다. 헤테로 전하들은 캐소드 옆 더 낮은 페이퍼 영역에서 발견된다. 

  같은 공간 전하 분배는 Figure 32 그리고 33으로부터 관측되며 이 결과는 8kV의 조건에서 측정된 것이다. Kraft paper가 전극과 접촉했을 때 전극으로부터의 전하 주입은 매우 낮은 전계에서 일어난다. Kraft 페이퍼에서의 이온화(ionization)는 겹쳐진 샘플(lapped sample)의 주요 고려사항이다. 겹쳐진 샘플(lapped sample)의 경계성 영역에서는 전하를 가둬두거나 천천히 움직일 수 있으며 이는 PP 필름 내에서 전계의 강화를 이끌어 낸다.

5.3.2 Space Charge on Nano-TiO_2 Modified Cellulose Paper

  오일-페이퍼 절연 시스템에서 공간 전하의 축적과 소멸에 관한 특성을 향상하기 위해서, 개선된 섬유소 절연 페이퍼와 nano-TiO_2가 사용되었다. 오일-페이퍼의 축적과 소멸의 관한 공간 전하의 특성들은 PEA측정법을 이용해 조사되었으며 이로부터 얻어진 결과가 보여주는 점은 샘플과 섞인 nano-TiO_2의 애노드 부근의 음(-) 공간 전하 축적이 10kV/mm, 30kV/mm조건에서 관측되지 않는 점이다. 그 이유는 nano-TiO_2의 추가가 캐소드로부터 오는 전하 주입의 문턱 전압을 강화시켰을 수도 있기 때문이며 전자(electrons)의 움직임을 느리게 하였기 때문이다. 

  10kV/mm 조건에서는, P0(without the nano-TiO_2)의 전계 왜곡 비율은 50%이며 P1(with nano-TiO_2 mass fraction of 1%)는 20% 그리고 P2(with a nano-TiO_2 mass fraction of 3%)는 10%를 가진다. 30kV/mm(Figure 34) 조건 동안에는, 비율이 각각 60%, 20%, 그리고 10%의 값을 갖는다. 이로 인한 가능성 있는 결론은 절연 페이퍼에 nano-TiO_2의 추가는 공간 전하의 축적과 소멸의 특성을 향상하는데 매우 효과적이라는 점이며, 전계의 왜곡 현상을 완화시키기 때문에 이와 관련된 연구들이 계속되어야 한다.

5.4 Simulation

5.4.1 COMSOL for Electric Field Simulation

  컨버터 트랜스포머는 작동중 극성 역전 (polarity reversal)을 겪을 가능성이 있기 때문에, 극성 역전 동작을 강조한 오일과 오일을 함유한 합판의 전계를 시뮬레이션하는 것은 매우 중요하다. 전통적으로, 전계 시뮬레이션은 Maxwell-Wanger Theory를 기반으로 하고 있다. 그러나, 전하 트랩의 존재와 표면 상태를 고려하여 전계에 관련돼서 공간 전하의 효과를 알기 위해 정확한 방법이 요구된다. 공간 전하에 의해 일어나는 전계는 다른 극성 역전 작동 시간과 관련해서 COMSOL software를 통해 실행되었다. 

  Maxwell-Wanger 이론의 회로 표현과 관련해서, 오일 그리고 오일을 머금은 합판은 병렬로 연결된 저항과 캐패시터로 생각될 수 있다. 전계와 전압 분배는 아래의 수식을 기반으로 계산된다. U_1 그리고 U_2는 합판과 오일에 적용된 전압이며 R_1, R_2는 합판과 오일의 저항이다. C_1과 C_2는 합판과 오일의 캐패시터 값이다.

COMSOL software에 공간 전하를 보간(interpolate) 하기 위해서는, 오일과 오일을 머금은 합판을 공간 전하를 추가하기 위해 각각 다른 레이어로 나눠놔야 한다. COMSOL에 공간 전하 보간(interpolatation) 후 오일과 오일을 머금은 합판에서의 전계는 푸아송 방정식(Poisson equation)을 이용하여 시뮬레이션할 수 있다.

Figure 35는 Maxwell-Wanger Theory를 기반으로 한 오일과 오일을 머금은 합판의 전계 값을 시뮬레이션한 것이다. 60초의 극성 역전 작동 시간 후, transient 전계 분배는 capacitive 분배를 만족한다. 수식 (15)로 부터, 합판의 transient 전계는 오일의 capacitance에 비례하며 오일의 낮은 유전율 때문에 합판의 더 낮은 전계를 야기하게 된다.

  공간 전하의 보간(interpolation)후, 오일과 오일을 머금은 합판의 전계 분배는 Figure 36에서 처럼 나타난다. Figure 36에서 보이는 바와 같이 오일을 함유한 합판의 전계가 오목한(concave) 형태로 나타난다. 전극의 주변과 오일을 함유한 합판의 경계에서의 전계(electric field)가 강화되는 데는 두 가지 이유가 있다. 첫 번째 이유는 합판 내로의 호모 전하 주입은 극성 역전 후에 헤테로 전하로 변환된다. 헤테로 전하에 의한 합판의 두 면에 관한 전계(electric field)는 외부의 전계에 추가되는데 이는 전계의 강화를 야기한다. 더욱이, 헤테로 전하는 전극과 비교하여 같은 극성의 전하를 유도할 수 있으며 이는 또한 오일을 머금은 합판 두면의 전계를 강화시킨다. 오일과 관련해서, 전계의 분배는 공간 전하의 존재의 관해서 기여하며 이전 전하의 주입은 호모 전하로 변환되며 이는 중앙 부근에 전계의 강화를 야기한다.

다른 극성 역전 동작 시간 후에, 공간 전하와 Maxwell-Wanger 이론에 의한 전계(electric field) 모습은 Figure 37에 나타나 있다. 두 신선한 그리고 노쇠한 오일을 머금은 합판이 시뮬레이션을 위해 고려되었다. 여기서 발견된 점은 공간 전하에 의해 일어나는 전계(electric field)가 Maxwell-Wanger 이론에 의해 일어나는 전계(electric field)에 비해 더 높은 값을 가지며, 이 두 방식 사이에 차이점은 노쇠한 오일과 비교하여 신선한 샘플에서 더 차이가 심하다. Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 한 전계는 더 긴 극성 역전 동작 시간의 적용 후에 공간 전하에 의한 전계가 감소하는 동안 증가한다. 더욱이, 공간 전하에 의해 일어나는 노쇠한 샘플의 전계는 신선한 샘플에 비해 더 빠르게 감소하며 이는 노쇠한 샘플의 빠른 공간 전하 소멸 비율로부터의 결과물이다. 극성 역전 작동 후에 공간 전하에 의한 전계와 Maxwell-Wanger 이론을 기반으로 한 전계 (steady-state condition) 사이에서 현재의 2분 극성 역전 동작 시간은 안전하게 신선한, 노쇠한 오일 그리고 오일을 머금은 합판 샘플에 관해서 줄일 수 있다. 

5.4.2 Molecular Simulation for Material Modification

  분자 메커니즘 시뮬레이션 기술은 분자사이의 상호작용 측면에서 섬유소의 열적 노쇠화의 향상을 설명할 수 있다. 다소 몇몇의 연구들만이 분자 시뮬레이션 방법이 미세한 메커니즘을 기반으로 상당한 잠재성이 있다고 보여준다. 그러나, 몇몇의 연구들만 나노소재의 개선된 절연 페이퍼 섬유소와 분자 시뮬레이션에 관해서 보고되었다. 

  Nano-Al_2O_3 분자들은 절연 페이퍼 섬유소를 개선하기 위해 사용되었으며 분자 시뮬레이션과 실험적 방법들이 활용되어 Nano-Al_2O_3가 추가된 후 개선된 절연 페이퍼의 성분 메커니즘의 변화와 관련돼서 분석되었다. 이 페이퍼에서는 또한 미세한 분자 시뮬레이션 결과들과 미세한 실험 결과들을 비교하였으며 절연 페이퍼의 열적 노쇠화에 관한 nano-Al_2O_3 개선 메커니즘을 탐구한 후 이론적 추가 정보를 훗날의 연구를 위해 제안한다.

  Figure 39로 부터, Nano-Al_2O_3 분자들을 페이퍼 섬유소에 추가한 후 절연 페이퍼의 degree of polymerization의 감소 비율은 뚜렷하게 개선되지 않은 절연 페이퍼에 비해 느려졌다. 이것은 아마도 나타내는 점은 1%의 Nano-Al_2O_3 분자의 추가는 mechanic 강도의 증가와 절연 페이퍼의 노쇠화 속도를 느리게 만들 수 있다는 점이다. 이러한 개선은 아마도 섬유소 주변에 위치하는 수소 결함의 증가와 연관이 있을 수 있다. 더 많은 수소 결합이 섬유소 체인에 붙을수록, 섬유소 체인의 반응 강도는 개선되며 그 반응 강도는 개선되지 않은 모델과 비교하여 덜(less) 해진다. 그러므로, 이것은 절연 페이퍼의 degree of polymerization의 비율을 감소시킬 수 있으며 또한 노쇠화 속도를 늦출 수 있다. 개선되지 않은 섬유소와 개선된 섬유소 페이퍼를 사용하여 polymerization degree(DP) 특징을 확인하기 위한 공간 전하의 특성은 추가적인 연구가 더 필요하다.

6. Conclusion and Prospects

  HV 전력 시스템에 400kV의 파워 트랜스포머가 도입된지는 50년이 넘었다. HVDC 네트워크의 확장을 위해서는 더 안정적이고 지속 가능한 DC 전력 장비들이 필요하다. 오일-페이퍼는 DC 파워 장비와 관련된 주요 절연 물질이며 이와 관련된 공간 전하의 특성은 파워 그리드의 안정적인 운용과 관련돼서 매우 밀접한 관련성을 지니고 있을 뿐만 아니라 물리-화학적 성분과 절연체의 전기적 성능과도 연관되어 있다. 

  이 연구 페이퍼는 PEA 기술에 초점을 맞추고 있으며 오일-페이퍼의 절연 시스템에서의 공간 전하에 관한 지난 20년간의 연구들을 분류하고 돌아봤다. 오일-페이퍼 절연 시스템은 전기적 응력(stress of electrical), 열적 응력, 그리고 기계적 응력등 여러 가지 결합된 응력들에 놓여 있는 상황이다. 또한, 파워 트랜스 포머 내부에서 복잡하고 다양한 구조를 지니고 있으며, 이러한 구조로 인해서 공간 전하 행동의 관한 연구를 수행하는데 많은 제약이 존재한다.

  이 리뷰 페이퍼가 고려하는 절연 상황 조건은 온도, 습도, 그리고 적용된 전압이 오일-페이퍼 절연 시스템에 있어서 지대한 영향을 미친다는 점이였다. 또한 공간 전하와 유전율, 전도성, 부분 방전, 절연 파괴 전압 등의 전기적 요소들 사이의 연관점은 아직도 명확하지 않기 때문에 추가적인 연구들이 필요하다. 전반적으로 이 페이퍼를 요약하자면 다음과 같다.

(1) 실험 환경 통제: PEA 측정 방식은 오일-페이퍼를 측정하기위해 제작된 것이 아니기 때문에, 실험 환경, 실험 절차 등 여러 가지 실험 조건을 통일하는 것은 매우 중요한 부분이다. 다시 말하자면, 공간 전하 테스트는 같은 온도, 같은 습도, 일정한 압력 등을 유지하여야 한다.

(2) 정확한 신호와 데이터 처리: 멀티 레이어 오일-페이퍼에 관해서는, 기존의 신호 처리와 회복 방식은 몇몇의 결점을 가지고 있으며 이는 약한 신호 강도(attenuation), 소멸, 회복 알고리즘 등으로 인해 일어난다. 따라서, sound wave 처리와 관련된 추가적인 연구가 필요하다.

(3) 실제 작동 환경과의 유사성: 컨버터 트랜스포머가 작동할때의 보통 70℃의 온도를 가지며 이 온도는 다양한 부하(loads)들로 인해 급격하게 상승할 수 있다. 컨버터 트랜스포머에는 또한 전도체와 냉각 시스템 사이에 온도 차(temperature gradient)가 존재한다. 더욱이, 실제 트랜스포머 안에서 특정 온도에 존재하는 구리, 철, 아연(zinc) 같은 금속 이온들은 공간 전하의 행동에 또한 영향을 끼친다. 그러므로, 과학적이고 유용한 결과를 얻기 위해서 실험 조건을 실제 환경과 가깝게 만드는 일이 필요하다. 

(4) PEA 실험 세팅: 신호 처리 기능을 향상 시키는 일은 아직도 풀어야 할 숙제이며 또한 오일과 오일을 머금은 페이퍼/합판에서의 공간 전하의 역할을 물리적으로 다가가는 일 또한 더 조사가 이루어져야 한다. 공간 전하의 시뮬레이션은 COMSOL software를 통해 보간(interpolated)될 수 있으며 이가 주는 방식은 멀티 레이어에 관해서 실험이 가능하며 즉 전체적인 컨버터 트랜스포머의 영역으로 확장 가능하다.

  연구 결과에 의하면, 오일-페이퍼 절연체 내에 축적되는 공간 전하에 의해 일어나는 전계 왜곡 현상과 절연체 내부에서 빠르게 이동하는 전하에 의해 일어나는 열적 효과는 트랜스포머의 전기적 fault의 주요 원인으로 꼽힌다. 이러한 공간 전하의 영향을 줄이고 공간 전하의 축적의 양을 완화시키기 위해서는 빠른 전자의 이동을 제한하고 오일-페이퍼 내의 전하 분배 예측에 관한 추가적인 연구가 필요하다.

출처:

[1] B. Huangl, M. Haol, Z. Xul, G. Chenl, C. Science, and U. Kingdom, “Research on thickness ratio and multilayers effect on the oil and paper space charge distribution ’,” pp. 40–43, 2016.

Abstract

  HVDC 조건하에 오일/페이퍼 절연체 내부의 공간 전하(space charge) 형성은 전계 분포에 영향을 끼칠 수 있다. HVDC 컨버터 트랜스포머의 경우에는 이러한 공간 전하의 형성으로 야기되는 전계의 왜곡(electric field distortion)으로 인해 성능의 저하를 가져올 수 있다. 따라서, 공간 전하를 형성하는 요인들과 온도, 습도, 전기적 응력, 그리고 노쇠화 과정 같은 성능의 저하를 가져오는 요인들을 분석하는 것은 매우 중요하다. 이 연구 페이퍼는 주로 오일/페이퍼 절연 시스템 내에서 공간 전하 특성과 관련된 전기적 응력으로 인한 효과와 오일의 노쇠화를 알아본다. Pulsed electroacoustic Technique (PEA) 시스템이 공간 전하 측정을 위해 도입되었다. 이 데이터는 후에 COMSOL 소프트웨어에 적용되어 전계 분포에 영향을 미치는 공간 전하 특성과 극성의 역전 후(the polarity reversal) 전계에 관해서 알아보게 된다. 이 실험을 통해 알 수 있는 점은, 공간 전하와 함께 형성되는 전계는 분극 역전 후 평균 전계 값보다 훨씬 높은 값을 가짐을 알 수 있다. 더욱이, 공간 전하에 의해서 형성되는 전계는 신선한 오일과 비교하였을 때 노쇠화된 oil-impregnated pressboard에 관해서 더 빠르게 감소함을 알 수 있었다. 이러한 현상은 오일의 조건과 관련하여 서로 다른 공간 전하 소멸 특성과 관련 있을 수 있다. 

1. Introduction

  다른 AC 시스템과 연결이 가능한 재생 풍력에너지는 상대적으로 적은 전력 손실로 인한 적은 유지 비용 때문에 HVAC 트랜스미션 시스템과 비교해서 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들은 HVDC 시스템을 빠르게 발전시키는 촉매 역할을 하며 이로 인해 HVDC 시스템에서의 컨버터 트랜스포머 같은 가장 값 비싼 장비들의 안정성의 고려는 매우 중요하게 생각해야 할 부분 중 하나이다. HVDC 컨버터 트랜스포에서 오일/페이퍼 절연 시스템과 관련된 전기적 성능은 공간 전하의 양과 매우 밀접하게 연관되어 있다. 공간 전하의 형성은 전계의 형태를 왜곡시킬 뿐만 아니라 부분적으로 전계의 강도를 강화시킴으로써 절연체의 노쇠화 과정을 가속시키며 이는 부분 방전(partial discharge) 그리고 절연 파괴(breakdown)로 까지 이어질 수 있다. 따라서, HVDC 시스템에서, 공간 전하의 형성과 소멸 특성을 분석하는 과정은 반드시 필요하다. 

  현재, 레이어 형태의 절연 시스템에서 공간 전하의 영향은 이론적으로 Maxwell-Wanger 이론을 배경으로 하고 있다. 이는 두 물질의 전도성(conductivity)과 절연 상수의 차이에 의지한다. 하지만, 이와 관련된 이론은 오직 전하 트랩(charge trap)과 재결합(recombination)을 고려하지 않은 선형 재료(linear material)에서만 유효하다. 현실적으로는, 이러한 전하 트랩과 재료의 표면 전하로 인한 상당한 영향이 존재하기 때문에 이론과 상당한 편차가 존재한다. 오일을 함유한 합판(oil-impregnated pressboard)은 아주 많은 양의 트랩(broken bonds and chain folds)을 보유하며 간극(interface)에서 공간 전하의 축적을 유도한다. 이러한 전하 트랩과 표면 전하들은 전기 시스템을 매우 불안정하게 만든다. HVDC 컨버터 트랜스포머와 관련해서는, 극성 역전현상을 겪을 수 있다. 따라서 이러한 갇힌 전하(trapped charge)에 관한 이해 또한 매우 중요하다.

  샘플의 두께, 수분, 온도, 전기적 응력, 그리고 절연재료의 노쇠화 정도 등 여러 요인들이 공간 전하 특성에 영향을 미친다. 이 연구 페이퍼에서는, 공간 전하의 역학과 관련해서 오일의 노쇠화 상태의 효과와 적용된 전계가 오일 그리고 오일을 함유한 샘플의 조합의 사용을 통해 조사되었다. 공간 전하의 형성과 소멸 과정이 논의되었으며 오일과-합판의 전계(electirc field)는 COMSOL software를 통해서 서로 다른 극성 역전 현상에 관해서 시뮬레이션되었다.

2. Experiment Methodology

2.1 Sample Preparation

  오일의 노쇠화 상태의 따른 컨버터 트랜스 포머 내에서의 공간 전하 행동을 분석하기 위해 두 가지 다른 종류의 샘플이 준비되었다. 첫 번째 샘플은 신선한 오일과 합판이며 두 번째로 사용되는 샘플은 노쇠화된 오일과 합판이 사용된다. 신선한 오일로는 ZX-I S3 모델의 오일이 사용되며 현재까지도 많은 트랜스포머에서 사용된다. 노쇠화된 오일은 트랜스포머에 서비스되었던 오일은 꺼내서 사용한다. 오일의 노쇠화 형태는 육안으로 확인 가능하며 노쇠화가 진행될수록 어두운 계열의 갈색을 띠며 약간의 부유물들을 포함하게 된다. 합판은 현재까지도 많은 트랜스포머에서 사용되고 있으며, DC 전도성(conductivity) 그리고 절연 분광 장비의 사용을 통해서, 오일-오일이 함유된 합판과 오일의 절연 특성 (전도성 _Conductivity과 유전율_Permittivity)등이 측정되었으며 그리고 그 값들은 Table 1에 표시되었다. 또한 오일의 습도는 Karl-Fisher Titrator를 통해서 측정되었다.

