소소한 POWER SYSTEM

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.