소소한 POWER SYSTEM

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

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.

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

HVDC Converter Transformer

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

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

• AC 네트워크와 converter valves 사이의 전력의 전달

• 전압 전환에 있어서의 전압 레벨 보조

• AC 와 DC 시스템 사이의 전류적 독립성

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

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

Converter Transformer 의 구성요소

A) 코어와 와인딩(Core and Winding)

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

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

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

B) 부싱(Bushing)

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

C) 쿨링 시스템(Cooling System)

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

D) 오일 탱크(Oil Tank)

접지된 오일탱크는 컨버터 트랜스포머의 내부 고전압 요소들을 커버한다. 

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

컨버터 트랜스포머의 구조(Configuration of Converter Transformers)

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

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

컨버터 트랜스포머의 절연 (Insulation in Converter Transformer)

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

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

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

출처: 

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

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

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

AC 시스템의 비해서 DC 시스템이 가지는 장점들은 다음과 같다.

• 장거리 송신에 있어서 전력 손실이 적다.

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

• 장거리 송신에 있어서 비용이 AC 시스템의 비해서 저렴하다.

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

        AC vs DC 비용 비교

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

• 안정성이나 동기화관련 문제가 없다.
  

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

• 더 큰 용량의 short-circuit capacity

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

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

여기에서는 미델회사에서 생산하는 이스터 베이스의 용액들중 하나인 MIDEL eN 1215을 알아보려 한다.

MIDEL eN 1215 은 대두(콩)으로 부터 생산되는 식물성 이스터 트랜스포머 용액이다. 현재 미국에서 그 지역 대두(콩)을 이용해 생산중이다. MIDEL eN 1215는 자연적 이스터 전연 용액으로써 현재 널리 사용되어지는 미네랄오일, 실리콘 용액, 또는 건식의 트랜스포머의 대체제로 주목 받고 있다.

MIDEL eN 1215은 높은 발화점을 가지고 있으므로 화재 위험성으로부터 안전한 편에 속하기때문에 트랜스포머의 추가적인 화재 방지 장비 구축에 있어서 경제적, 공간적 소비를 줄일 수 있다.

MIDEL eN 1215은 식물성 오일로부터 생산되기 때문에 지속적인 재생산이 가능하다. 또한, 식물성 분해가 쉽게 일어나기 때문에 환경오염으로 부터 상대적으로 자유로우며 장비의 오염 가능성 또한 낮은 편이다.

MIDEL eN 1215을 가장 효과적으로 사용가능한 곳은 기후가 온화하고 장비들이 산소에 노출되지 않은 곳에서 가장 적합하다.

MIDEL eN 1215은 습도에 매우 강하다 (high moisture tolerance) 그리고 이러한 특성은 섬유성 절연체 수명의 연장을 이끌어 낼 수 있다.

MIDEL eN 1215는 넓은 범위의 트랜스포머의 적용이 가능하며, 산소와 접촉이 없는한 실내와 실외 모두 사용가능하다.

트랜스포머의 화재는 전 세계 파워 네트워크에서 빈번하게 일어나는 사고 이며 이러한 화재는 매우 빠르게 전이되어 추가적으로 설비의 손실을 이끌어 낼 수 있다. 

따라서 발화점이 높은 MIDEL eN 1215이 새로운 방안으로 제시 될 수있다.

MIDEL eN 1215 용액이 가지는 특성(https://www.midel.com/app/uploads/2018/05/MIDEL-eN-1215-Product-Brochure.pdf)

MIDEL eN 1215은 높은 발화점으로인해 아주 우수한 절연능력을 보여주며 이미 입증되있듯이 미네랄 오일에 비해 상당히 안정적이다. 또한 대두(콩)으로 부터 생산되기 때문에 매우 친환경적이며, 지속적인 생산이 가능하며 무독성, 높은 생물학적 분해능력의 장점을 가지고 있다. 

MIDEL eN 1215은 습도에 있어서 강한 내구성을 지니고 있기 때문에 특히 섬유소 베이스의 고체 절연의 수명을 늘릴 수 있으며 결론적으로 파워 트랜스포머의 수명 연장 또한 가능하다.

MIDEL eN 1215의 몇가지 특성을 간략하게 요약해보면 다음과 같다.