2.2 Space Charge Measurement

Pulsed electro-acoustic Method (PEA) 측정법이 공간 전하 측정을 위해 선정되었다. 이 실험은 기본적인 혼합 절연체의 관해서 수행되었는데 이는 오일과 오일을 함유한 합판의 조합으로 구성되어 있다. 이 실험에서 사용된 오일의 두께는 500um이고 오일을 함유한 합판의 두께는 1000um이다. 12kV/mm와 20kV/mm의 DC 전계(electric fields)가 신선한 샘플 그리고 노쇠화된 샘플의 비교를 위해 적용되었다. 이 실험에서 사용된 펄스 생성기는 1kV, 1 kHz (5ns width)의 값이 적용되었다. 이 실험은 상온에서 진행되었으며 자세한 내용은 Figure 1에서 보이는 바와 같이 실험이 세팅되었다. 샘플에 적용되는 전압은 약 3시간 동안 진행되며 이후에는 전압의 스위치를 off 시킨 뒤 전하 소멸과정을 모니터 한다. 

실험에 사용되는 합판은 지금 9mm의 원형 모양으로 절단되며 이렇게 절단된 합판은 105℃의 진공 오븐에 수분 제거를 위해 3일 동안 놓이게 된다. 그러고 나서, 이렇게 건조된 합판은 가스를 뺀 신선한 오일 그리고 노쇠화된 오일과 20 kPa/60℃(200mbar/60℃)에서 각각 3일 동안 함유 과정을 거치게 된다. 사용되지 않은 샘플은 진공관에 보관되며 이는 상온에서의 샘플의 수분 흡수를 방지하기 위함이다. 합판과 오일 레이어를 하부 전극에 놓아둔 후에는, 구리 전극이 샘플에 충분한 압력을 가하기 위해 놓인다. 이러한 높은 압력은, 전극과 합판의 우수한 접합점을 많들어 낼 수 있으며 또한 오일과 합판 사이 또한 좋은 질의 접합점을 유지할 할 수 있다.

3.Experimental Results and Discussions

Figure 2(a)는 12kV/mm의 전계가 3시간 동안 적용되었을 때의 신선한 오일과 오일을 함유한 합판의 공간 전하 밀도를 보여준다. 검은색의 두 실선은 두 전근의 위치를 표시한 것이며 이와 반대로 중간의 검은 점선은 오일과 합판의 경계면을 표시해둔 것이다. Figure 2(a)에서 보이듯이 두 전극에서 호모 전하의 주입이 관측된다. 즉, 양극성(+) 전하는 애노드 부근에서 목격되며 순 음극성(net negative) 전하들은 경계면에 축적된다. 이러한 음극 간극성(the negative interfacial) 전하는 두 전극에 양(+) 극성 전하를 유도할 수 있으며 이것은 전하 중성화로 인해 캐소드 부근에 전하를 감소를 야기할 수 있다. 더욱이, 애노드의 전하는 증가될 수 있는데 그 결과로 음극 간극성 전하로부터 유도된 전하의 중첩과 전극으로부터 주입된 전하의 중첩이 발생할 수 있다. 그러므로, 캐소드에서 음극(-) 성 전하가 점진적으로 감소하는 반면, 애노드의 양극(+) 성 전하는 그의 상응하여 증가하게 된다. 오일과 합판의 경계에서 순 음극(-) 성 전하는 두 가지 방식으로 설명될 수 있는데 그 첫 번째는 Maxwell-Wanger Theory이며 두 번째로는 오일의 더 높은 전도성(conductivity)으로 설명된다. Maxwell-Wanger 이론에 의하면 

따라서, 위의 수식에 따르면 간극성 전하(interfacial charge)의 극성은 음극(-)을 띠어야 한다. 또 다른 이유인, 오일의 더 높은 전도성(conductivity)은 오일에서 주입된 음극(-) 성 전하를 전계의 영향에서 더 쉽게 경계면(interface)으로 움직일 수 있다. 반면에, 애노드로 부터 주입된 양극(+) 성 전하는 전극 부근에 갇히게 되며 추가적 전하 주입을 방해하게 된다. 그러므로, 간극성 전하(interfacial charge)의 극성은 반드시 오일과 접촉한 전극의 극성과 같아야 한다.

 Figure 2(b)는 전압의 스위치가 off 된 뒤 3 시간 동안의 공간 전하 소실 과정을 나타낸 것이다. 이 결과 값이 보여주는 바는 두 전극의 공간 전하 극성은 둘 다 양극성(+)이라는 점이다. 이러한 현상은 간극성 음극 표면 전하와 전극에서 주입된 전하로부터의 유도 전하의 중첩에 의해서 일어난다. 두 전극에서의 유도된 양극성(+) 전하는 절연체 내에서 전하의 소멸과 중성화로 인해 점진적으로 감소한다.

  전하 소멸과정은 전반적으로 매우 느린 편인데 180분 이후부터는 두 전극에서 전하 밀도가 1C/m3로 감소한다. 그러나 초기 과정에서의 전하 밀도 소멸 속도는 매우 빠른 편이다. 예를 들어 애노드에서의 전하 밀도는 처음 2분 동안 0.5C/m3로 감소한다. 더욱이, Figure 2(b)에서 처럼 표면 경계 주변에는 양극성(+) 전하들이 존재한다. 이러한 현상은 또한 간극성 표면 전하에 의한 유도된 전하와 애노드에 의한 주입된 전하의 중첩 현상의 기여한다. 양극성(+) 전하는 decay 과정 동안 서서히 소멸하게 된다.

  Figure 3(a)는 20kV/mm의 전계(electric field)가 3시간 동안 적용되었을 때의 신선한 오일과 오일을 함유한 합판 샘플에서의 공간 전하 진행과정을 보여준다. Figure 2(a)와 비교하였을 때, 20kV/mm가 적용된 두 전극에서 12kV/mm가 적용되었을 때 보다 더 높은 전하 밀도가 관측되며 특히 캐소드에서 그 내용이 더 두드러진다(20kV/mm-->-8C/m3,    12kV/mm-->-5.5C/m3). Figure 3b는 오일과 오일을 함유한 합판의 소멸 과정 동안에서 공간 전하 분배의 모습을 보여준다. Figure 2b와 3b 모두에서 보이듯이 처음 10분 동안 전하 밀도 곡선이 상당히 변하는 모습을 볼 수 있다. 

  Figure 4(a)는 노쇠화된 오일과 오일을 함유한 합판이 12kV/mm의 전기적 응력이 적용되었을 때의 공간 전하 분배 모습을 나타낸 것이다. 신선한 오일이 사용된 Figure 2(a)와 비교하였을 때, 전극에서 전하 밀도가 훨씬 빠르게 증가하는 모습을 볼 수 있다. 전극으로부터의 더 많은 전하 주입과 절연체 내부로의 더 깊은 주입은 노쇠화된 오일-합판의 3가지 주요 공간 전하 특성이다. 이로부터 사려되는 점은, 노쇠화된 오일의 더 높은 전도성(conductivity)이 전하의 이동성과 잠재적 전하 주입 특성을 강화시킬 수 있다는 점이다. 더욱이, 두 경계면과 애노드로부터의 합판 중간 영역으로의 상당히 많은 양의 전하 이동은 합판의 중간 부분에서 전계(electric field)의 강도를 상당하게 강화시키게 된다. 

  Figure 4(b)는 노쇠화된 오일과 오일을 머금은 합판 샘플의 공간 전하 분배의 소멸과정을 보여준다. 노쇠화된 오일과 오일을 머금은 합판의 더 높은 전도성으로 인해서 전하 밀도는 매우 빠르게 감소한다. 그리고 5분이 경과한 시점에는 매우 적은 양의 공간 전하만이 남게 되는 반면 신선한 오일과-오일을 머금은 합판에서는 180분 동안 눈에 띄는 감소는 나타나지 않는다. 이러한 현상은 노쇠화된 오일-합판에서의 전계는 신선한 오일-합판 경우와 비교에서 매우 빠르게 감소한다는 것이다.

  Figure 5(a)는 노쇠화된 오일과 오일을 함유한 합판이 20kV/mm의 전기적 응력이 가해졌을 때의 공간 전하 밀도를 보여준다. Figure 4(a)와 비교하였을 때, 20kV/mm 전계 강도에서 steady-state의 간극성 전하 밀도는 4C/m3이며 12kV/mm가 3C/m3이므로 이보다 더 높다. 또한, decay 시간 30초 지점에서 12kV/mm의 전계강도에서 2C/m3와 비교하였을 때 20kV/mm에서의 공간 전하 주입은 3C/m3의 값을 가진다. 이러한 현상이 설명해 주는 점은, 더 높은 전계 강도는 많은 양의 전하 주입을 야기할 수 있으며 또한 경계성 공간 전하 축적의 결과를 가져온다. Figure 5(a)와 Figure 3(a)를 비교하였을 때, 두 간극성 전하와 애노드로부터 주입된 전하는 초기에 매우 빠르게 포화상태에 도달하게 된다. 이러한 현상은 Maxwell-Wanger 이론에 의해서 설명이 가능하다. 오일과 합판은 직렬로 연결된 캐패시터와 저항처럼 여겨질 수 있다. 이러한 시간 상수는 다음의 수식에 의해서 계산된다.

Table 1로부터의 값들을 기본으로 한 결과 값들은 다음과 같다.

t(신선한 오일)=325초

t(노쇠화된 오일)=3.6초

이 값들이 보여주는 점은 노쇠화된 오일과 노쇠화된 오일을 머금은 합판이 신선한 오일과 신선한 오일을 머금은 합판에 비해 훨씬 더 빠르게 방전됨을 보여준다. 더욱이, Figure 5(a)와 Figure 2(a)를 비교하였을 때, 전하밀도는 증가된 전계 강도와 노쇠 정도에 따라 더 높게 나타난다. 기본 캐패시터 수식은 다음과 같다.

Q=C*U

노쇠화된 오일의 증가된 유전율(permittivity)로 인해, 공간 전하 밀도는 반드시 캐패시터의 유전율과 적용된 전압값에 비례적이어야 한다. Figure 5(b)는 decay 과정 동안 노쇠화된 오일과 오일을 머금은 합판의 전하 밀도를 보여주며 Figure 4(b)와 비슷한 패턴을 나타낸다. 

4. Electric Field Simulation

4.1 Simulation Preparation

시뮬레이션은 COMSOL 소프트웨어를 통해 실행되었다. 이 시뮬레이션에서 구현된 모델은 오일과 합판 두 개의 레이어로 구성되었다. 절연체의 구조는 Table 1을 토대로 세팅되었다. 컨버터 트랜스포에서의 전계가 가해졌을 때의 극성 역전 현상의 관한 실제적 동작을 시뮬레이션하기 위해 구현하기 위해 전압 프로필은 Figure 6처럼 시뮬레이션되었다. 모델의 자세한 내용은 Figure 7에 나타내어져 있다.

4.2 Maxwell-Wanger Theory

Maxwell-Wanger 이론에 의하면, Figure 7에서 처럼 동위 회로와 관련해서 오일과 합판은 병렬로 연결된 캐패시터와 저항으로 여겨질 수 있다. 이를 통해, 오일과 오일을 머금은 합판에서의 전계(electric field)에 대하여 분석 가능한 해결방안을 얻어 낼 가능성이 존재한다. 라플라스 방정식으로부터, 합판과 오일의 전압과 전계는 다음의 수식들을 통해 계산 가능하다.

(U: 적용된 전압, R1과 R2: 합판과 오일의 저항 값, C1과 C2: 합판과 오일의 캐패시터 값, t: 시간 상수)

트랜지언트 상태(transient state)에 관해서의 수식은

Table 2는 Table 1의 값을 위의 수식에 대입한 후 합판과 오일의 전압과 전계의 값을 나타낸 것이다. COMSOL 소프트웨어에 관련 값들을 세팅한 후에는 오일과 합판 내에서의 전계 분포도는 시뮬레이션을 통해 얻어질 수 있다. Figure 8, 9 그리고 14(a)는 세 번의 구체적인 시간대에서의 오일과 합판의 전계 분포도를 나타낸다.

4.3 Methodology for Adding the Space Charge in COMSOL Simulation

  순 공간 전하를 오일과 합판에 주입을 목적으로, 공간 전하의 결과는 참고 Calibration 전하 밀도를 전극의 캐패시터 전하의 제거를 위해 빼야 한다. Figure 10은 전계 12kV/mm에 가해졌을 때 신선한 오일과 오일을 머금은 합판의 참고 Calibration 공간 전하 밀도와 180분에서의 전하 밀도를 나타낸 것이다. 이러한 공간 전하를 오일과 합판에 주입하기 위해서 오일과 합판은 15개의 레이어로 나눠진다. 측정된 공간 전하를 오일과 합판으로 5개 그리고 10개의 부분으로 각각 나눈 후에, 공간 전하는 관련된 레이어에 각각 추가될 수 있다. 오일에서 움직임이 가능한 전하는 표류 할 수 있으며 경계면에 축적될 가능성이 있다. Figure 10이 보여주는 점은 오랜 기간 동안의 전압의 적용 이후에 음극(-) 간극성 전하(negative interfacial charge)가 합판에 추가적으로 주입이 될 수 있다는 점이며 이로 인해 합판 내의 전계의 왜곡이 강화될 수 있다. 추가적으로, 오일 내에서 움직임 가능한 전하의 이주는 Figure 10에서 처럼 캐소드 부근의 전하 소멸을 이끌 수 있다. 이러한 현상은 음극(-) 간극성 전하에 기여하게 되고 캐소드 부근에 양극(+) 성 전하를 유도하며 전하 중성화를 가져온다. 공간 전하 밀도 vs 시간의 관한 내용은 Matlab을 통해 진행될 수 있다. 각각의 레이어는 Figure 11에 표시되었으며 다음의 수식을 이용했다. 

따라서 15개의 레이에의 관해서 15개의 평균 점이 존재한다. Figure 12에서의 시간은 0초부터 108000초(3시간). 각각의 레이어의 평균 전하 밀도 vs 시간은 Matlab의 curve fitting function을 통해 시뮬레이션될 수 있다. 그러므로, 15개 레이어의 전하 밀도 vs 시간은 총 15개의 특징의 영향을 받는다.  예를 들면, 초반부의 공간 전하 밀도와 시간 사이의 관계는 Figure 12에 표시되었다.  관측 이후에는, 공간 전하와 시간의 관계는 exponential 함수를 이용하여 시뮬레이션되면 Table 3에 정리되었다. Table 3에는 2개의 exponential 함수들이 전압 적용 과정을 위해 사용되었으며 이는 절연체 내부의 물리적 화학적 결함으로부터 깊은 트랩과 낮은 트랩에 기여하게 된다. 하지만, decay 과정에서는 오직 한 개의 함수만이 사용되며 오직 얕은 트랩 공간 전하가 transient 극성 역전 시간 때문에 방출될 수 있다. 따라서, 공간 전하 밀도 vs 시간의 다양한 트렌드는 이러한 함수를 COMSOL에 입력한 후에 시뮬레이션될 수 있다. 정전기적 물리학 모듈이 시간 의족 전 전계의 분석을 위해 선정되었다. 또한 모델은 오일과 합판으로 구성되며 유전율(permittivity)은 Table 1에 맞춰서 세팅된다. 전압 프로필은 Figure 6에 나타난 것처럼 시뮬레이션이 구현된다. 처음 부분의 합판의 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있는 점은 두 개의 exponential 함수는 거의 공간 전하 밀도 vs 시간을 반영한다는 점이다. 유사한 방법을 통해, 공간 전하 밀도 vs 시간은 오일과 합판의 15개의 레이어 모두 적용된다. 내사 법(interpolation) 후에는, COMSOL에서의 공간 전하의 전계(electric field)는 푸아송 방정식을 기초로 계산된다.

E=

전하 형성과 소멸의 복잡한 물리적 과정 때문에 공간 전하 밀도와 시간의 관해서 정확한 이유를 설명한 수식을 형성하는 것은 매우 어렵다. 따라서 COMSOL에서 시뮬레이션을 단순화하기 위해서, 대략적인 수식을 통해 실험 결과로부터 얻어진 공간 전하 밀도 vs 시간의 다양한 트렌드를 시뮬레이션하는 것이 필요하다. 결론적으로, 극성 역전 동안 전계에서 공간 전하 역학의 효과는 완전하게 접근 가능하며 이러한 점은 더 복잡한 오일 그리고 오일을 머금은 합판 구조를 이해함에 있어서 도움이 될 수 있다. 

4.4 Infuluence of Space Charge

Maxwell-Wanger 이론에 의하면, 

여기서 극성(polarity)은 절연물 질의 유전율(permittivity)과 전도성(conductivity)에 의해서 결정된다. Table 1의 값들을 이용하면 경계면에 축적된 음극(-) 성 전하의 양을 위의 수식을 이용하여 계산할 수 있다. 그러나, 실험적 결과들을 조사할 때 경계면에서 측정된 전하의 극성은 Maxwell-Wanger Theory를 따르는 것을 쉽게 발견할 수 있지만 강도(magnitude)는 이 이론을 따르지 않는다. 오직 순 전하만을 PEA 측정 방식을 통해서 고려할 때, 이 순 전하(net charge)는 다음 두 내용의 조합이라고 고려할 수 있다. 즉, 그 첫 번째는 오일과 합판 사이의 서로 다른 유전율과 전도성으로 인한 간극성 공간 전하. 그리고 두 번째로는 합판의 표면 상태이다. 오일과 오일을 머금은 합판의 전계 분배 시스템은 순수하게 전하와 전하의 분배로 만으로 결정된다. COMSOL 환경에서는, 측정된 전하와 전하의 변수들이 시간과 함께 사용될 때, 전계의 계산은 두 레이어의 차이를 고려하지 않고 계산할 수 있다.

5. Simulation Results and Discussions

5.1 Fresh Oil and Oil-impregnated Pressboard under 12kV/mm

Figure 4(a)는 시간이 t=10799초일 때 전계 12kV/mm에서의 신선한 오일과 오일을 함유한 합판의 전계(electric field) 시뮬레이션 결과이다. Steady-state 일 때, 합판의 전계는 오일보다 높다. 그 이유는, steady-state에서 전계는 저항성 전계 분배를 만족시키기 때문이다. 그러므로, 합판의 전계는 오일과 비교해서 더 높으며 그 이유는 합판의 더 높은 저항성 때문이다. Figure 14(b)는 공간 전하를 추가한 후에 시간이 t=10799초일 때 오일과 오일을 머금은 합판에서의 전계이다. 뚜렷하게 보이듯이 평균적인 전계 12kV/mm에 비하면 합판에서 전계의 강도가 강화된 모습을 발견할 수 있다. 두 전극으로부터의 호모 전하 주입과 합판으로의 이주는 Figure 2(a)에 나타나 있으며 이것은 합판 내의 전계를 강화시킬 수 있다. 그러나 캐소드로부터 주입된 전하는 적용된 전계의 영향 아래, 경계면으로 움직이며 그곳에 축적되게 된다. 그리고, 이러한 현상은 오일 내에서 전계 강도의 감소를 가져온다. 

