[2016] PEA기술을 이용한 오일-페이퍼 절연 공간 전하 연구 과정(Progress of Space Charge Research on Oil-Paper Insulation Using Pulsed Electroacoustic Techniques)
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.