• 높은 발화점(300℃ 이상)
• 불에 잘 타지 않는 용액
• 실내와 실외 모두 사용가능(산소와 접촉이 없을시)

• 재생가능한 식물성 오일로부터 생산
• 미네랄오일의 비해 낮은 탄소배출
• 손쉬운 생물학전 분해
• 무독성
• 부식성 황(Sulphur)가 존재하지 않음

• 우수한 습도 내구성: 많은 양의 수분을 절연파괴 전압의 감소 없이 흡수 가능
• 높은 습도 포화 한계성( 1100ppm @ 20℃)

• 미네랄 오일에 비해 장비의 수명을 높여줌
• 표준온도에서 더 높은 섬유소 수명 보장 가능
• 고온의 절연 없이 더 높은 파워 생산(power output) 가능

• 추가적인 화재시설이나 고온절연이 필요 없기때무넹 간단한 디자인이 가능해짐
• 또한, 높은 유연성과 높은 발화점으로 인해 미네랄 오일에 비해 과부화가 가능해진다.

파워 트랜스 포머는 대게 정격 전압이 33kV이상이며 에너지 인프라에 있어서 매우 핵심적인 부분이다. 하지만, 매우 비용이 높으며 운반하기가 상당히 어렵다. 이러한 파워 트랜스포머들은 종종 인구가 많은 지역에 설치되거나, 환경적으로 예민한 지역에 설치 될 수도 있기 때문에 항상 화재의 위험성과 환경오염 가능성을 최우선적으로 고민해야 한다.

현재 MIDEL 회사는 MIDEL eN 1204, MIDEL eN 1215, 그리고 MIDEL 7131 세가지의 이스터 베이스의 용액을 생산중이며 이 세가지 용액 모두 트랜스포머에 최대 400KV까지 적용 가능하다. 세 용액 모두 쉽게 생물학적 분해가 가능하기때문에 친환경적이며 장비 오염적 측면에서도 우수한 성능을 보여준다.

특히 MIDEL 7131(합성 이스터 용액)은 뛰어난 산화 안정성때문에 야외나 실내 모두 사용가능하다. 다시 말하면, 장비가 산소에 노출되는경우 노출되지 않는경우 모두 적용이 가능하다.

반면에 MIDEL eN 1204(rapeseed), MIDEL eN 1215(soybean)은 유채씨, 대두(콩)등에서 추출되기 때문에 매우 친환경적이며 재생가능한 식물성 오일로 부터 생산이 가능하다. 하지만 상대적으로 낮은 산화안정성때문에 산소와 접촉이 없는 장비에만 적용이 가능하다. 유채씨로부터 생산되는 MIDEL eN 1204은 콩으로 부터 생산되는 MIDEL eN 1215(soybean)보다 유동점이 낮기때문에 (-31℃) 추운 지역에서 이용이 가능하다.

출처: https://www.midel.com/midel-in-use/power/

HVDC (High-Voltage direct current) 즉, 고 직류전압은 HVAC 시스템에 비해서 많은 양의 전력을 장거리로 전달할 때 매우 효율성이 좋다. 현재의 파워시스템이 재생에너지와 관련된 사업들이 점점 증가하고 있으며 HVDC system은 이러한 재생에너지 활용에 있어서 매우 좋은 대안이 될 수 있다. Ultra high voltage technology, 즉 초고 전압 기술은 HVDC가 진화한 시스템으로 HVDC system보다 더 많은 양의 전력 전달의 용이하며 전력손실도 매우 적은 편이다. 그리고 장거리 전력 전달에 매우 강점을 보임으로 해상에 설치된 풍력 발전기 같은 매우 먼 거리의 전력 전달에도 강점을 보인다. 현재 ABB라는 Power system 회사는 1,100 kV converter transformer 테스트를 완료한 상황이며 이것은 현재까지 가장 높은 직류전압으로 기록되어있다.

​

장거리 전력 송신을 고려하였을 때 HVDC 기술은 HVAC에 비하여 경제적, 환경적으로 이점을 가지고 올 수 있는데 그 이유 중 하나는 HVDC 시스템은 기존의 설치된 HVAC 시스템과의 연결이 가능하기 때문에 새로운 파워시스템의 건설이 필요 없으며 HVDC 시스템의 연결을 통해 기존의 파워시스템의 효율성을 높일 수 있다. 결론적으로, 새로운 파워시스템의 건축하지 않음으로써 환경적인 피해를 줄일 수 있고, 경제적인 이익 또한 기대할 수 있다.

출처

1. https://new.abb.com/products/transformers/power/hvdc-converter

2. http://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=9AKK106930A1474&LanguageCode=en&DocumentPartId=&Action=Launch

​

부분 방전(Partial Discharge: PD)이란?

두 전도체 사이에 발생하는 불완전한 절연파괴이며 대게의 부분방전은 3.3kV(phase to phase) 또는 그 이상의 전압에서 발생된다. 그리고 부분방전이 발생하는 장소는 Power 케이블, stator windings, 트랜스포머, 스위치기어등이 있다.