Figure 15는 HVDC 전압이 합판에 적용된 후에 모습을 그린 것이다. 중간 부분의 전계는 호모 전하에 의해 일어나며 적용된 전계와 같은 방향성을 가진다. 그러므로, 중간 부분의 전계의 강도는 강화된다. 그동안에, 애노드 부근과 경계면에서의 전계(electric field)의 변화는 두 가지 방식으로 설명될 수 있다. Figure 15에서 보이듯이, 애노드 부근과 경계면의 호모 전하에 의한 전계는 적용된 전계를 견뎌 낼 수 있다.  더욱이, 두 전극 부근의 호모 전하는 반대 극성의 전하를 전극에서 유도하며 이것은 애노드와 경계면 부근의 전계를 약화시킨다. Figure 14(b)와 Figure 14(a)를 비교하면, 공간 전하를 추가한 후 합판의 최대 전계 값은 10799초 steady-state에서 15.1kV/mm의 값을 가지는 반면, Maxwell-Wanger 이론으로부터 계산된 최대 전계 값은 17.6kV/mm를 가진다. 즉, 공간 전하를 추가한 후, 합판의 최대 전계 값은 Maxwell-Wanger 이론의 약 86%의 값을 가진다.

Figure 16(a)는 신선한 오일과 오일을 함유한 합판이 -12kV/mm에서 60초 후 극성 역전을 겪고 나서의 전계 분배 모습이다. 극성을 역전시킨 후에는, transient 전계는 capacitive 분배를 만족시킨다. 위에서 언급된 수식들로부터 전계를 계산하면, 합판에서의 전계는 오일의 캐패시터 값에 비례한다. 따라서, 합판의 전계는 오일의 전계 값보다 훨씬 낮다. 그 이유는 오일의 유전율(permittivity)이 합판보다 낮기 때문이다. Figure 13(a)를 참고하면, 오일과 비교해서 합판에서 전계 값은 steady-state에서 더 높은 값을 가지고 transient state에서 낮은 값을 가진다. 

  Figure 16(b)는 60초 후 극성 역전과 공간 전하의 추가 이후의 오일과 오일을 함유한 합판의 전계의 분배 모습을 나타낸 것이다. 그래프를 보게 오목한 부분의 전계 분배 모습이 합판에서 일어나는 것을 알 수 있다. 그리고 애노드 부근과 경계면에서 전계의 강도가 증가하게 된다. 이러한 현상은 2가지 방식으로 설명될 수 있는데 이전의 내용에서의 호모 전하 주입의 모습은 극성 역전 동작 이후 헤테로 전하로 볼 수 있다. 그러므로, 애노드와 경계면 부근의 계는 적용된 전계를 추가한 헤테로 전하에 의해 발생한다(Figure 17). 그리고, 헤테로 전하는 전극과 비교하여 같은 극성의 전하를 유도할 수 있다. 즉, 이것은 캐소드와 오일과 합판 경계면의 전계를 강화시키게 된다. 오일과 관련해서, 오일 내에서의 전계 강도의 강화는 공간 전하 존재에 기여하게 된다. 이전의 캐소드의 전하 주입은 극성 역전 후에 호모 전하로 바뀔 수 있으며 오일의 전계 강도의 강화를 야기한다.

  Table 4는 공간 전하 추가 후 신선한 오일을 머금은 합판에서의 전계를 나타내며 여러 극성 역전 시간에 관해서 Mawwell-Wanger 이론이 사용되었다. 이 이론을 적용한 합판에서의 전계는 점진적으로 증가하는 반면 공간 전하를 고려하는 전계는 시간이 지날수록 감소한다. 전하 밀도의 양은 천천히 1.5C/m3부터 1C/m3까지 2분 안에 천천히 감소하며 이는 Figure 2(b)에 나타나 있다. 그러므로, 이 작은 양의 전하밀도는 상당한 양의 전계 왜곡을 합판 내에서 생산할 수 없다. 전계 강화는 다음과 같이 수식으로 나타낼 수 있다.

Emax1: Electric field of pressboard after adding the space charge

Emax2: Electric field in the pressboard calculated from Maxwell-Wanger Theory

Table 4에서 보이는 것처럼 전계 강화 f의 값은 408.3%에서 124.2%까지 감소한다. 공간 전하에 의해서 일어나는 전계는 뚜렷한 변화를 보이지 않기 때문에, 합판에서 steady-state 전계 Emax2는 Figure 14(a)에서 처럼 17.6kV/mm의 값을 가진다. 이 값은 120초 동안의 decay 과정을 겪은 Emax1=13.9kV/mm의 값보다 높다. 그러므로, 신선한 오일과 오일을 함유한 합판을 위한 극성 역전 작동 시간을 줄이는 것은 가능하다.

5.2 Aged Oil and Oil-Impregnated Pressboard under 12 kV/mm

Table 5는 여러 극성 역전 시간에 대하여 공간 전하를 고려했을 때의 Maxwell-Wanger 이론을 이용한 노쇠화된 오일과 오일을 함유한 합판의 전계의 값을 나타낸 것이다. Table 4와 비교하였을 때, Table 5에서 전계 Emax1의 값은 매우 빠르게 감소한다. 그 이유는, 전하 밀도의 양은 Figure 4(b)에서 처럼 2C/m3부터 1C/m3까지 2분 안에 빠르게 감소한다. 노쇠화된 오일을 함유한 합판에서의 전계 강화 범위는 88.6%부터 16.5%까지 변하며 이는 신선한 오일을 머금은 합판에서의 전계 강화 범위보다 작다. 그러나, 공간 전하를 고려한 노쇠화된 오일을 함유한 합판의 전계는 신선한 오일을 함유한 합판보다 더 높은 값을 가진다. 극성 역전 90초 후에는 노쇠한 오일을 함유한 합판의 steady sate Maxwell-Wanger 전계는 15.4kV/mm이며 이 값은 Emax1=-13.kV/mm보다 높다. 그러므로, 극성 역전 동작 시간은 안전하게 90초까지 노쇠한 오일과 오일을 함유한 합판을 위해 줄일 수 있다. 

5.3 Fresh Oil and Oil-Impregnated Pressboard under 20kV/mm

Table 6는 20kV/mm의 전계 값과 여러 극성 역전 시간에 대하여 공간 전하를 고려했을 때의 Maxwell-Wanger 이론을 이용한 신선한 오일과 오일을 함유한 합판의 전계의 값을 나타낸 것이다. 20kV/mm의 전계 조건 하에 공간 전하의 추가 후 전계 강화는 평균 전계 값과 비교하여 약 5.3kV/mm의 값을 가지며 이는 12kV/mm 조건하의 약 6.3kV/mm의 값보다 약간 낮은 값이다. 비록 20kV/mm의 전계가 신선한 오일과 오일을 함유한 합판에 적용되었더라도, 양극(+) 성 전하 주입은 약 1.5C/m3의 값을 Figure 2(b), 3(b)와 비교해서 두 신선한 샘플들에서 가진다. 이러한 현상은 아마도 전하 주입은 신선한 오일과 오일을 함유한 합판의 낮은 전계 값에서 포화되었기 때문일 수도 있다. Maxwell-Wanger 이론을 사용한 신선한 오일을 함유한 합판의 최대 전계 값 Emax2은 steady-state 10799초 20kV/mm 조건하에서 29.2kV/mm의 값을 가진다. 따라서, 극성 역전 동작 시간은 Emax1(=-25.3kV in Table 6)의 값까지 줄어들 수 있다. 

5.4 Aged Oil and Oil-Impgregnated Pressboard under 20kV/mm

Table 7는 20kV/mm의 전계 값과 여러 극성 역전 시간에 대하여 공간 전하를 고려했을 때의 Maxwell-Wanger 이론을 이용한 노쇠한 오일과 오일을 함유한 합판의 전계의 값을 나타낸 것이다. 공간 전하를 추가한 최대 전계 강도(electric field enhancement)는 평균 전계 값에 비교하여 10.4kV/mm 정도의 값을 가진다. 이 값은 12kV/mm조건에서 7.4kV/mm를 가지는 경우보다 높은 값이다. 더 높은 전계의 값은 더 많은 전하의 주입을 이끌어 낸다. 이러한 경우는 더 높은 전계 조건하에서, 노쇠화된 오일과 오일을 함유한 합판에서 전하 트랩(charge trapping)과 관련해서 효과가 덜 하다.

Table 6와 Table 7으로부터 확인 가능한 점은, 전계 Emax1에서의 감소 비율은 신선한 샘플과 비교하였을 때 노쇠한 오일을 머금은 합판에서 더 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있다. 노쇠한 오일을 머금은 합판의 더 높은 전도성으로 인해서 오일과 오일을 머금은 합판에서의 전하는 더 높은 이주(migration) 비율을 가지며 그 결과로 2분 동안 4C/m3에서 1C/m3로 빠른 전하 감소를 가져온다 (Figure 5b). 이러한 현상은 전계의 빠른 감소를 이끌어낸다. 노쇠한 오일을 머금은 합판에 관련해서 Steady-state Maxwell-Wanger 전계 Emax2는 20kV/mm 조건에서 25.7kV/mm의 전계 값을 가진다. 따라서, Table 7에 따르면 노쇠한 오일을 머금은 합판의 극성 역전 작동 시간은 20kV/mm 조건에서 60초를 초과해서는 안된다.

6. Conclusion

이 페이퍼에서는, 오일 성분의 효과와 오일과 오일을 머금한 합판 절연 시스템의 공간 전하의 따른 다른 전계 특성과 관련해서 연구되었다. 공간 전하의 존재로 인해서, 다양한 극성 역전 작동 시간 후에 일어나는 전계 왜곡현상에 대해서는 COMSOL 소프트웨어를 이용하여 분석되었다. 위의 결과들을 요약하면 다음과 같다.

(1) 오일과 오일을 머금은 합판 절연체는 반드시 측정된 공간 전하를 고려하여 디자인 되야 하며 기존의 Maxwell-Wanger 이론을 사용하는 것은 약간 무리가 있다. 극성 역전 작동 후에는, 측정된 공간 전하를 이용하여 계산된 전계와 Maxwell-wanger 이론의 차이는 신선한 샘플에서 더 높은 반면, 이러한 차이는 노쇠한 샘플에 관련해서는 더 작다.

(2) 노쇠화된 오일 그리고 오일을 머금은 합판의 더 높은 전도성으로 인해, 오일/페이퍼 경계면 그리고 전극으로부터 전하 이주는 오일을 함유한 합판의 중간까지 이주함에 있어서 더 용이해지며 이 중간 부분은 새로운 전극으로 고려될 수 있으며 결과적으로 전계의 부분적 강화를 이끌어 낸다. 또한 오일에서 이동 가능한 전하는 경계면(interface)에서 공간 전하 축적을 야기하며 오일 쪽 전극의 전하 소멸 현상을 만든다.

(3) 노쇠화된 오일과 오일을 머금은 합판과 관련해서, 더 강하게 적용된 전계(electric field)는 매우 많은 양의 전하 주입(charge injection)을 유도하게 되며 오일을 머금은 합판내에서 더 심한 전계 왜곡(electric field distortion)을 이끌어 낸다. 신선한 오일과 오일을 머금은 합판을 고려하였을 때는, 더 강하게 적용된 전계는 뚜렷한 전하 주입 현상을 이끌어내지 못한다. 

(4) 극성 역전 동작 후에는, 오일을 머금은 합판내에서의 호모 전하 주입은 헤테로 전하처럼 생각될 수 있으며 이는 전극과 오일과 합판의 경계면에서의 전계를 부분적으로 강화시킨다.

(5) 노쇠화된 오일과 오일을 머금은 합판의 경우, 평균 전계 값에 비하여 더 높은 전계 왜곡 현상을 만든다. 전계의 감소는 장시간의 극성 역전 후에 더 높다. 더욱이, 신선한 오일과 오일을 머금은 합판에 관해서는, 전계 왜곡 현상이 더 적으며 전계의 감소 현상은 매우 느리다.

(6) 공간 전하 주입 후 전계와 Maxwell-Wanger 이론으로부터 계산된 steady-state 전계(elctric field)를 비교로 알 수 있는 점은, 지금의 2분의 극성 역전 시간은 신선한 샘플 노쇠화된 샘플 둘 다에서 안전하게 줄일 수 있다.

출처

[1] B. Huang, M. Hao, J. Hao, J. Fu, Q. Wang, and G. Chen, “Space Charge Characteristics in Oil and Oil- impregnated Pressboard and Electric Field Distortion after Polarity Reversal,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 23, no. 2, pp. 881–891, 2016.

Abstract

  HVDC 조건하에서, 오일-페이퍼 내부의 공간 전하의 형성은 컨버터 트랜스포머에서의 전계 분포 (electric field distribution)에 영향을 끼칠 수 있다. 즉, 온도, 수분, 전계(electric field), 오일-페이퍼 두께 비율, 멀티 레이 어등 공간 전하 특성에 영향을 미치는 요인들은 분석하는 것은 매우 중요한 과정이다. 이 연구 페이퍼는 멀티 레이어 (oil+paper+oil+paper)와 샘플의 두께 영향으로 인한 공간 전하 분포에 관해서 집중하고 있다. 이를 측정하기 위해 Pulsed electroacoustic method (PEA) 측정법이 사용되었다. 이 연구를 통해 알 수 있는 점은 오일의 두께 증가를 통해 전하 주입을 용이하게 할 수 있다는 점이다. 하지만, 합판(pressboard) 두께의 증가는 반대로 전하 주입을 억제할 수 있다. 또 이 페이퍼에서 보이듯이, 동일한 오일 페이퍼 두께 비율은, 동일한 10kV/mm 전계 조건하에 오일-페이퍼 샘플 내에서 유사한 공간 전하 주입 현상을 이끌어 낼 수 있다. 즉, 동일한 오일 페이퍼 두께 비율의 근거해서, 더 얇은 두께의 샘플로부터 측정된 공간 전하는 후에 더 두꺼운 샘플에 적용되고 이를 통해 전계의 분포를 추정할 수 있다. 이러한 현상을 확인하기 위해 COMSOL software가 사용되며 PEA 방식으로 측정할 수 없는 부분을 시뮬레이션할 수 있다.

Introduction

  HVDC 파워 트랜스미션 시스템에서는, 안정적이고 믿을만한 컨버터 트랜스포머의 작동이 매우 중요한 것으로 여겨진다. 컨버터 트랜스포머의 주요 절연 물질은 오일과 합판(Pressboard)이다.  HVDC의 조건하에서는 컨버터 트랜스포머의 특징으로 인해 공간 전하의 형성을 야기시킬 수 있으며 이러한 현상은 절연 물질 성능의 영향을 미치게 된다. 따라서 온도, 습도, 전계, 노쇠화 기간, 오일-페이퍼 두께 비율, 그리고 멀티 레이어 구조등 공간 전하 형성의 영향을 주는 요인들을 분석하는 것은 매우 중요하다.

  이미 여러 연구자들이 오일-페이퍼 시스템에서의 공간 전하 분포 요인의 관한 여러 연구들을 진행하여왔다. 공간 전하 특성과 관련한 오일+오일-합판 구조의 두 레이어는 전극 주변과 오일 사이의 존재하는 전하들의 극성이 같음을 발견되었다. 또한, 절연 샘플의 열적 노쇠화를 진행한 후 에는, 수분 평형을 맞추기 위해 약 4일 정도의 대기 시간이 요구된다.

  전계 시뮬레이션에 있어서 3mm 정도의 두꺼운 합판은 공간 전하 직접적으로 측정하는데 많은 어려움이 있다. 그 이유는 매우 큰 acoustic wave attenuation과 샘플에서의 acoustic wave transmission 확산 때문이다. 따라서, 얇은 오일-페이퍼로부터의 결과를 이용하여 더 두꺼운 샘플들까지 측정 방법을 확장시키는 일이 필요하다. 이를 통해 컨버터 트랜스 포머에서의 전계 분포 (electric field distribution)가 측정될 수 있다.

  위의 내용과 관련해서 공간 전하의 측정을 더욱더 정확하게 하기 위해서는, 오일과 합판(pressboard)의 다양한 두께를 선정하여 실험하는 것이 필요하다. 더욱이, 오일-페이퍼 절연 멀티 레이어 내에서의 공간 전하가 측정되었으며 "오일-페이퍼-오일-페이퍼" 같은 멀티레이어 구조의 이해를 돕는다.

Experiment Methodology

A. Dielectric Spectroscopy

  절연체 반응 Solarton 1296 절연체 인터페이스와 모델 1260A impedance/gain-phase analyzer에 의해 측정되었다. 실험적 주파수는 1Hz부터 100Hz까지로 준비되었으며 전압 강도는 3V (rms)로 맞춰져 있다. 샘플의 두께는 3mm 그리고 5mm이다.

B. Space Charge

  Pressboard는 Taizhou Weidmann HV Insulation 회사로부터 제공되었으며 오일은 미네랄 오일 (Shell ZX-I S3)가 사용되었다. 오일과 합판의 질량 비율은 10:1의 비율이다. 샘플이 준비된 후에는 상온에서 4일의 대기시간을 통해 오일과 합판의 수분 평형을 맞추게 된다. 오일-페이퍼의 다른 두께 비율 (2:1~1:2)의 테스트를 위한 샘플의 두께들은 Table 1에서 나타내어졌다.

  실험에서 사용된 펄스 생성기는 800V의 강도를 가지고 있으며 1kHz의 반복 비율 그리고 5ns의 펄스 넓이를 가진다. 외부 DC field는 10kV/mm가 상온에서 샘플에 적용되었다. 오일의 수분 함량은 약 7ppm이다 (PPM=parts per million, ppm값을 10000으로 나누면 %(백분율)로 단위를 변환할 수 있다. 예) 대기 중의 이산화탄소 농도 395ppm = 395/1000000*100 = 0.0395%).

샘플에 가해지는 전압은 2 시간 동안 지속된 후 전원을 차단한다. 그리고 decay 과정을 한 시간 동안 진행한다.

Experimental Result

A. Dielectric Spectroscopy

  미네랄 오일-프레스 보드의 유전율(permittivity)은 각각 2.97(for 0.3mm paper), 3.2(for 0.5mm paper)이다. 그리고, 50Hz에서의 미네랄 오일의 유전율은 다양한 두께의 관해서 약 2.3의 값을 가진다. 또한 합판의 두께를 증가할수록, 합판의 유전율 또한 같이 증가한다. 이것은 아마도 오일과 합판의 다른 유전율로 인해 일어나는 현상으로 여겨진다. 더 두꺼운 합판이 더 적은 오일 비율을 포함한다고 하였을 때 유전율은 약간 더 높아지게 된다.

B. Space Charge for Multilayers

  이전의 연구들은 싱글 레이어(페이퍼), 더블 레이어(오일+페이퍼), 그리고 트리플 레이어(페이퍼+오일+페이퍼)에서의 공간 전하의 프로필을 측정하였다. 위의 내용들의 측정 내용은 다름의 그림에서 대략적으로 확인 가능하다.

Figure 1로부터 보이는 점은, 전계와 함께하는 페이퍼부터 오일까지 간극 사이의 전하 밀도는 음극성(-)인 반면 오일부터 페이퍼까지는 양극성(+)이다. 이러한 현상은 Maxwell-Wanger 이론에 의해 설명이 가능하다. 간극성 전하 밀도의 극성은 전도성(conductivity)과 두 다른 물질의 절연 상수(dielectric constant)에 의존적이다. 그러나, 간극성 전하 밀도(interfacial charge density)의 양은 Maxwell-wanger 이론과 비교하면 같지 않다. 따라서, 공간 전하와 관련해서 전계 (electric field)는 페이퍼 안에서 강화될 수 있는 반면 오일에서는 감소하게 된다. 

  Figure 2는 4개의 레이어(오일+페이퍼+오일+페이퍼)의 공간 전하 분포를 보여준다. 위의 그림은 공간 전하 분포도가 멀티레이어 관련해서 Maxwell-Wanger 이론을 따른다는 것을 확인시켜준다. 즉, 공간 전하의 프로필은 더 복잡한 오일-페이퍼 멀티레이어까지 확장될 수 있으며 공간 전하의 극성(polarity) 또한 maxwell-wanger theory를 충족시킨다.

C. Space Charge for Different Oil Paper Thickness Ratios

  얇은 오일, 오일-합판부터 두꺼운 샘플들까지의 전하 밀도를 고려하기 위해서, 0.3mm 그리고 0.5mm의 합판들이 5가지 다른 두께의 오일과의 조합으로 Table 1에서 보이는 바와 같이 선정되었다. 평균 외부 전계 값은 10kV/mm로 유지된다. 많은 수의 실험이 수행됨을 고려해서, 0.5mm 오일과 0.5mm의 합판만이 예시로 제시된다. 

  Figure 3는 오일과 합판 샘플로에서 양쪽 전극으로부터의 호모 전하 주입이 있다는 것을 나타낸다. 이것은 양극성(+) 전하가 애노드 부근에 축적되는 것을 야기시킬 수 있으며 음극성(-) 전하는 오일로 주입 두고 간극(interface)에 축적되게 된다. 음극 간극성(the negative interfacial charge) 전하 밀도는 또한 몇몇의 양극성(+) 전하들 캐소드 부근에 유도하게 되며, 결과적으로 전하 중성화를 고려하였을 때 음극성 전하의 감소를 야기한다. 음극 간극성 전하(the negative interfacial charge)의 이러한 행동에는 두 가지 이유가 존재한다. 그 첫 번째는, 음극 간극성 전하 밀도는 Maxwell-Wanger theory에 의해 설명될 수 있으며 그리고 두 번째로는, 오일의 더 큰 전도성을 고려할 때, 음극성 전하는 더 쉽게 이동하고 간극(interface)에 축적된다. 

  Figure 3(b)는 멀티 레이어 오일-페이퍼에서 공간 전하가 줄어지는 과정을 보여준다. 애노드 부근의 양극성(+) 전하는 애노드로부터 주입된 전하와 결합된 음극 간극성 전하(negative interfacial charge)에 의해 유도된다. 캐소드 양극성 전하는 주로 음극 간극성 전하의 의해 유발된다. 공간 전하의 소멸 속도는 대체적으로 매우 느리다.

Analysis

오일-페이퍼 두께 비율 0.5mm oil, 0.5mm paper에 의한 오일-페이퍼 내에서의 공간 전하 특성을 추가적으로 분석하기 위해, 공간 전하 분포 결과 값들이 예시로 선정되었다.

Figure 4(a)는 0.5mm 오일과 0.5mm 합판이 10km/mm 전계(electric field)가 적용된 모습을 모여준다. 샘플 내에서 실제 공간 전하를  얻어내기 위해서는, 120분의 공간 전하에서 ref 0초의 공간 전하를 빼야 한다. Figure 4(b)는 두 값을 뺀 후의 모습을 보여준다. 

다양한 오일-페이퍼 두께 비율의 공간 전하 측정을 위하여, 9개의 포인트가 Figure 5에 정리되었다. a C/m3 , b C/m3 그리고 c C/m3는 캐소드, interface, 그리고 애노드에서의 최대 전하 밀도이다. d C/m3 , e C/m3 and f C/m3는 캐소드, interface, 그리고 애노드 에서의 전하밀도를 더한 값이다.  g um 은 전하 주입으로 인한 peak 애노드 움직임의 거리이다. 이 값들은 Table 2에 정리되어 있다. 

  이를 통해 3가지의 특징적인 경향이 발견되는데 그 첫 번째는, 오일 두께의 증가는 더 많은 양의 음극 간극성 공간 전하의 밀도 (the negative interfacial space charge)를 야기시킨다. 이러한 경향은 Maxwell-Wanger 이론을 충족한다. 두 번째로는, 양극성(+) 전하 밀도는 오일의 두께와 함께 증가한다. 이러한 현상은 더 높은 간극성 전하 밀도에 의해 일어나며 이로 인해 합판의 전계(electric field)가 강화되게 되고 더 많은 양극성(+) 전하의 주입을 야기한다. 세 번째로는, g um 은 더 많은 양극성 전하의 주입이 일어났을 때 애노드의 움직임 거리 g um 은 더 길어지게 된다. 

  대조적으로, 합판의 두께를 증가하면 두 가지 상반되는 경향을 공간 전하 분포를 통해 확인할 수 있다. 즉, 더 적은 음극 간극성 전하 밀도와 애노드로부터의 더 적은 전하 주입이 이에 해당한다. 이러한 두 상반된 경향은 위의 내용들로 설명이 가능하다. 하지만, 합판의 증가와 함께, 거리 애노드의 g um은 함께 증가한다. 이러한 현상은 더 많은 수의 트랩에 의해서 발생되며 더 두꺼운 샘플 내에 전하 밀도를 축적하기 위함이다.

  실험 결과가 보여주는 점은 합판-오일 두께 비율을 증가시킴으로써 샘플 내에서의 공간 전하 주입을 낮출 수 있게 해 주며 더욱이, 합판의 전계 감소를 이끌어 낼 수 있다. 하지만, 더 적은 음극(-) 성 전하 주입은 동일한 전계가 적용됨을 고려할 때 오일 내부의 전계의 강도를 강화시킬 수 있다. 그리고, 합판이나 오일의 두께를 각각 증가시킨다면, 공간 전하의 대한 이 두 상반된 경향은 다음과 같은 가정을 세울 수 있게 해 준다. 즉, 오일과 합판의 같은 비율이 동일한 전계가 적용되었을 때 샘플 내에서의 유사한 전하 주입을 이끌어 낼 수 있다는 점이다. 

  Table 2와 비교하였을 때,  a C/m3 , b C/m3 , c C/m3 for 0.3mm oil과 0.3mm pressboard 거의 0.5 mm oil과 0.5 mm pressboard처럼 유사하다. 더욱이 d C/m3와 e C/m3 합산 값은 -27.55 C/m3 (for 0.3mm oil and 0.3mm pressboard). 그리고 이 값은 -31.0.54C/m3 (for 0.5mm oil and 0.5mm pressboard)의 값과 비슷하다. 따라서, 합판의 최대 전계 값은 거의 오일과 합판의 같은 비율의 관해서 푸아송 방정식 (1)과 유사하다. 이를 통해 추론 가능한 것은 동일한 오일-페이퍼 비율 조건하에서 공간 전하 주입은 10kV/mm의 조건과 거의 유사하다. 그러나, 공간 전하의 특성은 아직 더 많은 연구가 필요하며 특히 더 높은 전계 강도 (예, 20kV/mm)에서의 연구가 이루어져야 한다. 

B. Electric field simulation using COMSOL software

  COMSOL 소프트웨어가 공간 전하에 의해서 발생하는 전계를 시뮬레이션하기 위해 선정되었다. 정전기적 물리학 또한 시간의 따른 전계 분포도의 측정을 위해 도입되었다. 동일한 외부 10kV/mm 전계의 적용을 위해, 60kV의 전압이 3 mm oil 그리고 3 mm의 합판에 적용되었다. 오일과 합판의 상대적 유전율은 각각 2.3과 3.2로 이전 실험 측정값을 따른다. 얇은 샘플부터 두꺼운 샘플까지의 공간 전하 이해를 보간을 위해, 동일한 오일과 페이퍼 두께 비율 (1:1) (0.5mm 오일, 0.5mm 합판)이 예시로 적용된다. 공간 전하를 뺀 결과는 Figure 4 (b)에 나타내 졌다. 0.5mm의 오일과 0.5mm의 페이퍼를 위해 실제로 얻어진 공간 전하는 10개의 레이어로 나눠지고 이는 Figure 5(a) 표시되었다.

  각각의 레이어에 관해서, 수식 (2)를 활용하는 것은 20개 레이어의 20개 평균 전하 밀도를 계산을 통해 알 수 있다. 더욱이, 0초부터 7200초에 해당하는 각각의 레이어는 (평균 전하 밀도 vs 시간) Matlab 소프트웨어에 또한 적용 가능하다. 각각의 레이어의 관해서, 전압이 적용된 후, 두 가지 exponential 함수는 공간 전하 vs 시간을 나타낼 수 있고 한 가지 exponential 함수는 decay 과정 동안 공간 전하 vs 시간을 나타낼 수 있다.

  각각의 레이어 전하 밀도 vs 시간을 나타내는 수식을 얻은 후에는, 이러한 수식들이 전하 보간(interpolation)을 위해 더 두꺼운 샘플들에 적용된다. 애노드, 캐소드, 간극 부분에 관해서는 공간 전하는 이전에 얇은 샘플처럼 보존된다. 하지만, 오일의 중간 부분 그리고 합판의 중간 부분에는 전하의 축적이 이루어지지 않는다. 따라서, 중간 부분은 어떠한 공간 전하 없이 확장되어야 한다. 

  오일을 예로 들면, 오일은 총 11개의 부분으로 나눠지고 이것은 캐소드 부근, 0.05mm 두께의 간극, 그리고 2.5mm의 큰 중간영역의 작은 5개의 레이어를 포함한다. 얻어진 커브 수식을 통해서 전하는 오직 작은 레이어를 위해서만 보간(interpolation)된고 중간 부분에 관해서는 전하가 보간 되지 않는다. 따라서, 측정된 공간 전하는 얇은 샘플로부터 두꺼운 샘플까지 확장될 수 있다. 

  Figure 5 (b)에서는, 간극(interface)을 향하는 캐소드와 애노드부터의 거리는 각각 3mm로 유지된다. 공간 전하 밀도의 보간 후에는, 전계 시뮬레이션은 다음 Figure 6과 같이 나타난다. 

  시뮬레이션 결과로부터 알 수 있는 점은, 합판에서의 최대 전계(the maximum electric field)는 13.2kV/mm (for 3mm oil and pressboard). 이 결과는 0.5mm oil and pressboard의 값(13.6kV/mm)과 매우 유사하다. 이 모델은 애노드 peak 움직임을 고려하지 않았다. 세워진 가정에 따르면, 애노드 peak은 페이퍼와 오일 두께 증가에 있어서 고정된 값이다. 

Conclusion

 1. 멀티 레이어 공간 전하 분포는 Maxwell-Wanger 이론을 충족하고 공간 전하의 극성은 페이퍼-오일에 관해서는 음극 성을 띄며 오일-페이퍼의 관해서는 양극성을 띤다 (외부 전계가 적용되었을 경우).

2. 오일의 두께 증가를 고려할 때, 간극성 공간 전하(the interfacial space charge), 양(+) 극성 전하 밀도와 peak 애노드 이동 거리는 더 높아진다. 그러니 합판의 두께의 증가는 공간 전하 특성과 관련해서 반대적 경향을 이끈다. 

3. 동일한 오일-페이퍼 비율하에, 공간 전하 주입은 10kV/mm의 조건과 거의 유사하다. 즉, 동일한 오일-페이퍼 두께 비율 조건하에서, 더 얇은 샘플로부터 얻어진 공간 전하는 더 두꺼운 샘플로 전계 시뮬레이션을 위해 확장될 수 있다.

출처

[1] B. Huangl, M. Haol, Z. Xul, G. Chenl, C. Science, and U. Kingdom, “Research on thickness ratio and multilayers effect on the oil and paper space charge distribution ’,” pp. 40–43, 2016.

Abstract

이 연구에서는 미네랄 오일과 합성 이스터 오일인 MIDEL 7131을 머금은 두 가지 다른 절연 페이퍼가 열적 노쇠화를 거친 후에 보여주는 공간 전하의 특성에 대해서 비교 분석된다. 후에 결과에서 보이듯이 노쇠화 과정과 후에 필요한 실험 사이에 몇 일간의 대기시간은 수분 평형을 위해 필요하다. 그러나, 열적 노쇠화가 가해지면 더 많은 전하(charges)들이 오일 페이퍼 샘플(oil-paper sample)로 주입되게 되며, 오일과 오일페이퍼의 전도성(conductivity) 증가는 전하 축적의 감소를 야기할 수 있다. 오일-페이퍼 샘플들의 최대 전계(Max. electric field) 왜곡 현상에 대해서는  MIDEL 오일-페이퍼의 특성이 미네랄 오일-페이퍼의 비해 더 뛰어나다.

Introduction

HVDC 트랜스미션 시스템에서 트랜스포머(변압기)는 매우 중요한 역할을 하고 있지만 그의 따른 몇 가지 문제점들 또한 제기되어 왔다. 오일-페이퍼(Oil-Paper insulation) 절연은 파워 트랜스포머에 많이 쓰이며 오일페이퍼 내부의 공간 전하의 주입과 축적은 부분적 전계의 왜곡현상을 야기하는 원인으로 고려되며 이러한 현상은 절연 강도의 성능을 저하시킨다. 미네랄 오일은 현재 가장 경제적인 액화 절연체로 고려되기 때문에 많이 사용되긴 하지만, 주변 환경오염의 가능성으로 인한 단점 또한 포함하고 있다. MIDEL 오일은 새로운 형태의 트랜스포머 오일이며 미네랄 오일과 비교해서 쉽게 분해되는 특성이 있다. 이론적으로는 MIDEL 오일의 친환경적인 특성은 미네랄 오일의 대체 가능한 물질로 고려될 수 있다. 

Experiment

A Test Samples

미네랄 오일로써는 shell ZX-I S4가 사용되었으며, 친환경적 오일로는 MIDEL 7131이 사용되었다. 절연 페이퍼의 두께는 0.5mm이다. 

B. Sample Preparation and ageing experiment

오일과 페이퍼의 무게 비중은 10:1 비율로 적용되었다. 실험 준비 완료 후 노쇠화 과정이 진행될 수 있다. 페이퍼와 1.5g의 구리를 가스가 비커에 담겨있는 제거된 오일에 담가 둔 후 진공 오븐에 넣어둔다. 그 후, 노쇠화 조건으로 130 ℃ 와 200 mPa로 맞춰둔다. 이전에 기록된 연구에 의하면, 130℃ 에서 30일 동안 노쇠화가 진행된다면, 오일-페이퍼의 절연 능력은 거의 수명에 도달하게 된다. 따라서 30일의 기간이 전체 노쇠화 진행 시간 조건으로 추가된다. 200 mPa은 오일 함유 조건이며 질소 내에서 완전히 진공상태이다).

C. Space Charge Test (공간 전하 측정)

다른 에이징(노쇠화) 상태의 샘플들을 진공 오븐에서 꺼내게 되면, 약 며칠간의 대기 시간이 필요한다. 그 이유는, 대기시간을 가짐으로써, 테스트를 진행하는 온도(상온)에서 오일과 페이퍼의 수분 평형(moisture equipment)을 맞추기 위함이다. Figure 1은 노쇠화 과정 후 대기시간에 따른 두 오일의 수분함량을 보여준다. 위의 그림에서 보이듯이, 미네랄 오일과 MIDEL 오일은 수분 평형을 이뤄내기 위해서는 몇 일간의 대기 시간이 필요하다는 것을 보여주며, 이러한 현상은 샘플들의 수분 함량이 오븐에서 꺼내진 후에도 계속 변하고 있음을 나타낸다. 즉, 노쇠화 과정과 이후의 실험 과정 사이의 며칠간의 대기시간이 존재하여야 하여야 실험 결과의 질을 높일 수 있다.

마지막으로, 오일-페이퍼 절연 샘플은 PEA (Pulsed electroacoustic) 방법을 통해 측정된다. 이 연구에서, 모든 샘플들은 상온에서 15kV/mm의 DC 전압이 가해지게 된다. 전압이 적용되는 동안 공간 전하 측정이 이루어지게 된다.

Experiment Results

A. Space Charge

전압이 적용된 후 미네랄 오일을 함유한 페이퍼의 전하 분포도는 Figure 2에서 보인다. Figure 2에서 볼 수 있듯이 호모 전하(homocharge)의 주입이 발생된 것을 볼 수 있으며 음(-) 전하는 캐소드에 그리고 양(+) 전하는 애노드에 축적됨을 확인할 수 있다. 스트레싱 시간(stressing time)을 연장하게 되면, 전극에서의 전하들은 샘플 쪽으로 이동하게 된다. 이러한 현상은 노쇠화 과정은 전극에서의 전하 밀도 축적의 아주 적은 영향을 끼침을 알 수 있다. 추가적으로 캐소드와 에노드에서의 전하 축적은 대칭적이지 않으며 이러한 현상은 절연체에서의 시그널 왜곡에 의해서 발생된다. Figure 2 (a), (b), (c)가 보여주듯이 저 강하게 노쇠화가 진행되면, 더 많은 전하들이 샘플로 주입되게 됨을 알 수 있다 그리고, 이러한 전하들은 샘플에 깊숙이 갇히게 된다. 마지막 샘플의 노쇠화 과정을 고려하였을 때, 조금 이상한 실험 결과 값이 측정되었는데, 이론적으로는  마지막 샘플에서 더 많은 전하의 주입이 이루어져야 하지만, Figure 2(d)의 결과는 전극 주변의 전하의 주입은 이전 샘플들보다 명확하지 않은 모습을 보여주고 있다. 또한, 매우 적은 양의 전하만이 샘플에 축적됨을 보여준다. 이러한 결과는 아마도 강하게 노쇠화된 샘플의 높은 전도성에 의해 나타난 듯하다. 참고로 높은 전도성이 존재할 때, 샘플에서의 전하의 이동성 또한 매우 높은 편이다. 따라서, 전하는 샘플 내부에서 쉽게 갇히게 되지 않게 되고 전하들은 샘플 내부에서 빠르게 이동하거나, 전극에 의해 중성화되게 된다.

전압이 적용된 후 MIDEL 오일을 함유한 페이퍼의 전하 분포도는 Figure 3에서 보인다. Figure 3에서 볼 수 있듯이 음(-) 전하는 캐소드에 그리고 양(+) 전하는 애노드에 축적됨을 확인할 수 있다. 스트레싱(stressing) 시간의 연장을 통해, 전극에서의 축전된 전하의 양이 점점 감소되는 것을 볼 수 있으며, 이것은 전하들이 샘플 쪽으로 이동함을 나타낸다. 전압이 이 적용된 순간에, 캐소드의 전하 밀도는 7.5 C/m3 (fresh sample), 6.5 C/m3 (5 days aged sample), 8 C/m3 (15 days aged sample), 7 C/m3 (30 days aged sample)의 값을 가지는 반면, 애노드에서의 전하 밀도는 2.5 C/m3 , 2.3 C/m3 , 2.1 C/m3, 2.8 C/m3의 값들을 가지게 된다. 다시 말하면, 전극에 축적되는 전하들은 노쇠화 과정과 크게 연관성이 없음을 알 수 있으며, 노쇠화 과정으로 인해 영향을 받는 부분은 전하 주입 특성이 이에 해당된다. 처음 3가지의 샘플을 통해서 알 수 있듯이, 더 강하게 노쇠화된 샘플들이 더 많은 전하를 샘플에 주입하는 현상을 보여주고 또한 더 깊은 영역에 전하들이 갇히게 된다. 하지만, 가장 오래 노쇠화가 진행된 샘플 Fig. 3(d)을 들여다보면, 미네랄 오일처럼 조금 이상한 경과를 다시 보게 되는데 마지막 전하 주입은 그 이전 샘플들 보다 덜 주입되며, 전하들도 그 더 짧게 노쇠화가 진행된 샘플과 비교해서 더 얕은 영역에 갇히게 된다. 이러한 현상은 아마도 샘플의 높은 전도성과 연관이 있을 거라고 추측된다.