이름에서 보여지듯이 부분방전이란 부분적으로 일어나는 방전현상을 말하며 고 전압이 적용되었을때 부분적으로 절연체과 전도체사이를 전기적으로 잇는 현상을 말한다. 보통 부분 방전(partial discharge)의 현상은 부분적인 전기적 스트레스(electrical stress)의 집중으로 인해 발생하며, 절연체의 수명을 단축 시켜버리지만 즉각적인 시스템의 실패나 절연파괴는 일으키지 않는다.

• 내부적 방전(Internal Discharge):​ 고형이나 액체의 절연체 내부의 작은 기포나 공간(cavities)에 의해 발생

​

• 표면 방전(Surface Discharge): 고체 절연체 표면에서 발생하는 방전현상 (고체-고체, 고체-액체 포함)

​

• 코로나 방전(Corona Discharge): Corona 부분방전을 들 수 있다. Corona 부분방전은 보통 도체의 표면에서 발생하며 그 결과로, 매우 강도가 높고 불균형한 전기응력(electric stress)을 발생시킨다.

​

고체의 절연체에서, 가스(gas)나 공기(air)로 체워져있는 작은 기포(cavity)는 절연기술 측면에서 좋지 않은것로 여겨지는데 크게 두가지 이유가 존재한다.

​

첫째로는, 공기의 절연 강도는 고체의 절연 강도에 비해 낮은 편이다. 다시 말하면 순수 절연 물질의 최대 전계 강도 값이 더 높기 때문에 절연 실패로 이어질 확율이 상대적으로 더 낮다.

​

두번째로는, 기포(cavity)는 주변의 절연체의 비해서 상대적으로 낮은 전기적 유전율을 갖게 된다. 따라서, 기포 주변의 전계(electric field)는 주변 절연체에 비해 더 보강된 값을 가지게 된다. (아래는 이와 관련된 대전되지 않은 상태에서의 수식이다)

위의 수식에서 보여지듯이 기포 주변의 전계는 factor >1 상태로 인해 증가하게 된다. 이러한 방식은 결국 부분적인 전계의 보강으로 이루어 지며 가스로 채워진 기포내에서 방전에 필요한 전계의 초과를 야기할 수 있다. (전자 사태를 유발할 수 있음)

​

부분방전은 이온화 과정으로 인해 일어나게 되며 이러한 이온화 과정의 발생을 위해서는 다음의 두 조건을 반드시 충족시켜야 한다.

​

1. 기포내의 부분적 전계의 강도는 반드시 최소 파괴 전압에 상응하는 특정 전계값을 초과해야 한다.

2. 두번째로는, 기포 내부의 가스에서 자유 전자는 이온화 과정의 시작을 위해 반드시 존재 하여야 한다.

이온화 과정과 관련된 전자사태(electron avalanche)는 기포 표면에 자유 전자의 배치를 이끌어 내게 되며 결론적으로, 전하들은 전계의 방향과 나란히하며 기포의 표면으로 이동하게 된다.

​

이러한 전하들은 기포의 표면에 갇히게 되고 결국 적용된 전계의 반대방향으로 또 다른 전계를 형성시킨다.

이 현상은 매우 짧은 순간(microseconds 단위)로 발생하게 된다. 그 결과 기포 주변(cavity)의 총 전계(the total electric field)는 급격하게 감소하게 되고 방전의 소멸로 이끌게 된다.

​

이러한 과정 뒤에, 같힌 전하(trapped charge)들은 (+) 과 (-)의 전하들의 재결합 과정을 통해 소멸되게 된다. 그리고 일정 시간이 지난 후 전계는 다시 새로운 방전이 시작할 만큼 충분히 강해지게 된다.

​

● PD는 두 도체사이의 가스(air, SF6, hydrogen) 가 존재할때만 발생된다.

● 두 도체사이에 고압이 적용되었을때 electric stress를 만들게 된다.

● 만약 가스가 존재하는 공간에서, electric stress 가 3kV/mm을 초과하였을때 전자들이 가스 원자로부터 떨어져 나오기 시작한다.

● 보통의 액체 또는 고체의 절연체들은 가스에 비해 50~100배의 더 큰 전기적 강도를 가지게 된다.

● 음극성 전자들(negative electrons)은 공기를 통해 양극성을 띈 도체로 이동하려는 성질을 보이게 되며, 절연체의 손상을 주게한다.

● 시간과 공간을 이동하는 전자들은 전류를 발생시키며 식은 i=dq/dt이다.

출처:

[1] Greg Ston (Iris Power – Qualitrol): Partial Discharge in Electrical Insulation

[2] https://www.quora.com/Whats-PD-partial-discharge