B. Total Charge Amount and Electric Field Distortion

외부 전계 (external electric field)의 영향 아래, 샘플에 축적되는 전하의 양은 reference [1](‘Space charge behavior in multilayer oil-paper insulation under different DC voltages and temperatures’)에 의해서 계산되었다. 아래 Figure 4에서 뚜렷하게 나타나듯이, 전하의 양은 전압 적용 초기에 급격하게 증가함을 알 수 있다. 그러고 나서, 전하의 양은 스트레싱 시간에 맞춰서 점진적으로 증가하게 된다. 전하의 양은 노쇠화 진행에 따라 변하게 되며, 15일 동안의 노쇠화가 진행된 샘플이 가장 많은 양의 전하 (0.088C)를 보유하게 되는 반면, 가장 강하게 노쇠화가 진행된 샘플은 가장 적은 양의 전하(0.016C)의 전하를 보유하게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 마지막 샘플 (30 days)의 더 적은 양의 전하가 발생하는 이유는 아마도 샘플의 더 높은 전도성에 의한 것이라고 여겨진다. 샘플에 주입된 전하들은 그것의 높은 전도성으로 인해 쉽게 갇히지 않는다, 그리고 이러한 전하들은 샘플을 통해 반대편의 전극으로 이동하고 샘플에서 중성화되거나 다른 방식으로 소멸되게 된다. 그리고, 이러한 현상은 샘플의 절연 능력을 저하시킴을 나타낸다.

미네랄 오일과 MIDEL오일의 샘플에서의 전하량 축적과 관련해서의 비교는 불가능한데 그 이유는 두 오일의 최고 값(peak value)이 거의 비슷하기 때문이다. 하지만, 전하량의 변화 경향은 아마도 이러한 특성을 이해하는데 실마리가 될 수 있다. 미네랄 오일-페이퍼 샘플의 전하량은 노쇠화의 마지막 과정에서 감소하기 시작하는 반면, MIDEL-Oil 샘플은 전하량이 중간 지점부터 감소한다. 위의 내용으로 결론을 내자면, 고 전압 레벨 (high voltage level)에서 미네랄 오일의 절연 수행능력이 MIDEL oil에 비해서 더 우수함을 알 수 있다. 50Hz 에서 미네랄 오일-페이퍼 샘플의 유전율(permittivity)은 순서대로 3.34, 3.42, 3.8, 3.2이다. 이 유전율 순서에서 알 수 있듯이 노쇠화가 진행될수록 유전율을 3번째 샘플까지 점점 증가하지만, 마지막 샘플에서는 유전율이 감소함을 알 수 있다. MIDEL 오일-페이퍼 샘플 또한 같은 경향을 보인다. 처음 두 샘플에 관해서는 4.21에서 4.27로 유전율이 증가하였지만, 마지막 두 샘플에 대해서는 3.8에서 3.7로 감소 현상을 보였다. 즉, 총전하의 양과 상대적인 유전율(relative permittivity) 사이 서로 상관관계에 있음을 목격할 수 있다. 열적 노쇠화 이후에 오일-페이퍼는 아마도 더 높은 상대적 유전율을 갖게 될 수 있으며, 이것이 의미하는 바는 더 강한 전하의 결합능력을 의미하고 샘플에서의 더 많은 양의 총전하량을 뜻한다.

다른 샘플들의 최대 왜곡 전계 값이 Figure 5에 나타내어졌다. 그림에서 보이듯이 왜곡 요인은 샘플에 축적되는 전하의 양과 아주 밀접한 관계가 있음을 보여 주는데 즉, 더 많은 전하들이 더 강한 전계 (high electric field)를 샘플에서 생성하게 된다. 이러한 전계는 노쇠화 진행과 함께 증가하게 되지만, 후반부로 갈수록 높아진 전도성으로 인해 감소하게 된다. 이러한 요인은 절연체의 절연 능력을 추정함에 있어서 적용될 수 있다.

C. Conductivity

Figure 6, 7에서 보이듯이 미네랄 오일과 MIDEL 오일의 전도성(conductivity)은 비슷한 경향을 보인다. 즉, 두 경우 모두 초반에 전도성이 급격하게 감소하며 점진적으로 일정한 상태로 접어들게 된다. 하지만, MIDEL 오일이 이러한 상태로 접어드는데 더 많은 시간이 걸리며 약 6000초 정도 소요되는 반면 미네랄 오일은 약 3000초 정도로 미네랄 오일의 절반 정도의 시간만을 소요한다. 열적 노쇠화가 진행될수록 오일의 전도성은 점점 증가하게 되는데, 즉 전류를 흐르는 능력 또한 증가함을 뜻하며 절연 능력의 저하로 이어진다. 위의 그림에서 볼 수 있듯이 MIDEL 오일의 전도성이 미네랄 오일에 비하여 더 높은 것을 알 수 있으며, 이것의 의미하는 바는 미네랄 오일의 절연 능력이 MIDEL 오일에 비해 더 우수함을 알 수 있다. MIDEL 오일의 높은 전도성은 아마도 두 가지 이유가 관계될 수 있는데 그 첫 번째는 MIDEL 오일이 미네랄 오일에 비해서 더 많은 수분 함량을 포함하고 있으며 그리고 다른 하나는 MIDEL 오일의 자체 특성으로 인한 것으로 추정된다. DC 전도성 장비의 제한으로 인해, 오일을 머금은 페이퍼의 전도성은 측정할 수없었다. 하지만, 여러 가지 정황을 살펴 추정할 수 있는 것은 오일-페이퍼는 트랜스 포머 오일과 같은 경향을 가진다는 것이며 즉, 전도성은 노쇠화가 진행될수록 증가하게 될 것이다.

Conclusion

결론적으로, 열적 노쇠화 과정과 그 이후 진행되는 실험 사이에는 며칠간 (약 4일, 이 실험 페이퍼에 의하면)의 대기 시간이 필요하며 상온에서 이루어지는 이 대기시간을 통해, 수분 평형상태에 도달할 수 있게 되며 이 연구를 더욱 정밀하게 만들어 준다. 노쇠화가 진행될수록, 더 많은 전하들이 오일-페이퍼 샘플에 주입되게 되며 이로 인해 전압-ON 과정 동안 공간 전하들이 샘플에 주입되게 된다. 하지만, 오일과 오일-페이퍼의 전도성의 증가는 아마도 전하 축적의 감소를 이끌어 낼 수 있다. 각각 다른 샘플의 최대 왜곡 전계(the maximum electric field distortion)만 놓고 본다면 MIDEL 오일-페이퍼의 절연 능력이 미네랄-오일 페이퍼보다 더 우수함을 보여준다. 이 실험을 통해, 총 전하량과 상대적 유전율(relative permittivity)이 상호 관계에 놓여있음을 확인할 수 있으며 이는 앞으로 오일-페이퍼 샘플의 공간 전하 특성을 예측하는 데 있어서 매우 중요한 부분이 될 수 있다.

출처: 

[1] C. Tang, B. Huang, J. Hao, M. Hao, S. Guo, and G. Chen, “The space charge behaviors of insulation paper immersed by mineral oil and MIDEL 7131 after thermal ageing,” 2016 Int. Conf. Cond. Monit. Diagnosis, pp. 44–47, 2016.

현대 사회에서 원자(atom)는 원자핵(nucleus)을 가지고 있음을 일커으려 원자핵은 원자자(atom)가 비교해서 기 크기가 매우 작다. 그리고 이러한 원자핵은 양성자(proton)과 중성자(neutron)으로 구성되어있다. 다시 이야기 하자면, 양성자는 양(+)성으로 대전되어 있지만 반대로 중성자는 대전(no charge)되지 않은 상태로 존재한다. 

양성자와 중성자의 질량은 다음과 같다.

양성자 질량(mp)≒중성자 질량(mn)≒1.7*10^-17kg

만약 원자가 중성을 띈다면 전자의 개수와 양성자의 개수가 같다는 의미이며, 만약 원자로부터 전자(electron)를 하나 떼어놓게 되면 양(+)이온의 형태를 가지게 되고 반대로 먄약 원자에 전자(electron)을 하나 추가하게 되면 음(-)이온의 형태를 가지게 된다.

전자의 전하는 양성자의 전하와 같은 절대값(+1.6x10^-19C, -1.6*10^-19C)을 가진다. 전자의 질량은 양성자의 비해 약 1830배 정도 더 적다. 따라서, 대부분의 경우 원자의 질량은 원자핵의 질량과 동일시 된다. 다음의 표는 양성자, 중성자, 그리고 전자의 전하와 질량을 나타낸 도표이다.

출처:https://youtu.be/x1-SibwIPM4

전계란? (Electric field)

전하 주변에 생성되는것으로써 눈에 보이지 않지만 전하 주변에 전기적 힘의 선(line)의 모양을 가지고 있다고 가정한다. 양(+)전하에서는 이러한 힘의 방향이 전하로부터 밖으로 나아가는 방향이며, 반대로 음(-)전하에서는 이러한 힘의 방향이 음(-)전하로 향하는 방향을 취한다.

Figure. Field directions of the Charge

(http://physics.bu.edu/~duffy/PY106/Electricfield.html)

전계 강도 (electric field strength or electric field intensity (E))

어떠한 지점에서건 전계 강도는 한점에 위치한 단일 양(+)전하로인해 발생하는 힘으로 정의된다. 

q: 쿨롱단위의 전하 강도

f: 전하에 의해 발생하는 힘(N) 

따라서 E의 단위는 Newton/Coulomb 또는 Volt/Meter

전기선속(Electric Flux)

전기 선속이란 전계가 존재하는 영역에서 특정 영역을 통과하는 전기적인 힘의 선(the total number of electric lines of force)의 수를 일컫는다. 전기 선속 밀도 D의 단위는 Coulomb/m^2이다.

유전율(Permittivity)

전하사이에 전기작용이 적용되었을때 절연 매개체 내에서의 전기선속 밀도(D)의 비율로 정의된다. 수학적으로 유전율의 단위는 Farad/meter이다. 유전율이 의미하는 바는 어떤 매개체가 전기적 전하의 흐름을 저지하는 정도를 의미하며 항상 1(unity)보다 큰 값을 가진다(예, 공기의 유전율: 1).

유전 상수(Dielectric Constant)

유전상수는 어떤 물질의 절연 특성을 결정하는 값으로 매개체의 유전율과 자유 공간의 유전율의 비율로 나타내어진다.

전기 편극(the electric polarization)

원자(atom)을 고려해볼때, 이 원자는 전기적으로 중성을 띈다. 즉, 전자의 (-)전하의 중심인 동시에 양(+)핵 전하(nuclear charge)이다. 다시말하면, 원자는 순(net) 쌍극자 모멘트를 가지지 않는다. 그러나, 이러한 원자들이 외부 전계에 놓이게 되면, 양(+)전하의 중심은 전계의 방향으로 이동하게 되는 반면에 음(-)전하는 반대방향으로 이동하게 된다. 절연체가 전계의 놓여지게 되면, 이러한 쌍극자(dipole)들이 모든 원자 내부에서 생성되게 된다.

Figure. 

Left) Position of +ve and -ve charges in an atom without field.

Right) Position of +ve and -ve charges in an atom with field.

분극률(Polarizability, α)

전계 E(electric field)가 증가하게 되면, 유도 쌍극자(the induced diople)의 강도 또한 증가하게 된다. 따라서, 유도 쌍극자 모멘트는 전계 강도에 따라서 비례적이다.

유도 쌍극자 모멘트 μ=αeE

αe=electronic polarizability

이온 분극화(Ionic Polarization)

이온분극화는 -ve와 +ve이온들이 반대 방향으로 이동하는 현상으로 인해 생겨나며 전계가 존재하는 이온화 고체에서 발생한다. 이러한 이동은 온도에 관하여 독립적이다. (Ex, NaCl crystal)

Left) 전계가 적용되지 않은 상태, right) 전계가 적용되었을때

분극화의 방향성(Orientation Polarization)

분극화 방향성은 절연 매개체에서 분극 분자의 존재로 인해 생겨나게 된다.

Left)전계가 적용되지 않은 상태 Right) 전계가 적용되었을때

공간 전하 분극화(Space charge polarization)

공간전하 분극화는 전계의 방향과 함께한 이온의 확산때문에 일어난다. 그리고, 절연체에서 전하의 재배치를 이끌어 낸다. 

left)전계가 적용되지 않은 상태 right)전계가 적용되었을때

외부의 전계가 적용되지 않았을때에는, 이온들은 순차적으로 배열되게 된다. 반대로 전계가 적용되었을때는, 각각의 이온들이 전계의 적용 방향에 관련해서 확삭되게 되고 분극화 현상(공간전하 분극화)가 일어나게 된다. 이러한 형태의 분극화는 페라이트(ferrite: 아철산염) 이나 반도체(semiconductor)에서 매우 작은 값을 가진다.

출처:

SRM University, PH102 Unit 1, Lecture 3

전도체 vs 절연체 vs 반도체

기술이 발전함에 따라 반도체 또한 아주 급격한 성장을 이루어냈다. 반도체가 앞으로나 모든 기술에 있어서 매우 중요한 기술로 여겨지지만 전도체와 절연체 또한 반도체의 발전을 위해서 반드시 같이 이해되어야 한다. 이번 포스트에서는 전도체, 절연체 그리고 반도체의 특성을 알아보고 서로 어떻게 다른지 알아보려 한다.

전도체(Conductors)

전도체는 보통 여러형태의 에너지를 통과시키는 성질을 가지는 물질을 일컫는다. 여러 형태의 에너지를 포함하지만, 여기서는 전기적 에너지에 집중하여 알아보려 한다. 

금속(Metal)

금속은 가장 널리 알려진 전도체의 형태이다. 메탈의 전도성(conductivity)는 금속 접창(the metal bonding)에 의한 자유 전자(free electrons or Fermi gas)를 기반으로 하고 있다. 이미 매우 낮은 에너지의 전자들이 원자로부터 충분히 분리되어 있기 때문에 전도성이 이루어질 수 있다.

전도성은 온도에 의존적이며, 만약 온도가 올라간다면 금속의 원자들은 매우 크게 움직이게 된다. 그로인해 전자들의 움직임이 제한되게 되는데 이로 인해 금속의 저항성이 증가하게 된다. 현재 알려져있는 금속들 중 전동성이 가장 좋은 금속은 금과 은이지만 높은 가격으로 사용이 매우 제한적이다. 대신 많이 쓰이는 금속은 알루미늄(aluminum)이나 copper(구리) 이다.

소금(Salt)

추가적으로, 소금도 전도성을 가지게 되는데 메탈과는 방식이 조금 다르다. 우선 소금에는 자유전자(free electrons)가 존재하지 않는다. 따라서, 전도성은 소금이 녹거나 용해될때 발생되는 이온에 매우 의존적이게 된다. 녹거나 용해된 소금에서 발생된 이온들은 자유로운 움직임이 가능하고 이로 인해 전도성을 띄게 된다.

절연체(Insulator)

전도체와 다르게 절연체는 자유 전하를 가지고 있지 않기때문에 전도성이 없다.

원자 결합(The atomic bond)

원자 결합은 비금속물질의 공유된 전자쌍을 기반으로 한다. 비금속의 요소들은 마치 전자를 잡아 묶어두려는 성향을 가지게되며, 이로 인해 자유 전자가 존재 하지 못하게 된다. 따라서, 절연체는 전하를 운반할 수 있는 자유전자를 가지지 못하게 되며 전기적 전도를 이룰 수 없게 된다.

이온 결합(The ionic bond)

고체 상태에서는, 이온들이 격자 네트워크형태로 배열 되어진다. 전기적 힘에 의해, 분자들이 묶여있게 되며, 이로 인해 자유 전하가 존재하지 못하게 된다. 즉, 전류가 흐를 수 없는 형태이다. 이러한 이온들은 전도체, 절연체 모두 존재한다.

반도체(Semiconductor)

반도체는 이름 그대로 전도체와 절연체 반(중간)정도의 성질을 띄는 물체이다. 금속과는 다르게 온도가 올라 갈수록 전도성이 증가하게된다. 온도가 올라가면 결합을 깨뜨려 버리며, 이로 인해 자유 전자가 생성되게 된다. 자유 전자가 생성된 지점은 전자의 부재가 생기며 이를 정공(hole)이라고 일컫는다.

반도체에서 전자의 흐름은 반도체의 전도성에 따라 결정되며, 이러한 전기적 띠 구조(band structure)는 반도체의 행동의 특성을 이해함에 있어서 도움을 준다.

밴드 모델(The band model)

전기적 밴드 모델 구조는 에너지 밴드 모델로써 전도체, 절연체, 반도체의 전도성을 설명하기 위해 도입되었다. 에너지 밴드 구조는 가전대, 전도대, 그리고 그 사이이 밴드 갭으로 구성되어진다(valence band, conduction band, the band gap). 가전대와 전도대 사이에 존재하는 밴드 갭의 넓이는 물체의 전도성에 영향을 주게 된다.

에너지 밴드(The energy band)

단일 원자(a single atom)을 고려해볼때, 보어의 원자 구조 모델에 따라서 뚜렷한 에너지 레벨이 존재하게 되고 이러한 에너지 레벨들에 전자가 놓여지게 될 수 있다. 만약 여러개의 원자가 나란히 있으며 서로 상호 의존적이라면, 분리된 에너지레벨이 생기게 된다. 실리콘 크리스탈 구조에서는, 약 10^23 atoms/cm^3 가 존재하기때문에 개개의 에너지 레벨은 더 이상 특별이 분간되기 힘들어진다. 따라서, 넓은 에너지 영역이 고려되게 된다.

에너지 밴드의 너비는 전자들이 원자와 얼마나 강력하게 결합되있는가와 관련있다. 가장 높은레벨에 있는 가전대 전자들은 매우 강력하게 근처의 원자들과 상호작용하고 매우 많은 양의 원자들과 관련해서, 단일 전자는 더이상 단일 원자와 같이 배열 되지 않는다. 그 결과 개개의 원자의 에너지 밴드는 지속적인 밴드와 합병되며 가전대를 구축한다.

전도체의 밴드 모델(The band model of conductors)

전도체에서는, 가전대(the valence band)는 전자로 완전히 채워져 있지 않고나 채워진 가전대가 비어있는 전도대와 겹쳐있게 된다. 보통, 두 상태는 동시에 일어나며, 그로인해 전자는 부분적으로 채워진 가전대나 겹쳐진부분으로 이동이 가능해진다. 전도체에서, 가전대와 전도대의 밴드갭은 존재하지 않는다.

절연체의 밴드 모델(The band model of insulators)

절연체에서 화학적 결합이 전자쌍을 공유하는 이온 결합으로 인해(covalent bond) 가전대는 완전히 전자로 채워져있다. 전자들은 움직이지 못하게 되는데 그 이유는, 전자들이 원자들 사이에 갇혀버리기 때문이다. 어떤 물질이 전도성을 가지기 위해서는, 가전대로부터의 전자들이 반드시 전도대로 이동하여야 한다. 하지만 절연체에선 가전대와 전도대 사이의 밴드갭이 매우 크기때문에 전기적 전도성을 가지기 힘들다. 만약 절연체에 전도성을 가지게 할만한 아주 큰 에너지가 공급된다고 가정하게되면(가능성은 희박하지만..), 절연체는 아주 미미하지만 전도성을 가질 수 있게 된다.

반도체의 밴드 모델(The band model of semiconductors)

전도체와 다르게 반도체는 절연체처럼 밴드 갭이 존재한다. 하지만 절연체와 비교하였을때 이러한 밴드갭의 너비는 상당히 작은편이며 상온에서도 가전대로부터의 전자가 전도대로 이동이 가능하다. 전자들은 자유롭게 이동하며 대전된 전하처럼 행동한다. 추가적으로, 가전대를 떠난 전자들때문에 가전대에는 정공(holes)들이 남게 되며 이러한 정공들은 가전대에 존재하는 다른 전자들로 인해 채워지게 된다. 그러므로, 가전대의 떠도는 정공(holes)은 (+)로 대전된 전하로 여겨질 수 있다.

정공과 전자는 항상 쌍을 이루게 되고(pairs of electrons and holes) 그로인해 (-)로 대전된 전하가 존재하는 만큼 (+)대전된 전하(holes)가 또한 존재하게 된다. 즉 반도체 크리스탈은 전반적으로 중성을 띄게 된다. 다시 말하면, 도핑되지 않은 반도체는 진성 반도체이다(intrinsic semiconductor).

전자들은 항상 에너지적으로 낮은 상태라고 가정되기 때문에, 만약 에너지가 공급되지 않는다면 가전대로 돌아가게 되며 정공과 쌍을 이루게 된다. 전도대로 올라선 전자들은 특정 온도에 도달하게 되면 전자들 사이에 평형상태가 존재하게 되고 전자들은 다시 가전대로 떨어지게 된다. 온도의 증가와 함께, 밴드갭을 뛰어넘는 전자들의 수도 같이 증가하게 되고 그로 인해 반도체의 전도성 또한 증가하게 된다.

에너지 밴드갭은 특정한 파장을 가진 에너지에 상응하기 때문에, 특정한 LED(light emitting diode)의 색을 얻기 위해서는 변화가 필요하다. 이러한 변화는 다른 물질들을 서로 결합하면서 가능하다. Gallium arsenide(GaAs) 상온에서 1.4eV의 밴드갭을 가지며 빨간 빛을 방출한다.

실리콘의 진성 전도성은 별로 흥미롭지 않은 기능적 요소를 가지고 있는데 왜냐하면 오직 공급된 에너지에만 의존하기 때문이다. 즉, 진성 전도성은 온도에 의해 변하게 되고, 추가로 메탈과 비교해서 전도성은 매우 높은 온도에서만 가능하다 (약 수백 도 범위℃). 반도체 전도성에 정교하게 영향을 끼치기 위해서는, 불순물 원자가 보통의 실리콘 격자에 도입됨으로써 자유 전자와 정공의 숫자에 변화를 주면서 성질의 변화를 일으킬 수 있다.

출처

https://www.halbleiter.org/en/fundamentals/conductors-insulators-semiconductors/#Conductors

중합도(Degree of Polymerization)

중합은 화학적 반응으로서 단량체(monomers)들을 서로 묶어버리면서 큰 체인형태의 중합체(polymer)를 형성한다. 이러한 중합체는 여러개의 단량체 유닛들의 결합을 통해 이루어져 있기 때문에, 중합체(polymer)는 궁극적으로 반복적인 유닛을 보유하게 된다. 이러한 반복적으로 나타나는 유닛(unit)은 중합체의 물리적 화학적 특성을 이해하는데 있어서 아주 큰 도움이 되며 이러한 반복적으로 나타나는 유닛의 숫자는 중합체와 분자의 무게에 상당히 의존적인 모습을 보여준다. 따라서, 반복적인 유닛의 숫자 또는 중합도(the degree of polymerization: DP)의 계산은 중합체 관련 산업에 있어서 매우 중요하다.

중합도란 무엇인가?(What is the degree of polymerization?)

중합도란 중합 분자내에서 일어나는 반복적인 유닛의 숫자로 정의 될 수 있다. 몇몇의 경우에는, 이 용어가 평균 중합 분자에서 단량체(monomer) 유닛의 수를 나타내기 위해 쓰이기도 한다. 하지만 이 같은 경우는, 단일 타입의 단량체에서만 적용 가능하다. DP는 보통 n으로 표현되어 지며, -[M]n-의 형태로 나타내어 진다. 여기서 M은 반복 유닛(repeating unit)이다. 

중합도를 계산하는 방법(How to calculate degree of polymerization)

중합 샘플은 대게 다른 중합도를 가진 체인의 분배 형태를 포함하게 된다. 그러므로, DP의 값을 결정할땐, 반드시 평균 값을 고려하여야 하는데 DP의 계산은 만약 중합분자의 중합 무게를 알고 있다면 다음의 수식을 통해 알아 낼 수 있다.

M=(DP)*M0

여기서 M은 중합체의 중합 무게, DP는 중합도, M0는 반복 유닛의 무게이다.

예제) 샘플 폴레에틸렌 [(CH2-CH2)n], 의 DP 계산 , 분자 무게 150,000 g/mol

Mo= (12 x 2 + 1 x 4) g/ mol = 28 g/mol

DP = M/Mo = 150,000 g/mol / 28 g/mol= 5.35 x 103

위의 예제에서 보여지듯이 중합체의 분자 무게를 고려할때 보통 평균 분자 무게(Mn) 또는 무게 평균 분자량(Mw)을 고려한다.

수 평균 분자량(Number average molecular weight)

Mn= Σ xi Mi

xi : 각각의 범위내에서 총 체인의 수의 일부분, Mi: 각 평균 중합체인의 평균 분자량

무게 평균 분자량(Weight Average Molecular Weight)

Mw= Σ fi Mi

fi : 중합 체인의 무게 부분, Mi: 각 평균 중합체인의 평균 분자량

출처:

[1] Stuart, B. H. (2008).Polymer analysis (Vol. 30). John Wiley & Sons.

[2] Rudin, A., & Choi, P. (2012).The elements of polymer science and engineering. Academic press.

[3] Alger, M. (1996).Polymer science dictionary. Springer Science & Business Media.

[4] Hannant, D. J. (1989). The Science and Engineering of Materials: By Donald R. Askeland. PWS, Boston, MA, USA, 1989. ISBN 0-534-91657-0. 876 pp.

[5] http://pediaa.com/how-to-calculate-degree-of-polymerization-2/

PEA Technique Overview

PEA 테크닉은 크게 3가지 요소로 구성된다.

1. Source System: 전원을 공급하는 부분으로 DC supplier 와 펄스 제네레이터(Pulse generator)로 구성된다.

2. PEA test cell: upper electrode system, 샘플, lower electrode system, 그리고 아웃풋 회로(output circuit)으로 구성된다. 

3. 데이터 수신 시스템(data receiving and processing system): 데이터를 분석하는 부분으로 PC와 디지털 오실로스코프로 구성된다.

Figure. PEA system [1]

샘플은 HV electrode와 ground electrode 사이에 놓이게 된다. HV electrode는 받쳐주는 물질 레이어에 의해 부착되어진다. 그리고 이것은, 샘플에 관하여 유사한 어쿠스틱 임피던스를 가지게된다. 또한, piezo-electric component를 가지는 센서는 ground electrode에 부착되며 시그널을 수집한다. 

만약 샘플은 1차원적으로 분석된다면, 여러 얇은 레이어가 쌓여있는것으로 고려되여지며 각각의 레이어는 전하 밀도 σ (C/m^2)를 가지게 된다.

σ=Q/S (S: 샘플의 측정 면적)

전하(Q)가 전계 E (V/m)에 놓이게 된다면, 쿨롱의 힘이 전하와 함께 생성되게 된다. 

F=qE

따라서, 레이어에의해 생성되는 전하밀도와 함께하는 압력 wave (pressure wave)는 

P=σE

그리고 위의 식에서 보여주듯이 pressure wave는 전하 밀도값에 비례하는것을 알 수 있다.

• 절연 샘플이 전기적 DC 응력에 놓여지게 되면, 공간전하의 축적이 이루어 질 가능성이 있으며 이와 동시에 펄스들이 샘플에 부과되게 된다. 그리고 각각의 레이어는 압력 웨이브(pressure wave)를 생성하게 되고 이러한 웨이브는 acoustic wave로 고려된다

• 이렇게 생성된 acoustic wave는 센서에 도달하게 되며, 센서 도달 후 전압 시그널(voltage signal)로 변환되며, amplifier에 의해 증폭되어 진다. 

출처:

[1] C. S. Bird, “The Effects of Crosslinking Byproducts on the Electrical Properties of Low Density Polyethylene,” Thesis, no. March, p. 163, 2017.

Simulation of Pulsed Electro Acoustic Method of Space Charge Measurement

Abstract

공간전하의 측정을 위한 PEA(Pulsed Electro Acoustic) 측정방식의 높은 활용도에도 불구하고, 장비의 디자인과 신호의 회수(retrieval)와 관련된 몇몇의 문제들은 아직 해결해야할 과제들로 남아있다. 이 페이퍼는 시뮬레이션을 위해 PEA 방법이 사용된 physical model과 고 전압(High Voltage)의 펄스소스(pulse source)로 구성되었다.

Introduction

더 경제적 그리고 효율적으로 전력을 전달하는 방법은 고 전압 레벨(higher voltage level)을 이용하여 송전하는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 전력 장비에 추가적은 응력(stress)를 작용시켜 거의 전압파괴 강도까지 끌고 간다. 이러한 강한 전기적 응력의 작용에서는, 공간전하(space charge)는 몇몇의 절연 물질에서 형성됨이 발견 되었으며, 이러한 절연체의 예로는, Polyethylene (PE), Polypropylene (PP), Poly-methyl-methacrylate (PMMA) 이다. 이러한 전하(charge)들은 절연체의 전기적 특성에 영향을 미칠 뿐만아니라, 절연체의 손실을 갖가져올 수 있다. 절연 강도의 활용성을 완전히 향상시키기 위해서는, 공간전하(space charge)의 행동을 반드시 이해하여야 한다.

1970년대 까지는 다양한 destructive(파괴적) 방법이 공간전하의 측정을 위해 사용 되어왔지만 1980년대에 들어서면서 여러 non-destructive (비-파괴적인) 방법들이 고안되게 되었다. 비 파과적인 방법인, Acoustics wave 카테고리에 해당하는 측정 방법은, Pressure Wave Propagation(PWP) 그리고 Pulsed electroacoustic method(PEA)가 이에 해당된다. 

Principle of PEA Method

Figure 1에서 보여 지듯이 고 전압 Vdc (항상 DC 전압일 필요는 없다)이 절연 샘플이 전류 제한 저항(a current limiting resistor, R)을 통해 적용되었다. 표면전하(space charge)와 관련해서,  interface(접촉지점)에서 σ(0) 과 σ(d)를 가지며 샘플에선서는 공간전하 ρ(z)가 형성된다.

캐패시터 C를 통해 샘플에 연결된 펄스 소스(pulse source, e(t))는 높은 펄스 전압 강도(<<Vdc)를 적용하기 위해 사용된다. 각 전하에서의 펄스의 행동으로 인해 전계(electric field)는 기존의 위치보다 약간 이동하는 현상을 겪게되며 acoustic wave를 생성하게 된다. 이러한 웨이브는 압전기 변환기( piezoelectric transducer)에 의해 감지되고 전기적 신호로 바뀌게 된다. 또한 이러한 전기적 신호는 화면에 나타내기 위해 증폭기로 증폭 시킨다. 이러한 전기적 신호는 절연체의 공간전하관련 정보를 포함하며, 디콘볼루션(deconvolution)과정을 통해 원래의 전하 시그널을 얻게 된다.

Modelling and Simulation

Pulse Source: 고 전압과 매우 짧은 시간동안(nano seconds)의 펄스 소스는 샘플로부터 측정 가능한 신호를 얻기위해 적용 되어져야 한다. 이 페이퍼에서, 펄스 e(t)=0~600V (4ns) 가 고려 된다. 펄스 소스를 샘플에 연결하기 위해서는, 40Ω의 임피던스를 가진 동축 케이블이 사용된다. 케이블의 마감은 후에 3가지의 다른 형태의 마감을 가지게 된다.

그리고, 수신 끝 부분에서 펄스 전압은 그 어떤 반사도 겪지 않으며 부드럽게 샘플에 적용된다. 매우 높은 주파수를 가지는 펄스 전압의 요소들로 인해, 몇몇 옆길의 캐패시터들이 그룹을 지어 형성된다. 그러나, 옆길의 캐패시터 효과는 현재 연구에서 제외된다. 

High Voltage Source: 샘플에서의 공간전하의 측정을 위해서는, 대게는 고 전압(High Voltage)이 샘플에 적용된다. 연구에 따라서, HV source는 dc, ac, 또는 순간적인(transient) 형태가 될 수 있다. 이 페이퍼에서는, 양면을 다 이용할 수 있는 극성(reversible polarity)의 10kV의 dc source 가 사용되었다. HV(Vdc) source를 보호하기 위해서는, 전류 제한 저항(current limiting resistor)이 적용된다. 따라서 10MΩ 의 저항이 HV source와 함께 적용된다. 

Dielectric sample: 이 연구에 절연 샘플은은 연속적인 캐패시터와 저항들이 직렬과 병렬의 조합으로 연결되어있다. 여기서 절연체는 10mm의 지름과 200μm의 두께를 가진다고 가정했다. 이 주어진 값들을 통해 얻어지는 샘플의 캐패시터 값은 8.6924pF 와 2.546*10^15Ω 저항값을 가진다. (resistivity = 10^15 Ω and relative permittivity εr = 2.S for given sample)

Amplifier circuit: PEA 측정 방식에서 또 다른 중요한 요소는 증폭기(amplifier)이다. 이 연구 페이퍼에서는 증폭기가 모델링 되지는 않았지만 이 증폭기 부분은 다른 부분으로 부터 분리될 수 있기때문에 다른 장비에 영향을 미치지 않는다.

Figure 2에서는 PEA 모델이 셋업된 모습이 모여지며 모든 시뮬레이션은 26℃에서 실행 되었다. Transient 분석은 다른 형태의 시뮬레이션으로 수행되며 후에 다루어 질 것이다. 회로 모델에 따라서, transient 분석의 step size는 (0.1ns & 0.1ms) 변하게 된다.

Result and Discussion

Cable Termination

펄스 소스에 연결된 케이블의 끝부분이 coupling capacitor의 관해서 제대로 마무리되지 않으면, 회로에서 여러개의 반사작용을 일으킬 수 있다. 회로로 부터 반사작용을 제거하는 것은 매우 어렵지만, 정교하게 디자인된 회로는 반사작용을 무시할 수 있는 수준으로까지 줄여준다. Figure 3는 PEA 방식이 적용되어진 3가지의 서로 다른 케이블 마감형태를 보여주는데 이 3가지 방식 모두 임피던스(characteristic impedance)값에 매치되는 적절한 저항값이 적용되었다. 시뮬레이션에서 케이블은 5ns의 delay를 가진다. 이 3가지의 모든 회로에서는 펄스 소스(pulse source)는 케이블에 연결되며 이러한 연결은 저항값 R(케이블의 임피던스 값과 동일)을 통해 이루어진다. 하지만, R1, R2, 그리고 R3 (회로의 마감부분)은 다른 값을 가진다. 

Figure 5는 이에관한 결과를 보여주며 시뮬레이션 기간동안 커플링 캐패시터의 값은 극성 뒤바뀜에 있어서 매우 중요한 역할을 하는것을 보여준다. 캐패시터의 값이 1nF 일때 시간 상수는 약 0.001 sec, 10nF 일때는 0.01sec, 1pF 일때는 0.000001 sec이다. Figure 5에서 확연하게 나타나듯이, 10nF의 캐패시터값을 가질때 상당한 delay 현상을 보이는 것을 알 수 있다.

극성 뒤바뀜동안 공간전하의 정확한 측정을 위해서는, 샘플 전압은 소스 전압(source voltage)라인에 있어야 한다. DC source voltage의 라인에 있는 샘플 전압에 관하여, 디자인 시간 상수는 최대한 작은 값을 가져야 하며 절대 극성 뒤바뀜 시간을 초과해서는 안된다. 이러한 현상은 극성 뒤바뀜동안의 전하 측정에 주목을 해야 한다는 것이다.

Sample Breakdown

공간 전하의 측정기간동안, 절연체 내부의 생기는 공간전하로 인해 절연파괴 현상이 일어날 가능성이 있다. 이러한 환경하에서는, 매우 큰 전압이 케이블이나 펄스 소스(the pulse source)에 아마 나타날 수 있으며 또한 펄스 소스에 손상을 가할 수 있다. 이러한 경우 적절한 케이블 마감의 선택은 펄스 소스와 다른 요소들 사이에 절연파괴 전압을 줄이는데 도움을 줄 수 있다. 샘플 절연파괴 현상은 쇼트된 회로 샘플에 의해 모방되되어지고, 전압을 사용하여 샘플에 연결된 스위치를 통제한다.

Figure 4에 있는 다른 회로의 node 4에서 얻어진 결과는 figure 6에 나타내어져있다. Circuit 1에서 node 4에서 나타나는 전압은 -4kV보다 약간 높으며, circuit 2에 관해서는 -1.44kV, circuit 3에 관하여 -3.14kV를 나타낸다. 따라서, 절연 파괴 전압의 효과를 줄이기 위해서는, circuit 2의 선택이 좋은 선택으로 여겨질 수 있다. 여기나 나타는 모든 전압들은 R1, R2, R3, 그리고 R4의 조합과 선택에 따라서 값이 변할 수 있다.

Conclusion

결론적으로 극성 뒤바뀜 현상동안, coupling capacitor의 값은 가능한한 최솟값을 가져야 샘플 terminal voltage 부터 supply voltage에서의 지연현상(delay)를 피할 수 있다.

샘플 절연 파괴현상 동안에는, 매우 큰 전압이 케이블과 펄스소스에 나타날 가능성이 있으며 이러한 가능성은 적절한 케이블 마감(cable termination)에 의해서 줄어들 수 있다.

출처

[1] J. S. Chahal and C. C. Reddy, “Simulation of pulsed electro acoustic method of space charge measurement,” Proc. IEEE Int. Conf. Prop. Appl. Dielectr. Mater., no. July 2012, 2012.

Shunt capacitor는 주로 파워 네트워크에서 power factor의 향상을 위해 사용된다. Shunt capacitor는 또한 전압의 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 네트워크의 손실을 줄여줄 수 있다. Power factor의 향상이 의미하는 바는 더 높은 전력의 전달 능력과 더 나은 전력흐름의 통제를 의미한다. 

Open rack shunt banks Qbank

(https://new.abb.com/high-voltage/capacitors/hv/capacitor-banks/open-rack-shunt-banks-qbank)

파워 그리드에서 캐패시터는 매우 중요한 역할을 맡는다. Reactive power를 생산함으로써, 전기 motor, 트랜스포머등의 reactive power 소비를 보상하는 역할을 한다. 이러한 역할로 인해 파워 그리느는 더욱더 안정적인 형태를 유지할수 있을뿐만아니라, 향상된 capacity 및 높은 power factor로 인해 전력 손실을 줄일 수 있다. 전기적 파워 그리드에 연결된 대부분의 장비와 부하(loads)는 active 그리고 reactive 전력을 모두 소비하게 된다. 이러한 장비들의 예는, 트랜스포머, 트랜스 미션, 그리고 배전 라인들이 해당된다.

가장 경제적으로 reactive power 소비를 줄이는 방법은 capacitor bank의 설치를 통해 이룰 수 있다. 이러한 방법은 reactive power compensation(보상)으로 불려진다. 캐패시터는 파워시스템에 reactive power를 주입하게 된다. 전체적인 송전과 배전시스템의 부하를 줄이게 된다. 

또한, 캐패시터 뱅크는 기존의 송전과 배전 시스템에서 사용이 가능하다. Reactive power 보상은 네트워크로부터 누수되는 실제 전력(apparent power) 의 손실을 줄일 수 있으며 다음과 같은 장점들을 가져온다.

- 추가적인 부하가 기존의 완전하게 부하된 트랜스포머에 연결이 가능하다.

- 새로운 트랜스포머, 케이블, 송전 라인에 대한 투자를 잠시 미룰 수 있다.

새로운 파워 플랜트에서 캐패시터를 포함함으로써, 송전과 배전의 최적화 디자인이 가능해진다. 송전과 배전시스템이서 voltage drop (전압 하강)의 가장 큰 원인은 reactive power 소비와 시스템의 최종 부하지역에 의해 일어나게 된다. 하지만, capacitor banks를 추가함으로써, 전압하강현상을 보완할 수 있기때문에 전압의 안정화를 가져올 수 있다.

인덕션 모터(induction motor)의 전류 개시(start)는 거의 순수하게 유도적(inductive)이며 상당한 전압하강(voltage drop)현상을 가져온다. 결론적으로, 같은 버스 바(bus bar)에 연결된 다른 부하(loads)들을 방해하게 되고, 종종 모터의 작동을 불가능하게 만든다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 구체적으로 디자인된 캐패시터들이 파워 시스템에 추가되게 된다.

하모닉 필터로서의 캐패시터(Harmonic filtering)

캐패시터의 또다른 중요한 역할 중 하나는 harmonic filter로서의 기능을 가진다는 것이다. 이상적인 전력 시스템에서는, AC power system의 전압과 전류는 sine wave 형태를 유지하는 것 이다(구체적인 강도, 주파수, 위상 각도). 하지만 실제 전력 시스템에서는 이러한 형태는 거의 찾아보기 힘들다. 만약 전압을 오실로스코프로 측정하게 되면, sinusoidal 커브는 항상 거의 기초 주파스로 부터의 서로 다른 sinusoidal wave들에 의해 왜곡되는 현상을 가진다. 이러한 방해현상은 harmonics(하모닉)이라고 불려지며 시스템에서 비-선형(non-linear)적인 부하(loads)에 의해 생성된다.

왜곡현상의 각도(the degree of distortion)은 개개의 하모닉 강도에 의존적이며 Total Harmonic Distortion (THD)로 표현된다. 이러한 하모닉 현상은 전력손실, 공명 현상, 컨트롤 시스템의 기능장애, 캐패시터의 과부하, 통신의 간섭현상, 리플(ripple) 컨트롤의 방해, 중성의 전도체의 높은 전류 현상등의 단점들을 야기한다.

하모닉 필터로써, 캐새피터를 추가 설치 함으로써 다음과 같은 장점들을 기대 할 수 있다.

- 과전압(overvoltage) 현상을 줄일 수 있다.

- 네트워크에서의 전력 손실을 줄일 수 있다.

- Wave 형태 퀄리티를 향상 시킴

- 케이블 과부하 현상을 감소시킴

- 캐패시터의 과부하 현상을 감소시킴

- 높은 전력의 질을 보장

출처:

[1] https://new.abb.com/high-voltage/capacitors/hv/capacitor-banks/open-rack-shunt-banks-qbank

[2] https://search-ext.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=1HSM954332-00en&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch

전기적 응력의 강화를 피하는 방법(Measures to avoid intensification of electric stress)

다양한 종류의 절연 물질과 경계 표면사이는 기술적인 절연 시스템이 적용된다. 균일한 응력(stress)의 작용은 만약 절연 시스템의 각 부분이 허용가능한 일정한 전압하일 경우 일어나게 된다. 절연 시스템의 디자인을 고려해보면, 응력의 분배는(the stress distribution) 전극의 배열(arrangement) 와 형태(shape)에 의해 큰 영향을 받게 되며 또한 절연 몸체(insulating body)에 의해 영향을 받는다. 경계표면(boundary surface)에 작용하는 전기적인 응력은 피할수 없는 존재이기 때문에 이러한 응력을 허용 값까지 제한하는 기술을 매우 중요하다.

a) 전계 컨트롤을 위한 전극의 외부적 스크리닝(External screening electrodes for field control)

만약 절연 배열에서 전극의 면적이 간극(the gap length)와 비교했을때 작은편이라면, 주변의 다른전극에서 전계의 강도는 매우 높다. 이러한 경우에는, 전극의 외부 스크리닝(external screening electrodes)를 사용한 전계 컨트롤에 의해 응력(stress)의 상당한 균일화를 이끌어 낼 수 있다. 전극의 외부적 스크리닝의 예는 실리더 형태의 절연 배열시스템의 위쪽 전극부분을 예로 들 수 있으며 이에 해당하는것은 지지 절연체(support insulator), 고 전압 캐패시터, 또는 실험 트랜스포머(testing transformer)이다.

Figure 3.1-10은 다향한 디자인의 예를 보여주며 화살표는 가장 높은 전계(highest field strength)강도의 위치를 나타낸다. 위에 올려진 반구 형태를 들여다 보면 a) 와 b) 모형은 실질적으로 필요 없는 형태이다. 이러한 경우들은 중요 경계 표면이 높은 전계 강도 영역에 노출되게 되며 결국에는 gliding 부분방전을 야기 한다. c)는 b)의 향상된 디자인며 전계 분배에 있어서 좋은 디자인이다. d)또한 매우 좋은 전극 보호 디자인이다. 이러한 전극형태는 특히 매우 높은 전압에서의 사용이 증명되었는데 그 이유는, 삽입된 전극의 접합 포인트는 전계 그늘안에 배열될 수 있으며, 그로 인해 발생되는 간편한 연결성때문이다.

구형(spherical)과 실린더(cylindrical) 형태의 전극을 측정하기 위해, 내부 반경 rk와 외부반경 R를가지는 구형의 집중적인 형태에 의해 발생되는 전계로 부터 시작점을 잡아야 한다. 대략적인 R의 값은 그라운드(earthed)된 부분의 제거에 상응한다. 구형 내부의 전압 U에서의 전계 강도는 다음과 같다.

가장 가능성이 높은 전계 강도는 절연 파괴 전계 강도 Ed로 표현된다. 만약 R>>r의 경우, 개시전압(inception voltage) 값은 대략적으로 다음과 같다.

좋은 조건의 실험 조건하에 절연체(dielectrics)로써의 공기는 약 Ed=20kV/m 정도의 절연 파괴 전계 값을 가지게 된다. 

d=2r_k의 값에 관해서 다음과 같은 유용한 관계식을 얻게 된다

위의 관계식은 곡면이 부드러운 구형의 전극과 관련해서 약 1MV의 전압까지 사용이 가능하다. 높은 전압에서는, 위쪽의 전극의 지름은 반드시 비례적으로 증가해야 하며 약 10kV/cm의 전계 값까지 허용 가능하다. 하지만, 이정도 값을 견딜 수 있는 사이즈의 전극은 실현되기 매우 어려우며 비용적인 문제도 존재하게 된다. 

따라서 위의 문제점을 경제적으로 다가가기 위해서 표면이 작은 원으로 세분화된 방식이 대체 방안으로 제안될 수 있다 (Figure 3.1-11).

Figure 3.1-11에서 보여지듯이 아주 큰 지름의 전극의 top 부분을 이루기 위해서 하나의 큰 구형보다는 작은 구형을 부착함으로써 상대적으로 적은 비용으로 효율을 높일 수 있다.

실린더 형태의 전극(Cylindrical electrodes)는 주로 실험 세팅구역과 스위칭 구역에서 튜브의 연결을 요구 한다. 동심원의 구형 형태의 전극과 대조적으로, 같은 축의 실린더 형태의 전극의 개시 전압(the inception voltage)는 매우 큰 값의 외부 반지름(R)에 관하여 제한된 값을 가지지 않는다.

내부 반지금 (r_z)와 관련해서 실린더가 가지는 개시전압(the inception voltage)는 다음과 같다.

구형 과 관련해서 존재하는 관계식은 다음과 같으며 위의 식과 유사하다.

만약 측정 목적으로 R>20r_k라고 가정한다면, r_k>3r_z의 값을 얻게 된다. 즉, 같은 개시전압에 관해서 실린더형태의 전극은 구형 형태의 전극에 비해 구형이 가지는 지름의 약 1/3만을 필요로 하게 된다. 하지만, 이러한 구형이나 실린더 형태의 전극을 구성하는것은 조건적으로만 가능하다. 

b) 전계 컨트롤을 위한 전극 내부 스크리닝(Internal screening electrodes for field control)

특정 표면 경계에서의 전계의 집중도는 내부 전극을 돌출 시키는 방법을 통해 완화 시킬 수 있다. Figure 3.1-12은 10kV의 에폭시 레신(epoxy resin)이 절연체를 서포트하는 모습을 보여준다. 이음새를 내장함으로써, 절연체 표면의 전계 강도는 매우 균일하게 구성 될 수 있다. 외부의 시멘트로 접착된 지지 절연체와 비교하면, 구조적인 높이는 훨씬 낮은 편이다. 동축 지지 절연체(the coaxial support insulator)와 관련해서 돌출된 전극은 내부 전도체 중요 부근의 표면 경계에서의 전계 강도를 줄여준다.  돌출 전극은 절연 오일 장비의 간극 부분에서 매우 흔하게 여겨진다. Figure 3.1-13은 오일 전연 테스팅 트랜스포머에서 내부 링 전극이 적절하게 배열된 모습을 보여준다. 이러한 형태는 보통 케이블 종이의 절연 밴드(bandage)화 함께 구성되며 이를통해 전극에서의 허용 전계 강도를 증가시킨다.

c) 중간 전극에 의한 포텐셜 통제(Potential control by intermediate electrodes)

전기적 응력의 균일화를 하는 방법중 하나는 중간 전극을 삽입하는 것이며, 이러한 삽입 방식은 특정 등위(equipotential) 표면을 유발한다. 배열의 하위 부분들의 목적은 거의 같은 부분 전압을 생산을 하기 위함이다. 직류전압을 위한 중간 전극의 포텐셜 통제는 유요한 부분 저항을 통해 이루어 질 수 있다. 교류 그리고 충동 전압과 관련해서는, 유요한 부분 캐패시터가 사용된다. 

캐패시터 포텐셜 컨트롤은 배열의 부분 캐패시터에 의해 달성될 수 있다 (self control). 추가로, 외부적으로 배열된 캐패시터(externally arranged grading capacitors)도 또한 제공된다(external control). 

만약 오직 하나의 외부 전극만이 역할을 수행하게 되면, 이러한 현상을 단순 커플링(simple coupling)이라고 부른다. 반면에 figure 3.1-14는 더블 커플 캐패시터라고 한다.

Cv: Main capacitor

Chv: Coupling capacitor

Cev: leads to an unequal voltage distribution

Figure 3.1-15는 체인의 따른 전압 분배를 보여주며 n은 총 단계수를 말하며, v는 총 n 단계중에 단계 번호를 일컫는다. 가장 이상적인 전압 분배는 1번 곡선이다. 만약 그라운드 캐패시터만 존재하면, 2번 곡선의 현상을 가지게 된다. 만약, 고 전압 커플링 캐패시터만이 존재한다면, 3번 곡선을 가지게 된다. 만약 두 커플링 모두 취하게 된다면, 4번 형태의 곡선을 가지게 된다.

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

고 전압 기술에서의 구조적 특징(Structural details in high-voltage technology)

고 전압 장비를 디자인하고 건설하는 일에 있어서 전계(electric field)의 원리를 정확히 이해하는것이 매우 중요하다. 고전압 기술은 기계적 또는 열적인 측면에서 최상의 조건을 보유하더라도 예상치 못한 여러 문제들로 인해 종종 건설이 지연되기도 한다. 따라서 공학자들은 반드시 이러한 요구 조건을 모두 고려하여 최대한 경제적이고 합리적인 디자인과 건설을 이끌어내야만 한다.

절연 시스템의 기본적인 배열(Basic arrangement of the insulation system)

절연 시스템의 필수적인 요소들이라고 할 수 있는것은 절연체의 종류와 그것의 알맞은 개수이다. 두 전극 사이 연결고리의 전위차는 시스템의 정확한 통제를 위해 반드시 전기적으로 절연되어져야 한다. 고체 절연체들과 액체 또는 가스 절연체 사이에 위치한 경계 표면은 절연 시스템에서 특히 중요한 부분으로 여겨진다.

a) 단일 절연 재료 구조(single material configuration)

외부 지역이나 플라스틱 케이블의 단일 절연 구조의 예는 바로 공기 (air)이다. 대칭적 그리고 비대칭적인 전극의 구조는 대게 매우 다른 행동들을 보여준다. Figure 3.1.-1은 대칭과 비대칭 전극의 전계 강도 E (field strength)를 보여진다. 그림에서 보여지듯이 같은 간극(spacing: s)에서는 대칭적인 구조가 비대칭 구조보다 더 나은 전계의 분배모습을 모여준다 (두 경우 모두 일정한 전압 U 가 적용되있다고 가정). 또한 대칭 구조에서 더 낮은 Emax의 값을 가지는 것을 보여준다. 

위의 구조를 이해하여야 하는 중요한 이유는, 전계 분배의 강도를 통제함으로써 수직적 간극이나 지지적인 절연체의 간극을 조절함으로써 절연 파괴 전압을 증가시킬 수 있다. 그리고 위쪽의 위치한 전극을 이동함으로써 간극 s의 간격을 조절 할 수 있다. Figure 3.1-2는 비균일 전계를 동반한 충격 전압하에서의 절연파괴 전압을 보여주여 이러한 절연 파괴 전압은 h 길이의 증가와 함께 같이 증가하는 경향을 보인다.

b) 여러 절연 물질의 구조(Multi-material configurations)

대부분의 절연 시스템에서는, 여러개의 절연 재료가 공존하며 절연 경계 표면은 절연체 사이에 존재하게 된다. 이러한 경계면에서 발생하는 힘의 방향은 Figure. 3.1-3에서 보여지는 바와 같으며 전계의 탄젠트(tangential) 성분의 전계 강도(electric field strength)는 일정하다.

일정한 절연체 이동 조건으로 인한 수식은 다음과 같다.

경계 표면은 최소한으로만 전기적 응력(stress)가 작용하게 되는데 그 이유는 불순물들과 습도의 존재때문이며 이러한 존재는 레이어(layer)를 오염시킬 가능성이 있다. 따라서, 절연 시스템의 건설적인 조건에서 경계 표면에서 낮은 전계 강도의 유지는 매우 중요하며 특히 tangential 성분의 전계 더 주의깊게 고려하여야 한다. 

만약 표면 경계가 등위적 표면(equipotential surface (Et = 0))에서 동시에 존재하게 되면 특이한 케이스가 유발되는데 이러한 케이스를 횡 경계 표면(transverse boundary surface)이라고 부른다. Figure 3.1.-4 는 트랜스포머에서의 절연 경계(barrier)를 보여준다. 제조 과정에서 이러한 경계(barriers)들은 몰딩처리 되는데 그 이유는 가능한한 등위적 표면의 형태를 유지하기 위함이다. 

종 경계 표면(longitudinal boundary surface)에 관해서는, tangential 요소인 전계 강도 Et는 제한적인 값을가지는 반면, 보통 요소인 En=0의 값을 가진다. 경계 표면은 전계 라인을 따르지만 전계 분배는 고형 절연체에의해 영향을 받지는 않는다.

Figure 3.1.-5 지지 절연체의 구조의 예.

a) 끝쪽의 전계는 돌출 전극의 방식으로 균일화 되었다.

b) 절연체의 형태가 전계로 적용된 모습.

기술적 디자인 측면에서, 전계 강도(field strength)의 보통 요소들뿐만 아니라, tangential 요소들을 제한적 값으로 부터 항상 보호 할 수 있는것은 아니다. 이것을 기울어진 경계 표면(inclined boundary surface) 이라고 한다. 예를 들어, Figure 3.1-6a 처럼 전극과 함께 하는 절연체가 고형의 절연체 안으로 내장된 것을 고려해보자

이 상당히 괜찮은 조건의 구조는 절연체 몸체 중심부의 지름(diameter, *dotte line으로 표시됨)를 확장시킴으로써 더 괜찮은 모델로 향상될 수 있다. 그 이유는, 지름을 늘림으로써, tangential 전계 강도는 줄어들 수 있기 때문이다. Figure 3.1-6b에서 처럼, 표면에 전극이 배열된 구조는 상당히 불안정한데 그 이유는 상대적으로 매우 높은 tangential 전계 강도(field strength) 때문이다. 그리고, 이 경우에는, 부분 방전(partial discharge)는 간신히 예방될 수 있는 정도이다.

c) 절연 구조(Insulating configurations)

전체적인 시스템을 통틀어 견고한 연결이 완료되지 않은 곳의 예로써는 solid insulated coaxial cable 또는 epoxy resin instrument 트랜스포머 등이 있다. Figure 3.1-7에서 보이는것 처럼, 4가지의 다른 절연 구조가 구분되어 진다.

a) 압축적이고 휘는 힘의 송전을 위한 지지 절연체.

b) 송전시 장력을 위한 서스펜션 절연체.

c) 전극의 견고한 관통을 위한 부싱 절연

d) ground된 지역으로 부터의 voltage-carrying electrode의 견고한 lead-out.

야외 구조에서는, 절연체에는 방수 물질이 적용되는데 그 이유는 creepage 경로(연면거리) 를 증가시키기 위함이며 그 다음은 우천시 수로(water channel)의 형성을 예방하기 위함이다. 방수 물질의 형태는 절연체 제조의 사용된 재료 및 예상되는 공기 오염도에 의존하게 된다. 

Creepage 경로 값의 가이드 라인의 따르면 정격전압에따라 2~4kV/mm 정도가 예상된다. 방수 물질의 전형적인 프로필은 porcelain(애자 또는 자기: 도자기 느낌)와 플라스틱 절연체이다(figure 3.1-8). 

플라스틱 절연체에 관해서는, 슬림한 형태 방수 물질이 사용되는데 특시 소수성(hydrophobic)의 물질이 적용된다. 이러한 적용은 creepage 경로를 오염 방어능력의 손실없이 줄일 수 있다. 가스 절연의 설치에 관해서는, 지지 절연체(support insulator)는 그라운드된 메탈 하우징내에서 lead의 간격의 유지가 요구된다.

정격 전압 110kV 이상에서는 타입(c)의 절연체가 선호된다. 3 phase나 복잡한 형태의 절연시스템에서는 타입(d)의 형태를 고려하여야 한다. 특히 고 전압 가스 절연 시스템을 위해서는 지지 절연체의 모양은 반드시 경계 표면에서의 전계 곡면을 고려하여 선택 되어야 한다.

출처:

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

자연 유기 절연 물질(Natural organic insulating materials)-오일을 함유한 종이(Oil-impregnated paper)

a) 성분 및 제조(Properties, manufacture) 

오일을 함유한 종이는 고 전압 절연 시스템에 있어서 가장 중요한 절연 복합체이다. 여러개의 레이어로 구성된 종이가 절연체로 사용 될 수 있기때문에 종이의 섬유소적인 측면을 고려하면 소프트 페이퍼와 오일의 직렬 연결이 주는 절연적 특성을 고려해 볼 수 있다. 만약, 플레이트 타입의 절연 두께 s 유전율(permittivity) ε를 고려해본다면, 순수 오일(s1, ε1)과 순수 종이(s2, ε2)의 직렬 연결을 생각해 볼 수 있다. 이 두 물체가 직렬로 연결되었을 경우,

s1 과 s2는 미지수 이며 기준 공기 볼륨 v에 의해 소거될 수 있다.

(위의 과정은 수식의 유도과정, 티스토리 수식 입력기의 기능이 제한적이라서 캡쳐하였습니다)

따라서 ε1=2.2 ε2=5.6에 관해서, 오일/종이 라미네이션의 전기적 응력 비율은 E1/E2=ε1/ε2 ~ 2.55 값을 가진다.

따라서, 오일은 종이보다 전기적으로 더 응력이 가해진다. 정교한 라미네이션의 사용을 통해, 많은 수의 얆은 필름을 얻을 수 있으며 높은 전기적 강도를 가지고 있다. 따라서, 오일-종이 절연체가 가지는 우수한 절연 파괴 강도에 큰 기여를 한다고 볼 수 있다. 종이는 오일 레이어의 형태로 업그레드 될 수 있으며 불순물들의 브릿지 현상을 억제하는 역할을 하고 절연시스템의 기계적인 안정성을 보장한다. 

두꺼운 오일-페이퍼의 절연체더라도 절연 파괴 강도는 최대 400kV/mm까지 가지며 DC 전압 캐패시터에서 동작 전계 강도는 최대 100 kV/mm, AC 응력에서는 최대 20kV/mm 까지 적용된다. 높은 질의 오일-종이 절연 방출 요인은 (the dissipation factor) tanδ~3*10^-3의 값을 가지며 볼륨 저항성 ρ~10^15 Ωcm, 그리고 허용 제한 온도는 100℃ 이다.

장비의 오일-페이퍼 절연 시스템은 반드시 주의 깊게 제작되어야 한다. 그 이유는 유해한 가스의 방출을 예방하기 위함이며 이러한 가스는 부분방전 또는 오일의 절연 파괴 전계 강도를 줄일 수 있기때문이다. 추가적으로, 수분은 완전히 제거되어야 한다. 왜냐하면 수분은 오일의 전기적 강도에서 눈에 띄는 왜곡 현상 뿐만 아니라, 종이의 노쇠화(변질)을 야기 시키기 때문이다.

제작과정은 10^-3~10^-4 mbar의 진공 챔버에서 진행되며 온도는 최대 110℃이다. 제품의 건조 시간은 절연체 두께의 따라서 증가하며 수 일에서 수 주의 시간을 소요한다. 

건조 과정은 영구적인 방출요인 모니터링 시스템에 의해 관리 된다. 건조 기간 동안, 잔여 수분과 가스제거과정 사이의 압력은 흡수 등온선에의해 설명된다(Figure 2.5-4).

건조된 페이퍼 절연체는 가능하다면 진공상태에서 오일을 머금는 과정을 거치게 되고 이 과정에 사용되는 오일은 최근 정제된 오일이나 따듯한 미네랄 오일이 적용된다. 종이의 축축해지기 쉬운 특성은 건조한 종이가 오일에있는 수분을 흡수하려는 현상을 유발한다. 결과적으로, 오일은 종이에 잔여 가스들을 용해시키고 부분방전 퍼포먼스 향상에 기여하게 된다.

b) 케이블 절연에서의 오일을 함유한 종이(Oil-impregnated paper as cable insulation)

오일-페이퍼 절연체는 케이블 절연에 있어서 또한 지배적인 역할을 한다. 최대 60kV 전압의 범위에서는 소위 compound-filled cable이 사용되지만 PE cable에 의해 대체되었다. 110kV 또는 이 보다 높은 전압에서는 오일로 채워진 케이블이 지배적이다.

처음에, 전도체는 페이퍼 테이프 절연에 의해 20~30mm 넓이 그리고 0.1~0.15mm의 두께로 오버랩 없이 감겨 있다. 종이 절연체는 건조되게 되고 오일을 함유하게 된다. 미네랄 오일의 낮은 점도성은 오일로 채워진 케이블에 사용되고 미네랄 오일은 레신(resin) 첨가제와 함께 compound-filled cable에 관해서 함께 두꺼워 진다.

Compound-filled cable에서는 오일이 함유되는 온도에서 허용된 재료는 낮은 점도성을 가지고 있으며 주변온도 그리고 동작온도에서는 높은 점도성을 가지고 있다. 이렇게 다른 특성을 가짐으로써, 케이블의 이동 및 설치시 케이블의 물리적 파괴를 예방할 수 있다.

간단한 셋업으로 여겨지는 Compound-filled cable의 사용은 medium 전압에 있어서 부분방전에 위험으로 인해 매우 제한적이다. 열적 응력(stress)의 작용동안은, compound(복합체)는 전도체의 표면 피복으로 확장되게 되고 이러한 확장뒤에는 이전 상태로 돌이킬 수 없는 확장을 하게된다. 냉각 후에는, 가스로 채워진 공간들이 생성되고 이러한 부분들은 부분방전의 시작점이 된다. 그리고 이러한 현상은 허용 동작 전계 강도를 4kV/mm로 제한한다. Compound-filled cable은 또한 내부 와 와부 가스 압력이 작용한 케이블에서 동작 전압에 있어서 60kV이상에서는 그 사용이 제한되게 된다.

이전에 언급한 compound-filled cable 절연에서의 공간의 형성은 그 어떤 위험으로 부터 예방된다. 이러한 예방은 가스 압력을 15 bar nitrogen을 유지하면서 예방하게 되고 이로 인해 공간(cavities)에서의 개시 전압(inception voltage)를 증가 시킬 수 있다. 9kV/mm 의 동작 전계 강도는 SF6를 추가함으로써 최대 12~13kV/mm까지 얻어질 수 있다. 외부의 가스 압력 케이블에서는, 보통의 compound-filled cable은 강철 파이프 안쪽에 설치되며 nitrogen(15 bar 압력)으로 채워진다. 전도체 표면 피복은 압력막처럼 행동하게 되며 공간(cavities)의 생성을 방지하고 공간에서 높은 압력을 유지한다.

낮은 점도성의 미네랄 오일은 oil-filled 케이블에 사용되고 빈 공간(cavities)의 생성을 방지한다. 확장 베슬(vassels)은 보통 수 km의 간격으로 배치되는데 이러한 배치를 통해 케이블을 일정 압력으로 유지할 수 있다. 낮은 점도성의 오일을 따듯하게 함으로써 확장 베슬로 흘러들어 가게 하는데  전도체 표면으로의 확장 없이 가능하다. 냉각시에는, 확장 베슬로 부터 케이블 절연체로 다시 흘러들어 가게 된다.

압력의 값은 절연 파괴 전계 강도에 영향을 미치며 다음 그림에서 보여지는바와 같다.

만약 오일의 압력이 낮은 bar의 값을 가진다면, 낮은 압력의 oil-filled cables을 가지며, 15 bar 의 오일 압력을 가진다면 높은 압력의 oil-filled cable을 가진다. 동작 전계 강도는 최대 14kV/mm이며 유럽국가들 사이에서는, 낮은 압력의 oil-filled cable 사용이 지배적이다.

충동 전압의 강도를 고려하였을때, 더 얇은 종이가 종종 최대 응력 범위내에서 배열된다. 즉, 전도체 내부에 배치되고 반면에, 외부영역은 보통의 케이블 페이퍼가 사용된다. ac 강도의 증가를 제외하고, 균일 전계 분배에서의 라미네이션의 결과는 더 얇은 종이 레이어의 높은 절연 상수로 인해 전압 분배가 외부쪽, 즉 전계가 약한쪽으로 이동하게 된다. 이러한 측정방법들은 400kV의 oil-filled cable을 1640kV의 충동전압을 견딜 수 있게 디자인 할 수 있으며 이 경우 절연 벽의 두께는 28mm 밖에 되지 않는다. 또한 최대 전계 강도는 이 경우에 93kV/mm 이다.

Oil-filled cable의 방출 요인(dissipation factor)은 약 2~4*10^-3정도이다. 이것은 송전 전압의 증가와 관련한 절연 손실이 케이블에서의 전력 전달에 있어서 제한적이라는 것이다. 

방출요인 tanδ=2*10^-3 에서는 전력의 전달과 관련해서 송전 전압 700kV에서 전도체의 지름은 최대값에 도달하며 더 높은 송전 전압은 오직 절연체의 방출요인이 2*10^-3보다 낮을때만 가능하다. 이런 종류의 절연 시스템은 오일을 머금은 플라스틱 호일, 합성 페이퍼, 또는 페이퍼/플라스틱 조합으로 구성된다.

출처:

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

자연 유기 절연 물질(Natural organic insulating materials)-종이(Paper) 

전기적 용도로서의 종이는 주로 우드-펄프(wood-pulp)로 제작 된다. 캐패시터에 사용되는 종이는 약 10μm의 두께로 만들어 진다. 이러한 공정의 첫번째 과정은 나무적 요소들(lignin, resin 등) 로부터 섬유소 펄프를 분리해낸다. 산성이나 알카리성의 분해는 펄프 촉진제에서 일어나게 된다. 전기적 기술에 사용되는 섬유서는 반드시 응용전에 세척되어야 하는데, 이렇게 응용 전 세척을 하면 절연 요소들을 줄일 수 있으며 표백성 요소들이나 산성 물질들을 감소 시킬 수 있다.

이렇게 얻어진 천연 섬유소(unbleached lignosulphonates의 형태)는 물에 용해 되게 되고 섬유적 세스펜션(지지대)는 각개의 섬유소로또는 ground로 분리되게 된다. 이러한 지속적인 분쇄와 적용된 다른 방법들은 제작된 종이의 퀄리티를 결정하게 된다. 

수분적 지지대는 종이 머신으로 feed 된다. 이 종이 머신은 정교하고 기계적인 종이를 롤방식으로 제작하게 된다. 이후, 압력을 가하면서 종이의 반사도와 표면의 매끄러운 정도를 향상 시키고 또한 밀도, 절연파괴 강도, 절연 상수를 향상 시킨다.

트랜스포머에 사용되는 섬유소 페이퍼는 0.05~0.08 mm의 두께 정도로 제작되며 케이블에 사용되는 페이퍼는 0.08~0.2 mm의 두께로 제작된다. 합판은 젖은 상태인 여러개의 얇은 레이어에 압력을 가하여 만들며 접착제는 사용되지 않는다. mm 범위의 두께로 제작되며 보통 35개의 얇은 레이어에 압력을 가하여 제작하며 각각의 레이어는 30μm의 두께를 가지고 있다.

이론적인 밀도  1.55 g/cm^3는 종이(20~50%의 빈 공간을 보유한 종이)에서 이뤄내기 어렵다. 다음은 제작된 종이들이 가지고 있는 밀도를 보여준다.

섬유소의 절연 상수는 20℃에서 5.6의 수치를 가지며, 종이는 1.5~3.5, 합판은 4.5 정도를 가진다. 방출요인은(dissipation factor)은 3~4)*10^-3, 건조 상태에서 볼륨 저항성은 10^15~10^17 Ωcm 이다. 볼륨 저항성은 1.5%의 수분을 흡수할때마다 10의 지수 형태로 감소한다. 

Figure 2.5-3은 방출요인(dissipation factor)과 절연상수(dielectric constant)가 온도변화따라 변하는 모습 보여준다. 5~10%의 수분을 가지고 있는 평균적 대기상태에서 종이는 매우 축축해지기 쉽다. 종이의 변질은 주로 수분과 열에의해 많이 영향을 받기때문에, 종이의 건조 기술은 매우 중요한 부분중 하나이다. 

종이의 활용은 하드보드, 소프트 페이퍼, 합판의 형태로 나타날 수 있으며 하드보드는 epoxy 또는 phenolic resins과 함께 합축되고 epoxy와 phenolic resins은 지지대 및 절연 경계로써 사용된다. 소프트 페이퍼와 합판은 오일이 함유된 상태로 이용되며 트랜스포머, instrument 트랜스포머, 부싱, 캐패시터, 오일이 사용된 케이블에 적용된다. 

출처:

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

유기 물질(Organic materials)은 탄소를 포함하고 있으며, 이러한 탄소는 긴 체인형태나 링의 구조로 형성될 수 있다. 미네랄 오일과 식물성 오일 모두 자연적 유기 용액 그룹에 속한다. 파라핀(paraffin), 비투먼(bitumen) 들은 천연오일의 성분으로써 고체 그룹에 속하고 추가로 왁스(wax), 레신(resin), 나무(wood), 섬유소 재료들(종이, 실크, 솜, 삼배)등이 있다. 고 전압 공학에서 중요한 물질은 미네랄 오일, 종이 그리고 제한적이긴 하지만 나무와 비투먼(bitumen)이다.

미네랄 오일(Mineral Oil)

미네랄 오일은 천연 오일(crude oil)의 가스 제거, 탈수, 불순물 제거 후 증류법에 의해 얻어진다. 주로, 나프탈렌과 있는 포화 탄화수소 또는 알케인 구조와 함께하는 포화 탄화수소가 사용되는데 그 이유는 포화되지 않은 아로마틱 탄화 수소에 비해 화학적으로 더 안정적이기 때문이다. 다음은 이에 관련된 몇몇의 예를 보여준다.

아로마틱 탄화수소의 제거는 정제 과정을 통해 제거 될 수 있다. 잘 알려져있듯이 절연 오일의 전기적 특성은 수분과 가스 함량의 증가로 인해 왜곡되는 현상을 보여 준다. 따라서, 절연에 사용되는 오일은 반드시 고 전압 장비에 적용 되기전에 사전의 처리과정이 필요하다. 이러한 사전 처리 과정은 정제 공장에서 가스 제거와 건조 과정을 통한다.

넓은 지역의 얇은 필름이 생산되는 곳에서 표면 가스제거 과정은 보통 적용되며, 이 과정동안, 오일은 약 50℃~60℃ 온도 및 10^-2mbar의 진공상태에 노출되게 된다

Figure 2.5-1은 오일 정제 플랜트의 기본 셋업을 보여준다. 정제된 오일은 절연 파괴 전압을  50 ... 60kV 정도로 가져야 하며, 이 값은 절연 파괴 전계 강도 200kV/cm 정도에 해당한다(breakdown field strength of about 200kV/cm).

절연 오일은 수분을 흡수하는 성질때문에 변질(노쇠화)위험에 놓여 있다. 열과 산소의 결합된 효과로 인해, 산화 물질들이 오일안에 용해될수 있는 형태로 생성된다(예, acids: 산). 용해되지 않는 물질 또한 생성되는데 슬러지(sludge: 끈적 거리는 진흙같은 물질)의 형태로 생성된다. 오일의 산화는 구리의 촉매 작용으로 인해 가속화 된다. 이러한 이유로 순수 구리(bare copper) 전도체가 절연 오일에 잘 사용되지 않는다. 중립화와 비누화의 수치는 노쇠화 상태를 특정화 하는데 매우 유용하다. 그리고, 중립화 수치는 potassium hydroxide(KOH) 제공함으로써 1 g 의 오일을 포함한 자유 산성 물질들을 중화 시킨다. 반면에, 비누화 수치는 KOH의 양을 설명하고 이  KOH는 자유 산성 물질 그리고 경계 산성물질들을 중립화 시키기때문에 중립화의 수치 또한 포함한다.

Figure 2.5-2는 변질된 오일이 신선한 오일에 비해 방출 요인(dissipation factor)이 더 나쁘다는 점을 보여준다. 따라서, 트랜스포머 같은 절연 오일이 사용된 큰 규모의 장비들은 반드시 오일의 변질 상태를 주기적으로 확인하여야 한다. 이러한 이유로, 절연에 사용되는 오일은 절연 파괴 전계 강도, 방출요인(dissipation factor), 불순물의 함유량이 조사되어야 한다. 만얀 필요하다면, 오일의 정제 과정이 반드시 필요하며 또는 사용된 오일을 교체하여야 한다. 오일의 교체는 중성화 값이  0.5 mg KOH/g oil을 초과하거나, 용해성의 슬러지가 chloroform(CHCl₃)클로로포름(마취제의 일종))에서 발견되었을때 실행한다. 

오일의 산화 안정성은 변질(노쇠화) 억제제를 참가하면서 증가시킬 수 있다. 이런 억제제들은 오일 분자에서 깨진 결합과 반응하게 되고 안정적이고, 비활성적이면서 무해한 화합물을 형성하면서 산화 과정을 방지할 수 있다. 억제제들은 이런 진행 과정에서 고갈되게 되므로, 반드시 시간에 맞춰서 다시 채워넣어야 한다. 

미네랄 오일의 응고점(solidifying point)은 -40 ℃이며 전기적 특성은 불순물에 따라 변할 수 있다. 절연 파괴 전계 25 kV/mm의 강도는 약 mm 범위의 간극에서는 유효하다. 얇은 레이어의 절연 파괴 전계의 강도는 약 100kV/mm까지 측정되었으며, 필름은 μm 범위의 간극에서 300kV/mm 정도까지 측정되었다. 다시 말해서, 낮은 절연 상수와의 결합은 오일-종이 절연시스템이 왜 우수한 전기적 강도를 가지고 있는지 설명해 준다.

전기적 방전이 일어날 경우는, 오일은 가스의 형태로 분해 된다. 아크(arc)상태에서는, 오일의 열적 기능저하는 약 60%의 수소와 10%의 다른 가스들, 25%의 포화, 불포화 탄화 수소들의 형태로 일어난다. 기능저하 요인인 수소의 높은 함량은 아크의 집중적인 냉각을 가져온다. 

전극의 예리한 끝부분에서 (예: 캐패시터에서 메탈 호일(metal foils)의 끝부분), 지속적인 방전은 오일 분자들이 고체 물질의 형태로서의 중합반응을 야기 시킬 수 있다(X-wax formation). 이러한 결과는 액상의 요소들보다 더 낮은 전열 파괴 전압(lower breakdown voltage) 값을 가지게 되고 이로 인해 절연 파괴를 시작하게 된다.

열적인 성분에서, 비열(specific heat)과 장기간의 열적 안정화는 특히 매우 중요하다. 절연적인 요소를 제외하고 오일은 높은 비열을 장점을 가지기 때문에 빈번하게 냉각제로도 사용된다. 그러나 장기간적인 측면에서의 열적 안정화는 오직 약 90℃까지만 이루어 지기 때문에 이로 인해 많은 장비들이 제한된 정격 전압(permissible rated power)을 가지게 된다.

절연 물질로서 오일의 응용은 종이 형태의 섬유소나 합판(press board)와의 결합을 통해 이루어진다. 오일을 함유한 종이는 전기적으로 매우 강하며 지속적인 응력 노출에서도 절연능력을 증명했다. 이러한 오일을 함유한 종이는 고 전압 기술에서 매우 중요한 절연 물질로 여겨 진다. 이 러한 기술의 존재로 인해 현재의 트랜스포머, 부싱, 캐패시터, 케이블이 많은 발전을 이룰 수 있었다.

출처:

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